一．拉曼光谱

1928年，印度物理学家拉曼（Raman）发现了拉曼散射效应，他在实验中发现，当单色光（通常为激光）照射到物质上时，光子与分子发生弹性碰撞，这部分散射光与入射光有相同的波长，不能提供有用的信息，这种被称为瑞利散射；光子与分子发生非弹性碰撞，导致散射光波长相对于入射光发生改变，这种现象被称为拉曼散射^[1]。

光散射原理图

瑞利散射与拉曼散射能级示意图

拉曼散射光对称的分布在瑞利散射光的两边，但强度比瑞利散射低很多，大概为瑞利散射光强度10^-6 – 10^-9。

拉曼光谱谱峰参数分析示意图

拉曼光谱图由一定数量的拉曼峰组成，每个拉曼峰代表着相对应的拉曼散射的波长位置和强度。每个峰对应一种特定的分子键振动，如C-C、C=C、C-H等，同时也包括由多个化学键组成的基团的振动。

通过分子键的振动，可以分析出物质的组成；通过拉曼峰位置的变化可以判断被研究材料的部分力学性能；拉曼峰强度的大小代表着物质总量的多少；拉曼峰的峰宽可以判断出晶体的质量；拉曼峰的偏振情况反映了晶体的对称性和取向。

一般而言，拉曼光谱是特定分子或材料独有的化学指纹，能够用于快速确认材料种类，同时也能用来区分不同的材料。在拉曼光谱的数据库中，有着数千条光谱，通过快速搜索，即可找到与被分析物质相匹配的光谱数据。

二．移频激发拉曼差分光谱法（SERDS）

用激光照射样品时，可以激发出拉曼散射，但同时也会激发出荧光。拉曼散射的强度十分微弱，但荧光的强度是拉曼散射光的10⁶~10⁸倍，所以荧光会在很大的程度上影响拉曼检测的准确率^[2]。

对荧光的抑制方法和技术就显得尤为重要，现在常用的荧光抑制方法主要有荧光猝灭剂法、光漂白法、红外紫外激发法、小波变换法、偏振调制法、门控法等。但这些方法都有或多或少的弊端，如荧光猝灭剂法会引入化学物质，可能导致样品的污染；光漂白法通过对样品持续照射，可能会造成样品的光损伤/热损伤等等问题。

科学家发现了另一种方法：移频激发差分拉曼光谱（SERDS）。SERDS使用两个波长相近的激光分别激发样品，根据卡莎规则，激发光子的微小能量变化不会影响荧光背景，但会引起拉曼光谱的位移^[3]，拉曼光谱会随着激光的波长变化而改变，而荧光几乎不会随着波长的变化而改变。通过两个波长相近的激光激发后的光谱相减，得到的差分光谱，其中的荧光背景几乎被消除。

左图为784、785nm双波长激光器拉曼光谱图（示意图），右图为差分处理后拉曼光谱图（示意图）

对比SERDS和上述几种荧光消除办法，SERDS是一种无损，无化学接触，无需预处理样品的方法。不会因为样品的偏振特性导致实验数据的偏差，同时，分析速度也会更快。

三．SERDS的应用

SERDS在化学、医学、食品和环境等领域有着广泛的应用，同时，SERDS可以与其他光谱技术结合使用，例如表面增强拉曼光谱（SERS）、拉曼显微镜、拉曼光谱成像等。

在环境和食品领域，样品中往往会存在强荧光背景，这对样品的测量会造成很大的影响。测算土壤的肥力指标对农业的意义重大，按照不同的土壤肥力施加不同的肥料和农药等，可以很大程度提升产量，同时也可以对环境保护起到一定的帮助。Kay Sowoidnich等人采用784、785nm双波长激光器，消除土壤测量中荧光的干扰，分离除石英、方解石等矿物与有机分子的分子指纹信号^[4]。同时，Sowoidnich K等人利用784、785nm双波长激光器测量畜禽饲料中各成分的分子指纹，筛选适配禽畜生长所需饲料，辅助禽畜维持稳定的生长状态与生产表现^[5]。

