拉曼光譜裝置的布局

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)射信號的探測器。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，從而提高信號質(zhì)量。一個(gè)簡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，并將其聚焦到檢測器上進(jìn)行收集。

激光功率注意事項(xiàng)

對于許多樣品類型，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下發(fā)出熒光，并且這種熒光將掩蓋任何散射測量，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)問題是，它們往往會發(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，由于激光損傷測試的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，該閾值不是永遠(yuǎn)不會發(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)樣本的測試點(diǎn)數(shù)量和測試的樣本數(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)生的信號成為主要的噪聲源，覆蓋拉曼散射。由于簡單地增加激光器的功率也會增加熒光信號，因此通常通過改變激發(fā)激光器的波長來減輕熒光。

檢測器選擇

改進(jìn)所提取信號的一種方法是使用具有較短波長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光范圍內(nèi)，因此，應(yīng)選擇在可見光譜中具有高量子效率的探測器，例如電荷耦合器件(CCD)。然而，當(dāng)使用近紅外激光器，例如波長為1064nm的Nd:YAG時(shí)，砷化銦鎵(InGaAs)探測器是理想的，因?yàn)樗鼈冊诮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)的情況下增加檢測器上的信號的簡單方法。

背薄CCD是拉曼光譜低光檢測的理想選擇，因?yàn)樗鼈兊牧孔有试诜逯挡ㄩL下高達(dá)90%。這些探測器在可見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波長的SNR。

濾波器

在拉曼光譜實(shí)驗(yàn)中，干凈的激發(fā)信號是確保散射數(shù)據(jù)準(zhǔn)確測量的重要組成部分。為了確保只檢測到期望的信號，高性能帶通濾波器和長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，引入長通濾波器，以允許比激發(fā)波長更長的波長通過，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)之前過濾光束，長通濾波器用于確保只有斯托克斯拉曼散射通過檢測。

審核編輯 黃宇