Важность коррекции относительной интенсивности рамановских данных и способы ее использования для приборов серии i-Raman в программе BWSpec

АВГ272021

BWSpec является стандартным программным обеспечением для сбора рамановского сигнала от спектрометров серии i-Raman  компании B&W Tek. Оно имеет простой в использовании интерфейс для сбора базовых спектров комбинационного рассеяния с возможностью выполнения спектральной обработки. Одним из важных аспектов сбора данных комбинационного рассеяния является корректировка относительной интенсивности спектрометра, поскольку относительный отклик для каждого рамановского спектрометра уникален. Пользователям BWSpec рекомендуется применять эту коррекцию при сборе данных, чтобы получить более точные спектры для их анализа.

Относительная интенсивность: что это такое и откуда?

Каждый спектрометр имеет свою уникальную спектральную чувствительность, которая влияет на относительную интенсивность пиков собираемых спектров. Эти изменения являются результатом квантовой эффективности детектора спектрометра, оптической конструкции и отдельных компонентов спектрометра (например, линз, решетки и зондов). Чтобы учесть эти вариации, каждый спектрометр должен быть скорректирован на относительную интенсивность.

Каждый волоконный зонд также вносит свои собственные уникальные вариации, которые влияют на относительную интенсивность пиков. Это результат того, что зонд имеет собственный набор оптических компонентов помимо тех, которые находятся в основном корпусе спектрометра. Это означает, что любая коррекция относительной интенсивности спектрометра также должна учитывать и волоконный зонд. Когда речь идет о портативных рамановских системах от B&W Tek, с одним и тем же устройством можно использовать разные зонды. Например, есть волоконный зонд лабораторного класса с внешним запуском и зонд промышленного класса (подходящий для различных производственных сред), а также кастомные зонды для других применений. В итоге, коррекцию на относительную интенсивность спектрометра необходимо будет изменять при замене одного зонда на другой.

Спектральные вариации

В некоторых экспериментах очень важно соотношение между двумя пиками. Коррекция на относительную интенсивность исправляет различия в соотношении пиков. На рис. 1 показаны два спектра циклогексана, полученные с помощью рамановской системы i-Raman Plus на 785 нм. Один из спектров скорректирован по относительной интенсивности (синий), а другой нет (красный). Глядя на два пика: 801 см^-1 и 1020 см^-1, можно увидеть, что отношение между этими двумя пиками различно. Используя спектральную математическую функцию (I801 см^-1 /I1020 см^-1), вы получаете отношение 4.45 для нескорректированного спектра и 4.00 для исправленной версии. Разница между этими отношениями весьма значительна. Это может привести к неправильному выводу для эксперимента, если спектральные данные не скорректированы на относительную интенсивность.

Рис. 1. Спектры комбинационного рассеяния циклогексана: скорректированный по интенсивности (синий) и спектр без коррекции (красный).

Существует множество спектральных вариаций, которые возникают из-за чувствительности спектрометра. Одна из таких вариаций называется эффектом эталонирования. Эталонирование происходит, когда лазер попадает на компонент спектрометра, который имеет две параллельные поверхности, и в результате между этими поверхностями создается конструктивная/деструктивная интерференция. Эта интерференция приводит к модуляции спектральной интенсивности. Это обычная ситуация в интерференционных фильтрах, используемых в рамановских зондах и ПЗС-детекторах с обратным утонением (работающих в ближней ИК области). Рис. 2 представляет собой нескорректированный спектр ляпис-лазури (темно-синий полудрагоценный камень), полученный с помощью рамановской системы i-Raman Plus (785 нм). Как видно, в спектре присутствует шумовая интерференционная составляющая, которая является результатом эталонирования – эти шумовые пики в спектре не являются настоящими. На рис. 3 показан тот же спектр после коррекции относительной интенсивности, где шумовая составляющая удалена, и спектр выглядит намного более четким.

Рис. 2. Рамановский спектр ляпис-лазури без коррекции.

Рис. 3. Рамановский спектр ляпис-лазури с коррекцией.

Как корректируется относительная интенсивность спектрометра?

Теперь, когда мы рассмотрели некоторые спектральные проблемы, возникающие из-за отсутствия поправки на относительную интенсивность, мы можем перейти к тому, как корректируется относительная интенсивность спектрометра. Для начала спектрометр корректируется путем получения спектра сертифицированного материала, который будет проанализирован с помощью этого спектрометра. Ранее сертифицированным материалом была лампа белого света (например, вольфрамовые или вольфрамово-галогенные лампы). Спектральный выход ламп был откалиброван по отслеживаемому источнику излучения. В свою очередь, лампа затем использовалась для калибровки рамановского спектрометра. Однако у ламп были и недостатки. Во-первых, срок калибровки ламп был ограничен, и ее часто приходилось отправлять на повторную калибровку. Во-вторых, сами лампы были слишком большими для большинства рамановских экспериментов и сами по себе создавали трудности при попытке связать их с рамановским экспериментом. Поэтому начался поиск альтернативы.

