Рамановская спектроскопия

редактировать
Диаграмма уровней энергии, показывающая состояния, участвующие в спектрах комбинационного рассеяния.

Рамановская спектроскопия (); (названный в честь индийского физика CV Raman ) - это спектроскопический метод, обычно используемый для определения колебательных мод молекул, хотя вращательные и другие низкочастотные моды систем могут также следует соблюдать. Рамановская спектроскопия обычно используется в химии для получения структурных отпечатков пальцев, по которым можно идентифицировать молекулы.

Рамановская спектроскопия основана на неупругом рассеянии фотонов, известном как комбинационное рассеяние. Источник монохроматического света, обычно от лазера в видимом, ближнем инфракрасном или ближнем ультрафиолетовом используется диапазон, хотя рентгеновские лучи также могут использоваться. Лазерный свет взаимодействует с молекулярными колебаниями, фононами или другими возбуждениями в системе, в результате чего энергия лазерных фотонов смещается вверх или вниз. Сдвиг энергии дает информацию о колебательных модах в системе. Инфракрасная спектроскопия обычно дает аналогичную дополнительную информацию.

Обычно образец освещается лазерным лучом. Электромагнитное излучение от освещенного пятна собирается линзой и проходит через монохроматор . Упругое рассеянное излучение на длине волны, соответствующей лазерной линии (рэлеевское рассеяние ), отфильтровывается либо режекторным фильтром , краевым фильтром, либо полосовым фильтром, а остальная часть Собранный свет рассеивается на детекторе.

Спонтанное комбинационное рассеяние обычно очень слабое; в результате в течение многих лет основная трудность при сборе спектров комбинационного рассеяния заключалась в отделении слабого неупруго рассеянного света от интенсивного рэлеевского рассеянного лазерного света (так называемого «лазерного отклонения»). Исторически сложилось так, что рамановские спектрометры использовали голографические решетки и несколько ступеней дисперсии для достижения высокой степени подавления лазерного излучения. В прошлом фотоумножители были предпочтительными детекторами для систем дисперсионного комбинационного рассеяния, что приводило к длительному времени сбора данных. Однако в современных приборах почти повсеместно используются режекторные фильтры или краевые фильтры для подавления лазерного излучения. Дисперсионные одноступенчатые спектрографы (аксиально-пропускающие (AT) или монохроматоры Черни-Тернера (CT) ) в сочетании с детекторами CCD являются наиболее распространенными, хотя преобразование Фурье (FT) спектрометры также широко используются с лазерами ближнего ИК диапазона.

Название «Рамановская спектроскопия» обычно относится к колебательному комбинационному рассеиванию с использованием длин волн лазера, которые не поглощаются образцом. Существует множество других вариаций рамановской спектроскопии, включая комбинационное комбинационное рассеивание света, резонансное комбинационное рассеивание, комбинационное рассеяние света с усилением иглы, поляризованное комбинационное рассеивание, вынужденное комбинационное рассеивание, Рамановский сдвиг передачи, Рамановский пространственный сдвиг и гипер Рамановский.

Содержание

  • 1 Теория
  • 2 История
  • 3 Рамановский сдвиг
  • 4 Аппаратура
    • 4.1 Лазеры
    • 4.2 Детекторы
      • 4.2.1 Детекторы для дисперсионного комбинационного рассеяния
      • 4.2.2 Детекторы для FT – Raman
    • 4.3 Фильтры
  • 5 Применение
    • 5.1 Искусство и культурное наследие
  • 6 Микроспектроскопия
  • 7 Поляризация зависимость комбинационного рассеяния света
    • 7.1 Характеристика симметрии колебательной моды
  • 8 Варианты
    • 8.1 Спонтанная (или дальняя) рамановская спектроскопия
    • 8.2 Расширенная (или ближнепольная) рамановская спектроскопия
    • 8.3 Нелинейная рамановская спектроскопия
  • 9 Ссылки
  • 10 Дополнительная литература
  • 11 Внешние ссылки

Теория

Величина рамановского эффекта коррелирует с поляризуемостью электронов в родинке cule. Это форма неупругого светорассеяния, когда фотон возбуждает образец. Это возбуждение переводит молекулу в состояние виртуальной энергии на короткое время, прежде чем фотон испускается. Неупругое рассеяние означает, что энергия испускаемого фотона либо ниже, либо выше, чем энергия падающего фотона. После рассеяния образец находится в другом вращательном или колебательном состоянии.

, чтобы полная энергия системы оставалась постоянной после того, как молекула перейдет в новое ровибронное (вращательно-колебательно-электронное) состояние, рассеянный фотон переходит на другую энергию и, следовательно, на другую частоту. Эта разность энергий равна разнице между начальным и конечным ровибронными состояниями молекулы. Если конечное состояние имеет более высокую энергию, чем начальное состояние, рассеянный фотон будет смещен на более низкую частоту (более низкую энергию), так что полная энергия останется прежней. Этот сдвиг частоты называется стоксовым сдвигом или понижением. Если конечное состояние имеет более низкую энергию, рассеянный фотон будет сдвинут на более высокую частоту, что называется антистоксовым сдвигом или повышением частоты.

