物镜和共焦孔径对激光显微拉曼光谱的影响.pdf

物镜和共焦孔径对激光显微拉曼光谱的影响汪涓涓，林怡，余靓，刘文涵*（浙江工业大学化学与材料工程学院，浙江杭州 310014）摘要：摘要：采用不同的光学物镜与选用不同的共焦孔径对显微激光拉曼光谱的检测，将会产生不同的影响。本文考察了 20、50、100 倍三种不同倍数的物镜，与 50-1000 m 共焦孔径配合时对拉曼光谱的影响。结果表明，100 倍物镜采集的拉曼光谱信号的信噪比高于 20 倍和 50倍的物镜。在非“光学切片”断面测定时，使用 100 倍物镜与 300 m-400 m 共焦孔径配合使用，可以得到相对较好的拉曼光谱信号。关键词：关键词：物镜，共焦孔径，激光显微拉曼光谱，信噪比 中图分类号：O657.37 文献标识码：A Effect of object lens and Hole on the Laser Raman spectra WANG Juan-juan,LIN Yi,YU Jing,LIU Wen-han*(College of Chemical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 30014,P.R.China)Abstract：There were different effects on the Laser Raman spectra when we used the different object lenses and holes.The effects of three different object lenses such as 20、50、100 times and the holes from 50 to 1000 m on the laser Raman spectra have been studied when they collected the signals.It showed that the signal noise ratio(SNR)of 100 times object lens was better than the 20 and 50 times.In non-optical sections detect,use the 100 times object lens and the hole of 300-400 m would get better Raman signal.Key word：object lens,Hole,Laser Raman spectra,SNR 前言 激光显微拉曼光谱仪是一种新型的无损检测仪器，可以进行微区分析1，亦用于固体、液体、塑料薄膜等多种形态的无机材料和有机物质的结构组成分析，与红外光谱有着一定的互补性2-3。近十年来，由于拉曼光谱仪商品化和以其性能日益提高，拉曼光谱仪的研究和应用得到迅猛的发展。共焦显微术已在拉曼光谱分析中广泛应用。它不但可以观测样品同一层面(平面)内不同微区的拉曼光谱信号，还能分别观测样品内深度不同的各个层面的拉曼信号，从而在不损伤样品的情况下达到进行“光学切片”的效果。共焦显微拉曼谱，在表面物理、电化学、半导体、纳米结构、薄膜材料等诸多研究领域都已成为重要的一种观测手段4；对于生物样品的观测5，矿物或宝石内包裹体的无损检测6，刑侦物证的分析7，以及古代文物特别是书法 收稿日期收稿日期：2009-8-20；修订日期：修订日期：基金项目：基金项目：本文系浙江省重中之重学科开放基金（No 20050505）和浙江省分析测试基金(2007F70007)资助 第一作者简介：第一作者简介：汪涓涓（1979-），女，助理工程师，在读研究生（导师刘文涵教授）。*通讯联系人 E-mail:LiuWH 绘画和某些器物涂覆层的分层鉴定研究8，也起着举足轻重的作用。在进行“光学切片”断面检测时，采用不同的光学物镜和选用不同的共焦孔径将会产生不同的效应，为了考察不同的物镜和不同的共焦孔径对显微激光拉曼光谱的影响，本文进行了研究。1 实验部分 1.1 仪器与试剂 LabRAM HR UV 激光共焦显微拉曼光谱仪（法国 Jobin Yvon）。激发光源：785.18 nm近红外半导体激光器；光栅刻线数：600 线/mm。物镜：100X/0.90，50X/0.75，20X/0.40，10X/0.25，L50X/0.55 显微物镜；共焦孔径(hole)：50-1000 m；光信号采集时间：2s。样品：单晶硅片。1.2 实验方法 将硅片放在激光拉曼光谱仪的置物台上，选择好所需的物镜，共焦孔径，信号采集时间等数据。通过电脑显示屏的影像窗口调整使激光聚焦于硅片表面，采集各种不同条件下拉曼光谱图。2 结果与讨论 2.1 不同物镜倍数与拉曼光谱图的影响 采用相同共焦孔径 300 m，不同的物镜倍数，采集的拉曼光谱如图 1 所示。