[發明專利]喇曼光譜測定儀和方法

無效

• 申請號: 95193313.2
• 申請日: 1995-05-15
• 公開（公告）號: CN1079533C
• 公開（公告）日: 2002-02-20
• 發明（設計）人: 丹尼爾·查爾斯·阿斯米爾;布芮達·阿謝克·伽拉;文森特·阿爾特·尼塞里
• 申請（專利權）人: 伊斯特曼化學公司
• 主分類號: G01J3/44
• 分類號: G01J3/44
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 程偉

本發明所屬技術領域

本發明涉及光譜測定技術，尤其涉及到一種可以測量并補償在系統中的變化的標準喇曼光譜測定儀。

本發明的背景技術

在分析實驗室中，為了測量物質的物理和分析屬性所使用的光譜測定技術已是一門很健全的技術了。喇曼光譜測定正是這樣一種技術，它可以提供有關化學物質的組成和分子結構的定性的和定量的信息。當入射的輻射粒子接觸物質表面時，它要經歷一種叫做散射的處理。散射輻射可能是彈性散射，其中，散射輻射的入射波長沒有改變；散射輻射也可以是非彈性散射，其中，散射輻射的波長和入射輻射的波長不一樣。在非彈性輻射散射的一種形式中(稱為喇曼散射)，入射光子在散射過程中要么獲取一定的能量，要么失去一定的能量。散射輻射和入射輻射中的這種能量的差異通常稱為喇曼轉換(Raman?Shift)。由此產生的喇曼轉換光譜可以提供不同的分子振動能級，并將其轉換成所要研究物質的化學的和分子的信息。

喇曼散射的效應是非常微弱的；典型地，在成千上萬的彈性散射光子中，只有極少的喇曼散射光子。這種存在于大量的彈性散射信號中的少量喇曼信號對于收集有用的喇曼光譜的任何光譜儀的設計提出了迫切的需求。

許多輻射源可以在物質表面產生喇曼散射。對于分析測定，這些輻射源需要發出高強度的單色光輻射，在這一點上，激光器很適合做輻射源。美國專利No.3,556,659描述了一種喇曼光譜測定儀，在這中儀器中，裝在試管中的樣本被放置于試管軸心位置的激光輻射源輻射。

激光輻射源有許多種，它們包括：氣體激光器如氦氖，氮，氬離子和氪離子；固體激光器如紅寶石激光器和Nd：YAG(釹：摻釹釔鋁石榴石)激光器；染料激光器；化學激光器；以及固體激光器如單模和多模二極管激光器。

在這些激光器中，氣體激光器由于其較好的波長穩定性被作為特別適合于色散喇曼光譜測定技術的激光器而廣泛地接受。不幸的是，他們要么特別昂貴而且需要頻繁的維護，要么他們的輸出功率較低。在喇曼測定技術中使用半導體二極管激光器(它可以在一小體積粗糙的裝置中提供較高的輸出功率，但是其輸出性能存在著固有的不穩定性)曾經在Wang和McCreery的Anal.Chem.1990，第62卷，第2647-2651頁中描述過。

因為喇曼散射處理涉及到入射波長的轉換，所以不同的激光器將提供在不同波長區域中的光譜。然而，在這些區域中的喇曼轉換光譜是相似的，并且重要的是，通過使用不同的入射激光波長可以獲得同樣的結構信息。

熒光是一種這樣的處理，在此中，所吸收的輻射將導致大量的發射，分子結構特征。觀察這種熒光信號，可以發現它通常是幅值大于喇曼信號的許多光譜序列，并且在很多情況下可以完全掩蓋喇曼轉換光譜。這樣，選擇可以減少熒光發射處理的入射波長就非常迫切了。

一種可以減少熒光的背景問題的已知方法是使用可以產生紅色和近紅外輻射的激光器，它的波長范圍從大約660毫微米到1100毫微米，如同曾在D.B.Chase的J.Am.Chem.Soc.，1986，第108卷，第7485-7488頁描述的一樣。由于熒光發射分布和入射波長無關，并且喇曼處理是入射波長的轉換，所以這種方法非常有用。用于這一區域中的典型的輻射源有氪離子氣體激光器、單模二極管激光器、多模二極管激光器、和Nd：YAG激光器。

對于喇曼彈性散射，要獲取大比例的喇曼散射光子，需要一種高效的光子分離方法。傳統地，要做到這點需要用兩倍或三倍攝譜儀系統，這種系統由兩個或三個色散元件構成。其他輻射濾光器裝置足以抑制彈性散射光子，從而允許使用更小的、更有效的單色散元件攝譜儀裝置；例如，在Carrabba?et?al.的Appl.Spec.，1990，第44卷，第1558-1561頁中描述了全息布喇格衍射濾光器。

探測儀元件對于喇曼儀器的性能是至關重要的，它們必須要能夠分辯出及其微弱級別的輻射。傳統的單色掃描儀系統采用了可以觀察低光子信號的光電倍增管。最近設計的儀器中采用了陣列探測器，如光電二極管陣列(PDA)或電荷耦合器件(CCD)。陣列探測器由可以同時觀測從光譜的一個區域到整個喇曼光譜的多個光學元件組成。電荷耦合器件探測器是多維的，它可以同時觀測多個波長的多個喇曼光譜。

以上提到的由Wang和McCreery所著的論文中描述了在高強度喇曼光譜儀中與近紅外線二極管激光器一起使用的電荷耦合器件。另外，在Newman?et?al.的Appl.Spec.，1992，第46卷，第262-265頁描述了和帶有與樣本接觸的光纖接口的平面圖象攝譜儀一起使用的電荷耦合器件和二極管激光器。