便携式拉曼光谱仪的校准方法

2020-07-31宋健

化学分析计量 2020年4期

宋健

（江苏省计量科学研究院，南京 210023）

拉曼光谱法是近年来发展较快的一种光谱检测技术。分析对象经入射光照射后，分子与光子相互作用，通过分析与入射光频率不同的散射光谱，得到分子振动、转动能级差的特征频移，从而反映分子结构或成分的信息。拉曼光谱法具有样品无损、快速、可测含水性物质等优点，被广泛应用于药品［1-2］、毒品危化品［3-4］、珠宝玉石［5-6］等的检测。但拉曼光谱具有灵敏度低的缺点，难以直接检测痕量物质。表面增强拉曼散射（SERS）技术克服了这一缺点，该技术将物质分子吸附在一些粗糙的金、银、铜等金属表面，将拉曼信号强度增加106～109倍，从而实现拉曼光谱对痕量物质成分的检测［7］。目前，SERS技术在食品添加剂［8-9］、环境［10］、生物医药［11-12］、公安刑侦［13-14］等领域均具有很好的应用。

长期以来，实验室拉曼光谱仪由于体积大、质量重、价格高等原因，仅在少数高校、科研院所使用，无法满足现场检测的需求。近年来，随着激光器、探头、光谱仪等主要元器件小型化技术进步和SERS技术的应用［15］，便携式拉曼光谱仪得到快速发展，具有小巧便携、操作方便、价格更低的特点，可用电池供电，也可用车载电源供电，既可以用于实验室测量，也可以用于现场分析，目前广泛应用于食品监管、公安等部门现场快速检测，具有广阔的应用前景。与实验室拉曼光谱仪进行比较，由于其主要元器件的小型化和结构的简化，导致检测性能有差异，特别在频移示值误差、频移重复性以及分辨力等计量特性；其次，便携式拉曼光谱仪通常只有一个激光源，而实验室拉曼光谱仪具有二个或多个激光源，光源可切换使用。因此两者的所需的校准设备和采用的校准方法有差异。

目前还没有专门针对便携式拉曼光谱仪的相关技术规范，导致该仪器的性能无法评价，量值无法溯源，测量准确性无法保证。笔者依据拉曼光谱仪的校准规范［16］，参考制造商和使用者的要求，通过对便携式拉曼光谱仪的频移示值误差、频移重复性、分辨力、相对强度示值误差、相对强度重复性和检出限等计量特性和技术指标进行探讨。

1 实验部分

1.1 工作原理

当光穿过透明介质后，分子可以使部分入射光发生散射。在散射光中未发生频率改变的散射称为瑞利散射，发生频率改变的散射称为拉曼散射。便携式拉曼光谱仪是一种利用拉曼散射原理测量物质本征振动光谱特性的光谱仪。便携式拉曼光谱仪通常由激光器、光学单元、检测器和数据处理及显示单元等组成，激发器发出的激光经光学单元聚焦于样品表面，样品受激产生散射光，经光学单元滤除瑞利散射光，得到带有自身光谱信息的拉曼散射光，再经检测器解析得到光谱信号，经数据处理及显示单元得到拉曼谱图。根据拉曼谱图的拉曼频移和拉曼散射强度，可对物质进行定性、定量检测。

1.2 环境要求

环境温度：5～40℃；相对湿度：不大于85%；供电电压：（220±22）V；频率：（50±0.5）Hz；周围不得有影响仪器正常工作的机械振动和电磁干扰。

1.3 校准仪器与试剂

便携式拉曼光谱仪：SSR-3000 型，激光波长：785 nm，光谱范围：150～3 500 cm-1，南京简智仪器设备有限公司；

环己烷拉曼频移标准物质：GBW 13653，384.1～2 937.5 cm-1，U=2.2～2.4 cm-1，中国计量科学研究院；

相对强度标准物质：在785 nm 激光照射下可产生连续的荧光光谱，Urel≤5%（k=2），中国计量科学研究院；

罗丹明B 标准物质：GBW(E) 100374，1.003 mg／mL，Urel=3%（k=2），广东省计量科学研究院；

金纳米表面增强试剂（SSN-2 试剂）：粒径为45～55 nm，50 mL，南京简智仪器设备有限公司；

实验用水为超纯水。

1.4 校准项目

1.4.1 频移示值误差和重复性

待仪器稳定后，将频移标准物质置于样品池中或光学探头透镜聚焦处，选择合适的激光功率和积分时间，测量频移标准物质的拉曼光谱，在频移范围内分散选择5 个特征峰并记录其频移值。重复测量7 次，频移示值误差按式(1)计算，频移重复性按式(2)计算。