Sowoidnich团队使用的784.6 nm/785.2 nm双波长SERDS系统，采用电控交替调制方法。实验采用λ₁单次曝光–λ₂单次曝光循环交替采集方案，避免分批次采集引发荧光漂移与光漂白，相邻波长采集时间间隔控制在数十毫秒（20-100ms）范围内，保证两次测量荧光基线近似一致。

四.784/785nm激光器用于SERDS的优势

拉曼峰会随着激发波长变化而变化，而荧光几乎不会变化，所以选择波长差相近的784/785nm波长的激光器可以更清晰地去除荧光的干扰，同时不会因为波长差过小导致拉曼峰差异极低，无法有效差分。也不会因为波长差过大，导致荧光谱线的变化。相比其他波段的激光，785nm附近光子能量更低，可以使样品激发出的荧光总量减少，便于进行差分运算；同时，785nm散射后的拉曼光的波长在830~1010nm，可以使用更便宜的硅CCD采集设备。

北京杏林睿光（RealLight）自主研发国产化系列拉曼光谱光学设备，可搭建完整拉曼分析平台，产品覆盖NLSO单模、NLMO多模两类常规窄线宽拉曼激光器模块、面向移频激发差分拉曼光谱（SERDS）技术开发的NL系列784/785 nm双波长激光器，以及配套RL-RP系列标准化拉曼采集探头专用散热模组与定制化滤光光学配件，可完整搭建满足不同检测场景需求的拉曼分析平台。

拉曼探头结构示意图

杏林睿光标准拉曼探头参数

根据应用场景的不同，该系列提供两种产品形态：NLM系列台式激光器与NLMO系列嵌入式激光模块。两者核心光学性能一致，均覆盖532nm、638nm、785nm、808nm、830nm、981nm、1064nm七个主流激发波段，光纤芯径为105μm（NA=0.22），输出功率范围为100–800mW。除808nm与981nm波段线宽<0.3nm外，其余波段光谱线宽均<0.1nm；波长稳定性在4小时连续运行条件下优于±7pm（532 nm为±5 pm），功率峰峰值波动<±2%，边模抑制比（SMSR）最高可达40dB以上。

NLMO系列多模窄线宽激光器模块参数表

NLM系列为台式整机形态，配备显示屏、电路系统、散热模块和硬件急停开关，支持USB通讯与0–5V模拟调制，适用于实验室台式拉曼系统与工业在线检测设备；NLMO系列为微型一体化模块，典型功耗<5W，适用于便携式拉曼设备的集成开发与OEM批量配套。两种型号均支持FC/PC与SMA905标准光纤接口，可直接对接商用光谱仪及RL-RP系列拉曼探头，构成完整的拉曼检测系统。

NLM系列多模窄线宽激光器参数表

常规单波长激光器采用VBG体光栅锁频技术，输出光谱线宽窄、波长与输出功率长期稳定性优异，适用于荧光干扰较弱的矿物、化工原料等样品的常规拉曼定性表征；针对土壤、生物基质这类自带强自体荧光、常规拉曼信号极易被掩盖的复杂体系，杏林睿光所推出的784.5/785.5 nm R2T双波长窄线宽半导体激光模组为SERDS检测方案提供核心激发单元。R2T双波长窄线宽半导体激光模组在单台机箱内部集成两套独立恒温锁频光路，完全契合SERDS差分运算的物理要求。设备两路激光支持电控交替切换，可以做到几十μs的切换时间，可实现100Hz方波时序调制，并配备硬件同步触发接口，能够与制冷型CCD光谱仪、电动XY位移台实现信号联动，采用短间隔循环采集模式完成两种波长下的拉曼数据采集，可显著降低分批次采集引发的土壤有机质光漂白、荧光基线漂移所产生的差分伪峰干扰，提升数据稳定性。

