显微拉曼光谱仪在本科实验教学中的搭建及应用

赵 浩，郭 鑫，吴忠云，徐金荣，杨 玲，郑俊荣

（北京大学化学国家级实验教学示范中心化学与分子工程学院，北京 100871）

0 引 言

化学是一门以实验为基础的学科，在本科实验教学过程中，除了传授学生基础知识、基础原理和基本技能外，还需要锻炼学生的科学思维和动手能力，培养学生团队合作精神和勇于探索的创新精神，促进学生能力和素质的全面提升，培养创新型人才［1-3］。随着自动化、智能化的时代发展，现代仪器的精密度和一体化程度越来越高，科学研究也越来越依赖于各种高精尖的仪器设备。仪器的智能化、一体化给操作者在使用时带来了极大的便利，大大提升了工作效率。但是本科实验教学中，仪器的高度集成化和智能化反而不利于教学的开展，一键式的仪器操作虽然能确保学生更快更精确的取得实验结果，但是学生对仪器的内部构造，工作原理完全不清楚，或者是仍然停留在书本的理论知识上，让学生拿到一份实验数据或者学会一台仪器的操作，并不是实验教学目标，需要教给学生的应该是仪器的工作原理和构造。为了让学生更直观地看到仪器的内部构造，了解仪器的工作原理，提高教学质量，国内许多高校在实验教学中通过使用自制仪器［4-5］、虚拟仿真实验［6-7］、MOOC［8］、线上线下结合［9］等形式来进行更直观、更适用、更高效的实验教学，并取得了良好的教学效果。相比虚拟仿真实验和MOOC而言，自制仪器不仅可以让学生更深入地学习基础知识和基本原理，还能有效地培养学生的动手能力和实践能力，引导学生的创新思维和创新意识［10-12］。本实验的自制仪器更是让学生自己动手搭建仪器设备装置，通过团队分工合作，锻炼团队合作意识，培养学生自信心，让学生不再对“大型”仪器陌生，知其然且知其所以然，为学生之后继续从事科研工作打下必要的基础。

拉曼光谱作为一种无损检测手段，拥有分析速度快，重复性好，样品用量少且无需前处理等优点，在化学结构鉴定，材料表征，生物医学分析，文物鉴定和保护，宝石鉴别，食品安全等领域都有广泛应用［13-19］。但是，目前国内使用的显微拉曼光谱仪基本都是依赖国外进口，仪器价格昂贵，难以面向本科生开展教学实验。本实验搭建了一款用于本科生实验教学的可拆解显微拉曼光谱仪，仪器可供学生重复拆装使用，组装的仪器具有较高的灵敏度和精密度，可以满足教学实验测试要求，相比商用仪器，不仅能够发挥更好的教学效果，而且极大地降低了成本。

1 实验部分

1.1 实验目的

（1）学习搭建显微拉曼光谱仪；

（2）掌握拉曼光谱的相关知识，理解显微拉曼光谱仪的工作原理和构造；

（3）学习如何使用显微拉曼光谱仪进行样品测试，并进行谱图分析；

（4）培养学生的创新能力，动手能力，团队合作能力和自信心。

1.2 实验原理

1928 年，Raman 等［20-21］经过实验发现，光通过透明介质时，在散射光谱中，部分光的频率发生了变化，这种现象被称为拉曼散射。1960 年，激光器的出现为拉曼光谱仪提供了理想的光源，拉曼光谱发展进入新的时期，在纳米材料、有机材料和医药等各方面都有应用。拉曼光谱仪是测量拉曼光谱的实验装置，通常由激发光源、样品光路、分光光路、检测器和控制系统5部分组成［22-23］。

根据拉曼光谱仪构造原理，笔者设计了如图1 所示的显微拉曼光谱仪光路。学生通过实验室提供的激光光源、显微镜、光学镜片、光学镜架和检测器等部件，依照图1 所示光路图搭建显微拉曼光谱仪，仪器搭建完成之后使用无水乙醇和环己烷作为标准样进行仪器调试，并将信号检测器的像素信号标定为拉曼位移信号。最后，利用搭建的显微拉曼光谱仪对无水乙醇、环己烷、四氯化碳和单层硫化钼等样品进行了测试。

图1 显微拉曼光谱仪光路示意图（A为样品光路，B为分光光路，C为检测光路）

1.3 实验试剂与仪器

实验仪器：金相显微镜（BH200M），激光光源（中心波长532.3 nm，能量0～300 mW可调），狭缝，光学面包板，二向色镜，滤光片，光栅，平面反射镜，凹面镜（f＝150 mm），平凸透镜（f＝120 mm），电荷耦合阵列检测器（CMOS，北京青木子科技发展有限公司），光学镜架。

实验试剂：无水乙醇（分析纯），四氯化碳（分析纯），环己烷（分析纯），单层硫化钼。

1.4 实验内容

1.4.1 搭建显微拉曼光谱仪

学生根据图1 所示的光路示意图搭建仪器，从激光器开始将光学元件沿着光路的方向进行搭建，在仪器搭建过程中要注意保持整个光路在同一平面高度，以及整个光路的可逆性，确保光路的准直。图2 为搭建好的显微拉曼光谱仪实物图。

图2 显微拉曼光谱实物图（A为样品光路，B为分光光路，C为检测光路）

完成仪器搭建之后，通过测试无水乙醇的拉曼信号对仪器进行调试，包括调节狭缝宽度，样品与物镜之间距离，凹面镜与光栅之间角度和距离，凹面镜与检测器之间角度和距离等多方面因素，直到得到标准的乙醇拉曼谱图。

