​测试干货∣拉曼的硬件技术

小明同学

                                                                                                   
今天我们来聊聊拉曼光谱仪的硬件技术，要想得到一份满意的拉曼谱图需要硬件的支撑。举个简单的栗子：你银行账户有一个亿！可是你没密码？！那你怎么实现一个亿的小目标呢？！那一个亿就像是拉曼的理论基础，相信大伙已收入囊中！那密码就是拉曼的硬件设施——硬件技术是获得理想拉曼图谱的敲门砖！

拉曼的基本构成

图1. 拉曼装置图

拉曼光谱仪主要有激光器、激光（瑞利散射）滤除装置、CCD探测器、信号输出终端这四个部分组成。小葵花妈妈今天着重说下激光器、激光滤除装置、CCD探测器这三个部分。



课堂一：拉曼光谱使用何种波长的激光器？

表1. 用于拉曼分析的典型激光器



从紫外、可见光到近红外波长范围内的激光器都可以用作拉曼光谱分析的激发光源，但是激光的波长对于实验的结果有着重要的影响。


灵敏度：拉曼散射强度与激光波长的四次方成反比，因此，蓝 /绿可见激光的散射强度比近红外激光要强 15 倍以上。


空间分辨率：在衍射极限条件下，激光光斑的直径可以根据公式D=1.22λ/NA 计算得出，其中 l 是激发激光的波长， NA是所使用显微物镜的数值孔径。例如，采用数值孔径为 0.9的物镜，波长 532nm 激光的光斑直径理论上可以小到 0.72微米，在同样条件下使用 785nm 波长激光时，激光光斑直径理论上最小值为 1.1μm，因此，最终的空间分辨率在一定程度上取决于激发激光的选择。
不同波长的激光有着其最佳的适用范围，通过分析这三个波段的激光的优缺点我们可以做出合适的选择：


表 2. 不同波段激光优缺点



理论上，紫外拉曼光谱和可见光拉曼光谱没有什么不同之处。但对于某些特定样品来说，紫外激光与样品相互作用的方式与可见激光不同，如表2中示。此外，紫外和近红外都可抑制荧光但是原理上是有差别的。如图2所示，因为在紫外激发下拉曼信号和荧光信号在不同的光谱区域，不会受到干扰。而使用可见激光激发时，拉曼信号和荧光信号往往会重叠在一起，又由于荧光的信号强度是拉曼信号强度所无法比拟的，因此荧光信号会干扰甚至完全湮没拉曼信号。使用紫外激光激发时，拉曼信号仍位于靠近激光线附近的位置，而荧光则在较高波长的位置，由此拉曼和荧光信号不再重叠，荧光问题也不复存在。对于近红外而言，很多种材料的吸收带位于可见区域，只有少数材料的吸收带位于近红外区域，因此在大多数情况下，近红外激光不会引起荧光（因为吸收过程没有发生）。

图 2. 不同波长激光产生拉曼效应的原理图

课堂二：拉曼光谱仪使用什么样的激光（瑞利）滤除装置？

图 3. 激光滤除装置分类

拉曼光谱仪中使用的激光滤光装置主要有两类，如图3所示。Edge 滤光片是一种长波通光学滤光片，在吸收和透过光谱区域之间的带边极为陡峭，对激光线提供了非常有效的阻挡。拉曼光谱仪使用的陷波滤光片也是与特定的激光波长相匹配的，它有很锐利的的吸收带，吸收带宽通常为几个纳米（对应于几百个波数）。与 Edge 滤光片不同的是，陷波滤光片的寿命有限，并且其性能会随时间推移而降低。


配备三级单色仪的仪器还可以用“两级相减，单级光谱分光”的模式工作。其前两级单色仪作为一体，首先将瑞利散射光（激光）和拉曼散射光一起色散，并将瑞利散射光（激光）以及其它杂散光滤除，然后再重新组合在一起。第三级光谱仪以常规的方式将拉曼散射光色散分光后投射到探测器上。这样使用三级单色仪的优势在于其激光过滤是无限可变的，可以使用任何一种激光光源工作。除此之外，它对激光的滤除效果非常完美，可以实现的频率下限最低达到 4cm-1~5cm-1。然而，与更为常见的基于滤光片滤光的标准单级拉曼系统相比，这样一台仪器需要更多的专业技能才可以操作，因此，三级拉曼光谱仪很少用于常规的日常分析中。



课堂三：CCD探测器大揭秘！

CCD 探测器是一种硅基多通道阵列探测器，可以探测紫外、可见和近红外光。因为它是高感光度半导体器件，适合分析微弱的拉曼信号，再加之 CCD 探测器允许进行多通道操作（可以在一次采集中探测到整段光谱），所以很适合用来检测拉曼信号。


CCD探测器一般是一维（线状）或二维（面状）的阵列，阵列由成千上万个独立的探测器元素组成（也称为像元）。每个元素受到光的作用产生电荷——光越强，作用时间越长，产生的电荷越多。最终，读出电子元件把电荷从像元中引出，从而每个电荷都被读出测量。


在普通的拉曼光谱仪中，拉曼散射首先通过衍射光栅色散，然后投射到 CCD 阵列的长轴上，第一个像元探测到光谱低波数起始信号，第二个像元探测到下一个光谱位置的信号，依此类推，最后一个像元将探测到光谱高波数终端信号（如图4所示）。

图 4. CCD工作原理简图

CCD 探测器需要冷却到较低温度以采集高质量光谱，冷却方式通常有两种：一种是半导体制冷，可达到的最低温度为 -90℃；另一种是液氮低温制冷，最低温度达到 -196℃。大多数拉曼光谱系统使用半导体制冷方式，但是对一些特殊应用，液氮冷却的探测器仍有其独特优势。


