拉曼-荧光联合光谱水下原位探测技术研究

深海热液环境中存在着巨大的化学和热梯度,快速剧烈的混合和生物过程产生了多种多样的矿物过程,并培养了大量的化学合成微生物。激光拉曼光谱非常适合于深海热液环境矿物过程的探测,然而要对矿物与微生物作用过程进行研究,还需要与荧光光谱技术进行联合,针对此需求开展了原理验证实验研究。在实验室搭建了一套拉曼-荧光联合光谱探测桌面系统,利用一台双波长激光器同时作为拉曼光谱和荧光光谱的激发光源,其中拉曼光谱采用532 nm波长,荧光光谱采用266 nm波长,双波长激光器发出的光束经分光镜分为两路,经过后向散射光路收集的两路信号分别进入两个小型光纤光谱仪进行分光探测,拉曼光谱采用QE65000光谱仪,荧光光谱采用USB2000光谱仪,通过软件可以方便的分别设置两个光谱仪的参数。利用搭建的实验系统对海水和拟菱形藻样品进行探测,分别获得了海水样品的SO2-₄拉曼光谱和可溶性有机物(CDOM)荧光光谱,拟菱形藻样品的类胡萝卜素拉曼光谱和类蛋白、叶绿素等荧光光谱,实验结果证明了研制小型拉曼-荧光联合光谱探测装置的可行性,并为发展原位联合光谱探测装置提供了技术参考。     

用于远程探测的空间外差拉曼光谱技术研究

空间外差拉曼光谱技术是一种新型拉曼光谱探测技术,具有光通量大、高分辨率、无移动部件等技术优势,非常适用于行星探测任务中,对行星表面的矿物及有机物进行分析,探寻可能存在的生命标志物。作者将这一技术运用于远程拉曼光谱探测中,对远程空间外差拉曼光谱仪的光谱分辨率、光谱范围及信噪比等主要特性进行了分析与实验验证。文章对远程空间外差拉曼光谱探测的基本原理进行了简述,设计搭建了一套实验平台,并进行了定标,验证了其性能参数。在此基础上,获取了10 m处部分无机固体样品、有机样品及天然矿物的拉曼散射信号,对系统信噪比进行了估计。由于装调精度不高、光学器件缺陷等原因,系统远非理想。但测试结果表明,对于大部分样品的主要拉曼散射峰,系统信噪比优于5,基本可以满足清楚分辨典型拉曼谱峰的要求,依然可以证明这一技术的可行性。空间外差拉曼光谱技术可以弥补色散型光栅光谱仪与傅里叶变换型光栅光谱仪的主要技术缺陷,在行星表面物质探测与分析领域具有较大的应用前景。作者对于这一技术的研究一定程度上证明了空间外差拉曼光谱技术在远程探测方面的潜力,可为远程空间外差拉曼光谱仪的工程实现提供参考。     

便携式拉曼光谱仪用于合成大麻素类物质快速定性分析探究

我国于2021年7月将合成大麻素类物质整类列入管制,在一线查缉现场对疑似合成大麻素样品进行快速定性分析是办案民警的迫切需求。研究系统考察了拉曼光谱对合成大麻素的整体区分能力,比较了四款手持式拉曼光谱仪分析实际缴获样品时的结果差异,探讨了制约拉曼光谱在一线查缉现场广泛应用的原因。ProTT-EZRaman-A7便携式拉曼光谱仪的整体性能介于台式拉曼和手持式拉曼之间,选用该仪器采集了90种合成大麻素对照品的拉曼光谱,并利用兼容性强的KnowItAll软件建立了90种合成大麻素通用拉曼光谱库。分析90种合成大麻素的拉曼光谱,结果表明,当不存在荧光干扰时,拉曼光谱可以区分所有合成大麻素物质,但对部分结构相差一个甲基、卤素原子等的结构类似物区分度欠佳。不同款拉曼光谱仪的性能差异大,为考察其原因,本研究选用了四款手持式拉曼光谱仪分别对120份实际缴获合成大麻素样品进行了测定,随后使用KnowItAll软件并选用包含90种合成大麻素的通用拉曼光谱库对每张光谱图进行谱库检索。四款手持式拉曼光谱仪的正确匹配率分别为71.7%, 68.3%, 46.7%和24.2%。抗荧光干扰能力和分辨率的不同是造成不同...     

