便攜式拉曼光譜儀通過(guò)集成小型化的光學(xué)元件、激光源、探測器和微型化的光譜分析模塊,使得拉曼光譜技術(shù)能夠在沒(méi)有實(shí)驗室條件下,也能實(shí)現對樣品的即時(shí)分析。這種技術(shù)具有高靈敏度、高選擇性和非破壞性等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛應用于化學(xué)、制藥、環(huán)境監測、食品安全、考古學(xué)以及軍事等領(lǐng)域。
拉曼光譜的工作原理基于拉曼散射效應。當一束單色光照射到物質(zhì)表面時(shí),絕大多數光子會(huì )經(jīng)歷彈性散射(即瑞利散射),然而,一小部分光子會(huì )與分子發(fā)生非彈性散射,改變光子的能量狀態(tài),這種現象稱(chēng)為拉曼散射。拉曼散射光的頻率和入射光的頻率之差稱(chēng)為拉曼位移,與物質(zhì)的分子振動(dòng)、旋轉等特征密切相關(guān)。
拉曼光譜儀的核心部件包括激光源、光譜儀、光電探測器和數據處理系統。激光源提供單色光照射樣品,拉曼散射的光通過(guò)分光鏡、濾光器和光譜儀進(jìn)行分析,最終通過(guò)探測器收集并生成光譜圖。通過(guò)分析光譜圖中不同波長(cháng)的散射光強度分布,可以獲得有關(guān)樣品的結構、化學(xué)成分、分子振動(dòng)模式等信息。

1.激光源
是核心部分,通常采用波長(cháng)在785nm、532nm或1064nm的激光。激光的波長(cháng)對拉曼光譜的分辨率和信噪比有直接影響。通常選擇較低功率的激光,以確保設備輕便,并且避免對樣品產(chǎn)生熱損傷。
2.光學(xué)系統
便攜式光譜儀的光學(xué)系統必須非常精密,以保證拉曼散射信號的有效采集。包括光纖、透鏡、分光鏡和濾光器等。光纖可以用來(lái)將激光束導入樣品,并收集拉曼散射信號。而濾光器則用于隔離激光信號和拉曼散射信號,避免激光的強散射干擾拉曼信號。
3.光譜儀與探測器
光譜儀用于分光分析,將拉曼散射的信號按波長(cháng)進(jìn)行分離。通常采用CCD(電荷耦合器件)或InGaAs(銦鎵砷)探測器,這些探測器具有較高的靈敏度,可以捕捉微弱的拉曼信號。
4.數據處理系統
配備數據處理軟件,可以對采集的光譜數據進(jìn)行分析、擬合和對比。用戶(hù)可以通過(guò)軟件快速識別樣品的成分,甚至與數據庫中的光譜進(jìn)行比對,獲得定性和定量分析結果。
5.電池與控制系統
通常用于現場(chǎng)應用,因此需要內置高效電池和低功耗控制系統。電池的續航能力是影響便攜式設備實(shí)用性的關(guān)鍵因素之一。便攜式設備還需具備友好的用戶(hù)界面,便于操作者進(jìn)行設置、操作和數據查看。
優(yōu)勢:
1.高效的現場(chǎng)分析能力
能夠在現場(chǎng)進(jìn)行快速、無(wú)損的物質(zhì)分析,尤其適用于無(wú)法帶回實(shí)驗室進(jìn)行分析的場(chǎng)合。用戶(hù)可以直接通過(guò)拉曼光譜對樣品進(jìn)行定性和定量分析,極大提高了分析效率。
2.非破壞性分析
拉曼光譜技術(shù)是一種非破壞性檢測技術(shù),樣品在分析過(guò)程中無(wú)需破壞或切割。適用于一些昂貴或珍貴的材料(如古董、文物)的分析。
3.無(wú)需復雜準備過(guò)程
與傳統的化學(xué)分析方法相比,無(wú)需對樣品進(jìn)行復雜的化學(xué)預處理,且不受樣品形態(tài)(固體、液體、氣體等)的限制。
4.高靈敏度和高選擇性
拉曼光譜具有較高的分辨率和靈敏度,可以精確識別物質(zhì)的分子振動(dòng)模式。通過(guò)分析拉曼位移,可以獲得樣品的化學(xué)組成、分子結構等信息。
便攜式拉曼光譜儀的應用領(lǐng)域:
1.化學(xué)與制藥行業(yè)
在化學(xué)和制藥行業(yè)中,常用于現場(chǎng)原材料的快速鑒定、藥品的質(zhì)量控制以及過(guò)程監控。例如,在藥品生產(chǎn)過(guò)程中,拉曼光譜可以實(shí)時(shí)監控藥物的成分含量,確保產(chǎn)品質(zhì)量。
2.食品安全檢測
可用于快速檢測食品中的有害物質(zhì),如農藥殘留、重金屬、添加劑等。通過(guò)對食品成分的分析,可以幫助提高食品安全性,保護消費者健康。
3.考古學(xué)與文物鑒定
在考古學(xué)和文物鑒定領(lǐng)域,拉曼光譜儀能夠在不破壞文物的前提下,對其進(jìn)行成分分析。對于化石、古代器物、壁畫(huà)等的分析,可以幫助專(zhuān)家了解歷史背景和制作工藝。