Рамановская спектроскопия - Raman spectroscopy

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

Спектроскопия комбинационного рассеяния ( / г ɑː м ən / ); (названный в честь индийского физика С.В. Рамана ) - это спектроскопический метод, обычно используемый для определения колебательных мод молекул, хотя также могут наблюдаться вращательные и другие низкочастотные моды систем. 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 . Используется источник монохроматического света, обычно от лазера в видимом , ближнем инфракрасном или ближнем ультрафиолетовом диапазоне, хотя также можно использовать рентгеновские лучи . 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, но 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 , либо краевым фильтром, либо полосовым фильтром, в то время как остальная часть собранного света рассеивается на детекторе.

Спонтанное комбинационное рассеяние света 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 с дисперсионным комбинационным рассеиванием, что приводило к длительному времени сбора данных. Однако в современных приборах почти повсеместно используются режекторные или краевые фильтры для подавления лазерного излучения. Дисперсионные одноступенчатые спектрографы (аксиально-пропускающие (AT) или монохроматоры Черни-Тернера (CT) ) в паре с детекторами CCD являются наиболее распространенными, хотя спектрометры с преобразованием Фурье (FT) также распространены для использования с лазерами NIR.

Название «Рамановская спектроскопия» обычно относится к колебательному комбинационному излучению с использованием длин волн лазера, которые не поглощаются образцом. Есть много других вариаций спектроскопии комбинационного рассеяния , включая поверхности с повышенной Рамана , резонансного комбинационного , наконечник усиленного комбинационного , поляризованного Раман, ВКР , передачи комбинационного рассеяния, пространственно-смещения комбинационного и гипер комбинационного .

Теория

Величина эффекта комбинационного рассеяния коррелирует с поляризуемостью электронов в молекуле. Это форма неупругого рассеяния света , когда фотон возбуждает образец. Это возбуждение переводит молекулу в состояние виртуальной энергии на короткое время перед испусканием фотона. Неупругое рассеяние означает, что энергия испускаемого фотона либо ниже, либо выше, чем энергия падающего фотона. После события рассеяния образец находится в другом вращательном или колебательном состоянии .

Чтобы полная энергия системы оставалась постоянной после того, как молекула переходит 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 смещен на более высокую частоту, что называется антистоксовым сдвигом или повышением частоты.

Для того чтобы молекула проявляла эффект комбинационного рассеяния, необходимо изменить ее электрическую диполь-электрическую дипольную поляризуемость 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, реального перехода между уровнями энергии быть не может. Эффект комбинационного рассеяния не следует путать с излучением ( флуоресценцией или фосфоресценцией ), когда молекула в возбужденном электронном состоянии излучает фотон и возвращается в основное электронное состояние, во многих случаях в колебательно-возбужденное состояние на поверхности потенциальной энергии основного электронного состояния. . Рамановское рассеяние также контрастирует с поглощением в инфракрасном (ИК) диапазоне, где энергия поглощенного фотона соответствует разнице в энергии между начальным и конечным ровибронными состояниями. Зависимость комбинационного 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 помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, что демонстрируется правилом взаимного исключения в центросимметричных молекулах . Переходы с большой интенсивностью комбинационного рассеяния часто имеют слабую ИК-интенсивность, и наоборот. Если связь сильно поляризована, небольшое изменение ее длины, такое как то, которое происходит во время вибрации, имеет лишь небольшое результирующее влияние на поляризацию. Таким образом, колебания с участием полярных связей (например, CO, NO, OH) 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, CC, CH, 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 являются слабыми 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 одинаковую 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 году, на практике оно не наблюдалось до 1928 года. Рамановский эффект был назван в честь одного из его первооткрывателей, индийского ученого К.В. Рамана , который вместе наблюдал этот эффект в органических жидкостях в 1928 году. с К.С. Кришнаном и независимо Григорием Ландсбергом и Леонидом Мандельштамом 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 рамановского эффекта была разработана чехословацким физиком Джорджем Плачеком между 1930 и 1934 годами. Ртутная дуга стала основным источником света, сначала с фотографическим обнаружением, а затем с помощью спектрофотометрического обнаружения.

