Свежие записи
13 ноября 2018

Автор: ВикторРаздел: Атомно-силовая микроскопия

07 ноября 2018

Автор: ГалинаРаздел: Анализ микроструктуры материалов

10 сентября 2018

Автор: ВикторРаздел: Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния)

30 августа 2018

Автор: ВикторРаздел: Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния)

09 июля 2018

Автор: ВикторРаздел: Атомно-силовая микроскопия

Подписка на новые статьи


Нажимая кнопку «Подписаться», вы принимаете условия «Соглашения на обработку персональных данных».

STRam: портативный рамановский спектрометр с технологией See Through для идентификации материалов прямо через упаковку

Анализ и идентификация материалов через непрозрачную упаковку
ДЕК182017

Новый дизайн рамановского спектрометра STRam с технологией See Through (ST) позволяет проводить качественный анализ различных материалов через диффузно рассеивающую упаковку, такую как непрозрачные упаковочные материалы, канистры, толстые темные стекла и т.п.

В стандартных волоконных зондах, используемых в рамановской спектроскопии, используется оптика, фокусирующая лазерный луч в пятно малых размеров (диаметр порядка 100 мкм). Данная особенность примерно делает данные зонды схожими по принципу работы с конфокальной микроскопией, где лазерный луч также фокусируется в пятно очень малого диаметра. Лазерный луч, выходящий из волокна, коллимируется и фокусируется на поверхность образца с помощью оптики, далее, эта же оптика используется для сбора рамановского сигнала и его переноса на волокно спектрометра. Исследуемый образец обычно помещается в фокальной плоскости рабочей линзы.

Таким образом, плотность мощности лазерного излучения в данной точке является максимальной и, следовательно, обратный рамановский сигнал также имеет максимальную интенсивность – именно этот сигнал собирается и переносится на спектрометр. Конфокальный дизайн имеет преимущество в максимальном пропускании и может использоваться для измерения образцов внутри прозрачных контейнеров по такому же принципу, по которому конфокальный микроскоп осуществляет оптическое секционирование.

Однако конфокальный дизайн теряет свою производительность и эффективность, когда контейнер сильно рассеивает лазерное излучение и оно больше не может быть сфокусировано на образце внутри. Рамановский сигнал от материалов, находящихся внутри таких контейнеров, обычно очень слабый и, к тому же, в конечном спектре зачастую основная составляющая приходится на материал самого контейнера.

Пространственно-смещенная рамановская спектроскопия (SORS)1 позволяет преднамеренно смещать лазерный луч и обратный сигнал и может эффективно использоваться для регистрации рамановского спектра, возбуждаемого под рассеивающими стенками контейнера, а также значительно снижает составляющую самого контейнера. Однако зонды с таким дизайном не могут быть использованы в конфокальном устройстве и, как правило, очень неэффективны для измерения образца напрямую.

Специальный волоконный зонд с технологией See Through, разработанной компанией B&W Tek, облучает образец и собирает обратный сигнал с большей активной площади. Данный дизайн значительно увеличивает эффективную глубину проникновения лазерного излучения внутрь материала, позволяя проводить измерения образцов, находящихся внутри непрозрачных контейнеров, поскольку относительная интенсивность сигнала от более глубоких слоев увеличивается, даже если общий сигнал слабый.

Увеличенная рабочая область имеет и другие преимущества: предотвращает повреждение образца за счет снижения общей плотности мощности, а также улучшает точность и воспроизводимость измерений устраняя гетеродинный эффект. Дополнительно в приборе используется спектрометр с повышенным пропусканием, что позволяет проводить идентификацию веществ, находящихся в контейнерах даже с очень толстыми стенками, в течение всего нескольких секунд.

Для реализации стандартного конфокального дизайна измерений дополнительно может использоваться ряд аксессуаров. Данная особенность в сочетании с портативностью и производительностью лабораторного уровня, делают данный прибор идеальным инструментом во многих областях, начиная от идентификации входного сырья для контроля качества и заканчивая требовательными научными исследованиями.

Ниже приведено несколько примеров, показывающих преимущества технологии See Through. Все представленные спектры были получены с помощью спектрометра STRam, оснащенного лазером с длиной волны 785 нм и выходной мощностью 450 мВт, а их коррекция по интенсивности производилась в соответствии с процедурой, разработанной Национальным институтом стандартизации2.