式中：Δv——频移示值误差，cm-1；

——频移算术平均值，cm-1；

v——频移标准值，cm-1；

sv——频移重复性，cm-1；

vi——第i次测量的频移值，cm-1。

1.4.2 分辨力

按1.4.1 中的测量方法，测量环己烷频移标准物质的拉曼光谱，谱图能识别出2 923 cm-1，2 938 cm-1两个峰。

1.4.3 相对强度示值误差和重复性

待仪器稳定后，将相对强度标准物质置于光学探头透镜聚焦处，选择合适的激光功率和积分时间，测量其光谱信号。对最大强度信号进行归一化处理后，读取3 条谱线的相对强度。重复测量7 次，相对强度示值误差按式(3)计算，相对强度重复性按公式(4)计算。

式中：c(v)——某频移的相对强度的示值误差，%；

I0(v)——某频移的相对强度的标准值，%；

I(v)i——某频移的相对强度第i次测量值，%；

RSD——某频移的相对强度重复性，%。

1.4.4 检出限

待仪器稳定后，按说明书要求移取相应体积的0.1 mg／L 罗丹明B 标准溶液和表面增强试剂，混合均匀，置于样品池中或光学探头透镜聚焦处。选择合适的激光功率、积分时间，在规定的时间内测量其拉曼光谱，记录特征峰1 642 cm-1的强度，重复上述步骤11 次，按式(5)计算检出限：

式中：D——检出限，mg／L；

sI——11 次谱线强度标准偏差；

c——标准溶液浓度，mg／L；

——11 次谱线强度的算术平均值。

2 结果与讨论

2.1 频移示值误差和重复性

按1.4.1 频移示值误差和重复性的校准方法，选择450 mW 激光功率，10 s 积分时间，在频移范围测量环己烷频移标准物质的拉曼光谱，选择426.5，801.9，1 266.4，1 444.2，2 923.4 cm-15 个特征峰，重复测量7 次，按式(1)计算频移示值误差，测量结果列于表1，由表1 可知，频移示值误差绝对值为 -0.8～-0.5 cm-1。

特征峰平均测量值频移示值误差426.5 425.9-0.6 801.9 801.4-0.5 1 266.41 265.8-0.6 1 444.21 443.6-0.6 2 923.42 922.6-0.8

2.2 频移重复性

依据2.1 重复测量7 次数据，按式(2)计算频移重复性，测量结果列于表2，频移重复性为0.2～0.4 cm-1。

表2 频移重复性测量结果 cm-1

2.3 分辨力

按1.4.2 分辨力校准方法，测量环己烷频移标准物质的拉曼光谱，谱图能自动识别出2 923，2 938 cm-1两个峰。

2.4 相对强度示值误差和重复性

按1.4.3 相对强度示值误差方法，选择450 mW激光功率，10 s 积分时间，测量相对强度标准物质的光谱信号，以最大强度信号进行归一化处理后，选择读取1 357，1 507，1 646 cm-13 条谱线的相对强度，重复测量7 次，按式(3)计算相对强度示值误差，测量结果见表3，相对强度示值误差为-1.4%～ -0.7%。

表3 相对强度示值误差测量结果

2.5 相对强度示值误差和重复性

依据2.4 重复测量7 次数据，按式(4)计算相对强度重复性，测量结果见表4，由表4 可知，相对强度重复性为0.9%～1.6%。

表4 相对强度重复性测量结果

2.6 检出限

按1.4.4 方法，选择激光功率450 mW，积分时间10 s，分别取SSN-2 增强试剂200 μL、0.1 mg／L 罗丹明B 标准溶液10 μL 于1.5 mL 玻璃样品瓶中，混匀。在1 min 之内测量强度值，重复上述操作步骤测量11 次，测量结果见表5。按式(5)计算得检出限为0.012 mg／L。