拓展微观分析新维度：SEM-Raman 联用技术的原理与应用

牛亚伟 2026-09-11

SEM 可观测微观形貌，Raman 获取物质分子信息，二者联用打破单一表征局限，为材料研究提供多维度原位分析方案。

随着材料科学的迅猛发展，科研人员对材料微观结构的分析需求日益增长。传统的单一分析手段已难以满足复杂材料的多维度表征需求。在此背景下，扫描电子显微镜（SEM）与拉曼光谱（Raman）的联用技术（SEM（EDS）+RS）应运而生，为微观分析开辟了新的维度。这种联用技术不仅结合了SEM的高分辨率成像能力和拉曼光谱的化学分析能力，还实现了形貌与成分的原位综合分析，成为材料科学、生命科学、环境科学等领域的重要工具。

SEM-Raman联用技术原理

光学与电子束的协同

联用系统主要通过“光路”与“机械”的协同设计，实现电子束与激光束对样品同一区域的精准定位与同步/交替分析，主要分为两种模式：

同轴（Co-axial）模式：电子束与激光束同轴。激光通过SEM极靴上的小孔或反射镜（如抛物面镜）聚焦到样品上，拉曼信号通过同一光路收集。该模式无需移动样品，可实现SEM图像与Raman光谱的同时采集，定位精度极高，但需解决电子束对拉曼信号的干扰问题。

离轴（Off-axial）模式：电子束与激光束不同轴。SEM和Raman分别通过各自的光路对样品进行成像和光谱采集，通过高精度位移台移动样品台，依次对同一感兴趣区域（ROI）进行扫描。该模式避免了光路间的相互干扰，成像与光谱采集互不影响，但要求样品台具有极高的定位重复精度，以确保图像与光谱的精准叠加。

联用系统通过集成化软件，将SEM的灰度/形貌图像与Raman的化学分布图像（通过拉曼Mapping逐点扫描获得）进行像素级叠加和拟合，生成关联叠加图。通过这种“形貌+化学”的融合，实现对复杂材料（如复合材料、微纳颗粒、生物组织）的微区成分空间分布、相界分布及缺陷的精准可视化分析。

SEM-Raman联用技术的优势

高分辨率成像与化学分析结合

SEM以其高分辨率成像能力著称，能够提供样品的表面形貌和微观结构信息。然而，SEM在化学分析方面存在局限性，尤其是对轻元素和非导电材料的分析能力较弱。拉曼光谱则能够提供样品的化学组成和分子结构信息，但在空间分辨率上相对较低。将两者联用，可以在高分辨率成像的同时，获取样品的化学信息，实现形貌与成分的综合分析。

原位分析能力

SEM（EDS）+RS技术允许在同一位置进行形貌和化学分析，避免了样品转移过程中可能引入的误差。这种原位分析能力对于研究动态过程（如化学反应、相变等）尤为重要。例如，在材料的热处理或化学反应过程中，科研人员可以实时观察形貌变化并同步分析化学成分的变化。

多尺度分析

联用技术能够在从纳米到微米的不同尺度上对样品进行综合分析。这对于研究复杂材料（如复合材料、纳米材料等）的多尺度结构-性能关系具有重要意义。例如，在纳米材料研究中，SEM可以提供纳米颗粒的形貌信息，而拉曼光谱则可以揭示其表面化学状态和分子振动模式。

非破坏性分析

拉曼光谱是一种非破坏性分析技术，样品在测试过程中不会被破坏。结合SEM的高分辨率成像，科研人员可以在不破坏样品的情况下，获得全面的形貌和化学信息。

SEM-Raman联用应用案例

在当代科学研究中，SEM（EDS）+RS技术正以前所未有的方式改变着我们观察和理解微观世界的能力。这种“强强联合”的技术组合不仅能够提供样品表面纳米级的高清形貌图像，还能同步获取物质的分子指纹信息，成为材料科学、地质探索和生命医学等领域的“超级显微镜”。

1. 材料科学

厦门大学化学化工学院毛秉伟教授、田中群教授与斯坦福大学崔屹教授合作，研究开发了一种深度灵敏等离子体增强拉曼光谱(DS-PERS)方法。在SEI形成过程中的不同阶段，对来自于Cu/SEI、Li/SEI和SEI/电解液界面处的信号进行实时探测，揭示了Li在改变SEI形成中的深远影响，以及SEI/电解液界面结构会显著影响锂离子去溶剂化过程。最终，开发了有利SEI直接形成的途径，显著提高了无阳极锂金属电池的性能，相关研究成果被发表在2023年的《Nature Communications》上。

2. 地质科学

2022年，中科院地质地球所电子探针与扫描电镜实验室团队在《Microscopy Research and Technique》，发表了有关SEM-Raman联用技术在地质样品表征中的关键作用的文章。SEM提供微区形貌和元素分布信息，而Raman可识别矿物相、多态性和同构现象，解决了传统Raman因光学显微镜放大倍数不足而难以研究亚微米和纳米尺度样品的局限。通过超高压变质岩中的石英-柯石英相变、微小包裹体成分分析及页岩有机质热成熟度评估等实例，文章展示了SEM（EDS）+RS技术在矿物相变、包裹体定量分析和有机质研究中的高效性和准确性。该技术为地质科学研究提供了更全面、高分辨率的分析手段，具有重要的应用前景。