Чтобы молекула проявляла эффект комбинационного рассеяния, должно быть изменение ее электрической диполь-электрической дипольной поляризуемости относительно колебательной координаты, соответствующей ровибронному состоянию. Интенсивность комбинационного рассеяния света пропорциональна этому изменению поляризуемости. Следовательно, спектр комбинационного рассеяния (интенсивность рассеяния как функция частотных сдвигов) зависит от ровибронных состояний молекулы.

Эффект комбинационного рассеяния основан на взаимодействии между электронным облаком образца и внешним электрическим полем монохроматического света, которое может создавать индуцированный дипольный момент внутри молекулы на основе ее поляризуемости. Поскольку лазерный свет не возбуждает молекулу, не может быть реального перехода между уровнями энергии. Эффект Рамана не следует путать с излучением (флуоресценция или фосфоресценция ), когда молекула в возбужденном электронном состоянии излучает фотон и возвращается в основное электронное состояние, во многих случаях для колебательно-возбужденное состояние на поверхности потенциальной энергии основного электронного состояния. Рамановское рассеяние также контрастирует с инфракрасным (ИК) поглощением, где энергия поглощенного фотона соответствует разнице в энергии между начальным и конечным ровибронными состояниями. Зависимость рамановского рассеяния от производной электрической диполь-электрической дипольной поляризуемости также отличается от ИК-спектроскопии, которая зависит от производной электрического дипольного момента, тензора полярных атомов (APT). Эта контрастирующая особенность позволяет анализировать ровибронные переходы, которые могут не быть активными в ИК-диапазоне, с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния, как показано на примере правила взаимного исключения в центросимметричных молекулах. Переходы с большими рамановскими интенсивностями часто имеют слабую ИК-интенсивность и наоборот. Если связь сильно поляризована, небольшое изменение ее длины, такое как то, что происходит во время вибрации, имеет лишь небольшое результирующее влияние на поляризацию. Таким образом, колебания с участием полярных связей (например, C-O, N-O, O-H) являются сравнительно слабыми рамановскими рассеивателями. Однако такие поляризованные связи несут свои электрические заряды во время колебательного движения (если не нейтрализованы факторами симметрии), и это приводит к большему изменению суммарного дипольного момента во время колебания, создавая сильную полосу ИК-поглощения. И наоборот, относительно нейтральные связи (например, C-C, C-H, C = C) претерпевают большие изменения поляризуемости во время вибрации. Однако на дипольный момент не влияет аналогичное влияние, так что, хотя колебания, включающие преимущественно этот тип связи, являются сильными рамановскими рассеивателями, они слабы в ИК-диапазоне. Третий метод колебательной спектроскопии, неупругое некогерентное рассеяние нейтронов (IINS), может использоваться для определения частот колебаний в высокосимметричных молекулах, которые могут быть неактивными как в инфракрасном, так и в рамановском диапазонах. Правила выбора IINS или разрешенные переходы отличаются от правил IR и Рамана, поэтому эти три метода дополняют друг друга. Все они дают одну и ту же частоту для данного колебательного перехода, но относительные интенсивности предоставляют разную информацию из-за разных типов взаимодействия между молекулой и падающими частицами, фотонами для ИК и комбинационного рассеяния света и нейтронами для БИНС.

История

Хотя неупругое рассеяние света было предсказано Адольфом Смекалем в 1923 г., на практике оно не наблюдалось до 1928 г. Эффект Рамана был назван в честь одного из его первооткрыватели, индийский ученый К. В. Раман, наблюдавший этот эффект в органических жидкостях в 1928 году вместе с К. С. Кришнан и независимо Григорий Ландсберг и Леонид Мандельштам в неорганических кристаллах. Раман получил Нобелевскую премию по физике в 1930 году за это открытие. Первое наблюдение спектров комбинационного рассеяния в газах было в 1929 году Франко Разетти.

Систематическая новаторская теория эффекта комбинационного рассеяния была разработана чехословацким физиком Джорджем Плачеком между 1930 и 1934 годами. Ртуть arc стал основным источником света, сначала с фотографическим, а затем со спектрофотометрическим детектированием.

Спустя годы после его открытия, спектроскопия комбинационного рассеяния была использована для создания первого каталога частот молекулярных колебаний. Обычно образец помещался в длинную трубку и освещался по всей ее длине пучком фильтрованного монохроматического света, генерируемого газоразрядной лампой . Фотоны, рассеянные образцом, собирались через оптическую плоскость на конце трубки. Чтобы максимизировать чувствительность, образец был высококонцентрированным (1 М или более) и использовались относительно большие объемы (5 мл или более).

