eng
Выпуск #3/2012
К.Понкратов
Конфокальный рамановский микроспектрометр Renishaw inVia – многофункциональный аналитический инструмент исследования
Конфокальный рамановский микроспектрометр Renishaw inVia – многофункциональный аналитический инструмент исследования
Просмотры: 3189
Конфокальный рамановский микроспектрометр inVia производства компании Renishaw (Великобритания) – это аналитический инструмент исследовательского класса, при разработке которого использованы уникальные технические решения, впоследствии запатентованные.
Недостатки и достоинства конфокальной рамановской микроспектрометрии, по сравнению с инфракрасной микроскопией, хорошо известны. К достоинствам метода можно отнести минимальную пробоподготовку либо ее полное отсутствие (нет необходимости получения оптически прозрачных пленок), относительно высокое поверхностное разрешение (минимальная площадка для получения спектра – около 1 мкм), простота работы в низкочастотной области спектра без вакуумирования или продувки осушенными газами, возможность неразрушающего анализа включений в толще материала, высокая скорость получения спектрохимических изображений объектов (как 2D, так и 3D), нетребовательность к материалу кювет и растворителям. Основной недостаток метода связан с негативным влиянием флуоресценции образца. Этот недостаток сведен к минимуму в современном микроспектрометре inVia компании Renishaw (Великобритания) (рис.1). Прибор оснащен 250-мм стигматическим короткофокусным монохроматором, благодаря чему достигается высокая светосила и стабильность получаемых результатов (положения рамановской линии и ее ширины) при проведении длительных экспериментов. При этом максимальное спектральное разрешение микроспектрометра составляет 0,5 см-1 по полуширине рамановской полосы (измеряли по ширине разрешенных полос четыреххлористого углерода при низкой температуре в диапазоне 450–470 см-1). Это достигается путем использования высокоэффективной короткофокусной линзовой оптики, а также оптимальным соотношением ширины щели спектрографа и размера попадающего на нее изображения площадки объекта. С этой же целью в оптической схеме спектрографа количество зеркал сведено к минимуму (всего одно), что исключает астигматизм, а вместо них используются моторизованные линзы, которые автоматически регулируются в зависимости от конфигурации спектрометра.
Будучи мировым лидером в промышленной метрологии, компания Renishaw активно использует в конструкции прибора устройства прецизионного позиционирования оптических элементов, такие как линейные и угловые энкодеры, а также магнитные крепления с высокой повторяемостью, позволяющие проводить замену оптических элементов без юстировки, и др. Например, одновременно в спектрометр помещается четыре фильтра рэлеевского рассеяния, но, поскольку они легко заменяются, количество лазеров может быть значительно большим. То же самое касается линз, зеркал, решеток, поляризаторов и других элементов. Выбор рэлеевских фильтров также весьма широк. Можно установить обычные краевые фильтры для работы от 100 до 30 см-1, можно использовать нотч-фильтры, работающие от 5 см-1, и получать спектры в антистоксовой области спектра. Также возможно установить плавно перестраиваемый двойной монохроматор (фильтр NExT) для работы с разными длинами волн возбуждения и получать спектры от 10 см-1.
Число лазеров возбуждения, одновременно устанавливаемых на прибор, зависит лишь от размера оптического стола и совместимости спектральных диапазонов. Выбор лазеров очень велик и перекрывает практически весь спектральный диапазон – от инфракрасной (1064 нм) до ультрафиолетовой (229 нм) области, что позволяет исследователю выбрать для своего объекта участок, свободный от флуоресценции. Переключение между длинами волн возбуждения производится как автоматически из программного обеспечения, так и вручную, в течение нескольких минут. Прибор имеет три параллельных канала ввода лазеров, каждый из которых можно, например, оптимизировать под соответствующую спектральную область. Следует отметить, что для ввода лазеров не используются оптоволоконные соединения, что повышает светосилу системы. В случае, если объект исследования меняет свои свойства или разрушается под действием излучения лазера высокой интенсивности, в прибор встроены автоматизированные нейтральные ослабители, дающие 16 уровней ослабления лазера. Одновременно на прибор можно установить от одного до четырех детекторов, чтобы перекрыть широкий спектральный диапазон при получении спектров комбинационного рассеяния и фотолюминесценции. Перечень возможных детекторов включает в себя CCD-матрицы разного размера, охлаждаемые как с помощью элементов Пельтье, так и жидким азотом; InGaAs-линейки и точечные детекторы, ФЭУ и т.д. Такое многообразие компонентов позволяет выбрать самую оптимальную конфигурацию.
