張秀英

（南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院，江蘇 南京 211816）

1928 年，印度物理學(xué)家C. V. Raman 在用汞燈的單色光照射ccl4液體時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光與ccl4分子相互作用后，在液體的散射光中觀測到了頻率低于入射光頻率的新譜線，通過對這些新譜線的研究可以得到ccl4分子結(jié)構(gòu)的信息，因此這種效應(yīng)被命名為Raman 效應(yīng)，這種新譜線則被命名為拉曼光譜。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)和高靈敏度探測器等的不斷發(fā)展，拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)成為分析測試領(lǐng)域不可缺少的一部分。一幅拉曼光譜圖可包括單個(gè)或者多個(gè)拉曼散射峰，每個(gè)拉曼散射峰可反映所測物質(zhì)的拉曼散射峰的峰強(qiáng)、峰位和峰寬等信息，與光照射物質(zhì)時(shí)其某種分子的分子鍵振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級差一一對應(yīng)，類似于人類指紋識別的效果，因而也稱之為“指紋峰”，通過分析拉曼散射峰可得到所測物質(zhì)材料的化學(xué)組成、晶體的結(jié)晶度、材料厚度以及形態(tài)等信息。同時(shí)與AFM，SEM，TCSPC 聯(lián)用，被廣泛應(yīng)用于高分子材料鑒定、生物分子鑒定、稀有礦物質(zhì)鑒定等領(lǐng)域，在當(dāng)今材料表征方法中占據(jù)重要地位。

1 基本工作原理

Witec alpha 300M+激光共聚焦顯微拉曼光譜儀的工作原理如圖1 所示，一束激光經(jīng)過單模光纖入射到分光器，被分光器反射后進(jìn)入顯微物鏡，經(jīng)過顯微物鏡聚焦入射到已經(jīng)聚焦好的樣品表面處某微小區(qū)域內(nèi)，該微區(qū)內(nèi)的樣品被入射激光照射后激發(fā)出拉曼信號，該信號和入射激光一起被樣品反射回來后經(jīng)過濾光片后被多模光纖接收，多模光纖接收的信號經(jīng)過光譜儀探測分析，最終得到拉曼光譜圖，其中白光的作用是對樣品表面進(jìn)行聚焦時(shí)的照明光源，“z-控制臺”的作用是調(diào)節(jié)顯微物鏡沿z 軸方向的上下，“壓電掃描臺”的作用是調(diào)節(jié)樣品x-y 軸方向的位置。

圖1 Witec alpha 300M+激光共聚焦顯微拉曼光譜儀光路圖

2 硬件參數(shù)

2.1 激光光源

Witec alpha 300M+ 激光共聚焦顯微拉曼光譜儀激發(fā)光源有488nm 半導(dǎo)體激光器和633nm He-Ne 氣體激光器兩種。激光功率：488nm 激光功率最大值為50mw，633nm 激光功率最大值為35mw，且兩個(gè)激光器功率皆可連續(xù)調(diào)節(jié)。

2.2 光纖

儀器中用到的光纖有單模光纖和多模光纖兩種，其中入射激光是通過單模光纖傳輸?shù)模讖酱笮?.5um，用于采集信號接收端的光纖為多模光纖孔徑有25um，50um 和100um 三種大小可供選擇。

2.3 濾光片

對應(yīng)于488nm 和633nm 激發(fā)波長均配置合適充分的濾光片，濾除等離子體線和瑞利散射。

2.4 物鏡

顯微物鏡有10 倍，數(shù)值孔徑為0.25，工作距離為11mm；20 倍鏡頭，數(shù)值孔徑為0.4,工作距離為3mm；50倍鏡頭，數(shù)值孔徑為0.7，工作距離為1.1mm；100 倍鏡頭的數(shù)值孔徑為0.9，工作距離為0.31mm 的蔡司鏡頭可供選擇使用。通過調(diào)節(jié)激光光斑大小，選擇不同物鏡，可進(jìn)行原位掃描。

2.5 光譜儀

300g/mm 光 柵、600g/mm 光 柵、1800g/mm 光 柵，CCD 響應(yīng)范圍：220-1100nm；拉曼頻移范圍不低于： 488nm 激發(fā)80-4500cm-1；633nm 激發(fā)80-6000cm-1；光譜分辨率：0.8cm-1；光譜重復(fù)性：±0.2cm-1；靈敏度：硅的三階拉曼峰信噪比30:1 ，無明顯N2和O2拉曼峰。

2.6 探測器

Witec alpha 300M+ 激光共聚焦顯微拉曼光譜儀配備的光譜探測器是Andor 公司的iDus 420 系列，具體參數(shù)如下表格1 所列，可采集任意指定位置的顯微拉曼光譜。

