作者：孙千 本文转载自公众号：老千和他的朋友们。原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/jlrjc2BvYWiK75EkYF6jVw
无论是天然矿物还是合成材料，其全面表征往往需要结合多种分析技术，单一方法难以同时覆盖形貌–元素–结构的多维度信息。
扫描电镜（SEM）作为材料表征的核心设备，凭借电子束与物质的相互作用，可通过SE、BSE、CL等成像模式获取纳米级形貌、化学分布及晶体分带信息，搭配EDS、WDS或EBSD，还能进一步实现元素组成（微米级）与晶体取向（数十纳米级）分析。而共聚焦拉曼光谱则通过非弹性光散射效应，精准捕捉化学键振动、分子结构及结晶度信息，是解析材料化学本质的关键手段。
然而，在传统分立式分析系统中，SEM与拉曼光谱仪始终独立运行，样品需在两台设备间反复转移。由于设备分辨率存在固有差异，相同分析区域往往难以精准定位，尤其在表征地质异质样品、透明矿物或微纳颗粒时，极易造成数据解读的歧义，严重影响分析结果的可靠性。而共聚焦拉曼–扫描电镜联用技术，通过真空室内的一体化集成设计，解决了这一核心痛点，成为当前多维度材料表征领域的前沿解决方案。
1 共聚焦拉曼光谱
共聚焦拉曼成像以“逐点扫描–光谱采集”为核心逻辑，其技术实现依赖压电扫描仪的高精度驱动——激光束在扫描仪控制下，对样品感兴趣区域执行点–线–面的系统性扫描，每一个扫描点均会完成完整拉曼光谱的采集，最终形成包含空间坐标（x,y）、拉曼位移及信号强度的4D数据立方体，实现平面内成分与结构信息的精准关联。
针对透明样品，系统可进一步沿z轴（深度方向）执行分层扫描，将数据维度扩展为包含三维空间坐标（x,y,z）、拉曼位移及信号强度的5D数据，从而突破平面分析限制，完成样品深度方向的结构解析与成分分布表征。后续通过提取拉曼特征参数（如特征峰强度、峰位），建立量化数值与颜色的映射规则，按坐标填充颜色并拼接成图，最终实现微观成分–结构–空间分布的一体化可视化。
拉曼光谱的信息价值体现在三个关键维度：一是峰强度/积分，反映特定化学化合物的相对含量分布，如通过特征峰定位某矿物在样品中的空间占比；二是峰位移，指示晶体结构的微观变化，如原子取代、晶格畸变或内应力；三是峰宽，表征结晶度与应力均匀性，可有效区分晶态与非晶态相，例如通过峰宽差异识别聚合物的结晶区域与无定形区域。
2 RISE技术的集成方案与关键参数
早期拉曼和扫描电镜联用系统采用共轴配置1：在SEM极靴下方插入反射镜，将激光聚焦至样品表面并将拉曼信号反射至光谱仪。该方案虽实现了二者联用，但存在显著局限——横向分辨率通常大于2μm，且仅支持点扫描（线扫描需依赖SEM载物台移动）；反射镜的存在会导致拉曼信号严重损失，同时阴极荧光（CL）信号会干扰拉曼检测，无共聚焦功能；此外，反射镜可能遮挡BSE或CL检测器，有严格的工作距离限制，视场大小受限制，需特殊安全程序避免碰撞，兼容性受限。
备注1：例如2000 年，Aksenov等人率先开发出首个非商业化的自建系统CRSEM 。2003 年，Renishaw公司推出的SEM-SCA显微镜；2011年，荷兰HybriScan公司与JEOL、FEI 达成战略合作，联合推出 HSCMM系统。
为突破上述瓶颈，2014年，德国WITec公司与捷克TESCAN公司的合作，平行配置方案应运而生，并开发出了商业化的RISE显微镜。RISE这个名字是拉曼成像和扫描电镜成像的缩写（Raman Imaging and Scanning Electron Microscopy）。
从行业认可与落地进程来看，RISE的里程碑意义显著。2015年，它凭借突破性的联用技术荣获光子学领域 “棱镜奖”，这一奖项被誉为 “光子学领域的奥斯卡”，直接印证了其技术水平在全球范围内的领先地位。
