HORIBA HR型激光拉曼光譜儀的使用和維護

公祥南，郭莉杰，周小元,，鄒函君

(重慶大學 a.分析測試中心，b.物理學院，重慶 401331)

HORIBAHR型激光拉曼光譜儀的使用和維護

公祥南a，郭莉杰b，周小元a,b，鄒函君a

(重慶大學 a.分析測試中心，b.物理學院，重慶 401331)

激光拉曼光譜儀屬于大型開放性儀器，掌握儀器的基本原理并且正確使用和維護儀器顯得尤為重要。通過對影響HORIBA HR型激光拉曼光譜儀儀器性能的4個方面逐一討論，包括儀器校準與調(diào)試、樣品種類選擇、合適測試參數(shù)設(shè)置、儀器保養(yǎng)與維護，不僅可以獲得可靠、優(yōu)質(zhì)的拉曼光譜數(shù)據(jù)，更能提高儀器的使用效率、降低儀器故障率。

激光拉曼光譜儀； 校準； 測試參數(shù)； 儀器維護

0 引 言

自1928年印度物理學家Raman發(fā)現(xiàn)拉曼散射效應(yīng)以來，以他名字命名的拉曼散射技術(shù)便應(yīng)運而生[1]。隨著激光技術(shù)、高靈敏度檢測器以及計算機性能的不斷發(fā)展，拉曼光譜儀已成為現(xiàn)代儀器的常規(guī)配備。

一張拉曼散射光譜圖通常包含一個或多個拉曼散射峰，每個拉曼散射峰包含峰位、峰強和峰寬等信息。分子鍵振動和轉(zhuǎn)動能級差變化與之對應(yīng)，因而稱之為各種物質(zhì)的“指紋峰”[2]，它不僅能提供材料的化學結(jié)構(gòu)[3-4]、晶相和形態(tài)[5-6]等信息，還能提供材料結(jié)構(gòu)結(jié)晶度和分子相互作用[7-8]等詳細信息。因此，拉曼光譜技術(shù)在材料表征方法上占據(jù)重要地位。

激光共聚焦顯微拉曼光譜儀的基本操作相對簡單。首先，實驗人員將樣品準備就緒，設(shè)置一些簡單、常規(guī)的測試參數(shù)，再將顯微物鏡聚焦到所需測試區(qū)域后便可開始測試，在較短時間內(nèi)即可得到實驗數(shù)據(jù)。如何得到一張更為完美的光譜圖，這就關(guān)系到儀器本身的工作性能：樣品的選擇，激光器波長的選擇以及實驗測試參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置等諸多因素。因此，實驗人員需要對儀器主要部件進行充分了解，熟練掌握各部件的正確使用，這不僅有益于得到較高質(zhì)量的實驗數(shù)據(jù)，而且有助于降低儀器的日常使用和維護成本，從而提高儀器的使用效率。

1 儀器的校準與調(diào)試

HORIBA HR型拉曼光譜儀的校準關(guān)系到樣品測試的準確性，在日常測試過程中，儀器本身的狀態(tài)包括不同光柵的切換、不同波長激光器(尤其是固體半導體激光器)的使用；另外，儀器所處實驗室的溫度、濕度等因素都會影響光譜儀測試參數(shù)的變化，從而使得儀器的靈敏度和準確度出現(xiàn)偏差。

因此，在日常測試前，切換不同刻線密度光柵以及更換不同波長激光器時，有必要對儀器進行校準[9]。以下兩種方便且快捷的方法可供選擇：

1.1單晶硅

圖1顯示使用單晶硅標準樣品對拉曼光譜儀進行校準，標準樣品測試檢查結(jié)果：在室溫條件下，單晶硅的一階峰位于PeakSi=520.7 cm-1。

圖1 單晶硅的一階拉曼峰PeakSi=520.7 cm-1

1.2汞線

圖2顯示使用日光燈中的汞線對光譜儀進行校準檢查，測試檢查結(jié)果：PeakHg=546.07 nm。

圖2 日光燈的Hg線特征峰PeakHg=546.07 nm

2 樣品的選擇

拉曼光譜可用來分析多種不同類型的樣品，包括固體、氣體、液體、粉末、膠體、軟膏等所有包含真實分子鍵的物質(zhì)，但是純金屬無法用拉曼光譜技術(shù)進行分析。

