微型光谱仪之拉曼检测

　　1、技术简介

　　光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分， 统称为拉曼效应。拉曼效应是光子与光学支声子相互作用的结果。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V. Raman所发现的拉曼散射效应，对于入射光频率不同的散射光谱进行分析，得到分子振动能级与转动能级结构，并作为分子结构和组成研究的一种分析方法，研究图谱的整体特性，可以鉴别物质。

图1 C.V. Raman

　　散射物分子处于原来电子基态，振动能级图如下图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态，虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。

图2 散射物分子振动能级图

　　假设散射物分子回到初始的电子态，则有三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线称为瑞利线，也有与入射光频率不同的谱线称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。

图3 拉曼激发原理图

　　拉曼光谱检测采用单色激光器照射待测样本，并用光谱仪检测该样本发出的反射拉曼散射光谱，再由计算机对样品发散光谱进行处理分析以计算该样本的组成、含量或属性。

图4 拉曼检测原理图

　　2 、应用说明

　　拉曼光谱检测技术作为一种新的物质结构鉴定的分子光谱方法，在近几年里得到了非常迅速的发展。拉曼光谱可以表征材料，作为一种快速检测方法，借助检测物的“拉曼指纹图谱”，应用于鉴别，过程处理。与传统的快速现场检测方法相比，拉曼光谱方法具有无需样品前处理，无需破坏样品，检测速度快等优点。但由于拉曼技术本身具有的检测面积小、局部光功率过高等特点，使得拉曼技术在检测混合物、光敏感或热敏感样品时存在很大限制，影响了拉曼技术的实际应用范围。这就需要使用者根据实际检测物质本身的特点，衡量各项参数的平衡，来设计拉曼光谱系统，对于系统而言，选择正确的激光波长，考虑拉曼位移范围和分辨率之间平衡，选择合适的拉曼光谱仪，实现对物质的辨析。

　　针对特殊的样品测试选择合适的拉曼系统，基于栅格环绕扫描技术，利用其拉曼信号的高信噪比，高灵敏度、高分辨率，更低的激光能量值。将拉曼光谱检测应用在非均一性、不均匀的样品检测中;更低更平均的激光能量，避免了测试样品的损坏。基于单点聚焦技术，利用其拉曼测试系统和细微系统整合的优越性，显微聚焦和测试焦点更好地实现匹配，针对液体和粉末样品，提供不同的激光通道和瓶装测试。

　　安防检测：违禁品检测，毒品鉴别;

　　基础研究：碳纳米管、石墨烯物质检测;

　　医学诊断：临床医疗、癌症检测与诊断，药物成分分析。

　　食品安全：农药残留分析，添加剂检测。

　　3 、典型产品和配置

　　拉曼光谱检测配置：

　　1. 光谱仪：

　　手持式拉曼系统：栅格环绕扫描技术;小巧、手持、便携性;两节5号电池可以工作长达11小时;通过扣除背景的算法更有效地提高了测试结果与数据库的匹配。

　　手持式拉曼系统：栅格环绕扫描技术;可以测试瓶装等样品;激光测试聚焦可调节;激光、探头、检测器一整套解决方案，并且易使用。

　　高灵敏度测量的拉曼显微系统：空间光耦合技术并不需要再配置使用显微镜;单点无偏差聚焦技术;配有样品瓶测试基座，提高不同样品检测的灵活性。

　　3. 拉曼探头

　　4. 激发光源

　　5. 采样附件(探头支架等)

　　6. 光谱仪控制软件

　　典型配置

　　典型产品：高灵敏度光谱仪，激发光源，滤光片，积分球，透反射支架，动态样品台，准直透镜

　　4 、应用文章

　　4.1 小型光谱仪违禁品检测的应用;

图5 小型违禁物光谱检测设备

　　4.2 便携式拉曼光谱系统用于毒品鉴别;

　　罂粟碱、伪麻黄碱

图6 毒品光谱图

　　4.3 农药残留及非法添加剂的检测;

图7 谷物农药残留光谱图

　　4.4 药物成分分析

图8 药物成分光谱图

　　4.5 制药行业原辅料的检测。

图9 透过无色玻璃瓶得到乙醇的拉曼图谱

图10 透过棕色玻璃瓶得到苯甲醇和苯酚的拉曼图谱

　　4.6 碳纳米管、石墨烯等物质的检测

图11 碳纳米管、石墨烯等物质光谱图

（来源：海洋光学）