Рамановский сдвиг

Рамановский сдвиг обычно сообщается в волновых числах, которые имеют единицы обратной длины, поскольку это значение напрямую связано с энергией. Чтобы преобразовать спектральную длину волны в волновые числа сдвига в спектре комбинационного рассеяния, можно использовать следующую формулу:

Δ ν ~ = (1 λ 0 - 1 λ 1), {\ displaystyle \ Delta {\ tilde {\ \ nu}} = \ left ({\ frac {1} {\ lambda _ {0}}} - {\ frac {1} {\ lambda _ {1}}} \ right) \,}{\ displaystyle \ Delta {\ tilde {\ nu}} = \ left ({\ frac {1} {\ lambda _ {0}}} - {\ frac {1} {\ lambda _ {1}}} \ right) \,}

где Δ ν ~ {\ displaystyle \ Delta {\ tilde {\ nu}}}{\ displaystyle \ Delta {\ tilde {\ nu}}} - рамановский сдвиг, выраженный в волновом числе, λ 0 {\ displaystyle \ lambda _ {0}}\ lambda _ {0} - длина волны возбуждения, а λ 1 {\ displaystyle \ lambda _ {1}}\ lambda _ {1} - длина волны спектра комбинационного рассеяния. Чаще всего для выражения волнового числа в спектрах комбинационного рассеяния выбирают обратные сантиметры (см). Поскольку длина волны часто выражается в единицах нанометров (нм), приведенная выше формула может масштабироваться для этого преобразования единиц в явном виде, давая

Δ ν ~ (см - 1) = (1 λ 0 (нм) - 1 λ 1 (нм))) × (10 7 нм) (см). {\ displaystyle \ Delta {\ tilde {\ nu}} ({\ text {cm}} ^ {- 1}) = \ left ({\ frac {1} {\ lambda _ {0} ({\ text {nm} }})}} - {\ frac {1} {\ lambda _ {1} ({\ text {nm}})}} \ right) \ times {\ frac {(10 ^ {7} {\ text {nm }})} {({\ text {cm}})}}.}{\ displaystyle \ Delta {\ tilde {\ nu}} ({\ text {cm}} ^ {- 1}) = \ left ({\ frac {1} {\ lambda _ {0} ({\ text {nm}})}} - {\ frac {1} {\ lambda _ {1} ({\ text { nm}})}} \ right) \ times {\ frac {(10 ^ {7} {\ text {nm}})} {({\ text {cm}})}}.}

Приборы

Ранний спектр комбинационного рассеяния бензола, опубликованный Раманом и Кришнаном. Схема одного из возможных установка для дисперсионной рамановской спектроскопии.

Современная рамановская спектроскопия почти всегда включает использование лазеров в качестве возбуждающих источников света. Поскольку лазеры не были доступны до более чем трех десятилетий после открытия эффекта, Раман и Кришнан использовали ртутную лампу и фотопластинки для записи спектров. Для получения ранних спектров требовались часы или даже дни из-за слабых источников света, плохой чувствительности детекторов и слабых сечений рамановского рассеяния большинства материалов. Для выбора определенных диапазонов длин волн для возбуждения и детектирования использовались различные цветные фильтры и химические растворы, но в фотографических спектрах все еще преобладала широкая центральная линия, соответствующая рэлеевскому рассеянию источника возбуждения.

Технологические достижения сделали рамановскую спектроскопию гораздо более чувствительный, особенно с 1980-х годов. Наиболее распространенными современными детекторами в настоящее время являются устройства с зарядовой связью (ПЗС). Матрицы фотодиодов и фотоэлектронные умножители были обычным явлением до внедрения ПЗС. Появление надежных, стабильных и недорогих лазеров с узкой полосой пропускания также оказало влияние.

Лазеры

Рамановская спектроскопия требует источника света, такого как лазер. Разрешение спектра зависит от полосы пропускания используемого лазерного источника. Обычно более коротковолновые лазеры дают более сильное рамановское рассеяние из-за увеличения ν в поперечных сечениях комбинационного рассеяния, но могут возникнуть проблемы с деградацией образца или флуоресценцией.

Непрерывные лазеры наиболее распространены для нормальной рамановской спектроскопии, но также можно использовать импульсные лазеры. Они часто имеют более широкую полосу пропускания, чем их аналоги в непрерывном режиме, но очень полезны для других форм рамановской спектроскопии, таких как нестационарное, временное и резонансное комбинационное рассеивание.

Детекторы

Рамановский рассеянный свет обычно собирается и либо рассеиваются с помощью спектрографа , либо используются с интерферометром для обнаружения методами преобразования Фурье (FT). Во многих случаях имеющиеся в продаже ИК-Фурье-спектрометры могут быть модифицированы в спектрометры Фурье-комбинационного рассеяния.

