摘 要 通过开设激光拉曼光谱实验，注重基础理论与基本技能培养，提出了与生活紧密联系的实验内容，激发了学生的学习兴趣和科学研究热情，增强了学生的动手能力，提高了实验教学效果，探索建立了一套较为完善的激光拉曼光谱实验教学方案。
关键词 激光拉曼光谱 实验教学 教学改革
中图分类号：G420 文献标识码：A
Talking about Micro-Raman Spectroscopy Experimental Teaching
CHENG Xuerui, ZHANG Zhifeng, SU Lei
(Department of Technical Physics, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou, He"nan 450002)
Abstract Through the creation of laser Raman spectroscopy experiments, focusing on basic theory and basic skills training, made close contact with live experimental content, stimulate students" interest and enthusiasm for scientific research, to enhance the student"s ability to improve the experimental teaching, explore the establishment of a more comprehensive experimental Raman spectra of the teaching program.
Key words Laser Raman spectroscopy; experimental teaching; teaching reform
0 引言
随着经济的蓬勃发展，政府对教育投入的力度显著增加，高等院校的办学条件和实验室建设得到显著改善和发展。先进的技术设备和大型分析测试仪器的引入，开辟了特色的研究领域，然而由于大型仪器设备价格昂贵、套数少、维修费用高，使得这些仪器主要用于进行科学研究，很少用于教学。即使用于教学，也大都采用是观摩或者演示实验，导致仪器使用率低，更严重的是本科生参与大型仪器实验机会少，缺乏使用大型分析测试仪器的实践能力。因此，如何提高大型仪器的利用率，在服务于科研的同时又能为高校的教学和学科建设服务是目前实验教学改革当中的一个重要内容。
本着提高材料物理专业的实验教学质量，让学生更多的接触和使用一批大型仪器设备，有针对性的对本科生开设了显微共聚焦激光拉曼光谱实验。通过对仪器调节、测试样品、谱图的处理分析等环节，增强了对拉曼光谱原理及其应用的认识。同时该实验的开设也培养了大学生使用大型分析测试仪器的能力，可以满足社会对人才的需求，为学生就业增加了一条出路。
1 拉曼光谱原理
拉曼散射是光和物质相互作用引起的，光子和散射物质分子碰撞过程中，散射物质可能会从入射光子吸收部分能量或把自身部分能量加到入射光子上去，从而形成新的谱结构。①当光子与分子发生弹性碰撞时，光子与分子之间没有能量交换，此时，散射光与入射光频率相同，这种散射叫瑞利散射，频率未变的谱线叫做瑞利线。当光子与分子发生非弹性碰撞时，使散射光频率与入射光频率不同，这部分散射叫拉曼散射。②③
由于拉曼光谱反应材料本身的分子振动、转动方面信息，是取得分子构和状态信息的重要手段，同时由于具有高灵敏度、高分辨率以及实时、快速等特点,广泛用材料表征、食品安全等领域。④
2 拉曼光谱仪的结构
我系配置的拉曼光谱仪是Renishaw inVia显微共聚焦激光拉曼光谱仪，其结构示意图如图1所示，主要有激发光源、显微镜、探测器、分光光路四部分组成。