二维材料的变温拉曼光谱研究

拉曼散射是光与物质相互作用过程中发生的一种非弹性光散射现象.由于拉曼散射光通常带有散射物质结构的特征信息,拉曼光谱一直广泛应用于表征材料结构的研究.近年来,拉曼光谱已成为表征低维纳米材料不可或缺的实验内容,因此也对拉曼光谱技术本身的发展提出新的要求.面向表征层状纳米材料的前沿研究,北京大学基础物理实验教学中心在拉曼光谱检测仪器和技术方面进行了一系列的探索.本文主要介绍北京大学近两年在变温拉曼光谱仪研制及二维材料结构表征应用的一些阶段性工作成果.     

现代高分辨拉曼光谱仪的配置及应用研究

拉曼光谱分辨率是关系到从光谱中提取出样品结构信息的关键参数,高分辨拉曼光谱能够提供更多、更精细的样品有关信息。在此全面分析了现代高分辨拉曼光谱仪中决定光谱分辨率的各参数,辨析了易于混淆的分辨率和色散度概念。用理论分析和实验结果说明光栅密度与光谱分辨率的关系以及采用高密度光栅增进光谱分辨率所受到的限制、如何利用长焦长光栅增进光谱分辨率而不损害仪器通光效率、入射狭缝宽度对光谱分辨率及灵敏度的影响,在此基础上如何求得一个合理的平衡选择;并且用不同配置的现代新型拉曼光谱仪实验研究了多层硅结构中的应力分布和单壁碳纳米管管径分布,实验结果清晰地佐证了以上分析,并充分说明了拉曼光谱测量中选择分辨率的重要性。     

LRZ-1型激光拉曼光谱仪计算机系统的研制

计算机技术的引入,使现代光谱仪器的整机性能大大提高,主要表现在:(1)以计算机为基础对光谱仪器的扫描装置及全部操作过程实行精确的自动控制;(2)将测试得到的原始光谱数据记录并贮存在计算机中,通过各种灵活、有效的处理算法,对这些数据进行多种后期加工处理。这样就大大提高了仪器的测试分析精度和自动化程度。基于上述指导思想,我们设计研制了APPLEⅡ微型机为核心的LRZ-1型拉曼光谱仪计算机系统。其主要性能特点如下: 1.以微机为中心,配以光学读数头,扫描采样控制接口,对光谱仪的扫描伺服系统实行闭环控制、检测和实时数据采集,使仪器扫描机构的重复精度达到0.1cm~(-1)以内。2.提供丰富的软件功能以实现对谱图的处理。其主要功能为:(1)重复扫描,累     

拉曼光谱退偏度测量实验的设计及其应用的研究

本文根据拉曼光谱的理论,利用LRS-Ⅲ型激光拉曼光谱仪设计了拉曼光谱退偏度测量的实验,对四氯化碳CCl4退偏度测量的结果与理论计算值吻合;并以苯和环己烷为例,提出了根据拉曼光谱退偏度的测量判断未知物质的分子结构的方法及其在温度、压力等物理条件变化时动态研究分子结构和机理中的应用.     

中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪的设计与分析

提出一种基于微光学元件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪,通过引入红外微结构衍射光学元件、多级微反射镜和微透镜阵列,实现仪器的微型化.介绍了微型傅里叶变换红外光谱仪的结构及基本原理,分析了微型准直系统和聚焦耦合光学系统的设计理论,研究了单片折衍混合准直透镜的残存像差、衍射面的衍射效率、多级微反射镜的衍射、微透镜阵列的孔径衍射和中继系统的轴向装配误差对光谱复原的影响.最后,对中波红外微型傅里叶变换光谱仪进行了建模仿真,得到的复原光谱与理想的光谱曲线比较符合,实际的光谱复原误差为2.89%.该中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪无可动部件,且采用了微光学元件取代了传统的红外镜头,不仅稳定性良好,而且体积小、重量轻,有利于在线监测应用.     

