劉春梅，朱艷艷，張斌

鄭州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，鄭州 450000

全面提高大學(xué)生綜合素質(zhì)是高等教育改革的一個(gè)重要目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)過程是學(xué)生理解理論知識(shí)的重要鞏固與升華，更是培養(yǎng)學(xué)生科研動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的重要環(huán)節(jié)。拉曼光譜是一種指紋光譜，可以提供樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)、相和形態(tài)、結(jié)晶度以及分子相互作用的詳細(xì)信息，可對物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析。作為一種無損分析技術(shù)，拉曼光譜是化學(xué)、材料、生命、環(huán)境、食品、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的重要研究方法，近些年來已廣泛應(yīng)用到科學(xué)研究、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-5]。將激光拉曼光譜儀用于教學(xué)，有助于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手、思維和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)研究的興趣[6,7]。因此，我院化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心將科研儀器設(shè)備與本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，為本科生開設(shè)了激光顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)課。

本實(shí)驗(yàn)包括原理介紹、儀器構(gòu)造講解、樣品測試、數(shù)據(jù)分析等知識(shí)學(xué)習(xí)，目的是理論與實(shí)踐相結(jié)合，加強(qiáng)學(xué)生對拉曼光譜基礎(chǔ)知識(shí)及其應(yīng)用的了解，并掌握拉曼光譜儀的功能以及操作方法，了解拉曼光譜儀日常維護(hù)的常識(shí)和注意事項(xiàng)。在實(shí)驗(yàn)中加強(qiáng)學(xué)生討論和參與實(shí)踐的互動(dòng)式教學(xué)，讓學(xué)生結(jié)合實(shí)際情況自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，既培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，又提高了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的參與度和動(dòng)手能力；并結(jié)合科研樣品的拉曼光譜解析讓學(xué)生了解科研中的分析方法以及拉曼測試的重要性，構(gòu)建科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的橋梁。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖抢碚撆c實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)促進(jìn)對基本原理的理解和掌握，學(xué)以致用。本實(shí)驗(yàn)包括拉曼光譜的理論知識(shí)、儀器原理的講解和儀器操作部分。實(shí)驗(yàn)采取3人一小組輪流上課，讓每一名學(xué)生都成為準(zhǔn)備者、參與者和思考者，并通過小組討論分析完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

1)原理講解：結(jié)合測試示例，對基本原理、儀器構(gòu)造、應(yīng)用領(lǐng)域等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行講解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用多媒體演示和對實(shí)體儀器的面對面接觸對儀器原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)地講解，讓學(xué)生能夠多角度形象的對儀器原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化理解。

2)創(chuàng)新探索：結(jié)合前沿科研中的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科研與創(chuàng)新思維，幫助學(xué)生對理論知識(shí)學(xué)習(xí)的升華，真正做研究型教學(xué)。提前讓學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)調(diào)研，選擇小組感興趣的測試樣品，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，加深對儀器測試原理及應(yīng)用的理解，提升科研素養(yǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)用到的儀器是法國Horiba公司的一款高分辨激光顯微共焦拉曼光譜儀，型號(hào)是LabRAM HR Evolution。實(shí)驗(yàn)操作開始階段，以標(biāo)準(zhǔn)樣品單晶硅片進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，并用實(shí)驗(yàn)室自制標(biāo)準(zhǔn)石墨烯以及典型科研樣品作為示例樣品進(jìn)行示范，接下來再由學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作，熟悉儀器檢測及數(shù)據(jù)分析方法，最后小組提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

儀器校準(zhǔn)好之后，首先給學(xué)生演示的是典型石墨烯材料的拉曼光譜檢測。拉曼光譜是表征石墨烯層數(shù)以及無序性的理想分析工具，通過其拉曼光譜的分析可以判斷石墨烯的層數(shù)、堆垛方式、缺陷多少、張力以及摻雜狀態(tài)等結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特征。石墨烯的拉曼光譜主要有D峰(1340 cm-1)和G峰(1580 cm-1)。G峰是石墨烯的主要特征峰，由sp2碳原子的面內(nèi)振動(dòng)引起，能有效反映石墨烯的層數(shù)。D峰被認(rèn)為是石墨烯的無序振動(dòng)峰，用來表征石墨烯樣品中的結(jié)構(gòu)缺陷或邊緣。在實(shí)際測試石墨烯材料的時(shí)候，會(huì)隨著激光功率的不適當(dāng)改變造成樣品的損壞以及D、G峰的移動(dòng)，因此在實(shí)際測試中需控制好激光功率大小。此外為了更好地定量分析石墨烯材料的拉曼光譜，利用LabSpec 6軟件對石墨烯的拉曼峰進(jìn)行分峰分析，比如對于石墨烯材料的D峰和G峰可以細(xì)分為D1(1338 cm-1)，D2(1600 cm-1)，D3(1500 cm-1)，D4(1200 cm-1)和G峰(1578 cm-1)[8]，如圖1所示。

