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拉曼技术的光谱分辨率

2018.3.05

光谱分辨率

光谱分辨率是指把光谱特征、谱带分解成为分离的成分的能力。光谱分辨率是一个重要的实验参数。如果分辨率太低,就会丢失光谱信息,妨碍正确地识别和表征样品。如果分辨率太高,总的测量时间将会远远超过必要的时间。光谱分辨率“过低”或者“过高”取决于特定的应用以及期望从实验中得到什么样的信息。

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图. 两条分别在低高分辨率下记录的光谱从图中可以看出,高分辨率光谱的峰更为锐利,低分辨光谱中混为一体的邻近峰在高分辨光谱中可以分离开来。

一般来说,低 / 中分辨率适合进行简单的化学识别或者区分不同材料,而需要表征一些更加精细的光谱特征(例如峰型或者峰位的微小变化)时,高分辨率就变得必不可少了。有很多化学现象会导致这种细微的光谱变化:结晶度、多晶型、应力、氢键、蛋白质折叠。

色散型拉曼光谱仪的光谱分辨率主要由四个因素决定——光谱仪焦长、衍射光栅、激光波长、探测器。激光波长与探测器我们在上文已经讨论过,下面我们着重讨论光谱仪焦长和衍射光栅。

光谱仪焦长 光谱仪光栅的焦长(色散光栅到探测器的距离)越长,相应的光谱分辨率也越高。一般情况下,拉曼光谱仪的焦长从 200 mm(适用于低/中分辨率测量)到 800 mm(适用于高分辨率测量)甚至更高。人们时常容易忽略的是,一款长焦长的光谱仪并不是只限于进行高分辨率的工作,通过选择合适的光栅(下面将要讨论),高分辨率的光谱仪也可以工作在低分辨率模式下。这样,它不仅完美地适于低/中分辨率的常规分析,而且可以为更加特定的应用提供高分辨率分析。

衍射光栅 光栅刻线密度(一般用每毫米刻线数目表示)越高,相应的光谱分辨率也越高。一般情况下,拉曼光谱仪所使用的光栅刻线密度从300gr/mm(低分辨率)到 1800gr/mm ( 高分辨率 ),一些特殊用途的光栅可以高达 2400gr/mm 或者 3600gr/mm的,但是高密度光栅会存在一些局限性,不适合做常用的配置。利用高密度光栅提高光谱分辨率是有限度的,因为对于某一具体的光谱仪来说,无论从实用角度还是物理学角度,能够使用的最大的光栅密度都有一个上限。因此,光栅提供了一个提高光谱分辨率的初级方法,但是一旦达到了其极限,那就必须变换思路,考虑采用长焦长光谱仪。

光谱分辨率主要由四个因素共同影响和决定,必须同时考虑四个方面的因素来实现最佳分辨率的光谱。


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