仿宝石塑料材料的拉曼光谱分析

应用便携式拉曼光谱仪对赛璐珞、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯这4种较为常见的仿宝石塑料材料进行了分析测试研究,获得它们的标准拉曼光谱.然后将它们与其对应的被仿宝石(象牙、琥珀、珍珠、水晶)的拉曼光谱分别进行了比对分析.研究结果表明,因其分子结构存在较大差异,其拉曼光谱的差异也比较显著,从拉曼光谱上就能准确地将它们辨别出来.从而找到了一种便捷、准确、快速、无损的鉴定宝石与其塑料仿品的方法.     

新激光拉曼光谱仪通过鉴定

浙江大学光学仪器系研制的LRZ-Ⅰ型激光拉曼光谱仪于6月6日由国家教委科技司组织了鉴定。参加鉴定会的专家和代表们对于浙江大学光仪系依靠国内技术研制成功高度精密的光谱仪器表示赞赏。一致认为该仪器是我国自行研制的第一台带微机的激光拉曼光谱仪,达到和超过了原订设计指标。它的功能和主要技术指标达到了国外八十年代初同类仪器的水平。LRZ-Ⅰ型激光拉曼光谱仪的光学系统和精密机械结构,采用了适合我国国情又能保证仪器精度和主要能性的方案,具有自己的特色。在波数扫描机构上采用国内研制的高精度线性编码器,并利用微机实行闭环控制,保证了波数精密度和波数重复性。在确定LRZ-Ⅰ型仪器设计方案时,决定将仪器设计成既可手控,也可由微机控制;并要求在采集光谱数据后,能对数据进行多种处理,能以不同方式显示或输出;还要求操作方     

几种农药的显微拉曼光谱和荧光光谱

首次用显微拉曼光谱仪测试了几种用于粮食、蔬菜、水果的农药的拉曼光谱和荧光光谱。从一些市售农药上记录到了分子振动特征峰 ,从而可以区分这些农药。此外一些市售农药的荧光光谱也很不同。据此 ,可利用拉曼光谱仪根据拉曼谱和荧光光谱的不同 ,实时实地和快速地识别这些农药及其在粮食、蔬菜、水果表面上的可能残留。     

小型紫外拉曼光谱仪

紫外拉曼光谱技术具有拉曼本征散射效率高,受杂散光干扰小等优点,在爆炸物、污染物以及农药残留现场检测等领域有着广阔的应用前景。然而,目前市场上常见的小型或者便携式拉曼光谱仪均采用可见或者近红外激光作为激发光源。本研究在实验室具有自主知识产权的紫外可见共振拉曼光谱仪的基础上,设计了小型紫外拉曼光谱仪,光谱仪采用透镜作为光谱仪的准直镜和聚焦镜,有效减小了慧差造成的影响,实现了高分辨率和宽光谱范围的测试。     

乳腺肿瘤周边组织的拉曼光谱研究

使用REMSHAW显微共焦拉曼光谱仪测量了40例手术切除乳腺肿瘤周边(肿块边约5 mm)组织的拉曼光谱.通过对浸润性导管癌、乳腺增生、纤维腺瘤等乳腺肿瘤周边组织的拉曼光谱分析,发现不同乳腺肿瘤周边组织的拉曼光谱有显著差异.这些差异在肿瘤诊断中,可作为乳腺癌和其他乳腺肿瘤拉曼光谱的特征,为乳腺疾病诊断提供依据.乳腺肿瘤周边组织的拉曼光谱对乳腺肿瘤诊断具有重要的价值.     