圖1 石墨烯材料的拉曼光譜以及分峰D1，D2，D3，D4和G峰

2.1 示例教學(xué)

教學(xué)與科研是必不可分、融為一體的。與相關(guān)科研課題組溝通后，本實(shí)驗(yàn)利用實(shí)驗(yàn)樣品用來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，科研樣品的測試有助于學(xué)生了解科研方法；同時(shí)，一些比較前沿的科研成果有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，在這個(gè)過程中可以更好地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性和積極性。

1)我國是四大文明古國之一，寶貴的文物是中華民族的瑰寶，具有極其重要的文明傳承作用，對這些不同時(shí)期和不同地方出土文物的顏料、結(jié)構(gòu)以及釉質(zhì)等進(jìn)行分析，能為文物鑒定、辨?zhèn)?、產(chǎn)地以及價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，對文物保護(hù)提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)，并對其修復(fù)提供主要建議。無損檢測對文物的分析具有重要的意義，在分析過程中能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣和主觀能動(dòng)性，因此我們首先選用了歷史學(xué)院老師送來檢測的文物。

圖2a是出土的文物進(jìn)行拉曼光譜采集過程，其中以紅色顏料為例，拉曼光譜峰位集中在252，282和341 cm-1處(圖2b)，這三個(gè)峰主要是Hg―S鍵的伸縮振動(dòng)，因此可以推測紅色部分主要成分為硫化汞[9]?？紤]到繪畫藝術(shù)品的珍貴，在實(shí)際檢測過程中要確保是無損的，測試中選擇激光功率要盡量小，避免因激光照射造成文物的破壞、分解或者結(jié)構(gòu)改變。結(jié)合樣品測試的實(shí)際問題為學(xué)生講解出現(xiàn)這種情況的原因，從而為以后養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)打下良好的基礎(chǔ)。

圖2 出土的文物在激光顯微拉曼光譜測試中(a)以及上面紅色顏料區(qū)采集的拉曼光譜(b)

2)利用化學(xué)學(xué)院課題組的碳材料作為測試樣品。為了提高難度，加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析方法的教學(xué)，往其中加入阿司匹林，略加混合，并借此向?qū)W生介紹拉曼成像[10]。拉曼成像可以對樣品的不同位置逐點(diǎn)掃描并獲取拉曼光譜，然后把這些光譜集成在一起，基于所有光譜生成偽彩圖像，從而顯示出材料的結(jié)構(gòu)信息和分布。拉曼成像能夠顯示出普通光學(xué)顯微鏡下觀察不到的化學(xué)成分分布，提供更多有價(jià)值的信息，是表征化學(xué)成分的有力手段。

為了更形象地展示拉曼成像分析不同樣品成分，成像區(qū)域選在不同顏色范圍內(nèi)，如圖3a所示，藍(lán)色方框內(nèi)是成像實(shí)驗(yàn)選取的范圍。對于選取區(qū)域的拉曼峰主要有兩種峰形，如圖3c和3d所示：分別對應(yīng)于碳材料和阿司匹林的典型拉曼峰。對于區(qū)域內(nèi)測的所有拉曼光譜，用夾峰法分析結(jié)果如圖3b所示，其中藍(lán)色代表所測區(qū)域內(nèi)碳成分，紅色、綠色和黃色部分代表阿司匹林成分。這樣從圖3b顏色分布上就可以看出不同組分的分布情況。在實(shí)際的科研過程中，實(shí)驗(yàn)上得到的產(chǎn)物(尤其對于實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物不是純凈物的情況下)借助拉曼成像手段進(jìn)行檢測具有明顯的優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)課堂上，同樣借此介紹了阿司匹林的拉曼峰的歸屬問題：在1753 cm-1處對應(yīng)羧酸中C＝O伸縮振動(dòng)峰，還有1629和1604 cm-1處對應(yīng)芳環(huán)骨架振動(dòng)的特征峰，拉曼光譜在1220-1300 cm-1范圍內(nèi)存在數(shù)量較多的譜峰，其中有1295 cm-1處苯環(huán)C―H彎曲振動(dòng)峰，1257 cm-1處苯環(huán)C＝C伸縮振動(dòng)峰[11]。

