圖 1：顯示不同光譜技術對應的電磁波譜。 拉曼光譜通常在可見光 (532 nm) 或近紅外光 (785 nm) 中使用，而紅外吸收光譜用于 5 μm至50 μm 的范圍，太赫茲光譜用于50 μm 至 2 mm的范圍。

綜述

長期以來，作為研究材料低能振動模式的一種手段，電磁頻譜的太赫茲 (THz) 區域一直為科學家們所研究，其對應范圍大致為 0.15THz至 6THz(5 cm-1至 200 cm-1)。 研究晶體內分子振動的光譜學家對該區域特別感興趣，可通過該區域獲取有關分子取向的重要信息，而分子取向決定著材料的許多關鍵特性。太赫茲光譜是遠紅外 (FIR) 吸收光譜的延伸。實際上，由于其介于光頻域的低頻段和電子頻域的高頻段，所以很難探測到信號。這就是為什么該光譜區域在已發表的文獻中經常被稱為“太赫茲鴻溝”的原因。 目前，市場上有商用化的太赫茲光譜系統，但大部分都比較昂貴且不易使用，主要是因為通常產生太赫茲輻射所需要的超快激光器比較復雜昂貴，同時樣品對濕度比較敏感。

幸運的是，直接探測太赫茲吸收譜并不是唯一方法，也可以使用拉曼光譜實現太赫茲頻譜檢測。 拉曼散射由光子的非彈性散射而不是吸收引起，因此可將激發波長與所研究的振動模式結合起來。 在傳統拉曼光譜中，光譜范圍為 200 cm-1至 1800 cm-1，代表“化學指紋”，因為大多數分子內振動在該頻率范圍內產生。 與其相輔相成的是 THz-Raman?(也稱為低頻拉曼或 LFR)區域，光譜范圍為 5 cm-1至 200 cm-1，提供“結構指紋”，主要對應于分子間振動或材料的晶格/聲子模式。 圖 1 顯示了太赫茲光譜(50 μm 至 2 mm)、紅外光譜(5 μm 至 50 μm)和太赫茲拉曼光譜在電磁光譜中對應的波長位置。 圖 2 顯示了典型拉曼光譜的化學和結構指紋的相對位置。

在太赫茲域中使用拉曼光譜很有挑戰性，因為與彈性散射(瑞利)信號強度相比，非彈性散射(拉曼頻移)差了若干數量級，因此很難充分過濾掉瑞利散射。 因此，拉曼頻移非常接近瑞利線的信號難以探測到 (0 cm-1)。 隨著全息陷波濾波器領域取得突破性進展，只需使用具有高光學效率的單色儀，即可輕松地直接測量低至 5 cm-1 的拉曼頻移。 這項突破使得低頻拉曼光譜有了如下轉變： 從復雜的多級單色儀，到簡單易搭建的光譜儀，也可以用于現有儀器即插即用的模塊。 例如，太赫茲拉曼光譜模塊包括用于監控化學反應的浸入式探針、用于做Mapping顯微拉曼以及用于高通量篩選應用的孔板讀取儀。

太赫茲拉曼光譜系統要求

每個太赫茲拉曼光譜系統都配備以下四個組件：

波長穩定的激光源

窄帶寬 (< 5 cm-1) 光譜凈化濾波器

窄帶寬 (< 5 cm-1) 瑞利散射抑制濾波器

可檢測低頻信號的光譜儀

瑞利濾波器是一個 +/- 5 cm1 帶寬的陷波濾波器，決定了可檢測到太赫茲域的低頻信號的下限。 然而，若要瑞利濾波器正常工作，關鍵在于激光器的輸出光譜必須非常穩定，具有非常窄的線寬，并且在陷波濾波器的信號傳輸區域內，可以放大自發輻射 (ASE)， 并且具有很小的噪聲。 濾波器和激光器的中心波長在工作期間保持“光譜同步”，從而避免瑞利信號泄漏和光譜儀檢測器出現飽和信號，這一點也很關鍵。 作為激光器、濾波器和光學系統的綜合制造商，Coherent設計光譜儀和模塊都旨在盡可能保持這種同步性，確保系統穩定、易于操作。

