激光拉曼光譜的實驗條件優化探析

馬 靖，黃 蓉，施 洋

（福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州350108）

1 引 言

拉曼光譜作為一種物質結構的分析測試手段而被廣泛應用，尤其是20世紀60年代以后，激光光源的引入、微弱信號檢測技術的提高和計算機的應用，使拉曼光譜分析在許多應用領域取得很大的發展．目前，拉曼光譜已廣泛應用于材料、化工、生物、環保、地質等領域［1－3］．拉曼光譜作為近代物理實驗的重要內容之一，是研究分子結構及狀態信息的一種重要手段．本文介紹了激光拉曼光譜實驗教學中通常包括的2部分內容（掌握激光拉曼光譜儀的基本構造及光路調節過程及測量樣品分子的拉曼譜線［4－7］），提出了在該實驗教學過程中很容易被學生忽略實驗條件的最佳化過程，即如何獲得分辨率高的拉曼散射譜．這部分內容對于加深學生對拉曼光譜理論及實驗儀器的掌握，提高學生分析及解決問題的能力起著重要的作用．實驗條件的優化包括：分析單色儀入射狹縫寬度、出射狹縫寬度、光電倍增管所加負高壓、掃描間隔、積分時間等實驗條件對激光拉曼光譜的影響，獲得最佳實驗參量．

2 實驗儀器及光路調節

實驗采用天津港東生產的LRS－3型激光拉曼光譜儀．整套設備主要包括：

1）單色儀．單色儀由入射狹縫、準直鏡、平面衍射光柵、物鏡、平面鏡及出射狹縫所組成．當光譜儀的光柵轉動時，光譜訊號通過光電倍增管轉換成為相應的電脈沖，并由光子計數器放大、計數，進入計算機處理，在顯示器上得到光譜的分布曲線．單色儀的相對孔徑D／f＝1／5．5；光柵：1 200 L／mm，閃耀波長為500 nm；狹縫寬度為0～2 mm連續可調；示值精度為0．01 mm／div．

2）激光源．激光器采用的是輸出功率大于40 m W半導體激光器，激光器波長為532 nm，該激光器輸出偏振光，穩定度≤2%．

3）單光子計數器．拉曼散射的強度小于入射光強的10－6，比光電倍增管本身的熱噪聲水平還要低．用通常的直流檢測方法已經不能把這種淹沒在噪聲中的信號提取出來，所以探測系統采用單光子計數器方法．單光子計數器方法利用弱光下光電倍增管輸出電流信號自然離散的特征，采用脈沖高度甄別和數字技術將淹沒在背景噪聲中的弱光信號提取出來．單光子計數器的積分時間為0～30 min，最大計數為107，閾值電壓為0～2．6 V

4）陷波濾波片．陷波濾波器旨在減小儀器的雜散光，提高儀器的檢出精度，并且能將激發光源的強度大大降低，有效地保護光電管．實驗中采用的陷波濾波器中心波長為532 nm，半高全寬小于20 nm．

LRS－3型拉曼光譜儀的光學原理如圖1所示．拉曼光譜儀的光路包括了單色儀光路及外光路部分．單色儀的光路通常由原廠工程師在儀器出廠前都調試完畢，一般是不需要調節．實驗中主要調節外光路．外光路包括聚光、集光、樣品架、偏振等部件．調整外光路前，先要確定外光路與單色儀的內光路是否共軸，我們的做法是在單色儀的入射狹縫處放1張白紙觀察瑞利光的成像，調節使綠光亮條紋清晰明亮．為了能夠獲得最佳的光路，從而能夠測得較為理想的光譜，我們主要對以下幾個部件進行適當的調節：

圖1 LRS－3型拉曼光譜儀的光學原理圖

1）聚光鏡的調節，聚光鏡1使激光聚焦，在樣品池的中央部位形成激光的束腰．凹面鏡是使樣品在另一側的散射光返回，然后由聚光鏡2把散射光匯聚到單色儀的入射狹縫上．

2）集光部件的調節，包括物鏡組和物鏡．物鏡組在調節之前要先把反射物鏡用1張白紙擋住，松開物鏡組上的旋緊螺絲，不斷調節每個鏡片之間的距離以獲得最細的光束，調節完成后再調節物鏡的位置，讓光束能完全進入單色儀的狹縫．取下擋住物鏡的白紙，調節物鏡的旋轉角度、前后位置以及左右位置，直到入射單色儀前2光束能重合、達到最細的程度，并且都能進入單色儀的入射狹縫．

