淺析顯微激光拉曼光譜實驗教學(xué)

程學(xué)瑞 張志峰 蘇磊

摘 要 通過開設(shè)激光拉曼光譜實驗，注重基礎(chǔ)理論與基本技能培養(yǎng)，提出了與生活緊密聯(lián)系的實驗內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)研究熱情，增強了學(xué)生的動手能力，提高了實驗教學(xué)效果，探索建立了一套較為完善的激光拉曼光譜實驗教學(xué)方案。

關(guān)鍵詞 激光拉曼光譜 實驗教學(xué) 教學(xué)改革

中圖分類號：G420文獻標識碼：A

Talking about Micro-Raman Spectroscopy Experimental Teaching

CHENG Xuerui, ZHANG Zhifeng, SU Lei

(Department of Technical Physics, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou, He'nan 450002)

Abstract Through the creation of laser Raman spectroscopy experiments, focusing on basic theory and basic skills training, made close contact with live experimental content, stimulate students' interest and enthusiasm for scientific research, to enhance the student's ability to improve the experimental teaching, explore the establishment of a more comprehensive experimental Raman spectra of the teaching program.

Key words Laser Raman spectroscopy; experimental teaching; teaching reform

0 引言

隨著經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，政府對教育投入的力度顯著增加，高等院校的辦學(xué)條件和實驗室建設(shè)得到顯著改善和發(fā)展。先進的技術(shù)設(shè)備和大型分析測試儀器的引入，開辟了特色的研究領(lǐng)域，然而由于大型儀器設(shè)備價格昂貴、套數(shù)少、維修費用高，使得這些儀器主要用于進行科學(xué)研究，很少用于教學(xué)。即使用于教學(xué)，也大都采用是觀摩或者演示實驗，導(dǎo)致儀器使用率低，更嚴重的是本科生參與大型儀器實驗機會少，缺乏使用大型分析測試儀器的實踐能力。因此，如何提高大型儀器的利用率，在服務(wù)于科研的同時又能為高校的教學(xué)和學(xué)科建設(shè)服務(wù)是目前實驗教學(xué)改革當中的一個重要內(nèi)容。

本著提高材料物理專業(yè)的實驗教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生更多的接觸和使用一批大型儀器設(shè)備，有針對性的對本科生開設(shè)了顯微共聚焦激光拉曼光譜實驗。通過對儀器調(diào)節(jié)、測試樣品、譜圖的處理分析等環(huán)節(jié)，增強了對拉曼光譜原理及其應(yīng)用的認識。同時該實驗的開設(shè)也培養(yǎng)了大學(xué)生使用大型分析測試儀器的能力，可以滿足社會對人才的需求，為學(xué)生就業(yè)增加了一條出路。

1 拉曼光譜原理

拉曼散射是光和物質(zhì)相互作用引起的，光子和散射物質(zhì)分子碰撞過程中，散射物質(zhì)可能會從入射光子吸收部分能量或把自身部分能量加到入射光子上去，從而形成新的譜結(jié)構(gòu)。①當光子與分子發(fā)生彈性碰撞時，光子與分子之間沒有能量交換，此時，散射光與入射光頻率相同，這種散射叫瑞利散射，頻率未變的譜線叫做瑞利線。當光子與分子發(fā)生非彈性碰撞時，使散射光頻率與入射光頻率不同，這部分散射叫拉曼散射。②③

由于拉曼光譜反應(yīng)材料本身的分子振動、轉(zhuǎn)動方面信息，是取得分子構(gòu)和狀態(tài)信息的重要手段，同時由于具有高靈敏度、高分辨率以及實時、快速等特點,廣泛用材料表征、食品安全等領(lǐng)域。④

2 拉曼光譜儀的結(jié)構(gòu)

我系配置的拉曼光譜儀是Renishaw inVia顯微共聚焦激光拉曼光譜儀，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要有激發(fā)光源、顯微鏡、探測器、分光光路四部分組成。

光源：由于激光的單色性和方向性好，使其功率可以有很大的提高，即亮度很高，因此現(xiàn)在的拉曼光譜儀的光源幾乎全是激光光源。而該儀器配備了波長532 nm的摻釹釔鋁石榴石激光器，單頻輸出功率為50mW。

顯微鏡：入射光聚光、散射光聚光、樣品架都由顯微鏡完成，可對樣品表面微米區(qū)域分析區(qū)域。共聚系統(tǒng)的反襯度高，橫向分辨率高，并且可以集合自動樣品進行二維掃描和成像。