В сотрудничестве с Подкомитетом ASTM по рамановской спектроскопии Национальный институт стандартов и технологий разработал набор стандартных эталонных материалов (СЭМ). Эти СЭМ представляют собой набор стекол, которые люминесцируют при их облучении лазером (рис. 4). Спектр люминесценции можно описать аналитическим выражением (которое представляет истинную форму стекла), чтобы создать спектр, свободный от относительных помех со стороны спектрометра. Плагин для коррекции относительной интенсивности в программном обеспечении BWSpec позволяет создать файл соотношения, разделив аналитическое выражение (то есть истинную форму) стекла на его нескорректированный спектр. Этот файл коррекции отношения может применяться либо автоматически к спектрам во время сбора данных, либо постфактум к ​​ранее полученным спектрам. В качестве примера на рисунке 5 показан рамановский спектр стандарта СЭМ № 2241, измеренный на рамановской системе i-Raman Plus 785 нм без коррекции интенсивности. На рисунке 6 показан тот же спектр, скорректированный по интенсивности с помощью файла соотношения. В итоге коррекция на относительную интенсивность дает спектры комбинационного рассеяния, которые имеют сопоставимый отклик для всех инструментов, использующих этот конкретный лазер (в данном случае 785 нм).

Рис. 4. Стандартный эталонный материал №2241 для рамановской спектроскопии.

Рис. 5. Рамановский спектр стандарта СЭМ № 2241 без коррекции по интенсивности.

Рис. 6. Рамановский спектр стандарта СЭМ № 2241 с коррекцией по интенсивности.

Как применить коррекцию относительной интенсивности в программе BWSpec?

Теперь, когда мы знаем, как корректировать относительную интенсивность, остается вопрос, как ее применить? Программное обеспечение BWSpec от B&W Tek создает файл соотношения, который содержит информацию, необходимую программному обеспечению для применения коррекции относительной интенсивности. Этот файл соотношения можно применить двумя разными способами. Первый – настроить файл соотношения так, чтобы при каждом сканировании относительная коррекция интенсивности автоматически применялась к спектру. Второй способ – применить файл соотношения к предыдущему сканированию, в котором спектр не корректировался. Это хороший способ применить файл соотношения, если вы забыли применить его заранее.

Чтобы настроить файл соотношения для применения к будущим спектрам, нажмите кнопку «Setup» в верхней строке меню. Затем щелкните «Hardware Setup» и далее перейдите на вкладку «Probe Setup».

Рис. 7. Переход к настройкам волоконного зонда в программе BWSpec.

Рис. 8. Вид окна настроек волоконного зонда в программе BWSpec.

В левой части окна находится список всех зондов, настроенных в настоящее время в программном обеспечении. Нажмите кнопку «New» внизу этого списка. Введите имя, которое вы хотите дать зонду (предлагается назвать зонд в виде «Probe_ [C-code спектрометра] _ [серийный номер зонда]»). Под ним выберите параметр «Select Ratio at HardDrive», а затем найдите нужный файл соотношения на компьютере. После выбора файла соотношения коррекция будет указана в разделе под названием «Ratio3». Щелкните «Done», а затем щелкните «Close».

Теперь, когда зонд с файлом соотношения настроен, вам нужно активировать зонд для использования. Для этого снова нажмите кнопку «Setup» в верхней строке меню и затем нажмите «Experimental Setup».

Рис. 9. Переход к настройкам параметров сканирования в программе BWSpec.

В разделе окна «Acquisition» выберите созданный ранее волоконный зонд. В разделе «SpectralProcessing» отметьте «Enable Relative Intensity Correction». Наконец, в правом верхнем углу окна установите флажок «Enable Experiment». Сохраните текущую конфигурацию сканирования «Save Config» и нажмите «Close». Теперь файл с коэффициентами готов к применению для всех будущих сканирований.

Рис. 10. Вид окна настроек параметров сканирования в программе BWSpec.

Если вы сохранили спектр в формате TXT или TXTR программы BWSpec и не применили коррекцию относительной интенсивности при получении спектра, файл соотношения может быть применен постфактум с помощью функции «Batch Reprocess». Как этого добиться, зависит от формата файла. Для файлов TXT вам необходимо сначала открыть спектр, для которого вы хотите скорректировать относительную интенсивность. Проверьте файл (функция пост-обработки применяется только к проверенным спектрам). Убедитесь, что вы просматриваете спектр с вычитанием темнового шума «Dark Substrated» (а не исходные данные «Raw Data»). Нажмите на кнопку «Spectral Function» в верхней строке меню и затем выберите «Batch Reprocess». В разделе «Spectral Processing» нажмите кнопку «Ratio» и найдите файл соотношения на вашем компьютере. После выбора файла соотношения установите флажок «Enable Relative Intensity Correction». Для формата TXTR информация файла соотношения сохраняется в файле данных при условии, что спектр был собран с помощью эксперимента, в котором была сохранена коррекция относительной интенсивности зонда, и вы просто устанавливаете флажок «Enable Relative Intensity Correction». В правом верхнем углу окна установите флажок «Enable Batch Process». Сохраните конфигурацию и затем нажмите кнопку «Do» (в некоторых версиях кнопка «Do» доступна на вкладке «Experiment Batch Panel» панели «Spectrometer Control Panel»). Далее ваш спектр будет скорректирован по относительной интенсивности. На этом этапе вам нужно будет сохранить скорректированный спектр, чтобы коррекция оставалась постоянной.

Подробные характеристики программного обеспечения для обработки спектральных данных BWSpec™

Ссылки

Choquette, S.J., Etz, E.S., Hurst, W.S., Blackburn, D.H., and Leigh, S.D. Relative Intensity Correction of Raman Spectrometers: NIST SRMs 2241 Through 2243 for 785 nm, 532 nm, and 488nm / 514.5 nm Excitation. Applied Spectroscopy. 61 (2) 117 – 129, 2007. Retrieved from https://www.s-a-s.org/