光源：由于激光的单色性和方向性好，使其功率可以有很大的提高，即亮度很高，因此现在的拉曼光谱仪的光源几乎全是激光光源。而该仪器配备了波长532 nm的掺钕钇铝石榴石激光器，单频输出功率为50mW。
显微镜：入射光聚光、散射光聚光、样品架都由显微镜完成，可对样品表面微米区域分析区域。共聚系统的反衬度高，横向分辨率高，并且可以集合自动样品进行二维扫描和成像。
探测器：拉曼信号都非常微弱，该微弱信号检测、放大和显示由灵敏度很高的多通道探测器件电荷耦合探测器完成。
分光光路：其主要功能是将散射光按能量进行分解，以便可以测量散射光的微分散射截面。采用的是光栅色散型光谱仪，主要由准直、色散和聚焦三部分构成。
3 实验教学内容的确立
结合拉曼光谱的特点及其在教学中的难点，经过几年的探索与实践，不断更新实验内容和教学方法，逐步形成了以教师为主导、以学生为主体、全面开放的拉曼光谱实验教学体系。
3.1 仪器调节和参数设置
按顺序打开主机电源、计算机、激光器进入工作软件环境，首先自检和恢复所有电机的状态。硅片校准，调节样品台聚焦，直到视野中看到清晰的图像，然后改用激光测量硅片并查看峰位是否为520 €?0.02cm-1。如不是，用软件中offset工具调节校准，直到满足条件。
校准之后即可放上待测样品进行测量，选择合适的聚焦位置、激光功率、积分时间和测试次数等参数对提高分辨率和信噪比是很重要的。
聚焦位置：首先在白光照射下，通过目镜观察调节聚焦位置，然后改用激光并采用静态重复测量模式，通过微调旋钮调节聚焦位置，当信噪比达到最优时为止。
激光功率：在狭缝一定的情况下，可以通过调节激光功率大小来提高信号强度和信噪比。荧光背景是一种难以克服的噪声来源，降低荧光背景一般可采用纯化试样，长时间辐照，改变激发波长等方法。
积分时间：如果信号较微弱，可通过增加积分时间来提高强度。
测试次数：如果信噪比较差，可通过增加测试次数，有效地提高信噪比。
3.2 实验内容
（1）四氯化碳测定：本实验也是以典型样品四氯化碳为例进行测试，并与教材上的标准谱图进行比对，在此基础上再提供几种未知样品及标准谱，让学生独立完成未知样品拉曼光谱的测试分析和指认，让学生基本了解拉曼光谱的特性。
（2）钻石真伪鉴别：透明漂亮的戒指和仿宝石饰品备受同学们的喜爱，但是其材料究竟是不是钻石，很多同学并不清楚。目前碳化硅和立方氧化锆是宝石学性质与钻石最接近的两种仿钻，具有金刚石光泽，硬度也比较高，是最难鉴别的两种仿钻石。首先让学生对外观相似的金刚石、立方氧化锆、合成碳化硅三种未知样品进行判断，然后通过拉曼光谱测定和分析比较，对样品进行指认，验证大家的判断是否正确。如图2所示，在单晶金刚石拉曼光谱中，位于1332 cm-1附近的尖锐拉曼峰是典型的金刚石晶体的结构特征峰。由于两种仿钻的材质不同，其拉曼光谱与钻石存在明显区别，因此可以通过该方法鉴定钻石的真伪，而且不会对饰品产生破坏，可见显微拉曼光谱是一种非常有效的鉴别方式。⑤
4 结语
拉曼光谱实验是物理实验中的一个重要实验，包含很强的理论性和技术性。经过前期的探索和实践教学，不断更新实验内容，最终建立了一套较为完善的拉曼光谱实验教学体系,取得了一些积极的效果。通过该实验，学生能够近距离接触和操作大型科学仪器，掌握拉曼光谱的基本实验技术，进一步认识拉曼光谱的主要特点及其与分子结构的关联。通过该实验体系的建立，提高了学生的学习兴趣，加强了学生创新意识和创新能力、实际动手能力、提出问题和解决问题的能力等综合科学素质的培养和提高。
注释
① 轩植华,霍剑青,姚坤等.大学物理实验(第四册).北京:高等教育出版社,2006.6:50-59.
② 肖苏.大学物理实验[M].北京:中国科学技术大学出版社,2004.
③ 张树霖.拉曼光谱学与低维纳米半导体[M].北京:科学出版社,2008.
④ 刘清,刘辉文.紫外、红外及拉曼光谱实验教学改革的思考.实验室研究与探索,2000.2:22-24.
⑤ 吴烨.SiO2系宝石的Raman光谱鉴定法.云南大学学报,2008.30:366-368.