Спустя годы после его открытия, спектроскопия комбинационного рассеяния была использована для получения первого каталога частот молекулярных колебаний. Обычно образец помещался в длинную трубку и освещался по всей длине пучком отфильтрованного 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

Рамановские сдвиги обычно выражаются в волновых числах , которые имеют обратную длину, поскольку это значение напрямую связано с энергией. Для преобразования между спектральной длиной волны и волновыми числами сдвига в спектре комбинационного рассеяния можно использовать следующую формулу:

${\ displaystyle \ Delta {\ tilde {\ nu}} = \ left ({\ frac {1} {\ lambda _ {0}}} - {\ frac {1} {\ lambda _ {1}}} \ right ) \,}$

где Δν̃ - это рамановский сдвиг, выраженный в волновом числе, λ ₀ - длина волны возбуждения, а λ ₁ - длина волны рамановского спектра. Чаще всего единицей измерения, выбранной для выражения волнового числа в спектрах комбинационного рассеяния, является обратный сантиметр (см ^-1 ). Поскольку длина волны часто выражается в нанометрах (нм), приведенная выше формула может масштабироваться для этого преобразования единиц в явном виде, давая

${\ displaystyle \ Delta {\ tilde {\ nu}} ({\ text {cm}} ^ {- 1}) = \ left ({\ frac {1} {\ lambda _ {0} ({\ text {nm} }})}} - {\ frac {1} {\ lambda _ {1} ({\ text {nm}})}} \ right) \ times {\ frac {(10 ^ {7} {\ text {nm }})} {({\ text {cm}})}}.}$

Приборы

Ранний рамановский спектр бензола, опубликованный Раманом и Кришнаном.

Схема одной из возможных установок для дисперсионной рамановской спектроскопии.

В современной рамановской спектроскопии почти всегда используются лазеры в качестве источников возбуждающего света. Поскольку лазеры не были доступны до более чем трех десятилетий после открытия эффекта, Раман и Кришнан использовали ртутную лампу и фотографические пластинки для записи спектров. Для получения ранних спектров потребовались 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 намного более чувствительной, 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-матриц. Появление надежных, стабильных и недорогих лазеров с узкой полосой пропускания также оказало влияние.

Лазеры

Рамановская спектроскопия требует такого источника света, как лазер. Разрешение спектра зависит от ширины полосы используемого лазерного источника. Обычно более коротковолновые лазеры дают более сильное комбинационное рассеяние из-за увеличения ν ⁴ поперечных сечений комбинационного рассеяния, но могут возникнуть проблемы с деградацией образца или флуоресценцией.

Непрерывные лазеры наиболее распространены для нормальной рамановской спектроскопии, но также могут использоваться 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 разрешение и резонансное комбинационное рассеивание.

Детекторы

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

Детекторы для дисперсионного комбинационного рассеяния света

В большинстве случаев современные рамановские спектрометры используют матричные детекторы, такие как ПЗС-матрицы. 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 фотоэлектронными умножителями. В этом случае монохроматор необходимо перемещать, чтобы сканировать спектральный диапазон.

Детекторы для Фурье-Рамана

FT – Raman почти всегда используется с лазерами ближнего инфракрасного диапазона, и в зависимости от длины волны возбуждения необходимо использовать соответствующие детекторы. Обычно используются детекторы из германия или индия-галлия (InGaAs).

Фильтры

Обычно необходимо отделить рамановский рассеянный свет от рэлеевского сигнала и отраженного лазерного сигнала, чтобы получить высококачественные рамановские спектры с использованием режекторного фильтра. Для этой цели обычно используются режекторные или длиннопроходные оптические фильтры. До появления голографических фильтров было распространено использование монохроматора 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 объемной голограммы , которые позволяют наблюдать сдвиги до 5 см ^-1 .

