中階梯光柵-平面鏡型空間外差拉曼光譜儀對無機(jī)化合物的探測

邱俊，陳晉，彭榮超，李澤臻，董理，許嘉悅，嚴(yán)燕麗，林林，張懷岑，吉日嘎蘭圖，李曉天*，齊向東

(1.廣東醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 東莞 523808；2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；3.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所, 江蘇 蘇州 215163；4.廣東外語外貿(mào)大學(xué)，廣東 廣州 510420；5.廣東省人民醫(yī)院，廣東 廣州 510080)

1 引言

拉曼散射最開始是由印度物理學(xué)家拉曼發(fā)現(xiàn)并根據(jù)其名字所命名的一種散射效應(yīng)。當(dāng)光與樣品分子作用時(shí)，會發(fā)生非彈性散射和彈性散射，其中非彈性散射的一部分光子與樣品分子能量進(jìn)行交換并且頻率發(fā)生改變的光散射是拉曼散射。由于散射效應(yīng)過程產(chǎn)生的拉曼信號很弱， 最開始很難被獲得。直到激光技術(shù)逐漸成熟，使得拉曼技術(shù)得到快速的發(fā)展。拉曼光譜被成為“指紋”光譜，可以區(qū)分和識別不同物質(zhì)的成分和化學(xué)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為化學(xué)物質(zhì)鑒別和鑒定的一種有效分析方法。拉曼技術(shù)的快速、非侵入、適用溶液、無需樣品制備等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛用于制藥、化工、地質(zhì)、考古學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域[1-5]。

拉曼光譜儀作為收集拉曼信號的核心部分，在拉曼系統(tǒng)中承擔(dān)著重要的作用?？臻g外差拉曼光譜儀作為一種靜態(tài)傅里葉光譜儀，也是一種新型的空間調(diào)制干涉型光譜儀，它在邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上，分別用兩個(gè)衍射光柵代替干涉臂的平面反射鏡，而不需要移動(dòng)光柵?？臻g外差拉曼光譜儀結(jié)合了光柵的空間衍射特點(diǎn)和傅里葉光譜儀的高分辨率特點(diǎn)，使得具有光學(xué)結(jié)構(gòu)緊湊因而體積小重量輕和高分辨率等特點(diǎn)[6-8]。對于空間外差拉曼光譜干涉條紋數(shù)據(jù)采集進(jìn)行傅里葉變換中，根據(jù)Nyquist采樣定理，當(dāng)探測器水平方向的像元數(shù)目一定，空間外差拉曼光譜技術(shù)的光譜分辨率和光譜探測范圍是相互制約的一對變量[9-11]。具體而言：如果要達(dá)到寬光譜探測要求，那么光譜分辨率就會降低；反之， 如果滿足高光譜分辨率探測要求，那么光譜探測范圍變小。然而，隨著拉曼光譜探測的要求越來越高，為了同時(shí)滿足高分辨和寬波段的拉曼光譜探測，我們給出了一種中階梯光柵-平面鏡型空間外差拉曼光譜技術(shù)以解決上述空間外差光譜技術(shù)無法同時(shí)滿足高分辨和寬波段探測要求的問題。

本文中，根據(jù)中階梯光柵可以進(jìn)行多級次衍射的特點(diǎn)，因此每個(gè)衍射級次分別會有各自的探測范圍，總的光譜探測范圍得到拓展，最后設(shè)計(jì)并搭建了中階梯光柵-平面鏡空間外差拉曼光譜實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)中， 采用了中階梯光柵的四個(gè)衍射級次，對中階梯光柵進(jìn)行旋轉(zhuǎn)將衍射級次 在探測器垂直方向分開而不不產(chǎn)生混疊，使用標(biāo)準(zhǔn)汞燈光源進(jìn)行定標(biāo)，最后對光譜儀進(jìn)行光譜定標(biāo)，可得到實(shí)際儀器和理論設(shè)計(jì)相符合的參數(shù)。最終，使用該儀器進(jìn)行拉曼光譜實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了有機(jī)化合物進(jìn)行了高光譜 分辨率、寬光譜的拉曼檢測和分析。

2 空間外差拉曼光譜技術(shù)基本原理

圖 1(a)為中階梯-平面鏡空間外差拉曼光譜儀結(jié)構(gòu)，當(dāng) 532 nm 連續(xù)激光由分束棱鏡、平面反射鏡和二向色鏡后，激光照射在拉曼樣品上， 產(chǎn)生的瑞利散射和拉曼散射信號。瑞利散射光由短通濾波和長通濾波片進(jìn)行阻擋是的拉曼信號進(jìn)入空間外差光譜儀內(nèi)部的干涉部分，并由分束棱鏡進(jìn)行分束。在包含平面反射鏡的干涉臂中，拉曼光被平面鏡反射回到分束棱鏡；另外包含中階梯光柵的干涉臂中，拉曼光由中階梯光柵的多個(gè)衍射級次進(jìn)行衍射，小角度的繞 XOZ 平面的x軸旋轉(zhuǎn)中階梯光柵將寬波段的拉曼光在空間上進(jìn)行分開。最終，這兩個(gè)干涉臂的拉曼光信號匯聚后進(jìn)行相干，在干涉的出口出存在夾角為γ的波前，經(jīng)由成像系統(tǒng)將干涉條紋成像到探測器 CCD 上，探測器上的干涉信號函數(shù)可寫為：

