周 凱 王曉榮 蔡 亮 趙天琦

(南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院1，江蘇 南京 211816;南京灼徽檢測技術(shù)有限公司2，江蘇 南京 211816)

0 引言

將光學(xué)顯微鏡與光纖拉曼光譜儀有機結(jié)合的分析方法稱為顯微拉曼光譜分析法。微區(qū)分析是顯微拉曼的主要應(yīng)用范疇。相比于其他傳統(tǒng)方法，顯微拉曼更容易直接獲得大量的物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征［1］。隨著顯微拉曼技術(shù)的日趨成熟，該技術(shù)在腫瘤檢測、文物考古等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

隨著顯微拉曼技術(shù)的發(fā)展，拉曼光譜儀在微區(qū)分析方面的應(yīng)用得到了拓寬。顯微拉曼應(yīng)用于微區(qū)與表面分析可以獲得微區(qū)內(nèi)分子振動信息，從而得到相關(guān)分子信息。這種分析方法快速簡便、分辨率高，適合微量樣品分析。因此，用于樣品微區(qū)無損分析的激光顯微拉曼光譜儀的研究具有十分重要的意義［2－3］。

1 顯微拉曼光譜技術(shù)的分析基礎(chǔ)

當(dāng)光照射在介質(zhì)上，除被介質(zhì)反射、吸收和透射及瑞利散射外，還有一部分與入射光波長不同的散射光，稱之為拉曼散射光。光量子與物質(zhì)分子相互碰撞，可以產(chǎn)生彈性碰撞和非彈性碰撞。在非彈性碰撞過程中，發(fā)生了能量交換。光量子不僅改變了運動方向，而且改變了光量子的頻率，這種散射現(xiàn)象稱為拉曼散射［4］。

拉曼光譜分析的特征量是拉曼頻移和散射強度。拉曼頻移是拉曼散射光相對于入射光頻率的變化量，是非彈性散射最主要的特征量，可以作為拉曼檢測中分子結(jié)構(gòu)定性分析的理論基礎(chǔ)。拉曼光譜的強度與散射中心(包括基團(tuán)和化學(xué)鍵)的數(shù)目成正比。在入射光的強度保持恒定的條件下，拉曼散射信號強度與待測物質(zhì)濃度成正比，這正是拉曼光譜法進(jìn)行定量分析的基礎(chǔ)。

拉曼儀器的共焦技術(shù)有兩種:一種是針孔共焦，又稱真共焦;另一種是簡單共焦，又稱贗共焦［5］。真共焦顯微技術(shù)的空間分辨率、抑制噪聲的能力都強于簡單共焦顯微技術(shù)，但是真共焦對機械穩(wěn)定性要求很高，生產(chǎn)成本也很高。

根據(jù)實際需要，既可以選擇高性能、高成本的真共焦方式;也可以在滿足設(shè)計要求的情況下，選擇犧牲一部分空間分辨率的簡單共焦方式。

2 激光顯微拉曼光譜儀的設(shè)計

2.1 顯微拉曼的總體設(shè)計

顯微拉曼光譜儀主要由五個部分組成，分別是激光光源、顯微鏡采樣系統(tǒng)、外光路系統(tǒng)、光譜儀系統(tǒng)和計算機處理系統(tǒng)。新型激光顯微拉曼光譜儀的整體測量系統(tǒng)如圖1 所示［6－7］。

圖1 激光顯微拉曼測量系統(tǒng)Fig.1 Laser microscope Raman measurement system

激光光源的作用是提供單色性好、功率大、穩(wěn)定性強的入射光。顯微鏡采樣系統(tǒng)實現(xiàn)兩個功能，首先在照明光源為白光時觀測待測物質(zhì)的顯微圖像(即組成結(jié)構(gòu))，并找到最佳觀測位置;然后切換為激光入射，照射待測樣品。外光路系統(tǒng)首先將激光光源的輸出信號經(jīng)過準(zhǔn)直、濾光使之轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄庖腼@微鏡，再將反饋回來的拉曼散射信號引向光譜儀。光譜儀系統(tǒng)包括光柵單色器和CCD檢測單元。光柵單色器的主要作用是將拉曼散射信號按波長在空間分開，CCD檢測單元用于收集前面分開的光信號并轉(zhuǎn)化為電信號。計算機處理系統(tǒng)完成從CCD檢測單元中讀取采集到的拉曼光譜數(shù)據(jù)，對獲取的原始拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行基線去除、求導(dǎo)、噪聲濾除等預(yù)處理，然后運用已建立的解析校正模型來進(jìn)行拉曼光譜的定性、定量分析。

