Портативные рамановские спектрометры для SERS спектроскопии и анализа

НОЯ222017

Введение

Рамановская спектроскопия, усиленная поверхностью (SERS) в последние годы привлекает к себе все больше внимания благодаря растущему интересу в обнаружении веществ очень низких концентраций в таких областях, как безопасность окружающей среды, пищевая промышленность, национальная безопасность. Общее число публикаций по всему миру, связанных с SERS, увеличилось примерно с 3000 статей до 25000 статей в интервале с 2000 года по 2011 год ^[1]. Развитие данной технологии подталкивается необходимостью преодоления технологического барьера нижнего предела обнаружения веществ с помощью обычной рамановской спектроскопии, а также необходимостью обнаружения остаточных следов на молекулярном уровне таких веществ, как взрывчатка, остатки химических реагентов, биомедицинская диагностика.

Широко распространено мнение, что механизмы усиления сигнала поверхностью в основном являются результатом либо электромагнитного резонанса между групповыми колебаниями плазмонов на металлических частицах и падающим оптическим излучением, либо химическим усилением за счет увеличения поляризации молекул после их осаждения на структурированную поверхность ^[2]. Благодаря достижениям в области нанотехнологий метод SERS вошел в эпоху, когда подложки для SERS спектроскопии представляют собой высокоточные наноструктуры с контролируемым распределением рисунка по поверхности и используют в качестве активной области такие металлы, как золото и серебро. Другим типом SERS могут также являться структуры, основанные на использовании коллоидных растворов с частицами золота и серебра.

Рис. 1. Схематичный пример получения рамановского спектра с использованием SERS.

Рамановские спектрометры для SERS

Для разработчиков SERS или для конечных пользователей, которые заинтересованы в применении SERS в определенной области, центральным элементом их установки или экспериментальной платформы является рамановская система, которая должна обеспечивать производительность как надежная установка лабораторного класса, а также должна быть доступной и портативной, позволяя пользователю решать современные проблемы и задачи. Новое поколение дисперсных портативных рамановских спектрометров приблизило технологию SERS на один шаг ближе к решению задач нынешнего времени.

В силу того, что рабочая область SERS подложек, на которую наносится небольшая капля исследуемого вещества в растворе, очень мала (≈ 5×5 мм), точная фокусировка лазерного излучения на такую поверхность является важным требованием для портативных рамановских спектрометров. Не смотря на то, что рамановские системы с микроскопами настольного типа удовлетворяют вышеописанному требованию, тот факт, что такие системы не могут быть с легкостью перемещены с одного места на другое, мешает разработчикам в области SERS внедрять свои технологии в такие области, как производственные линии на предприятиях, исследования в полевых условиях, диагностика и анализ мест, которые, по умолчанию, предполагают использование SERS (например, места криминалистической и судебной экспертизы). Дополнительно, высокая стоимость рамановских систем с микроскопами лабораторного уровня также ограничивает возможности применения в современных задачах.

Компания B&WTek (мировой лидер в области портативных рамановских решений) предлагает использовать портативную систему, состоящую из компактного рамановского спектрометра i-Raman Plus с небольшим видеомикроскопом BAC151B – такая система идеально подходит для SERS исследований. К тому же, данный микроскоп может быть с легкостью помещен в специальный переносной бокс BAC152, позволяющий увеличить производительность системы в полевых условиях, а также защищающий оператора от потенциально опасного лазерного излучения. Для применений на основе коллоидных растворов, когда измерение необходимо проводить непосредственно через раствор, находящийся в кювете, совместно со спектрометром i-Raman Plus может использоваться специальный держатель кювет BCR100A, который оснащен специальным параболическим зеркалом, позволяющим увеличить интенсивность сигнала в несколько раз по сравнению с системой без подобного держателя.

Рис. 2. Комплект оборудования, позволяющий заниматься SERS исследованиями как в лабораториях, так и вне.