表格1

3 校準(zhǔn)與調(diào)試

日常測試中，樣品測試結(jié)果的準(zhǔn)確性與儀器本身精確度密不可分，Witec alpha 300M+激光共聚焦顯微拉曼光譜儀也不例外。該儀器精確度不僅與光柵、激光器、物鏡、濾光片等配件切換有關(guān)，還與儀器所處環(huán)境的溫濕度、震動(dòng)、潔凈度等因素有關(guān)，為了得到準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)，在測試之前需對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)與調(diào)試。最常見的儀器校準(zhǔn)方法是使用單晶硅作為校準(zhǔn)樣校準(zhǔn)。如圖1 所示，使用Witec alpha 300M+激光共聚焦顯微拉曼光譜儀測試標(biāo)準(zhǔn)單晶硅樣品后得到的拉曼光譜圖。結(jié)果表明：在室溫條件下，單晶硅的一階拉曼峰峰位為520.7 cm-1。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)單晶硅的拉曼峰

4 使用、管理與維護(hù)

4.1 儀器的使用

Witec alpha 300M+激光共聚焦顯微拉曼光譜儀不僅可以測試樣品的微區(qū)拉曼信號，還可以測試樣品的微區(qū)熒光信號?？蓽y樣品種類為：固體、液體、膠體、軟膏、氣體，無機(jī)材料、有機(jī)材料、生物材料，純物質(zhì)、混和物等。固體樣品分固體薄膜樣品、固體粉末樣品及晶體顆粒等。其中，固體薄膜樣品的拉曼測試中需根據(jù)樣品的熒光信號是否會(huì)干擾拉曼信號，選擇合適的激發(fā)波長；固體粉末樣品測試時(shí)需先把樣品表面壓平，然后還需注意樣品平整度對聚焦的影響，選擇一塊聚焦好的區(qū)域作為測試區(qū)域，最后也要根據(jù)散射光及熒光干擾選擇合適的激發(fā)波長；晶體顆粒樣品和固體粉末樣品有點(diǎn)類似，唯一不同的是顆粒較大，對聚焦要求更高，需要操作者更加小心，固體粉末和晶體顆粒測試時(shí)一定要注意不要讓樣品污染到物鏡鏡頭。液體樣品分溶液、生物細(xì)胞、組織等。對無揮發(fā)及無腐蝕特性的液體可直接滴在載玻片上測試；對有揮發(fā)特性及腐蝕性的液體，需要使用毛細(xì)管吸入，然后將其兩端封閉后測試；生物細(xì)胞、組織樣品則可以放在培養(yǎng)皿中測試，但是要先根據(jù)培養(yǎng)液的揮發(fā)性和腐蝕性確定是否可行。氣體樣品測試難度較大，一般在測試前需對其進(jìn)行壓縮處理，保證其密度夠大，而且還需使用強(qiáng)度較高的激光作為激發(fā)光，以保證能夠激發(fā)出光譜信號。

4.2 儀器的管理與維護(hù)

Witec alpha 300M+激光共聚焦顯微拉曼光譜儀資產(chǎn)原值在百萬以上，屬于大型分析測試儀器，實(shí)行專人管理負(fù)責(zé)制。所有意向使用儀器測試的人員須先交培訓(xùn)申請表給儀器管理員，管理員根據(jù)儀器管理規(guī)章，審核后確定培訓(xùn)人員名單，意向使用儀器測試人員通過儀器培訓(xùn)考核后方可上機(jī)使用儀器。儀器測試實(shí)行按照機(jī)時(shí)收費(fèi)制度。而且，具備預(yù)約使用資格的測試人員在享受測試權(quán)利的同時(shí)也須承擔(dān)相應(yīng)的義務(wù)，如儀器維護(hù)與儀器室環(huán)境維護(hù)等。另外，儀器管理員須根據(jù)外界環(huán)境變化、預(yù)約使用記錄情況等因素定期檢查儀器本身狀態(tài)，及時(shí)校準(zhǔn)并維護(hù)儀器，使其能夠正常有序運(yùn)行。

5 結(jié)語

本文從儀器的工作原理，配套硬件參數(shù)，儀器的校準(zhǔn)與調(diào)試及儀器的管理與維護(hù)等幾個(gè)方面對Witec alpha 300M+激光共聚焦顯微拉曼光譜儀進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，給從事分析測試儀器管理的實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員提供寶貴的儀器管理經(jīng)驗(yàn)，從而進(jìn)一步提升儀器管理水平，為科學(xué)研究發(fā)展添磚加瓦。