新疆和田黑色透闪石质软玉振动光谱特征及颜色成因

采用X射线荧光光谱仪、X射线粉晶衍射仪、红外光谱仪、拉曼光谱仪等对黑色透闪石质软玉样品进行化学成分和谱学特征研究。通过X射线粉晶衍射判定所采样品全部属于透闪石质软玉,采用红外光谱仪和拉曼光谱仪对样品进行振动光谱测试,并结合化学成分测试结果分析墨玉的组成和颜色成因。结果显示,黑色透闪石质软玉可分为两种:由含铁量较高的阳起石组成的(TFe2O3:7.47Wt%～11.97 Wt%),另外一种是由透闪石和石墨组成,并且含铁量比较低(TFe2O3:0.56 Wt%～4.74 Wt%)。两者的振动光谱特征与透闪类矿物基本一致,在含石墨透闪石的拉曼光谱中出现了石墨特征峰1 581cm-1。因此,拉曼光谱在区分阳起石致色和石墨致色的黑色透闪石质软玉比红外光谱更加敏锐,该方法可以成为无损鉴定黑色透闪石质软玉颜色成因和产地来源的重要辅助手段。     

微型拉曼光谱仪杂散光分析及抑制方法的改进

作为一个微弱光信号探测系统,拉曼光谱仪中的杂散光分析可以为其设计提供较大帮助。针对微型拉曼光谱仪系统,结合光学设计和三维建模优化了其光机结构,系统分辨率为0.7 nm,体积为110 mm×95 mm,属便携式微型拉曼光谱仪,并基于杂散光分析软件TracePro对系统进行了光线追迹和仿真分析。首先通过优化孔径光阑初步抑制了入射处带来的杂散光,然后针对系统内部的主要杂散光(光栅零级衍射光)抑制装置即光学陷阱进行了详细分析和设计改进,改进后的光学陷阱较改进前更有效地利用了光谱仪内部空间,且分析结果表明改进后的光学陷阱将杂散光线数量减少了50%,杂散光归一化辐照度强度从10-5降低至10-7,在微型化的同时可有效抑制微型拉曼光谱仪系统中的杂散光,将更加有利于微弱信号的探测,为微型拉曼光谱仪的设计和装调提供了参考。     

基于极值统计的拉曼光谱信噪比评估方法与应用

随着近年来便携式光谱仪技术的迅速发展,CCD光谱仪相对于传统光谱仪在光谱收集方式上发生了很多变化：（1）采集到的光谱对信号进行叠加积分,传统信噪比评估方法无法通过单次检测获得探测器波动;（2）对于谱图噪声（谱线随机波动）,由探测器响应随机波动和扫描重复误差转变为CCD探测器像素响应差异、探测器随机噪声和与光学系统分辨力有关的模式噪声。噪声类型发生改变,导致原有的光谱质量评价方法适用性变差,基于实测光谱提出更具适应性的光谱质量评价方法具有很强的现实意义。根据拉曼光谱仪检测器的变化,对采集光谱信号的成分进行分析,在该分析的基础上提出了CCD光谱仪的噪声模型假设,根据该假设使用不同的信号极值点频率对不同的噪声进行像素分离,并对噪声频率模式进行了数值模拟,模拟结果与假设相符;在此基础上提出并实验验证了通过谱线极值间距评估谱线噪声的拉曼光谱信噪比评估方法,该方法包括以下两个步骤：（1）通过采集多次实测光谱进行叠加,叠加过程中对对应不同频次的光谱极值点数量进行统计,得到统计结果后基于文中规律分离光谱仪中的环境噪声和暗噪声;（2）应用上述分离结果,对实测光谱中对应暗噪声的谱线极值点作统计平均,再将该值应用于文中公式,计算得到信噪比。该方法在进行了步骤（1）的前期准备后,可以通过单张谱图评估CCD拉曼光谱仪的随机噪声,并用于评估光谱的信噪比。基于光学构架相同、CCD探测器不同的三个拉曼光谱系统进行实验,采用该方法通过设定信噪比阈值对谱图质量进行控制,获得了一致的光谱曲线;基于该方法对同步叠加平均法进行信噪比拟合,拟合优度达到98%。该方法可用于拉曼光谱仪的性能评估和获取拉曼光谱谱图的质量实时控制。理论和实验表明：对于基于CCD探测器的拉曼光谱仪器,当确定样品和特征峰时,可以基于此方法获得信噪比。该方法还可用于比对不同配置的拉曼光谱设备,以及作为控制谱图质量一致性的标准,并对基于拉曼光谱技术的智能鉴别系统的开发具有指导意义。     