Как уже говорилось ранее, наличие конфокального режима позволяет анализировать включения в толще прозрачного для лазера материала без их извлечения. Обычно для этого в подобных приборах в оптическую схему помещается диафрагма малого диаметра, которая отсекает все рассеянное излучение, выходящее не из фокуса спектрометра. Такой элемент осложняет работу с прибором, поскольку нуждается в периодической юстировке. В спектрометре Renishaw inVia этот вопрос решен весьма оригинально – для отсечки рассеянного света используется виртуальная диафрагма, образуемая пересечением щели спектрографа и колонкой пикселов на CCD-детекторе. Таким образом, программно регулируя высоту изображения на детекторе, мы фактически производим юстировку виртуальной апертуры в зависимости от увеличения объектива, ширины щели и других факторов. Технология была названа EasyConfocal и получила патенты – европейский ЕР № 0542962 и США № 5510894.
Известно, что решеточные приборы одновременно могут производить запись спектра в узком спектральном диапазоне, определяемом порядком решетки, углом блеска и шириной CCD-матрицы детектора. Получение спектра в полном диапазоне обычно выполняется сшиванием последовательно полученных фрагментов. Однако из-за оптических аберраций, неравномерности поверхности детектора или изменяющегося люминесцентного фона сшивка может происходить некорректно (рис. 2, кривая 1). Стрелками на рис.2 указаны дефекты, возникающие при сшивке. Компания Renishaw разработала метод Synchroscan (рис.3), при котором дифракционная решетка движется маленькими шагами, перемещая спектр вдоль детектора, при этом накопленный сигнал на одном пикселе детектора перемещается на следующий пиксел, постепенно проходя через весь детектор к регистру считывания и увеличивая отношение сигнал/шум. Заслонка детектора открывается в начале сканирования и закрывается только после его окончания. На выходе получается усредненный непрерывный спектр в полном диапазоне, возможном для данной конфигурации (рис.2, кривая 2). Метод Synchroscan защищен Европейским патентом EP №0638788 и патентом США №5689333.
Для получения спектрохимических изображений больших площадей используется картирование поверхности объекта. Для этого спектры последовательно записываются в разных точках объекта с заданным шагом, а затем по этим данным реконструируется изображение. Такое картирование требует много времени, и некоторые образцы могут деградировать, в том числе от воздействия лазерного пучка высокой плотности. Компания Renishaw снова предложила свое решение проблемы. Суть его в том, что лазер дефокусируется в линию шириной 1 мкм, после чего эта линия перемещается по образцу, при этом спектры записываaются одновременно из каждой точки линии. Заслонка детектора открывается до начала сканирования и закрывается после охвата всей заданной площадки. Фактически, здесь используется та же технология, что и Synchroscan, но в многоканальном исполнении. Такой подход увеличивает скорость сканирования до 4 раз по сравнению с традиционными системами. Размер получаемых изображений достигает десятков квадратных сантиметров, при этом латеральное разрешение составляет 1 мкм, как и при обычном сканировании. Кроме того, дефокусированный лазерный пучок позволяет исследовать практически любые термолабильные объекты, поскольку плотность излучения значительно снижается. Этот метод получил наименование StreamLine. Пример получаемого изображения приведен на рис.4. Это спектрохимическое изображение целой нематоды, построенное по трем рамановским полосам: зеленые участки – 1003 см-1 – кольцевая дыхательная мода фенилаланина, желтые – от 1247 до 1282 см-1 – полоса Амид III белка, красные – 1640–1677 см-1 – полоса Амид I белка и =С-Н группы ненасыщенных жирных кислот. Фенилаланин является самым распространенным компонентом биообъектов. Зеленые участки соответствуют полостям в теле нематоды. Красные участки представляют фрагменты, богатые белком и липидами, желтые соответствуют высокой концентрации белка.