3）對樣品架的調節．若放入樣品試管后光束沒有通過光學中心，則需要對樣品架的放置進行調節．樣品支架為四維支架，反復調整該支架，使試管進入光路中心．若要進行拉曼光譜退偏度測量，則需要在外光路中加偏振組件，如圖1中的起偏器、檢偏器等．

3 CCl4的振動拉曼光譜

CCl4的拉曼振動譜線如圖2所示，中間波數為零的是瑞利線，瑞利線左側是反斯托克斯線，瑞利線右側4條是斯托克斯線．在拉曼光譜實驗中是否加陷波濾波器對拉曼譜線測量結果的影響很大．如圖2（a）是沒有加陷波濾波器時所測得的CCl4的振動拉曼光譜圖，從圖中可以看出，雖然斯托克斯線與反斯托克斯線的強度都很大，但由于瑞利線太強，整個譜線的基線起伏很大，各條譜線的重疊部分較多，分辨較差；圖2（b）為加上陷波濾波器之后的測得的拉曼光譜，從圖中可以明顯地看出，由于陷波濾波器的作用，整個拉曼光譜的強度雖然比未加陷波濾波器減少了將近1／2，但是譜線的分辨率很好，受瑞利譜線強度的影響降低很多，譜線圖更加便于分析．所以在實驗過程中都要加上陷波濾波器來進行拉曼光譜的數據采集．

圖2 CCl4的拉曼光譜圖

CCl4平衡時分子為正四面體結構，C原子處于立方體中央，4個Cl原子處于不相鄰的4個頂角．根據分子光譜理論可知，N個原子組成的非線性分子有（3 N－6）個簡正振動，所以CCl4分子有9個簡正振動，由分子的對稱性這9種簡正振動可分為4類，斯托克斯線頻移由小到大分別為：4個Cl原子沿垂直于各自與C的連線的方向運動并保持中心不變，兩重簡并，~ν1＝218．5 cm－1；2個Cl原子沿立方體一面的對角線做伸縮運動，另2個在對面做位相相反的運動，三重簡并＝321．5 cm－1；4個Cl原子沿各自與C的連線的呼吸振動＝460．6 cm－1，非簡并的；C原子平行于正方形的一邊運動，4個Cl原子同時平行于該邊反向運動，分子重心保持不變，三重簡并，由于振動之間的耦合引起的微擾，該振動的拉曼線分裂成2條，5＝768．0 cm－1．

4 實驗條件的最佳化過程

4．1 單色儀狹縫寬度對拉曼光譜的影響

狹縫是單色儀的關鍵部件，要想獲得高分辨率的拉曼光譜，單色儀的狹縫寬度應該優化到最佳寬度．狹縫小出射的光強太弱，狹縫寬度過大光譜的分辨又會下降．圖3和圖4分別給出的是單色儀入射狹縫寬度及出射狹縫寬度對拉曼光譜的影響．從圖中可以看出，隨著狹縫寬度增大譜線強度均增強，但當狹縫寬度大于0．20 mm時拉曼光譜分辨則下降．所以在實驗中入射狹縫和出射狹縫均設置為0．15 mm，此時能夠獲得最佳的拉曼譜線．

