激光顯微拉曼光譜儀在本科實驗教學(xué)中的應(yīng)用

劉春梅，朱艷艷，張斌

鄭州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，鄭州 450000

全面提高大學(xué)生綜合素質(zhì)是高等教育改革的一個重要目標。實驗過程是學(xué)生理解理論知識的重要鞏固與升華，更是培養(yǎng)學(xué)生科研動手能力和創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)。拉曼光譜是一種指紋光譜，可以提供樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)、相和形態(tài)、結(jié)晶度以及分子相互作用的詳細信息，可對物質(zhì)進行定性和定量分析。作為一種無損分析技術(shù)，拉曼光譜是化學(xué)、材料、生命、環(huán)境、食品、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的重要研究方法，近些年來已廣泛應(yīng)用到科學(xué)研究、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-5]。將激光拉曼光譜儀用于教學(xué)，有助于培養(yǎng)學(xué)生動手、思維和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)研究的興趣[6,7]。因此，我院化學(xué)實驗教學(xué)中心將科研儀器設(shè)備與本科實驗教學(xué)相結(jié)合，為本科生開設(shè)了激光顯微拉曼光譜實驗課。

本實驗包括原理介紹、儀器構(gòu)造講解、樣品測試、數(shù)據(jù)分析等知識學(xué)習(xí)，目的是理論與實踐相結(jié)合，加強學(xué)生對拉曼光譜基礎(chǔ)知識及其應(yīng)用的了解，并掌握拉曼光譜儀的功能以及操作方法，了解拉曼光譜儀日常維護的常識和注意事項。在實驗中加強學(xué)生討論和參與實踐的互動式教學(xué)，讓學(xué)生結(jié)合實際情況自行設(shè)計實驗，既培養(yǎng)了學(xué)生的實驗興趣，又提高了學(xué)生對實驗的參與度和動手能力；并結(jié)合科研樣品的拉曼光譜解析讓學(xué)生了解科研中的分析方法以及拉曼測試的重要性，構(gòu)建科學(xué)研究和實驗教學(xué)的橋梁。

1 實驗教學(xué)的設(shè)計

實驗?zāi)康氖抢碚撆c實踐相結(jié)合，實驗促進對基本原理的理解和掌握，學(xué)以致用。本實驗包括拉曼光譜的理論知識、儀器原理的講解和儀器操作部分。實驗采取3人一小組輪流上課，讓每一名學(xué)生都成為準備者、參與者和思考者，并通過小組討論分析完成實驗報告。

1)原理講解：結(jié)合測試示例，對基本原理、儀器構(gòu)造、應(yīng)用領(lǐng)域等相關(guān)知識進行講解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在實際的實驗教學(xué)中采用多媒體演示和對實體儀器的面對面接觸對儀器原理及結(jié)構(gòu)進行實地講解，讓學(xué)生能夠多角度形象的對儀器原理和結(jié)構(gòu)進行可視化理解。

2)創(chuàng)新探索：結(jié)合前沿科研中的樣品進行實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科研與創(chuàng)新思維，幫助學(xué)生對理論知識學(xué)習(xí)的升華，真正做研究型教學(xué)。提前讓學(xué)生預(yù)習(xí)實驗和文獻調(diào)研，選擇小組感興趣的測試樣品，設(shè)計實驗方案，加深對儀器測試原理及應(yīng)用的理解，提升科研素養(yǎng)。

2 實驗教學(xué)內(nèi)容

本實驗用到的儀器是法國Horiba公司的一款高分辨激光顯微共焦拉曼光譜儀，型號是LabRAM HR Evolution。實驗操作開始階段，以標準樣品單晶硅片進行儀器校準，并用實驗室自制標準石墨烯以及典型科研樣品作為示例樣品進行示范，接下來再由學(xué)生進行實踐操作，熟悉儀器檢測及數(shù)據(jù)分析方法，最后小組提交實驗報告。

