拉(la)曼光譜(pu)測(ce)試(shi)系統的(de)搭(da)建

背(bei)景介(jie)紹(shao)

與瑞利(li)散射不(bu)同(tong)，拉(la)曼散射相(xiang)對入(ru)射光有壹定(ding)的(de)頻(pin)移(yi)。另外(wai)，重(zhong)要的(de)壹點(dian)是拉(la)曼信(xin)號極(ji)其微(wei)弱(ruo)，通常(chang)每10⁹ ~ 10¹¹個(ge)光子(zi)中只(zhi)有壹個(ge)光子(zi)發(fa)生(sheng)拉(la)曼散射。正(zheng)如C. V. Raman本人所(suo)說，“迄(qi)今為止阻(zu)礙我們研(yan)究(jiu)這(zhe)個(ge)新(xin)現象（拉(la)曼散射）的(de)大(da)難(nan)點就是極其微(wei)弱(ruo)的(de)信(xin)號”。然(ran)而(er)，隨(sui)著(zhe)科(ke)技(ji)的(de)進(jin)步(bu)，包括(kuo)光源、濾(lv)光片和(he)探(tan)測(ce)器等主要器件(jian)的(de)升(sheng)級(ji)，這(zhe)壹難(nan)題也(ye)逐(zhu)漸(jian)被(bei)攻克，拉(la)曼光譜(pu)測(ce)試(shi)技(ji)術也(ye)因(yin)而變(bian)得(de)愈(yu)來愈流行。

本文將(jiang)介紹(shao)如何使用(yong)壹些(xie)基(ji)本光學(xue)元件(jian)搭(da)建(jian)壹套(tao)簡單(dan)實(shi)用的(de)拉(la)曼光譜(pu)測(ce)試(shi)系統，並(bing)通過測(ce)量壹些(xie)標準化(hua)學(xue)物(wu)（包括(kuo)液體(ti)和(he)有機混合(he)物(wu)）光譜(pu)來(lai)展示(shi)系統的(de)靈(ling)敏(min)度(du)和(he)分(fen)辨率。

實(shi)驗裝(zhuang)置

Newport TAC拉(la)曼光譜(pu)測(ce)試(shi)系統示(shi)意圖(tu)及(ji)實(shi)物(wu)照片(pian)

上圖(tu)顯(xian)示(shi)的(de)便(bian)是Newport技(ji)術與應用(yong)中心（Technology & Application Center, TAC）搭(da)建(jian)的(de)拉(la)曼光譜(pu)測(ce)試(shi)系統。光源選用的(de)是波(bo)長532 nm的(de)連(lian)續二(er)極(ji)管(guan)泵浦固態(tai)激光器（Excelsior^®,Spectra-Physics）。通(tong)常(chang)為了避免熒(ying)光的(de)幹(gan)擾，我們還可(ke)以(yi)選用更(geng)長波(bo)長的(de)激光器，例如(ru)Newport也(ye)提(ti)供(gong)785 nm拉(la)曼激光模(mo)塊。激光器輸(shu)出經(jing)由壹個(ge)可變(bian)衰(shuai)減(jian)器（Application Note 26，隨(sui)後(hou)介紹(shao)）控制強(qiang)度(du)，再(zai)通(tong)過(guo)特(te)定(ding)的(de)光路(lu)由物(wu)鏡(jing)聚(ju)焦到樣(yang)品(pin)上。物(wu)鏡(jing)前的(de)光路(lu)中安(an)裝有壹個(ge)二(er)向色鏡(jing)，其主要作用(yong)是反射激發光、透射(she)拉(la)曼散射光並(bing)削弱(ruo)背向散射的(de)激發光。樣品(pin)放(fang)置(zhi)於(yu)XY平(ping)移(yi)臺(tai)上，移(yi)動(dong)平(ping)移(yi)臺(tai)及物(wu)鏡(jing)便(bian)可(ke)控制激光焦點(dian)在(zai)樣品(pin)中的(de)位置，從(cong)而獲得(de)樣(yang)品(pin)內(nei)不(bu)同(tong)區(qu)域(yu)的(de)拉(la)曼信(xin)息(xi)。背向散射的(de)拉(la)曼信(xin)號被(bei)物(wu)鏡(jing)收(shou)集(ji)準(zhun)直，透(tou)過(guo)二(er)向色鏡(jing)，由壹個(ge)聚(ju)光透鏡(jing)聚(ju)焦到光譜(pu)儀入(ru)射狹(xia)縫(feng)，狹(xia)縫(feng)前的(de)長波(bo)通(tong)濾(lv)光片可(ke)以(yi)進(jin)壹步(bu)阻(zu)擋剩余(yu)的(de)激發光。光譜(pu)儀由壹個(ge)單(dan)色儀（MS260i™ 1/4 m Spectrograph）和(he)壹個(ge)CCD相(xiang)機（InstaSpec^® X）構(gou)成(cheng)，拉(la)曼信(xin)號被(bei)單(dan)色儀色散開後成像(xiang)到(dao)CCD相(xiang)機。

