北理工张韫宏教授：关于拉曼光谱技术运用的几个故事-从入门到应用

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分享： 2021/12/09 09:54:34

导读： “拉曼研究光散射，诺奖成果应用多，无奈信号很微弱，发展路上多坎坷。激光问世启新程，拉曼光谱获新生，共焦技术显神威，收集效率倍增多，表面增强谱新曲，针尖拉曼唱高歌。”

1988年9月，在梁映秋先生指导下，我开始在吉林大学理论化学研究所攻读博士学位，也就开始了拉曼光谱技术的入门学习。当时我们使用的拉曼光谱仪器是从世界银行贷款购置的，是法国生产的Jobin Yvon HG2S，配置的是Spectra-Physics 171型Ar+激光器，它是一台从国外进口、国内少有高的端仪器设备。光谱仪的体积很大，是一种长光栅系统，激光器功率也很大，需要内外双循环冷却水对激光管进行冷却，仪器占据了一间40平米实验室的整个房间，拉曼光谱的强度由光电倍增管测量，X-Y记录纸输出拉曼光谱。实验需要在黑屋中进行，一开启仪器，首先听到的是内外循环冷却水泵的轰鸣声，点燃激光器后，绿色激光多次反射的光路，引起的光散射光线，映照在暗室房间的墙壁上，形成斑斓图案，水泵的轰鸣声、光栅扫描的马达声与玄妙的绿光散射图案相互呼应，真有科幻大片中魔幻实验室的感觉。我的博士论文的题目是黑皂膜的共振拉曼光谱研究，这是个很有挑战性的工作，首先黑皂膜只有两个单分子层的厚度，想获得它的拉曼光谱谈何容易。但是，把染料探针分子，引入黑皂膜的夹心水层中，通过共振拉曼光谱技术，居然神奇地实现了黑皂膜的拉曼光谱测量，这是梁老师课题组开创的黑皂膜的共振拉曼测量方法，当时有田永池、江渊做了前期的研究，我也就换了探针分子，顺其自然地开展了进一步的工作。仪器的维护和使用是件难缠的事，好在王宇天老师，徐蔚青老师负责维护仪器，以及整个课题组配合默契，也给我留下了一段难忘的时光。记得当时台式电脑刚刚兴起，我们给这台大型仪器设备配备了一台电脑，是PE公司的Unix系统产品，想将它和拉曼光谱仪联接，实现光谱仪的自动控制和光谱数据的采集。由于没有现成的控制软件，电脑与光栅和光电倍增管之间的通讯接口，只有几个简单的控制指令，为了解决电脑控制光栅扫描，实现光电倍增管自动数据采集，我开始了程序编写的工作，用FORTRAN 77语言编写了控制程序。我和徐老师讨论如何控制积分时间，如何实现特定波段自动重复扫描，如何实现偏振拉曼光谱的半自动化测量，经过我们的不断摸索，我们的程序可以直接测量特定波长拉曼信号偏振强度的比值，把分子取向模型融入程序，直接测量得到染料分子在黑皂膜中的分子取向，以及分子取向分布，我记得光电倍增管的曝光时间，也就是拉曼信号的积分时间，是在控制程序中加入一个循环计算套实现的，用完成这个循环计算套花费的时间，来确定光电倍增管的开门和关门时刻。

另外一个记忆深刻的拉曼故事是对CCD检测器的认识。1997年，我到香港科技大学陈泽强教授课题组开展合作研究，主要工作是测量悬浮液滴的拉曼光谱。利用电悬浮技术，悬浮半径只有几十微米的无机盐液滴。实验中要控制悬浮液滴环境的相对湿度，用514.5nm Ar+的激发线垂直入射悬浮液滴，沿水平方向接收90度的拉曼散射信号。这也是一个很有挑战性的工作，首先是液滴悬浮在空中，尺寸小，信号弱；其次是激光照射到液滴上，对它的拉曼测量是通过调节宏观光路完成的。但主要困难是杂散光信号干扰的问题。当时的光谱仪是Acton 500 mm焦距的三光栅系统（Acton Spectra Pro 500），配备的是Princeton低温CCD检测器（TE/CCD-1100PFUV)），我摸索光路设计，尝试多种调节方案，可以从光谱中分辨出硫酸镁液滴的弱拉曼光谱信号了，但杂峰很多而且很强，常常会掩盖硫酸根在981 cm-1（硫酸根的最强峰）位置的对称伸缩振动信号。这个问题困扰了我很长时间，我仔细分析杂散光的来源，发现它主要是由样品池四周金属铝表面引起的，起初我想通过对样品池铝表面涂抹特殊材料来避免表面杂散光，但是效果不好。我又开始学习CCD手册，了解到CCD的成像功能和Binning功能，当我获取全幅成像光谱时，突然看到比较微弱的一条很窄的信号带出现，这时我意识到这条光谱带才是悬浮液滴的信号，对这条谱带进行binning，果然得到了硫酸根的拉曼信号，消除了杂散光信号，我为此兴奋了很久。即使这样，得到一个湿度条件下的拉曼光谱，也需要很长的积分时间和多次累加，一般是40秒积分时间，测量50张光谱，从这50张光谱中选出5张信号最好的进行加和平均。这里还要提一下球形液滴的米氏散射共振问题，当拉曼散射信号在球形液滴中形成驻波时，就会发生共振，从而产生受激拉曼，干扰拉曼谱带的峰形，影响分子结构的分析，正是由于这个原因，我需要在50张光谱中，选择硫酸根峰形最漂亮的5张光谱进行加和平均，进一步得到不同相对湿度下硫酸镁的拉曼光谱，提供了过饱和状态下超浓硫酸镁液滴中离子对的结构信息。凭借这个研究成果，在2000年，我们在美国化学会志物理化学杂志，发表了第一篇硫酸镁悬浮液滴的拉曼光谱研究论文（J. Phys. Chem. A 2000, 104, 9191-9196），虽然很高兴，但有个问题一直悬在我心里，从若干个光谱中，选出来自己满意的，进行加和数学处理，结果可靠吗？这个问题在5年后得到了新的实验验证。