Измерения с помощью технологии See Through

Измерение через рассеивающие пластиковые контейнеры

Большинство твердообразных химикатов, приобретаемых в небольших количествах, поставляются в белых пластиковых контейнерах, чаще всего изготавливаемых из полиэтилена с диоксидом титана. Диоксид титана рассеивает свет и делает такую упаковку непрозрачной. В результате лазерное излучение не может быть сфокусировано внутри таких контейнеров и традиционная рамановская спектроскопия не применима для анализа в данном случае.

Использование технологии ST позволяет проникать как лазерному излучению, так и обратному рамановскому сигналу через такую упаковку, а большая активная рабочая зона и глубина проникновения позволяют проводить идентификацию материала.

На рисунке 1 представлен пример измерения бензоата натрия через белую пластиковую бутылку. На спектре (1) отчетливо заметно наличие составляющей от бензоата натрия поверх спектра пластикового контейнера, тогда как спектр (2) представляет собой в основном спектр от упаковочного материала с очень небольшим присутствием составляющих исследуемого активного вещества. Дальнейшая математическая обработка путем вычитания спектра (2) из спектра (1) предоставляет спектр (3), который очень хорошо согласуется с эталонным спектром бензоата натрия (4).

За счет использования спектрометра STRam с мощным программным обеспечением и современными алгоритмами обработки предоставляется возможность отделения составляющей контейнеров и упаковочной тары и выделения спектров активных веществ. Таким образом, данный спектрометр позволяет регистрировать даже очень слабые рамановские пики веществ, находящихся под сильно рассеивающейся упаковкой.

Рис. 1. Пример измерения спектра бензоата натрия через непрозрачную белую пластиковую бутылку.

Измерение через бумажные пакеты и конверты

Бумажная упаковка в основном содержит в своем составе целлюлозу, которая является сильным рассеивателем света и лазерного излучения в частности. Рамановские спектры таких материалов зачастую содержат сильную флуоресцентную составляющую, которая нивелирует наличие характерных пиков. В качестве примера на рисунке ниже приведен результат измерения D-(+) глюкозы через типовой упаковочный конверт.

Верхний спектр получен с помощью STRam и на нем отчетливо отображаются характерные пики исследуемого вещества. Средний спектр получен с помощью стандартных методов и, как результат, пики сильно обрезаны и наблюдаются только их верхняя часть на фоне сильной флуоресценции. Обычно такой спектр не проходит подтверждение на соответствие. Для сравнения: нижний спектр представляет собой эталонный образец D-(+) глюкозы, который очень хорошо согласуется с первым спектром.

Рис. 2. Пример измерения спектра D-(+) глюкозы через упаковочный конверт.

Измерение АФИ через оболочку таблеток

Большинство лекарственных препаратов выпускается в форме таблеток, которые покрыты защитной оболочкой. При контроле качества активных фармацевтических ингредиентов (АФИ) внутри таблетки данная защитная оболочка играет роль все того же рассеивающего контейнера, который не пропускает излучение внутрь. В результате, стандартные методы рамановской спектроскопии становятся непригодными для контроля и идентификации активных компонентов, поскольку лазерное излучение не может проникнуть на глубину, большую, чем толщина оболочки. На рис. 3 представлен пример измерения такой таблетки.

Верхний спектр получен с помощью рамановского спектрометра STRam и в данном спектре превалируют пики, характерные для активного вещества, содержащегося внутри таблетки. В дополнение, данный спектр согласуется с эталонным спектром активного вещества, содержащегося в таблетке без защитной оболочки. В случае же использования обычного рамановского спектрометра (средний спектр), регистрируемый спектр содержит в себе в основном характерные пики сахарозы (в интервале 600 – 1400 см-1), а пики активного вещества практически отсутствуют.

Рис. 3. Пример измерения спектра активного вещества таблетки через защитную оболочку.

Уменьшенная плотность мощности

Темные и черные материалы сильно поглощают лазерное излучение и нагреваются, что может стать серьезной трудностью при рамановской спектроскопии в силу потенциальной возможности их повреждения. Поскольку в спектрометре STRam используется специальный зонд, который увеличивает диаметр лазерного пятна, то плотность мощности на точку поверхности становится меньше – как результат значительно снижается вероятность нагрева и повреждения темного образца. Данная особенность позволяет расширить аналитические возможности прибора и измерять чувствительные образцы, состоящие из фотолабильных и термолабильных материалов, а также ткани животных.

