新型的激光拉曼光谱系统-inV ia刘竟青(雷尼绍(Renishaw)北京办事处　北京　100028)摘　要　介绍inVia新型拉曼光谱系统的仪器构成、性能和特点,以及inVia拉曼光谱仪和多种微区探测仪器联用的最新发展方向。

关键词　激光拉曼　瑞利滤光片　灵敏度　微区探测仪器的联用 拉曼散射作为一种光和物质的相互作用虽然在上世纪20年代就被预言,尔后又为实验所证实,但专门的拉曼光谱仪器是60年代激光问世后,到70年代才开始得以成为实用的、并且商业化的一种光谱仪器。

而国内则在80年代改革开放后,才逐步认识和推广这种较新的光谱手段。

它主要通过光散射对物质的指纹性的振动谱进行测量,与红外光谱互相补充,对物质进行认证和对其结构进行研究。

随着光电子材料、计算机技术等高科技的发展,拉曼光谱仪在90年代有革新性的新一代,即英国Renishaw公司领先设计并生产以一种全息滤光片为关键器件的新型拉曼光谱系统。

由于这个器件解决激光瑞利散射对较弱的拉曼信号的收集所产生的强干扰,因而新型的拉曼光谱系统是彻底改变80年代只能靠大型长焦距多级光栅光谱仪以及大功率激光组成的复杂的光谱系统进行难度较大拉曼实验工作的局面。

inVia是代表性的最新型号。

10年来,这种新型拉曼光谱系统的问世给用户带来极大的方便,也就使得激光拉曼光谱仪走出高校和研究所作物理和化学的基础研究的实验室,为应用科学、材料科学、工业在线检测以及地质、刑侦、博物馆/文物……乃至为更大范围的人所认识和使用,因而Renishaw对拉曼光谱的应用发展和推广作出不可否认的贡献。

1　新型拉曼光谱系统-inV ia的组成和工作原理 拉曼光谱仪器的必要部分有:激发光源(激光器),激光引入光路的元件(将激光束引向样品),样品室(大样品室或显微样品台),信号光路(将拉曼散射信号引向光谱仪),光谱仪,探测器,及计算机控制部分和软件。

图1是inVia这种新型拉曼光谱仪系统的外形。

图2是它的主要组成部分光路示意图。

90年代Renishaw领先设计的新型激光拉曼光谱系统的实现最根本的是得益于一种特别的全息瑞利滤光片。

因为拉曼信号收集的主要困难在于与激光同频率的瑞利散射比拉曼散射要强10个数量级以上,而拉曼峰又离激光很近。

这种窄带的陷波滤光片(Notch)的特点是,能针对性地将以激光波长为中心的几个纳米的波长范围内的瑞利散射光能量有效地滤除达5到6个数量级之多,而让该波长范围之外的光信号顺利通过。

这样后面只需再用小型光谱仪色散分出光谱,激光用20mW的小型激光器也就够了。

整个系统变得体积小,紧凑,容易整合在一起,进而稳定性大大增强。

加上软件的长足进步,使得新型拉曼光谱系统使用非常方便。

图1　in Via激光显微共焦拉曼光谱系统 inVia(标准型)可不同程度增加自动化部分,升级直至InCia2Re2 flex(全自动型)2　inVia的技术关键点介绍inVia最关键和最具有特色的几个方面。

211　最好的整体灵敏度显而易见,对拉曼散射这种弱信号,整个仪器的灵敏度是第一位的。

inVia首先使用两片瑞利滤光片设计出一个特殊的器件,可滤除达10个数量级之多,而透过率达80%。

用于激光拉曼光谱系统,并申请专利。

这个器件位于光路的“咽喉要道”(见图2),它既起着将引入系统的激光向显微镜方向(即样品处)高效反射(95%)的作用,又让来自显微镜的信号能高效(80%)透过,去到光谱仪和CC D检测器。