Приложения

Рамановская спектроскопия используется в химии для идентификации молекул и изучения химических связей и внутримолекулярных связей. Поскольку частоты колебаний специфичны для химических связей и симметрии молекулы (область отпечатка пальца органических молекул находится в диапазоне волновых чисел 500–1500 см ^-1 ), Раман обеспечивает «отпечаток пальца» для идентификации молекул. Например, спектры комбинационного рассеяния и ИК-спектры использовались для определения частот колебаний SiO, Si ₂ O ₂ и Si ₃ O ₃ на основе анализа нормальных координат. Раман также используется для изучения добавления субстрата к ферменту.

В физике твердого тела спектроскопия комбинационного рассеяния используется для характеристики материалов, измерения температуры и определения кристаллографической ориентации образца. Как и одиночные молекулы, твердый материал можно идентифицировать по характерным фононным модам. Информацию о заселенности фононной моды дает отношение стоксовой и антистоксовой интенсивностей спонтанного рамановского сигнала. Рамановская спектроскопия также может использоваться для наблюдения других низкочастотных возбуждений твердого тела, таких как плазмоны , магноны и сверхпроводящие щелевые возбуждения. Распределенное измерение температуры (DTS) использует рамановское обратное рассеяние от лазерных импульсов для определения температуры вдоль оптических волокон. Ориентация анизотропного кристалла может быть найдена из поляризации от комбинационного рассеяния света относительно кристалла и поляризации лазерного света, если кристаллическая структура «сек 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 колебательные моды, 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, лекарство Cayston ( азтреонам ), продаваемое Gilead Sciences для лечения муковисцидоза , может быть идентифицировано и охарактеризовано с помощью ИК- и Рамановской спектроскопии. Использование правильной полиморфной формы в биофармацевтических составах имеет решающее значение, поскольку разные формы имеют разные физические свойства, такие 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 исследованиям низкочастотного коллективного движения в белках и ДНК и их биологических функций. Рамановские репортерные молекулы с олефиновыми или алкиновыми фрагментами разрабатываются для визуализации тканей с помощью антител, меченных SERS . Рамановская спектроскопия также использовалась как неинвазивный метод для биохимической характеристики ран в реальном времени in situ. Многофакторный анализ спектров комбинационного рассеяния позволил разработать количественную меру прогресса заживления ран. Рамановская спектроскопия с пространственным смещением (SORS), которая менее чувствительна к поверхностным слоям, чем обычная рамановская спектроскопия, может использоваться для обнаружения поддельных лекарств, не открывая их упаковку, 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, включая мониторинг в реальном времени смесей анестетиков и респираторных газов 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 ее можно было использовать 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 биопсию, что не всегда безопасно.

Искусство и культурное наследие

Рамановская спектроскопия - это эффективный и неразрушающий способ исследования произведений искусства и артефактов культурного наследия , отчасти потому, что это неинвазивный процесс, который можно применять на месте . Его можно использовать для анализа продуктов коррозии на поверхности артефактов (статуй, керамики 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 способен идентифицировать отдельные пигменты в картинах и продукты их разложения, что 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 ухудшились с возрастом. Помимо идентификации пигментов, обширная рамановская микроскопия, как было показано, обеспечивает доступ к множеству следов соединений в раннесредневековом египетском синем цвете , что позволяет реконструировать индивидуальную «биографию» красителя, включая информацию о типе и происхождении красителя. сырье, синтез и нанесение пигмента, а также старение красочного слоя.

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

Спектральная база данных IRUG (Группа пользователей инфракрасного и рамановского излучения) представляет собой тщательно отрецензированную онлайн-базу данных эталонных спектров ИК и комбинационного рассеяния для материалов культурного наследия, таких как произведения искусства, архитектуры и археологические артефакты. База данных открыта для ознакомления широкой публике и включает интерактивные спектры для более чем сотни различных типов пигментов и красок.