(1)

由上式可知，干涉光的光強(qiáng)分布只在x方向上由變化，干涉光函數(shù)I(x) 為入射光譜函數(shù)B(σ)的傅里葉余弦變換，通過傅里葉變換就可以獲得入射光的光譜B(σ)。

中階梯光柵-平面反射鏡型空間外差拉曼光譜儀的分辨能力由光柵的分辨率所決定：

(2)

式(2)中，δσ為光譜分辨率，W為干涉圖在探測器上成像的寬度。若探測器在x水平的方向上為N個(gè)像元數(shù)目，且旋轉(zhuǎn)一定小角度，那么中階梯光柵-平面反射鏡型空間外差拉曼光譜儀中的使用中階梯光柵單個(gè)衍射級次的光譜寬度Δσ為：

Δσ=Nδs

(3)

式(3)中，當(dāng)使用中階梯光柵中的的衍射級次數(shù)量為M個(gè)，并且相鄰的兩個(gè)衍射級次對應(yīng)的光譜區(qū)域不分離也沒有重疊的光譜部分時(shí)，如果使用了M個(gè)衍射級次，那么，中階梯光柵-平面反射鏡型空間外差拉曼光譜儀的總光譜范圍可以擴(kuò)展為：

Δσ=MNδσ

(4)

從式(4)可知，中階梯光柵-平面反射鏡空間外差拉曼光譜的探測范圍只需要在保證單個(gè)衍射級次對應(yīng)的高分辨率情況下，根據(jù)寬波段探測范圍的需求，即可同時(shí)能夠保證探測光譜具有高分辨率、寬波段的探測。

3 定標(biāo)與實(shí)驗(yàn)

定標(biāo)結(jié)果的計(jì)算跟以往定標(biāo)相似，簡而言之，如圖1(c)所示,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，得到圖1(d)對應(yīng)汞燈的576.961 nm譜線產(chǎn)生了第144行的干涉條紋，579.067 nm譜線產(chǎn)生了第175行的干涉條紋，計(jì)算得到儀器的理論分辨率為1.033 cm-1，單個(gè)衍射級次對應(yīng)的波段寬度為1058 cm-1。通常無機(jī)物在三千波數(shù)附近仍存在拉曼峰，因此中階梯光柵被使用的衍射級次至少是四個(gè)。

圖1 中階梯光柵-平面反射鏡型空間外差拉曼光譜儀示意圖(a)和實(shí)物圖(b);光譜儀獲得的汞燈干涉圖(c)和光譜傅里葉變換還原后的頻譜圖(d)Fig.1 Schematic of EMSHRS system (a) and Layout of EMSHRS breadboard instrumentation (b); Raw interferogram of mercury lamp (c) and recovered spectrum of mercury lamp (d)

如圖2為異丙醇、正戊烷和正辛烷三種無機(jī)樣品的拉曼光譜。異丙醇的拉曼光譜在 819 cm-1、953 cm-1、1144 cm-1、1455 cm-1和2923 cm-1附近等處具有特征峰，其中位于 819 cm-1最顯著特征峰來源于異丙醇的C-C-O 鍵振動(dòng)[12]。正戊烷的特征拉曼峰 304 cm-1 為 C-C-C 剪式彎曲振 動(dòng)，838 cm-1為 C-C 伸縮振動(dòng)，1304 cm-1為 CH2彎曲振動(dòng)，1458 cm-1為δ(CH2)振動(dòng), 2887 cm-1為vs(CH3)振動(dòng)模式[13]。由圖 2 中的正戊烷和正辛烷的化學(xué)結(jié)構(gòu)式可以看出，正辛烷只是比正戊烷多一些直鏈?zhǔn)絹喖?基(-CH2)基團(tuán)，因此在對應(yīng)的拉曼光譜圖中，它們的大部分的拉曼峰也 都類似，這與實(shí)際測得的正戊烷和正辛烷拉曼光譜相似的結(jié)果是吻合的。

圖2 正戊烷、正辛烷和異丙醇三種無機(jī)樣品的空間外差拉曼光譜Fig. 2 Raman spectrum ofn-pentane, n-octane and isopropyl alcohol using EMSHRS

4 結(jié)論

中階梯光柵-平面反射鏡型空間外差拉曼光譜技術(shù)在原理上可解決以往傳統(tǒng)空間外差拉曼光譜很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨和寬波段探測的問題，通過設(shè)計(jì)并使用了中階梯光柵的四個(gè)衍射級次，搭建了空間外差光譜儀，實(shí)現(xiàn)了寬波段無機(jī)物拉曼檢測，最后進(jìn)行了相應(yīng)的分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，中階梯光柵-平面鏡型空間外差拉曼光譜技術(shù)可進(jìn)行有機(jī)物的快速、高 分辨和寬波段的檢測，在無機(jī)物檢測相關(guān)方面將會具有良好的應(yīng)用前景。