顯微拉曼光譜儀在本科實驗教學中的搭建及應用

趙 浩，郭 鑫，吳忠云，徐金榮，楊 玲，鄭俊榮

（北京大學化學國家級實驗教學示范中心化學與分子工程學院，北京 100871）

0 引 言

化學是一門以實驗為基礎的學科，在本科實驗教學過程中，除了傳授學生基礎知識、基礎原理和基本技能外，還需要鍛煉學生的科學思維和動手能力，培養學生團隊合作精神和勇于探索的創新精神，促進學生能力和素質的全面提升，培養創新型人才［1-3］。隨著自動化、智能化的時代發展，現代儀器的精密度和一體化程度越來越高，科學研究也越來越依賴于各種高精尖的儀器設備。儀器的智能化、一體化給操作者在使用時帶來了極大的便利，大大提升了工作效率。但是本科實驗教學中，儀器的高度集成化和智能化反而不利于教學的開展，一鍵式的儀器操作雖然能確保學生更快更精確的取得實驗結果，但是學生對儀器的內部構造，工作原理完全不清楚，或者是仍然停留在書本的理論知識上，讓學生拿到一份實驗數據或者學會一臺儀器的操作，并不是實驗教學目標，需要教給學生的應該是儀器的工作原理和構造。為了讓學生更直觀地看到儀器的內部構造，了解儀器的工作原理，提高教學質量，國內許多高校在實驗教學中通過使用自制儀器［4-5］、虛擬仿真實驗［6-7］、MOOC［8］、線上線下結合［9］等形式來進行更直觀、更適用、更高效的實驗教學，并取得了良好的教學效果。相比虛擬仿真實驗和MOOC而言，自制儀器不僅可以讓學生更深入地學習基礎知識和基本原理，還能有效地培養學生的動手能力和實踐能力，引導學生的創新思維和創新意識［10-12］。本實驗的自制儀器更是讓學生自己動手搭建儀器設備裝置，通過團隊分工合作，鍛煉團隊合作意識，培養學生自信心，讓學生不再對“大型”儀器陌生，知其然且知其所以然，為學生之后繼續從事科研工作打下必要的基礎。

拉曼光譜作為一種無損檢測手段，擁有分析速度快，重復性好，樣品用量少且無需前處理等優點，在化學結構鑒定，材料表征，生物醫學分析，文物鑒定和保護，寶石鑒別，食品安全等領域都有廣泛應用［13-19］。但是，目前國內使用的顯微拉曼光譜儀基本都是依賴國外進口，儀器價格昂貴，難以面向本科生開展教學實驗。本實驗搭建了一款用于本科生實驗教學的可拆解顯微拉曼光譜儀，儀器可供學生重復拆裝使用，組裝的儀器具有較高的靈敏度和精密度，可以滿足教學實驗測試要求，相比商用儀器，不僅能夠發揮更好的教學效果，而且極大地降低了成本。

1 實驗部分

1.1 實驗目的

（1）學習搭建顯微拉曼光譜儀；

（2）掌握拉曼光譜的相關知識，理解顯微拉曼光譜儀的工作原理和構造；

（3）學習如何使用顯微拉曼光譜儀進行樣品測試，并進行譜圖分析；

（4）培養學生的創新能力，動手能力，團隊合作能力和自信心。

1.2 實驗原理

1928 年，Raman 等［20-21］經過實驗發現，光通過透明介質時，在散射光譜中，部分光的頻率發生了變化，這種現象被稱為拉曼散射。1960 年，激光器的出現為拉曼光譜儀提供了理想的光源，拉曼光譜發展進入新的時期，在納米材料、有機材料和醫藥等各方面都有應用。拉曼光譜儀是測量拉曼光譜的實驗裝置，通常由激發光源、樣品光路、分光光路、檢測器和控制系統5部分組成［22-23］。

