圖1：拉曼光譜裝置。

實(shí)際上，每個(gè)拉曼裝置都包括一個(gè)激發(fā)樣品的激光器和一個(gè)收集發(fā)射信號(hào)的探測(cè)器。額外的光學(xué)器件集成到系統(tǒng)中，以聚焦光束并優(yōu)化設(shè)置，從而提高信號(hào)質(zhì)量。一個(gè)簡(jiǎn)單的拉曼光譜裝置可以包括一個(gè)Nd:YAG激光器、兩個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)支架上的反射鏡、兩個(gè)直角棱鏡和一個(gè)消色差透鏡。如圖2所示，激光器發(fā)出的光照射到兩個(gè)反射鏡上進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，并被直角棱鏡折疊90°。然后，消色差透鏡將光聚焦到樣品上。散射出樣品的光照射到第二個(gè)棱鏡上，后者將其偏轉(zhuǎn)成光束收集器。消色器然后收集散射光，并將其聚焦到檢測(cè)器上進(jìn)行收集。

激光功率注意事項(xiàng)

對(duì)于許多樣品類型，使用近紅外(NIR)激發(fā)激光是有利的，因?yàn)樵S多物質(zhì)將在接近紫外線的波長(zhǎng)下發(fā)出熒光，并且這種熒光將掩蓋任何散射測(cè)量，使得幾乎不可能記錄任何有意義的數(shù)據(jù)。這并不意味著更高的波長(zhǎng)代表更好的系統(tǒng);當(dāng)使用近紅外時(shí)需要考慮的一件事是更高的噪聲和成本。通常，性能、熒光和成本之間的良好平衡是785nm近紅外激光器。使用近紅外激光器的一個(gè)問(wèn)題是，它們往往會(huì)發(fā)射更高的功率。為了用這種激光器有效地進(jìn)行拉曼光譜，關(guān)鍵是系統(tǒng)中使用的光學(xué)部件具有足夠高的激光損傷閾值，以與所使用的特定激光源兼容。然而，重要的是要理解，由于激光損傷測(cè)試的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，該閾值不是永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生損傷的功率。相反，激光損傷閾值被定義為損傷概率小于臨界風(fēng)險(xiǎn)水平的極限。這取決于幾個(gè)因素，如光束直徑、每個(gè)樣本的測(cè)試點(diǎn)數(shù)量和測(cè)試的樣本數(shù)量，以確定規(guī)格。

信噪比

就性能而言，高信噪比(SNR)有利于檢測(cè)拉曼位移的低效率。為什么高SNR很重要的一個(gè)很好的例子是熒光樣品的分析，眾所周知，使用拉曼光譜很難進(jìn)行研究。如前所述，熒光材料產(chǎn)生的信號(hào)成為主要的噪聲源，覆蓋拉曼散射。由于簡(jiǎn)單地增加激光器的功率也會(huì)增加熒光信號(hào)，因此通常通過(guò)改變激發(fā)激光器的波長(zhǎng)來(lái)減輕熒光。

檢測(cè)器選擇

改進(jìn)所提取信號(hào)的一種方法是使用具有較短波長(zhǎng)并因此具有較高光子能量的激光器，以確保光的能量高于電子基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能隙的能量。還應(yīng)考慮探測(cè)器的響應(yīng)度。例如，當(dāng)使用532nm激光器時(shí)，產(chǎn)生的散射光子將分布在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，因此，應(yīng)選擇在可見(jiàn)光譜中具有高量子效率的探測(cè)器，例如電荷耦合器件(CCD)。然而，當(dāng)使用近紅外激光器，例如波長(zhǎng)為1064nm的Nd:YAG時(shí)，砷化銦鎵(InGaAs)探測(cè)器是理想的，因?yàn)樗鼈冊(cè)诮t外區(qū)域具有高響應(yīng)性。這是一種在不影響整體設(shè)計(jì)的情況下增加檢測(cè)器上的信號(hào)的簡(jiǎn)單方法。

背薄CCD是拉曼光譜低光檢測(cè)的理想選擇，因?yàn)樗鼈兊牧孔有试诜逯挡ㄩL(zhǎng)下高達(dá)90%。這些探測(cè)器在可見(jiàn)光譜和紫外光譜中具有高量子效率，因?yàn)槿肷涔庵苯优c傳感器的有源區(qū)相互作用。在NIR和紅色波長(zhǎng)區(qū)域中具有改進(jìn)的量子效率的NIR背薄CCD也可以用于增加更長(zhǎng)波長(zhǎng)的SNR。

濾波器

在拉曼光譜實(shí)驗(yàn)中，干凈的激發(fā)信號(hào)是確保散射數(shù)據(jù)準(zhǔn)確測(cè)量的重要組成部分。為了確保只檢測(cè)到期望的信號(hào)，高性能帶通濾波器和長(zhǎng)通濾波器在這方面很好地互補(bǔ)。當(dāng)結(jié)合到系統(tǒng)中時(shí)(圖3)，帶通濾波器的高傳輸和窄帶寬消除了噪聲，并確保只有所需的激光線到達(dá)樣品。然后，在激光與樣品相互作用之后，引入長(zhǎng)通濾波器，以允許比激發(fā)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的波長(zhǎng)通過(guò)，這是斯托克斯拉曼散射的特征。

圖2：帶通濾波器用于在光束進(jìn)入系統(tǒng)之前過(guò)濾光束，長(zhǎng)通濾波器用于確保只有斯托克斯拉曼散射通過(guò)檢測(cè)。

審核編輯 黃宇