GB/T 33252-2016 纳米技术 激光共聚焦显微拉曼光谱仪性能测试

　　ICS 17. 180.30 N 35

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 33252—2016

　　纳米技术 激光共聚焦显微拉曼光谱仪

　　性能测试

　　Nanotechnology—Performancetestingforlaserconfocalmicroscope

　　Raman spectrometers

　　2016-12-13发布 2017-07-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 33252—2016

　　GB/T 33252—2016

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准由中国科学院提出 。

　　本标准由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)归 口 。

　　本标准起草单位 : 中国计量科学研究院 、中国科学院半导体研究所 、厦门大学 、广州计量测试研究院 、堀场(中国)贸易有限公司 。

　　本标准主要起草人 :任玲玲 、谭平恒 、任斌 、高思田 、定翔 、王海燕 、濮玉梅 。

　　纳米技术 激光共聚焦显微拉曼光谱仪

　　性能测试

　　1 范围

　　本标准规定了激光共聚焦显微拉曼光谱仪的术语和定义 、仪器结构 、技术要求 、测试方法等 。

　　本标准适用于以连续激光为激发光源 ,具有单级 、二级或三级光谱仪的色散型共聚焦显微拉曼光谱仪(以下简称仪器) 。

　　本标准不适用于傅 立 叶 变 换 拉 曼 光 谱 仪 等 非 色 散 型 拉 曼 光 谱 仪 和 基 于 脉 冲 激 光 光 源 的 拉 曼 光谱仪 。

　　2 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　2. 1

　　拉曼光谱 Raman spectrum/spectra

　　当物质收到单色辐射能照射时 , 由于非弹性散射产生的已调制频率的光谱 。

　　2.2

　　拉曼谱线(频带 ,峰) Raman line(band,peak)

　　构成拉曼光谱的谱线(带) 。

　　2.3

　　拉曼频移 Raman shift

　　拉曼谱线(带)的波数相对于入射单色光束波数的位移 。

　　注 : 单位为 cm- 1 。

　　2.4

　　共聚焦 confocal

　　光路(激发和发射)在两个位置上聚焦 。在共聚焦扫描仪中 ,激发光聚焦在样品点表面 ,而发射光聚焦在针孔上 。

　　2.5

　　激光共聚焦显微拉曼光谱仪 laserconfocalmicroscopeRaman spectrometer

　　以激光为激发光源 ,将拉曼光谱分析技术与显微分析技术结合起来的一种光谱仪 。

　　3 仪器结构

　　从激光器发出的激光经干涉滤光片到达样品表面激发样品,激发光经瑞利滤光片及共聚焦针孔 、狭缝 、光栅 ,最后到达探测器探测拉曼信号 。仪器结构示意图见图 1。详细内容参见附录 A。

　　GB/T 33252—2016

　　说明 :

　　1— 激光器 ;

　　2— 干涉滤光片 ;

　　3— 半波片 ;

　　4— 瑞利滤光片 ;

　　5— 偏振片 ;

　　6— 四分之一波片 ;

　　7— 共聚焦针孔 ;

　　8— 狭缝 ;

　　9— 光栅 ;

　　10— 探测器 ;

　　11— 显微镜 ;

　　12— 样品 。

　　图 1 常规激光共聚焦显微拉曼光谱仪结构示意图

　　4 要求

　　4. 1 测试条件

　　环境温度为 20 ℃ ~ 25 ℃ ,使用温度波动范围不超过 ±2 ℃ 。相对湿度 ≤60% 。 电源电压及冷却水等应符合设备主机及附件要求 。

　　4.2 激光器

　　由于拉曼光谱特殊性的要求 ,激光共聚焦显微拉曼系统采用的激光器偏振比不低于 100 ∶ 1。激光的线宽不大于标称分辨率的 1/20。功率的波动不高于 5% 。

　　4.3 探测器

　　为了获得更低的暗噪声 ,可选择使用半导体致冷或液氮致冷两种方式的探测器 。如果探测器不能被致冷到正常工作温度附近 ,需要联系厂商 。探测器的噪声水平还决定于读出噪声等其他来源 。

　　4.4 校准

　　拉曼光谱仪使用时根据需要进行单一波数校准或线性校准(大范围多波数的校准) 。

　　4.5 光谱采集设置

　　光谱采集至少应包括 :

　　— 激发波长 ;

　　— 激光功率 ;

　　— 聚焦激发光到目标采样点 ;

