天美讲堂丨拉曼光谱仪中的光栅，您选对了吗？

简介

衍射光栅用于将多色光分离成其组成的波长。在拉曼光谱仪中，衍射光栅用于将收集的拉曼散射的组成波长分离到CCD相机的不同像素上进行检测。所有拉曼光谱仪需要至少一个衍射光栅，并且经常配置多个衍射光栅以允许用户对其样品和激发波长进行最 佳的光栅选择。

图1. 爱丁堡仪器拉曼光谱仪RMS1000（左）和RM5（右）

当通过拉曼光谱分析样品时，可能需要多个激发源来覆盖用户样品的范围，例如，紫外、可见或近红外区域的激光。RM5拉曼光谱仪最 多可内置三个激光器，RMS1000拉曼光谱仪最 多可内置五个激光器，并可选择外置激光器。为了使用多个激光器，RM5和RMS1000的光谱仪可以容纳多达五个衍射光栅，从而使光栅最适合激光器的波长和用户的要求。用户可以从RM5和RMS1000上的Ramacle®软件（图2）的下拉菜单中选择光栅。选择后，光栅塔轮将自动移动到所选光栅，这意味着用户无需手动更换光栅。然后，Ramacle®将显示该光栅和激发激光器在波数和波长上可实现的光谱范围。在为拉曼光谱仪选择衍射光栅时，有四个主要考虑因素：光谱分辨率、光谱范围、闪耀波长和激发波长。

图2. Ramacle®软件的测试界面，标记处显示光栅的选择

光谱分辨率

增加刻线密度增加光谱分辨率

光栅具有固定的刻线密度（以每毫米刻线为单位，gr/mm），可控制光的色散。刻线密度越高，光谱分辨率越好，例如，1200 gr/mm光栅将提供比150 gr/mm光栅更高的光谱分辨率。图3显示了低和高刻线密度光栅对光的色散。较高刻线密度光栅将光传播到CCD的较大区域，增加了光谱分辨率。简单的经验法则是，当刻线数量加倍时，分辨率大致加倍。

图3. 低和高刻线密度光栅对光的色散

为了说明刻线密度对光谱分辨率的影响，使用五个衍射光栅和532nm激发波长测量了硅衬底上MoS2的光谱（图4）。MoS2的分析侧重于350-450 cm-1之间的两个峰。这些峰对于检测存在的MoS2的层数至关重要。使用300 gr/mm光栅，光谱分辨率不足以分辨两个单独的峰，仅可以看到单个宽特征。随着gr/mm的增加，我们看到两个单独峰的分辨率提高。这两个峰的分辨率越高，关于峰位置和层数的信息就越准确。这一测量说明了光谱分辨率的重要性。

图4. 使用5个不同光栅获取的MoS2的拉曼光谱

图4还显示了样品中硅峰的半峰宽（FWHM）值。Ramacle®可以提供FWHM值（峰值宽度为最 大强度的一半），并在光谱上显示这些值。从300 gr/mm光栅开始，我们观察到的FWHM为22.9 cm-1。当使用1800 gr/mm的光栅时，该值降至4.8 cm-1，这突出了随着刻线密度的增加，光谱分辨率的提高。

光谱范围

增加刻线密度减小光谱范围

改变光栅的刻线密度会影响所讨论的光谱分辨率，但也会影响光谱范围。将环己烷样品放置在比色皿支架中，使用所有五个光栅用638 nm激发进行分析（图5）。光谱再次显示了分辨率如何随着刻线密度的增加而增加，但现在也显示了高刻线密度的缺点，降低了光谱范围。光谱仪的光谱范围与光栅的刻线密度成反比。

图5. 使用不同光栅和1800gr/mm光栅（品红色）扩展扫描的环己烷的拉曼光谱。插图显示了具有300 gr/mm和1800 gr/mm光栅的样品的高波数区域。

上述光谱清楚地表明，随着刻线密度的增加，光谱范围减小。对于300 gr/mm，光谱范围达到约7400 cm-1，而1800 gr/mm光栅仅达到约1100 cm-1。因此，获取的拉曼光谱的光谱范围与分辨率之间存在固有的取舍。

