Выбор лазера для применений в рамановской спектроскопии

На протяжении многих лет, дисперсионная рамановская спектроскопия все чаще используется для идентификации различных материалов благодаря ее портативности и гибкости при анализе проб. При выборе рамановского спектрометра одним из основных параметров является длина волны излучения лазера, встроенного в рамановский спектрометр. И хотя рамановский сдвиг любого материала зависит только от его химических свойств и не зависит от длины волны возбуждения, различные длины волн все же имеют свои сильные и слабые стороны. Имеется широкий выбор длин волн лазерного излучения, но следующие три используются наиболее часто: 532 нм, 785 нм, 1064 нм. Ниже приведена таблица некоторых особенностей и производительности источников с перечисленными длинами волн.

Наиболее критична разница в эффективности возбуждения. Эффективность рамановского рассеяния обратно пропорциональна длине волны возбуждения в четвертой степени (λ-4). Например, рамановское рассеяние на длине волны возбуждения 532 нм в 4.7 раз эффективнее рассеяния на длине волны возбуждения 785 нм и в 16 раз лучше, чем на 1064 нм. Таким образом, получается, что время анализа на больших длинах волн становится больше по сравнению с длиной волны 532 нм, при условии, что все остальные параметры остаются неименными.

Вторым основополагающим фактором является чувствительность приемника излучения. Так как рамановское рассеяние используется во многих приборах и возбуждение происходит на длине волны 532 нм (видимая область спектра), ПЗС-приемники на кремниевой основе, с лучшим откликом для данной области спектра, хорошо себя зарекомендовали для данной длины волны. Рамановские сигналы от длины волны 785 нм уходят в ближнюю ИК область спектра (750 – 1050 нм), но отклик, по-прежнему, относительно хороший. Для длины волны 1064 нм, однако, обычно нет отклика от ПЗС-матрицы выше 1100 нм и поэтому, при такой длине волны возбуждения, используется InGaAs детектор, эффективность которого составляет всего лишь 0.1 от эффективности ПЗС-приемника. Кроме того, на длине волны 1064 нм используется детектор с 512 пикселями (тогда как для других длин волн – 2048 пикселей), что в результате дает менее качественное разрешение и возможность перекрыть более короткий спектральный диапазон.

Другим важным параметром является флуоресценция, которая во многих случаях может оказывать негативное влияние на эффективность возбуждения. Данный процесс возникает при очень похожих условиях, что и рамановское рассеяние, но основан на другом механизме. Рамановское рассеяние может возникать на любой частоте при неизменной частоте падающего света. Флуоресценция же привязана к другой длине волны или частоте, то есть будет происходить смещение если длина волны возбуждения будет различной. Кроме того, сигналы флуоресценции могут варьироваться в некотором диапазоне. Для уменьшения влияния флуоресценции на рамановские спектры следует использовать длинноволновые источники возбуждения.

Также нельзя не учитывать поглощение лазерного излучения образцом, так как это может привести к нагреву и изменению свойств образца. Известно, что чем больше длина волны возбуждения лазера, тем больше энергии поглощается и тем сильнее нагревается образец. В некоторых ситуация жидкие образцы могут закипать, а цветные или темные образцы могут воспламеняться или гореть. Существует несколько способов избежать подобных ситуаций или, по крайней мере, уменьшить их вероятность. Например, вращение образца в процессе измерения или снижение выходной мощности лазера, но такие способы либо усложняют общий процесс измерений, либо увеличивают время измерений, тем самым понижая отношение сигнал/шум. Кроме того, при неправильно заданных параметрах системы (хотя рамановская спектроскопия является неразрушающим методом контроля) некоторые материалы могут быть повреждены.

Cледует учитывать и другие факторы, такие как резонансные химические связи, при выборе длины волны лазерного возбуждения.

Ниже представлены несколько спектров, которые имеют различные характеристики при различных способах возбуждения.

Рис. 1. Рамановские спектры толуола на длинах волн 532 нм, 785 нм и 1064 нм

Следует отметить, что существует большое количество материалов, которые можно проанализировать на любой длине волны без проблем. Например, рамановский спектр толуола может быть измерен на всех трех стандартных длинах волн (см. рис. 1).

Рамановская спектроскопия на 532 нм обладает хорошей чувствительностью и, в основном, используется ля анализа карбоновых нанотрубок, в то время как на 785 нм данный материал может попросту загореться. Естественно в таких приборах существует опция понижения лазерной мощности при использовании более длинноволнового излучения, но это приводит к понижению отношения сигнал/шум. Также источники с длиной волны возбуждения 532 нм рекомендуется использовать при анализе оксидов металлов или минералов и неорганических материалов в целом. Прибор с длиной волны возбуждения на 532 нм является единственным, который имеет рабочий диапазон 175 – 4000 см-1, а также может использоваться для анализа веществ, содержащих –NH и –OH функциональные группы.

Для большинства биомедицинских исследований, которые требуют точности по отношению к мощности возбуждения во избежание повреждения образца и отсутствию флуоресценции,  используются одномодовые лазеры с длиной волны возбуждения 633 нм.

Наиболее популярной и широко распространенной является конфигурация с источником возбуждения на 785 нм, так как такие приборы обладают эффективностью свыше 90% и защищены от сильного влияния флуоресценции. В зависимости от типа образца и силы соответствующего рамановского сигнала, получение спектра может занимать от одной секунды до нескольких минут. Из трех ранее перечисленных длин волн наилучшим соотношением «уменьшение флуоресценции – спектральное разрешение» обладают приборы с длиной волны возбуждения 785 нм.

Рис. 2. Рамановские спектры наркодеина на 785 нм и 1064 нм

Ка видно из рис. 2, спектр, полученный на длине волны возбуждения 785 нм является более детальным и был получен за более короткое время, по сравнению со спектром, полученным на длине волны возбуждения 1064 нм.

В большинстве случаев, единственной причиной выбора приборов с источником на 1064 нм является потребность в минимизации флуоресценции.

Например, спектр кунжутного масла, полученный на длине волны 1064 нм лучше спектров, полученных на 532 нм и 785 нм из-за сильного влияния флуоресценции (см. рис. 3.).

Рис. 3. Рамановские спектры кунжутного масла на трех длинах волн

Также хорошие рамановские спектры на длинах волн 785 нм и 1064 нм могут быть получены, например, при исследовании целлюлозы. Здесь влияние флуоресценции сказывается только на 532 нм (см. рис. 4.).

Рамановские спектрометры с длиной волны излучения лазера 532 нм
Лазер с длиной волны возбуждения 532 нм имеет самую высокую энергию для облучения образца; рамановские спектры при такой длине волны возбуждения сильнее всего подвержены влиянию флуоресценции; является идеальным выбором при исследовании неорганических материалов.
Далее...

Рамановские спектрометры с длиной волны излучения лазера 785 нм
Лазер с длиной волны возбуждения 785 нм обладает более низкой эффективностью возбуждения; рамановские спектры при такой длине волны возбуждения слабо подвержены влиянию флуоресценции; является наиболее экономичным вариантом и больше всего подходит для исследования различных химических веществ. Далее...

Рамановский спектрометр с длиной волны излучения лазера 1064 нм
Лазер с длиной волны возбуждения 1064 нм имеет самую высокую вероятность того, что материалы будут сильно нагреваться; рамановские спектры при такой длине волны возбуждения меньше всего подвержены влиянию флуоресценции; на получение хорошего сигнала уходит больше всего времени; лучше всего подходит для исследования таких материалов как красители, масла и полимеры.
Далее...