現(xiàn)代儀器分析2

1、 4.2 激光拉曼光譜儀4.2.1 色散型激光拉曼光譜儀4.2.3 共焦拉曼顯微拉曼光譜儀4.2.2 傅立葉變換拉曼光譜儀色散型拉曼光譜儀光源光源樣品裝置單色器單色器信號處信號處理系統(tǒng)理系統(tǒng)4.2.1 4.2.1 色散型激光拉曼光譜儀色散型激光拉曼光譜儀外光路樣品池激 光 器單 色 器檢 測 和記錄系統(tǒng)圖： 激光拉曼光譜儀示意圖一、光源1.1.激光光源的特性激光光源的特性 A 強(qiáng)度不高，需要長時(shí)間照射樣品，對光敏性樣品不利B 汞線較寬，單色性差，無法進(jìn)行高分辨光譜的測量C 汞燈發(fā)散角大，不能很好聚焦，方向性差，無法進(jìn)行微量分析和單晶光譜的測量在激光光源出現(xiàn)之前，使用最廣泛的是汞孤燈， 汞孤燈的

2、缺點(diǎn)是： 激光光源的優(yōu)點(diǎn)A 強(qiáng)度高，能量在空間和時(shí)間高度集中，測定時(shí)間縮短C 方向性好，發(fā)散角極小，光束可以聚焦到很小的面積（10-510- 6cm2），可對極微量樣品（0.05g）和單晶進(jìn)行測量D 偏振性好，便于進(jìn)行退偏振比的測量，提供物質(zhì)結(jié)構(gòu)對稱性和振動對稱性的信息B 單色性好，線寬窄，拉曼光譜譜峰尖銳，分辨率好，容易進(jìn)行高分辨光譜測量 2.常用的激光光源He - Ne He - Ne 激光器激光器 ，氬離子激光器，氪離子激光器，氬離子激光器，氪離子激光器, ,某些固某些固體激光器以及染料激光器。體激光器以及染料激光器。 氣體激光器氣體激光器 在輸出激光譜線的同時(shí)，還伴有自發(fā)輻射產(chǎn)生的等離

3、子線。在輸出激光譜線的同時(shí)，還伴有自發(fā)輻射產(chǎn)生的等離子線。強(qiáng)度比激光小幾個(gè)數(shù)量級，比拉曼線強(qiáng)強(qiáng)度比激光小幾個(gè)數(shù)量級，比拉曼線強(qiáng)1 12 2個(gè)數(shù)量級，是雜散光的來個(gè)數(shù)量級，是雜散光的來源之一，干擾拉曼光源的測量，故需要濾光單色器即前置單色器。源之一，干擾拉曼光源的測量，故需要濾光單色器即前置單色器。He - Ne He - Ne 激光器激光器 輸出波長為632.8nm，輸出功率在100mW以下，使用壽命1500小時(shí)氬離子激光器氬離子激光器 有多譜線輸出，功率高，穩(wěn)定性好，常用的譜線有多譜線輸出，功率高，穩(wěn)定性好，常用的譜線 488.0nm488.0nm和和514.5nm514.5nm，使用壽命，

4、使用壽命10001000小時(shí)小時(shí)。氪離子激光器氪離子激光器 輸出最強(qiáng)譜線波長為輸出最強(qiáng)譜線波長為647.1nm647.1nm。可調(diào)染料激光器可調(diào)染料激光器，可提供波長在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的激光，避開激光，可提供波長在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的激光，避開激光發(fā)出熒光的譜線激發(fā)樣品避免熒光干擾，另外可選擇合理的波長進(jìn)行共發(fā)出熒光的譜線激發(fā)樣品避免熒光干擾，另外可選擇合理的波長進(jìn)行共振拉曼光譜測量。振拉曼光譜測量。 激光器激光器 振蕩波長振蕩波長/nm 輸出功率輸出功率/mW 氦氦 氖激光器氖激光器 氦氦 鎘激光器鎘激光器 氬離子激光器氬離子激光器 氪離子激光器氪離子激光器 二氧化碳激光器二氧化碳激光器

5、XeBr準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器 XeCl準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器 XeF 準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器 632.816632.816 441.565 441.565 325.0 325.0 488.0 488.0 514.5 514.5 530.9 530.9 647.1 647.1 10600 10600 282 282 308 308 351 351 50 50 10 1300 1700 200 500表 常見的氣體激光器及其振蕩波長和輸出功率二、樣品裝置 1. 樣品裝置的作用： 是使激光聚焦在樣品上，從而對樣品進(jìn)行照射及收集拉曼散射上圖為一種測液體試樣的樣品裝置圖三種方式：三種方式：909