根據拉曼光譜儀構造原理，筆者設計了如圖1 所示的顯微拉曼光譜儀光路。學生通過實驗室提供的激光光源、顯微鏡、光學鏡片、光學鏡架和檢測器等部件，依照圖1 所示光路圖搭建顯微拉曼光譜儀，儀器搭建完成之后使用無水乙醇和環己烷作為標準樣進行儀器調試，并將信號檢測器的像素信號標定為拉曼位移信號。最后，利用搭建的顯微拉曼光譜儀對無水乙醇、環己烷、四氯化碳和單層硫化鉬等樣品進行了測試。

圖1 顯微拉曼光譜儀光路示意圖（A為樣品光路，B為分光光路，C為檢測光路）

1.3 實驗試劑與儀器

實驗儀器：金相顯微鏡（BH200M），激光光源（中心波長532.3 nm，能量0～300 mW可調），狹縫，光學面包板，二向色鏡，濾光片，光柵，平面反射鏡，凹面鏡（f＝150 mm），平凸透鏡（f＝120 mm），電荷耦合陣列檢測器（CMOS，北京青木子科技發展有限公司），光學鏡架。

實驗試劑：無水乙醇（分析純），四氯化碳（分析純），環己烷（分析純），單層硫化鉬。

1.4 實驗內容

1.4.1 搭建顯微拉曼光譜儀

學生根據圖1 所示的光路示意圖搭建儀器，從激光器開始將光學元件沿著光路的方向進行搭建，在儀器搭建過程中要注意保持整個光路在同一平面高度，以及整個光路的可逆性，確保光路的準直。圖2 為搭建好的顯微拉曼光譜儀實物圖。

圖2 顯微拉曼光譜實物圖（A為樣品光路，B為分光光路，C為檢測光路）

完成儀器搭建之后，通過測試無水乙醇的拉曼信號對儀器進行調試，包括調節狹縫寬度，樣品與物鏡之間距離，凹面鏡與光柵之間角度和距離，凹面鏡與檢測器之間角度和距離等多方面因素，直到得到標準的乙醇拉曼譜圖。

1.4.2 拉曼位移的標定

本實驗所使用的檢測器為電荷耦合陣列檢測器（CMOS），其輸出的初始信號為“像素-拉曼強度”，所以需要根據標準譜圖將像素按照對應的波數進行擬合標定，將“像素-拉曼強度”轉變成“拉曼位移-拉曼強度”，擬合過程可以通過Origin軟件來實現。

1.4.3 儀器性能分析

根據無水乙醇和環己烷測得的拉曼信號，從儀器有效測量范圍、信噪比和分辨率3 方面對儀器的基礎性能進行分析。

1.4.4 樣品測試

用調試好的儀器進行樣品測試，分別選取具有代表性的四氯化碳的振動拉曼光譜和單層硫化鉬來進行測試。

2 結果分析

2.1 拉曼位移的標定

光柵的色散率可以通過下式計算：

式中：Q為色散距離；λ 為波長；n為光譜級數；d為光柵常數。當Q較小且變化不大時，可以認為cosQ＝1，此時，光柵的角色散率只取決于d及n，可以認為是常數，不隨波長而變，這樣的光譜在長波及短波的各波段波長間隔是一樣的，稱為“均排光譜”。即在一定范圍內，波長的變化呈現線性關系，且其變化率為常數。

實驗中以無水乙醇和環已烷為標準物，通過無水乙醇和環已烷的特征峰對像素和波長進行標定，特征峰波長，像素及拉曼位移對應關系如表1 所示。其中，拉曼位移可由下式計算：

表1 無水乙醇和環己烷特征峰的拉曼位移、波長及對應的像素

通過Origin作圖軟件將實驗得到的原始數據中對應表1 中這15 個特征峰的像素值（p）進行擬合，擬合結果如圖3 所示。擬合結果為：λ ＝0.030 47p＋534.025，r2＝0.999 98。