Детекторы для дисперсионного комбинационного рассеяния

В большинстве случаев современные рамановские спектрометры используют матричные детекторы, такие как ПЗС. Существуют различные типы ПЗС-матриц, которые оптимизированы для различных диапазонов длин волн. ПЗС-матрицы с усиленным диапазоном могут использоваться для очень слабых сигналов и / или импульсных лазеров. Спектральный диапазон зависит от размера ПЗС и фокусного расстояния используемого спектрографа.

Когда-то было обычным делом использовать монохроматоры, соединенные с фотоумножителями. В этом случае монохроматор необходимо будет перемещать для сканирования в спектральном диапазоне.

Детекторы для Фурье-рамановского рассеяния

Фурье-рамановское преобразование почти всегда используется с лазерами ближнего ИК диапазона, и соответствующие детекторы должны можно использовать в зависимости от длины волны возбуждения. Германий или арсенид индия (InGaAs) детекторы обычно используются.

Фильтры

Обычно необходимо отделить рамановский рассеянный свет от Сигнал Рэлея и отраженный лазерный сигнал для сбора высококачественных рамановских спектров с использованием режекторного фильтра. Для этой цели обычно используются оптические фильтры Notch или long-pass. До появления голографических фильтров было принято использовать монохроматор с тройной решеткой в ​​режиме вычитания для выделения полезного сигнала. Это все еще можно использовать для записи очень малых рамановских сдвигов, поскольку голографические фильтры обычно отражают некоторые из низкочастотных полос в дополнение к несмещенному лазерному свету. Однако все более распространенными становятся фильтры с объемной голограммой, которые позволяют наблюдать сдвиги до 5 см.

Приложения

Рамановская спектроскопия используется в химии для идентификации молекул и изучать химическую связь и внутримолекулярные связи. Поскольку частоты колебаний являются специфическими для химических связей и симметрии молекулы (область отпечатков пальцев органических молекул находится в диапазоне волновых чисел от 500 до 1500 см), Раман предоставляет отпечатки пальцев для идентификации молекул. Например, спектры комбинационного рассеяния и ИК-спектры использовались для определения частот колебаний SiO, Si 2O2и Si 3O3на основе анализа нормальных координат. Раман также используется для изучения добавления субстрата к ферменту.

В физике твердого тела рамановская спектроскопия используется для характеристики материалов, измерения температуры и определения кристаллографической ориентации образца. Как и одиночные молекулы, твердый материал можно идентифицировать по характерным фононным модам. Информация о заселенности фононной моды дается соотношением стоксовой и антистоксовой интенсивностей спонтанного рамановского сигнала. Рамановская спектроскопия также может использоваться для наблюдения других низкочастотных возбуждений твердого тела, таких как возбуждения плазмонов, магнонов и сверхпроводящей щели. Распределенное измерение температуры (DTS) использует рамановское обратное рассеяние от лазерных импульсов для определения температуры вдоль оптических волокон. Ориентацию анизотропного кристалла можно определить из поляризации рамановского рассеянного света по отношению к кристаллу и поляризации лазерного света, если кристаллическая структура точечная группа известна.

В нанотехнологии рамановский микроскоп можно использовать для анализа нанопроволок, чтобы лучше понять их структуру, а режим радиального дыхания углеродных нанотрубок обычно используется для оценки их диаметра.

Рамановские активные волокна, такие как арамид и углерод, имеют моды колебаний, которые показывают сдвиг частоты комбинационного рассеяния под действием приложенного напряжения. Полипропиленовые волокна демонстрируют аналогичные сдвиги.

В химии твердого тела и биофармацевтической промышленности рамановскую спектроскопию можно использовать не только для идентификации активных фармацевтических ингредиентов (API), но и для идентификации их полиморфных форм, если существует более одной. Например, препарат Cayston (азтреонам ), продаваемый Gilead Sciences для лечения кистозного фиброза, может быть идентифицирован и охарактеризован с помощью IR и Рамановская спектроскопия. Использование правильной полиморфной формы в биофармацевтических составах имеет решающее значение, поскольку разные формы обладают разными физическими свойствами, такими как растворимость и температура плавления.

Рамановская спектроскопия находит широкое применение в биологии и медицине. Это помогло подтвердить существование низкочастотных фононов в белках и ДНК, способствуя изучению их биологических функций. Рамановские репортерные молекулы с олефиновыми или алкиновыми составляющими разрабатываются для визуализации тканей с помощью SERS-меченных антител. Рамановская спектроскопия также использовалась как неинвазивный метод для биохимической характеристики ран в реальном времени in situ. Многофакторный анализ спектров комбинационного рассеяния позволил разработать количественный метод измерения прогресса заживления ран. Для обнаружения можно использовать рамановскую спектроскопию с пространственным смещением (SORS), которая менее чувствительна к поверхностным слоям, чем традиционный комбинационный анализ. поддельные лекарства, не открывая их упаковки, и для неинвазивного исследования биологических тканей. Огромная причина того, почему рамановская спектроскопия так полезна в биологических приложениях, заключается в том, что ее результаты часто не сталкиваются с помехами со стороны молекул воды из-за того, что они имеют постоянные дипольные моменты, и в результате рамановское рассеяние невозможно уловить. Это большое преимущество, особенно в биологических приложениях. Рамановская спектроскопия также широко используется для изучения биоминералов. Наконец, рамановские газоанализаторы имеют множество практических применений, в том числе мониторинг смесей анестетиков и дыхательных газов в режиме реального времени во время операции.