В последнее время наиболее востребованы комбинации метода рамановской спектроскопии с другими аналитическими методами, такими как атомно-силовая микроскопия (включая TERS – локально усиленную рамановскую спектроскопию, при которой сигнал считывается с площадки, соизмеримой с диаметром острия зонда атомно-силового микроскопа, благодаря чему поверхностное разрешение увеличивается в разы, открывая возможность исследования более мелких наноструктур), электронная микроскопия (возможность изучения в том числе катодолюминесценции), инфракрасная микроскопия. И здесь спектрометры inVia уверенно занимают лидирующие позиции в мире, благодаря гибкости конфигурации и высокой светосиле.
Сегодня спектрометры Renishaw inVia, а также их предшественники RM 1000, применяются для решения множества задач в самых разных отраслях науки и техники. Это микроэлектроника (напряжения в кремнии, эпитаксиальные слои и другие задачи), фотоника, геология и геммология, исследования биологических объектов, криминалистика, искусствоведение, материаловедение, катализ, наноуглеродные материалы, фармакология и многие другие, где нужен надежный и универсальный прибор, решающий сложные задачи за минимально возможное время.
Будучи мировым лидером в промышленной метрологии, компания Renishaw активно использует в конструкции прибора устройства прецизионного позиционирования оптических элементов, такие как линейные и угловые энкодеры, а также магнитные крепления с высокой повторяемостью, позволяющие проводить замену оптических элементов без юстировки, и др. Например, одновременно в спектрометр помещается четыре фильтра рэлеевского рассеяния, но, поскольку они легко заменяются, количество лазеров может быть значительно большим. То же самое касается линз, зеркал, решеток, поляризаторов и других элементов. Выбор рэлеевских фильтров также весьма широк. Можно установить обычные краевые фильтры для работы от 100 до 30 см-1, можно использовать нотч-фильтры, работающие от 5 см-1, и получать спектры в антистоксовой области спектра. Также возможно установить плавно перестраиваемый двойной монохроматор (фильтр NExT) для работы с разными длинами волн возбуждения и получать спектры от 10 см-1.
Число лазеров возбуждения, одновременно устанавливаемых на прибор, зависит лишь от размера оптического стола и совместимости спектральных диапазонов. Выбор лазеров очень велик и перекрывает практически весь спектральный диапазон – от инфракрасной (1064 нм) до ультрафиолетовой (229 нм) области, что позволяет исследователю выбрать для своего объекта участок, свободный от флуоресценции. Переключение между длинами волн возбуждения производится как автоматически из программного обеспечения, так и вручную, в течение нескольких минут. Прибор имеет три параллельных канала ввода лазеров, каждый из которых можно, например, оптимизировать под соответствующую спектральную область. Следует отметить, что для ввода лазеров не используются оптоволоконные соединения, что повышает светосилу системы. В случае, если объект исследования меняет свои свойства или разрушается под действием излучения лазера высокой интенсивности, в прибор встроены автоматизированные нейтральные ослабители, дающие 16 уровней ослабления лазера. Одновременно на прибор можно установить от одного до четырех детекторов, чтобы перекрыть широкий спектральный диапазон при получении спектров комбинационного рассеяния и фотолюминесценции. Перечень возможных детекторов включает в себя CCD-матрицы разного размера, охлаждаемые как с помощью элементов Пельтье, так и жидким азотом; InGaAs-линейки и точечные детекторы, ФЭУ и т.д. Такое многообразие компонентов позволяет выбрать самую оптимальную конфигурацию.
Как уже говорилось ранее, наличие конфокального режима позволяет анализировать включения в толще прозрачного для лазера материала без их извлечения. Обычно для этого в подобных приборах в оптическую схему помещается диафрагма малого диаметра, которая отсекает все рассеянное излучение, выходящее не из фокуса спектрометра. Такой элемент осложняет работу с прибором, поскольку нуждается в периодической юстировке. В спектрометре Renishaw inVia этот вопрос решен весьма оригинально – для отсечки рассеянного света используется виртуальная диафрагма, образуемая пересечением щели спектрографа и колонкой пикселов на CCD-детекторе. Таким образом, программно регулируя высоту изображения на детекторе, мы фактически производим юстировку виртуальной апертуры в зависимости от увеличения объектива, ширины щели и других факторов. Технология была названа EasyConfocal и получила патенты – европейский ЕР № 0542962 и США № 5510894.