　　— 共聚焦针孔尺寸 ;

　　— 狭缝 。

　　5 测试方法

　　5. 1 测试准备

　　测试前打开激光器 ,预热和稳定时间按仪器说明书进行操作 。

　　5.2 校准

　　单一拉曼频移校准可采用标准光源谱线或标准样品如单晶硅片 、金刚石等 , 使实测值与参考值 一致 ;对于拉曼频移线性校准 ,可采用具有足够多谱线的标准低压散光源(如低压汞灯 ,氩灯及氖灯等) 谱线或选用标准样品参见附录 B。在 100 cm- 1 ~4000 cm-1拉曼光谱扫描范围内进行拉曼频移校准 ,使实测多谱线量值与参考标准谱线呈线性(线性相关系数 r≥0. 98) 。

　　5.3 光谱分辨率

　　光谱分辨率测试 与 激 发 激 光 波 段 和 光 谱 仪 性 能 相 关 。 对 于 不 同 波 段 分 辨 率 测 试 分 别 采 用 如 下方法 :

　　— 可见-近红外波段 ,测试氖灯位于 585 nm 处的谱线半高宽为仪器光谱分辨率 。

　　— 紫外波段 ,测试汞灯位于 365 nm 处谱线的半高宽为仪器光谱分辨率 。

　　5.4 重复性

　　利用标准 物 质 或 者 标 准 样 品 来 检 查 光 栅 扫 描 时 拉 曼 频 移 的 重 复 性 。 在 拉 曼 光 谱 扫 描 范 围100 cm- 1 ~4 000 cm-1 时 , 测量标准物质某一特征峰 10次以上 ,该拉曼峰位量值的标准偏差为测量重复性 。

　　6 测试报告

　　报告内容应包含以下信息 :

　　— 测试依据标准编号 ;

　　— 测试样品信息(物理态 、浓度 、几何形貌等) 、品种和编号 ;

　　— 测试人员及日期 ;

　　— 测试单位及联系地址和电话 ;

　　— 测试所用仪器以及型号 ;

　　— 测试条件 ,包括光谱仪型号 、光谱仪焦长 、所用光栅的刻线密度 、激光波长和到达样品表面的激光功率 、积分时间 、共聚焦孔径大小 、各狭缝宽度 、散射配置 、仪器光谱响应修正状态 、探测器型号 ;

　　— 测试结果 ,包括光谱分辨率和重复性 ;

　　— 测试中出现的异常 ;

　　— 测试中未按本标准规定的操作步骤 。

　　测试报告格式参见附录 C。

　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　激光共聚焦显微拉曼光谱仪的构成

　　A. 1 激光共聚焦显微拉曼光谱仪的构成

　　激光共聚焦显微拉曼光谱仪由激光器 、光路系统 、偏振系统(可选) 、光谱仪等构成 。

　　A.2 激光器

　　拉曼光谱测量要求采用单色性激光作为激发源 ,且单色光的线宽要远小于仪器光谱分辨率 1/20。常用的激光器有 : 固 体 激 光 器 , 半 导 体 激 光 器 , 氩 离 子(Ar+ ) , 氪 离 子(Kr+ ) , 氦-氖(He-Ne) 和 氦-镉(He-Cd)等气体激光器 ,染料激光器等液体激光器 。

　　A.3 光路系统

　　采用单级单色器的拉曼光谱仪常规的背散射收集光路示意图如图 1 所示 。调节显微镜 ,使激光通过显微物镜聚焦在所需测试的样品点上 ,激光激发样品所产生的拉曼信号再通过同一个显微物镜接收并进入光谱仪 。 收集到的信号在进入光谱仪之前需要使用拉曼滤光片来滤除瑞利线 。共聚焦通常可以通过三种方式实现其功能 :

　　a) 圆形可变大小共聚焦针孔 ,如图 1所示 ;

　　b) 调控 “狭缝和 CCD像元 ”方式实现可变大小的聚焦针孔 ;

　　c) 收集光纤芯径形成的大小不能改变的针孔 。

　　A.4 偏振系统

　　对于具有各向异性特点的样品,通常需要在不同的偏振配置下测量其拉曼光谱来表征样品的结构对称性 。对于无规取向样品(如澄清液体)的简单偏振测量 , 只需要在图 1 激发光路中添加一个半波片来改变激光的偏振方向 ,然后通过收集光路偏振片的取向来收集不同偏振状态的拉曼信号 。也可将该片置于激发和收集光路的共同部分 。某一个拉曼谱线(频带 ,峰)的退偏比是根据其垂直和水平分量的强度比值来计算 ,如式(A. 1)所示 :