Рамановская спектроскопия использовалась в нескольких исследовательских проектах как средство обнаружения взрывчатых веществ с безопасного расстояния с помощью лазерных лучей.

Рамановская спектроскопия находится в стадии дальнейшего развития, чтобы она могла использоваться в клинических условиях. Raman4Clinic - европейская организация, которая работает над внедрением методов спектроскопии комбинационного рассеяния в медицину. В настоящее время они работают над различными проектами, одним из которых является мониторинг рака с использованием жидкостей организма, таких как моча и образцы крови, которые легко доступны. Этот метод будет менее стрессовым для пациентов, чем необходимость постоянно брать биопсии, что не всегда безопасно.

Искусство и культурное наследие

Рамановская спектроскопия - эффективный и неразрушающий способ исследования произведения искусства и культурное наследие артефакты, отчасти потому, что это неинвазивный процесс, который можно применять на месте. Его можно использовать для анализа продуктов коррозии на поверхности артефактов (статуй, глиняной посуды и т. Д.), Что может дать представление о коррозионной среде, в которой находятся артефакты. Полученные спектры также можно сравнить со спектрами поверхностей, которые очищены или намеренно корродированы, что может помочь в определении подлинности ценных исторических артефактов.

Он позволяет идентифицировать отдельные пигменты в картинах и продукты их разложения., который может дать представление о методах работы художника в дополнение к помощи в аутентификации картин. Он также дает информацию об исходном состоянии картины в тех случаях, когда пигменты деградировали с возрастом.

Помимо картин и артефактов, рамановскую спектроскопию можно использовать для исследования химического состава исторических документов (таких как Келлская книга ), которая может дать представление о социальных и экономических условиях, когда они были созданы. Он также предлагает неинвазивный способ определения наилучшего метода сохранения или сохранения таких артефактов культурного наследия, обеспечивая понимание причин ухудшения состояния.

IRUG (Группа пользователей инфракрасного и рамановского спектра) Spectral Database - это тщательно отрецензированная онлайн-база данных эталонных инфракрасных и рамановских спектров для материалов культурного наследия, таких как произведения искусства, архитектуры и археологические артефакты. База данных открыта для ознакомления широкой публике и включает интерактивные спектры более сотни различных типов пигментов и красок.

Микроспектроскопия

Гиперспектральное рамановское изображение может предоставить карты распределения химических соединений и свойств материала: Пример негидратированного клинкерного остатка в цементном растворе 19 века ( Номенклатура химика-цемента: C ≙ CaO, A ≙ Al 2O3, S ≙ SiO 2, F ≙ Fe 2O3).

Рамановская спектроскопия дает несколько преимуществ для микроскопического анализа. метод светорассеяния, образцы не нужно фиксировать или разрезать. Спектры комбинационного рассеяния могут быть получены из очень небольшого объема (< 1 µm in diameter, < 10 µm in depth); these spectra allow the identification of species present in that volume. Water does not generally interfere with Raman spectral analysis. Thus, Raman spectroscopy is suitable for the microscopic examination of минералы, материалы, такие как полимеры и керамика, ячейки, белки и следы судебной экспертизы. Рамановский микроскоп начинается со стандартного оптического микроскопа и добавляет возбуждающий лазер, монохроматор или полихроматор, и чувствительный детектор (такой как устройство с зарядовой связью (CCD) или фотоумножитель трубка (PMT)). Раман-Фурье также использовался с микроскопы, обычно в комбинации Работа с лазерным возбуждением ближнего инфракрасного (NIR). Ультрафиолетовые микроскопы и оптика с усиленным УФ-излучением должны использоваться, когда источник УФ-лазера используется для рамановской микроскопии.

При прямой визуализации (также называемой глобальной визуализацией или широкопольным освещением) все поле зрения исследуется на предмет рассеяния света, интегрированного по небольшому диапазону волновых чисел (рамановский сдвиг). Например, характеристику волнового числа для холестерина можно использовать для регистрации распределения холестерина в культуре клеток. Этот метод используется для определения характеристик крупномасштабных устройств, картирования различных соединений и исследования динамики. Его уже использовали для определения характеристик слоев графена, J-агрегированных красителей внутри углеродных нанотрубок и множества других 2D-материалов, таких как MoS 2 и WSe. 2. Поскольку возбуждающий луч рассеивается по всему полю зрения, эти измерения можно проводить без повреждения образца.

