便攜式拉曼光譜儀的校準(zhǔn)方法

宋健

（江蘇省計量科學(xué)研究院，南京 210023）

拉曼光譜法是近年來發(fā)展較快的一種光譜檢測技術(shù)。分析對象經(jīng)入射光照射后，分子與光子相互作用，通過分析與入射光頻率不同的散射光譜，得到分子振動、轉(zhuǎn)動能級差的特征頻移，從而反映分子結(jié)構(gòu)或成分的信息。拉曼光譜法具有樣品無損、快速、可測含水性物質(zhì)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于藥品［1-2］、毒品?；罚?-4］、珠寶玉石［5-6］等的檢測。但拉曼光譜具有靈敏度低的缺點，難以直接檢測痕量物質(zhì)。表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）技術(shù)克服了這一缺點，該技術(shù)將物質(zhì)分子吸附在一些粗糙的金、銀、銅等金屬表面，將拉曼信號強(qiáng)度增加106～109倍，從而實現(xiàn)拉曼光譜對痕量物質(zhì)成分的檢測［7］。目前，SERS技術(shù)在食品添加劑［8-9］、環(huán)境［10］、生物醫(yī)藥［11-12］、公安刑偵［13-14］等領(lǐng)域均具有很好的應(yīng)用。

長期以來，實驗室拉曼光譜儀由于體積大、質(zhì)量重、價格高等原因，僅在少數(shù)高校、科研院所使用，無法滿足現(xiàn)場檢測的需求。近年來，隨著激光器、探頭、光譜儀等主要元器件小型化技術(shù)進(jìn)步和SERS技術(shù)的應(yīng)用［15］，便攜式拉曼光譜儀得到快速發(fā)展，具有小巧便攜、操作方便、價格更低的特點，可用電池供電，也可用車載電源供電，既可以用于實驗室測量，也可以用于現(xiàn)場分析，目前廣泛應(yīng)用于食品監(jiān)管、公安等部門現(xiàn)場快速檢測，具有廣闊的應(yīng)用前景。與實驗室拉曼光譜儀進(jìn)行比較，由于其主要元器件的小型化和結(jié)構(gòu)的簡化，導(dǎo)致檢測性能有差異，特別在頻移示值誤差、頻移重復(fù)性以及分辨力等計量特性；其次，便攜式拉曼光譜儀通常只有一個激光源，而實驗室拉曼光譜儀具有二個或多個激光源，光源可切換使用。因此兩者的所需的校準(zhǔn)設(shè)備和采用的校準(zhǔn)方法有差異。

目前還沒有專門針對便攜式拉曼光譜儀的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，導(dǎo)致該儀器的性能無法評價，量值無法溯源，測量準(zhǔn)確性無法保證。筆者依據(jù)拉曼光譜儀的校準(zhǔn)規(guī)范［16］，參考制造商和使用者的要求，通過對便攜式拉曼光譜儀的頻移示值誤差、頻移重復(fù)性、分辨力、相對強(qiáng)度示值誤差、相對強(qiáng)度重復(fù)性和檢出限等計量特性和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行探討。

1 實驗部分

1.1 工作原理

當(dāng)光穿過透明介質(zhì)后，分子可以使部分入射光發(fā)生散射。在散射光中未發(fā)生頻率改變的散射稱為瑞利散射，發(fā)生頻率改變的散射稱為拉曼散射。便攜式拉曼光譜儀是一種利用拉曼散射原理測量物質(zhì)本征振動光譜特性的光譜儀。便攜式拉曼光譜儀通常由激光器、光學(xué)單元、檢測器和數(shù)據(jù)處理及顯示單元等組成，激發(fā)器發(fā)出的激光經(jīng)光學(xué)單元聚焦于樣品表面，樣品受激產(chǎn)生散射光，經(jīng)光學(xué)單元濾除瑞利散射光，得到帶有自身光譜信息的拉曼散射光，再經(jīng)檢測器解析得到光譜信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理及顯示單元得到拉曼譜圖。根據(jù)拉曼譜圖的拉曼頻移和拉曼散射強(qiáng)度，可對物質(zhì)進(jìn)行定性、定量檢測。

1.2 環(huán)境要求

環(huán)境溫度：5～40℃；相對濕度：不大于85%；供電電壓：（220±22）V；頻率：（50±0.5）Hz；周圍不得有影響儀器正常工作的機(jī)械振動和電磁干擾。

1.3 校準(zhǔn)儀器與試劑

便攜式拉曼光譜儀：SSR-3000 型，激光波長：785 nm，光譜范圍：150～3 500 cm-1，南京簡智儀器設(shè)備有限公司；

環(huán)己烷拉曼頻移標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：GBW 13653，384.1～2 937.5 cm-1，U=2.2～2.4 cm-1，中國計量科學(xué)研究院；

相對強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：在785 nm 激光照射下可產(chǎn)生連續(xù)的熒光光譜，Urel≤5%（k=2），中國計量科學(xué)研究院；

羅丹明B 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：GBW(E) 100374，1.003 mg／mL，Urel=3%（k=2），廣東省計量科學(xué)研究院；

金納米表面增強(qiáng)試劑（SSN-2 試劑）：粒徑為45～55 nm，50 mL，南京簡智儀器設(shè)備有限公司；

實驗用水為超純水。

1.4 校準(zhǔn)項目

1.4.1 頻移示值誤差和重復(fù)性

待儀器穩(wěn)定后，將頻移標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)置于樣品池中或光學(xué)探頭透鏡聚焦處，選擇合適的激光功率和積分時間，測量頻移標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的拉曼光譜，在頻移范圍內(nèi)分散選擇5 個特征峰并記錄其頻移值。重復(fù)測量7 次，頻移示值誤差按式(1)計算，頻移重復(fù)性按式(2)計算。