2.1固體樣品

對于固體或塊體樣品，應(yīng)盡量選擇較為平整的區(qū)域進行測試；若為固體粉末樣品，一般建議將粉末先置于載玻片上，再用另一片載玻片將其壓緊、壓實，使其盡可能平整，從而達到獲取高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)的目的。

2.2氣體樣品

對于氣體樣品而言，由于其氣體分子密度較低，故測量氣體樣品的拉曼光譜相對于固體樣品而言測試難度較大。通常選擇大功率激光器增加入射光強度，或?qū)怏w樣品充入密閉容器進行加壓，使其單位體積分子密度增大，從而獲得較高質(zhì)量的光譜數(shù)據(jù)[10]。

2.3液體樣品

對于液體樣品而言，由于水分子的拉曼散射界面非常小，導致拉曼散射強度及對溶質(zhì)的拉曼散射信號干擾較小，故對液體樣品包括溶液、生物組織、細胞等，拉曼光譜比較容易進行分析[11-12]。

如果該液體樣品的揮發(fā)性較小且不具有腐蝕性，則可將樣品直接滴在載玻片上即可；如果樣品具有揮發(fā)性或腐蝕性，則選用毛細管將液體吸入管內(nèi)，再將毛細管的兩端密封即可；或者選配專用的液體樣品池，這樣既方便進行實驗，也避免環(huán)境污染，并且收集的拉曼散射信號強度更是普通測試條件的若干倍。

3 儀器硬件的設(shè)置

3.1光源

自從1928年Raman發(fā)現(xiàn)CCl4的特征峰所使用的汞弧燈作為光源，到20世紀60年代逐步發(fā)展起來的激光器技術(shù)，拉曼光譜技術(shù)便得以快速的發(fā)展和應(yīng)用。目前在拉曼光譜技術(shù)中常用到的激光器有氦鎘激光器(He-Cd)λ=325 nm；氬氪離子激光器(Ar+-Kr+)λ=454.5 nm，457.9 nm，465.8 nm，472.7 nm，476.5 nm，488.0 nm，496.5 nm，514.5 nm，568 nm，647 nm；氦氖激光器(He-Ne)λ=632.8 nm；半導體激光器(Nd∶YAG)λ=532 nm；半導體激光器λ=785 nm，λ=980 nm等。隨著應(yīng)用的擴展，激光器技術(shù)的發(fā)展，從深紫外177.3 nm激光器，到近紅外1 064 nm激光器等都在拉曼光譜中得以廣泛應(yīng)用[12-13]。

不同波長的激光器，其激發(fā)能量隨著波長的增加而下降。當需要足夠高能量的激光將光子從其基態(tài)激發(fā)躍遷至激發(fā)態(tài)時，則需使用較短波長的激光器來實現(xiàn)；反之，當面對生物組織樣品時，為避免破壞樣品，則需使用較長波長的激光器來實現(xiàn)[12，14]。

另外，對于同一樣品，不同波長的激光器對其穿透深度會隨著波長的增加而增大，這意味著較短波長的激光器適用于獲取樣品表面信息，而較長波長激光器更易獲得樣品內(nèi)部深層次的分子結(jié)構(gòu)信息。

選擇合適激發(fā)波長的激光器還可有效避免來自樣品基體的熒光干擾，從而獲得較高質(zhì)量的拉曼光譜數(shù)據(jù)，否則由于拉曼信號與熒光信號強度上存在幾個數(shù)量級差距，導致拉曼信號湮沒在熒光背景中而無法獲得有用信息。

3.2濾光片

3.2.1窄帶干涉濾光片

窄帶干涉濾光片(Narrow Bandpass Interference Filters)是一種帶通濾波器，它是基于電介質(zhì)與金屬多層膜的干涉效應(yīng)，使得特定的入射激光通過，而大于其半峰值帶寬(FWHM)的激光伴線或其他雜散光無法進入光譜儀，最終達到提高入射光單色性以及濾除等離子線的目的，如圖3所示。

圖3 未安放窄帶干涉濾光片的單晶硅拉曼光譜

3.2.2瑞利濾光片

瑞利濾光片又有兩種，Notch濾光片和Edge濾光片。Edge濾波片是一種高通濾光片，因而它只能測得斯托克斯散射。Edge濾光片的材料是一種介電材料，其使用壽命較長。

