如何選擇拉曼光譜的激光波長(zhǎng)

拉曼光譜,廣泛應(yīng)用于環(huán)境、安檢、檢驗(yàn)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(zhǎng)的選擇是最重要的考慮因素之一。一般來(lái)說(shuō),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(zhǎng)無(wú)關(guān)。從理論上講,您可以使用任何激光波長(zhǎng)來(lái)測(cè)試樣品。但是不同的激光波長(zhǎng)激發(fā)樣品,拉曼信號(hào)強(qiáng)度和噪聲會(huì)有很大的差別,不合適的激光器會(huì)得到很差信噪比,甚至得不到目標(biāo)物質(zhì)的拉曼信號(hào)。因此,在進(jìn)行拉曼光譜測(cè)試前要選擇符合測(cè)試需求的激光。

在市面上,532nm、785nm和1064nm這三種波長(zhǎng)仍是主流選擇。接下來(lái),我們將對(duì)這三種波長(zhǎng)的重要性能進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比。
首先,我們來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)的四次方成反比。這意味著,當(dāng)激光波長(zhǎng)增加時(shí),所需的測(cè)量時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。具體來(lái)說(shuō),532nm波長(zhǎng)的激光產(chǎn)生的拉曼強(qiáng)度是785nm波長(zhǎng)的4.7倍,而與1064nm波長(zhǎng)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(zhǎng)波長(zhǎng)的激光需要更多的測(cè)量時(shí)間。
532nm激發(fā)波長(zhǎng)以其出色的靈敏度著稱(chēng),能夠在短時(shí)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(shí),它也適用于金屬氧化物、礦物以及無(wú)機(jī)材料的檢測(cè)。值得一提的是,532nm波長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)因其廣泛的適用性和低熒光干擾而備受推崇。這種波長(zhǎng)能對(duì)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(shí)間短,非常適合各種樣品和拉曼信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)需求。在三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)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(shí),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(zhǎng)之一。
在多數(shù)情況下,選用1064nm激發(fā)波長(zhǎng)能有效降低熒光效應(yīng)的影響。以纖維素測(cè)量為例,采用785nm和1064nm波長(zhǎng)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(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量,由于熒光效應(yīng)過(guò)于顯著,將無(wú)法對(duì)纖維素進(jìn)行有效測(cè)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(zhǎng)能夠顯著降低熒光效應(yīng)的影響。以纖維素測(cè)量為例,通過(guò)比較785nm和1064nm波長(zhǎng)的測(cè)量結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)1064nm波長(zhǎng)下的熒光效應(yīng)相對(duì)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(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量,則會(huì)因?yàn)闊晒庑?yīng)過(guò)于明顯而無(wú)法對(duì)纖維素進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)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(duì)無(wú)機(jī)材料的測(cè)量。

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

◆ 1064nm激光

雖然其熒光效應(yīng)相對(duì)較弱,但需要較長(zhǎng)的采集時(shí)間才能達(dá)到足夠的信號(hào)水平進(jìn)行分析。這使得它特別適合于測(cè)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(zhǎng)選擇策略

圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

并沒(méi)有一個(gè)萬(wàn)能波長(zhǎng)的激光器適合所有的材料測(cè)試。不同的樣品或材料可能需要不同的激發(fā)波長(zhǎng)。這是因?yàn)橐诒M可能增強(qiáng)拉曼信號(hào)的同時(shí),盡量減少熒光信號(hào)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(huì)掩蓋拉曼信號(hào)。組合使用不同波長(zhǎng)的激光器,有助于確定最佳的拉曼激發(fā)波長(zhǎng),從而最大限度地減少熒光信號(hào)干擾,獲得最佳的拉曼信號(hào)。

此外,不同的激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)材料中的分子振動(dòng)也會(huì)有不同的強(qiáng)度響應(yīng)。使用單一的激光器,可能會(huì)錯(cuò)過(guò)更適合其波長(zhǎng)的特定振動(dòng)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(hào),有時(shí)需要更高的激光功率,當(dāng)然這也存在燒壞樣品的風(fēng)險(xiǎn)。組合使用不同波長(zhǎng)的激光器,能夠優(yōu)化各個(gè)波長(zhǎng)的功率,并盡可能降低樣品損壞的風(fēng)險(xiǎn)。