从图 1 中可看出，测得的拉曼光谱强度物镜 50 倍的比 20 倍的强度大，但基线较高，背景噪声大。100倍物镜对应的拉曼光谱噪声低，峰形好。这是因为 100 倍物镜数值孔径(Numerical Aperture)比 50 倍物镜和 20 倍物镜的都要大。显微物镜的数值孔径大，通光量大，不仅可以提高空间分辨率，还能增大其收集拉曼散射信号的立体角。400500600700800050010001500200025003000Intencity(cnt)Raman shift(cm-1)*100*20*50 图 1 不同物镜倍数对拉曼光谱的影响图 注：共焦孔径 300m，物镜 20，50，100 倍 Fig 1.the Raman spectra of object lenses with 20,50,100 times,hole 300 m 2.2 不同共焦孔径对拉曼光谱的影响 50004008001200Intencity(cnt)Raman shift(cm-1)1000 300 500 100*1001000500300100 图 2 不同共焦孔径对拉曼光谱的影响 注：物镜 100 倍，共焦孔径 100，300，500，1000m，样品：单晶硅片 Fig 2.the Raman spectra of hole 100,300,500,1000 m,the 100 times object lens 图 2 是不同的共焦孔径对拉曼光谱的影响图，从图中可以看出，拉曼光谱的强度随着共焦孔径的加大而逐渐增强，但同时其噪声也在逐渐增高。其原因是：随着共焦孔径的增大，通过光阑进入检测器的拉曼光信号在逐渐增加，所以拉曼光谱的强度随之增加；但是，共焦孔径增大后，进入检测器的干扰光也随之增强，因此噪声也逐渐增高。图 3 是选用不同的共焦孔径对拉曼光谱的影响关系图，从图 3 中可以看出拉曼信号强度随着共焦孔径的增大而增大，在 300 m 以上时，基本趋于稳定达到最大值，这是由于聚焦后的光斑几乎完全通过共焦孔径，当小于 300 m 有部分被阻挡而减弱。用 50 倍物镜所得到的拉曼光谱的峰高比 100 倍物镜得到的峰高要高出许多，但从图 1 中可以看到 50 倍物镜所得拉曼谱图的基线要比 100 倍物镜的拉曼谱图的基线高得多，而且基线波动很大，噪声高，这是由于其固有的物镜的数值孔径决定的。02004006008001000020040060080010001200140016001800Hole(m)Peak Height 10050 20 图 3 拉曼光谱峰高与不同共焦孔径关系图 注：物镜 20，50，100 倍 Fig.3 the Raman spectra of different holes 实验结果表明，当进行非“光学切片”测定时，选择 100 倍显微物镜和选择 300-400 m的共焦孔径，拉曼光谱信号相对较强，且噪声不是很高，这样可以提高测定结果的准确性与可信度。当进行“光学切片”断面测定时不能选择“大孔经”，具体选用哪个物镜和多大的孔经应根据实际测定的情况进行选择。3 结论 经过选择不同的物镜和共焦孔径对显微激光拉曼光谱影响的研究，表明 100 倍物镜所得到的激光显微拉曼光谱信噪比高，50 倍物镜次之；在非“光学切片”断面测定时，共焦孔径使用 300-400 m 的共焦孔径得到的拉曼光信号强且背景干扰光对拉曼信号的影响相对较小。参考文献 参考文献 1 施玉珍，陈志春，林贤福.拉曼光谱与红外光谱无损检测技术新进展J.分析化学，2005，33(2)：272-276。2 Ian R.Lewis,Howell G.M.Edwards.Handbook of Raman spectroscopy:from the research laboratory to the process line.New York:Marcel Dekker,c2001 3 J.Michael Hollas.Modern Spectroscopy(fourth edition)M.England:Wiley,c2004。4 骆智训，方炎.表面增强拉曼散射光谱的应用进展J.光谱学与光谱分析，2006，26(2)：358-364。5 周增会，王桂英，徐至展.表面增强拉曼光谱术在生命科学及单分子研究中的应用与进展J.激光与光电子学进展，2005，42(10)：9-13。6 范建良，郭守国，刘学良等.拉曼光谱在红宝石检测中的应用研究J.应用激光，2008，28(2)：150-154.7 王志勇，邹洪，叶能胜等.油墨的分析鉴定研究进展J.分析科学学报，2008，24(6)：713-717。8 田兴玲，周霄，高峰.无损检测及分析技术在文物保护领域中的应用J.无损检测，2008，30(3)：178-182。联系人：姓名：刘文涵 工作单位：浙江工业大学化材学院，310014，浙江省杭州市下城区潮王路 18 号 手机：[phone] 电子邮箱：