53从而实现比其它厂家后来使用别的设计高得多的通光效率。

图2　inVia 拉曼光谱系统的组成部分和光路 2003年以来inVia 上又作新的改进:激光引入光路和信号光路在不同激发光波长之间不再共用,而是配以各激光波长各自优化的光学元件(反射镜、透镜等)。

这样到达样品的激光功率尽可能保持最大,样品的拉曼光谱信号经过从显微镜向CC D 探测器的信号光路中损失也尽可能小,使整个仪器的信号灵敏度又进一步提高。

212　光谱仪部分的特别设计Renishaw 没有采用市场上几乎所有光谱仪(不光是拉曼光谱仪)的两块凹面反射镜与光栅配合的传统设计,而是使用特别的两透镜与光栅配合的光谱仪设计(见图2)。

透镜是在轴(on -axis )的光学元件,成像质量高,可较好地避免像散的缺陷。

因而Renishaw 这台拉曼光谱仪不仅能很好地进行光谱的测量,也达到光学成像所需的品质。

与之相应配套,该仪器具有扩束器,能使到达样品的激光光斑散焦一点扩大尺寸(下面还要专门讲到扩束器及它的其它功能);并采用较为矩形而非长条状的半寸宽的CC D 探测器。

前者使较大的面积上样品能被激光同时激发,从而使拉曼光谱信号能在CC D 二维阵面上快捷地直接成像;后者的选择则为保证光谱和成像的质量,因为相对小的CC D 芯片,可较好地避免边缘可能发生的畸变。

213　扩展式连续扫描的光谱收集模式现今各种使用CC D 多道探测器的光谱仪通常使用分段采谱,再由软件将各段连接起来的光谱收集模式(称为“多窗口”取谱)。

Renishaw 的新型拉曼光谱系统不但具有这种通用的光谱收集模式,更发展另一独具特色的特殊的光谱收集模式2扩展式连续扫描。

在较短的波长范围内收集光谱数据,是“多窗口”还是“连续扫描”取谱看不出多大的差别。

当需要取较长谱段的光谱而且样品在激光照射下有变化时,“多窗口”的各段光谱因收集的时间也是前后分段的,所以衔接处容易出现“台阶”而影响光谱的完整性。

只有一种“多窗口”取谱模式的光谱系统就往往需要备一块低分辨率的光栅,以便一次就得到较宽的光谱,尽量减少接谱的次数。

但CC D 探测器的芯片的尺寸和像元数是固定的,这样就牺牲光谱分辨率。

而连续扫描在时间的变化中虽然也有先后,但光谱的连续扫描和时间的连续变化是同步的,不会造成光谱的不连续。

所以不管多宽的谱段,甚至在需要光谱仪扫过的它的整个波长范围(约600nm ,或9000多波数),全谱段都可使用高分辨的光栅,一直作到底。

而且由于在这种模式下光谱在荧光屏上的连续显现方式与使用光电倍增管(PMT )单道探测器的光谱系统相似,受到不少用户的喜爱。

214　新型共焦技术Renishaw 的新型拉曼光谱系统的创新方面值得一提的是它的新型共焦拉曼技术。

传统的共焦光路的设计有一个针孔,作为空间滤波器。

而Renishaw 使用新的共焦设计(见图3),通过狭缝对焦平面的一维限制和通过对最终在CC D 上的读取信号时对另一维度的信号的限制,同样达到选择样品上相应的小体积的信号。

其共焦效果:完全可以达到横向小于1μm ,深度分辨率约2μm 的空间分辨率。

并且由于这样的光路比针孔式(pinhole )共焦光路中少两透镜一个针孔,信号损失减少。

图3　inVia 拉曼光谱仪的新型共焦光路215　扩束器inVia 的激光光路里设计一扩束器(见图2),所以到样品上的激光光斑尺寸是通过软件连续可调的,样品上功率密度也就同时是连续可调。