儀器校準好之后，首先給學(xué)生演示的是典型石墨烯材料的拉曼光譜檢測。拉曼光譜是表征石墨烯層數(shù)以及無序性的理想分析工具，通過其拉曼光譜的分析可以判斷石墨烯的層數(shù)、堆垛方式、缺陷多少、張力以及摻雜狀態(tài)等結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特征。石墨烯的拉曼光譜主要有D峰(1340 cm-1)和G峰(1580 cm-1)。G峰是石墨烯的主要特征峰，由sp2碳原子的面內(nèi)振動引起，能有效反映石墨烯的層數(shù)。D峰被認為是石墨烯的無序振動峰，用來表征石墨烯樣品中的結(jié)構(gòu)缺陷或邊緣。在實際測試石墨烯材料的時候，會隨著激光功率的不適當改變造成樣品的損壞以及D、G峰的移動，因此在實際測試中需控制好激光功率大小。此外為了更好地定量分析石墨烯材料的拉曼光譜，利用LabSpec 6軟件對石墨烯的拉曼峰進行分峰分析，比如對于石墨烯材料的D峰和G峰可以細分為D1(1338 cm-1)，D2(1600 cm-1)，D3(1500 cm-1)，D4(1200 cm-1)和G峰(1578 cm-1)[8]，如圖1所示。

圖1 石墨烯材料的拉曼光譜以及分峰D1，D2，D3，D4和G峰

2.1 示例教學(xué)

教學(xué)與科研是必不可分、融為一體的。與相關(guān)科研課題組溝通后，本實驗利用實驗樣品用來進行實驗教學(xué)，科研樣品的測試有助于學(xué)生了解科研方法；同時，一些比較前沿的科研成果有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，在這個過程中可以更好地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性和積極性。

1)我國是四大文明古國之一，寶貴的文物是中華民族的瑰寶，具有極其重要的文明傳承作用，對這些不同時期和不同地方出土文物的顏料、結(jié)構(gòu)以及釉質(zhì)等進行分析，能為文物鑒定、辨?zhèn)?、產(chǎn)地以及價值進行評估，對文物保護提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)，并對其修復(fù)提供主要建議。無損檢測對文物的分析具有重要的意義，在分析過程中能充分調(diào)動學(xué)生的興趣和主觀能動性，因此我們首先選用了歷史學(xué)院老師送來檢測的文物。

圖2a是出土的文物進行拉曼光譜采集過程，其中以紅色顏料為例，拉曼光譜峰位集中在252，282和341 cm-1處(圖2b)，這三個峰主要是Hg―S鍵的伸縮振動，因此可以推測紅色部分主要成分為硫化汞[9]?？紤]到繪畫藝術(shù)品的珍貴，在實際檢測過程中要確保是無損的，測試中選擇激光功率要盡量小，避免因激光照射造成文物的破壞、分解或者結(jié)構(gòu)改變。結(jié)合樣品測試的實際問題為學(xué)生講解出現(xiàn)這種情況的原因，從而為以后養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L打下良好的基礎(chǔ)。

圖2 出土的文物在激光顯微拉曼光譜測試中(a)以及上面紅色顏料區(qū)采集的拉曼光譜(b)

2)利用化學(xué)學(xué)院課題組的碳材料作為測試樣品。為了提高難度，加強數(shù)據(jù)分析方法的教學(xué)，往其中加入阿司匹林，略加混合，并借此向?qū)W生介紹拉曼成像[10]。拉曼成像可以對樣品的不同位置逐點掃描并獲取拉曼光譜，然后把這些光譜集成在一起，基于所有光譜生成偽彩圖像，從而顯示出材料的結(jié)構(gòu)信息和分布。拉曼成像能夠顯示出普通光學(xué)顯微鏡下觀察不到的化學(xué)成分分布，提供更多有價值的信息，是表征化學(xué)成分的有力手段。

為了更形象地展示拉曼成像分析不同樣品成分，成像區(qū)域選在不同顏色范圍內(nèi)，如圖3a所示，藍色方框內(nèi)是成像實驗選取的范圍。對于選取區(qū)域的拉曼峰主要有兩種峰形，如圖3c和3d所示：分別對應(yīng)于碳材料和阿司匹林的典型拉曼峰。對于區(qū)域內(nèi)測的所有拉曼光譜，用夾峰法分析結(jié)果如圖3b所示，其中藍色代表所測區(qū)域內(nèi)碳成分，紅色、綠色和黃色部分代表阿司匹林成分。這樣從圖3b顏色分布上就可以看出不同組分的分布情況。在實際的科研過程中，實驗上得到的產(chǎn)物(尤其對于實驗產(chǎn)物不是純凈物的情況下)借助拉曼成像手段進行檢測具有明顯的優(yōu)勢。實驗課堂上，同樣借此介紹了阿司匹林的拉曼峰的歸屬問題：在1753 cm-1處對應(yīng)羧酸中C＝O伸縮振動峰，還有1629和1604 cm-1處對應(yīng)芳環(huán)骨架振動的特征峰，拉曼光譜在1220-1300 cm-1范圍內(nèi)存在數(shù)量較多的譜峰，其中有1295 cm-1處苯環(huán)C―H彎曲振動峰，1257 cm-1處苯環(huán)C＝C伸縮振動峰[11]。