此類系統的另一個優勢是，由于拉曼光譜是以激光頻率的相對頻移來測量的，因而太赫茲拉曼系統可以使用可見光或近紅外光 (NIR) 中任一波長的激光來探測此類低能量振動模式，而無需太赫茲激光源。 這樣，系統方案則更加簡單，成本更低，可使用玻璃光學器件和光纖，性價比高的緊湊型半導體模塊和半導體泵浦固態 (DPSS) 激光源，以及硅探測器和探測器陣列。 太赫茲拉曼系統還能夠檢測低于 –5 cm-1 的反斯托克斯拉曼頻移，可獲取有關樣品的其他信息(包括局部有效溫度)。 太赫茲拉曼光譜系統的高通量性能，可一次性同時測量材料的化學指紋和結構指紋。

這套系統易于操作，適用于涉及材料的化學和結構特性的應用。 制藥行業已開始采用太赫茲拉曼光譜，并且該項技術在聚合物、半導體和生物醫學診斷領域也受到關注。

低頻振動模式

如上所述，低頻峰是由諸如聲子模式和晶格振動等分子間振動引起的。 在晶體樣品中，譜峰的頻移位置由晶體的化學成分和結構決定。 而銳利的低頻峰的帶寬和強度與樣品的結晶度直接相關。 相比之下，非晶態固體和液體有一個未解析的寬峰，稱為玻色子峰。 因此，太赫茲拉曼光譜是定量分析樣品結晶度，以及對不同同素異構體和多晶型物進行分類的有用工具。 雖然多晶型分析更普遍，但通過研究不同同素異構體的太赫茲拉曼光譜，可以更好地說明低頻振動模式的特性，這一方式更為簡單易懂。

圖 2：α 型硫和 β 型硫的拉曼光譜，顯示了 0 至 200 cm-1 范圍的分子間振動模式 (A) 和 200 cm-1 至 500 cm-1 范圍的分子內振動模式 (B)。

硫具有 30 多種同素異構體，在生命科學和工業應用的化學過程中，發揮重要作用而得到廣泛研究。同素異形體 α 型硫具有 24 種不同的分子間振動模式，在 30 cm-1 至 100 cm-1 范圍的光譜區域，使用拉曼光譜可有效檢測其中的許多振動模式 。 在 2013 年 SPIE 防御、安全和傳感會議上提出的一篇論文中，Heyler 等人演示了如何使用太赫茲拉曼光譜檢測此類振動模式。 他們還證明，當將 α 型硫樣品加熱至 95.6°C 以上時，該樣品的形態變為同素異形體 β 型硫，隨后該樣品在 115.2°C 時液化。 使用該光譜可輕松檢測到從 α 型形態(斜方晶形)至低序β 型形態(單斜晶形)的轉變，無序度的增加導致在拉曼光譜中 100 cm-1 以下的區域變得“模糊不清”[圖 2]，拉曼光譜漸漸出現玻色子峰結構。 當熔化并形成 y 形態(液體)后，太赫茲拉曼域中的譜峰完全融合在一起，僅顯示普通液體特有的純玻色子帶。 相比之下，形態變化并未對化學指紋區域的譜峰產生顯著影響，這一點在比較 100 cm-1 以上光譜的峰位置時可以看出。 Coherent TR-MICRO 太赫茲拉曼光譜模塊與正置式顯微鏡和光纖耦合儀搭配。圖 2 顯示了該系統探測到的所有光譜。 裝置示意圖如圖 3 所示。

太赫茲拉曼光譜裝置包含一個單頻激光器，與超窄帶(全息)激光線和陷波濾波器。 陷波濾波器經過專門設計，可確保拉曼散射有較高通量，同時衰減光密度 (OD) 大于 9 的瑞利散射，可探測不均勻的樣品。 最終，拉曼散射信號通過光纖被光譜儀探測到。 會議論文集中對光學設計進行了更詳細說明 。

在制藥方面的應用

多晶型性是活性藥物成分 (API) 的一個關鍵和共同特征。 對原料藥利用率、工藝性和質量/性能有直接影響。 由于多晶型化合物具有相同的基本分子組成，但整體結構取向不同，因此太赫茲拉曼光譜比傳統的紅外光 (IR) 和拉曼光譜更適合確定多晶型形態的檢測。 在某些情況下，由于分子內振動的阻尼性，多晶型變化會導致拉曼光譜 的化學指紋區域發生細微頻移。 也就是說，低頻范圍內的光譜變化往往更加明顯(強度可高達 10 倍)并且更容易區分，而無需復雜的化學計量分析。 此外，正如 Larkin 等人在 2014 年發表在《Applied Spectroscopy》上的一篇文章中所證明的那樣，“API 典型的大型芳香族物質的低頻拉曼光譜在 200 cm-1 以下區域的譜峰強度高，具有復雜的光譜特征?！彼麄冞€說明，在相同頻率范圍內，此類頻譜信號通常比賦形劑的強度高一個數量級，因此靈敏度更高，可使用太赫茲拉曼光譜直接測量“晶體結構、晶體無序度和非晶質狀態”。