2017年3月，全国首台RISE 正式落户上海交通大学分析测试中心，开启国内拉曼–电镜联用表征的新篇章，此后中科院长春光机所、吉林大学等顶尖科研机构相继引入，进一步扩大了其在国内科研领域的影响力。
从研发背景来看，RISE 的创新解决了传统EDS表征技术的诸多短板。与 EDS 相比，RISE 的拉曼功能有效填补了轻元素与结构分析的空白。
EDS 作为常用的成分分析技术，在轻元素（如 C、O）检测、化学结构解析等方面存在明显局限：对于纯金属、碱金属卤素盐（如 NaCl、KI、NaF）等样品，EDS 表现优异，但面对有机物、有机盐（如酯类 CH₃-COO⁻）、碳材料（如碳管、石墨、DLC）及不导电样品时，EDS 要么轻元素定量误差大，要么无法精准解析化学结构。
而拉曼光谱恰好相反，对有机物、有机盐、碳材料、不导电样品等分析效果极佳，能通过特征峰精准识别化学结构，例如有机物中的 C=O、CH₃官能团，碳材料中的 sp²/sp³ 杂化状态等，仅在纯金属、碱金属卤素盐分析中存在不足，两者形成完美互补。
此外，拉曼光谱可通过峰位偏移分析应力应变、通过峰宽判断结晶度、通过峰形区分分子多晶型，例如通过金刚石峰位偏移计算残余应力，通过石墨烯峰宽评估结晶质量，这些都是 EDS 无法实现的深层分析功能。
在硬件平台兼容性方面，RISE并非局限于单一SEM型号，而是可适配 TESCAN 全系列电镜平台及双束平台（Ga FIB-SEM、Xe plasma FIB-SEM），也可适配其它电镜平台，这种广泛的兼容性让不同研究需求的用户均可基于现有设备升级，降低了应用门槛。
为实现SEM与拉曼的无冲突工作，RISE完整保留拉曼光谱的全部光学装置（包括光学物镜），确保拉曼信号采集效率与分析精度不受损，且拉曼系统可独立运行，无需依赖 SEM工作状态；另一方面，通过专门设计的样品台电子传输结构与压电陶瓷马达（Piezo Scanner）控制物镜移动，实现电子束与激光束的精准对准，有效避免了传统共轴式方案 “光束位置难重合、信号采集效率低” 的问题。
同时，RISE 还支持SE、BSE、CL、EDS、EBSD、TOF-SIMS等多种探测器与分析技术的集成，形成形貌–成分–结构–应力的全维度分析能力，满足复杂材料的多方面表征需求。
在空间分辨率方面，其拉曼图像横向分辨率可达 360nm（532nm 激光激发），超过常规 EDS 的 1μm 水平，垂直方向分辨率为 760nm，且不受样品电压、密度影响——而 EDS 的垂直分辨率往往依赖于这些外部因素，稳定性较差。
关键技术参数与样品处理策略
RISE系统的性能取决于核心部件与参数设计：拉曼联用部分采用真空兼容物镜，典型配置为 100× 放大倍数、数值孔径（NA）0.75、工作距离 4mm，搭配532nm 绿色激发激光时，横向分辨率可达360nm；成像效率方面，若采集200×200 像素的拉曼图像，常规1s /光谱的积分时间需11小时，而高效系统通过将积分时间缩短至0.05s，可将总耗时压缩至30分钟，满足批量分析需求。
针对非导电样品的处理，RISE 优先采用低真空 SEM（LV-SEM）模式：LV-SEM 的样品室压力控制在 40Pa 至数百 Pa（通入干燥气体如空气或氮气），气体分子与样品表面电荷碰撞实现电荷中和，无需涂覆导电层。
而传统高真空 SEM 需对非导电样品涂覆金属（几纳米厚 Au、Pt 等）或碳膜（10-20nm 厚），但金属会反射激光并吸收信号，碳膜则在 1000-1600cm⁻¹ 产生宽双峰，严重干扰拉曼光谱分析（见下图）；同时，高真空下低电压（1-2kV）成像虽可避免涂层，但会导致 SE/BSE 对比度异常，且 EDS 分析失效。
没有涂层与碳涂层钙铁榴石（Ca₃Fe₂Si₃O₁₂）的拉曼光谱对比：红色曲线为没有涂层样品，蓝色曲线为碳涂层样品，碳涂层在1000-1600 rel. cm⁻¹ 区间产生宽双峰，干扰样品本身拉曼信号