　　ρ=σ⊥ /σ∥ …………………………( A. 1 )

　　式中 :

　　ρ — 退偏比 ;

　　σ⊥ — 拉曼垂直分量强度 ;

　　σ∥ — 拉曼水平分量强度 。

　　四分之一波片放置位置如图 1所示 ,它可把偏振片所选择的线偏振拉曼信号转化为圆偏振的拉曼信号 ,然后经光谱仪分析 。这样可避免因光栅对不同偏振光的响应差异而造成的来自于光谱仪的退偏效应 。

　　A.5 光谱仪

　　A.5. 1 概述

　　光谱仪由光栅和探测器组成 。光谱仪系统也是一个成像系统 ,样品的测量采样点应该被精确的聚焦在光谱仪的入口狭缝处 。光谱仪内部可以采用经过良好光学像差和色差校正的凹面反射镜或者透镜来变换信号 。

　　A.5.2 光栅

　　光栅是光谱仪的核心部件 ,可以将复色光按波长色散开 。光栅的刻线密度越高 ,色散能力越强 , 因而选择高刻线密度光栅是提高光谱分辨率的一种途径 。但太高的光栅刻线密度会损失拉曼光谱的单次测试范围以及测量效率 。

　　A.5.3 探测器

　　A.5.3. 1 多通道探测器

　　A.5.3. 1. 1 硅基电荷耦合器件(CCD)探测器

　　工作波长范围通常在 200 nm~ 1 050 nm。为了充分发挥多通道优势 ,使用大尺寸 CCD 芯片可以有效提高工作效率 。但只能在经过平场校正的拉曼 光 谱 仪 上 才 能 使 用 大 尺 寸 CCD, 否 则 拉 曼 信 号 在CCD芯片的边缘会产生畸变 ,影响拉曼谱线(频带 ,峰)波数的精度 。CCD使用时通常需要冷却以减少暗噪声 , 以便检测比较弱的拉曼信号 。 噪声水平和读取速度是评价其性能的重要指标 。

　　A.5.3. 1.2 InGaAs探测器

　　常用来检测近红外波段的拉曼信号和光致发光信号 ,工作波长范围通常为 800 nm~ 1 600 nm。如有必要 ,可选择液氮制冷型的 InGaAs探测器来减少暗噪声 , 以便更好检测弱信号 。

　　A.5.3. 1.3 其他阵列型探测器

　　如光电倍增管阵列 ,互补金属氧化物传感器 ,雪崩二极管阵列等 。

　　A.5.3.2 单通道探测器

　　光电倍增管 、雪崩二极管等单通道探测器近年来已经较少出现在拉曼光谱仪中 ,但是在快速的拉曼成像中仍在使用 。

　　附 录 B

　　(资料性附录)

　　激光共聚焦显微拉曼光谱仪校准用标准样品

　　仪器校准用标准样品有硫 、萘 、苯甲氰 、环己烷等 ,其拉曼频移见表 B. 1。

　　表 B. 1 标准样品拉曼频移参数[5]

　　表 B. 1 (续)

　　附 录 C

　　(资料性附录)

　　测试报告参考格式

　　测试报告格式见表 C. 1。

　　表 C. 1 测试报告参考格式

　　表 C. 1 (续)

　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 15490—1995 固体激光器总规范

　　[2] ANSIZ 136. 1—2014 激光器的安全使用(Safe Use of Lasers)

　　[3] ASTM E 1683:2002(2007) 扫描拉曼光谱仪性能测试规程(Standard Practice for Testing the Performance of Scanning Raman Spectrometers)

　　[4] ASTM E 2529:2006 拉曼光谱仪分辨率测试指南(Standard Guide for Testing theResolu- tion ofa Raman Spectrometer)

　　[5] ASTM E 1840:96 (Reapproved 2007) 拉曼光谱校准用标准拉曼频移标准指南(Standard Guide for Raman ShiftStandards for Spectrometer Calibration)

　　[6] GOST 27176: 1986 光 谱 仪 术 语 和 定 义(Spectroscopic optical instruments. Terms and definitions)

　　[7] ASTM E131:2005 与分子光谱学相关标准术语(Terminology Relating to Molecular Spec- troscopy)