Известно, что решеточные приборы одновременно могут производить запись спектра в узком спектральном диапазоне, определяемом порядком решетки, углом блеска и шириной CCD-матрицы детектора. Получение спектра в полном диапазоне обычно выполняется сшиванием последовательно полученных фрагментов. Однако из-за оптических аберраций, неравномерности поверхности детектора или изменяющегося люминесцентного фона сшивка может происходить некорректно (рис. 2, кривая 1). Стрелками на рис.2 указаны дефекты, возникающие при сшивке. Компания Renishaw разработала метод Synchroscan (рис.3), при котором дифракционная решетка движется маленькими шагами, перемещая спектр вдоль детектора, при этом накопленный сигнал на одном пикселе детектора перемещается на следующий пиксел, постепенно проходя через весь детектор к регистру считывания и увеличивая отношение сигнал/шум. Заслонка детектора открывается в начале сканирования и закрывается только после его окончания. На выходе получается усредненный непрерывный спектр в полном диапазоне, возможном для данной конфигурации (рис.2, кривая 2). Метод Synchroscan защищен Европейским патентом EP №0638788 и патентом США №5689333.
Для получения спектрохимических изображений больших площадей используется картирование поверхности объекта. Для этого спектры последовательно записываются в разных точках объекта с заданным шагом, а затем по этим данным реконструируется изображение. Такое картирование требует много времени, и некоторые образцы могут деградировать, в том числе от воздействия лазерного пучка высокой плотности. Компания Renishaw снова предложила свое решение проблемы. Суть его в том, что лазер дефокусируется в линию шириной 1 мкм, после чего эта линия перемещается по образцу, при этом спектры записываaются одновременно из каждой точки линии. Заслонка детектора открывается до начала сканирования и закрывается после охвата всей заданной площадки. Фактически, здесь используется та же технология, что и Synchroscan, но в многоканальном исполнении. Такой подход увеличивает скорость сканирования до 4 раз по сравнению с традиционными системами. Размер получаемых изображений достигает десятков квадратных сантиметров, при этом латеральное разрешение составляет 1 мкм, как и при обычном сканировании. Кроме того, дефокусированный лазерный пучок позволяет исследовать практически любые термолабильные объекты, поскольку плотность излучения значительно снижается. Этот метод получил наименование StreamLine. Пример получаемого изображения приведен на рис.4. Это спектрохимическое изображение целой нематоды, построенное по трем рамановским полосам: зеленые участки – 1003 см-1 – кольцевая дыхательная мода фенилаланина, желтые – от 1247 до 1282 см-1 – полоса Амид III белка, красные – 1640–1677 см-1 – полоса Амид I белка и =С-Н группы ненасыщенных жирных кислот. Фенилаланин является самым распространенным компонентом биообъектов. Зеленые участки соответствуют полостям в теле нематоды. Красные участки представляют фрагменты, богатые белком и липидами, желтые соответствуют высокой концентрации белка.
В последнее время наиболее востребованы комбинации метода рамановской спектроскопии с другими аналитическими методами, такими как атомно-силовая микроскопия (включая TERS – локально усиленную рамановскую спектроскопию, при которой сигнал считывается с площадки, соизмеримой с диаметром острия зонда атомно-силового микроскопа, благодаря чему поверхностное разрешение увеличивается в разы, открывая возможность исследования более мелких наноструктур), электронная микроскопия (возможность изучения в том числе катодолюминесценции), инфракрасная микроскопия. И здесь спектрометры inVia уверенно занимают лидирующие позиции в мире, благодаря гибкости конфигурации и высокой светосиле.
Сегодня спектрометры Renishaw inVia, а также их предшественники RM 1000, применяются для решения множества задач в самых разных отраслях науки и техники. Это микроэлектроника (напряжения в кремнии, эпитаксиальные слои и другие задачи), фотоника, геология и геммология, исследования биологических объектов, криминалистика, искусствоведение, материаловедение, катализ, наноуглеродные материалы, фармакология и многие другие, где нужен надежный и универсальный прибор, решающий сложные задачи за минимально возможное время.
Отзывы читателей