圖4所示為Edge濾波片的白光cut-off譜圖，由圖可見,該濾波片已經(jīng)將激光線強度濾除得很低，但不可能將其濾除干凈；另外，其Edge在靠近激光線處(約50 cm-1)變得非常陡峭。圖4中插圖則是實際測得Bi2O3的拉曼散射信號，最低可測得53 cm-1的峰位信號，能測到越靠近激光線的低波數(shù)信號，表明該濾波片的性能越好。

圖4 Edge濾光片的白光截止光譜

Notch濾光片是一種陷波片，即高通和低通濾波片，如圖5所示。因而它可以測得斯托克斯散射和反斯托克斯散射，并且可比Edge濾波片測得更靠近激光線的拉曼散射信號，目前市場上已有低于10 cm-1的超低波數(shù)附件。圖6所示為胱氨酸的超低波數(shù)拉曼光譜圖。Notch濾波片的材料是一種有機材質(zhì)的鍍膜，其使用壽命有限，一般2～3年就需進行更換。

圖5 Notch濾光片的白光截止光譜

圖6 胱胺酸的超低波數(shù)拉曼光譜圖

激光功率衰減片，是一種用來衰減強光光功率的中性濾光片，它不僅能避免高強激光照射到樣品產(chǎn)生熱效應(yīng)而破壞樣品，也能避免高強激光直接入射探測器，造成探測器受損。通常使用OD值來表示其衰減性能，OD值和透過率的關(guān)系為：

T=10-OD

比如OD為2，相當于透過率為1%，即衰減了99%的光能。

3.3物鏡

在顯微拉曼光譜儀系統(tǒng)中，會涉及到物鏡的使用，物鏡參數(shù)的變化將直接影響最終實驗結(jié)果。物鏡有3個重要參數(shù)，分別是：數(shù)值孔徑，放大倍數(shù)和工作距離[15]。數(shù)值孔徑影響空間分辨率，工作距離影響使用方便與否，而放大倍數(shù)能最直接呈現(xiàn)物像大小。

按照入射激光波長從紫外、到可見光、再到近紅外的范圍，則需配備相應(yīng)工作范圍的物鏡，表1所示為拉曼光譜常用顯微物鏡的工作參數(shù)。

理想情況下，到樣激光光斑尺寸可以按照

D=1.22λ/NA

(1)

式中：λ為入射激光波長，NA是數(shù)值孔徑。

NA=nsinθ

(2)

式中：n為介質(zhì)的折射率，θ為入射光收集角。

由式(1)、(2)以及圖7可見，數(shù)值孔徑越大，相應(yīng)的收集角θ就越大；相應(yīng)的取樣體積越小，到樣激光光斑尺寸就越小。

表1 常用物鏡的工作參數(shù)

圖7 物鏡參數(shù)示意圖

例如，當入射激光波長為532 nm，采用VIS 100×物鏡NA=0.90，可由式(1)計算出D≈0.72 μm，若選用VIS 10×物鏡NA=0.25，則D≈2.59 μm。因此，在理想情況下，使用較高數(shù)值孔徑的物鏡，將會得到更高橫向空間分辨率的成像實驗結(jié)果。

另外，根據(jù)式(1)可知，較長波長的入射激光將降低橫向空間分辨率。例如，選用激光波長為632.8 nm的He-Ne激光器作為光源，同樣使用采用VIS 100×NA=0.90的物鏡，到樣激光光斑尺寸則為D≈0.86 μm。

3.4光譜儀

光譜儀性能的優(yōu)劣由光譜分辨率直接體現(xiàn)，光譜分辨率越高意味著可分辨光譜譜線能力越強。光譜分辨率由入射激光線寬、光譜儀入射狹縫、光柵刻線密度、光譜儀焦長以及CCD探測器的像元尺寸等因素決定[16]。

在色散型拉曼光譜儀中所配置的主流光譜儀結(jié)構(gòu)一般是基于Czerny-Turner所設(shè)計的單級單色儀，其結(jié)構(gòu)示意圖如下：

圖8給出了該光譜儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)所使用的主要光學元件：入射狹縫、準直凹面鏡、光柵、聚焦凹面鏡、出射狹縫。① 入射狹縫越小，光譜分辨率越高，勢必會造成入射光通量降低，最終影響光信號強度；② 光柵刻線密度越大，光譜分辨率越高，由此造成的出射光通量降低，最終會影響光信號強度；③ 光譜儀焦長越長，其光譜分辨率越高，同樣會造成出射光通量下降，光信號強度減弱；④ 另外，其單次收集光譜的范圍較低刻線密度光柵較窄，因而若是想得到相同范圍的拉曼散射光譜，則需光柵轉(zhuǎn)動導致在不同入射角度收集光譜，勢必造成測試時間更長。因此，必須綜合考慮各硬件性能及配置，才能得到一組高質(zhì)量的拉曼光譜數(shù)據(jù)。

