空間偏移拉曼光譜技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法研究

李揚(yáng)裕，馬建光，李大成，崔方曉，王安靜，吳 軍

1. 中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031 2. 軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京 100082

引 言

拉曼光譜技術(shù)是一種基于拉曼散射現(xiàn)象的光譜分析技術(shù)，可以根據(jù)分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)信息識(shí)別未知化合物。與常規(guī)化學(xué)分析技術(shù)相比，拉曼光譜技術(shù)具有非接觸、無損、快速準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前分析領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。然而，拉曼散射光強(qiáng)弱是其本身固有的缺點(diǎn)，一般拉曼散射光強(qiáng)約為入射光強(qiáng)的10-10，在對(duì)容器內(nèi)未知樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)極易受到容器壁的熒光和拉曼散射干擾[1]。因此，其商業(yè)應(yīng)用往往僅限于透明塑料或玻璃包裝的情況。

2005年P(guān)avel Matousek等在研究拉曼散射光子遷移理論的基礎(chǔ)上提出了空間偏移拉曼光譜技術(shù)(spatially offset Raman spectroscopy，SORS)，通過將拉曼光收集點(diǎn)偏離激光入射點(diǎn)，能夠抑制容器壁的熒光和拉曼散射干擾，取得更好的檢測(cè)效果[2]。該技術(shù)已被應(yīng)用于藥品認(rèn)證、疾病診斷、危險(xiǎn)品檢測(cè)特別是液體爆炸物的安檢等領(lǐng)域中，得到了廣泛的關(guān)注和認(rèn)可[3-4]。通過對(duì)不同偏移距離的光譜進(jìn)行多變量數(shù)據(jù)分析，能夠得到各層的干凈的拉曼光譜。但是，多變量數(shù)據(jù)分析需要大量的不同偏移距離的光譜數(shù)據(jù)，采集時(shí)間長、處理時(shí)間長，不利于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)[5]。

本文首先介紹空間偏移拉曼光譜技術(shù)的原理，然后通過設(shè)計(jì)搭建空間偏移拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置，分別采用傳統(tǒng)方式和空間偏移方式對(duì)容器內(nèi)樣品進(jìn)行拉曼光譜的測(cè)量和對(duì)比分析，以期證明空間偏移拉曼光譜技術(shù)在不透明、有色容器內(nèi)樣品檢測(cè)方面的可行性，并對(duì)空間偏移拉曼光譜的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行研究。

1 原理與方法

傳統(tǒng)拉曼光譜采集方式如圖1(a)所示，激光入射點(diǎn)與拉曼光譜采集點(diǎn)重合，都位于樣品表面上。傳統(tǒng)方式非常容易受容器壁的熒光和拉曼散射光干擾，很難用于不透明、有色容器內(nèi)樣品的檢測(cè)。

圖1 空間偏移拉曼光譜的原理示意

空間偏移拉曼光譜采集方式如圖1(b)所示，拉曼光譜采集點(diǎn)與激光入射點(diǎn)有橫向偏移，但都位于容器表面上。其理論依據(jù)是： 光子在介質(zhì)內(nèi)部的遷移方向具有隨機(jī)性，與表層相比內(nèi)部深層處產(chǎn)生的拉曼散射光子在擴(kuò)散過程中更易于橫向遷移，因此偏離激光入射點(diǎn)不同距離的拉曼光譜包含了不同深度層的拉曼光譜信息[6]。當(dāng)空間偏移Δx=0時(shí)(即傳統(tǒng)方式)，此處激光光子密度最大，采集到的拉曼光譜主要來自容器壁(表層)的熒光和拉曼散射貢獻(xiàn)； 當(dāng)空間偏移Δx≠0時(shí)(即空間偏移方式)，采集到的拉曼光譜中來自樣品(深層)的熒光和拉曼散射貢獻(xiàn)更大，也就是說來自容器壁的熒光和拉曼散射被抑制了。

需要指出，雖然容器壁的熒光和拉曼散射貢獻(xiàn)逐漸降低，但是不可能完全消除，因此不能直接在原始光譜中得到樣品的干凈的拉曼光譜，需要采用合適的數(shù)據(jù)處理方法提取干凈的拉曼光譜[7]。

2 實(shí)驗(yàn)部分

為了能夠同時(shí)測(cè)量傳統(tǒng)拉曼光譜和空間偏移拉曼光譜，搭建的空間偏移拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置如圖2(a)所示。激光器通過光纖連接到激發(fā)探頭上，探頭的工作距離為7.5 mm，在容器壁表面會(huì)聚的激光光斑大小為200 μm。產(chǎn)生的拉曼光通過收集探頭接入到光譜儀的入射狹縫處，探頭工作距離為10 mm，OD>8。所用激光器為譜鐳光電的SPL-LASER-785，波長785 nm，連續(xù)輸出功率0～500 mW可調(diào)，線寬小于0.2 nm。所用光譜儀為Ocean Optics公司的QE65PRO光譜儀，狹縫寬度50 μm，工作光譜范圍651～1 019 nm，對(duì)于785 nm的入射激光其對(duì)應(yīng)的拉曼頻移范圍-2 622.1～2 925.4 cm-1。對(duì)于785 nm的入射激光來說，上述光譜儀并非最優(yōu)的，但是該光譜儀是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已有的，而且測(cè)得的拉曼頻移能滿足使用需求(0～2 000 cm-1)。

激發(fā)探頭和收集探頭的焦點(diǎn)均在容器壁表面上，兩者偏移距離為Δx，如圖2(b)所示。激發(fā)探頭和收集探頭固定在六維光學(xué)調(diào)整架上，通過調(diào)節(jié)左右實(shí)現(xiàn)不同的空間偏移距離。實(shí)驗(yàn)裝置中探頭能調(diào)節(jié)的偏移距離是-1.0～10.0 mm，偏移為零時(shí)是傳統(tǒng)拉曼光譜儀的工作方式。