为了两全其美，RM5和RMS1000的Ramacle®软件具有一个称为扩展扫描的功能。在扩展扫描中，Ramacle®软件在衍射光栅的不同中心波长位置采集一系列光谱，然后将这些光谱自动拼接在一起，以在宽光谱范围内提供单个拉曼光谱。该功能使用户能够同时使用高gr/mm光栅实现高光谱分辨率和宽光谱范围。图5显示了拼接1800 gr/mm光谱（品红色）的示例，其范围高达~5000 cm-1。

扩展扫描的缺点是采集时间的增加。由于光栅需要移动并采集多个光谱，采集时间将增加，对于上述示例（0-5000 cm-1），扩展扫描是将九个单个光谱拼接在一起。因此，如果曝光时间为1s，则最 终光谱将需要9s才能获取。如图5中的插图所示，1800 gr/mm光栅的光谱分辨率提高，可以更好地分辨高波数区域的峰值，而分辨率较低的300 gr/mm光栅可以更快地进行测量。

闪耀波长

闪耀波长表示光栅优化的激发波长

衍射光栅的效率总是与波长有关。最 大衍射效率的波长称为闪耀波长。衍射光栅可以用不同的闪耀波长制造，以优化不同的波长区域。通常，可见光和近红外激光器可以使用具有相同闪耀波长的光栅，同时保持相似的效率；然而，当在“标准”拉曼激光器的极端使用激光器时，例如，≤325nm和≥1064nm激发，需要不同闪耀波长的光栅来优化光谱仪。例如，当光栅被称为“Blaze 300 nm”时，它将针对UV进行优化，而“Blaze 750 nm”将针对NIR进行优化。

图6显示了两个600 gr/mm光栅的绝 对效率曲线。一个具有550 nm的闪耀波长，非常适合可见光激光器，另一个750 nm，适合NIR激光器。曲线揭示了为什么闪耀波长很重要。如果用常用的785nm激光器激发，550nm闪耀光栅将仅具有约52%的效率。然而，NIR优化的光栅将具有约71%的高得多的效率。这将对所需的频谱质量和采集时间产生重大影响。

图6. 突出显示了两个激光器（532nm和785nm）下，闪耀波长分别为550nm和750nm的两个600gr/mm光栅的绝 对效率曲线。

光致发光测量

低刻线密度光栅可用于UV和可见激光器以获取PL光谱

拉曼光谱仪也可用于测量光致发光（PL），通常使用UV或可见光激发。PL光谱通常非常宽，应选择低刻线密度光栅以获得尽可能宽的光谱范围。在图7所示的示例中，使用532 nm激光分析笔墨。通过使用300 gr/mm光栅，光谱范围可以覆盖1200 nm，这意味着用户可以很容易地看到700 nm处的PL峰。

由于PL非常强，当使用300gr/mm光栅时，任何拉曼峰都会丢失到PL峰的强度中。然而，通过改变为1800gr/mm光栅，仍然可以观察到拉曼光谱。在这样做时，来自墨水的拉曼峰可以在没有PL干扰的情况下被分辨，因为它发生在PL峰或检测器饱和之前。以这种方式使用光栅的组合允许从样品中获得PL和拉曼光谱。

图7. 使用300gr/mm（绿色）和1800gr/mm（红色）光栅获取的笔墨的PL和拉曼光谱

激发波长

UV和可见激光器适用于高刻线密度的光栅

NIR激光器适用于低刻线密度的光栅

可以认为光栅的色散功率在波长方面是恒定的；然而，拉曼光谱使用能量相关单位，波数（cm-1），表示入射光子的能量偏移。这意味着色散拉曼光谱仪的光谱分辨率随着激光激发波长的降低（即从红色到绿色再到蓝色）而降低。因此，当使用785nm激光器时，实现与532nm激光器相同分辨率所需的光栅将需要更少的gr/mm。