Микроспектроскопия

Гиперспектральное рамановское изображение может предоставить карты распределения химических соединений и свойств материала: Пример негидратированного остатка клинкера в цементном растворе XIX века (номенклатура химика-цемента: C ≙ CaO, A ≙ Al ₂ O ₃ , S ≙ SiO ₂ , F ≙ Fe ₂ O ₃ ).

Рамановская спектроскопия дает несколько преимуществ для микроскопического анализа. Поскольку это метод светорассеяния, образцы не нужно фиксировать или разрезать. Рамановские спектры могут быть получены в очень небольшом объеме (<1 мкм в диаметре, <10 мкм в глубину); эти спектры позволяют идентифицировать виды, присутствующие в этом объеме. Вода обычно не мешает спектральному анализу комбинационного рассеяния света. Таким образом, рамановская спектроскопия подходит для микроскопического исследования минералов , таких материалов, как полимеры и керамика, клеток , белков и следов судебно-медицинской экспертизы. Комбинационного микроскопа начинается со стандартным оптическим микроскопом, и добавляет лазер возбуждения, в монохроматор или полихроматор , и чувствительный детектор (например, прибор с зарядовой связью (CCD) или фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)). FT-Raman также использовался с микроскопами, обычно в сочетании с возбуждением лазером в ближней инфракрасной области (NIR). Когда для рамановской микроскопии используется источник УФ-лазера, необходимо использовать ультрафиолетовые микроскопы и оптику с усиленным УФ-излучением.

При прямой визуализации (также называемой глобальной визуализацией или широкопольным освещением ) все поле зрения исследуется на предмет рассеяния света, интегрированного по небольшому диапазону волновых чисел (рамановские сдвиги). 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 изучения динамики. Он уже использовался для характеристики 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 распространенный подход - это гиперспектральная визуализация или химическая визуализация , при которой тысячи спектров комбинационного рассеяния получают со всего поля зрения, например, с помощью растрового сканирования 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 нельзя различить, обнаружив только одно волновое число. Кроме того, свойства материала, такие как напряжение и деформация , ориентация кристаллов , кристалличность и включение посторонних ионов в кристаллические решетки (например, легирование , серия твердых растворов ), могут быть определены с помощью гиперспектральных карт. 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 дифракции , его пространственное разрешение зависит от длины волны света, числовой апертуры фокусирующего элемента и - в случае конфокальной микроскопии - от диаметра 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 ограничено глубиной оптического проникновения в образец) может варьироваться от 1–6 мкм с наименьшей конфокальной апертурой крошечного отверстия до десятков микрометров при работе без конфокального точечного отверстия. 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 оснащены 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 цели исследования. Например, рамановская микроскопия биологических и медицинских образцов часто выполняется с использованием возбуждения от красного до ближнего инфракрасного (например, при длине волны 785 нм или 1064 нм). Из-за типично низкой оптической плотности биологических образцов в этом спектральном диапазоне снижается риск повреждения образца, а также эмиссия автофлуоресценции , и может быть достигнута большая глубина проникновения в ткани. Однако интенсивность комбинационного рассеяния света на длинных волнах мала (из-за зависимости интенсивности комбинационного рассеяния от ω ⁴ ), что приводит к длительному времени сбора данных. С другой стороны, резонансная рамановская визуализация одноклеточных водорослей на длине волны 532 нм (зеленый цвет) может специально исследовать распределение каротиноидов в клетке с использованием низкой мощности лазера ~ 5 мкВт и времени сбора данных всего 100 мс.

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

Поляризационная зависимость комбинационного рассеяния света

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 в спектрах комбинационного рассеяния могут выявить информацию об ориентации молекул в монокристаллах и анизотропных материалах, например, деформированных пластиковых листах, а также о симметрии колебательных мод.