Высокое отношение сигнал/шум для увеличения порога регистрации

Спектрометр i-Raman Plus отличается дизайном исполнения: в его состав включен ПЗС детектор, утонченный с тыльной стороны (улучшает чувствительность), с термоэлектрическим охлаждением до -2°C (уменьшает уровень шумов). По сравнению с обычными ПЗС детекторами, на которое излучение падает с передней стороны, и квантовая эффективность которых достигает всего 50% в пике, ПЗС детектор в данном спектрометре имеет квантовую эффективность свыше 90%. Кроме того, поскольку эффективность рамановского сигнала очень мала (всего несколько из 106 – 107 возбуждаемых фотонов приходится на рамановский сигнал), важно, чтобы собственные шумы электроники были также на очень низком уровне, сравнимом с составляющей рамановского сигнала.

Термоэлектрическое охлаждение ПЗС устройств эффективно снижает их собственные шумы: темновой шум уменьшается в два раза на каждые понижаемые 7°C относительно шумов при обычной рабочей температуре ПЗС. Таким образом, детектор, используемый в спектрометре i-Raman Plus, позволяет проводить измерения со временем интегрирования до 30 мин. Данное отличие позволяет значительно увеличить порог регистрации прибора, что дает возможность исследовать процессы с низкой интенсивностью излучения, такие как SERS спектроскопия. Также, для снижения влияния флуоресценции рекомендуется использовать в качестве источника возбуждения лазер с длиной волны 785 нм.

Высокое спектральное разрешение для разделения пиков подложки и образца

Активные поверхности некоторых SERS подложек имеют собственные характерные пики комбинационного рассеяния. Когда пики в рамановском спектре исследуемого материала находятся в непосредственной близости от пиков рамановского спектра подложки, крайне важно, чтобы пики образца было возможно отделить от пиков подложки. Спектральное разрешение прибора i-Raman Plus составляет 4.5 см^-1, что является достаточным для того, чтобы разрешить два даже очень близко расположенных друг к другу пика. На рис. 3 показан пример двух близко расположенных пиков, один из которых дает сама SERS подложка (641 см^-1), а второй пик принадлежит веществу, сигнал от которого усиливается с помощью SERS подложки (625 см^-1). Оба пика, не смотря на их близость, хорошо различаются при использовании портативного спектрометра i-Raman Plus.

Рис. 3. Пример разрешения двух близко расположенных пиков.

Небольшой диаметр лазерного луча и точная фокусировка

Как уже говорилось выше, ввиду небольшого размера активной области SERS подложек, очень часто для работы с ними требуется малый диаметр лазерного луча, а также точная фокусировка с возможностью управления. Использование такого дополнительного оборудования, как портативный микроскоп BAC151B, совместно со спектрометром i-Rama Plus позволяет получать на образце диаметр лазерного луча от 26 мкм до 420 мкм (в зависимости от увеличения используемой линзы). В таблице 1 представлены варианты доступных для микроскопа объективов с их техническими параметрами, оптимизированных под работу в подобной установке.

Таблица 1. Характеристики используемых объективов

Лазерная безопасность и блокировка внешних засветок

Поскольку большинство SERS подложек могут работать как зеркало и, тем самым, могут отразить падающее на них лазерное излучение, – важно иметь специальное защитное ограждение, которое будет обеспечивать безопасность оператора и, одновременно, будет препятствовать попаданию на активную область внешнего мешающего излучения (дневной свет, офисные лампы, свет от экранов мобильных телефонов и мониторов ПК и т.п.). В связи с этим компания BWTek разработала специальный бокс BAC152 класса лазерной безопасности Class 1, которые одновременно защищает оператора от лазерного излучения и блокирует внешнее мешающее излучение.

Заключение

Портативный рамановский спектрометр i-Raman Plus совместно с микроскопом BAC151B и защитным ограждением BAC152 является идеальной установкой для проведения исследований методом SERS. Такая система позволяет достигать не только высокого отношения сигнал/шум, обеспечивающего более высокую чувствительность, но также позволяет с высокой точностью фокусировать на образце лазерный луч необходимого диаметра – это позволяет, например, находить различия в структуре гомогенных образцов или искать соответствия в гетерогенных образцах.

Подробные характеристики компактного рамановского спектрометра i-Raman Plus

Ссылки

^[1] B. Sharma, R. R. Frontiera, A.I. Henry, E. Ringe, and R. P. Van Duyne, Materials Today, JAN-FEB 2012, Vol 15, Number 1-2.
^[2] S. Botti, S. Almaviva, L. Cantarini, A. Palucci, A. Puiu and A. Rufoloni, J. Raman Spectroscopy, 2013, 44, 463–468.