Наиболее распространенным подходом является гиперспектральная визуализация или химическая визуализация, при которой тысячи спектров комбинационного рассеяния получают со всего поля зрения, например, с помощью растрового изображения. сканирование сфокусированного лазерного луча через образец. Эти данные можно использовать для создания изображений, показывающих расположение и количество различных компонентов. Наличие полной спектроскопической информации, доступной в каждой точке измерения, имеет то преимущество, что несколько компонентов могут быть нанесены на карту одновременно, включая химически похожие и даже полиморфные формы, которые невозможно различить, обнаружив только одно волновое число. Кроме того, свойства материала, такие как напряжение и деформация, ориентация кристалла, кристалличность и включение посторонних ионов в кристаллические решетки (например, легирование, серия твердых растворов ) может быть определена по гиперспектральным картам. На примере клеточной культуры гиперспектральное изображение может показать распределение холестерина, а также белков, нуклеиновых кислот и жирных кислот. Сложные методы обработки сигналов и изображений могут использоваться, чтобы игнорировать присутствие воды, питательных сред, буферов и других помех.

Поскольку рамановский микроскоп представляет собой систему с ограничением по дифракции , его пространственное разрешение зависит от длины волны света, числовой апертуры фокусирующего элемента и - в случай конфокальной микроскопии - по диаметру конфокальной апертуры. При работе в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного диапазона рамановский микроскоп может достигать поперечного разрешения прибл. От 1 мкм до 250 нм, в зависимости от длины волны и типа линзы объектива (например, линзы с воздушной или водной или масляной иммерсией). Разрешение по глубине (если не ограничивается глубиной оптического проникновения в образец) может варьироваться от 1-6 мкм с наименьшей конфокальной апертурой до десятков микрометров при работе без конфокальной микроотверстия. В зависимости от образца высокая плотность мощности лазера из-за микроскопической фокусировки может иметь преимущество улучшенного фотообесцвечивания молекул, излучающих мешающую флуоресценцию. Однако длину волны и мощность лазера необходимо тщательно выбирать для каждого типа образца, чтобы избежать его ухудшения.

Применение рамановской визуализации варьируется от материаловедения до биологических исследований. Для каждого типа образца параметры измерения необходимо оптимизировать индивидуально. По этой причине современные рамановские микроскопы часто оснащаются несколькими лазерами с разными длинами волн, набором линз объектива и фильтрами нейтральной плотности для настройки мощности лазера, достигающей образца. Выбор длины волны лазера в основном зависит от оптических свойств образца и от цели исследования. Например, рамановскую микроскопию биологических и медицинских образцов часто проводят с использованием возбуждения от красного до ближнего инфракрасного (например, при длине волны 785 нм или 1064 нм). Из-за типично низких оптической плотности биологических образцов в этом спектральном диапазоне снижается риск повреждения образца, а также автофлуоресценции излучения, и может быть достигнута большая глубина проникновения в ткани. Однако интенсивность комбинационного рассеяния света на длинных волнах мала (из-за зависимости интенсивности рамановского рассеяния от ω), что приводит к длительному времени сбора данных. С другой стороны, резонансная рамановская визуализация одноклеточных водорослей на длине волны 532 нм (зеленый) может специфически исследовать распределение каротиноидов в клетке с использованием низкого мощность лазера ~ 5 мкВт и время сбора данных всего 100 мс.

Рамановское рассеяние, в частности рамановская спектроскопия с усилением иглы, дает гиперспектральные изображения с высоким разрешением атомов одиночных молекул и ДНК.

Поляризационная зависимость рамановского рассеяния

Рамановское рассеяние чувствительно к поляризации и может предоставить подробную информацию о симметрии активных мод комбинационного рассеяния. В то время как обычная спектроскопия комбинационного рассеяния определяет химический состав, эффекты поляризации на спектрах комбинационного рассеяния могут выявить информацию об ориентации молекул в монокристаллах и анизотропных материалах, например деформированные пластиковые листы, а также симметрия колебательных мод.

Поляризационно-зависимая рамановская спектроскопия использует (плоско) поляризованное лазерное возбуждение от поляризатора. Собранный рамановский рассеянный свет проходит через второй поляризатор (называемый анализатором) перед попаданием в детектор. Анализатор ориентирован параллельно или перпендикулярно поляризации лазера. Спектры, полученные с анализатором, установленным как перпендикулярно, так и параллельно плоскости возбуждения, можно использовать для расчета степени деполяризации. Обычно между анализатором и детектором также помещается поляризационный скремблер . В поляризованной спектроскопии комбинационного рассеяния света удобно описывать направления распространения и поляризации с использованием обозначений Порту, описанных и названных в честь бразильского физика Серджио Перейра да Силва Порту.