В качестве примера на следующем рисунке приведен измеренный спектр черного пороха, на котором отчетливо наблюдаются пики серы (217.6 см-1 и 471.5 см-1) и селитры (1049.3 см-1). Данное вещество невозможно исследовать с помощью стандартных рамановских спектрометров, поскольку в формируемом лазерном пятне малого диаметра преобладает слишком высокая плотность мощности, что потенциально может привести к сильному перегреву вещества с последующим возгоранием и детонацией – создается опасность поражения оператора вплоть до летального исхода.

Рис. 4. Пример измерения спектра черного пороха.

Большая глубина проникновения, а также большой диаметр лазерного пятна позволяют проводить анализ живых тканей методом in vivo. На рис. 5 представлены спектры подкожной и костной тканей человека, которые были исследованы с помощью технологии See Through. Как и ожидалось, спектр костной ткани содержит фосфатную составляющую PO43-, которая отсутствует в спектре подкожной ткани. Другим отличием спектров является большая интенсивность составных компонентов (амид I3, амид III, колебание молекулы CH2 и связи4 C=O) в спектре подкожной ткани.

Рис. 5. Пример измерения спектров подкожной и костной тканей человека через кожу.

Большая рабочая область для измерения гетерогенных образцов

Измерение гетерогенных материалов для определения их свойств в некотором объеме или по большой площади с высокой воспроизводимостью – довольно сложная задача для обычной рамановской спектроскопии, поскольку стандартные волоконные зонды формируют на выходе лазерное пятно диаметром всего 100 мкм. Данная особенность может привести к тому, что спектры одного и того же образца, измеренные в разных точках, будут сильно отличаться, поскольку в первом случае сигнал мог собираться от одной группы молекул, а во втором – совершенно от другой (именно такая структура вещества и называется гетерогенной). Большая рабочая область измерения необходима при измерении таких веществ, содержащих несколько компонентов, включая различные добавки и один, два и более активных компонентов, расположенных на относительно большой площади.

Далее описан эксперимент, подтверждающий выше сказанное. В ходе эксперимента измерялась таблетка от головной боли (Excedrin Migraine), содержащая три активных компонента – аспирин, парацетамол и кофеин.

Спектры (1) представляют собой наложенные друг друга спектры, которые были измерены в различных случайных точках таблетки с помощью стандартного рамановского спектрометра. По результатам измерений видно, что каждый из спектров содержит характерные пики всех трех компонентов, однако в каждом случае интенсивность пиков отличается друг от друга. Данная особенность вносит дополнительные трудности для точной идентификации конечного продукта.

На основе дальнейшего анализа и сравнения каждого полученного спектра с эталонным с помощью индекса HQI была построена гистограмма (2), отображающая распределение соответствий в зависимости от степени корреляции. Из данной гистограммы видна частота совпадения полученного спектра с эталонным но основе корреляции по индексу HQI, который используется при идентификации для определения правильного/ложного совпадения. В данном случае часть спектров не прошла соответствие и ошибка измерений составила более 6%.

Спектры (3) представляют собой наложенные друг друга спектры, которые были измерены в различных случайных точках таблетки с помощью рамановского спектрометра STRam. По результатам измерений видно, что каждый из спектров содержит характерные пики всех трех компонентов, а интенсивность пиков в каждом случае идентична. На основе дальнейшего анализа и сравнения каждого полученного спектра с эталонным с помощью индекса HQI была построена гистограмма (4), отображающая распределение соответствий в зависимости от степени корреляции. Из данной гистограммы видна частота совпадения полученного спектра с эталонным но основе корреляции по индексу HQI, который используется при идентификации для определения правильного/ложного совпадения. В данном случае каждый из измеренных спектров прошел проверку на соответствие с вероятностью совпадения более 99.89%.

Рис. 6. Пример измерения спектров образца с гетерогенной структурой.

Аналогичные проблемы могут возникать при исследовании больших кристаллических структур. Из-за эффекта поляризации излучения спектр от кристаллической структуры может изменяться, поскольку ориентация кристаллической решетки может быть различной относительно направления и поляризации падающего лазерного излучения и отраженного рамановского сигнала.

