程學(xué)瑞 張志峰 蘇磊

摘 要 通過(guò)開(kāi)設(shè)激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)，注重基礎(chǔ)理論與基本技能培養(yǎng)，提出了與生活緊密聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)研究熱情，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，探索建立了一套較為完善的激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。

關(guān)鍵詞 激光拉曼光譜 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G420文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，政府對(duì)教育投入的力度顯著增加，高等院校的辦學(xué)條件和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)得到顯著改善和發(fā)展。先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備和大型分析測(cè)試儀器的引入，開(kāi)辟了特色的研究領(lǐng)域，然而由于大型儀器設(shè)備價(jià)格昂貴、套數(shù)少、維修費(fèi)用高，使得這些儀器主要用于進(jìn)行科學(xué)研究，很少用于教學(xué)。即使用于教學(xué)，也大都采用是觀摩或者演示實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致儀器使用率低，更嚴(yán)重的是本科生參與大型儀器實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)少，缺乏使用大型分析測(cè)試儀器的實(shí)踐能力。因此，如何提高大型儀器的利用率，在服務(wù)于科研的同時(shí)又能為高校的教學(xué)和學(xué)科建設(shè)服務(wù)是目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革當(dāng)中的一個(gè)重要內(nèi)容。

本著提高材料物理專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生更多的接觸和使用一批大型儀器設(shè)備，有針對(duì)性的對(duì)本科生開(kāi)設(shè)了顯微共聚焦激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)儀器調(diào)節(jié)、測(cè)試樣品、譜圖的處理分析等環(huán)節(jié)，增強(qiáng)了對(duì)拉曼光譜原理及其應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)也培養(yǎng)了大學(xué)生使用大型分析測(cè)試儀器的能力，可以滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)人才的需求，為學(xué)生就業(yè)增加了一條出路。

1 拉曼光譜原理

拉曼散射是光和物質(zhì)相互作用引起的，光子和散射物質(zhì)分子碰撞過(guò)程中，散射物質(zhì)可能會(huì)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(jié)構(gòu)。①當(dāng)光子與分子發(fā)生彈性碰撞時(shí)，光子與分子之間沒(méi)有能量交換，此時(shí)，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(dāng)光子與分子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，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(yīng)材料本身的分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方面信息，是取得分子構(gòu)和狀態(tài)信息的重要手段，同時(shí)由于具有高靈敏度、高分辨率以及實(shí)時(shí)、快速等特點(diǎn),廣泛用材料表征、食品安全等領(lǐng)域。④

2 拉曼光譜儀的結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要有激發(fā)光源、顯微鏡、探測(cè)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(xiàn)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(zhǎng)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(duì)樣品表面微米區(qū)域分析區(qū)域。共聚系統(tǒng)的反襯度高，橫向分辨率高，并且可以集合自動(dòng)樣品進(jìn)行二維掃描和成像。

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

分光光路：其主要功能是將散射光按能量進(jìn)行分解，以便可以測(cè)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(zhǔn)直、色散和聚焦三部分構(gòu)成。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的確立

結(jié)合拉曼光譜的特點(diǎn)及其在教學(xué)中的難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)幾年的探索與實(shí)踐，不斷更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法，逐步形成了以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體、全面開(kāi)放的拉曼光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

3.1 儀器調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)置

按順序打開(kāi)主機(jī)電源、計(jì)算機(jī)、激光器進(jìn)入工作軟件環(huán)境，首先自檢和恢復(fù)所有電機(jī)的狀態(tài)。硅片校準(zhǔn)，調(diào)節(jié)樣品臺(tái)聚焦，直到視野中看到清晰的圖像，然后改用激光測(cè)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(diào)節(jié)校準(zhǔn)，直到滿(mǎn)足條件。

校準(zhǔn)之后即可放上待測(cè)樣品進(jìn)行測(cè)量，選擇合適的聚焦位置、激光功率、積分時(shí)間和測(cè)試次數(shù)等參數(shù)對(duì)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(guò)目鏡觀察調(diào)節(jié)聚焦位置，然后改用激光并采用靜態(tài)重復(fù)測(cè)量模式，通過(guò)微調(diào)旋鈕調(diào)節(jié)聚焦位置，當(dāng)信噪比達(dá)到最優(yōu)時(shí)為止。

激光功率：在狹縫一定的情況下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)激光功率大小來(lái)提高信號(hào)強(qiáng)度和信噪比。熒光背景是一種難以克服的噪聲來(lái)源，降低熒光背景一般可采用純化試樣，長(zhǎng)時(shí)間輻照，改變激發(fā)波長(zhǎng)等方法。

積分時(shí)間：如果信號(hào)較微弱，可通過(guò)增加積分時(shí)間來(lái)提高強(qiáng)度。

測(cè)試次數(shù)：如果信噪比較差，可通過(guò)增加測(cè)試次數(shù)，有效地提高信噪比。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）四氯化碳測(cè)定：本實(shí)驗(yàn)也是以典型樣品四氯化碳為例進(jìn)行測(cè)試，并與教材上的標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行比對(duì)，在此基礎(chǔ)上再提供幾種未知樣品及標(biāo)準(zhǔn)譜，讓學(xué)生獨(dú)立完成未知樣品拉曼光譜的測(cè)試分析和指認(rèn)，讓學(xué)生基本了解拉曼光譜的特性。

（2）鉆石真?zhèn)舞b別：透明漂亮的戒指和仿寶石飾品備受同學(xué)們的喜愛(ài)，但是其材料究竟是不是鉆石，很多同學(xué)并不清楚。目前碳化硅和立方氧化鋯是寶石學(xué)性質(zhì)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(xué)生對(duì)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(jìn)行判斷，然后通過(guò)拉曼光譜測(cè)定和分析比較，對(duì)樣品進(jìn)行指認(rèn)，驗(yàn)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(jié)構(gòu)特征峰。由于兩種仿鉆的材質(zhì)不同，其拉曼光譜與鉆石存在明顯區(qū)別，因此可以通過(guò)該方法鑒定鉆石的真?zhèn)?，而且不?huì)對(duì)飾品產(chǎn)生破壞，可見(jiàn)顯微拉曼光譜是一種非常有效的鑒別方式。⑤

4 結(jié)語(yǔ)

拉曼光譜實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，包含很強(qiáng)的理論性和技術(shù)性。經(jīng)過(guò)前期的探索和實(shí)踐教學(xué)，不斷更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最終建立了一套較為完善的拉曼光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,取得了一些積極的效果。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠近距離接觸和操作大型科學(xué)儀器，掌握拉曼光譜的基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)拉曼光譜的主要特點(diǎn)及其與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)體系的建立，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力、實(shí)際動(dòng)手能力、提出問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力等綜合科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)和提高。

注釋

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

② 肖蘇.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2004.

③ 張樹(shù)霖.拉曼光譜學(xué)與低維納米半導(dǎo)體[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

④ 劉清,劉輝文.紫外、紅外及拉曼光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的思考.實(shí)驗(yàn)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(xué)學(xué)報(bào),2008.30:366-368.