拉曼光谱仪的构成

拉曼光谱仪的构成


一个典型的拉曼光谱仪包括三个主要部分:激发源,采样系统和检测系统。经过多年的发展,这三个部分有着多种多样的实现形式。例如当前最典型的激发源采用激光器,检测器采用光谱仪,而采样系统多采样显微光路或光纤探头实现。

拉曼光谱主要测量分子的频移,因此一个单色性非常好的激发光源尤为重要。激光器是当前一个比较理想的激发光源。但并非所有的激光器都适合用来进行拉曼激发。作为拉曼的激发光源,需要其频率非常稳定,没有模态跳跃的产生,同时其线宽也需要尽量的窄,以确保产生拉曼光谱峰的质量。




此外,还需要考虑不同的应用所采用的激发波长。采用波长越短的激光器,其激发效率越高,然而对很多有机物来说,波长并不是唯一需要考虑的因素。大多数的有机化合物会由于高能量电子的跃迁产生一部分的荧光干扰。尽管荧光是一种比较弱的信号,但是相较于拉曼散射的效率(约1/10^7),其在很大程度上还是会对拉曼的信号造成掩盖。如图R-5,即是一个典型的荧光信号对拉曼信号产生干扰掩盖的光谱。因此,短波长的可见激光波长(例如473nm532nm等)更多应用在无机材料的表征,例如碳材料等。


Figure R-5 Comparison of Raman Spectrum at Varying Excitation Wavelengths Demonstrating Fluorescence Interference


此外,还需要考虑不同的应用所采用的激发波长。采用波长越短的激光器,其激发效率越高,然而对很多有机物来说,波长并不是唯一需要考虑的因素。大多数的有机化合物会由于高能量电子的跃迁产生一部分的荧光干扰。尽管荧光是一种比较弱的信号,但是相较于拉曼散射的效率(约1/10^7),其在很大程度上还是会对拉曼的信号造成掩盖。如图R-5,即是一个典型的荧光信号对拉曼信号产生干扰掩盖的光谱。因此,短波长的可见激光波长(例如473nm532nm等)更多应用在无机材料的表征,例如碳材料等。




正如之前所讨论的,拉曼散射是一种非常弱的信号,因此常常需要较长的积分时间来收集所需要的光谱信号。这就使得光谱检测器的TE制冷显得尤为重要。对于特别低浓度的弱拉曼信号探测,还需要考虑采用背照式CCD来提升光谱仪的灵敏度。背照式CCD通过将CCD翻转,使CCD的背部薄到10-15 µm,而入射光子从背面进入CCD,这样多晶硅就不会出现在光入射路径上。这样,就可以获得超过90%的量子效率(相对应的前照式CCD在此波段的量子效率只有约35%)。


拉曼光谱具有非常好的指纹光谱特征,可能存在一些相当接近的拉曼光谱特征峰。有一些特定的应用,将可能要求光谱仪具有较高的分辨率,以区分相隔很近的两个拉曼光谱峰。最为常见的拉曼配置采用532nm或785nm激光器,必达泰克可以提供低波数至65cm-1,高波数最高至3300cm-1(785nm)或4200cm-1(532nm),同时其光谱分辨率可以达到最高3-4.5cm-1左右。


在测量样品时,没有更有效的方法将激光照射到样品上,收集拉曼散射,并将其导向光谱仪,而不是光纤探针。




拉曼探头必须能够直接和聚焦单色激光源(通常是激光)在样本上,收集散射光,然后引导它到光谱仪。图r – 6展现是拉曼探头的典型设计。


Figure R-6 Typical Design of a Raman Probe


由于纯信号对拉曼光谱非常重要,在其到达样本前,将窄带滤波器置于激发源的光程中。同样重要的是要注意,由于拉曼效应是极其微弱的,所以信号必须以0o角的标准收集到样本。这引起了瑞利散射的干扰,因此,在将信号定向到光谱仪之前,必须通过使用长通滤波器来过滤收集到的信号。




光纤所提供的灵活性不仅允许将探头带到一个固体样品,而且还允许它在实验室和加工环境中浸泡在液体或泥浆中(用于实时的动力学测量)。它还可以连接到显微镜、试管支架以及大量的取样附件。