На рис. 7 (1) представлено наложение спектров, полученных в произвольных точках при измерении образца ксилитола с помощью стандартного рамановского спектрометра. Как и в первом эксперименте, в каждом случае эффективность характерных пиков на одних и тех же значениях отличается друг от друга, в результате чего при дальнейшем анализе может возникнуть ошибка определения соответствия и в итоге будет определено совсем другое вещество, отличающееся от исследуемого.  Спектры (3) представляют собой наложенные друг друга спектры, которые были измерены в различных случайных точках ксилитола с помощью рамановского спектрометра STRam.

Далее, опять же на основе анализа и сравнения каждого полученного спектра с эталонным с помощью индекса HQI были построены гистограммы (2) и (4), отображающие распределение соответствий в зависимости от степени корреляции. Из данных гистограмм видна частота совпадения полученного спектра с эталонным но основе корреляции по индексу HQI, который используется при идентификации для определения правильного/ложного совпадения. При использовании технологии See Through каждый из измеренных спектров прошел проверку на соответствие с вероятностью совпадения более 99.98%, а при использовании стандартного спектрометра, часть спектров снова не прошла проверку и ошибка измерений составила более 2.5%.

Рис. 7. Пример измерения спектров образца с кристаллической структурой.

Универсальность системы с дополнительными аксессуарами

Портативный рамановский спектрометр STRam может быть оснащен рядом универсальных измерительных аксессуаров, которые помогут проводить исследования в узконаправленных областях. Данные аксессуары представляют собой два адаптера: фокусирующий адаптер и регулятор расстояния – они оба позволяют проводить измерения методом прямого контакта, аналогично технологии с конфокальным исполнением.

Фокусирующий адаптер фокусирует лазерный луч в пятно с диаметром примерно 100 мкм, а рабочее расстояние фокусирующей линзы составляет 15 мм. Регулятор расстояния надевается непосредственно на фокусирующий адаптер, обеспечивая, таким образом, точку контакта с поверхностью, совпадающую с рабочим расстоянием линзы. Данные адаптеры находят свое применение в тех случаях, когда необходимо измерять жидкости в различных бутылках, поскольку в данном случае себя хорошо зарекомендовали стандартные рамановские спектрометры с небольшим диаметром рабочего пятна.

Таким образом, рабочий зонд, выполненный по технологии See Through, может использоваться и как широко распространенный зонд, выполненный по конфокальной технологии.

Заключение

Технология See Through, используемая в портативном рамановском спектрометре STRam, предоставляет возможность анализа и идентификации различных материалов, находящихся в непрозрачной упаковке, которая сильно рассеивает лазерное излучение. Большая рабочая область обеспечивает высокую воспроизводимость результатов при измерении гетерогенных и кристаллических структур, а уменьшенная плотность мощности позволяет измерять чувствительные вещества и живые ткани. Данные отличительные особенности позволяют значительно расширить существующий круг задач для рамановской спектроскопии.

Подробные характеристики портативного рамановского спектрометра STRam

Ссылки

  1. P. Matousek, I. P. Clark, E. R. C. Draper, M. D. Morris, A. E. Goodship, N. Everall, M. Towrie, W. F. Finney, and A. W. Parker, “Subsurface Probing in Diffusely Scattering Media Using Spatially Offset Raman Spectroscopy”. Appl. Spectrosc. 59, 393 (2005).
  2. S.J. Choquette, E. S. Etz, W.S. Hurst, D. H. Blackburn, S.D. Leigh. “Relative Intensity Correction of Raman Spectrometers: NIST SRMs 2241 through 2243 for 785 nm, 532 nm, and 488 nm/514.5 nm Excitation”. Appl. Spectrosc. 2007. 61(2): 117-129.
  3. P. Matousek, E. R. C. Draper, A. E. Goodship, I. P. Clark, K. L. Ronayne, and A. W. Parker, “Noninvasive Raman Spectroscopy of Human Tissue In Vivo”. Appl. Spectrosc. 60, 758-763 (2006).
  4. X.-F. Ling, Y.-Z. Xu, S.-F. Weng, W. H. Li, Xu Zhi, R. M. Hammaker, W. G. Fateley, F. Wang, X.-S. Zhou, R. D. Soloway, J. R. Ferraro, and J.-G. Wu. “Investigation of Normal and Malignant Tissue Samples from the Human Stomach Using Fourier Transform Raman Spectroscopy”. Appl. Spectrosc. 56, 570- 573 (2002).
Предыдущая статья
НОЯ222017

Автор: ВикторРаздел: Спектроскопия