淺析顯微激光拉曼光譜實驗教學

程學瑞 張志峰 蘇磊

摘 要 通過開設激光拉曼光譜實驗，注重基礎理論與基本技能培養，提出了與生活緊密聯系的實驗內容，激發了學生的學習興趣和科學研究熱情，增強了學生的動手能力，提高了實驗教學效果，探索建立了一套較為完善的激光拉曼光譜實驗教學方案。

關鍵詞 激光拉曼光譜 實驗教學 教學改革

中圖分類號：G420文獻標識碼：A

Talking about Micro-Raman Spectroscopy Experimental Teaching

CHENG Xuerui, ZHANG Zhifeng, SU Lei

(Department of Technical Physics, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou, He'nan 450002)

Abstract Through the creation of laser Raman spectroscopy experiments, focusing on basic theory and basic skills training, made close contact with live experimental content, stimulate students' interest and enthusiasm for scientific research, to enhance the student's ability to improve the experimental teaching, explore the establishment of a more comprehensive experimental Raman spectra of the teaching program.

Key words Laser Raman spectroscopy; experimental teaching; teaching reform

0 引言

隨著經濟的蓬勃發展，政府對教育投入的力度顯著增加，高等院校的辦學條件和實驗室建設得到顯著改善和發展。先進的技術設備和大型分析測試儀器的引入，開辟了特色的研究領域，然而由于大型儀器設備價格昂貴、套數少、維修費用高，使得這些儀器主要用于進行科學研究，很少用于教學。即使用于教學，也大都采用是觀摩或者演示實驗，導致儀器使用率低，更嚴重的是本科生參與大型儀器實驗機會少，缺乏使用大型分析測試儀器的實踐能力。因此，如何提高大型儀器的利用率，在服務于科研的同時又能為高校的教學和學科建設服務是目前實驗教學改革當中的一個重要內容。

本著提高材料物理專業的實驗教學質量，讓學生更多的接觸和使用一批大型儀器設備，有針對性的對本科生開設了顯微共聚焦激光拉曼光譜實驗。通過對儀器調節、測試樣品、譜圖的處理分析等環節，增強了對拉曼光譜原理及其應用的認識。同時該實驗的開設也培養了大學生使用大型分析測試儀器的能力，可以滿足社會對人才的需求，為學生就業增加了一條出路。

1 拉曼光譜原理

拉曼散射是光和物質相互作用引起的，光子和散射物質分子碰撞過程中，散射物質可能會從入射光子吸收部分能量或把自身部分能量加到入射光子上去，從而形成新的譜結構。①當光子與分子發生彈性碰撞時，光子與分子之間沒有能量交換，此時，散射光與入射光頻率相同，這種散射叫瑞利散射，頻率未變的譜線叫做瑞利線。當光子與分子發生非彈性碰撞時，使散射光頻率與入射光頻率不同，這部分散射叫拉曼散射。②③

由于拉曼光譜反應材料本身的分子振動、轉動方面信息，是取得分子構和狀態信息的重要手段，同時由于具有高靈敏度、高分辨率以及實時、快速等特點,廣泛用材料表征、食品安全等領域。④

2 拉曼光譜儀的結構

我系配置的拉曼光譜儀是Renishaw inVia顯微共聚焦激光拉曼光譜儀，其結構示意圖如圖1所示，主要有激發光源、顯微鏡、探測器、分光光路四部分組成。

光源：由于激光的單色性和方向性好，使其功率可以有很大的提高，即亮度很高，因此現在的拉曼光譜儀的光源幾乎全是激光光源。而該儀器配備了波長532 nm的摻釹釔鋁石榴石激光器，單頻輸出功率為50mW。