样品台设计的创新
样品台设计的创新是 RISE 解决长时间面扫痛点的关键。传统 SEM的Z 轴样品台多采用齿轮马达，在长时间拉曼面扫（如几小时）过程中，容易出现“沉降漂移” 问题 ——Z 轴的缓慢漂移会导致激光焦点偏移，严重影响拉曼信号的稳定性与面扫效果。
针对这一缺陷，RISE 创新设计 “楔形摇篮试样台”：从结构上，样品台坐落在样品室底部而非抽屉式仓门上，Z 轴升降由楔形台带动，利用力学原理将水平方向的微小移动转化为 Z 轴的精细调节，步进精度可达 60nm，可实现精准对焦；从稳定性上，楔形结构能有效平衡 Z 轴方向的重力，克服传统样品台 “阻尼不足、无法承重” 的缺陷，即使面对数小时甚至数天的长时间面扫，也能确保拉曼信号强度与面扫效果稳定，为需要长期监测的实验提供了可靠保障。
软件系统
软件系统作为数据处理与分析的核心，RISE 配套 Control Five（最新的已经升级到seven）与Project Five 两大平台（最新的已经升级到seven），覆盖 “数据采集–处理–分析–成像” 全流程。
Control Five 主要负责硬件控制与数据采集，支持SEM与拉曼系统的同步或独立操作，可实时调整激光功率、扫描步长等参数，确保数据采集的稳定性与准确性，避免因参数波动导致的数据偏差。
Project Five 则专注于数据深度分析，集成了多种高级算法：基础分析功能包括光谱平均（Average）、平滑（Smooth）、背底处理（Sub BG）、光谱剪切（Crop）、图像拼接（Stitching）、数据统计（Stat）等，满足常规数据预处理需求；高级分析功能涵盖聚类分析（Cluster Analysis）、主成分分析（PCA）、非负矩阵分解（NMF）、谱峰拟合（Advanced Fitting Tool）等，可对复杂混合物（如多相矿物、共混聚合物）进行物相分类与定量分析，例如通过公式Sp=A⋅S1+B⋅S2+C⋅S3+D⋅S4对多特征光谱进行拟合，生成各物相的影响因子 Mapping 图像，直观展示不同物相的分布；
图像生成与叠加功能支持将拉曼特征（峰强、峰位、峰宽）转化为可视化图像，并与 SEM/OM（光学显微镜）图像叠加，实现 “形貌–化学信息” 的精准对应，例如通过 2D/G 峰强度比判断石墨烯层数，通过峰位偏移分析材料应力分布；
3D 数据处理功能则支持三维断层扫描数据的重构与输出，可直观展示样品内部结构，如 GaN / 石墨烯异质结的三维分布中，紫红色代表 GaN、绿色代表荧光反应、红色代表应力，清晰呈现材料内部的空间关系。
3 RISE应用场景：覆盖多学科的表征需求
RISE在二维材料、碳材料、有机材料、无机材料、生命科学、共聚焦三维分析等领域均有广泛应用。
在二维材料表征领域，RISE 有效解决了超薄材料难分析的难题。二维材料（如石墨烯、MoS₂、h-BN）因厚度仅为纳米级，EDS 难以检测（原子序数低、信号弱），且 SEM 衬度弱、无法精准区分物相，而拉曼光谱能通过特征峰实现精准分析。
以石墨烯为例，可通过 G 峰强度判断层数（G 峰强度与层数成正比），通过 2D/G 峰比区分单层 /多层石墨烯（单层石墨烯 2D/G≈2，多层石墨烯 2D/G<1），硅衬底上 CVD 生长的高质量石墨烯，拉曼光谱中 2D 峰对称且无 D 峰，表明结晶质量高。
对于 MoS₂，可通过 E₂g 峰（383cm⁻¹）与 A₁g 峰（408cm⁻¹）的峰位差判断层数，同时识别晶体缺陷（如孪晶），CVD 生长的 MoS₂晶体中，红色区域为正常晶体、绿色区域为孪晶，通过拉曼 Mapping 可清晰区分。