圖 4：Coherent TR-BENCH 臺式太赫茲拉曼光譜模塊。

在上述研究和 2015 年發表的跟進研究期間，Bristol-Myers Squibb 的研究人員對一些常見 API 的多晶型物的低頻拉曼頻帶進行了詳細分析。 在這兩篇發表的文章中，他們對吲哚美辛、卡馬西平、咖啡因、茶堿和阿哌沙班進行了分析。 Larkin 等人使用太赫茲拉曼光譜采樣系統 TR-BENCH，目前由Coherent提供，如圖 4 所示。TR-BENCH 的內部光學結構與上一節中討論的 TR-MICRO 相同。 圖 5 顯示了三種不同形態卡馬西平的太赫茲拉曼光譜，是這項研究的一個示例。

圖 5：(A) III 形態、(B) 偽多晶型二水合物形態和 (C) II 形態卡馬西平的太赫茲拉曼光譜。 均在室溫下測量。

近年來，太赫茲拉曼光譜已經不再局限于實驗室使用，開始轉向制藥過程監控的應用，通常稱為過程分析技術 (PAT) 。 在過程分析中，使用光纖耦合太赫茲拉曼探針可實現在線和半在線測量，可對樣品進行遠程分析，無需采樣和取樣至分析儀。 根據需求，探針頭可以設計成較短工作距離，以便通過觀察口直接浸入反應室，或者設計成較長工作距離，以便通過觀察窗收集光譜。 圖 6 顯示了一個浸入式探針頭的 TR-PROBE 示例。

圖 6：TR-PROBE 太赫茲拉曼探針模塊，搭配Coherent的 11 英寸長不銹鋼型浸入式探頭。

對于不同濃度的乙醇和水溶液里的卡馬西平從 III 形態向二水合物形態的轉變，Inoue 等人使用該方法進行了監控。 在二水合物形態 (111 cm-1) 和 III 形態 (39 cm-1) 卡馬西平的太赫茲拉曼信號非常明顯，使用多元曲線解析 (MCR) 算法計算得出了圖 7 所示結果。 根據該項數據，研究人員能夠確定，使用 62.5% 乙醇和 37.5% 水的溶液進行反應，轉換率非常高。

圖 7：乙醇和水的不同溶劑比例下，卡馬西平由 III 形態轉換為二水合物形態的反應動力學。

太赫茲拉曼光譜的前景

制藥行業率先采用太赫茲拉曼光譜，其他行業也開始使用該技術來分析結晶度和多晶型。 比如使用太赫茲拉曼光譜來研究遷移率和應變性之間的關系，以及有機半導體中的電荷傳輸和低頻振動。 研究人員還將該技術用于分析量子點 和層狀半導體合金中的聲子模式。 最近還發表了關于聚合物結晶和冷卻過程中薄層形成的研究，為聚合物產業提供了產品結構特性的關鍵信息。 太赫茲拉曼光譜在生物學和生物醫學診斷領域方面即將取得的成功令人振奮。 在舊金山舉行的 2019 年 SPIE BiOS 會議上，Marble 等人發表了關于將太赫茲拉曼光譜用于生物分子的第一篇演講，一年后，科學家已經開始研究探討太赫茲拉曼光譜能否用于診斷 COVID-19。

總結

用戶可通過太赫茲拉曼光譜獲取樣品的結構和化學成分信息。 毫無疑問，隨著太赫茲拉曼分析儀不再局限于在實驗室使用，而開始用于工業環境，其應用需求將持續增長，應用范圍也將不斷擴大。 針對太赫茲拉曼可以檢測的差異化信息，尚有諸多新型應用未被構想，研究人員將繼續對其進行探究，這是這項技術以后的發展趨勢。

審核編輯 黃宇