Для изотропных растворов комбинационное рассеяние света от каждой моды либо сохраняет поляризацию лазера или становится частично или полностью деполяризованным. Если колебательная мода, участвующая в процессе комбинационного рассеяния света, полностью симметрична, то поляризация рамановского рассеяния будет такой же, как и у входящего лазерного луча. В случае, если колебательная мода не является полностью симметричной, поляризация будет потеряна (скремблирована) частично или полностью, что называется деполяризацией. Следовательно, поляризованная рамановская спектроскопия может предоставить подробную информацию о метках симметрии колебательных мод.

В твердом состоянии поляризованная рамановская спектроскопия может быть полезна при исследовании ориентированных образцов, таких как монокристаллы. Поляризуемость колебательной моды неодинакова вдоль и поперек связи. Следовательно, интенсивность комбинационного рассеяния света будет различной, когда поляризация лазера направлена ​​вдоль и перпендикулярно определенной оси связи. Этот эффект может предоставить информацию об ориентации молекул с монокристаллом или материалом. Спектральная информация, полученная в результате этого анализа, часто используется для понимания макромолекулярной ориентации в кристаллических решетках, жидких кристаллах или образцах полимеров.

Характеристика симметрии колебательной моды

Метод поляризации полезен для понимания связи между симметрией молекулы, активностью комбинационного рассеяния света и пиками в соответствующих спектрах комбинационного рассеяния. Поляризованный свет в одном направлении дает доступ только к некоторым рамановским активным режимам, но вращение поляризации дает доступ к другим режимам. Каждая мода разделена в соответствии с ее симметрией.

Симметрия колебательной моды выводится из коэффициента деполяризации ρ, который представляет собой отношение комбинационного рассеяния света с поляризацией, ортогональной падающему лазеру, и комбинационного рассеяния света с та же поляризация, что и у падающего лазера: ρ = I r I u {\ displaystyle \ rho = {\ frac {I_ {r}} {I_ {u}}}}{\ displaystyle \ rho = {\ frac {I_ {r}} {I_ {u}}}} Здесь I r {\ displaystyle I_ {r}}I_r - интенсивность комбинационного рассеяния света, когда анализатор повернут на 90 градусов относительно оси поляризации падающего света, и I u {\ displaystyle I_ {u} }I_ {u} интенсивность комбинационного рассеяния света, когда анализатор выровнен с поляризацией падающего лазера. Когда поляризованный свет взаимодействует с молекулой, он искажает молекулу, что вызывает равный и противоположный эффект в плоской волне, заставляя ее вращаться из-за разницы между ориентацией молекулы и углом поляризации световой волны. Если ρ ≥ 3 4 {\ displaystyle {\ frac {3} {4}}}{\ frac {3} {4}} , то колебания на этой частоте деполяризованы; это означает, что они не полностью симметричны.

Варианты

Разработано не менее 25 вариантов рамановской спектроскопии. Обычной целью является повышение чувствительности (например, комбинация комбинационного рассеяния света с усилением поверхности), улучшение пространственного разрешения (рамановская микроскопия) или получение очень конкретной информации (резонансное комбинационное рассеивание).

Спонтанная (или дальняя) рамановская спектроскопия

Корреляционная рамановская визуализация: сравнение топографических (AFM, вверху) и рамановских изображений GaSe. Масштабная линейка составляет 5 мкм.

Такие термины, как спонтанная рамановская спектроскопия или нормальная рамановская спектроскопия, обобщают методы рамановской спектроскопии, основанные на рамановском рассеянии с использованием нормальной оптики в дальней зоне, как описано выше. Существуют варианты нормальной рамановской спектроскопии в отношении геометрии обнаружения возбуждения, комбинации с другими методами, использования специальной (поляризационной) оптики и специального выбора длин волн возбуждения для усиления резонанса.