圖3 “像素-波長”擬合結果

根據擬合結果進行轉換，可將“拉曼強度-像素”轉換為“拉曼強度-拉曼位移”。圖4 中（a）圖和（c）圖分別為無水乙醇和環己烷通過CMOS獲得的像素點與拉曼強度之間的關系曲線；（b）圖和（d）圖分別為無水乙醇和環己烷對應的“拉曼位移-拉曼強度”譜圖。

圖4 無水乙醇和環己烷的拉曼光譜圖

2.2 儀器性能分析

從儀器測量范圍、分辨率和信噪比3 方面對儀器的性能進行初步分析。根據2.1 中拉曼位移標定的結果，可以計算出儀器可測波數范圍為72～3 991 cm－1，對應的波長范圍為534～675 nm。以乙醇的最強吸收峰為例，在圖4（b）中可見，無水乙醇最大峰強的相對強度約在94，在沒有信號峰地方的噪音相對強度在3附近，初步估算儀器的信噪比可以達到31。圖5 所示是儀器測得的環已烷在2 800～3 050 cm－1波數段的拉曼信號，從圖中可見，儀器可以清晰地區分出2 938和2 923 cm－1的兩個尖峰，表明儀器的分辨率優于15 cm－1。

圖5 環己烷在2 800～3 050 cm －1波數段的拉曼光譜信號

2.3 樣品測試

拉曼光譜和紅外吸收光譜都涉及分子的振動和轉動，在光譜學分析中可以相互補充，四氯化碳是一個典型的例子，其分子為四面體結構，根據其分子對稱性可以產生多種振動模式，其中在219、316 cm－1處的C-Cl對稱彎曲振動和463 cm－1處的C-Cl 對稱伸縮振動在拉曼光譜中有明顯體現，而767 和790 cm－1處的C-Cl反對稱伸縮在拉曼光譜中則不是很明顯，圖6 為用搭建的顯微拉曼光譜儀測得的四氯化碳的拉曼光譜。

圖6 四氯化碳的拉曼光譜圖

顯微拉曼光譜儀具有很好的空間分辨能力，適用于微觀尺寸下樣品的拉曼分析。圖7 所示是通過搭建的顯微拉曼光譜儀對單層硫化鉬進行測試，獲得的單層硫化鉬和SiO2／Si 基底的拉曼信號，可見在400 cm－1附近有2 個明顯的硫化鉬信號峰。

圖7 二硫化鉬的拉曼光譜圖

3 教學應用

我校化學與分子工程學院已經在中級物理化學實驗課上連續5 年開展“拉曼光譜儀的搭建及應用”實驗項目，本實驗為該實驗項目的擴展內容，供有興趣的學生在原有拉曼光譜儀的基礎上增加顯微裝置，從而實現對單層硫化鉬或石墨烯等樣品的測量。實驗中，學生除了進行儀器搭建以外，同時還需要進行數據采集編程和遠程控制程序編寫，可以使用C語言，Python或者Labview等軟件。作為一個項目式實驗，該實驗在教學過程中采用小組分工合作的方式進行，一般2或3 個學生為一個團隊共同完成實驗，實驗結果以口頭匯報的形式展現。學生在儀器搭建以及應用測試的過程中有充分的創新空間，儀器搭建過程可以對光路、操作界面進行改進，應用測試部分可以選擇自己感興趣的樣品，學生近些年有測定水果農藥殘留，日常商品成分等。

4 結 語

根據本科生實驗教學的需求，設計了一款可重復搭建拆解的顯微拉曼光譜儀，從得到的無水乙醇、環己烷、四氯化碳和二硫化鉬的拉曼譜圖可以看出，儀器具有良好的性能，分辨率和信噪比，完全能夠滿足本科教學和科研的使用。

在設計組裝實驗儀器的過程中，學生們通過摸索各個部件的功能，對儀器構造和原理有了深刻的認識和理解，不僅達到了學習拉曼光譜相關知識的目的，而且打開了“現代化”儀器的神秘面紗，讓學生敢于上手，懂得調試儀器性能，樹立自信心，有效地培養了學生的動手能力和創新精神。良好的儀器改造能力將在學生日后的科研過程中獲益無窮。