背景介紹

與瑞利散射不同，拉曼散射相對入射光有一定的頻移。另外，重要的一點是拉曼信號極其微弱，通常每10⁹ ~ 10¹¹個光子中只有一個光子發生拉曼散射。正如C. V. Raman本人所說，“迄今為止阻礙我們研究這個新現象（拉曼散射）的大難點就是極其微弱的信號”。然而，隨著科技的進步，包括光源、濾光片和探測器等主要器件的升級，這一難題也逐漸被攻克，拉曼光譜測試技術也因而變得愈來愈流行。

本文將介紹如何使用一些基本光學元件搭建一套簡單實用的拉曼光譜測試系統，并通過測量一些標準化學物（包括液體和有機混合物）光譜來展示系統的靈敏度和分辨率。

實驗裝置

Newport TAC拉曼光譜測試系統示意圖及實物照片

上圖顯示的便是Newport技術與應用中心（Technology & Application Center, TAC）搭建的拉曼光譜測試系統。光源選用的是波長532 nm的連續二極管泵浦固態激光器（Excelsior^®,Spectra-Physics）。通常為了避免熒光的干擾，我們還可以選用更長波長的激光器，例如Newport也提供785 nm拉曼激光模塊。激光器輸出經由一個可變衰減器（Application Note 26，隨后介紹）控制強度，再通過特定的光路由物鏡聚焦到樣品上。物鏡前的光路中安裝有一個二向色鏡，其主要作用是反射激發光、透射拉曼散射光并削弱背向散射的激發光。樣品放置于XY平移臺上，移動平移臺及物鏡便可控制激光焦點在樣品中的位置，從而獲得樣品內不同區域的拉曼信息。背向散射的拉曼信號被物鏡收集準直，透過二向色鏡，由一個聚光透鏡聚焦到光譜儀入射狹縫，狹縫前的長波通濾光片可以進一步阻擋剩余的激發光。光譜儀由一個單色儀（MS260i™ 1/4 m Spectrograph）和一個CCD相機（InstaSpec^® X）構成，拉曼信號被單色儀色散開后成像到CCD相機。

實驗結果

我們首先測試了一些常見的溶劑，結果如下圖所示。對于所有實驗，曝光時間均小于20 s，而其中部分樣品，例如環己烷，事實上我們可以做到實時監測。從圖中還可以看出，即使是在光譜密集的部分，例如正己烷的指紋區（圖a中插圖）或者正己烷、丙酮和環己烷的C-H拉伸振動區域（圖a、c、f中插圖），所有拉曼峰均可以被解析，進一步分析表明光譜分辨率優于3 cm^-1，圖中基線也表明系統具有優異的信噪比。此外，圖d和e顯示左側截止頻率約在180 cm^-1附近，這表明該系統還可用于研究低波數振動模。上面展示的所有結果直接證實了該系統具有良好的靈敏度和優異的光譜分辨率。

正己烷（a）、甲醇（b）、丙酮（c）、水（d）、四氯化碳（e）和環己烷（f）的拉曼光譜

接下來，我們進一步研究了丙烯酸乙酯和丙酸乙酯，下圖展示了二者的分子結構以及溶于四氯化碳后的拉曼光譜。可以看出，盡管二者分子結構十分接近，但振動光譜卻相差很大，其中大的區別發生在涉及C=C和C=O拉伸振動的1600 – 1800 cm^-1范圍內。對比二者分子結構可以發現丙烯酸乙酯擁有共軛的雙鍵（羥基和C=C）而丙酸乙酯只有羥基，這使得丙烯酸乙酯在該范圍內擁有更多的拉曼峰并且拉曼極化率的變化導致峰強度更強。

丙烯酸乙酯和丙酸乙酯分子結構及拉曼光譜

小結

本文介紹了如何用Newport標準光學設備搭建一套緊湊實用的拉曼光譜測試系統，并用標準化學試劑作為樣品，證實了該系統優異的靈敏度和光譜分辨率。同時，需要指出的是該系統還具有良好的兼容性和擴展性，可以進一步集成到其他大型儀器設備，例如共聚焦顯微鏡或非線性光學顯微鏡中用作生物細胞、組織及納米材料等的化學成分分析。

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