使用青色、不透明的1 mm厚PMMA平板來模擬容器壁。待測(cè)樣品為碳酸鈣(CaCO3)粉末，置于樣品倉內(nèi)。激光功率設(shè)為155 mW，光譜儀的積分時(shí)間設(shè)為10 s，每次測(cè)量采集10條光譜進(jìn)行平均。

圖2 空間偏移拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置

3 結(jié)果與討論

通過7階多項(xiàng)式擬合去除原始光譜中的基線(熒光)[8-9]，得到不同空間偏移的拉曼光譜如圖3所示。作為對(duì)比，將PMMA和CaCO3的拉曼光譜也畫在圖中?？梢悦黠@觀察到隨著偏移距離的增加(圖中右側(cè)數(shù)字)，容器壁(PMMA)和樣品(CaCO3)的光譜貢獻(xiàn)變化趨勢(shì)不一致。

圖3 不同空間偏移的拉曼光譜信號(hào)

PMMA和CaCO3拉曼光譜強(qiáng)度隨偏移距離的變化趨勢(shì)如圖4(a)所示。光譜強(qiáng)度的計(jì)算方式為3個(gè)最高峰的平均值。PMMA選取的3個(gè)峰為： 812.6，1 450和1 529 cm-1，CaCO3選取的3個(gè)峰為： 1 084，278.4和710 cm-1。圖中可以看出，隨著Δx增大，PMMA信號(hào)強(qiáng)度快速下降，而CaCO3信號(hào)強(qiáng)度先上升后緩慢下降。這導(dǎo)致了如圖4(b)所示的光譜強(qiáng)度比值(CaCO3/PMMA)隨偏移距離的變化趨勢(shì)，在Δx等于1.2 mm時(shí)達(dá)到最大值，隨后基本不變。由于光譜儀噪聲基本不變，隨著Δx增大，光譜信號(hào)不斷降低，信噪比也隨之降低，因此對(duì)于此次樣品，探測(cè)效果最優(yōu)的偏移距離為1.2 mm。實(shí)驗(yàn)中PMMA平板和CaCO3粉末是均勻厚度、各向同性的，因此這個(gè)比值并不依賴于空間偏移的方向，只與偏移大小有關(guān)，即零偏移兩側(cè)是對(duì)稱的。圖4(b)中曲線存在輕微的不對(duì)稱是由于光束斜入射導(dǎo)致的，斜入射時(shí)的光斑不再是對(duì)稱的圓形，而是不對(duì)稱的彗星狀光斑。

圖4 拉曼散射信號(hào)與空間偏移的關(guān)系

Fig.4ThedependenceofRamanbandintensitiesonthespatialoffset(a),theRamanbandintensityratio(CaCO3/PMMA) (b)

在容器和樣品材質(zhì)未知的情況下，采用比例相減的方法仍可以得到各層干凈的拉曼光譜。首先選擇零偏移和最優(yōu)偏移距離處的拉曼光譜，如圖5中的“Offset 0 mm”和“Offset 1.2 mm”。零偏移處的光譜為SP0，最高峰代表的是容器壁的拉曼特征，其值為v01，拉曼頻移為x01(圖中虛線所在位置)。最優(yōu)空間偏移處的光譜為SP1，對(duì)應(yīng)拉曼頻移x01處的值為v11，則樣品的拉曼光譜RS1為

RS1=SP1-SP0×v11/v01

(1)

樣品的拉曼光譜RS1的最高峰代表的是樣品的拉曼特征，其拉曼頻移為x12(圖中點(diǎn)劃線所在位置)，光譜SP1中對(duì)應(yīng)位置的值為v12，光譜SP0中對(duì)應(yīng)位置的值為v02，則容器壁的拉曼光譜RS0為

RS0=SP0-SP1×v02/v12

(2)

計(jì)算得到的PMMA光譜和CaCO3光譜如圖5中的“Cal. PMMA”和“Cal. CaCO3”所示，已經(jīng)非常接近純凈物“PMMA”和“CaCO3”的拉曼光譜了。

圖5 比例相減法求得雙層結(jié)構(gòu)樣品的各層的拉曼光譜

Fig.5Ramanspectraobtainedfromaproportionalsubtractionwiththezeroand1.2mmoffset

4 結(jié) 論

通過設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)容器內(nèi)樣品的拉曼光譜進(jìn)行測(cè)試，分析發(fā)現(xiàn)隨著空間偏移的增大，容器壁(PMMA)的拉曼散射強(qiáng)度快速下降，而樣品(CaCO3)的拉曼散射強(qiáng)度先上升后緩慢下降。對(duì)于此次樣品，在空間偏移1.2 mm處兩者的比值(CaCO3/PMMA)達(dá)到最大值，此處探測(cè)的效果最佳。采用比例相減法，對(duì)零偏移和最優(yōu)空間偏移兩處光譜進(jìn)行計(jì)算，得到干凈的PMMA和CaCO3的拉曼光譜。結(jié)果表明，空間偏移拉曼光譜技術(shù)能有效的抑制容器產(chǎn)生的熒光和拉曼散射，從而準(zhǔn)確識(shí)別不透明、有色容器內(nèi)的樣品，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)拉曼光譜技術(shù)這方面的缺陷。研究結(jié)果證明了空間偏移拉曼光譜技術(shù)在不透明、有色容器內(nèi)樣品的檢測(cè)方面的潛力，也為空間偏移拉曼光譜儀的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供依據(jù)。