圖3 拉曼成像實(shí)驗(yàn)中成像實(shí)驗(yàn)中選取的成像范圍(藍(lán)色框) (a)；用夾峰法分析得到代表不同物質(zhì)分布的彩圖(b)(其中深藍(lán)色代表石墨烯材料，紅色和綠色以及黃色部分代表阿司匹林成分)；碳材料的拉曼峰(c)；阿司匹林的拉曼峰(d)

2.2 創(chuàng)新探索

在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓每組學(xué)生根據(jù)自己的興趣來選擇不同的樣品，比如可以是平時(shí)吃的維生素片/止疼片、自封袋以及塑料制品等生活中容易接觸到的東西。通過查閱資料，找出相應(yīng)樣品測試的前處理方法，核實(shí)無誤后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生對科學(xué)前沿中相關(guān)文獻(xiàn)的檢索，進(jìn)行小組討論。在小組討論中教師要調(diào)動(dòng)所有學(xué)生的積極性，鼓勵(lì)和督促所有學(xué)生參與討論，避免有的學(xué)生只關(guān)注自己查閱的文獻(xiàn)而較少關(guān)注其他同學(xué)的預(yù)習(xí)匯報(bào)。實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生嘗試不同的實(shí)驗(yàn)條件，測試不同的樣品，觀察拉曼峰的情況，并和學(xué)生討論出現(xiàn)這種情況的原因，充分發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性。面對先進(jìn)的儀器設(shè)備和自己精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)都很積極并期待實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4列舉的學(xué)生在本實(shí)驗(yàn)中測試的幾個(gè)典型樣品的拉曼光譜。

塑料制品與人們的日常生活息息相關(guān)，本次探索實(shí)驗(yàn)學(xué)生首先選取的是塑料自封袋的拉曼光譜檢測，其主要成分是高密度聚乙烯(HDPE)，拉曼光譜主要集中在1059、1125、1290和1435 cm-1幾個(gè)位置(如圖4a)。其中1059和1125 cm-1處振動(dòng)峰由碳原子間非對稱、對稱伸縮振動(dòng)引起，1290 cm-1處振動(dòng)峰是由碳與氫原子間搖擺振動(dòng)引起的，1435 cm-1處振動(dòng)峰由碳與氫原子間非對稱彎曲振動(dòng)引起[12]。在測試塑料制品的時(shí)候，嘗試用不同波長的激發(fā)光源，發(fā)現(xiàn)所測拉曼峰形一致，但是拉曼峰的干擾情況是不一樣的。因此，后期的數(shù)據(jù)處理和分析也是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中必不可少的部分，針對用532 nm波長激光測的聚乙烯薄膜的拉曼峰有干擾的情況，給學(xué)生詳細(xì)講解了借助儀器自帶軟件LabSpec 6如何消除干擾，為以后學(xué)生處理數(shù)據(jù)提供了方便。圖4b是學(xué)生檢測的塑料筆帽的拉曼光譜，其主要成分是聚丙烯(PP)材料，測的拉曼峰主要集中在2800-3000 cm-1的―CH3和―CH2―中C―H鍵的伸縮振動(dòng)峰；800-1500 cm-1的譜峰指C―C鍵的伸縮振動(dòng)峰和C―H鍵的彎曲振動(dòng)峰；位于200-550 cm-1的譜帶來自PP碳鏈骨架的搖擺振動(dòng)。圖4c是常見止痛藥布洛芬的拉曼光譜，其中3052 cm-1為羧酸―OH伸縮振動(dòng)，2950 cm-1為―CH3不對稱伸縮振動(dòng)，2870 cm-1為―CH3對稱伸縮振動(dòng)，1609 cm-1為苯環(huán)C＝C伸縮振動(dòng)，1339 cm-1為異丙基―CH變形振動(dòng)，745 cm-1為亞甲基面內(nèi)搖擺振動(dòng)[13]。通過這樣自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及對拉曼峰的數(shù)據(jù)處理和歸屬問題解析，學(xué)生對所測物質(zhì)的拉曼光譜有了感性的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告也不同于以往的抄抄實(shí)驗(yàn)原理、寫寫實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等千篇一律的簡單模式，而是每個(gè)學(xué)生都根據(jù)自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及改變實(shí)驗(yàn)條件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響等一系列因素進(jìn)行了討論。

