如何選擇拉曼光譜的激光波長

拉曼光譜,廣泛應(yīng)用于環(huán)境、安檢、檢驗檢疫、地質(zhì)、物理及化學(xué)等領(lǐng)域的分析技術(shù)

激光波長的選擇是最重要的考慮因素之一。一般來說,拉曼峰的位置與分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān),與激發(fā)波長無關(guān)。從理論上講,您可以使用任何激光波長來測試樣品。但是不同的激光波長激發(fā)樣品,拉曼信號強(qiáng)度和噪聲會有很大的差別,不合適的激光器會得到很差信噪比,甚至得不到目標(biāo)物質(zhì)的拉曼信號。因此,在進(jìn)行拉曼光譜測試前要選擇符合測試需求的激光。

在市面上,532nm、785nm和1064nm這三種波長仍是主流選擇。接下來,我們將對這三種波長的重要性能進(jìn)行詳細(xì)對比。
首先,我們來探討一下激發(fā)效率這一關(guān)鍵差異。
拉曼散射效率與激光波長的四次方成反比,即λ4。
根據(jù)之前的分析,我們知道拉曼散射效率與激光波長的四次方成反比。這意味著,當(dāng)激光波長增加時,所需的測量時間也會相應(yīng)增加。具體來說,532nm波長的激光產(chǎn)生的拉曼強(qiáng)度是785nm波長的4.7倍,而與1064nm波長的相比,更是高達(dá)16倍。因此,在保持其他條件不變的情況下,為了獲得相同質(zhì)量的光譜數(shù)據(jù),使用較長波長的激光需要更多的測量時間。
532nm激發(fā)波長以其出色的靈敏度著稱,能夠在短時間內(nèi)迅速捕捉到有效圖譜,因而常被用于碳納米管的分析。同時,它也適用于金屬氧化物、礦物以及無機(jī)材料的檢測。值得一提的是,532nm波長的儀器能夠覆蓋從65cm-1到4000cm-1的廣泛光譜范圍,這一特性使得它特別適合于檢測那些位于較高拉曼位移區(qū)域的目標(biāo)物,例如在2800cm-1至3700cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)的-NH和-OH官能團(tuán)。
785nm激發(fā)波長因其廣泛的適用性和低熒光干擾而備受推崇。這種波長能對90%以上的拉曼活性材料產(chǎn)生有效響應(yīng),且單次掃描采集時間短,非常適合各種樣品和拉曼信號強(qiáng)度的檢測需求。在三個標(biāo)準(zhǔn)波長中,785nm憑借其出色的熒光效應(yīng)與光譜分辨率的平衡,成為了科研和工業(yè)領(lǐng)域的首選。當(dāng)用于掃描海洛因堿光譜時,785nm激發(fā)光因其高分辨率而能揭示更多細(xì)節(jié),盡管熒光效應(yīng)導(dǎo)致基線傾斜,但整體而言,它仍是最受歡迎的激發(fā)波長之一。
在多數(shù)情況下,選用1064nm激發(fā)波長能有效降低熒光效應(yīng)的影響。以纖維素測量為例,采用785nm和1064nm波長能獲取優(yōu)質(zhì)光譜,尤其以1064nm的熒光效應(yīng)最為微弱。相比之下,若使用532nm波長進(jìn)行測量,由于熒光效應(yīng)過于顯著,將無法對纖維素進(jìn)行有效測量。
綜上所述,我們得出以下結(jié)論:在多數(shù)情況下,選擇1064nm激發(fā)波長能夠顯著降低熒光效應(yīng)的影響。以纖維素測量為例,通過比較785nm和1064nm波長的測量結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)1064nm波長下的熒光效應(yīng)相對較弱,從而能夠獲取優(yōu)質(zhì)的光譜數(shù)據(jù)。相較之下,若采用532nm波長進(jìn)行測量,則會因為熒光效應(yīng)過于明顯而無法對纖維素進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

◆ 532nm激光
由于具有較高的能量,能夠更深入地轟擊樣品結(jié)構(gòu),從而激發(fā)出更強(qiáng)烈的熒光,這一特性使其特別適用于對無機(jī)材料的測量。

◆ 785nm激光
在保持出色性能的同時,還能有效降低熒光強(qiáng)度,實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性與激發(fā)效率的平衡,成為測量大多數(shù)化學(xué)品時的理想選擇。

◆ 1064nm激光

雖然其熒光效應(yīng)相對較弱,但需要較長的采集時間才能達(dá)到足夠的信號水平進(jìn)行分析。這使得它特別適合于測量彩色和深色材料,例如天然產(chǎn)物、染料、油以及彩色聚合物等。

下圖總結(jié)了拉曼光譜激光波長選擇策略

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

并沒有一個萬能波長的激光器適合所有的材料測試。不同的樣品或材料可能需要不同的激發(fā)波長。這是因為要在盡可能增強(qiáng)拉曼信號的同時,盡量減少熒光信號干擾。熒光是拉曼光譜技術(shù)中的一大難題,它的譜峰寬而強(qiáng),可能會掩蓋拉曼信號。組合使用不同波長的激光器,有助于確定最佳的拉曼激發(fā)波長,從而最大限度地減少熒光信號干擾,獲得最佳的拉曼信號。

此外,不同的激發(fā)波長對材料中的分子振動也會有不同的強(qiáng)度響應(yīng)。使用單一的激光器,可能會錯過更適合其波長的特定振動模式,導(dǎo)致獲得的信息不夠深入。此外,為了獲得良好的信號,有時需要更高的激光功率,當(dāng)然這也存在燒壞樣品的風(fēng)險。組合使用不同波長的激光器,能夠優(yōu)化各個波長的功率,并盡可能降低樣品損壞的風(fēng)險。