2.2 顯微鏡系統(tǒng)與光路設(shè)計

2.2.1 顯微物鏡的選擇

顯微物鏡是光學(xué)顯微鏡的最重要組成部分，它負(fù)責(zé)形成原始圖像，并發(fā)揮核心作用。常用的物鏡有三種，一種是消色差物鏡，可以校正兩種色光產(chǎn)生的色差;另一種是復(fù)消色差物鏡，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通消色差物鏡，它能夠校正三種顏色的光線產(chǎn)生的色差;還有一種是平場物鏡，它能夠校正場曲，使整個像面為一個平面。這次設(shè)計對顯微鏡的圖像并不追求很高的光強，但為了看清樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對圖像清晰度有一定的要求，因此我們選擇帶有常規(guī)平場消色差物鏡的顯微鏡［8］。

2.2.2 光學(xué)系統(tǒng)的選擇

適用于顯微拉曼光譜系統(tǒng)的顯微鏡必須是無限遠(yuǎn)光場顯微鏡。與有限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)相比，無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)中有一段由成像透鏡和物鏡構(gòu)成的平行光線空間，這也正是無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)使用越來越普遍的原因。這段平行光束理論上可以無限延長，因此，根據(jù)設(shè)計需要，可以加入各種光學(xué)附件。這些光學(xué)附件包括偏振光分離器、濾色鏡等。由于成像光束在平行光束之后，因此在平行光束中添加光學(xué)附件不會影響成像質(zhì)量，大大簡化了物鏡的設(shè)計。

無限遠(yuǎn)光學(xué)校正系統(tǒng)在無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的物鏡與成像透鏡之間加入其他光學(xué)附件，成像點的位置不變;而有限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)中，若是增減其他光學(xué)附件，會造成成像點的偏移。由此可見，只能選擇具有無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的顯微鏡進(jìn)行切換設(shè)計，才能保證目鏡和攝像頭處的精確成像，而有限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)適用于各個元件固定不變的情況。遠(yuǎn)光學(xué)校正系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)光學(xué)校正系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the optical correction system

本次的光源切換裝置正是根據(jù)無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的原理，作為附加光學(xué)器件設(shè)計安裝在物鏡與成像透鏡之間，只用來改變光的方向，不影響成像點的質(zhì)量。

2.2.3 顯微鏡的切換光路設(shè)計

基于以上對顯微鏡無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)和顯微物鏡選擇的要求，設(shè)計了顯微鏡與外光路的切換光路［9］，其示意圖如圖3所示。

圖3 激光的引入與導(dǎo)出示意圖Fig.3 The diagram of laser introduction and export

本次設(shè)計采用的是一維空間濾波光路，因此對顯微鏡的光路設(shè)計并不困難。在顯微照明光路的末端，增設(shè)一面反射率高達(dá)99.5%的全反鏡和拉桿裝置。全反鏡以45°角放置在光路中，拉桿裝置實現(xiàn)激發(fā)光源(激光)和照明光源(鹵素?zé)艄?的切換。由于光路的可逆性，樣品被激發(fā)后產(chǎn)生的拉曼信號經(jīng)物鏡和鏡筒后成為平行光，沿原路返回。

2.3 外光路系統(tǒng)的設(shè)計

由于散射光與單根光纖耦合效率很低，采用多根收集光纖可以提高散射光與光纖的耦合效率，從而增加拉曼散射信號的收集效率。所以我們采用多光纖探頭的設(shè)計方案，外光路設(shè)計如圖4所示。

