李揚裕，馬建光，李大成，崔方曉，王安靜，吳 軍

1. 中國科學院安徽光學精密機械研究所通用光學定標與表征技術重點實驗室，安徽 合肥 230031 2. 軍事科學院系統(tǒng)工程研究院，北京 100082

引 言

拉曼光譜技術是一種基于拉曼散射現(xiàn)象的光譜分析技術，可以根據(jù)分子的振動、轉(zhuǎn)動信息識別未知化合物。與常規(guī)化學分析技術相比，拉曼光譜技術具有非接觸、無損、快速準確等優(yōu)點，是當前分析領域研究的熱點。然而，拉曼散射光強弱是其本身固有的缺點，一般拉曼散射光強約為入射光強的10-10，在對容器內(nèi)未知樣品進行檢測時極易受到容器壁的熒光和拉曼散射干擾[1]。因此，其商業(yè)應用往往僅限于透明塑料或玻璃包裝的情況。

2005年Pavel Matousek等在研究拉曼散射光子遷移理論的基礎上提出了空間偏移拉曼光譜技術(spatially offset Raman spectroscopy，SORS)，通過將拉曼光收集點偏離激光入射點，能夠抑制容器壁的熒光和拉曼散射干擾，取得更好的檢測效果[2]。該技術已被應用于藥品認證、疾病診斷、危險品檢測特別是液體爆炸物的安檢等領域中，得到了廣泛的關注和認可[3-4]。通過對不同偏移距離的光譜進行多變量數(shù)據(jù)分析，能夠得到各層的干凈的拉曼光譜。但是，多變量數(shù)據(jù)分析需要大量的不同偏移距離的光譜數(shù)據(jù)，采集時間長、處理時間長，不利于現(xiàn)場快速檢測[5]。

本文首先介紹空間偏移拉曼光譜技術的原理，然后通過設計搭建空間偏移拉曼光譜實驗裝置，分別采用傳統(tǒng)方式和空間偏移方式對容器內(nèi)樣品進行拉曼光譜的測量和對比分析，以期證明空間偏移拉曼光譜技術在不透明、有色容器內(nèi)樣品檢測方面的可行性，并對空間偏移拉曼光譜的數(shù)據(jù)處理方法進行研究。

1 原理與方法

傳統(tǒng)拉曼光譜采集方式如圖1(a)所示，激光入射點與拉曼光譜采集點重合，都位于樣品表面上。傳統(tǒng)方式非常容易受容器壁的熒光和拉曼散射光干擾，很難用于不透明、有色容器內(nèi)樣品的檢測。

圖1 空間偏移拉曼光譜的原理示意

空間偏移拉曼光譜采集方式如圖1(b)所示，拉曼光譜采集點與激光入射點有橫向偏移，但都位于容器表面上。其理論依據(jù)是： 光子在介質(zhì)內(nèi)部的遷移方向具有隨機性，與表層相比內(nèi)部深層處產(chǎn)生的拉曼散射光子在擴散過程中更易于橫向遷移，因此偏離激光入射點不同距離的拉曼光譜包含了不同深度層的拉曼光譜信息[6]。當空間偏移Δx=0時(即傳統(tǒng)方式)，此處激光光子密度最大，采集到的拉曼光譜主要來自容器壁(表層)的熒光和拉曼散射貢獻； 當空間偏移Δx≠0時(即空間偏移方式)，采集到的拉曼光譜中來自樣品(深層)的熒光和拉曼散射貢獻更大，也就是說來自容器壁的熒光和拉曼散射被抑制了。

需要指出，雖然容器壁的熒光和拉曼散射貢獻逐漸降低，但是不可能完全消除，因此不能直接在原始光譜中得到樣品的干凈的拉曼光譜，需要采用合適的數(shù)據(jù)處理方法提取干凈的拉曼光譜[7]。

2 實驗部分

為了能夠同時測量傳統(tǒng)拉曼光譜和空間偏移拉曼光譜，搭建的空間偏移拉曼光譜實驗裝置如圖2(a)所示。激光器通過光纖連接到激發(fā)探頭上，探頭的工作距離為7.5 mm，在容器壁表面會聚的激光光斑大小為200 μm。產(chǎn)生的拉曼光通過收集探頭接入到光譜儀的入射狹縫處，探頭工作距離為10 mm，OD>8。所用激光器為譜鐳光電的SPL-LASER-785，波長785 nm，連續(xù)輸出功率0～500 mW可調(diào)，線寬小于0.2 nm。所用光譜儀為Ocean Optics公司的QE65PRO光譜儀，狹縫寬度50 μm，工作光譜范圍651～1 019 nm，對于785 nm的入射激光其對應的拉曼頻移范圍-2 622.1～2 925.4 cm-1。對于785 nm的入射激光來說，上述光譜儀并非最優(yōu)的，但是該光譜儀是實驗室內(nèi)已有的，而且測得的拉曼頻移能滿足使用需求(0～2 000 cm-1)。