在异质结表征中，对石墨烯 /h-BN、WSe₂/MoS₂等异质结，可通过不同材料的特征拉曼峰实现精准定位，例如石墨烯的 G 峰（1580cm⁻¹）与 h-BN 的 E₂g 峰（1366cm⁻¹）可同时成像，且 RISE 的采集效率远高于传统设备，仅需 5 秒即可完成。
碳材料分析领域，RISE 实现了全类型碳结构的 “指纹识别”。碳材料（如富勒烯、碳纳米管、金刚石、石墨）的结构多样性决定了其性能差异，拉曼光谱可通过 “特征指纹峰” 实现精准识别与定量分析。
富勒烯（C₆₀）的特征峰位于 1462cm⁻¹（五边形收缩模式），通过该峰的强度与峰形可判断富勒烯的纯度；碳纳米管（CNT）通过 G 峰（1570-1590cm⁻¹）与 D 峰（1250-1340cm⁻¹）的强度比判断碳纳米管质量（G/D 值越高，质量越好）。
金刚石的天然特征峰为 1332cm⁻¹（sp³ 杂化），纳米金刚石因表面缺陷会出现 sp² 杂化峰（1580cm⁻¹ 左右），且 sp³ 峰宽化，类金刚石碳（DLC）则同时存在 sp² 与 sp³ 峰，通过两者强度比可评估其结晶质量；石墨与石墨化程度的分析中，石墨的 G 峰尖锐，2D 峰为多峰结构，通过 D 峰与 G 峰的强度比（ID/IG）判断石墨化程度（ID/IG 越低，石墨化程度越高），这一指标对锂电池负极材料尤为重要，直接影响其储锂性能。
在特殊碳材料研究中，RISE 更是发挥了关键作用，在嫦娥五号月壤样品中，通过拉曼光谱（1350cm⁻¹、1580cm⁻¹ 峰）结合 SEM、TEM 等技术，首次发现天然少层石墨烯（2~7 层），并证实其与铁化合物共存，为月球碳循环研究提供了关键证据。
有机材料解析领域，RISE能精准识别 “结构与成分差异”。有机材料（如聚合物、生物组织、食品）的化学结构复杂，拉曼光谱可通过特征官能团的拉曼峰实现精准解析：在聚合物共混物分析中，对 PMMA/PS 共混膜，PMMA 的特征峰为 1721cm⁻¹（C=O 对称振动）、2951cm⁻¹（CH₃伸缩振动），PS 的特征峰为 1000cm⁻¹（苯环呼吸振动）、3052cm⁻¹（苯环 C-H 伸缩振动），通过拉曼 Mapping 可清晰展示两种聚合物的分布区域（红色为 PMMA、绿色为 PS）。
塑料风化研究中，不同聚合物的风化过程会导致拉曼峰位与强度变化，例如 PE 的特征峰为 2846cm⁻¹、2881cm⁻¹（CH₂伸缩），PVC 的特征峰为 638cm⁻¹、694cm⁻¹（C-Cl 振动），中国地质大学利用 RISE 识别风化微塑料，建立 “拉曼峰组合 – 聚合物类型” 的对应关系，为环境微塑料检测提供了可靠方法。
生物组织分析中，对牙齿样品，羟基磷灰石（HAP）的特征峰为 958cm⁻¹，有机组织的特征峰为 2930cm⁻¹（CH₂伸缩），通过拉曼 Mapping 可区分人造牙齿的无机相（HAP）与有机相（组织），对眼虫细胞则能识别叶绿体（特征峰与叶绿素相关）、细胞核（核酸特征峰）、细胞外基质（多糖 / 蛋白质峰）的分布。
食品医药分析中，对婴儿营养粉，RISE 可识别脂类（2850cm⁻¹、2920cm⁻¹）、多糖（1080cm⁻¹）、蛋白质（1650cm⁻¹）、类胡萝卜素（1520cm⁻¹）的分布，还能观察到壁上游离脂质的空气液泡，为食品配方优化提供了直接依据。
无机综合分析领域，RISE 实现了从成分到结构/应力的多维度解析。无机材料（如矿物、金属氧化物、电池材料）的分析常需解决多相识别、价态区分、应力检测等难题，RISE 通过EDS + 拉曼的互补，提供了全面解决方案。
相鉴定方面，EDS 仅能提供元素含量，难以确定物相（如元素 A/B 比例 55%/45%，可能对应 1:1、3:2、4:3 等多种化学计量比），而拉曼可通过特征峰精准识别，例如方解石（CaCO₃）的特征峰为 1086cm⁻¹，EDS 结合拉曼可确认其物相，避免误判。
