空间偏移拉曼光谱技术及数据处理方法研究

摘要

传统拉曼光谱分析技术在对容器内未知样品进行检测时极易受到容器壁的荧光和拉曼散射干扰,其商业应用往往仅限于透明塑料或玻璃包装的情况。由于光子在介质内部的迁移方向具有随机性,与表层相比内部深层处产生的拉曼散射光子在扩散过程中更易于横向迁移,因此偏离激光入射点不同距离的拉曼光谱包含了不同深度层的拉曼光谱信息。空间偏移拉曼光谱技术通过将拉曼光收集点偏离激光入射点,能够抑制容器壁的荧光和拉曼散射干扰,从而实现对有色、不透明包装内样品的有效检测。通过设计搭建了空间偏移拉曼光谱实验装置,实现-1.0~10.0 mm偏移距离的可调节。使用青色、不透明的1 mm厚PMMA平板来模拟容器壁,使用碳酸钙(CaCO3)粉末作为内部待测样品。分别采用传统方式(零偏移)和空间偏移方式对容器内样品进行测量。对采集的原始光谱首先进行平均和7阶多项式拟合去除基线(荧光),然后以3个最大特征峰的平均值作为光谱强度的评价指标,对空间偏移拉曼光谱信号随偏移距离的变化规律进行分析,发现:随着空间偏移距离的增大,容器壁的拉曼散射强度快速下降,而内部样品的拉曼散射强度先上升后缓慢下降;对于均匀厚度、各向同性的样品,变化趋势关于零偏移两侧对称,此外光束的斜入射会引起轻微的不对称;在某个偏移距离处样品与容器壁的光谱强度比值达到最大值,存在最优探测偏移距离,对于此次样品其最优偏移距离为1.2 mm。在容器和样品材质未知的情况下,采用比例相减的方法仍可以得到各层干净的拉曼光谱,通过对零偏移和最优偏移处的光谱进行计算,分别得到容器壁和内部样品干净的拉曼光谱,实现对内部样品的有效检测。研究结果在一定程度上证明了空间偏移拉曼光谱技术在不透明、有色容器内样品的检测方面的潜力,为进一步研究空间偏移拉曼光谱技术及数据处理方法提供基础。