Рамановская спектроскопия с микропространственным смещением - Википедия - Micro-spatially offset Raman spectroscopy

Микропространственное смещение Рамановская спектроскопия (микро-СОРС) - это аналитический метод, разработанный в 2014 году, который объединяет СОРС с микроскопия.[1] Свойство разрешения подслоя метод получает от своего родительского метода. СОРС.[2] Основное различие между СУРС и микро-СОРС заключается в пространственном разрешении: в то время как СУРС подходит для анализа миллиметровых слоев, микро-СОРС может разрешать тонкие слои микрометрического масштаба. Подобно методу SORS, micro-SORS может предпочтительно собирать рамановские фотоны, генерируемые под поверхностью в мутной (диффузной рассеяние ) средства массовой информации. Таким образом, можно реконструировать химический состав микрометрической многослойной мутной системы неразрушающим способом. Micro-SORS особенно полезен при работе с драгоценными или уникальными объектами, например Культурное наследие поле и Криминалистика или в биомедицинский приложения, где неразрушающая молекулярная характеристика является большим преимуществом.[3]

На сегодняшний день микро-СУРС в основном используется для характеристики биологических материалов, таких как кости,[4] кровь,[5][6] и материалы культурного наследия, особенно стратиграфия красок.[7][8][9] С помощью этого метода были изучены другие материалы, включая полимеры, промышленную бумагу и семена пшеницы.[3]

Micro-SORS был разработан на основе обычного прибора для микро-рамановского рассеяния, и портативные прототипы micro-SORS в настоящее время проходят дальнейшую оптимизацию для обеспечения на месте измерения и избежать необходимости отбора проб.[10][11][12]

Принцип работы

В мутных средах разрешающая способность конфокальной рамановской микроскопии ограничена из-за оптических свойств этих материалов.[7] В таких материалах рамановские фотоны, генерируемые на разной глубине, выходят на поверхность после определенного количества актов рассеяния. Рамановские фотоны, генерируемые в подповерхности, выходят на поверхность сбоку по сравнению с положением падающего света, и это смещение статистически пропорционально глубине, на которой был сгенерирован рамановский фотон. Micro-SORS позволяет преимущественно собирать эти смещенные фотоны, исходящие от подповерхности, путем увеличения (расфокусировка ) или разделение зон лазерного возбуждения и сбора (Полный микро-СОРС ).[13]

Ключевые возможности Micro-SORS

Ключевые возможности Micro-SORS

Расфокусирующий микро-СОРС

Расфокусировка - это базовый вариант метода, который не обеспечивает полного разделения зон возбуждения и сбора, что делает этот вариант менее эффективным.[13] Тем не менее, расфокусированные измерения имеют большое преимущество в том, что их можно легко выполнять с помощью обычного рамановского микро-диапазона без каких-либо модификаций оборудования или программного обеспечения. Расфокусировка заключается в увеличении зон возбуждения и сбора, что достигается смещением объектива микроскопа из фокуса (движения Δz) с поверхности анализируемого объекта или образца.[1] Диапазон перемещений Δz обычно составляет от нескольких десятков до двух миллиметров, в зависимости от количества и толщины материалов.

Полный микро-СОРС

Этот более сложный вариант micro-SORS обеспечивает полное разделение зон лазерного возбуждения и сбора (смещение Δx), что требует модификации оборудования или программного обеспечения для обычного рамановского микроскопа. Разделение может быть достигнуто с помощью внешнего зонда или волоконной оптики для доставки лазера,[13] перемещая лазерное пятно, перемещая зеркала регулировки луча,[5][6] с помощью пространственно разрешенного CCD,[4] с помощью цифрового микрозеркального устройства (DMD ),[14] перемещая конец волокна для обнаружения комбинационного рассеяния, чтобы выполнить неконфокальное обнаружение сигнала[15] или комбинируя гиперспектральный СОРС и расфокусирующий микро-СОРС.[16] Было доказано, что полный микро-СОРС более эффективен как с точки зрения глубины проникновения в образец, так и с точки зрения относительного усиления сигнала подслоя.[13]

Реконструкция системы слоев

Реконструкция слоев с использованием дефокусировки.