圖8 Czerny-Turner結(jié)構(gòu)光譜儀示意圖

測試條件：樣品Bi2O3，激光波長532 nm，共焦小孔100 μm，曝光時間1 s，衰減片25%，光譜儀焦長800 mm，單窗口測試，光柵分別使用600 gr/mm和1 800 gr/mm進行測試，實測結(jié)果如圖9所示。由測試結(jié)果可歸納出如表2所示的關(guān)系。

圖9 光柵刻線密度對光譜分辨率的比較

表2 光柵刻線密度在光譜強度、單窗口測試范圍以及分辨率的比較

這意味著在使用高刻線光柵進行光譜采集時，將得到較弱的光譜強度，單窗口獲到較窄的采譜范圍，但是光譜分辨率得到較大的提高，如圖9中所示，用1 800 gr/mm光柵測得位于60 cm-1、104 cm-1和200～230 cm-1的信號是600 gr/mm光柵所不能清晰獲得的。相反，當信號不需要高光譜分辨率即可辨認時，則可使用低刻線光柵進行測試，這樣不僅能夠獲得較好的信號強度，還可同時在幾個采集窗口內(nèi)獲得全譜數(shù)據(jù)(一般在4 000 cm-1以內(nèi))，從而大大節(jié)省測試時間。

3.5探測器

探測器是接收拉曼散射光信號的光電轉(zhuǎn)換器件，主要包括單道和多道探測器。單道探測器主要是由光電倍增管(Photomultiplier Tube)和直流放大器等器件組成，是將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的真空電子器件，其優(yōu)點體現(xiàn)在光譜分辨率和精密度較高，而缺點是掃描速度較慢，導致測試時間較長；多道探測器目前主流產(chǎn)品是電荷耦合元件,是能夠?qū)⒐鈱W影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的半導體器件，一般是一維或二維陣列如512×1pixel或1024×256pixel，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在收集散射光效率較高、靈敏度較高、多通道同時工作，從而可在一次采集信號中得到整段光譜，大大節(jié)省測試時間。

4 儀器保養(yǎng)與維護

HORIBA HR Evolution激光拉曼光譜儀屬于大型光學系統(tǒng)，因此它的保養(yǎng)及維護工作需要專人負責。

光學系統(tǒng)受到震動會導致光路發(fā)生偏移，甚至是由于溫度的變化引起固定光學元件的螺絲等角度的微小變化，都將嚴重影響拉曼光譜儀的共焦性能及拉曼散射信號強度，故一般要求儀器安裝放置在光學防震平臺上。

環(huán)境的相對濕度如果較大，尤其是南方夏季潮濕季節(jié)，則會使得光學元件表面的鍍膜出現(xiàn)發(fā)霉等情況；相反，環(huán)境的相對濕度較小，尤其是北方冬季干燥季節(jié)，則會使得光學元件表面的鍍膜出現(xiàn)干裂等情況；另外，實驗室的灰塵較多則會在較長的時間里使其附著在光學元件表面，從而導致光學元件的反射率下降，最終影響拉曼散射信號強度。一般要求實驗室的溫度穩(wěn)定在(25±1)℃；相對濕度穩(wěn)定在50%～60%；房間需要保持清潔、無塵。

激光器的使用原則上不建議在同一天中多次開、關(guān)機，應(yīng)盡量使其保持在工作狀態(tài)，待實驗一天結(jié)束后再行關(guān)閉，以提高激光器的有效使用壽命。對于不常使用的激光器，尤其是氣體激光器，也建議定期進行開機，使其工作1～2 h，保持激光器腔體內(nèi)部氣壓平衡。

鑒于此，儀器的日常保養(yǎng)與維護工作顯得尤為重要，只有這樣才能保證儀器運行的可靠性及測試數(shù)據(jù)的準確性，最終使得激光拉曼光譜儀長期處于正常、穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

5 結(jié) 語

本文從激光拉曼光譜儀主要硬件構(gòu)成，儀器校準，測試條件設(shè)置和樣品種類選擇等方面進行了較為詳細且全面的闡述，使實驗工作者對激光拉曼光譜技術(shù)得到較為廣泛的認識，不斷改善儀器的維護和使用，最終為科學研究的發(fā)展提供有力支撐。

[1] Raman C V, Krishnan K S.A new type of secondary radiation[J].Nature, 1928, 121: 501-502.