6、0、180180及及0 0照射方式。照射方式。2. 樣品的照射方式9090照射方式照射方式可以提高拉曼散射與入射光和瑞利散射的比值可以提高拉曼散射與入射光和瑞利散射的比值，有利于低頻區(qū)拉曼線的觀測，適用于固體、液體、氣體。，有利于低頻區(qū)拉曼線的觀測，適用于固體、液體、氣體。180180照射方式照射方式多用于具有高反射率的樣品，使入射光線按原多用于具有高反射率的樣品，使入射光線按原路返回以抑制它對拉曼線的干擾。對高反射率樣品，路返回以抑制它對拉曼線的干擾。對高反射率樣品，180180照照射方式的散射光收集效率比較高，信噪比也比較大射方式的散射光收集效率比較高，信噪比也比較大0照射方式照射方式是入

7、射光的方向與收集散射光的方向相同，這樣是入射光的方向與收集散射光的方向相同，這樣激發(fā)光就很容易進(jìn)入單色儀，對拉曼光譜測量造成干擾。關(guān)激發(fā)光就很容易進(jìn)入單色儀，對拉曼光譜測量造成干擾。關(guān)鍵是抑制激發(fā)光的干擾，如采用碘蒸汽盒，對鍵是抑制激發(fā)光的干擾，如采用碘蒸汽盒，對514.5nm光有強(qiáng)光有強(qiáng)烈吸收烈吸收90照射方式（1、2透鏡；3樣品；4夾縫；5、6反射鏡）180 照射方式（1、2透鏡；3樣品；4夾縫；5、6反射鏡）0 照射方式（1、2透鏡；3樣品池；4夾縫；5、6反射鏡）樣品的照射方式圖示3. 樣品池除了三維可調(diào)的平臺之外，還有可更換的各式樣品池和樣品架。常用樣品池： (1)毛細(xì)管池 (2)液

8、體池 (3)氣體池 (4)旋轉(zhuǎn)池，為了防止激光長期照射引起樣品的局部過熱或光分解，采用旋轉(zhuǎn)技術(shù) (5)單晶平臺架 (6)壓片樣品架此外，還有低溫池，高溫池和高壓池固體旋轉(zhuǎn)樣品池差分樣品池液體旋轉(zhuǎn)樣品池高溫樣品池低溫樣品池三、單色器1.單色器的作用：對散射光進(jìn)行分光。2.單色器要求：單色器成像質(zhì)量好， 分辨率高，雜散光小。常用的雙單色器有 ：Littrow型 Eber-Fastie型 Czemy-Tuyner型一般采用光柵分光。一個(gè)光柵不夠理想，常采用雙單色器。四、檢測與信號處理系統(tǒng)1. 單道探測：采用光電倍增管作檢測器， 通過單色器光柵掃描，不同波長的光相 繼進(jìn)入探測器。用光電倍增管檢測所得

9、到的是時(shí)間分布光譜。（1）直流放大，用于較強(qiáng)信號，檢測靈敏度較低（2）交流放大，探測靈敏度比直流放大高23個(gè)數(shù)量級。放大接受器輸出信號的方法：（3）光子計(jì)數(shù)。 優(yōu)點(diǎn)：把暗電流信號的大部分與光脈沖區(qū)別開來，靈敏 度增加。 缺點(diǎn)：最大信號受到最大光子計(jì)算率的限制。直流放大 和光子計(jì)數(shù)同時(shí)使用。 2.多道探測 單道探測是時(shí)間分布光譜，記譜速度慢。人們研制出一系列多道檢測器：像硅靶攝像管，二極管陣列，CCD電荷耦合器件。 得到的是空間分布光 譜，提高了記譜速度。 3.CCD檢測裝置A.CCD簡介 CCD檢測器是一種結(jié)合數(shù)字信號處理技術(shù)構(gòu)成的多道光信號檢測裝置。它是基于金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS) 技術(shù)的

10、光敏元件, 其檢測原理為聚集在勢阱中的光生電荷量與入射光強(qiáng)度和積分時(shí)間有著線性的關(guān)系。它有兩種基本類型: 一種是電荷包存貯在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面, 并沿界面?zhèn)鬏?表面溝道CCD) ; 另一種是電荷包存貯在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi), 并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸(體溝道或埋溝道CCD)B. 基本原理 CCD 的基本功能是電荷的存貯和電荷的轉(zhuǎn)移, 因此,CCD 的基本工作原理是信號電荷的產(chǎn)生、存貯、傳輸和檢測。C. CCD檢測裝置的特點(diǎn) 具有光譜范圍寬，量子效率高，轉(zhuǎn)換線性好，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。高靈敏度的CCD 有助于提高拉曼光譜信號的檢測能力,從而可以減少分析時(shí)間以及可以使用低功耗、低成本激

