測試干貨∣測試谷實戰課堂——拉曼的硬件技術

測試谷實戰課堂開課啦！今天我們來聊聊拉曼光譜儀的硬件技術，要想得到一份滿意的拉曼譜圖需要硬件的支撐。舉個簡單的栗子：你銀行賬戶有一個億！可是你沒密碼？！那你怎么實現一個億的小目標呢？！那一個億就像是拉曼的理論基礎，相信大伙已收入囊中！那密碼就是拉曼的硬件設施——硬件技術是獲得理想拉曼圖譜的敲門磚！

拉曼的基本構成

??????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖1. 拉曼裝置圖

拉曼光譜儀主要有激光器、激光（瑞利散射）濾除裝置、CCD探測器、信號輸出終端這四個部分組成。小葵花媽媽今天著重說下激光器、激光濾除裝置、CCD探測器這三個部分。

課堂一：拉曼光譜使用何種波長的激光器？

??????????????????????????????????????????????????????? 表1. 用于拉曼分析的典型激光器

從紫外、可見光到近紅外波長范圍內的激光器都可以用作拉曼光譜分析的激發光源，但是激光的波長對于實驗的結果有著重要的影響。

靈敏度：拉曼散射強度與激光波長的四次方成反比，因此，藍 /綠可見激光的散射強度比近紅外激光要強 15 倍以上。

空間分辨率：在衍射極限條件下，激光光斑的直徑可以根據公式D=1.22λ/NA 計算得出，其中 l 是激發激光的波長， NA是所使用顯微物鏡的數值孔徑。例如，采用數值孔徑為 0.9的物鏡，波長 532nm 激光的光斑直徑理論上可以小到 0.72微米，在同樣條件下使用 785nm 波長激光時，激光光斑直徑理論上最小值為 1.1μm，因此，最終的空間分辨率在一定程度上取決于激發激光的選擇。

不同波長的激光有著其最佳的適用范圍，通過分析這三個波段的激光的優缺點我們可以做出合適的選擇：

??????????????????????????????????????????????????????????????? 表 2. 不同波段激光優缺點

理論上，紫外拉曼光譜和可見光拉曼光譜沒有什么不同之處。但對于某些特定樣品來說，紫外激光與樣品相互作用的方式與可見激光不同，如表2中示。此外，紫外和近紅外都可抑制熒光但是原理上是有差別的。如圖2所示，因為在紫外激發下拉曼信號和熒光信號在不同的光譜區域，不會受到干擾。而使用可見激光激發時，拉曼信號和熒光信號往往會重疊在一起，又由于熒光的信號強度是拉曼信號強度所無法比擬的，因此熒光信號會干擾甚至完全湮沒拉曼信號。使用紫外激光激發時，拉曼信號仍位于靠近激光線附近的位置，而熒光則在較高波長的位置，由此拉曼和熒光信號不再重疊，熒光問題也不復存在。對于近紅外而言，很多種材料的吸收帶位于可見區域，只有少數材料的吸收帶位于近紅外區域，因此在大多數情況下，近紅外激光不會引起熒光（因為吸收過程沒有發生）。

?????????????????????????????????????????????? 圖 2. 不同波長激光產生拉曼效應的原理圖

課堂二：拉曼光譜儀使用什么樣的激光（瑞利）濾除裝置？

????????????????????????????????????????????????????????? ? ? 圖 3. 激光濾除裝置分類

拉曼光譜儀中使用的激光濾光裝置主要有兩類，如圖3所示。Edge 濾光片是一種長波通光學濾光片，在吸收和透過光譜區域之間的帶邊極為陡峭，對激光線提供了非常有效的阻擋。拉曼光譜儀使用的陷波濾光片也是與特定的激光波長相匹配的，它有很銳利的的吸收帶，吸收帶寬通常為幾個納米（對應于幾百個波數）。與 Edge 濾光片不同的是，陷波濾光片的壽命有限，并且其性能會隨時間推移而降低。