圖4 外光路設(shè)計圖Fig.4 Design of external optical path

設(shè)計的外光路系統(tǒng)主要包括:激發(fā)光纖、收集光纖束、準(zhǔn)直透鏡、前置全息濾光片、反射鏡、后置全息濾光片、聚焦透鏡。

激發(fā)光纖用于將激光器發(fā)出的激光引入外光路。我們用準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直激發(fā)光纖射出的激光，使之變?yōu)槠叫泄?。其中前置全息濾光片用于濾除激光器在產(chǎn)生激光過程中產(chǎn)生的其他波長的激光和譜線，使激光變得純凈，避免其他譜線對拉曼信號的干擾。反射鏡用于反射激發(fā)激光，使之射向顯微鏡。后置全息濾光片用于濾除散射信號中的瑞利散射，并使拉曼散射信號通過。聚焦透鏡則把拉曼散射信號聚焦，然后用光纖接頭SMA905將拉曼散射信號耦合至收集光纖束，導(dǎo)入光譜儀，從而完成對拉曼光譜儀顯微系統(tǒng)的外光路部分的設(shè)計［10］。

3 激光顯微拉曼光譜儀的應(yīng)用

3.1 微區(qū)無損檢測

拉曼微區(qū)分析技術(shù)可進(jìn)行空間分辨的原位無損檢測，為其他現(xiàn)代分析技術(shù)所不及。在固體檢測方面，該技術(shù)起著重要的作用，不需要制備樣品，使用非常方便。

選取彩霞石(又稱豬肉石)作為樣品，在顯微光譜儀下所得到的豬肉石的不同區(qū)域的拉曼譜圖如圖5所示。

圖5 彩霞石的拉曼譜圖Fig.5 Raman spectrum of pork stone

由圖5可以看出，兩條曲線都有明顯的上揚，而且在687點數(shù)處有明顯的出峰，所以可以判定這塊彩霞石為天然質(zhì)地，非人造石。商家為了美觀，在石頭表面做過染料處理，因此產(chǎn)生了很強的熒光。

3.2 礦物檢測定性分析

拉曼光譜對樣品的結(jié)構(gòu)和成分非常敏感，就像人的指紋一樣，因此可以用于樣品的定性分析。本課題對單一礦物、混合礦物分別進(jìn)行了測定，通過比較測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)譜圖，可以判定未知樣品是何種物質(zhì)。

單一礦物以螢石舉例，所測得的拉曼譜圖如圖6所示?；旌系V物以輝銻礦方解石共生標(biāo)本為例，樣品以及拉曼譜圖如圖7所示。通過與標(biāo)準(zhǔn)譜圖的拉曼譜圖比較可知，透明物質(zhì)為方解石，深色物質(zhì)為輝銻礦。

圖6 螢石的拉曼譜圖Fig.6 Raman spectrum of fluorite

圖7 混合礦物的拉曼譜圖Fig.7 Raman spectrum of mixed mineral

3.3 翡翠鑒定中的應(yīng)用

在寶石、玉石翡翠的檢測鑒定方面，顯微拉曼有著不可替代的作用。天然翡翠的產(chǎn)出遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場需要，不法商家使用石蠟、環(huán)氧樹脂等有機高分子材料來填充原石，冒充優(yōu)質(zhì)翡翠。本課題對某商場購買的工藝品翡翠做拉曼分析，譜圖如圖8所示。翡翠拉曼譜圖既有天然翡翠的特征譜帶，又有石蠟的特征譜帶，說明此工藝品中有石蠟填充物存在，并不是優(yōu)質(zhì)的天然翡翠。

圖8 翡翠拉曼譜圖Fig.8 Raman spectrum of emerald

4 結(jié)束語

顯微拉曼光譜分析技術(shù)是一種基于顯微技術(shù)和拉曼散射效應(yīng)的非接觸式光譜分析技術(shù)，具有無破壞、靈敏度高、檢測時間短、所需樣品少等優(yōu)點，可以實現(xiàn)對物質(zhì)的定性、定量分析。該技術(shù)已成為分析科學(xué)領(lǐng)域的熱點研究之一，被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、文物考古等領(lǐng)域。

本文首先介紹激光顯微拉曼光譜儀的總體結(jié)構(gòu);然后重點對其顯微鏡系統(tǒng)與光路設(shè)計進(jìn)行了設(shè)計研究;最后，將激光顯微拉曼光譜儀應(yīng)用于彩霞石的微區(qū)檢測。結(jié)果表明，顯微拉曼光譜儀的微區(qū)檢測可以實現(xiàn)樣品的定點檢測。將拉曼光譜技術(shù)用于對礦物檢測定性分析和翡翠的鑒定，通過每種礦物和翡翠的特征譜帶，可以快速判定礦物的種類和翡翠的真?zhèn)巍?/p>

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