784.5/785.5nm激光器参数

784.5/785.5nm激光器PIV曲线图、光谱图

该双波长系列同样提供台式整机（NLM双波长）与嵌入式模块（NLMO双波长）两种形态：NLM双波长配备显示屏、电路系统、散热模块和硬件急停开关，适用于实验室台式SERDS系统搭建；NLMO双波长模块典型功耗<5W，支持PH2.0 I/O硬件控制与USB数字通讯双模式，适用于便携式差分拉曼设备集成。

 NLMO系列多模双波长窄线宽激光器模块参数表

NLM系列多模双波长窄线宽激光器参数表

将该双波长光源与RL-RP系列高截止深度拉曼探头、配套隔离滤波器件，即可搭建国产化SERDS差分拉曼检测系统。整套光学平台可对农田表层土壤开展毫米尺度栅格扫描测试，通过差分算法去除腐殖质产生的宽幅荧光背景，可实现农田土壤中石英、长石、方解石、锐钛矿、无定形碳等常见组分特征拉曼峰的区分识别。整套设备均为国内自主生产制造，国产化设备可适配国内项目需求，交付周期更贴合本土使用节奏，后期运维服务响应便捷，运维成本具备本土化优势；进口设备与国产设备适配场景各有侧重，可按需选择，硬件参数可结合实验室台式检测、野外便携原位筛査等场景按需定制，可为国内SERDS相关技术研究提供国产化硬件选择。

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[1] Raman C V. A new radiation[J]. Indian Journal of Physics, 1928, 2: 387-398.

[2]刘迎丽，牟涛涛，陈少华。移频激发差分拉曼光谱技术的研究进展综述 [J]. 激光与光电子学进展，2024, 61 (9): 0900003. DOI:10.3788/LOP231206

[3]Lin J Y, Lin D, Qiu S F, et al. Shifted-excitation Raman difference spectroscopy for improving in vivo detection of nasopharyngeal carcinoma[J]. Talanta, 2023, 257: 124330.

[4]Sowoidnich K, Vogel S, Maiwald M, et al. Determination of Soil Constituents Using Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy[J]. Applied Spectroscopy, 2022, 76(6):712-722. DOI:10.1177/00037028211064907.

[5]Sowoidnich K, Oster M, Wimmers K, et al. Shifted excitation Raman difference spectroscopy as enabling technique for the analysis of animal feedstuff[J]. Journal of Raman Spectroscopy, 2021, 52(8):1418-1427. DOI:10.1002/jrs.6140.

FAQ

1. SERDS 移频差分拉曼和时间门控拉曼，都可以抑制荧光，二者该怎么选择?

SERDS 属于光谱维度处理，依靠两个微小偏移的激发波长采集两套光谱做差分运算消除不变的荧光背景，不需要脉冲激光器与门控探测器，采用连续窄线宽激光器配合普通 CCD 即可实现，适合土壤、生物样品这类强荧光静态样品检测。

门控拉曼属于时域维度筛选，利用拉曼与荧光的寿命差异，使用脉冲激光+ICCD门控探测器做时间选通，更适合远距离远程探测、危化品非接触检测场景；系统需要脉冲光源、PD 光电二极管同步时序链路。实际工程中二者也可以组合使用进一步压制背景噪声。

2. SERDS 技术为什么选用 784.5/785.5 nm 这一组波长，波长差不能随便设置吗?

如果波长差过小，两次激发得到的拉曼峰偏移量微弱，差分后有效信号会很弱；波长差过大，会打破卡莎规则，荧光光谱本身会发生改变，差分无法彻底消去荧光背景。

784.5/785.5nm 之间约1nm 的波长差经过大量文献验证，刚好满足 SERDS 差分条件，同时近红外波段光子能量较低，样品不容易产生光漂白损伤。