如何选择拉曼光谱的激光波长

拉曼光谱,广泛应用于环境、安检、检验检疫、地质、物理及化学等领域的分析技术

激光波长的选择是最重要的考虑因素之一。一般来说,拉曼峰的位置与分子的化学结构有关,与激发波长无关。从理论上讲,您可以使用任何激光波长来测试样品。但是不同的激光波长激发样品,拉曼信号强度和噪声会有很大的差别,不合适的激光器会得到很差信噪比,甚至得不到目标物质的拉曼信号。因此,在进行拉曼光谱测试前要选择符合测试需求的激光。

在市面上,532nm、785nm和1064nm这三种波长仍是主流选择。接下来,我们将对这三种波长的重要性能进行详细对比。
首先,我们来探讨一下激发效率这一关键差异。
拉曼散射效率与激光波长的四次方成反比,即λ4。
根据之前的分析,我们知道拉曼散射效率与激光波长的四次方成反比。这意味着,当激光波长增加时,所需的测量时间也会相应增加。具体来说,532nm波长的激光产生的拉曼强度是785nm波长的4.7倍,而与1064nm波长的相比,更是高达16倍。因此,在保持其他条件不变的情况下,为了获得相同质量的光谱数据,使用较长波长的激光需要更多的测量时间。
532nm激发波长以其出色的灵敏度著称,能够在短时间内迅速捕捉到有效图谱,因而常被用于碳纳米管的分析。同时,它也适用于金属氧化物、矿物以及无机材料的检测。值得一提的是,532nm波长的仪器能够覆盖从65cm-1到4000cm-1的广泛光谱范围,这一特性使得它特别适合于检测那些位于较高拉曼位移区域的目标物,例如在2800cm-1至3700cm-1范围内出现的-NH和-OH官能团。
785nm激发波长因其广泛的适用性和低荧光干扰而备受推崇。这种波长能对90%以上的拉曼活性材料产生有效响应,且单次扫描采集时间短,非常适合各种样品和拉曼信号强度的检测需求。在三个标准波长中,785nm凭借其出色的荧光效应与光谱分辨率的平衡,成为了科研和工业领域的首选。当用于扫描海洛因碱光谱时,785nm激发光因其高分辨率而能揭示更多细节,尽管荧光效应导致基线倾斜,但整体而言,它仍是最受欢迎的激发波长之一。
在多数情况下,选用1064nm激发波长能有效降低荧光效应的影响。以纤维素测量为例,采用785nm和1064nm波长能获取优质光谱,尤其以1064nm的荧光效应最为微弱。相比之下,若使用532nm波长进行测量,由于荧光效应过于显著,将无法对纤维素进行有效测量。
综上所述,我们得出以下结论:在多数情况下,选择1064nm激发波长能够显著降低荧光效应的影响。以纤维素测量为例,通过比较785nm和1064nm波长的测量结果,我们发现1064nm波长下的荧光效应相对较弱,从而能够获取优质的光谱数据。相较之下,若采用532nm波长进行测量,则会因为荧光效应过于明显而无法对纤维素进行准确测量。

◆ 532nm激光
由于具有较高的能量,能够更深入地轰击样品结构,从而激发出更强烈的荧光,这一特性使其特别适用于对无机材料的测量。

◆ 785nm激光
在保持出色性能的同时,还能有效降低荧光强度,实现了经济性与激发效率的平衡,成为测量大多数化学品时的理想选择。

◆ 1064nm激光

虽然其荧光效应相对较弱,但需要较长的采集时间才能达到足够的信号水平进行分析。这使得它特别适合于测量彩色和深色材料,例如天然产物、染料、油以及彩色聚合物等。

下图总结了拉曼光谱激光波长选择策略

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并没有一个万能波长的激光器适合所有的材料测试。不同的样品或材料可能需要不同的激发波长。这是因为要在尽可能增强拉曼信号的同时,尽量减少荧光信号干扰。荧光是拉曼光谱技术中的一大难题,它的谱峰宽而强,可能会掩盖拉曼信号。组合使用不同波长的激光器,有助于确定最佳的拉曼激发波长,从而最大限度地减少荧光信号干扰,获得最佳的拉曼信号。

此外,不同的激发波长对材料中的分子振动也会有不同的强度响应。使用单一的激光器,可能会错过更适合其波长的特定振动模式,导致获得的信息不够深入。此外,为了获得良好的信号,有时需要更高的激光功率,当然这也存在烧坏样品的风险。组合使用不同波长的激光器,能够优化各个波长的功率,并尽可能降低样品损坏的风险。