圖4 塑料自封袋(a)；塑料筆帽(b)；布洛芬藥品(c)和無水乙醇(d)的拉曼光譜

自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，本實(shí)驗(yàn)課程允許一定自由實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣和科研創(chuàng)新能力。其中有學(xué)生對本實(shí)驗(yàn)特別感興趣，做完規(guī)定樣品測試之后，還嘗試其他現(xiàn)有樣品的測試，有同學(xué)對透明液體的測試比較感興趣，隨手檢測了一下無水乙醇的拉曼峰(如圖4d)，發(fā)現(xiàn)透明液體的聚焦情況和固體樣品有很大差別，對于液體樣品可以選擇用激光光斑聚焦，聚焦好再進(jìn)行拉曼光譜的采集；還有學(xué)生測試自己佩戴的項(xiàng)鏈，發(fā)現(xiàn)所測小鉆石的拉曼峰大約在1332 cm-1，鉆石由三維sp3雜化的碳原子堆積成八面體晶體結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的原子排列使得其在1332 cm-1處有明顯的拉曼特征[14]。通過這些自由探討實(shí)驗(yàn)，學(xué)生表現(xiàn)出極高的實(shí)驗(yàn)興趣，教師在此過程中和學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)中存在的問題以及本節(jié)實(shí)驗(yàn)課的主要收獲。通過以上的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生達(dá)到對理論知識(shí)、儀器使用、實(shí)驗(yàn)操作以及結(jié)果分析等的全面掌握，進(jìn)一步加強(qiáng)對其實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)，達(dá)到整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的層層深入。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

本次實(shí)驗(yàn)考核從預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告等各個(gè)方面綜合考慮，側(cè)重實(shí)驗(yàn)操作和問題的分析、解決能力。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的寫作過程也是對學(xué)生寫作能力的鍛煉，為以后撰寫畢業(yè)論文以及科研文章打下基礎(chǔ)。根據(jù)教學(xué)調(diào)查問卷結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)的小組教學(xué)取得良好的效果：(1)幫助學(xué)生加強(qiáng)對于基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，使他們了解相關(guān)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，開闊視野，提高對科學(xué)研究的興趣，能夠順利對所選擇的樣品進(jìn)行測試；(2)學(xué)生能夠?qū)y試的樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過小組討論加深了對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解，開闊了視野，初步建立了化學(xué)科研思維。例如對于乙醇的拉曼特征峰，2800-3050 cm-1處的譜帶由―CH2―、―CH3基團(tuán)的對稱、不對稱伸縮振動(dòng)引起；1453 cm-1處的峰由于―CH3不對稱變形產(chǎn)生(圖4d)；(3)學(xué)生普遍反映拉曼光譜是重要的表征技術(shù)，很多保送本校的研究生在做科研過程中，自覺主動(dòng)地利用拉曼作為重要的分析測試方法，并取得較好的科研成果[15,16]。

4 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)采用互動(dòng)式教學(xué)，利用不同科研樣品的測試讓學(xué)生對拉曼光譜在科研中的用途和重要性有所了解，并且對儀器的操作和測試原理有了深入的理解；探索性實(shí)驗(yàn)自選樣品的測試有效激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣和科研創(chuàng)新熱情，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。通過本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生們能夠掌握拉曼光譜儀的工作原理和操作方法，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖譜解析，為以后從事相關(guān)工作和科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了頗佳的教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)的開展達(dá)到了新時(shí)代學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量提升之目標(biāo)。