此外，由于色散与波长有关，因此光栅可以在一个工作范围内成功运行。刻线密度为n的光栅的理论波长极限为λ=2/n。例如，2400 gr/mm光栅将被限制在光谱的绿色端，即可见光和紫外激光器，而3600 gr/mmm光栅在500nm后不会衍射太多，使其适合于UV激发，而不适合于NIR激发。

图8显示了五个常用光栅的532 nm（绿色）和785 nm激光器（红色）的光谱范围。与可见光选项相比，近红外激光器的光谱范围明显减小。该图还显示了从50 cm-1开始的单次扫描和扩展扫描选项的范围。

图8. 使用532nm和785nm激发的5个光栅的光谱范围

拉曼光谱中使用的三种激光可以大致分为三个区域：紫外、可见光和近红外。对于UV激光器，建议使用高刻线密度光栅，例如2400 gr/mm和3600 gr/mmm，这主要是由于在较低波长下激发时光谱分辨率的固有降低。此外，UV激光器通常用于研究例如半导体样品中因应力和应变引起的小峰值变化，因此需要高光谱分辨率。

当需要中高光谱分辨率时，可见激光通常与1200 gr/mm和1800 gr/mm光栅一起使用。然而，一些样品，如过渡金属二氢化物和石墨烯，可能会使用更高的刻线密度光栅来检测细微的光谱变化。对于UV和可见光激光器，如果用户对PL感兴趣，可以使用较低的刻线密度光栅来获取整个光谱，例如300 gr/mm和600 gr/mm。

对于NIR激光器，推荐的光栅将具有较低的刻线密度，例如300 gr/mm和600 gr/mm。首先，这是光谱范围，如图8所示，具有近红外激光器的高刻线密度光栅所提供的范围非常有限。此外，如上所述，NIR激光器将固有地提供比UV或可见激光更好的光谱分辨率。这意味着使用具有低刻线密度光栅的近红外激光器仍将提供高光谱分辨率。

关于近红外激光器的最后一点需要考虑的是拉曼强度和信噪比（SNR）。随着刻线密度的增加，仪器的拉曼通量将降低。这种效应发生在所有激发波长上；然而，这种效应对于NIR激光器尤其显著。拉曼散射强度与λ-4成正比，其中λ表示激光波长。因此，随着激光波长增加到近红外，拉曼强度将下降。光栅效应和波长效应的复合意味着在NIR中使用高刻线密度光栅对信噪比（SNR）特别有害，并且光谱将需要长的曝光时间。图9中的光谱来自使用785 nm激光和两个相同闪耀波长的光栅的药片。两个光栅之间的SNR差异在图9的红色框中突出显示（归一化后）。在这种情况下，300 gr/mm显然提供了更高的SNR。

图9 上：具有相同曝光时间和两个不同光栅的药片的拉曼光谱。下：归一化光谱放大部分，显示了使用900 gr/mm光栅噪声增加。

表1显示了拉曼光谱中最常用的两种激发波长532nm和785nm的光栅选择的简化摘要。请注意，这些光谱范围用于扩展扫描，最 终光栅选择也将受到前面讨论的因素的影响。

表1 532 nm和785 nm激发的光栅选择

结论

在拉曼光谱中选择光栅需要用户选择优先顺序。确保光栅在激发激光的正确波长下闪耀，这将获得尽可能高的效率。为测试选择必要的刻线密度，这将取决于所需的光谱分辨率和光谱范围。在选择光栅时，还需要考虑其他因素，如拉曼强度、采集时间和信噪比。爱丁堡仪器拉曼光谱仪可以容纳多达五个光栅，用户可以很容易地在其系统中填充一系列刻线密度和闪耀波长的光栅，以满足其应用需求，在分析样品时提供尽可能高的灵活性。