拉曼光谱分析技术

测量技术篇

第4回 设定光谱系统

发布日期 2013年10月15日

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衍射光栅的刻线数与频率范围和光谱分辨率之间的关系是什么?如果改变缝宽,光谱以及拉曼成像将如何变化?结合分析目的设定光谱系统,可以得到想要测量的准确信息。

 

设定衍射光栅

测量频率范围和光谱分辨率的思考方法

与其他分析法相同,拉曼光谱也需要根据测量目的设定检测系统。今天介绍的光谱仪设定是检测系统的重点。一般的拉曼光谱中,拉曼光谱的检测范围为10~4000cm-1。下图为乙醇的拉曼光谱。如图所示,频率区域大致分为指纹区、无声区、CH・OH区。

ラマンスペクトルの例

单次测量后,是粗略观测全频率区域还是详细观测限定狭小区域的拉曼谱?分析目的不同设定也会有所不同。此外,空间分辨率是拉曼成像的重要因素。具体来说,设定光谱仪时需要选择光谱仪入口的缝宽和衍射光栅。


首先,我们来看衍射光栅。下面是使用焦距为500mm的光谱仪在532nm激发时测量的实例,各衍射光栅测量频率范围的大致如下:

 
相同激发功率测量 刻线数 (gr/mm) 测量频率大致范围 用途
峰值强度↑ 300 ≒4000 cm-1 适用于大致可见的宽频率范围。
600 ≒2500 cm-1 一般情况下,中心频率为2000 cm-1时,检测范围约700 cm-1 ~ 3000 cm-1时可见。
峰值强度↓ 1200 ≒1000 cm-1 适用于指纹区,CH/OH区等测量范围,观测细致的频率位置信息。
2400 ≒200 cm-1 ~ 400 cm-1 适用于测量最详细的频率,如应力偏移测量等。

激发波长和衍射光栅相结合,测量频率范围会相应变化。即便激发波长相同,仪器(厂家)不同,以致光谱仪的焦点距离和衍射光栅的组合不同,所以测量频率范围也会有区别。

 
刻线数和频率范围、强度的关系

不同衍射光栅的刻线数会影响单次测量的频率范围和获得的拉曼强度。区别在于:刻线数越小,单次测量频率范围越宽,拉曼强度越强,但光谱分辨率很低。另一方面,刻线数越大光谱分辨率越高,单次测量的频率范围较窄,拉曼强度也会变弱。用532nm激光测量时其中一个基本标准: 选择300gr/mm测量有机材料,选择600gr/mm测量无机材料,可以捕捉到整条光谱信息。下图以乙醇为例,测量频率的范围和强度,以四氯化碳为例,检测光谱分辨率的实例。



测量频率范围的实例 (样本:乙醇。衍射光栅以外的测量条件全部相同)

波数範囲の例
 

强度实例 (样本:乙醇。衍射光栅以外的测量条件全部相同)

回折格子の例
 

光谱分辨率实例 (样本:四氯化碳。衍射光栅以外的测量条件全部相同)

分光分解能の例
 

设定缝宽

改变光谱仪入口的缝宽,光谱分辨率、拉曼强度会相应变化。是详细观察拉曼谱?还是优先强度缩短测量时间?或者检测感应度界限?不同重点设置会不相同。所以拉曼成像时还需在上述基础上考虑对空间分辨率的影响。

 
一般光谱的变化(光谱分辨率的变化)

下图是变更缝宽时拉曼谱的半高宽值和强度变化图。缩小缝宽,半高宽值会相应变小,可获得较高光谱分辨率。另一方面,扩大缝宽,光谱分辨率变差,拉曼强度则会变强。如果仅判定有无峰值就能达到分析目的,即便扩大缝宽,有时也能得到满意的结果。

 
スリット幅依存性
 
空间分辨率的变化

下图为变更缝宽时的拉曼成像变化图。测量碳纳米管束(CNT)的实例中,仅变更缝宽即可。缝宽为20微米时,可以得到最清晰的拉曼成像。缝宽扩大到50微米、100微米时,CNT的拉曼成像就会变得模糊。


CNT slit:20um

缝宽:20um

CNT slit:50um

缝宽:50um

CNT slit:100um

缝宽:100um