案例——拉曼光谱在水下的应用（深海矿产资源探测）

背景：

深海化学探测对矿产资源开发具有重要的意义。当它们被带到了表面，并暴露在外界压力、温度和高氧浓度的环境下，它们可能会不稳定，只有一种原位分析技术能够对海洋环境进行详细的研究。但是深海环境的恶劣环境对海洋化学的现场传感器也是一个巨大的挑战。基于电极的传感器已经在海洋学中应用了很长一段时间。但它只能用于测量某些特定的参数。Raman的光谱很适合于在海底分析的一些挑战:高特异性的技术非常适合于在水环境中生存的材料;可以对固体、液体、气体和溶解的物种进行分析;而现代Raman的仪器则有光纤耦合的组件，可以被封装在抗压力的水下，以进行水下操作。

实验：

设备：激光二极管（Ocean Optics, Laser-785）、光学探测器、光纤、拉曼光谱仪（Ocean Optics QE65000）。

过程：785nm的二极管激光器，输出功率为200mW。激光被光纤链接到光学探测器上。探测器的前端用O形环密封，因此可以浸入水中测量。再利用光纤将探测器收集的拉曼信号发送到海洋光学QE65000拉曼光谱仪上。

结果：

尽管拉曼频移不是波长的函数，但从一种物质中Raman散射的效率是λ⁴的函数，因此，波长较短的激光提供了显著的优势。考虑到海水的传播，532nm激光通常被选择用于水下应用。在我们的实验中，用532nm激光拉曼光谱仪与785nm的比较来对波长效应进行了研究。

左图是785nm下青岛附近海域的海水的Raman光谱，右图是波长为532nm时的

在现场应用中，快速检测特别重要。对于可能的短时间检测，在水溶液中三中不同浓度的SO₄^-2和HCO₃^-进行的检测。

三种不同浓度的SO₄^-2和HCO₃^-在积分时间10s（左）和积分时间1s（右）的拉曼信号

说明为了在原位检测中获得足够好的SNR，灵敏度至少应该得到改善。

结论：

在这篇论文中，一台785nm拉曼光谱仪被用来评估近红外Raman光谱水下的应用。与Raman的532nm激光激发的光谱相比，荧光的影响可以被忽略，以及灵敏度也有改善。用SO₄^-2和HCO₃^-浓度不同的混合溶液，通过785nm的拉曼光谱仪SO₄^-2在981cm-1和HCO₃^-在1017cm-1获得在积分时间10s浓度0.00625mol/L和0.025mol/L的探测极限。这个结果证明了近红外激光拉曼水下探测的可行性。

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来源：Jinjia Guo等人的文章“Evaluation of Near Infrared Laser Raman Spectroscopy Underwater

Research”。