金属氧化物价态分析中，很多金属（如 Fe）有多种价态（Fe²+、Fe³+），EDS 无法区分，而拉曼可通过特征峰识别氧化物类型 ——Fe₃O₄的特征峰为 680cm⁻¹、591cm⁻¹，Fe₂O₃的特征峰为 1320cm⁻¹ 左右，例如金属裂缝区域的拉曼光谱中，680cm⁻¹ 峰表明存在 Fe₃O₄，785cm⁻¹ 峰表明存在 SiO₂，实现失效原因的精准定位。
矿物分析中，复杂矿物（如陨石、文物）的物相多样，RISE 可通过拉曼数据库匹配实现快速识别，故宫博物院的青花瓷文物含 4 种物相，中科院地质所的陨石含至少 8 种物相，北京大学文博学院的陶瓷文物含至少 11 种物相，RISE 均能精准区分，石油勘探研究院的磷灰石（apatite）特征峰为 960cm⁻¹，黄铁矿特征峰为 370cm⁻¹，拉曼可快速定位这些矿物。
电池材料分析中，对锂电池正极材料（如 LiCoO₂、NCM 系列），RISE 可检测脱锂现象（峰位偏移）、应力分布（峰宽变化），例如 NCM811 正极材料靠近隔膜侧的颗粒，拉曼峰位偏移更显著，表明衰减更严重，通过峰宽分析还能评估材料结晶度，为电池性能优化提供依据。
应力分析方面，应力会导致拉曼峰位偏移 —— 拉伸应力下蓝移、压缩应力下红移，例如金刚石的无应力特征峰为 1332cm⁻¹，残余压应力会使其峰位红移，通过公式
可计算应力大小（如 – 4.8GPa 的残余压应力），上海硅酸盐研究所利用 RISE 分析热障涂层（TBCs）的应力分布，为涂层寿命评估提供了关键数据；取向分析中，不同取向的晶体可能出现拉曼峰形变化、峰位偏移或峰强比差异，例如某些矿物的 680cm⁻¹/1060cm⁻¹ 峰强比随取向变化，RISE 通过 Mapping 可展示取向分布，为材料力学性能研究提供参考。
共聚焦扫描与三维分析领域，RISE 打开了探索样品内部微观世界的大门。其共聚焦功能可排除样品表层信号干扰，聚焦于内部结构，实现逐层断层扫描–三维重构的分析流程。
上海交通大学材料学院的有机核壳结构试样，RISE 通过共聚焦扫描，从表层到内部 7-10μm 深度，分析 C≡N（2217cm⁻¹）、CH₂（2902cm⁻¹）等官能团的分布，清晰展示核壳界面的成分变化。
石油勘探研究院的矿物包裹体分析中，RISE 沿深度方向扫描，分析包裹体中流体的拉曼特征峰，为油气成藏研究提供了直接依据；GaN / 石墨烯异质结的三维重构中，RISE 将扫描数据转化为三维图像，紫红色代表 GaN、绿色代表荧光反应、红色代表应力，直观展示异质结的内部结构，扫描体积达 60×15×20μm³，像素数 162000，细节清晰可见。
4 展望
RISE 技术通过SEM与共聚焦拉曼的真空内集成，突破了传统分立式系统的定位难题与性能局限，实现了形貌–元素–结构的同步表征：SEM 提供纳米级形貌与微米级元素信息，共聚焦拉曼补充分子结构与结晶度细节，二者数据的高精度叠加为材料分析提供全维度视角。平行配置方案的应用，既保留了两种技术的原始性能，又通过低真空兼容设计避免了非导电样品的涂层干扰，拓展了技术适用范围。
从2D材料的微观缺陷分析到地质样品的矿物识别，再到多晶型物的结构区分，RISE 技术已在多个领域展现出不可替代的价值。未来，随着 3D 拉曼成像功能的进一步发展，RISE 有望减少对复杂、昂贵3D表征技术（如FIB- SEM）的依赖，为材料的三维结构–性能关联研究提供更高效、低成本的解决方案，推动材料表征向更精准、更全面、更快速的方向迈进。
参考资料
Confocal Raman Microscopy, 2nded. (2018) Jan Toporski, Thomas Dieing, Olaf Hollricher (editors).
What you see What you get TESCAN All-In-One Solutions TESCAN China 应用部李威
