拉曼光谱测试中如何选择激光器？

1 拉曼光谱测试如何选择激光器？

在拉曼光谱测试中，激光激发的选择是Z重要的考虑因素之一。激光器波长的选择需要考虑拉曼散射强度、空间分辨率、背景荧光、采集时间和拉曼系统的潜在成本等因素的影响。在拉曼光谱中，激光器波长范围的选择可从紫外区到近红外区，甚至更远的区域。激光器不同的波长范围具有其优缺点，而ZZ激光波长的选择很大程度上取决于所研究的样品。一些样品可在任意激光波长下进行分析，例如甲苯；但是对于大部分样品而言，如具有高荧光背景的聚合物，激光器波长的选择对于获得高质量的拉曼光谱至关重要。

2 激发波长对拉曼强度的影响

拉曼散射是一种固有的弱现象，它依赖于样品中光子-声子相互作用。拉曼散射强度与λ-4成正比，其中λ表示激光波长。因此，随着激光波长的增加，拉曼散射强度反之逐渐降低。当分别采用紫外激光器和近红外激光器进行测试，发现由近红外激光器获得的光谱强度降低了约15倍。因此，与近红外激光器相比，采用紫外波段的激光器和可见波段的激光器采集光谱所累积的时间更短，并可在较低的激光功率下使用。下图1显示了在相同条件下分别采用638nm和785nm激光器测得硅样品拉曼散射强度的差异。

图1 在相同条件下，爱丁堡显微共聚焦拉曼光谱仪RM5采用638nm激光（橙色）和785nm激光（红色）测得的硅谱

3 激发波长对荧光背景的YZ

通常，所获得的拉曼光谱信息会被高背景荧光所掩盖。这是由于在测试样品时，荧光信号比拉曼散射信号更容易产生且信号更强，从而在一定程度上掩盖了拉曼信号。荧光可能来自于样品，基材或光学元件（例如物镜）。为了避免荧光，可以选择不同波长的激光器激发。荧光是一种吸收过程，一般在近红外区产生吸收的分子较少。此外，与可见光区域相比，近红外区域产生吸收的分子更少。因此，在拉曼光谱测试中首 选近红外激光激发。拉曼光谱仪中Z常用785nm的激光器，可提供低背景的荧光信号，保持相对较高的拉曼强度。

然而，对于荧光背景较高的样品（如染料，色素和食用油），采用能量较高的激光器会有打坏样品的风险，可能需要1064nm的激光器进行测试。图二为采用两种不同波长的激光器（532nm和785nm）测试同种材料获得的拉曼光谱。从谱图中可以看出，当采用532nm的激光器激发样品时，由于产生了高背景荧光，从而掩盖了拉曼散射信号。因此，在拉曼光谱测试时选择合适波长的激光器能够极大程度上YZ荧光信号。

图2  爱丁堡显微共聚焦拉曼光谱仪RM5分别采用532nm激光（绿色）和785nm激光（红色）测得的尼古丁拉曼光谱

300nm以下的深紫外激光同样能够YZ荧光背景信号。这是因为拉曼光谱位于更靠近激光瑞利散射线的位置。根据卡莎规则可知，荧光倾向出现在比激发光波长更大的位置上，从而有效地避免了拉曼信号与荧光背景的重叠。但是，与标准的可见光范围的激光器和近红外激光器相比，它会增加样品灼烧和降解的风险，并且价格更加昂贵。通常，紫外激光器可用于观察硅的薄表面层以及生物样品中的共振拉曼。

4 激光器选择对样品的影响

当选择延长曝光时间或使用更高能量的激光器进行测试时，会增加样品损坏的风险。因为紫外激光器比可见光激光器的能量高，使得每个光子的输出能量更强，从而会增加样品损坏的几率。这种损坏可视为样品的灼烧，它会改变样品之间的相互作用，进而改变拉曼光谱。

近红外激光器（如1064nm激光器）与可见光激光器相比，同样会增加样品被打坏的风险。这是因为这些激光器具有较高的功率，并且由于在较高波长下的拉曼散射信号较弱，因此测试时通常需要延长曝光时间，但这也同时增加了激光打坏样品的几率。在这种情形下，虽然可以选择降低激光功率，但会使得信噪比降低。下图3为采用近红外激光器（785nm）测试薄膜样品时出现的灼烧痕迹。

图3 采用785nm激光器照射之前（左）和照射之后（右）的薄层金属有机框架材料形貌图

因此，保护样品不被激光器打坏的Z安全激发区域为可见区。为了避免样品在测试过程中出现损伤，可以优先选择可见区的激光器激发或减少曝光时间。

5 激光器的选择对拉曼系统的影响

拉曼系统测试中Z常用的是785nm激光器。这主要是综合考虑拉曼散射强度和荧光YZ之间的影响。此外，拉曼系统通常还可配置激发波长为可见光范围的激光器，通常是532nm激光器。当使用紫外区和近红外区的激光器时，需要考虑系统的配置问题。这些配置的调整可能会增加拉曼系统的成本，并会影响光谱的质量。

典型的拉曼系统使用硅基CCD探测器，量子效率从800nm开始迅速下降，并在1000nm以上时失效。因此，当使用1064nm激光器时，需要配置InGaAs探测器完成测试。拉曼系统拓展光谱测试范围至紫外区会增加其成本。紫外激光器的价格比可见光激光器和近红外激光器更加昂贵，并且尺寸更大，在拉曼系统安装时需要考虑这一重要因素。

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