减低功率密度,可避免在激光照射下易变化的样品受到损坏。

另一方面激光光斑尺寸的扩大也是212中提到的直接成像功能所必须的具备的配套功能。

63在和一些专家(如江西师范大学的肖新民教授等)的讨论中,对用散焦的大光斑激发样品的用处有进一步认识。

事实上今天大家非常注重微区的探测,因而对激光光斑如何更小和与之相关的拉曼光谱测量的空间分辨率很在意。

但往往不去注意另一方面的需求:对不均匀样品,当1～2μm尺度的个别点的信号不能反映样品的平均情况时,不得不随机地测许多点,来得到对样品状况带统计意义的平均结果。

光斑尺寸的扩大使我们有机会比较方便的对一个面积取得这种实验结果,而不用一点一点地测谱再进行概括性的分析。

inVia具备的扩束功能显示了它的独特的作用。

216　灵活的模块式结构inVia采用模块式的结构,可非常灵活地从基础的配置升级;也可方便地通过选择附件,增加仪器功能。

如:升级到具有不同层次自动化水平的inVi2 aPlus或inVia Reflex型号;从一个激发波长增加到两个或三个激发波长,就可从可见波段扩展到紫外、近红外光谱范围;还可升级到带Renishaw独有的整体拉曼成像(G lobal imaging)的配置。

附件选取也可增加许多功能,选取大样品光路的附件,以便用户测量本身体积较大或置于较大容器中部的样品;由于in2 via不仅仅能测拉曼光谱,同时可探测发光光谱,而发光光谱有时会延展到CC D探测器的光谱响应范围之外。

如选取第二探测器附件,就可以扩展光谱探测的范围;选用XY Z自动平台,可实现逐点扫描的拉曼成像(mapping);还有提供变温、高压等特殊实验条件的附件和远距离测试用的光纤探头,等等。

3　不断发展中的拉曼光谱仪器越来越多的用户在多年对拉曼光谱仪的使用中提供很好的经验和建议,再加上更广泛的应用需求的推动,inVia体现新型的激光显微拉曼光谱系统的不断更新和发展。

其中最重要的有:由于有些用户,尤其是地质方面的用户,希望显微镜有更好的照明及清晰程度,几年前Renishaw把显微镜的配置由原来的Olym pus更换为档次更高的Leica品牌,并且附件配置齐全。

虽然成本提高,但使得使用者的工作更加得心应手,显微镜的效果和质量成为他们选择仪器的一个重要因素。

另一些用户随着研究工作的深化,要求光谱的精确度和重复性更上一层楼。

比如材料上应力变化会表现为拉曼峰的位移。

位移的精确度和重复性直接影响到是否能反映很小的应力变化,进而研究应力的均匀性及其对材料的性能影响。

Renishaw把自己公司其它部门特有的光栅尺反馈技术用于光谱仪的光栅驱动部分的控制和自动平台的机械移动部分,克服马达带动的步进装置都存在的机械间隙所带来的误差,确保光谱仪的精度,指标达到+/-012波数,并可长期保持光谱的高精确度和高重复性。

inVia新的提高还表现在多个常用操作的自动化,主要有:(1)激光光路的准直;(2)改变激发波长时,自动转换去除激光瑞利散射的滤光片;(3)连续改变到样品上的激光光斑尺寸和功率密度。

用户通过计算机软件,可以方便地实现这些操作,大大地节省用户的精力和时间。

更令人振奋的是,这两年Renishaw实现拉曼与其它多种微区分析测试仪器的联用。

有:11拉曼与扫描电镜联用(Raman-SE M);21拉曼与原子力显微镜/近场光学显微镜联用(Raman-AFM/NS OM);31拉曼与红外联用(Raman-FTIR);41拉曼与激光扫描共聚焦显微镜联用(Raman-C LS M)。

这些联用的着眼点是微区的原位检测。

因为现今的研究工作中许多都是针对微区的,当样品从一个仪器获取实验结果后,搬动到另一仪器上,想找回并确定同一微区是很困难的,这样不同仪器上的测试结果也就失去互相比对或互相补充的意义。