拉曼光谱装置的布局

图1：拉曼光谱装置。

实际上，每个拉曼装置都包括一个激发样品的激光器和一个收集发射信号的探测器。额外的光学器件集成到系统中，以聚焦光束并优化设置，从而提高信号质量。一个简单的拉曼光谱装置可以包括一个Nd:YAG激光器、两个运动学支架上的反射镜、两个直角棱镜和一个消色差透镜。如图2所示，激光器发出的光照射到两个反射镜上进行对准，并被直角棱镜折叠90°。然后，消色差透镜将光聚焦到样品上。散射出样品的光照射到第二个棱镜上，后者将其偏转成光束收集器。消色器然后收集散射光，并将其聚焦到检测器上进行收集。

激光功率注意事项

对于许多样品类型，使用近红外(NIR)激发激光是有利的，因为许多物质将在接近紫外线的波长下发出荧光，并且这种荧光将掩盖任何散射测量，使得几乎不可能记录任何有意义的数据。这并不意味着更高的波长代表更好的系统;当使用近红外时需要考虑的一件事是更高的噪声和成本。通常，性能、荧光和成本之间的良好平衡是785nm近红外激光器。使用近红外激光器的一个问题是，它们往往会发射更高的功率。为了用这种激光器有效地进行拉曼光谱，关键是系统中使用的光学部件具有足够高的激光损伤阈值，以与所使用的特定激光源兼容。然而，重要的是要理解，由于激光损伤测试的统计性质，该阈值不是永远不会发生损伤的功率。相反，激光损伤阈值被定义为损伤概率小于临界风险水平的极限。这取决于几个因素，如光束直径、每个样本的测试点数量和测试的样本数量，以确定规格。

信噪比

就性能而言，高信噪比(SNR)有利于检测拉曼位移的低效率。为什么高SNR很重要的一个很好的例子是荧光样品的分析，众所周知，使用拉曼光谱很难进行研究。如前所述，荧光材料产生的信号成为主要的噪声源，覆盖拉曼散射。由于简单地增加激光器的功率也会增加荧光信号，因此通常通过改变激发激光器的波长来减轻荧光。

检测器选择

改进所提取信号的一种方法是使用具有较短波长并因此具有较高光子能量的激光器，以确保光的能量高于电子基态和激发态之间的能隙的能量。还应考虑探测器的响应度。例如，当使用532nm激光器时，产生的散射光子将分布在可见光范围内，因此，应选择在可见光谱中具有高量子效率的探测器，例如电荷耦合器件(CCD)。然而，当使用近红外激光器，例如波长为1064nm的Nd:YAG时，砷化铟镓(InGaAs)探测器是理想的，因为它们在近红外区域具有高响应性。这是一种在不影响整体设计的情况下增加检测器上的信号的简单方法。

背薄CCD是拉曼光谱低光检测的理想选择，因为它们的量子效率在峰值波长下高达90%。这些探测器在可见光谱和紫外光谱中具有高量子效率，因为入射光直接与传感器的有源区相互作用。在NIR和红色波长区域中具有改进的量子效率的NIR背薄CCD也可以用于增加更长波长的SNR。

滤波器

在拉曼光谱实验中，干净的激发信号是确保散射数据准确测量的重要组成部分。为了确保只检测到期望的信号，高性能带通滤波器和长通滤波器在这方面很好地互补。当结合到系统中时(图3)，带通滤波器的高传输和窄带宽消除了噪声，并确保只有所需的激光线到达样品。然后，在激光与样品相互作用之后，引入长通滤波器，以允许比激发波长更长的波长通过，这是斯托克斯拉曼散射的特征。

图2：带通滤波器用于在光束进入系统之前过滤光束，长通滤波器用于确保只有斯托克斯拉曼散射通过检测。

审核编辑 黄宇