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拉曼光谱仪常见的10个问题及解答

发布时间:2019-12-09

当你第一次使用拉曼光谱仪或操作软件时,经常会遇到一些所谓的共同问题的困扰。实际上这些所谓的问题可以用十分简单的方法解决。下面列出一些常见的问题和解决方法,可使你不必翻查仪器说明书或联系仪器维修工程师。


1

为什么仪器不工作?

不管是新手或是有一定操作经验的实验员在使用仪器的过程中或多或少会碰到这个所谓的“严重”问题。实际上解决的办法非常简单,下面总结列出了一些常见的导致你不能得到一张拉曼谱图的原因,如果你不喜欢动手调整仪器或操作激光,那么就顺序检查下列各项以保证仪器和所有附件都正确接通。

检查仪器和所有附件插座都插好并接通电源。

保证激光器(如果附带电源)都插好并接通,由于激光器有不同种类,可参照每个激光器的说明书获取进一步的帮助。

在有两个或多个激光器的系统中,确保联锁系统设置在正确的位置上,正确的激光器被接通。

检查仪器的外罩处于安全的关闭状态,联锁装置正在运转。

如果以上操作都已经检查过,你就可以准备进行光谱测试了。将样品放置在显微镜下,启动光谱操作软件,如果你仍不能得到光谱,检查下面各项。

保证样品被正确地放置在显微镜下,即样品被精确地聚焦并照射在样品正确的位置上。测量时经常需改变不同的测试区域以避免因样品不纯带来一些非期望结果的可能。

保证激光正确辐照在样品上,保证显微镜光圈的孔径设置正确并处于正确的位置上(不同品牌的拉曼光谱仪按各自的要求处理)。

检查所有软件窗口的设置是否正确

检查成像区域设置窗口的数值并保证激光像点处于该区域的中心。标准成像区域应该是激光像点中心垂直方向两边各10个像元。检查狭缝的设置,当进行标准操作时,狭缝应为50μm。

如果CCD探测器饱和了,你将得不到任何有用的信息。可采用降低激发光功率或提高仪器的共焦程度来避免。

当检查完上述各项后,你应该可以得到一张样品的拉曼谱图。如你仍然不能得到谱图,可先尝试测试单晶硅的拉曼谱。单晶硅是良好的拉曼散射体,可以用来帮助验证仪器的性能。如果用单晶硅样品可以获取硅的520cm-1峰,再尝试测试样品。现在你可以得到样品的拉曼信号,但可能噪声较大。在这种情况下,可参照Q4的建议来提高信噪比和信背比。


2

为什么我得到的光谱中总是有随机的、尖锐的谱线?

这些谱线一般被认为是宇宙射线。宇宙中的高能粒子辐照在CCD探测器上会导致电子的产生进而被相机解释为光的信号。宇宙射线在时间和产生的光谱位移上完全是随机的,它们有很大的强度、类似发射谱线、半高宽较小(<1.5m-1)。为确认宇宙射线的存在,你可马上重新扫描光谱会发现峰的消失。如果谱线依然存在,则很有可能是室内光线的干扰,可参见Q3问题的解答。

宇宙射线随着扫描曝光时间的增加出现的概率会增加,因此当你长时间扫描一个光谱时,必须避免宇宙射线在光谱中的出现,这可以通过软件中宇宙射线去除能完成。这是一些软件中包含的实验设置功能,当使用时,将在同一样品位置扫描三次(相当于积分三次),软件将比较这三次扫描获得的光谱并去除没有在所有光谱中出现的尖锐峰。


3

我总是在测试时得到一些位置重复的、尖锐的谱峰,为什么?

当你在重复测试一个样品时发现有一些尖锐谱线在相同的位置重复出现时,可以排除它们是宇宙射线的可能(因宇宙射线的位置足随机的)。这些重复的尖锐谱线通常来自日光灯的发射或CRT显示器的磷光发射,尤其当用长工作距离的物镜时问题更严重。它们也可能来自气体激光器发射的等离子线,需仔细鉴别。

拉曼光谱中的荧光干扰来自于汞的发射,可以将室内的日光灯关闭或在较暗的白炽灯下工作。仪器室内应尽可能暗。简单的做法是将仪器室装饰成暗房样式,以避免任何来自所谓白光发射的无数反常规的发射谱线。

磷光线的干扰主要是CRT显示器上所镀磷光物质引起。如发现此种情况,可将CRT显示器关掉或将荧光屏的亮度调暗。需要牢记的是:这些发射谱线的绝对波数值永远是在同一个坐标值上,当转换不同波长激光激发时它们在拉曼谱上的位置是随着移动和改变的。

当上述方法都不能解决问题而你正在使用514nm激光进行激发时,检查等离子线滤光片是否已经插上。在其它激光配置系统中,要么不需要检查,要么激光器上已经包含了滤光片。


4

为什么测试时一些光谱给出十分强的背景信号,而这些信号湮盖了拉曼信号?