CCD 的尺寸是决定单次采谱范围的重要因素，相对于半英寸的小尺寸 CCD，一英寸的大尺寸 CCD 一次采集的光谱范围大，当采集全波段光谱时采集时间可缩短近一倍(见图5)。但并不是所有的拉曼光谱仪都可以采用大尺寸的CCD 来采集光谱。由于 CCD 是一个平面的探测器，被探测的光需要实现平面光谱面才能够被准确地探测，如果光线在探测器表面的另一个平面上聚焦，导致散焦，会使得成像不清晰，从而降低光谱带宽、空间分辨率和光信号的信噪比等参数。而采用 Czerny-Turner 全反射式光学设计（见图6），能够实现平场输出，有效校正成像时产生的散光，此外，特殊设计的反射镜可以对像散进行校正，使得即使在探测器的边缘也能成平场。 若光路中使用的是透镜设计，最终的光斑是一个球面体，只有中心的一小块被近似为平面，边缘散焦严重（见图7），因此，只能使用很小尺寸的 CCD 以吻合中间的近似平面区域，而不能采用大尺寸CCD。

图 5.大小尺寸CCD探测范围对比

图 6. Czerny-Turner 全反射式光学设计

图 7.使用透镜造成的光斑畸变

彩蛋：献给爱学习的你们！


光谱分辨率

光谱分辨率是指把光谱特征、谱带分解成为分离的成分的能力。光谱分辨率是一个重要的实验参数。如果分辨率太低，就会丢失光谱信息，妨碍正确地识别和表征样品。如果分辨率太高，总的测量时间将会远远超过必要的时间。光谱分辨率“过低”或者“过高”取决于特定的应用以及期望从实验中得到什么样的信息。





图 8. 两条分别在低高分辨率下记录的光谱从图中可以看出，高分辨率光谱的峰更为锐利，低分辨光谱中混为一体的邻近峰在高分辨光谱中可以分离开来。


一般来说，低 / 中分辨率适合进行简单的化学识别或者区分不同材料，而需要表征一些更加精细的光谱特征（例如峰型或者峰位的微小变化）时，高分辨率就变得必不可少了。有很多化学现象会导致这种细微的光谱变化：结晶度、多晶型、应力、氢键、蛋白质折叠。


色散型拉曼光谱仪的光谱分辨率主要由四个因素决定——光谱仪焦长、衍射光栅、激光波长、探测器。激光波长与探测器我们在上文已经讨论过，下面我们着重讨论光谱仪焦长和衍射光栅。


光谱仪焦长  光谱仪光栅的焦长（色散光栅到探测器的距离）越长，相应的光谱分辨率也越高。一般情况下，拉曼光谱仪的焦长从 200 mm（适用于低/中分辨率测量）到 800 mm（适用于高分辨率测量）甚至更高。人们时常容易忽略的是，一款长焦长的光谱仪并不是只限于进行高分辨率的工作，通过选择合适的光栅（下面将要讨论），高分辨率的光谱仪也可以工作在低分辨率模式下。这样，它不仅完美地适于低/中分辨率的常规分析，而且可以为更加特定的应用提供高分辨率分析。


衍射光栅  光栅刻线密度（一般用每毫米刻线数目表示）越高，相应的光谱分辨率也越高。一般情况下，拉曼光谱仪所使用的光栅刻线密度从300gr/mm（低分辨率）到 1800gr/mm ( 高分辨率 )，一些特殊用途的光栅可以高达 2400gr/mm 或者 3600gr/mm的，但是高密度光栅会存在一些局限性，不适合做常用的配置。利用高密度光栅提高光谱分辨率是有限度的，因为对于某一具体的光谱仪来说，无论从实用角度还是物理学角度，能够使用的最大的光栅密度都有一个上限。因此，光栅提供了一个提高光谱分辨率的初级方法，但是一旦达到了其极限，那就必须变换思路，考虑采用长焦长光谱仪。


光谱分辨率主要由四个因素共同影响和决定，必须同时考虑四个方面的因素来实现最佳分辨率的光谱。


低波数分析

低波数分析是指光谱的低拉曼位移（低波数cm-1）区域，大多数标准的拉曼光谱仪可以分析到 100cm-1~200 cm-1，可以轻而易举地探测到标准“指纹”光谱范围，然而，还有某些材料在 100cm-1 以下会出现一些非常有意义的特征光谱。如图9所示，过渡态金属硫化物在 100cm-1 以下会出现一些非常有意义的特征光谱，能够测量这些特征光谱对于完整地表征样品也是至关重要的，实际上在某些情况下，分析这些低波数特征是区分不同材料的唯一方法。低波数分析可应用于药物中的异构体、晶格模、高分子材料中的纵向声子模、某些金属氧化物和盐类、半导体超晶格等方面的分析。



图 9.不同层数的过渡态金属硫化物的六种声子振动的低波数拉曼光谱的变化[1]

结语


本次小葵花妈妈课堂主要谈到激光器、激光滤除装置、CCD探测器这几个主要部件，但是一台精密的光学仪器远远不止这些，让读者对拉曼光谱仪有一个初步的了解是本课堂的主要目的。那么，我宣布咱们下课啦！


参考文献
[1] Thomas Goldstein, Shao-Yu Chen, Jiayue Tong, et al. Raman scattering and anomalous Stokes–anti-Stokes ratio in MoTe2 atomic layers [J]. Scientific RepoRts, 2016, 6:1–7.
[2] HORIBA 集团科学仪器事业部. 拉曼光谱入门手册(第二版) [OL].
注：文中图片部分转自谷歌，谨用于学术交流，如有侵权请及时联系。
本文由材料人编辑部纳米组Mr_PSP供稿，材料牛编辑整理。

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