Чтобы восстановить последовательность микрослоев, необходимо собрать обычный спектр комбинационного рассеяния и по крайней мере один спектр микрослоя; Получение нескольких спектров при постепенно увеличивающихся расстояниях расфокусировки или пространственных смещениях обычно является лучшим способом приблизиться к неизвестным материалам. Сравнение полученных спектров позволяет определить состав слоев: в расфокусированных пространственно смещенных спектрах сигналы подповерхностных слоев проявляются или усиливаются по сравнению с поверхностным сигналом. Обработка данных как нормализация или вычитание спектров обычно используется для лучшей визуализации последовательности слоев.

Толщину слоев можно оценить после калибровки на хорошо охарактеризованном наборе образцов с известной толщиной.[17]

Микро-СОРС в искусстве

Неразрушимость - главная цель Ученый по охране природы, из-за внутренней ценности объектов культурного наследия. Micro-SORS был разработан для удовлетворения потребности в неразрушающем аналитическом методе с высокой химической специфичностью для неразрушающего анализа тонких окрашенных слоев. В окрашенных произведениях искусства окрашенная пленка обычно получается наложением мутных тонких (микрометрических) пигментированных слоев, и их химическая характеристика важна для обнаружения присутствия продуктов разложения, получения информации о художественной технике и для целей датирования и аутентификации. На сегодняшний день Micro-SORS успешно применяется для характеристики стратиграфии красок в полихромных скульптурах, расписных штукатурках.[7], раскрашенные карты[9] и современное уличное искусство фрески[8]

