Что такое рамановский микроскоп?

Что такое рамановский микроскоп?

Рамановский микроскоп (или рамановский микроскоп) — это измерительный прибор, объединяющий рамановский спектрометр и оптический микроскоп.

Он позволяет проводить неразрушающий анализ подробной информации о материалах, такой как химическая структура, межмолекулярные взаимодействия и кристалличность. Объединив рамановский микроскоп с рамановским спектрометром, можно наблюдать объект под микроскопом и измерять выбранные точки или получать изображение, визуализирующее распределение состава.

Применение рамановских микроскопов

Поскольку Рамановская спектроскопия основана на химической связи, следующая информация может быть получена путем измерения

• Химическая структура
• Фаза, полиморфизм
• Деформация
• Примеси, загрязнение

Поскольку Рамановские спектры уникальны для каждого вещества, их можно использовать для быстрой идентификации вещества или отличия его от других веществ. Рамановские микроскопы также можно использовать для анализа множества различных образцов. В целом, они не подходят для анализа металлов и сплавов, но подходят для анализа:

• Твердые вещества, порошки, жидкости, гели, суспензии и газы
• Неорганические, органические и биологические материалы
• Чистые химикаты, смеси и растворы
• Оксиды металлов и коррозия

Типичные примеры использования рамановских микроскопов включают:

• Характеристика пигментов, керамики и драгоценных камней в области искусства и археологии
• Оценка структуры и чистоты, дефектов и беспорядка нанотрубок углеродного материала
• В химии, структура, чистота и мониторинг реакций
• В науках о жизни, отдельные клетки и ткани, лекарственные взаимодействия и диагностика заболеваний

Структура Рамановских микроскопов

Рисунок 1. Структура Рамановского микроскопа

Рамановские микроскопы представляют собой измерительные приборы, которые объединяют Рамановский спектрометр и микроскоп.

Излученный свет от лазерного источника направляется на образец через объективную линзу микроскопа и облучает образец. Рассеянный свет, генерируемый образцом, фокусируется объективной линзой, и только рамановский рассеянный свет обнаруживается через светофильтр Рэлея.

Принцип работы рамановских микроскопов

Рисунок 2. Рамановское рассеяние

Когда материал облучается светом, происходит явление рассеяния. Большая часть рассеянного света — это рэлеевский рассеянный свет с той же длиной волны, что и облучаемый свет, но включен и некоторый рассеянный свет с немного отличающимися длинами волн от облучаемого света, и этот рассеянный свет называется рамановским рассеянным светом.

Существует два типа рамановского рассеянного света: стоксов рассеянный свет, длина волны которого больше, чем у облучаемого света, и антистоксов рассеянный свет, длина волны которого короче.

Рамановский рассеянный свет возникает в результате взаимодействия облученного света с материалом, а разница в длине волны между рэлеевским рассеянным светом и рамановским рассеянным светом соответствует энергии молекулярной вибрации облученного материала. Известно, что только рамановские активные колебательные моды ответственны за рамановское рассеяние, и можно вывести или смоделировать рамановские активные колебательные моды из молекулярных структур.

Подобным аналитическим прибором, использующим молекулярные колебания, является инфракрасный спектрофотометр, но существуют различия в молекулярных колебаниях, которые можно измерить, что делает его дополнительным аналитическим прибором.

Различные типы молекул и различные состояния связи производят различные энергии молекулярных колебаний, что приводит к различным спектрам Рамана. Вещества можно идентифицировать, сравнивая положения пиков и относительные интенсивности пиков спектров Рамана с таковыми известных веществ. Он также часто используется для качественного анализа путем интерпретации следующего:

• Положение пика
  Информация о химической связи
• Сдвиг пика
  Информация о межмолекулярных взаимодействиях, напряжении и деформации
• Спектральная форма волны
  Информация о молекулярной структуре, различия в кристаллической структуре
• Ширина половинного значения
  Разница между кристаллическими и некристаллическими

Количественный анализ также доступен с использованием того факта, что интенсивность спектра пропорциональна концентрации.

Другая информация о рамановских микроскопах

1. Меры предосторожности при использовании рамановских микроскопов

Рисунок 3. (a) Влияние лазерного облучения на генерацию флуоресценции (b) Деградация из-за лазерного облучения

Поскольку свет Рамана слабее света Рэлея, необходима определенная интенсивность лазерного света, но лазерный свет может вызывать проблемы. Если длина волны лазерного света перекрывается с областью поглощения измеряемой молекулы, молекула будет флуоресцировать, а фон спектра Рамана увеличится, скрывая спектр, который нужно получить.

Чтобы избежать этого, необходимо принять меры, такие как регулировка времени экспозиции и других условий измерения, регулировка глубины фокусировки, сужение спектральной щели и использование конфокального фильтра (DSF). Другие способы подавления флуоресценции включают изменение источника лазера.

Для органических материалов флуоресценция часто возникает при использовании обычного лазерного света 532 нм, поэтому иногда выбирается лазерный свет с большей длиной волны, например 785 нм. Однако следует соблюдать осторожность при переходе на лазерный свет с большей длиной волны, так как чувствительность некоторых монохроматоров и детекторов может резко снизиться.

Если измеряемый материал является органическим или углеродным, в зависимости от интенсивности и продолжительности лазерного света, материал может «сгореть» и деградировать. Чтобы предотвратить деградацию измеряемого материала, условия измерения можно отрегулировать, снизив интенсивность лазера или сократив время экспозиции.

Кроме того, некоторые углеродные материалы фотореактивны, то есть реагируют на облученный лазерный свет. С такими материалами можно работать, регулируя условия измерения таким же образом или изменяя длину волны лазерного света, чтобы подавить фотореакцию.

2. Новая технология Рамановских микроскопов

Были разработаны различные методы для повышения чувствительности и разрешения Рамановских микроскопов.

Поверхностно-усиленный Раманов (SERS) и наконечник-усиленный Раманов (TERS) используют явление, называемое локализованным поверхностным плазмонным резонансом, которое происходит на металлических поверхностях, что позволяет измерять большую интенсивность рамановского рассеянного света и более высокую чувствительность и пространственное разрешение.

Когерентное антистоксово рассеяние Рамана (CARS) и вызванное Рамана (SRS) — это типы нелинейного Рамана, в которых две разные длины волн света используются одновременно для получения спектров с интенсивностью сигнала на много порядков выше.

Также были разработаны другие методы, которые позволяют выполнять Рамановскую визуализацию быстрее, например, использование расщепителя луча для получения Рамановского спектра в линейной или плоской форме с помощью одного лазерного импульса.