11、光器。據(jù)此不僅避免了樣品的光分解,還提高了分析的精密度。另外,由于CCD 在近紅外區(qū)有寬的光譜響應(yīng),可選擇波長較長激發(fā)激光以減少來自于復(fù)雜樣品的發(fā)光背景的影響。 4.2.2傅立葉變換拉曼光譜儀 色散型拉曼光譜儀大都采用可見光作激發(fā)光源和透散光柵分光得到拉曼光譜。這類光譜儀存在的缺點(diǎn)：這類光譜儀存在的缺點(diǎn)：（1 1）采用可見光激發(fā)，容易產(chǎn)生熒光。在生物大分子分析時(shí)最嚴(yán)重的問采用可見光激發(fā)，容易產(chǎn)生熒光。在生物大分子分析時(shí)最嚴(yán)重的問 題是往往將拉曼光譜掩蓋，造成高背景。而采用時(shí)間分辨拉曼光譜題是往往將拉曼光譜掩蓋，造成高背景。而采用時(shí)間分辨拉曼光譜, 紫外激發(fā)共振拉曼光譜，表面增強(qiáng)拉曼光譜以及一些

12、非線性檢測光紫外激發(fā)共振拉曼光譜，表面增強(qiáng)拉曼光譜以及一些非線性檢測光 譜如譜如CARS等來克服熒光干擾。等來克服熒光干擾。 （2 2）可見光能量高，樣品易光解，熱解。）可見光能量高，樣品易光解，熱解。（3 3）使用光柵分光和狹縫，光譜分辨率受到限制，光譜波數(shù)的重現(xiàn)性和）使用光柵分光和狹縫，光譜分辨率受到限制，光譜波數(shù)的重現(xiàn)性和 精度差。用標(biāo)準(zhǔn)樣品校正波數(shù)，狹縫限制了光通量，信噪比不高。精度差。用標(biāo)準(zhǔn)樣品校正波數(shù)，狹縫限制了光通量，信噪比不高。（4 4）逐點(diǎn)掃描，測量時(shí)間較長。）逐點(diǎn)掃描，測量時(shí)間較長。 早期傅立葉變換拉曼光譜儀存在主要的問題（A）邁克爾遜干涉儀對雜散光的掃描能力遠(yuǎn)低于分光掃描

13、 系統(tǒng)中的雙光柵單色儀。（B）從拉曼光強(qiáng)公式： I I= K () A() 4I0J() C I I表示拉曼譜線強(qiáng)度， K() 表示整個(gè)儀器的響應(yīng)函數(shù)， A()是介質(zhì)的自吸收，是頻率，I I0是入射光的強(qiáng)度。 J()是克分子散射參數(shù)，c是散射物的濃度。 我們知道用1064nm波長的近紅外激光激發(fā)拉曼散射光強(qiáng)比 用514.5nm可見激光激發(fā)要弱1/161/16。（C）當(dāng)時(shí)的紅外探測器的靈敏度比用于可見光波段測定的 光電倍增管低12個(gè)數(shù)量級。傅立葉變換拉曼光譜儀與色散型拉曼光譜儀完全不同，它主要由以下幾個(gè)部分組成： 激光光源，樣品室，相干濾波器， Michelson干涉儀，檢測器，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)（

14、進(jìn)行傅立葉變換）。傅立葉變換拉曼光譜儀組成A.A. Michelson （18521931） 傅立葉變換拉曼光譜儀的光路圖目前在國內(nèi)常見的幾種傅立葉變換拉曼光譜儀有以下幾種：1. Nicolet 950 FT- Raman2. Bio-Rad FT-Raman 型3. Bruker RFS-100 型1.采用1064nm的Nd:YAG激光代替了通常的可見激光。用以調(diào)整和校正儀器的方便。2.采用Michelson干涉儀代替通常的光柵單色器。瑞利散射光的降低采用介質(zhì)膜棱光鏡（也稱光學(xué)過濾器），它可放在樣品光路和干涉儀之間。3.探測器采用對近紅外有靈敏效應(yīng)的Ge二極管和InGaAs探測器。傅立葉變換