这也是我要讲的第三个故事，要从从实验室建设开始说起，1992年到1995年，我在厦门大学田昭武先生指导下做博士后，开展用LB膜修饰电极的电化学研究，在田中群老师课题组开展了一些电解质水溶液的拉曼光谱研究，从这以后，开启了由稀溶液、浓溶液到过饱和溶液的分子光谱学研究路程。出站后，我来到了北京理工大学。当时学校的条件很差，又赶上改革开放的艰难期，国防建设为经济建设让路，学校的仪器设备极其匮乏。一直到了2002年，我担任理学院化学系主任，参与了北京理工大学985二期建设，每个博士点有200万元学科建设经费。北理工的物理化学博士点，是在李前树老师的带领下，于2000年申报成功的，我们也因此得到了这个经费的支持。我负责的光谱学方向得到的经费最多，有100万，我用这些钱买到了英国雷尼绍公司的Renishaw-Invia共焦拉曼光谱仪，当时是濮玉梅负责签订的合同，后来她对我说，真是不容易，我盯了你十多年，本以为你会很快能搭建共焦拉曼技术平台呢。就这样，我们开始了用共焦拉曼技术测量气溶胶物理化学过程的研究，第一个工作，就是测量硫酸镁液滴在不同湿度条件下的拉曼光谱，我们自制样品池，通过改变相对湿度，测量石英基底上微米尺度的硫酸镁液滴的共焦拉曼光谱，得到了过饱和状态下信噪比很高的拉曼光谱数据，这个结果不仅验证了五年前电悬浮液滴的拉曼结果，还让我们对共焦拉曼有了更深入的认识，论文在2005年发表在美国化学会分析化学杂志上（Anal. Chem. 2005, 77, 7148-7155），随后开辟了过饱和状态下液滴溶液中离子对结构研究的一个新领地。

第四个故事就是受激拉曼技术的学习。实际上，关于电悬浮液滴的拉曼测量，米氏散射共振引起的受激拉曼信号，虽然干扰液滴化学结构的分析，但受激拉曼信号也包含着重要的信息，如果能对其加以利用，可以得到液滴折射率、半径的数据。可惜的是，电悬浮的液滴半径大，环境湿度控制精度不够，受激拉曼信号的共振峰繁多，变化又十分复杂，导致我们无法对其加以利用。幸运的是，我注意到英国布里斯托大学Jonathan Reid教授开展了这方面的研究，他利用光镊技术对液滴进行进行光悬浮，液滴的半径为5-10微米，这个尺度的液滴，在水的伸缩振动拉曼光谱区域中，刚好可以出现4-8个受激拉曼峰，这十分有助于利用米氏散射理论对其进行处理，进而获得液滴的半径和折射率精确数据。我由此获得启发，申报了国家留学基金委高访资助计划，2007年11月，来到了布里斯托大学，跟Jonathan Reid学习光镊受激拉曼技术，利用受激拉曼共振峰信号，测量液滴的半径和折射率。经过半年的学习，回国后我开始带领课题组搭建光镊受激拉曼平台，先后派出两名博士生到国外学习，并且邀请Jonathan Reid教授来北理工指导我们的工作。经过十几年的努力，利用光镊受激拉曼技术，我们课题组在低挥发性有机物的饱和蒸气压测量、高粘态液滴的传质系数测量、液液相分离测量、痕量气体与液滴反应动力学测量等多方面，都取得了一定的进展。

这几年，中科院物理所刘玉龙老师多次来到我的实验室进行指导，也与我进行了多次讨论，他鼓励我搭建自发拉曼、受激拉曼和瑞利散射三合一的平台，发挥各个测试技术的优势，互相补充，构造新型仪器，专门对悬浮液滴进行高时间分辨和高空间分辨的测量，在分子水平上认识微米尺度液滴的表面结构、内部结构、及其与环境痕量气体进行物质交换的动态过程，揭示这个尺度液滴表现出来的多方面的特殊性的本质。这是我的新任务，我下决心一定担当好，带领课题组全体成员共同完成这一历史使命。

拉曼研究光散射，诺奖成果应用多，无奈信号很微弱，发展路上多坎坷。激光问世启新程，拉曼光谱获新生，共焦技术显神威，收集效率倍增多，表面增强谱新曲，针尖拉曼唱高歌。