式中：Δv——頻移示值誤差，cm-1；

——頻移算術(shù)平均值，cm-1；

v——頻移標(biāo)準(zhǔn)值，cm-1；

sv——頻移重復(fù)性，cm-1；

vi——第i次測量的頻移值，cm-1。

1.4.2 分辨力

按1.4.1 中的測量方法，測量環(huán)己烷頻移標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的拉曼光譜，譜圖能識別出2 923 cm-1，2 938 cm-1兩個峰。

1.4.3 相對強(qiáng)度示值誤差和重復(fù)性

待儀器穩(wěn)定后，將相對強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)置于光學(xué)探頭透鏡聚焦處，選擇合適的激光功率和積分時間，測量其光譜信號。對最大強(qiáng)度信號進(jìn)行歸一化處理后，讀取3 條譜線的相對強(qiáng)度。重復(fù)測量7 次，相對強(qiáng)度示值誤差按式(3)計算，相對強(qiáng)度重復(fù)性按公式(4)計算。

式中：c(v)——某頻移的相對強(qiáng)度的示值誤差，%；

I0(v)——某頻移的相對強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，%；

I(v)i——某頻移的相對強(qiáng)度第i次測量值，%；

RSD——某頻移的相對強(qiáng)度重復(fù)性，%。

1.4.4 檢出限

待儀器穩(wěn)定后，按說明書要求移取相應(yīng)體積的0.1 mg／L 羅丹明B 標(biāo)準(zhǔn)溶液和表面增強(qiáng)試劑，混合均勻，置于樣品池中或光學(xué)探頭透鏡聚焦處。選擇合適的激光功率、積分時間，在規(guī)定的時間內(nèi)測量其拉曼光譜，記錄特征峰1 642 cm-1的強(qiáng)度，重復(fù)上述步驟11 次，按式(5)計算檢出限：

式中：D——檢出限，mg／L；

sI——11 次譜線強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏差；

c——標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mg／L；

——11 次譜線強(qiáng)度的算術(shù)平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 頻移示值誤差和重復(fù)性

按1.4.1 頻移示值誤差和重復(fù)性的校準(zhǔn)方法，選擇450 mW 激光功率，10 s 積分時間，在頻移范圍測量環(huán)己烷頻移標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的拉曼光譜，選擇426.5，801.9，1 266.4，1 444.2，2 923.4 cm-15 個特征峰，重復(fù)測量7 次，按式(1)計算頻移示值誤差，測量結(jié)果列于表1，由表1 可知，頻移示值誤差絕對值為 -0.8～-0.5 cm-1。

特征峰平均測量值頻移示值誤差426.5 425.9-0.6 801.9 801.4-0.5 1 266.41 265.8-0.6 1 444.21 443.6-0.6 2 923.42 922.6-0.8

2.2 頻移重復(fù)性

依據(jù)2.1 重復(fù)測量7 次數(shù)據(jù)，按式(2)計算頻移重復(fù)性，測量結(jié)果列于表2，頻移重復(fù)性為0.2～0.4 cm-1。

表2 頻移重復(fù)性測量結(jié)果 cm-1

2.3 分辨力

按1.4.2 分辨力校準(zhǔn)方法，測量環(huán)己烷頻移標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的拉曼光譜，譜圖能自動識別出2 923，2 938 cm-1兩個峰。

2.4 相對強(qiáng)度示值誤差和重復(fù)性

按1.4.3 相對強(qiáng)度示值誤差方法，選擇450 mW激光功率，10 s 積分時間，測量相對強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的光譜信號，以最大強(qiáng)度信號進(jìn)行歸一化處理后，選擇讀取1 357，1 507，1 646 cm-13 條譜線的相對強(qiáng)度，重復(fù)測量7 次，按式(3)計算相對強(qiáng)度示值誤差，測量結(jié)果見表3，相對強(qiáng)度示值誤差為-1.4%～ -0.7%。

表3 相對強(qiáng)度示值誤差測量結(jié)果

2.5 相對強(qiáng)度示值誤差和重復(fù)性

依據(jù)2.4 重復(fù)測量7 次數(shù)據(jù)，按式(4)計算相對強(qiáng)度重復(fù)性，測量結(jié)果見表4，由表4 可知，相對強(qiáng)度重復(fù)性為0.9%～1.6%。

表4 相對強(qiáng)度重復(fù)性測量結(jié)果

2.6 檢出限

按1.4.4 方法，選擇激光功率450 mW，積分時間10 s，分別取SSN-2 增強(qiáng)試劑200 μL、0.1 mg／L 羅丹明B 標(biāo)準(zhǔn)溶液10 μL 于1.5 mL 玻璃樣品瓶中，混勻。在1 min 之內(nèi)測量強(qiáng)度值，重復(fù)上述操作步驟測量11 次，測量結(jié)果見表5。按式(5)計算得檢出限為0.012 mg／L。

表5 檢出限測量結(jié)果

3 計量性能要求

根據(jù)上述試驗結(jié)果，綜合分析廠家多次試驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合儀器的出廠參數(shù)，總結(jié)出計量特性的技術(shù)要求列于表6。符合表6 中計量特性要求的便攜式拉曼光譜儀性能正常，量值溯源準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)語

根據(jù)便攜式拉曼光譜儀的工作原理，結(jié)合實際工作需求，建立了便攜式拉曼光譜儀的校準(zhǔn)方法，實現(xiàn)了對便攜式拉曼光譜儀計量性能的綜合評價。該方法可以準(zhǔn)確評價該類儀器的計量特性，為此類儀器的校準(zhǔn)提供參考。

表6 計量特性