配備三級單色儀的儀器還可以用“兩級相減，單級光譜分光”的模式工作。其前兩級單色儀作為一體，首先將瑞利散射光（激光）和拉曼散射光一起色散，并將瑞利散射光（激光）以及其它雜散光濾除，然后再重新組合在一起。第三級光譜儀以常規的方式將拉曼散射光色散分光后投射到探測器上。這樣使用三級單色儀的優勢在于其激光過濾是無限可變的，可以使用任何一種激光光源工作。除此之外，它對激光的濾除效果非常完美，可以實現的頻率下限最低達到 4cm-1~5cm-1。然而，與更為常見的基于濾光片濾光的標準單級拉曼系統相比，這樣一臺儀器需要更多的專業技能才可以操作，因此，三級拉曼光譜儀很少用于常規的日常分析中。

課堂三：CCD探測器大揭秘！

CCD 探測器是一種硅基多通道陣列探測器，可以探測紫外、可見和近紅外光。因為它是高感光度半導體器件，適合分析微弱的拉曼信號，再加之 CCD 探測器允許進行多通道操作（可以在一次采集中探測到整段光譜），所以很適合用來檢測拉曼信號。

CCD探測器一般是一維（線狀）或二維（面狀）的陣列，陣列由成千上萬個獨立的探測器元素組成（也稱為像元）。每個元素受到光的作用產生電荷——光越強，作用時間越長，產生的電荷越多。最終，讀出電子元件把電荷從像元中引出，從而每個電荷都被讀出測量。

在普通的拉曼光譜儀中，拉曼散射首先通過衍射光柵色散，然后投射到 CCD 陣列的長軸上，第一個像元探測到光譜低波數起始信號，第二個像元探測到下一個光譜位置的信號，依此類推，最后一個像元將探測到光譜高波數終端信號（如圖4所示）。

??????????????????????????????????????????????????????? 圖 4. CCD工作原理簡圖

CCD 探測器需要冷卻到較低溫度以采集高質量光譜，冷卻方式通常有兩種：一種是半導體制冷，可達到的最低溫度為 -90℃；另一種是液氮低溫制冷，最低溫度達到 -196℃。大多數拉曼光譜系統使用半導體制冷方式，但是對一些特殊應用，液氮冷卻的探測器仍有其獨特優勢。

CCD 的尺寸是決定單次采譜范圍的重要因素，相對于半英寸的小尺寸 CCD，一英寸的大尺寸 CCD 一次采集的光譜范圍大，當采集全波段光譜時采集時間可縮短近一倍(見圖5)。但并不是所有的拉曼光譜儀都可以采用大尺寸的CCD 來采集光譜。由于 CCD 是一個平面的探測器，被探測的光需要實現平面光譜面才能夠被準確地探測，如果光線在探測器表面的另一個平面上聚焦，導致散焦，會使得成像不清晰，從而降低光譜帶寬、空間分辨率和光信號的信噪比等參數。而采用 Czerny-Turner 全反射式光學設計（見圖6），能夠實現平場輸出，有效校正成像時產生的散光，此外，特殊設計的反射鏡可以對像散進行校正，使得即使在探測器的邊緣也能成平場。 若光路中使用的是透鏡設計，最終的光斑是一個球面體，只有中心的一小塊被近似為平面，邊緣散焦嚴重（見圖7），因此，只能使用很小尺寸的 CCD 以吻合中間的近似平面區域，而不能采用大尺寸CCD。

??????????????????????????????????????????????????????? 圖 5.大小尺寸CCD探測范圍對比

?????????????????????????????????????????????????? 圖 6. Czerny-Turner 全反射式光學設計

????????????????????????????????????????????????????????? 圖 7.使用透鏡造成的光斑畸變

彩蛋：獻給愛學習的你們！

光譜分辨率
光譜分辨率是指把光譜特征、譜帶分解成為分離的成分的能力。光譜分辨率是一個重要的實驗參數。如果分辨率太低，就會丟失光譜信息，妨礙正確地識別和表征樣品。如果分辨率太高，總的測量時間將會遠遠超過必要的時間。光譜分辨率“過低”或者“過高”取決于特定的應用以及期望從實驗中得到什么樣的信息。