探測器：拉曼信號都非常微弱，該微弱信號檢測、放大和顯示由靈敏度很高的多通道探測器件電荷耦合探測器完成。

分光光路：其主要功能是將散射光按能量進行分解，以便可以測量散射光的微分散射截面。采用的是光柵色散型光譜儀，主要由準直、色散和聚焦三部分構(gòu)成。

3 實驗教學(xué)內(nèi)容的確立

結(jié)合拉曼光譜的特點及其在教學(xué)中的難點，經(jīng)過幾年的探索與實踐，不斷更新實驗內(nèi)容和教學(xué)方法，逐步形成了以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體、全面開放的拉曼光譜實驗教學(xué)體系。

3.1 儀器調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)置

按順序打開主機電源、計算機、激光器進入工作軟件環(huán)境，首先自檢和恢復(fù)所有電機的狀態(tài)。硅片校準，調(diào)節(jié)樣品臺聚焦，直到視野中看到清晰的圖像，然后改用激光測量硅片并查看峰位是否為520 ?0.02cm-1。如不是，用軟件中offset工具調(diào)節(jié)校準，直到滿足條件。

校準之后即可放上待測樣品進行測量，選擇合適的聚焦位置、激光功率、積分時間和測試次數(shù)等參數(shù)對提高分辨率和信噪比是很重要的。

聚焦位置：首先在白光照射下，通過目鏡觀察調(diào)節(jié)聚焦位置，然后改用激光并采用靜態(tài)重復(fù)測量模式，通過微調(diào)旋鈕調(diào)節(jié)聚焦位置，當信噪比達到最優(yōu)時為止。

激光功率：在狹縫一定的情況下，可以通過調(diào)節(jié)激光功率大小來提高信號強度和信噪比。熒光背景是一種難以克服的噪聲來源，降低熒光背景一般可采用純化試樣，長時間輻照，改變激發(fā)波長等方法。

積分時間：如果信號較微弱，可通過增加積分時間來提高強度。

測試次數(shù)：如果信噪比較差，可通過增加測試次數(shù)，有效地提高信噪比。

3.2 實驗內(nèi)容

（1）四氯化碳測定：本實驗也是以典型樣品四氯化碳為例進行測試，并與教材上的標準譜圖進行比對，在此基礎(chǔ)上再提供幾種未知樣品及標準譜，讓學(xué)生獨立完成未知樣品拉曼光譜的測試分析和指認，讓學(xué)生基本了解拉曼光譜的特性。

（2）鉆石真?zhèn)舞b別：透明漂亮的戒指和仿寶石飾品備受同學(xué)們的喜愛，但是其材料究竟是不是鉆石，很多同學(xué)并不清楚。目前碳化硅和立方氧化鋯是寶石學(xué)性質(zhì)與鉆石最接近的兩種仿鉆，具有金剛石光澤，硬度也比較高，是最難鑒別的兩種仿鉆石。首先讓學(xué)生對外觀相似的金剛石、立方氧化鋯、合成碳化硅三種未知樣品進行判斷，然后通過拉曼光譜測定和分析比較，對樣品進行指認，驗證大家的判斷是否正確。如圖2所示，在單晶金剛石拉曼光譜中，位于1332 cm-1附近的尖銳拉曼峰是典型的金剛石晶體的結(jié)構(gòu)特征峰。由于兩種仿鉆的材質(zhì)不同，其拉曼光譜與鉆石存在明顯區(qū)別，因此可以通過該方法鑒定鉆石的真?zhèn)?，而且不會對飾品產(chǎn)生破壞，可見顯微拉曼光譜是一種非常有效的鑒別方式。⑤

4 結(jié)語

拉曼光譜實驗是物理實驗中的一個重要實驗，包含很強的理論性和技術(shù)性。經(jīng)過前期的探索和實踐教學(xué)，不斷更新實驗內(nèi)容，最終建立了一套較為完善的拉曼光譜實驗教學(xué)體系,取得了一些積極的效果。通過該實驗，學(xué)生能夠近距離接觸和操作大型科學(xué)儀器，掌握拉曼光譜的基本實驗技術(shù)，進一步認識拉曼光譜的主要特點及其與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。通過該實驗體系的建立，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強了學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力、實際動手能力、提出問題和解決問題的能力等綜合科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)和提高。

注釋

① 軒植華,霍劍青,姚坤等.大學(xué)物理實驗(第四冊).北京:高等教育出版社,2006.6:50-59.

② 肖蘇.大學(xué)物理實驗[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2004.

③ 張樹霖.拉曼光譜學(xué)與低維納米半導(dǎo)體[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

④ 劉清,劉輝文.紫外、紅外及拉曼光譜實驗教學(xué)改革的思考.實驗室研究與探索,2000.2:22-24.

⑤ 吳燁.SiO2系寶石的Raman光譜鑒定法.云南大學(xué)學(xué)報,2008.30:366-368.