Рекомендации

  1. ^ а б Конти, Клаудиа; Коломбо, Кьяра; Реалини, Марко; Зерби, Джузеппе; Матоусек, Павел (2014). "Подповерхностный Рамановский анализ тонких окрашенных слоев". Прикладная спектроскопия. 68 (6): 686–691. Дои:10.1366/13-07376. ISSN  0003-7028. PMID  25014725.
  2. ^ Matousek, P .; Clark, I.P .; Draper, E.R.C .; Morris, M.D .; Goodship, A.E .; E Total, N .; Towrie, M .; Finney, W. F .; Паркер, А. В. (2005). "Подповерхностное зондирование в диффузно рассеивающих средах с использованием пространственно-смещенной рамановской спектроскопии". Прикладная спектроскопия. 59 (4): 393–400. Дои:10.1366/0003702053641450. ISSN  0003-7028.
  3. ^ а б Конти, Клаудиа; Реалини, Марко; Коломбо, Кьяра; Совойднич, Кей; Афсет, Нильс Кристиан; Бертаса, Мойра; Боттеон, Алессандра; Матоусек, Павел (02.06.2015). "Неинвазивный анализ тонких мутных слоев с использованием микроскопии комбинационного рассеяния света с пространственным смещением". Аналитическая химия. 87 (11): 5810–5815. Дои:10.1021 / acs.analchem.5b01080. ISSN  0003-2700.
  4. ^ а б Ди, Цзыюнь; Hokr, Brett H .; Цай, Хан; Ван, Кай; Яковлев, Владислав В .; Соколов, Алексей В .; Скалли, Марлан О. (19.01.2015). "Пространственно смещенная рамановская микроскопия сильно рассеивающей ткани: теория и эксперимент". Журнал современной оптики. 62 (2): 97–101. Дои:10.1080/09500340.2014.976598. ISSN  0950-0340.
  5. ^ а б Бакли, К .; Atkins, C.G .; Chen, D .; Schulze, H.G .; Дивайн, Д. В .; Blades, M. W .; Тернер, Р. Ф. Б. (2016). «Неинвазивная спектроскопия трансфузионных эритроцитов, хранящихся в запечатанных пластиковых пакетах с кровью». Аналитик. 141 (5): 1678–1685. Дои:10.1039 / C5AN02461G. ISSN  0003-2654.
  6. ^ а б Гаутам, Рекха; О, Джу-Ён; Patel, Rakesh P .; Длухи, Ричард А. (2018). «Неинвазивный анализ сохраненных эритроцитов с использованием спектроскопии диффузного резонанса комбинационного рассеяния». Аналитик. 143 (24): 5950–5958. Дои:10.1039 / C8AN01135D. ISSN  0003-2654. ЧВК  6279605.
  7. ^ а б c Конти, Клаудиа; Коломбо, Кьяра; Реалини, Марко; Матоусек, Павел (2015). «Подповерхностный анализ раскрашенных скульптур и штукатурок с использованием микрометровой пространственно смещенной рамановской спектроскопии (micro-SORS): Подповерхностный анализ раскрашенных скульптур и штукатурок». Журнал Рамановской спектроскопии. 46 (5): 476–482. Дои:10.1002 / jrs.4673.
  8. ^ а б Боттеон, Алессандра; Коломбо, Кьяра; Реалини, Марко; Браччи, Сюзанна; Магрини, Доната; Матоусек, Павел; Конти, Клаудия (2018). «Изучение картин уличного искусства с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света с микросмещением». Журнал Рамановской спектроскопии. 49 (10): 1652–1659. Дои:10.1002 / младший 5445.
  9. ^ а б Русаки, Анастасия; Боттеон, Алессандра; Коломбо, Кьяра; Конти, Клаудиа; Матоусек, Павел; Моэнс, Люк; Ванденабеле, Питер (2017). «Разработка расфокусированного картографирования микро-СОРС: исследование фарфоровой карты XIX века». Аналитические методы. 9 (45): 6435–6442. Дои:10.1039 / C7AY02336G. ISSN  1759-9660.
  10. ^ Реалини, Марко; Боттеон, Алессандра; Конти, Клаудиа; Коломбо, Кьяра; Матоусек, Павел (2016). «Разработка портативной дефокусирующей микроскопии комбинационного рассеяния света с пространственным смещением». Аналитик. 141 (10): 3012–3019. Дои:10.1039 / C6AN00413J. ISSN  0003-2654.
  11. ^ Реалини, Марко; Конти, Клаудиа; Боттеон, Алессандра; Коломбо, Кьяра; Матоусек, Павел (2017). «Разработка прототипа полномасштабной микромасштабной рамановской спектроскопии с пространственным смещением в качестве портативного аналитического инструмента». Аналитик. 142 (2): 351–355. Дои:10.1039 / C6AN02470J. ISSN  0003-2654.
  12. ^ Ванденабеле, Питер; Конти, Клаудиа; Русаки, Анастасия; Моэнс, Люк; Реалини, Марко; Матоусек, Павел (2017-09-05). "Разработка волоконно-оптического датчика спектроскопии комбинационного рассеяния света со смещением в пространстве для исследования слоистых материалов". Аналитическая химия. 89 (17): 9218–9223. Дои:10.1021 / acs.analchem.7b01978. ISSN  0003-2700. PMID  28753322.
  13. ^ а б c d Conti, C .; Реалини, М .; Коломбо, К .; Матушек, П. (2015). «Сравнение основных методов микроскопии комбинационного рассеяния света с пространственным смещением на микромасштабах». Аналитик. 140 (24): 8127–8133. Дои:10.1039 / C5AN01900A. ISSN  0003-2654. PMID  26526114.
  14. ^ Ляо, Чжиюй; Синджаб, Фарис; Гибсон, Грэм; Пэджетт, Майлз; Нотингер, Иоан (13.06.2016). «Рамановская спектроскопия с пространственным смещением на основе DMD с программной конфигурацией для профилирования спектральной глубины оптически мутных образцов». Оптика Экспресс. 24 (12): 12701. Дои:10.1364 / OE.24.012701. ISSN  1094-4087.
  15. ^ Хан, Хан Мохаммад; Гош, Нирмалья; Маджумдер, Шован Кумар (01.09.2016). «Внеконфокальная рамановская спектроскопия (OCRS) для подземных измерений в слоистых мутных образцах». Журнал оптики. 18 (9): 095301. Дои:10.1088/2040-8978/18/9/095301. ISSN  2040-8978.
  16. ^ Matthiae, Moritz; Кристенсен, Андерс (04.02.2019). «Гиперспектральная спектроскопия комбинационного рассеяния с пространственным сдвигом в микрофлюидном канале». Оптика Экспресс. 27 (3): 3782. Дои:10.1364 / OE.27.003782. ISSN  1094-4087. PMID  30732392.
  17. ^ Конти, Клаудиа; Реалини, Марко; Коломбо, Кьяра; Боттеон, Алессандра; Бертаса, Мойра; Стриова, Яна; Баруччи, Марко; Матоусек, Павел (13.12.2016). «Определение толщины тонких мутных окрашенных слоев с использованием микроскопии комбинационного рассеяния света с пространственным смещением на микромасштабах». Философские труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 374 (2082): 20160049. Дои:10.1098 / rsta.2016.0049. ISSN  1364-503X. ЧВК  5095526. PMID  27799432.

Смотрите также