[2] Casiraghi C, Pisana S, Novoselov K S, et al.Raman fingerprint of charged impurities in grapheme[J].Appl Phys Lett, 2007, 91: 233108.

[3] Luisa D’Urso, Giuseppe Forte, Paola Russo, et al.Surface-enhanced Raman scattering study on 1D-2D graphene-based structures[J].Carbon, 2011, 49: 3149-3157.

[4] 吳娟霞，徐 華，張 錦.拉曼光譜在石墨烯結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用[J].化學學報 ，2014, 72: 301-318.

[5] Greenan Catherine E, McCauslandb Linda, Bell Steven E J.The effect of crystal orientation on Raman spectra.AIP Conf,Proc, 2010, 1267, 724.

[6] Tomoko Ikeda, Hiroshi Fukazawa, Shinji Mae, et al.Crystal-orientation dependence of Raman spectra of natural air hydrate single crystal[J].J Phys Chem B, 1997, 101: 6180-6183.

[7] Chang C H, Chen S S.Infrared and Raman studies of amorphous MoS3 and poorly crystalline MoS2[J].Journal of Catalysis, 1981, 72(1):139-148.

[8] Richter H, Wang Z P, Ley L.The one phonon Raman spectrum in icrocrystalline silicon[J].Solid State Communication, 1981, 39(5): 625-629.

[9] 趙迎春，任玲玲，魏偉勝，等.激光共聚焦顯微拉曼光譜儀校準程序[J].光譜學與光譜分析,2015,35(9): 2544-2547.

[10] 付 娟，吳能友，盧海龍，等.激光拉曼光譜在氣體水合物研究中的應(yīng)用[J].光譜學與光譜分析,2015,35(11): 2996-3002.

[11] 董瑞玲，顧大勇，朱玉蘭，等.拉曼光譜技術(shù)在瘧疾檢測中的應(yīng)用[J].中國熱帶醫(yī)學,2014,14(10): 1270-1275.

[12] 史艷寧，李 躍，崔海濤，等.對拉曼光譜儀用激光光源的實驗研究[J].警察技術(shù),2012(1): 67-69.

[13] 李 燦，馮兆池，曹 凝.深紫外激光拉曼光譜儀的研制[J].中國科學院院刊,2011,25(5): 589-592.

[14] Widjaja Effendi, Garland Marc.Detection of bio-constituents in complex biological tissue using Raman microscopy.Application to human nail clippings[J].Talanta, 2010, 80: 1665-1671.

[15] 肖新民.共焦顯微物鏡及其光路對顯微Raman光譜儀空間分辨率的影響[J].現(xiàn)代科學儀器,2005(6): 37-39.

[16] 劉照軍，趙存華，韓禮剛，等.現(xiàn)代高分辨拉曼光譜儀的配制及應(yīng)用研究[J].光譜學與光譜分析,2010,30(2): 567-570.

TheOperationandMaintenancesofHORIBAHRRamanSpectrometer

GONGXiangnana,GUOLijieb,ZHOUXiaoyuana,b,ZOUHanjuna

(a.Analytical and Testing Center; b.College of Physics, Chongqing University, Chongqing 401331, China)

Laser Raman spectrometer belongs to large opening instrument, it is important to master the basic principle, use and maintenance of the spectrometer, correctly.Not only reliable, high-quality Raman spectra data can be obtained, but also the service efficiency of the instrument can be improved, the failure rate can be reduced through the influence HORIBA HR Raman spectrometer instrument performance of four aspects discussion which includes instrument calibration and debugging, sample types, suitable parameters setting and instrument maintenance.

laser Raman spectrometer; calibration; parameters setting; instrument maintenance

TH 74

A

1006-7167(2017)10-0299-05

2016-12-22

公祥南(1986-),男，重慶雙橋人，碩士，工程師，主要研究方向為激光共聚焦顯微拉曼光譜的研究。Tel.：18166475908；E-mail：xiangnan.gong@cqu.edu.cn