В поляризационно-зависимой рамановской спектроскопии используется (плоско) поляризованное лазерное возбуждение от поляризатора . Собранный рамановский рассеянный свет проходит через второй поляризатор (называемый анализатором) перед попаданием в детектор. Анализатор ориентирован либо параллельно, либо перпендикулярно поляризации лазера. Спектры, полученные с анализатором, установленным как перпендикулярно, так и параллельно плоскости возбуждения, можно использовать для расчета коэффициента деполяризации . Обычно между анализатором и детектором также помещается поляризационный скремблер . В поляризованной рамановской спектроскопии 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, либо 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, тогда поляризация будет потеряна (скремблирована) частично или полностью, что называется деполяризацией. Следовательно, поляризованная спектроскопия комбинационного рассеяния 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 ортогональна 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 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 той же поляризацией, что и падающий лазер: вот интенсивность комбинационного рассеяния света, когда анализатор поворачивается на 90 градусов относительно оси поляризации падающего света и интенсивности 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 ≥ , то колебания на этой частоте деполяризованы ; это означает, что они не полностью симметричны. ${\ displaystyle \ rho = {\ frac {I_ {r}} {I_ {u}}}}$${\ displaystyle I_ {r}}$${\ displaystyle I_ {u}}$${\ displaystyle {\ frac {3} {4}}}$

Варианты

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

Спонтанная (или дальняя) рамановская спектроскопия

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

Такие термины, как спонтанная рамановская спектроскопия или нормальная рамановская спектроскопия, обобщают методы рамановской спектроскопии, основанные на комбинационном рассеянии света 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 - рамановскую микроскопию можно комбинировать с дополнительными методами визуализации, такими как атомно-силовая микроскопия (Раман-АСМ) и сканирующая электронная микроскопия (Раман-СЭМ), чтобы сравнить карты распределения комбинационного рассеяния с топографическими или морфологическими изображениями (или наложить их на). и коррелировать спектры комбинационного рассеяния с дополнительной физической или химической информацией (например, полученной с помощью SEM- EDX ).
• Резонансная рамановская спектроскопия - 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 угол относительно падающего лазера. Если ориентация образца известна, то подробную информацию о соотношении дисперсии фононов можно также получить из одного теста.
• Оптический пинцет Рамановская спектроскопия (OTRS) - используется для изучения отдельных частиц и даже биохимических процессов в отдельных клетках, захваченных оптическим пинцетом .
• Рамановская спектроскопия с пространственным смещением (SORS) - Рамановское рассеяние под загораживающей поверхностью извлекается из масштабированного вычитания двух спектров, снятых в двух точках с пространственным смещением.
• Рамановская оптическая активность (ROA) - измеряет колебательную оптическую активность с помощью небольшой разницы в интенсивности комбинационного рассеяния от хиральных молекул в падающем свете с правой и левой круговой поляризацией или, что то же самое, небольшой составляющей с круговой поляризацией в рассеянном свете.
• Рамановская диаграмма пропускания - позволяет исследовать значительную часть мутного материала, такого как порошки, капсулы, живые ткани и т. Д. Это в значительной степени игнорировалось после исследований в конце 1960-х годов ( Schrader and Bergmann, 1967), но было повторно открыто в 2006 году как средство экспресс-анализа фармацевтических лекарственных форм . Существуют медицинские диагностические приложения, в частности, для обнаружения рака.
• Подложки с микрополостями - метод, который улучшает предел обнаружения обычных рамановских спектров с использованием микро-комбинационного рассеяния света в микрополостях, покрытых отражающим Au или Ag. Микрополость имеет радиус в несколько микрометров и усиливает полный сигнал комбинационного рассеяния, обеспечивая многократное возбуждение образца и направляя рассеянные вперед рамановские фотоны к собирающей оптике в рамановской геометрии, рассеянной назад.
• Отключение удаленного Рамана . - В режиме рамановского рассеяния образец измеряется на расстоянии от рамановского спектрометра, обычно с использованием телескопа для сбора света. Дистанционная рамановская спектроскопия была предложена в 1960-х годах и первоначально была разработана для измерения атмосферных газов. Этот метод был расширен в 1992 году Angel et al. для противостояния рамановскому обнаружению опасных неорганических и органических соединений.
• Рамановское рассеяние рентгеновских лучей - измеряет электронные переходы, а не колебания.