激發(fā)探頭和收集探頭的焦點均在容器壁表面上，兩者偏移距離為Δx，如圖2(b)所示。激發(fā)探頭和收集探頭固定在六維光學調(diào)整架上，通過調(diào)節(jié)左右實現(xiàn)不同的空間偏移距離。實驗裝置中探頭能調(diào)節(jié)的偏移距離是-1.0～10.0 mm，偏移為零時是傳統(tǒng)拉曼光譜儀的工作方式。

使用青色、不透明的1 mm厚PMMA平板來模擬容器壁。待測樣品為碳酸鈣(CaCO3)粉末，置于樣品倉內(nèi)。激光功率設為155 mW，光譜儀的積分時間設為10 s，每次測量采集10條光譜進行平均。

圖2 空間偏移拉曼光譜實驗裝置

3 結(jié)果與討論

通過7階多項式擬合去除原始光譜中的基線(熒光)[8-9]，得到不同空間偏移的拉曼光譜如圖3所示。作為對比，將PMMA和CaCO3的拉曼光譜也畫在圖中?？梢悦黠@觀察到隨著偏移距離的增加(圖中右側(cè)數(shù)字)，容器壁(PMMA)和樣品(CaCO3)的光譜貢獻變化趨勢不一致。

圖3 不同空間偏移的拉曼光譜信號

PMMA和CaCO3拉曼光譜強度隨偏移距離的變化趨勢如圖4(a)所示。光譜強度的計算方式為3個最高峰的平均值。PMMA選取的3個峰為： 812.6，1 450和1 529 cm-1，CaCO3選取的3個峰為： 1 084，278.4和710 cm-1。圖中可以看出，隨著Δx增大，PMMA信號強度快速下降，而CaCO3信號強度先上升后緩慢下降。這導致了如圖4(b)所示的光譜強度比值(CaCO3/PMMA)隨偏移距離的變化趨勢，在Δx等于1.2 mm時達到最大值，隨后基本不變。由于光譜儀噪聲基本不變，隨著Δx增大，光譜信號不斷降低，信噪比也隨之降低，因此對于此次樣品，探測效果最優(yōu)的偏移距離為1.2 mm。實驗中PMMA平板和CaCO3粉末是均勻厚度、各向同性的，因此這個比值并不依賴于空間偏移的方向，只與偏移大小有關，即零偏移兩側(cè)是對稱的。圖4(b)中曲線存在輕微的不對稱是由于光束斜入射導致的，斜入射時的光斑不再是對稱的圓形，而是不對稱的彗星狀光斑。

圖4 拉曼散射信號與空間偏移的關系

Fig.4ThedependenceofRamanbandintensitiesonthespatialoffset(a),theRamanbandintensityratio(CaCO3/PMMA) (b)

在容器和樣品材質(zhì)未知的情況下，采用比例相減的方法仍可以得到各層干凈的拉曼光譜。首先選擇零偏移和最優(yōu)偏移距離處的拉曼光譜，如圖5中的“Offset 0 mm”和“Offset 1.2 mm”。零偏移處的光譜為SP0，最高峰代表的是容器壁的拉曼特征，其值為v01，拉曼頻移為x01(圖中虛線所在位置)。最優(yōu)空間偏移處的光譜為SP1，對應拉曼頻移x01處的值為v11，則樣品的拉曼光譜RS1為

RS1=SP1-SP0×v11/v01

(1)

樣品的拉曼光譜RS1的最高峰代表的是樣品的拉曼特征，其拉曼頻移為x12(圖中點劃線所在位置)，光譜SP1中對應位置的值為v12，光譜SP0中對應位置的值為v02，則容器壁的拉曼光譜RS0為

RS0=SP0-SP1×v02/v12

(2)

計算得到的PMMA光譜和CaCO3光譜如圖5中的“Cal. PMMA”和“Cal. CaCO3”所示，已經(jīng)非常接近純凈物“PMMA”和“CaCO3”的拉曼光譜了。

圖5 比例相減法求得雙層結(jié)構(gòu)樣品的各層的拉曼光譜

Fig.5Ramanspectraobtainedfromaproportionalsubtractionwiththezeroand1.2mmoffset

4 結(jié) 論

通過設計搭建的實驗裝置，對容器內(nèi)樣品的拉曼光譜進行測試，分析發(fā)現(xiàn)隨著空間偏移的增大，容器壁(PMMA)的拉曼散射強度快速下降，而樣品(CaCO3)的拉曼散射強度先上升后緩慢下降。對于此次樣品，在空間偏移1.2 mm處兩者的比值(CaCO3/PMMA)達到最大值，此處探測的效果最佳。采用比例相減法，對零偏移和最優(yōu)空間偏移兩處光譜進行計算，得到干凈的PMMA和CaCO3的拉曼光譜。結(jié)果表明，空間偏移拉曼光譜技術能有效的抑制容器產(chǎn)生的熒光和拉曼散射，從而準確識別不透明、有色容器內(nèi)的樣品，彌補了傳統(tǒng)拉曼光譜技術這方面的缺陷。研究結(jié)果證明了空間偏移拉曼光譜技術在不透明、有色容器內(nèi)樣品的檢測方面的潛力，也為空間偏移拉曼光譜儀的進一步研究和應用提供依據(jù)。