1.4.2 拉曼位移的标定

本实验所使用的检测器为电荷耦合阵列检测器（CMOS），其输出的初始信号为“像素-拉曼强度”，所以需要根据标准谱图将像素按照对应的波数进行拟合标定，将“像素-拉曼强度”转变成“拉曼位移-拉曼强度”，拟合过程可以通过Origin软件来实现。

1.4.3 仪器性能分析

根据无水乙醇和环己烷测得的拉曼信号，从仪器有效测量范围、信噪比和分辨率3 方面对仪器的基础性能进行分析。

1.4.4 样品测试

用调试好的仪器进行样品测试，分别选取具有代表性的四氯化碳的振动拉曼光谱和单层硫化钼来进行测试。

2 结果分析

2.1 拉曼位移的标定

光栅的色散率可以通过下式计算：

式中：Q为色散距离；λ 为波长；n为光谱级数；d为光栅常数。当Q较小且变化不大时，可以认为cosQ＝1，此时，光栅的角色散率只取决于d及n，可以认为是常数，不随波长而变，这样的光谱在长波及短波的各波段波长间隔是一样的，称为“均排光谱”。即在一定范围内，波长的变化呈现线性关系，且其变化率为常数。

实验中以无水乙醇和环已烷为标准物，通过无水乙醇和环已烷的特征峰对像素和波长进行标定，特征峰波长，像素及拉曼位移对应关系如表1 所示。其中，拉曼位移可由下式计算：

表1 无水乙醇和环己烷特征峰的拉曼位移、波长及对应的像素

通过Origin作图软件将实验得到的原始数据中对应表1 中这15 个特征峰的像素值（p）进行拟合，拟合结果如图3 所示。拟合结果为：λ ＝0.030 47p＋534.025，r2＝0.999 98。

图3 “像素-波长”拟合结果

根据拟合结果进行转换，可将“拉曼强度-像素”转换为“拉曼强度-拉曼位移”。图4 中（a）图和（c）图分别为无水乙醇和环己烷通过CMOS获得的像素点与拉曼强度之间的关系曲线；（b）图和（d）图分别为无水乙醇和环己烷对应的“拉曼位移-拉曼强度”谱图。

图4 无水乙醇和环己烷的拉曼光谱图

2.2 仪器性能分析

从仪器测量范围、分辨率和信噪比3 方面对仪器的性能进行初步分析。根据2.1 中拉曼位移标定的结果，可以计算出仪器可测波数范围为72～3 991 cm－1，对应的波长范围为534～675 nm。以乙醇的最强吸收峰为例，在图4（b）中可见，无水乙醇最大峰强的相对强度约在94，在没有信号峰地方的噪音相对强度在3附近，初步估算仪器的信噪比可以达到31。图5 所示是仪器测得的环已烷在2 800～3 050 cm－1波数段的拉曼信号，从图中可见，仪器可以清晰地区分出2 938和2 923 cm－1的两个尖峰，表明仪器的分辨率优于15 cm－1。

图5 环己烷在2 800～3 050 cm －1波数段的拉曼光谱信号

2.3 样品测试

拉曼光谱和红外吸收光谱都涉及分子的振动和转动，在光谱学分析中可以相互补充，四氯化碳是一个典型的例子，其分子为四面体结构，根据其分子对称性可以产生多种振动模式，其中在219、316 cm－1处的C-Cl对称弯曲振动和463 cm－1处的C-Cl 对称伸缩振动在拉曼光谱中有明显体现，而767 和790 cm－1处的C-Cl反对称伸缩在拉曼光谱中则不是很明显，图6 为用搭建的显微拉曼光谱仪测得的四氯化碳的拉曼光谱。

图6 四氯化碳的拉曼光谱图

显微拉曼光谱仪具有很好的空间分辨能力，适用于微观尺寸下样品的拉曼分析。图7 所示是通过搭建的显微拉曼光谱仪对单层硫化钼进行测试，获得的单层硫化钼和SiO2／Si 基底的拉曼信号，可见在400 cm－1附近有2 个明显的硫化钼信号峰。

图7 二硫化钼的拉曼光谱图

3 教学应用

我校化学与分子工程学院已经在中级物理化学实验课上连续5 年开展“拉曼光谱仪的搭建及应用”实验项目，本实验为该实验项目的扩展内容，供有兴趣的学生在原有拉曼光谱仪的基础上增加显微装置，从而实现对单层硫化钼或石墨烯等样品的测量。实验中，学生除了进行仪器搭建以外，同时还需要进行数据采集编程和远程控制程序编写，可以使用C语言，Python或者Labview等软件。作为一个项目式实验，该实验在教学过程中采用小组分工合作的方式进行，一般2或3 个学生为一个团队共同完成实验，实验结果以口头汇报的形式展现。学生在仪器搭建以及应用测试的过程中有充分的创新空间，仪器搭建过程可以对光路、操作界面进行改进，应用测试部分可以选择自己感兴趣的样品，学生近些年有测定水果农药残留，日常商品成分等。

4 结 语

根据本科生实验教学的需求，设计了一款可重复搭建拆解的显微拉曼光谱仪，从得到的无水乙醇、环己烷、四氯化碳和二硫化钼的拉曼谱图可以看出，仪器具有良好的性能，分辨率和信噪比，完全能够满足本科教学和科研的使用。

在设计组装实验仪器的过程中，学生们通过摸索各个部件的功能，对仪器构造和原理有了深刻的认识和理解，不仅达到了学习拉曼光谱相关知识的目的，而且打开了“现代化”仪器的神秘面纱，让学生敢于上手，懂得调试仪器性能，树立自信心，有效地培养了学生的动手能力和创新精神。良好的仪器改造能力将在学生日后的科研过程中获益无穷。