15、，獲得拉曼位移即拉曼光強(qiáng)。 FT-Raman光譜儀與常規(guī)激光拉曼光譜儀的不同之處（1 1）由于采用近紅外激光激發(fā)，可避免熒光干擾，擴(kuò)大）由于采用近紅外激光激發(fā)，可避免熒光干擾，擴(kuò)大RamanRaman光譜的應(yīng)用光譜的應(yīng)用 范圍，有很高的信噪比。范圍，有很高的信噪比。 （2 2）用近紅外光激發(fā)，能量低，可避免樣品的光解和熱解。）用近紅外光激發(fā)，能量低，可避免樣品的光解和熱解。（3 3）傅立葉變換拉曼有分辨率高，波數(shù)精確和重現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)。測量精度）傅立葉變換拉曼有分辨率高，波數(shù)精確和重現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)。測量精度 可達(dá)到可達(dá)到10-3cm10-3cm-1-1并且重現(xiàn)性好。并且重現(xiàn)性好。（4 4）FT-R

16、amanFT-Raman光譜儀的測量速度快，一次掃描可完成全波段掃描范圍測定。光譜儀的測量速度快，一次掃描可完成全波段掃描范圍測定。（5 5）FT-RamanFT-Raman光譜儀可消除瑞利譜線，瑞利線的存在將使弱拉曼譜線變的光譜儀可消除瑞利譜線，瑞利線的存在將使弱拉曼譜線變的 模糊。模糊。RamanRaman光譜儀操作方便，樣品的散射信號只需聚焦于光譜儀操作方便，樣品的散射信號只需聚焦于8mm8mm的孔，的孔， 而在可見光而在可見光RamanRaman光譜儀中散射信號必需聚焦于約光譜儀中散射信號必需聚焦于約100100m m寬的狹縫。寬的狹縫。（6 6）近紅外光在光導(dǎo)纖維中傳遞性能好，可用于

17、遙感檢測。）近紅外光在光導(dǎo)纖維中傳遞性能好，可用于遙感檢測。FT-RamanFT-Raman光譜的特點(diǎn)：光譜的特點(diǎn)：FT-RamanFT-Raman光譜的缺點(diǎn)光譜的缺點(diǎn)（3 3）水對近紅外光有吸收，它影響了）水對近紅外光有吸收，它影響了FT-RamanFT-Raman光譜儀測量水溶液的靈光譜儀測量水溶液的靈 敏度?？捎弥厮芙鈽悠?，以減少對近紅外光的吸收。敏度?？捎弥厮芙鈽悠罚詼p少對近紅外光的吸收。（1）單次掃描信噪比不高，可通過增加掃描次數(shù)來提高信噪比。）單次掃描信噪比不高，可通過增加掃描次數(shù)來提高信噪比。 （2）在低波數(shù)區(qū)測量方面，）在低波數(shù)區(qū)測量方面， FT-Raman光譜儀不如色散

18、型拉曼光譜儀，光譜儀不如色散型拉曼光譜儀， 色散型拉曼光譜儀可達(dá)幾個(gè)波數(shù)，而色散型拉曼光譜儀可達(dá)幾個(gè)波數(shù)，而FT-Raman一般只能在一般只能在250cm-1以以 上測定，拉曼光譜儀的特點(diǎn)是檢測低頻振動的能力，上測定，拉曼光譜儀的特點(diǎn)是檢測低頻振動的能力，F(xiàn)T-IR可達(dá)可達(dá)10cm1， FT-Raman最低可達(dá)最低可達(dá)50cm1 由于拉曼光譜信號強(qiáng)度與入射波長的由于拉曼光譜信號強(qiáng)度與入射波長的4次方成反比，故近紅外光源次方成反比，故近紅外光源抵消了抵消了FT-Raman光譜光通量大的優(yōu)點(diǎn)。致使出現(xiàn)下面缺點(diǎn)光譜光通量大的優(yōu)點(diǎn)。致使出現(xiàn)下面缺點(diǎn):傅立葉變換拉曼光譜的應(yīng)用 FTRaman能避免熒光干擾，從而大大拓寬Raman光譜的應(yīng)用范圍。 圖2是聚（對苯撐）對苯二甲酰亞胺的可見光Raman和FTRaman光譜圖。聚（對苯撐）對苯二甲酰亞胺是一種在可見光激發(fā)下能產(chǎn)生熒光的物質(zhì)。它的可見Raman光譜（圖2A）有很強(qiáng)的熒光背景，使其特征拉曼峰都被掩蓋了，而在其FTRaman光譜（圖2B）中沒有熒光背景，信噪比很高。雞腿骨組織也是一種在可見光激