實(shi)驗結(jie)果(guo)

我(wo)們首先測(ce)試(shi)了壹些(xie)常(chang)見的(de)溶(rong)劑(ji)，結果(guo)如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)。對於(yu)所(suo)有實(shi)驗，曝(pu)光時(shi)間(jian)均小(xiao)於(yu)20 s，而(er)其中部(bu)分(fen)樣(yang)品(pin)，例(li)如(ru)環己(ji)烷(wan)，事實(shi)上我們可以(yi)做(zuo)到(dao)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)。從(cong)圖(tu)中還可以(yi)看(kan)出，即(ji)使是在光譜(pu)密(mi)集(ji)的(de)部(bu)分(fen)，例(li)如(ru)正(zheng)己烷(wan)的(de)指(zhi)紋區(qu)（圖(tu)a中插圖(tu)）或(huo)者正己烷(wan)、丙酮和(he)環(huan)己烷(wan)的(de)C-H拉(la)伸(shen)振動區(qu)域(yu)（圖(tu)a、c、f中插圖(tu)），所(suo)有拉(la)曼峰(feng)均可(ke)以(yi)被(bei)解(jie)析(xi)，進(jin)壹步(bu)分析(xi)表明(ming)光譜(pu)分(fen)辨率優於(yu)3 cm^-1，圖(tu)中基(ji)線(xian)也(ye)表明(ming)系統具(ju)有優異(yi)的(de)信(xin)噪比(bi)。此外(wai)，圖(tu)d和(he)e顯(xian)示(shi)左側截(jie)止頻率約(yue)在180 cm^-1附(fu)近，這(zhe)表明(ming)該系統還(hai)可(ke)用(yong)於(yu)研(yan)究(jiu)低波(bo)數(shu)振(zhen)動模(mo)。上面(mian)展示(shi)的(de)所(suo)有結果(guo)直接證實(shi)了該(gai)系統具(ju)有良好的(de)靈(ling)敏(min)度(du)和(he)優(you)異(yi)的(de)光譜(pu)分(fen)辨率。

正(zheng)己(ji)烷(wan)（a）、甲醇(chun)（b）、丙(bing)酮（c）、水（d）、四(si)氯化(hua)碳（e）和(he)環(huan)己烷(wan)（f）的(de)拉(la)曼光譜(pu)

接下來，我(wo)們進壹步(bu)研(yan)究(jiu)了(le)丙(bing)烯酸乙酯和(he)丙(bing)酸乙酯(zhi)，下(xia)圖(tu)展示(shi)了二(er)者(zhe)的(de)分(fen)子(zi)結(jie)構(gou)以(yi)及(ji)溶於(yu)四(si)氯化(hua)碳後的(de)拉(la)曼光譜(pu)。可(ke)以(yi)看(kan)出，盡(jin)管(guan)二(er)者(zhe)分(fen)子(zi)結(jie)構(gou)十(shi)分接近，但振(zhen)動(dong)光譜(pu)卻(que)相(xiang)差很(hen)大(da)，其中大(da)的(de)區(qu)別(bie)發生(sheng)在涉(she)及C=C和(he)C=O拉(la)伸(shen)振動的(de)1600 – 1800 cm^-1範(fan)圍內(nei)。對比(bi)二(er)者(zhe)分(fen)子(zi)結(jie)構(gou)可(ke)以(yi)發(fa)現丙烯酸乙酯擁(yong)有共(gong)軛(e)的(de)雙(shuang)鍵（羥(qiang)基(ji)和(he)C=C）而(er)丙(bing)酸乙酯只(zhi)有羥基(ji)，這(zhe)使得(de)丙烯酸乙酯在(zai)該(gai)範(fan)圍內(nei)擁(yong)有更(geng)多的(de)拉(la)曼峰(feng)並(bing)且(qie)拉(la)曼極(ji)化(hua)率的(de)變(bian)化(hua)導(dao)致(zhi)峰(feng)強(qiang)度(du)更(geng)強(qiang)。