圖3 拉曼成像實驗中成像實驗中選取的成像范圍(藍色框) (a)；用夾峰法分析得到代表不同物質(zhì)分布的彩圖(b)(其中深藍色代表石墨烯材料，紅色和綠色以及黃色部分代表阿司匹林成分)；碳材料的拉曼峰(c)；阿司匹林的拉曼峰(d)

2.2 創(chuàng)新探索

在預(yù)習(xí)實驗環(huán)節(jié)，讓每組學(xué)生根據(jù)自己的興趣來選擇不同的樣品，比如可以是平時吃的維生素片/止疼片、自封袋以及塑料制品等生活中容易接觸到的東西。通過查閱資料，找出相應(yīng)樣品測試的前處理方法，核實無誤后進行實驗檢測。同時，鼓勵學(xué)生對科學(xué)前沿中相關(guān)文獻的檢索，進行小組討論。在小組討論中教師要調(diào)動所有學(xué)生的積極性，鼓勵和督促所有學(xué)生參與討論，避免有的學(xué)生只關(guān)注自己查閱的文獻而較少關(guān)注其他同學(xué)的預(yù)習(xí)匯報。實驗中讓學(xué)生嘗試不同的實驗條件，測試不同的樣品，觀察拉曼峰的情況，并和學(xué)生討論出現(xiàn)這種情況的原因，充分發(fā)揮學(xué)生的能動性、積極性和創(chuàng)造性。面對先進的儀器設(shè)備和自己精心設(shè)計的實驗內(nèi)容，學(xué)生在實驗過程中表現(xiàn)都很積極并期待實驗結(jié)果。圖4列舉的學(xué)生在本實驗中測試的幾個典型樣品的拉曼光譜。

塑料制品與人們的日常生活息息相關(guān)，本次探索實驗學(xué)生首先選取的是塑料自封袋的拉曼光譜檢測，其主要成分是高密度聚乙烯(HDPE)，拉曼光譜主要集中在1059、1125、1290和1435 cm-1幾個位置(如圖4a)。其中1059和1125 cm-1處振動峰由碳原子間非對稱、對稱伸縮振動引起，1290 cm-1處振動峰是由碳與氫原子間搖擺振動引起的，1435 cm-1處振動峰由碳與氫原子間非對稱彎曲振動引起[12]。在測試塑料制品的時候，嘗試用不同波長的激發(fā)光源，發(fā)現(xiàn)所測拉曼峰形一致，但是拉曼峰的干擾情況是不一樣的。因此，后期的數(shù)據(jù)處理和分析也是整個實驗過程中必不可少的部分，針對用532 nm波長激光測的聚乙烯薄膜的拉曼峰有干擾的情況，給學(xué)生詳細講解了借助儀器自帶軟件LabSpec 6如何消除干擾，為以后學(xué)生處理數(shù)據(jù)提供了方便。圖4b是學(xué)生檢測的塑料筆帽的拉曼光譜，其主要成分是聚丙烯(PP)材料，測的拉曼峰主要集中在2800-3000 cm-1的―CH3和―CH2―中C―H鍵的伸縮振動峰；800-1500 cm-1的譜峰指C―C鍵的伸縮振動峰和C―H鍵的彎曲振動峰；位于200-550 cm-1的譜帶來自PP碳鏈骨架的搖擺振動。圖4c是常見止痛藥布洛芬的拉曼光譜，其中3052 cm-1為羧酸―OH伸縮振動，2950 cm-1為―CH3不對稱伸縮振動，2870 cm-1為―CH3對稱伸縮振動，1609 cm-1為苯環(huán)C＝C伸縮振動，1339 cm-1為異丙基―CH變形振動，745 cm-1為亞甲基面內(nèi)搖擺振動[13]。通過這樣自行設(shè)計實驗以及對拉曼峰的數(shù)據(jù)處理和歸屬問題解析，學(xué)生對所測物質(zhì)的拉曼光譜有了感性的認識。實驗報告也不同于以往的抄抄實驗原理、寫寫實驗現(xiàn)象等千篇一律的簡單模式，而是每個學(xué)生都根據(jù)自行設(shè)計的實驗和實驗現(xiàn)象以及改變實驗條件對實驗結(jié)果的影響等一系列因素進行了討論。