圖 8. 兩條分別在低高分辨率下記錄的光譜從圖中可以看出，高分辨率光譜的峰更為銳利，低分辨光譜中混為一體的鄰近峰在高分辨光譜中可以分離開來。

一般來說，低 / 中分辨率適合進行簡單的化學識別或者區分不同材料，而需要表征一些更加精細的光譜特征（例如峰型或者峰位的微小變化）時，高分辨率就變得必不可少了。有很多化學現象會導致這種細微的光譜變化：結晶度、多晶型、應力、氫鍵、蛋白質折疊。

色散型拉曼光譜儀的光譜分辨率主要由四個因素決定——光譜儀焦長、衍射光柵、激光波長、探測器。激光波長與探測器我們在上文已經討論過，下面我們著重討論光譜儀焦長和衍射光柵。

光譜儀焦長? 光譜儀光柵的焦長（色散光柵到探測器的距離）越長，相應的光譜分辨率也越高。一般情況下，拉曼光譜儀的焦長從 200 mm（適用于低/中分辨率測量）到 800 mm（適用于高分辨率測量）甚至更高。人們時常容易忽略的是，一款長焦長的光譜儀并不是只限于進行高分辨率的工作，通過選擇合適的光柵（下面將要討論），高分辨率的光譜儀也可以工作在低分辨率模式下。這樣，它不僅完美地適于低/中分辨率的常規分析，而且可以為更加特定的應用提供高分辨率分析。

衍射光柵? 光柵刻線密度（一般用每毫米刻線數目表示）越高，相應的光譜分辨率也越高。一般情況下，拉曼光譜儀所使用的光柵刻線密度從300gr/mm（低分辨率）到 1800gr/mm ( 高分辨率 )，一些特殊用途的光柵可以高達 2400gr/mm 或者 3600gr/mm的，但是高密度光柵會存在一些局限性，不適合做常用的配置。利用高密度光柵提高光譜分辨率是有限度的，因為對于某一具體的光譜儀來說，無論從實用角度還是物理學角度，能夠使用的最大的光柵密度都有一個上限。因此，光柵提供了一個提高光譜分辨率的初級方法，但是一旦達到了其極限，那就必須變換思路，考慮采用長焦長光譜儀。

光譜分辨率主要由四個因素共同影響和決定，必須同時考慮四個方面的因素來實現最佳分辨率的光譜。

低波數分析
低波數分析是指光譜的低拉曼位移（低波數cm-1）區域，大多數標準的拉曼光譜儀可以分析到 100cm-1~200 cm-1，可以輕而易舉地探測到標準“指紋”光譜范圍，然而，還有某些材料在 100cm-1 以下會出現一些非常有意義的特征光譜。如圖9所示，過渡態金屬硫化物在 100cm-1 以下會出現一些非常有意義的特征光譜，能夠測量這些特征光譜對于完整地表征樣品也是至關重要的，實際上在某些情況下，分析這些低波數特征是區分不同材料的唯一方法。低波數分析可應用于藥物中的異構體、晶格模、高分子材料中的縱向聲子模、某些金屬氧化物和鹽類、半導體超晶格等方面的分析。

????????????????? 圖 9.不同層數的過渡態金屬硫化物的六種聲子振動的低波數拉曼光譜的變化[1]

結語

本次小葵花媽媽課堂主要談到激光器、激光濾除裝置、CCD探測器這幾個主要部件，但是一臺精密的光學儀器遠遠不止這些，讓讀者對拉曼光譜儀有一個初步的了解是本課堂的主要目的。那么，我宣布咱們下課啦！

參考文獻

[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 集團科學儀器事業部. 拉曼光譜入門手冊(第二版) [OL].

注：文中圖片部分轉自谷歌，謹用于學術交流，如有侵權請及時聯系。

本文由材料人編輯部納米組Mr_PSP供稿，材料牛編輯整理。

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