一些发荧光或磷光的样品在测量时会给出非常高的背景光谱。令人遗憾的是这些是样品材料的本征性质,是激光辐照下无法避免的结果,而且通常情况下荧光比拉曼信号更强。尽管这样,我们仍可采取一些措施减少或减轻荧光副作用。

猝灭:一些样品可采用测试前将激光辐照在表面一段时间对荧光进行猝灭以减小荧光光谱的背景增强拉曼信号。猝灭的时间根据样品不同可从几分钟到几小时。值得注意的是:猝灭效应是呈指数衰减的,一开始就可观察到。

共焦模式:采用共焦模式测量强光下辐照的小体积样品时荧光将会大大降低。该法也同样适合有荧光衬底的样品,例如被荧光物质基体包裹的样品。

改变激发激光的波长:有时改变波长是唯一可行的避免荧光干扰的方法。对用可见光激发的系统,荧光都是一个头痛的事情,将激发波长移至紫外或近红外区域很可能解决或减少此类问题。

如果拉曼实验室里有太多的室内光源比如荧光、白炽灯或日光灯等,这会在测试光谱上出现不必要的背景信号。因此在测试的时候应将室内光关闭或降到最小或用遮光罩将样品台罩住以避免外界的杂散光进入光谱仪。


5

为什么待测样品的信号很弱?信噪比很差?

当进行样品测试时发现拉曼光谱信号很弱,首先要检查样品是否正确放置在显微镜下并且处于聚焦状态。你也可以将测试区域移到样品的另一个部位。同时检查仪器是否处于常规状态而不是处在共焦状态。如果激光功率小于100%,应尝试提高功率增强信号。如果光谱噪声很大,可采用增加扫描积分时间或积分次数来提高信噪比。

增加扫描积分时间可以让CCD获取更多的拉曼信号,增强整个无关噪声的特征。该法适宜于当背景和拉曼信号都低的情景。当两者都不强时,增加积分时间只会增加CCD探测器饱和的机会。

对几个特定的扫描光谱进行数据叠加可以增强随机背景噪声下的拉曼信号,增加信噪比。

适当选择扫描积分时间和积分次数可获得最大可能的曝光度增加信噪比。不过要注意一点:信噪比跟积分次数的平方根成正比,叠加四次可获得二倍信噪比的提高。

另一个与信噪比密切相关的参数是信背比。如果背景部分很高,将会湮盖拉曼信号只给出系统噪声。


6

怎样避免被测试的样品被激光烧毁?

当你进行样品测试时,激光照射在样品表面的能量是非常大的,尤其在采用NIR或UV激光激发时。尤其是一些样品在光照下对热或光是十分敏感的,这会导致测量信号包含样品烧毁后的特征,而不是样品本征的信号(例如,非晶碳膜在1500cm-1波数附近的本征峰在强光激发时会显示出石墨化的碳峰)。通常遇到这样的问题时,可在样品测试前后通过显微镜白光像观察样品表面是否发生明显变化,因此需选择正确的激光功率来进行测试。

为避免样品表面烧毁,在开始测试时应选用较低的激发功率,尤其用NIR或UV激光激发时。在保证样品不被烧毁的前提下可提高激发功率以得到最强的信号。当激光功率衰减到1%仍无法避免样品烧毁时,可考虑转换低倍物镜以降低照射在样品表面的功率密度。另外还可采用欠焦照射模式或线聚焦照射模式。如果问题是由于高功率二极管激光器引起的,可考虑转换成低功率可见激发系统。


7

当你测试的样品是液态、粉末或体积非常大时怎么办?

液体样品可采用毛细管或液体池或直接将液体滴在载玻片上进行测试,粉末样品可取少许放置在载玻片上进行测试,固体大样品可由仪器公司提供的大样品台进行测试。


8

当你的样品需要在不同高压下测试怎么办?

可向仪器公司购置或在国内相关单位订制一套拉曼高压样品测试池来对你的样品进行高压测试。


9

当你想进行偏振拉曼测量时该怎么办?

应配置一套偏振片和半波片进行测试,偏振拉曼可帮助你对分子振动的对称性进行检测。


10

为什么将测试样品放置不同取向时得到的拉曼谱图不相同?

这是因为入射激光照射在样品表面不同晶面取向上引起的。采用四分之一波片对激光进行扰偏可帮助去除方向效应。一般可向仪器公司或其它提供光学元件的公司购买四分之一波片。

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