Расширенная (или ближнепольная) рамановская спектроскопия

Усиление комбинационного рассеяния света достигается за счет усиления локального электрического поля за счет оптических эффектов ближнего поля (например, локализованных поверхностных плазмонов ).

• Рамановская спектроскопия с усилением поверхности (SERS) - обычно выполняется 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 ¹¹ ). Этот эффект первоначально наблюдал Мартин Флейшманн, но преобладающее объяснение было предложено Ван Дайном в 1977 году. Исчерпывающая теория эффекта была дана Ломбарди и Бирке.
• Поверхностно-усиленная резонансная рамановская спектроскопия (SERRS) - комбинация SERS и резонансной рамановской спектроскопии, в которой используется близость к поверхности для увеличения интенсивности комбинационного рассеяния, а длина волны возбуждения соответствует максимальному поглощению анализируемой молекулы.
• Рамановская спектроскопия с усилением наконечника (TERS) - использует металлический наконечник (обычно АСМ или СТМ с серебряным / золотым покрытием) для усиления сигналов комбинационного рассеяния молекул, расположенных поблизости. Пространственное разрешение приблизительно равно размеру вершины иглы (20–30 нм). Было показано, что TERS обладает чувствительностью вплоть до уровня одной молекулы и открывает определенные перспективы дляприложений биоанализа и секвенирования ДНК. TERS использовался для изображения нормальных колебаний одиночных молекул.
• Рамановское рассеяние, усиленное поверхностными плазмонными поляритонами (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 расстоянием, определяемым 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 смешивания двух или более длин волн, излучаемых пространственно и временно синхронизированными импульсными лазерами.

• Гипер Раман - нелинейный эффект, при котором колебательные моды взаимодействуют со второй гармоникой возбуждающего луча. Это требует очень большой мощности, но позволяет наблюдать колебательные режимы, которые обычно "бесшумны". Он часто полагается на усиление типа SERS для повышения чувствительности.
• Спектроскопия стимулированного комбинационного рассеяния света (SRS) -метод накачки и зонда , при котором пространственно совпадающий двухцветный импульс (с поляризацией, параллельной или перпендикулярной) переводит население из основного состояния в колебательно- возбужденное состояние. Если разница в энергии соответствует разрешенному рамановскому переходу, рассеянный свет будет соответствовать потерям или усилению в пучке накачки.
• Обратная рамановская спектроскопия - синоним спектроскопии вынужденных рамановских потерь.
• Когерентная антистоксова рамановская спектроскопия (CARS) - два лазерных луча используются для генерации когерентного антистоксова частотного луча, который может быть усилен за счет резонанса.

Морфологически направленная рамановская спектроскопия

Морфологически направленная рамановская спектроскопия (MDRS) объединяет автоматизированную визуализацию частиц и рамановскую микроскопию в единую интегрированную платформу, чтобы обеспечить размер, форму и химическую идентификацию частиц. Автоматическая визуализация частиц определяет распределение компонентов по размеру и форме в смешанном образце на основе изображений отдельных частиц. Информация, полученная в результате автоматизированной визуализации частиц, затем используется для проведения рамановского спектроскопического анализа. Рамановский спектроскопический аналитический процесс выполняется на случайно выбранном подмножестве частиц, что позволяет химически идентифицировать несколько компонентов образца. С помощью метода MDRS можно получить изображение десятков тысяч частиц за считанные минуты, что делает этот процесс идеальным для судебно-медицинской экспертизы и расследования поддельных фармацевтических препаратов и последующих судебных разбирательств.

использованная литература

дальнейшее чтение

• Ванденабеле, Питер (2013). Практическая рамановская спектроскопия: Введение . Вайли. ISBN 978-0470683194.

внешние ссылки

• Пакет преподавания и обучения DoITPoMS - Рамановская спектроскопия - введение в рамановскую спектроскопию, предназначенное для студентов бакалавриата.
• Рамановская спектроскопия в анализе картин , ColourLex
• База данных группы пользователей инфракрасного и рамановского диапазонов , IRUG