馬 靖，黃 蓉，施 洋

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州350108）

1 引 言

拉曼光譜作為一種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析測(cè)試手段而被廣泛應(yīng)用，尤其是20世紀(jì)60年代以后，激光光源的引入、微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的提高和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使拉曼光譜分析在許多應(yīng)用領(lǐng)域取得很大的發(fā)展．目前，拉曼光譜已廣泛應(yīng)用于材料、化工、生物、環(huán)保、地質(zhì)等領(lǐng)域［1－3］．拉曼光譜作為近代物理實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容之一，是研究分子結(jié)構(gòu)及狀態(tài)信息的一種重要手段．本文介紹了激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通常包括的2部分內(nèi)容（掌握激光拉曼光譜儀的基本構(gòu)造及光路調(diào)節(jié)過程及測(cè)量樣品分子的拉曼譜線［4－7］），提出了在該實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中很容易被學(xué)生忽略實(shí)驗(yàn)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(nèi)容對(duì)于加深學(xué)生對(duì)拉曼光譜理論及實(shí)驗(yàn)儀器的掌握，提高學(xué)生分析及解決問題的能力起著重要的作用．實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)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(fù)高壓、掃描間隔、積分時(shí)間等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)激光拉曼光譜的影響，獲得最佳實(shí)驗(yàn)參量．

2 實(shí)驗(yàn)儀器及光路調(diào)節(jié)

實(shí)驗(yàn)采用天津港東生產(chǎn)的LRS－3型激光拉曼光譜儀．整套設(shè)備主要包括：

1）單色儀．單色儀由入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、平面衍射光柵、物鏡、平面鏡及出射狹縫所組成．當(dāng)光譜儀的光柵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光譜訊號(hào)通過光電倍增管轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電脈沖，并由光子計(jì)數(shù)器放大、計(jì)數(shù)，進(jìn)入計(jì)算機(jī)處理，在顯示器上得到光譜的分布曲線．單色儀的相對(duì)孔徑D／f＝1／5．5；光柵：1 200 L／mm，閃耀波長(zhǎng)為500 nm；狹縫寬度為0～2 mm連續(xù)可調(diào)；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(dǎo)體激光器，激光器波長(zhǎng)為532 nm，該激光器輸出偏振光，穩(wěn)定度≤2%．

3）單光子計(jì)數(shù)器．拉曼散射的強(qiáng)度小于入射光強(qiáng)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(cè)方法已經(jīng)不能把這種淹沒在噪聲中的信號(hào)提取出來，所以探測(cè)系統(tǒng)采用單光子計(jì)數(shù)器方法．單光子計(jì)數(shù)器方法利用弱光下光電倍增管輸出電流信號(hào)自然離散的特征，采用脈沖高度甄別和數(shù)字技術(shù)將淹沒在背景噪聲中的弱光信號(hào)提取出來．單光子計(jì)數(shù)器的積分時(shí)間為0～30 min，最大計(jì)數(shù)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(fā)光源的強(qiáng)度大大降低，有效地保護(hù)光電管．實(shí)驗(yàn)中采用的陷波濾波器中心波長(zhǎng)為532 nm，半高全寬小于20 nm．

LRS－3型拉曼光譜儀的光學(xué)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(diào)試完畢，一般是不需要調(diào)節(jié)．實(shí)驗(yàn)中主要調(diào)節(jié)外光路．外光路包括聚光、集光、樣品架、偏振等部件．調(diào)整外光路前，先要確定外光路與單色儀的內(nèi)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(diào)節(jié)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(cè)得較為理想的光譜，我們主要對(duì)以下幾個(gè)部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)：

圖1 LRS－3型拉曼光譜儀的光學(xué)原理圖

1）聚光鏡的調(diào)節(jié)，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(cè)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(diào)節(jié)，包括物鏡組和物鏡．物鏡組在調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)每個(gè)鏡片之間的距離以獲得最細(xì)的光束，調(diào)節(jié)完成后再調(diào)節(jié)物鏡的位置，讓光束能完全進(jìn)入單色儀的狹縫．取下?lián)踝∥镧R的白紙，調(diào)節(jié)物鏡的旋轉(zhuǎn)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(dá)到最細(xì)的程度，并且都能進(jìn)入單色儀的入射狹縫．

3）對(duì)樣品架的調(diào)節(jié)．若放入樣品試管后光束沒有通過光學(xué)中心，則需要對(duì)樣品架的放置進(jìn)行調(diào)節(jié)．樣品支架為四維支架，反復(fù)調(diào)整該支架，使試管進(jìn)入光路中心．若要進(jìn)行拉曼光譜退偏度測(cè)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(dòng)拉曼光譜

CCl4的拉曼振動(dòng)譜線如圖2所示，中間波數(shù)為零的是瑞利線，瑞利線左側(cè)是反斯托克斯線，瑞利線右側(cè)4條是斯托克斯線．在拉曼光譜實(shí)驗(yàn)中是否加陷波濾波器對(duì)拉曼譜線測(cè)量結(jié)果的影響很大．如圖2（a）是沒有加陷波濾波器時(shí)所測(cè)得的CCl4的振動(dòng)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(qiáng)度都很大，但由于瑞利線太強(qiáng)，整個(gè)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(cè)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(gè)拉曼光譜的強(qiáng)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(qiáng)度的影響降低很多，譜線圖更加便于分析．所以在實(shí)驗(yàn)過程中都要加上陷波濾波器來進(jìn)行拉曼光譜的數(shù)據(jù)采集．