丙(bing)烯酸乙酯和(he)丙(bing)酸乙酯分(fen)子(zi)結(jie)構(gou)及(ji)拉(la)曼光譜(pu)

小(xiao)結(jie)

本文介(jie)紹(shao)了如(ru)何用Newport標準光學(xue)設(she)備搭建壹套(tao)緊湊實(shi)用的(de)拉(la)曼光譜(pu)測(ce)試(shi)系統，並(bing)用標準化(hua)學(xue)試劑(ji)作為(wei)樣(yang)品(pin)，證(zheng)實(shi)了該(gai)系統優(you)異(yi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)和(he)光譜(pu)分(fen)辨率。同時(shi)，需(xu)要(yao)指出(chu)的(de)是該系統還(hai)具(ju)有良好的(de)兼容性(xing)和(he)擴(kuo)展性(xing)，可(ke)以(yi)進(jin)壹步(bu)集(ji)成(cheng)到(dao)其他大(da)型儀器設(she)備，例如共(gong)聚(ju)焦顯微(wei)鏡(jing)或(huo)非(fei)線(xian)性(xing)光學(xue)顯微(wei)鏡(jing)中用作生(sheng)物(wu)細胞(bao)、組織(zhi)及(ji)納米材料(liao)等(deng)的(de)化(hua)學(xue)成分(fen)分析。

森(sen)泉(quan)為您(nin)的(de)科(ke)研(yan)事(shi)業(ye)添(tian)磚(zhuan)加(jia)瓦：

1）  激光控制：激光電流源、激光器溫控器、激光器控制、伺服(fu)設(she)備與系統等(deng)等(deng)

2）  探(tan)測(ce)器：光電探(tan)測(ce)器、單(dan)光子(zi)計(ji)數(shu)器、單(dan)光子(zi)探(tan)測(ce)器、CCD、光譜(pu)分(fen)析系統等(deng)等(deng)

3）  定(ding)位與加(jia)工(gong)：納米定(ding)位系統、微(wei)納運動(dong)系統、多(duo)維位移(yi)臺(tai)、旋轉臺、微(wei)型操作器等等(deng)

4）  光源：半導(dao)體(ti)激光器、固體(ti)激光器、單(dan)頻激光器、單(dan)縱模(mo)激光器、窄(zhai)線(xian)寬(kuan)激光器、光通訊(xun)波(bo)段(duan)激光器、CO2激光器、中紅外激光器、染(ran)料(liao)激光器、飛(fei)秒(miao)超快激光器等等(deng)

5）  光機械件(jian)：用(yong)於(yu)光路(lu)系統搭(da)建(jian)的(de)高品(pin)質(zhi)無(wu)應(ying)力(li)光機械件(jian)，如(ru)光學(xue)調(tiao)整(zheng)架、鏡(jing)架、支(zhi)撐(cheng)桿(gan)、固(gu)定(ding)底座(zuo)等等

6）  光學(xue)平(ping)臺：主動隔(ge)振(zhen)平(ping)臺、氣(qi)浮隔(ge)振(zhen)臺(tai)、實(shi)驗桌(zhuo)、剛(gang)性(xing)工(gong)作臺(tai)、面(mian)包板、隔(ge)振(zhen)、隔(ge)磁、隔(ge)聲綜合(he)解(jie)決方案(an)等(deng)等(deng)

7）  光學(xue)元件(jian)：各類(lei)晶(jing)體(ti)、光纖、偏(pian)轉鏡(jing)、反射鏡(jing)、透(tou)射鏡(jing)、半透半反鏡(jing)、濾(lv)光片、衰(shuai)減(jian)片、玻片等等(deng)