拉曼光谱和表面张力用于水质检测与分析

使用激光拉曼光谱仪测试了蒸馏水、瓶装饮用水和自来水的室温拉曼光谱,并用拉脱法测量了表面张力.实验结果表明:蒸馏水、瓶装饮用水和自来水的拉曼光谱基本相似,蒸馏水的拉曼光谱相对光滑,峰强度较大;自来水和瓶装饮用水的拉曼光谱出现杂峰与毛刺,峰强度降低,峰形宽化.蒸馏水、瓶装饮用水和自来水的表面张力随温度升高而减小.水中杂质物和溶解物对水中氢键的影响,使水分子团簇结构强化,极化率降低,振动能量减弱,拉曼光谱峰强度降低,表面张力增大.     

超高真空拉曼光学显微镜及应用研究

为了开展超高真空拉曼光谱学的研究,我们自主研制了超高真空拉曼光学显微镜。该显微镜作为一个独立单元,可安装到超高真空系统上,对其中的样品进行光学显微成像和微区拉曼散射光的提取和汇集。配合一台JY iHR550光谱仪所做的光谱测试表明,该显微镜对拉曼散射光的提取和汇集能力在光谱分辨、信噪比和低波数性能等方面均已达到国际商用仪器的水平。将此显微镜集成到一套超高真空系统上,初步研究了加热、通电对石墨烯拉曼光谱的影响和石墨烯的光电效应,得到了令人满意的实验结果。     

Na_2SO_4溶液激光拉曼/激光诱导击穿光谱联合探测

光谱技术应用于海底极端环境下多参数、多相态、无接触探测已成为深海化学传感器发展的一个重要方向,尤其是水下激光拉曼光谱技术和水下激光诱导击穿光谱技术正成为目前研究开发的热点。该工作旨在探索一项水下激光诱导击穿光谱与激光拉曼光谱(LIBS-LRS)联合探测技术,以实现LIBS和拉曼两种检测技术在检测系统上的整合,在信息获取上的互补。在实验室搭建了一套LIBS-LRS联合探测装置,该装置对于拉曼和LIBS采用同样的激发光源、光谱仪和探测器,前置光路分为两部分:拉曼光路和LIBS光路,分别收集Na_2SO_4溶液的拉曼信号和LIBS信号。前置光路收集的拉曼和LIBS信号由Y型光纤导入光谱仪,分别在面阵CCD不同区域进行探测。利用该装置对配置的Na_2SO_4溶液进行探测,同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号。另外,随着激光能量的提高,在532nm脉冲激光能量超过3.6mJ时,在拉曼光路同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号,这样采用同一光路即可实现两种光谱技术的联合,然而实验发现,随着激光能量的增加,激光在溶液中击穿产生的轫致辐射造成了光谱探测基线整体的抬升,对拉曼光谱弱信号的探测是不利的。实验结果初步证明了在拉曼和LIBS在水下联合探测的可行性。     

醛类分子的拉曼光谱研究

应用便携式拉曼光谱仪,采集了四种醛类分子(GnH2nO,n=1,2,3,4)的拉曼光谱,并通过量子化学中密度泛函理论(DFT)对四种醛类分子进行了分子模型构建和理论拉曼光谱模拟计算.通过实验拉曼光谱和DFT模拟计算结果的对比,对四种醛类分子的特征振动峰进行了指认.同时对四种醛类分子的实验光谱进行了分析比较.应用便携式拉...