顯微鏡：入射光聚光、散射光聚光、樣品架都由顯微鏡完成，可對樣品表面微米區域分析區域。共聚系統的反襯度高，橫向分辨率高，并且可以集合自動樣品進行二維掃描和成像。

探測器：拉曼信號都非常微弱，該微弱信號檢測、放大和顯示由靈敏度很高的多通道探測器件電荷耦合探測器完成。

分光光路：其主要功能是將散射光按能量進行分解，以便可以測量散射光的微分散射截面。采用的是光柵色散型光譜儀，主要由準直、色散和聚焦三部分構成。

3 實驗教學內容的確立

結合拉曼光譜的特點及其在教學中的難點，經過幾年的探索與實踐，不斷更新實驗內容和教學方法，逐步形成了以教師為主導、以學生為主體、全面開放的拉曼光譜實驗教學體系。

3.1 儀器調節和參數設置

按順序打開主機電源、計算機、激光器進入工作軟件環境，首先自檢和恢復所有電機的狀態。硅片校準，調節樣品臺聚焦，直到視野中看到清晰的圖像，然后改用激光測量硅片并查看峰位是否為520 ?0.02cm-1。如不是，用軟件中offset工具調節校準，直到滿足條件。

校準之后即可放上待測樣品進行測量，選擇合適的聚焦位置、激光功率、積分時間和測試次數等參數對提高分辨率和信噪比是很重要的。

聚焦位置：首先在白光照射下，通過目鏡觀察調節聚焦位置，然后改用激光并采用靜態重復測量模式，通過微調旋鈕調節聚焦位置，當信噪比達到最優時為止。

激光功率：在狹縫一定的情況下，可以通過調節激光功率大小來提高信號強度和信噪比。熒光背景是一種難以克服的噪聲來源，降低熒光背景一般可采用純化試樣，長時間輻照，改變激發波長等方法。

積分時間：如果信號較微弱，可通過增加積分時間來提高強度。

測試次數：如果信噪比較差，可通過增加測試次數，有效地提高信噪比。

3.2 實驗內容

（1）四氯化碳測定：本實驗也是以典型樣品四氯化碳為例進行測試，并與教材上的標準譜圖進行比對，在此基礎上再提供幾種未知樣品及標準譜，讓學生獨立完成未知樣品拉曼光譜的測試分析和指認，讓學生基本了解拉曼光譜的特性。

（2）鉆石真偽鑒別：透明漂亮的戒指和仿寶石飾品備受同學們的喜愛，但是其材料究竟是不是鉆石，很多同學并不清楚。目前碳化硅和立方氧化鋯是寶石學性質與鉆石最接近的兩種仿鉆，具有金剛石光澤，硬度也比較高，是最難鑒別的兩種仿鉆石。首先讓學生對外觀相似的金剛石、立方氧化鋯、合成碳化硅三種未知樣品進行判斷，然后通過拉曼光譜測定和分析比較，對樣品進行指認，驗證大家的判斷是否正確。如圖2所示，在單晶金剛石拉曼光譜中，位于1332 cm-1附近的尖銳拉曼峰是典型的金剛石晶體的結構特征峰。由于兩種仿鉆的材質不同，其拉曼光譜與鉆石存在明顯區別，因此可以通過該方法鑒定鉆石的真偽，而且不會對飾品產生破壞，可見顯微拉曼光譜是一種非常有效的鑒別方式。⑤

4 結語

拉曼光譜實驗是物理實驗中的一個重要實驗，包含很強的理論性和技術性。經過前期的探索和實踐教學，不斷更新實驗內容，最終建立了一套較為完善的拉曼光譜實驗教學體系,取得了一些積極的效果。通過該實驗，學生能夠近距離接觸和操作大型科學儀器，掌握拉曼光譜的基本實驗技術，進一步認識拉曼光譜的主要特點及其與分子結構的關聯。通過該實驗體系的建立，提高了學生的學習興趣，加強了學生創新意識和創新能力、實際動手能力、提出問題和解決問題的能力等綜合科學素質的培養和提高。

注釋

① 軒植華,霍劍青,姚坤等.大學物理實驗(第四冊).北京:高等教育出版社,2006.6:50-59.

② 肖蘇.大學物理實驗[M].北京:中國科學技術大學出版社,2004.

③ 張樹霖.拉曼光譜學與低維納米半導體[M].北京:科學出版社,2008.

④ 劉清,劉輝文.紫外、紅外及拉曼光譜實驗教學改革的思考.實驗室研究與探索,2000.2:22-24.

⑤ 吳燁.SiO2系寶石的Raman光譜鑒定法.云南大學學報,2008.30:366-368.