  • Корреляционная рамановская визуализация - Рамановская микроскопия может быть объединена с дополнительными методами визуализации, такими как атомно-силовая микроскопия (Раман-АСМ) и сканирующая электронная микроскопия (Раман-СЭМ) для сравнения карт распределения комбинационного рассеяния с топографическими или морфологическими изображениями (или их наложения на них) и для корреляции спектров комбинационного рассеяния с дополнительной физической или химической информацией (например, полученной с помощью SEM- EDX ).
  • резонансной рамановской спектроскопии - Длина волны возбуждения согласована с электронным переходом молекулы или кристалла, так что колебательные моды, связанные с возбужденным электронным состоянием, значительно усиливаются. Это полезно для изучения больших молекул, таких как полипептиды, которые могут показывать сотни полос в "обычных" спектрах комбинационного рассеяния. Это также полезно для связывания нормальных мод с наблюдаемыми ими частотными сдвигами.
  • Рамановская спектроскопия с угловым разрешением - записываются не только стандартные результаты комбинационного рассеяния, но и к падающему лазеру. Если ориентация образца известна, то подробную информацию о соотношении дисперсии фононов также можно получить с помощью одного теста.
  • Оптический пинцет Рамановская спектроскопия (OTRS) - используется для изучения отдельных частиц и даже биохимических процессов в одиночные клетки, захваченные оптическим пинцетом.
  • Рамановская спектроскопия с пространственным смещением (SORS) - Рамановское рассеяние под загораживающей поверхностью получается из масштабированного вычитания двух спектров, снятых в двух пространственно смещенных точках.
  • Рамановское рассеяние. оптическая активность (ROA) - измеряет колебательную оптическую активность с помощью небольшой разницы в интенсивности комбинационного рассеяния света от хиральных молекул в падающем свете с правой и левой круговой поляризацией или, что эквивалентно, небольшой компонентой с круговой поляризацией в рассеянном свет.
  • Рамановская диаграмма пропускания - Позволяет исследовать значительную часть мутного материала, такого как порошки, капсулы, живые ткани и т. д. ионы в конце 1960-х (Schrader and Bergmann, 1967), но были повторно открыты в 2006 году как средство быстрого анализа фармацевтических лекарственных форм. Существуют медицинские диагностические приложения, в частности, для обнаружения рака.
  • Субстраты с микрополостями - метод, который улучшает предел обнаружения обычных рамановских спектров с использованием микро-рамановских микрополостей, покрытых отражающим Au или Ag. Микрополость имеет радиус в несколько микрометров и усиливает полный сигнал комбинационного рассеяния, обеспечивая многократное возбуждение образца и направляет рассеянные вперед рамановские фотоны к собирающей оптике в рамановской геометрии, рассеянной назад.
  • Стенд -отключение удаленного Рамана. - В режиме Standoff Raman образец измеряется на расстоянии от рамановского спектрометра, обычно с помощью телескопа для сбора света. Дистанционная рамановская спектроскопия была предложена в 1960-х годах и первоначально была разработана для измерения содержание атмосферных газов. Этот метод был расширен в 1992 году Angel et al. для обнаружения комбинационного рассеяния опасных неорганических и органических соединений.
  • Рамановское рассеяние рентгеновских лучей - Измеряет электронные переходы, а не колебания.

Расширенная (или ближнепольная) рамановская спектроскопия

Улучшение Рамановское рассеяние достигается за счет усиления локального электрического поля за счет оптических эффектов ближнего поля (например, локализованных поверхностных плазмонов ).

  • Рамановская спектроскопия с усилением поверхности (SERS) - Обычно проводится в коллоиде серебра или золота или на подложке, содержащей серебро или золото. Поверхностные плазмоны серебра и золота возбуждаются лазером, что приводит к увеличению электрических полей, окружающих металл. Учитывая, что интенсивности комбинационного рассеяния пропорциональны электрическому полю, измеряемый сигнал сильно увеличивается (до 10). Этот эффект первоначально наблюдал Мартин Флейшман, но преобладающее объяснение было предложено Ван Дуйном в 1977 году. Исчерпывающая теория эффекта была дана Ломбарди и Бирке.
  • Резонансное комбинационное рассеивание поверхности с усилением. спектроскопия (SERRS) - комбинация SERS и резонансной рамановской спектроскопии, которая использует близость к поверхности для увеличения интенсивности комбинационного рассеяния и длину волны возбуждения, соответствующую максимальному поглощению анализируемой молекулы.
  • Рамановская спектроскопия с усилением наконечника ( TERS) - использует металлический наконечник (обычно АСМ или СТМ с серебряным / золотым покрытием) для усиления рамановских сигналов молекул, расположенных поблизости. Пространственное разрешение приблизительно равно размеру вершины иглы (20–30 нм). Было показано, что TERS обладает чувствительностью вплоть до уровня отдельной молекулы и открывает определенные перспективы для применения в биоанализе и секвенировании ДНК. TERS использовался для изображения нормальных колебаний одиночных молекул.
  • Поверхностный плазмон-поляритон усиленное комбинационное рассеяние света (SPPERS) - в этом подходе используются металлические конические наконечники без апертуры для возбуждения молекул в ближнем поле. Этот метод отличается от подхода TERS из-за присущей ему способности подавлять фоновое поле. Фактически, когда соответствующий лазерный источник падает на основание конуса, мода TM0 (поляритонная мода) может быть создана локально, а именно вдали от пятна возбуждения (вершина острия). Мода может распространяться вдоль острия без создания какого-либо поля излучения до вершины острия, где она взаимодействует с молекулой. Таким образом, фокальная плоскость отделена от плоскости возбуждения на расстояние, определяемое длиной острия, и никакой фон не играет никакой роли в рамановском возбуждении молекулы.

Нелинейная рамановская спектроскопия

Улучшение рамановского сигнала достигается за счет нелинейных оптических эффектов, обычно реализуемых путем смешения двух или более длин волн, излучаемых пространственно и временно синхронизированными импульсными лазерами.

.

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Рамановской спектроскопией.
Последняя правка сделана 2021-06-03 07:33:15
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте