Witec alpha 300M+激光共聚焦显微拉曼光谱仪 使用与维护初探

张秀英

（南京工业大学先进材料研究院，江苏 南京 211816）

1928 年，印度物理学家C. V. Raman 在用汞灯的单色光照射ccl4液体时，发现当光与ccl4分子相互作用后，在液体的散射光中观测到了频率低于入射光频率的新谱线，通过对这些新谱线的研究可以得到ccl4分子结构的信息，因此这种效应被命名为Raman 效应，这种新谱线则被命名为拉曼光谱。

近年来，随着计算机技术、激光技术和高灵敏度探测器等的不断发展，拉曼光谱技术已经成为分析测试领域不可缺少的一部分。一幅拉曼光谱图可包括单个或者多个拉曼散射峰，每个拉曼散射峰可反映所测物质的拉曼散射峰的峰强、峰位和峰宽等信息，与光照射物质时其某种分子的分子键振动和转动能级差一一对应，类似于人类指纹识别的效果，因而也称之为“指纹峰”，通过分析拉曼散射峰可得到所测物质材料的化学组成、晶体的结晶度、材料厚度以及形态等信息。同时与AFM，SEM，TCSPC 联用，被广泛应用于高分子材料鉴定、生物分子鉴定、稀有矿物质鉴定等领域，在当今材料表征方法中占据重要地位。

1 基本工作原理

Witec alpha 300M+激光共聚焦显微拉曼光谱仪的工作原理如图1 所示，一束激光经过单模光纤入射到分光器，被分光器反射后进入显微物镜，经过显微物镜聚焦入射到已经聚焦好的样品表面处某微小区域内，该微区内的样品被入射激光照射后激发出拉曼信号，该信号和入射激光一起被样品反射回来后经过滤光片后被多模光纤接收，多模光纤接收的信号经过光谱仪探测分析，最终得到拉曼光谱图，其中白光的作用是对样品表面进行聚焦时的照明光源，“z-控制台”的作用是调节显微物镜沿z 轴方向的上下，“压电扫描台”的作用是调节样品x-y 轴方向的位置。

图1 Witec alpha 300M+激光共聚焦显微拉曼光谱仪光路图

2 硬件参数

2.1 激光光源

Witec alpha 300M+ 激光共聚焦显微拉曼光谱仪激发光源有488nm 半导体激光器和633nm He-Ne 气体激光器两种。激光功率：488nm 激光功率最大值为50mw，633nm 激光功率最大值为35mw，且两个激光器功率皆可连续调节。

2.2 光纤

仪器中用到的光纤有单模光纤和多模光纤两种，其中入射激光是通过单模光纤传输的，孔径大小为3.5um，用于采集信号接收端的光纤为多模光纤孔径有25um，50um 和100um 三种大小可供选择。

2.3 滤光片

对应于488nm 和633nm 激发波长均配置合适充分的滤光片，滤除等离子体线和瑞利散射。

2.4 物镜

显微物镜有10 倍，数值孔径为0.25，工作距离为11mm；20 倍镜头，数值孔径为0.4,工作距离为3mm；50倍镜头，数值孔径为0.7，工作距离为1.1mm；100 倍镜头的数值孔径为0.9，工作距离为0.31mm 的蔡司镜头可供选择使用。通过调节激光光斑大小，选择不同物镜，可进行原位扫描。

2.5 光谱仪

300g/mm 光 栅、600g/mm 光 栅、1800g/mm 光 栅，CCD 响应范围：220-1100nm；拉曼频移范围不低于： 488nm 激发80-4500cm-1；633nm 激发80-6000cm-1；光谱分辨率：0.8cm-1；光谱重复性：±0.2cm-1；灵敏度：硅的三阶拉曼峰信噪比30:1 ，无明显N2和O2拉曼峰。

2.6 探测器

Witec alpha 300M+ 激光共聚焦显微拉曼光谱仪配备的光谱探测器是Andor 公司的iDus 420 系列，具体参数如下表格1 所列，可采集任意指定位置的显微拉曼光谱。

表格1

3 校准与调试

日常测试中，样品测试结果的准确性与仪器本身精确度密不可分，Witec alpha 300M+激光共聚焦显微拉曼光谱仪也不例外。该仪器精确度不仅与光栅、激光器、物镜、滤光片等配件切换有关，还与仪器所处环境的温湿度、震动、洁净度等因素有关，为了得到准确的测试数据，在测试之前需对仪器进行校准与调试。最常见的仪器校准方法是使用单晶硅作为校准样校准。如图1 所示，使用Witec alpha 300M+激光共聚焦显微拉曼光谱仪测试标准单晶硅样品后得到的拉曼光谱图。结果表明：在室温条件下，单晶硅的一阶拉曼峰峰位为520.7 cm-1。

图2 标准单晶硅的拉曼峰

4 使用、管理与维护

4.1 仪器的使用

Witec alpha 300M+激光共聚焦显微拉曼光谱仪不仅可以测试样品的微区拉曼信号，还可以测试样品的微区荧光信号。可测样品种类为：固体、液体、胶体、软膏、气体，无机材料、有机材料、生物材料，纯物质、混和物等。固体样品分固体薄膜样品、固体粉末样品及晶体颗粒等。其中，固体薄膜样品的拉曼测试中需根据样品的荧光信号是否会干扰拉曼信号，选择合适的激发波长；固体粉末样品测试时需先把样品表面压平，然后还需注意样品平整度对聚焦的影响，选择一块聚焦好的区域作为测试区域，最后也要根据散射光及荧光干扰选择合适的激发波长；晶体颗粒样品和固体粉末样品有点类似，唯一不同的是颗粒较大，对聚焦要求更高，需要操作者更加小心，固体粉末和晶体颗粒测试时一定要注意不要让样品污染到物镜镜头。液体样品分溶液、生物细胞、组织等。对无挥发及无腐蚀特性的液体可直接滴在载玻片上测试；对有挥发特性及腐蚀性的液体，需要使用毛细管吸入，然后将其两端封闭后测试；生物细胞、组织样品则可以放在培养皿中测试，但是要先根据培养液的挥发性和腐蚀性确定是否可行。气体样品测试难度较大，一般在测试前需对其进行压缩处理，保证其密度够大，而且还需使用强度较高的激光作为激发光，以保证能够激发出光谱信号。

4.2 仪器的管理与维护

Witec alpha 300M+激光共聚焦显微拉曼光谱仪资产原值在百万以上，属于大型分析测试仪器，实行专人管理负责制。所有意向使用仪器测试的人员须先交培训申请表给仪器管理员，管理员根据仪器管理规章，审核后确定培训人员名单，意向使用仪器测试人员通过仪器培训考核后方可上机使用仪器。仪器测试实行按照机时收费制度。而且，具备预约使用资格的测试人员在享受测试权利的同时也须承担相应的义务，如仪器维护与仪器室环境维护等。另外，仪器管理员须根据外界环境变化、预约使用记录情况等因素定期检查仪器本身状态，及时校准并维护仪器，使其能够正常有序运行。

5 结语

本文从仪器的工作原理，配套硬件参数，仪器的校准与调试及仪器的管理与维护等几个方面对Witec alpha 300M+激光共聚焦显微拉曼光谱仪进行了详细的介绍，给从事分析测试仪器管理的实验技术人员提供宝贵的仪器管理经验，从而进一步提升仪器管理水平，为科学研究发展添砖加瓦。