圖3 入射狹縫寬度變化對拉曼光譜的影響（出射狹縫寬度固定為0．15 mm）

4．2 光電倍增管負高壓對拉曼光譜的影響

調整光電倍增管高壓的意義在于使光電倍增管能夠在特定譜線光強的情況下達到靈敏度和穩定性的最好狀態．在實驗中使用的光電倍增管的負高壓設置有1～8八個擋位，圖5為光電倍增管所加高壓分別為8，7，6，5擋時測得的拉曼光譜，每個擋位對應的負高壓值分別為：－1 200 V（8擋），－1 150 V（7擋），－1 100 V（6擋）及－1 050 V（5擋）．從圖中可以看出，隨著負高壓擋位的降低，拉曼譜線的強度也會隨著降低，這是因為光電倍增管的效率降低了，單位時間內增加電子數的速度就降低了，直到負高壓降到5擋時，譜線已經完全變型，不能夠區分出4條斯托克斯線了．當光電倍增管的負高壓設置為為8，7，6擋時拉曼譜線的線寬并無明顯變化，但所加負高壓越大拉曼譜線的強度就越強，所以在實驗過程中光電倍增管的負高壓應該設置在7，8擋．

圖5 不同負高壓下所測得的CCl4拉曼光譜圖

4．3 掃描間隔對拉曼光譜的影響

掃描間隔指的是各個數據點之間的波長間隔．理論上掃描間隔越小越好，因為掃描間隔越小掃描出來的譜線就越接近真實的波形，誤差也就越小．實驗中所采用的設備掃描間隔有4個選項可供選擇，分別為0．1 nm，0．2 nm，0．5 nm 及1 nm，圖6是不同掃描間隔下測量得到的CCl4的拉曼光譜圖．從圖中可以明顯看出，隨著掃描間隔的增加拉曼譜線的強度逐漸降低，而且當間隔增加到0．5 nm和1 nm時，譜線波形已經失真，完全不能記錄真實拉曼光譜．對于掃描間隔為0．1 nm［圖6（a）］和0．2 nm［圖6（b）］的2組拉曼譜線，圖6（a）的譜線強度要比圖6（b）的譜線強度大，且分辨率也更好，所以0．1 nm為最佳掃描間隔．

圖6 不同掃描間隔下所測得的CCl4拉曼光譜

4．4 積分時間對拉曼光譜的影響

積分時間是指采樣時的曝光時間，即單光電計數器累計光子數的時間．積分時間越長，記下的光電子數就越多，測出來的譜線的峰值或者強度也就越強，而且信噪比會提高，但測量譜線所用的時間也會隨著增加．圖7給出的是不同積分時間下采集得到的拉曼光譜，從圖中可以看出當積分時間大于200 ms時，光譜的分辨率很好，而積分時間小于100 ms拉曼光譜的分辨率明顯下降，所以在實驗中積分時間設置在200 ms以上均可以獲得分辨率良好的拉曼光譜．

圖7 不同積分時間下獲得的CCl4拉曼光譜

5 結束語

本文介紹了激光拉曼光譜實驗教學中通常包括的兩部分內容，重點討論了實驗條件的最佳化過程，這部分內容對加深學生對拉曼光譜理論及實驗儀器的掌握，提高學生分析及解決問題的能力起著重要的作用．通過分析得到在LRS－3型拉曼光譜儀上獲得CCl4拉曼光譜的最佳實驗條件為：單色儀入射及出射狹縫寬度均為0．15 mm；光電倍增管所加負高壓擋位設置為7，8擋；掃描間隔為0．1 nm；積分時間不小于200 ms．

［1］ 吳俊富，郭茂田，羅榮輝，等．拉曼光譜在文物分析中的應用［J］．光散射學報，2007，19（2）：138－141．

［2］ 王吉有，王閔，劉玲，等．拉曼光譜在考古中的應用［J］．光散射學報，2006，18（2）：130－133．

［3］ 黃鷹，陶家友，李毅，等．用激光拉曼光譜區分胃癌變細胞與正常細胞［J］．光譜學與光譜分析，2007，27（11）：2263－2265．

［4］ 申小波，郝世明，胡亞菲．激光拉曼光譜實驗最優化試驗參數的確定［J］．物理實驗，2009，29（10）：31－33．

［5］ 陸培民．CCl4的激光拉曼光譜研究［J］．物理與工程，2009，19（6）：31－35．

［6］ 李幫軍．對樣品實驗比較測試與拉曼光譜分析［J］．物理與工程，2005，15（6）：41－44．

［7］ 師振宇，黃山，方堃，等．拉曼光譜實驗方法及譜分析方法的研究［J］．物理與工程，2007，17（2）：60－64．