圖2 CCl4的拉曼光譜圖

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

4 實(shí)驗(yàn)條件的最佳化過程

4．1 單色儀狹縫寬度對(duì)拉曼光譜的影響

狹縫是單色儀的關(guān)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(yīng)該優(yōu)化到最佳寬度．狹縫小出射的光強(qiáng)太弱，狹縫寬度過大光譜的分辨又會(huì)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(duì)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(qiáng)度均增強(qiáng)，但當(dāng)狹縫寬度大于0．20 mm時(shí)拉曼光譜分辨則下降．所以在實(shí)驗(yàn)中入射狹縫和出射狹縫均設(shè)置為0．15 mm，此時(shí)能夠獲得最佳的拉曼譜線．

圖3 入射狹縫寬度變化對(duì)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(fù)高壓對(duì)拉曼光譜的影響

調(diào)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(qiáng)的情況下達(dá)到靈敏度和穩(wěn)定性的最好狀態(tài)．在實(shí)驗(yàn)中使用的光電倍增管的負(fù)高壓設(shè)置有1～8八個(gè)擋位，圖5為光電倍增管所加高壓分別為8，7，6，5擋時(shí)測(cè)得的拉曼光譜，每個(gè)擋位對(duì)應(yīng)的負(fù)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(fù)高壓擋位的降低，拉曼譜線的強(qiáng)度也會(huì)隨著降低，這是因?yàn)楣怆姳对龉艿男式档土?，單位時(shí)間內(nèi)增加電子數(shù)的速度就降低了，直到負(fù)高壓降到5擋時(shí)，譜線已經(jīng)完全變型，不能夠區(qū)分出4條斯托克斯線了．當(dāng)光電倍增管的負(fù)高壓設(shè)置為為8，7，6擋時(shí)拉曼譜線的線寬并無明顯變化，但所加負(fù)高壓越大拉曼譜線的強(qiáng)度就越強(qiáng)，所以在實(shí)驗(yàn)過程中光電倍增管的負(fù)高壓應(yīng)該設(shè)置在7，8擋．

圖5 不同負(fù)高壓下所測(cè)得的CCl4拉曼光譜圖

4．3 掃描間隔對(duì)拉曼光譜的影響

掃描間隔指的是各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的波長(zhǎng)間隔．理論上掃描間隔越小越好，因?yàn)閽呙栝g隔越小掃描出來的譜線就越接近真實(shí)的波形，誤差也就越小．實(shí)驗(yàn)中所采用的設(shè)備掃描間隔有4個(gè)選項(xiàng)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(cè)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(qiáng)度逐漸降低，而且當(dāng)間隔增加到0．5 nm和1 nm時(shí)，譜線波形已經(jīng)失真，完全不能記錄真實(shí)拉曼光譜．對(duì)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(qiáng)度要比圖6（b）的譜線強(qiáng)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(cè)得的CCl4拉曼光譜

4．4 積分時(shí)間對(duì)拉曼光譜的影響

積分時(shí)間是指采樣時(shí)的曝光時(shí)間，即單光電計(jì)數(shù)器累計(jì)光子數(shù)的時(shí)間．積分時(shí)間越長(zhǎng)，記下的光電子數(shù)就越多，測(cè)出來的譜線的峰值或者強(qiáng)度也就越強(qiáng)，而且信噪比會(huì)提高，但測(cè)量譜線所用的時(shí)間也會(huì)隨著增加．圖7給出的是不同積分時(shí)間下采集得到的拉曼光譜，從圖中可以看出當(dāng)積分時(shí)間大于200 ms時(shí)，光譜的分辨率很好，而積分時(shí)間小于100 ms拉曼光譜的分辨率明顯下降，所以在實(shí)驗(yàn)中積分時(shí)間設(shè)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(shí)間下獲得的CCl4拉曼光譜

5 結(jié)束語

本文介紹了激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通常包括的兩部分內(nèi)容，重點(diǎn)討論了實(shí)驗(yàn)條件的最佳化過程，這部分內(nèi)容對(duì)加深學(xué)生對(duì)拉曼光譜理論及實(shí)驗(yàn)儀器的掌握，提高學(xué)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(shí)驗(yàn)條件為：?jiǎn)紊珒x入射及出射狹縫寬度均為0．15 mm；光電倍增管所加負(fù)高壓擋位設(shè)置為7，8擋；掃描間隔為0．1 nm；積分時(shí)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(yīng)用［J］．光散射學(xué)報(bào)，2007，19（2）：138－141．

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

［3］ 黃鷹，陶家友，李毅，等．用激光拉曼光譜區(qū)分胃癌變細(xì)胞與正常細(xì)胞［J］．光譜學(xué)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(shí)驗(yàn)最優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)的確定［J］．物理實(shí)驗(yàn)，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(duì)樣品實(shí)驗(yàn)比較測(cè)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(shí)驗(yàn)方法及譜分析方法的研究［J］．物理與工程，2007，17（2）：60－64．