Рамановские спектры предоставляют качественную и количественную информацию. Положение пиков указывает на природу химического соединения и его функциональных групп, интенсивность — на концентрацию, ширина линии служит показателем структурного беспорядка окружения. Важную информацию дает также смещение положения пика при изменении температуры или давления.
Наряду с инфракрасной спектроскопией, рамановская спектроскопия относится к группе методов, называемой колебательной спектроскопией. Эти методы дополняют друг друга, дают комплементарную информацию о структуре сложных молекул, содержащих функциональные группы разных типов.
Рамановский спектрометр, состыкованный с оптическим микроскопом (в том числе конфокальным), называется рамановским микроскопом (или микроспектрометром) и обладает рядом важных преимуществ. Возбуждающий лазер фокусируется в малой области вблизи фокуса объектива микроскопа размером порядка длины волны излучения, спектральный рамановский сигнал излучается из этой же области. Это обеспечивает локализацию измерений с возможностью привязки спектров к различным точкам поверхности образца.
Конфокальная рамановская микроспектроскопия (с достаточно малой апертурой) обеспечивает высокое пространственное р
азрешение (доли мкм) и возможность трехмерного картирования. Можно исследовать оптически прозрачный объемный образец послойно, причем каждый тонкий слой образца можно изучать отдельно, без необходимости изготовления поперечных срезов и разрушения образца.
Микроспектрометр RAMOS оснащается высокоточным моторизованным сканирующим столиком и/или моторизованными сканирующими зеркалами для выполнения двумерной (трехмерной) поточечной съемки спектров из заданной области (объема) образца. Такой режим работы называется рамановским картированием.
В рамановской спектроскопии можно использовать маломощные инициирующие лазеры без опасения нагрева образца, его разрушения и появления паразитных линий теплового (планковского) излучения. На качество спектров практически не влияет атмосфера, в том числе наличие паров воды, поэтому не требуется осушение или вакуумирование кюветного отделения. Можно проводить количественный анализ спектров водных растворов, в том числе органических соединений, без опасений, что спектральные линии будут неконтролируемо поглощаться водной средой.
Области применения
Рамановские конфокальные микроспектрометры широко используются в самых разных областях науки и техники. В фармацевтике можно получать химическое изображение поверхности таблеток и лекарственных препаратов, т.е. визуализировать распределение компонентов, в том числе можно проводить профилирование по глубине и оптическое секционирование.
Возможно делать экспресс-анализ качества и подлинности сырья, в том числе через прозрачную упаковку без вскрытия, т.к. полиэтилен и другие прозрачные полимеры, а также стекла обладают очень малым сечением рамановского рассеяния. В химической лаборатории можно наблюдать за синтезом полимеров и конверсией мономеров в реальном времени по спектральному сигналу (при этом для работы непосредственно в толще реакционной смеси спектрометры оснащаются специальными выносными оптоволоконными зондами).
В полупроводниковой промышленности можно проводить картирование напряжений и растяжений слоев кремния, изучать распределение примесей и загрязнений. Используя инвертированный оптический микроскоп, можно делать трехмерное спектральное сканирование, например, клеток, в том числе в живой среде, изучать липиды, протеины, аминокислоты.
Благодаря субмикронному разрешению современных конфокальных микроскопов, рамановское картирование находит широкое применение в нанотехнологиях, с его помощью можно анализировать спектры нанотрубок, листов графена и других наноматериалов.
В криминалистике можно провести быстрый неразрушающий анализ химического состава пробы, проверить подлинность письменного документа. Наконец, рамановские спектрометры находят себя в таких необычных сферах, как археология и искусствоведение. Они используются для определения подлинности экспонатов и выявления происхождения артефактов, идентификации художественных пигментов и драгоценных камней.
Комплектация
Конструктивно спектрометр RAMOS выполнен в виде моноблока и имеет модульную структуру. Широкий выбор лазеров и оптических микроскопов, использование автоматических переключаемых элементов для операций с несколькими лазерами, автоматизированная подстройка оптических и механических частей для достижения максимальной эффективности работы — все это делает систему гибкой и позволяет решать огромное количество экспериментальных исследовательских задач.
Возможно измерение стоксовых сдвигов от 100 см-1 (опционально от 50 см-1). Предел погрешности измерений монохроматора по длине волны составляет 1 Å (на длине волны 532 нм, решетка 600 штр./мм).
Управление прибором осуществляется через персональный компьютер с предустановленным программным обеспечением RAMOS.
Оптическая схема спектрометра позволяет использовать различные коммерчески доступные лазерные источники (с прямым либо оптоволоконным вводом) и детекторы (матричные или одноканальные).
Микроскоп | |
Тип микроскопа | Прямой или инвертированный |
Объективы | 4x, 10x, 20x, 40x, 60x, 100x |
Турель для объективов | 6-позиционная |
Стейдж | Моторизованный или ручной |
- диапазон работы | 100 x 70 мм |
- дискретность / повторяемость | 0,5 мкм / 5 мкм |
- максимальный вес образца | 4 кг |
Фокусировка (Z-позиционер) | Моторизованный или ручной |
- диапазон фокусировки | 30 мм |
Модуль лазерного сканирования (опция) | Сканирование X,Y гальванозеркалами |
Опто-механическое устройство | |
Спектральный диапазон | 400 - 1100 нм |
Количество оптических входов | 6 (5 встроенных лазеров + 1 внешний) |
Турель для Edge/Notch фильтров | 8-позиционная (8 пар) моторизованная |
Две турели фильтров нейтральной плотности | 8-позиционные моторизованные |
Расширитель пучка | 1x – 10x непрерывный моторизованный |
Встроенная калибровочная лампа | Двухэлементная с полым катодом |
Поляризатор (опция) / анализатор | Призмы Глана-Тейлора |
Турель полуволновых пластинок | 6-позиционная моторизованная |
Модуль конфокальной лазерной микроскопии (опция) | |
Детектор рэлеевского рассеяния | PMT |
Конфокальный пинхол | 100 мкм |
Монохроматор-спектограф | |
Оптическая конфигурация | Черни-Тернера |
Спектральный диапазон | 400 - 1100 нм |
Спектральное разрешение | менее 0,5 см⁻¹ |
Фокусное расстояние | 620 мм |
Количество портов | 1 входной, 1 или 3 выходных |
Турель с дифракционными решетами | 3-х или 4-х позиционная |
Дифракционные решетки на выбор | 150, 300, 600, 1200, 1800, 2400 штр./мм |
Конфокальный пинхол | От 0 до 2000 мкм, непрерывно изменяемый |
Шаг конфокального пинхола | 1 мкм |
Детекторы рамановской конфокальной микроскопии для монохроматора-спектографа | |
Тип сенсора | ПЗС, ЛФД (опция), SPC (опция) |
Параметры | ПЗС сенсора Охлаждаемый матричный |
Охлаждение | ПЗС сенсора Воздушное, 3-каскадный Пельтье, не выше минус 50 °С |
Лазерные источники | |
Диапазон длин волн | От 405 до 785 нм |
Тип пучка | Гауссовский, поперечная мода (TEM00), одна основная продольная мода (SLM) |
Мощность | До 100 мВт |