圖4 塑料自封袋(a)；塑料筆帽(b)；布洛芬藥品(c)和無水乙醇(d)的拉曼光譜

自行設(shè)計實驗結(jié)束后，本實驗課程允許一定自由實驗，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣和科研創(chuàng)新能力。其中有學(xué)生對本實驗特別感興趣，做完規(guī)定樣品測試之后，還嘗試其他現(xiàn)有樣品的測試，有同學(xué)對透明液體的測試比較感興趣，隨手檢測了一下無水乙醇的拉曼峰(如圖4d)，發(fā)現(xiàn)透明液體的聚焦情況和固體樣品有很大差別，對于液體樣品可以選擇用激光光斑聚焦，聚焦好再進行拉曼光譜的采集；還有學(xué)生測試自己佩戴的項鏈，發(fā)現(xiàn)所測小鉆石的拉曼峰大約在1332 cm-1，鉆石由三維sp3雜化的碳原子堆積成八面體晶體結(jié)構(gòu)，這種獨特的原子排列使得其在1332 cm-1處有明顯的拉曼特征[14]。通過這些自由探討實驗，學(xué)生表現(xiàn)出極高的實驗興趣，教師在此過程中和學(xué)生討論實驗中存在的問題以及本節(jié)實驗課的主要收獲。通過以上的實驗課程設(shè)計，使學(xué)生達到對理論知識、儀器使用、實驗操作以及結(jié)果分析等的全面掌握，進一步加強對其實際動手能力的培養(yǎng)，達到整個實驗內(nèi)容的層層深入。

3 實驗教學(xué)效果

本次實驗考核從預(yù)習(xí)、實驗操作規(guī)范、實驗結(jié)果以及實驗報告等各個方面綜合考慮，側(cè)重實驗操作和問題的分析、解決能力。實驗報告的寫作過程也是對學(xué)生寫作能力的鍛煉，為以后撰寫畢業(yè)論文以及科研文章打下基礎(chǔ)。根據(jù)教學(xué)調(diào)查問卷結(jié)果，本實驗的小組教學(xué)取得良好的效果：(1)幫助學(xué)生加強對于基礎(chǔ)知識的掌握，使他們了解相關(guān)領(lǐng)域的最新進展，開闊視野，提高對科學(xué)研究的興趣，能夠順利對所選擇的樣品進行測試；(2)學(xué)生能夠?qū)y試的樣品數(shù)據(jù)進行分析，通過小組討論加深了對實驗內(nèi)容的理解，開闊了視野，初步建立了化學(xué)科研思維。例如對于乙醇的拉曼特征峰，2800-3050 cm-1處的譜帶由―CH2―、―CH3基團的對稱、不對稱伸縮振動引起；1453 cm-1處的峰由于―CH3不對稱變形產(chǎn)生(圖4d)；(3)學(xué)生普遍反映拉曼光譜是重要的表征技術(shù)，很多保送本校的研究生在做科研過程中，自覺主動地利用拉曼作為重要的分析測試方法，并取得較好的科研成果[15,16]。

4 結(jié)語

本實驗采用互動式教學(xué)，利用不同科研樣品的測試讓學(xué)生對拉曼光譜在科研中的用途和重要性有所了解，并且對儀器的操作和測試原理有了深入的理解；探索性實驗自選樣品的測試有效激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣和科研創(chuàng)新熱情，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。通過本實驗的學(xué)習(xí)，學(xué)生們能夠掌握拉曼光譜儀的工作原理和操作方法，并進行數(shù)據(jù)處理和圖譜解析，為以后從事相關(guān)工作和科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)，實現(xiàn)了頗佳的教學(xué)效果。實驗的開展達到了新時代學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量提升之目標。