Публикации: Научно-популярные статьи

Приглашаем к участию в XII Всероссийской олимпиаде про нанотехнологиям!

Спектроскопия комбинационного рассеяния является одним из современных и крайне востребованных методов анализа веществ и материалов, который все чаще в последнее время используется для исследований наноматериалов, а также сам использует плазмонные наноструктуры для реализации спектроскопии комбинационного рассеяния.

Происхождение молекулярных спектров и спектры комбинационного рассеяния

Полную энергию молекулы в первом приближении можно разделить на три составляющие: вращение молекулы как целого, колебание составляющих ее атомов и движение электронов. Энергией поступательного движения молекулы в данном случае можно пренебречь. Основанием для такого разделения является то, что скорости этих процессов заметно различаются: скорость движения электронов существенно выше скорости атомных колебаний, которая намного превосходит скорость вращения молекулы. Если сообщить молекуле энергию, например, при облучении светом, то в случае выполнения закона Бора (Формула 1) может произойти обмен энергией, и молекула перейдет из состояния Е₁ в состояние Е₂. При переходе из Е₂ в Е₁молекула испускает излучение той же частоты.

Наиболее близко расположены вращательные уровни, и переходы между ними наблюдаются в низкочастотной области (типично 1–10² см^-1, микроволновая и дальняя ИК область). Дальше друг от друга отстоят колебательные уровни (10²–10⁴ см^-1, ИК область), а электронные переходы между значительно удаленными друг от друга электронными уровнями осуществляются в интервале 10⁴–10⁶ см^-1 (видимая и УФ область). Рассмотрим подробнее колебательные спектры, которые экспериментально изучаются как ИК спектры и спектры комбинационного рассеяния (КР).

Происхождение этих типов спектров различно. ИК спектры наблюдаются как спектры поглощения в ИК области и связаны с переходами между колебательными уровнями молекулы. Спектры КР связаны с электронной поляризацией под действием УФ и видимого излучения. При облучении молекулы светом с частотой n она, в результате индуцированной им поляризации, рассеивает излучение не только это частоты, но и Форула 2 (Рис. 1). Таким образом, спектр КР представляет собой разности частот падающего и рассеянного излучения.

Объяснить происхождение спектров КР можно с помощью классической теории. Будем рассматривать падающую на молекулу световую волну как электромагнитное поле с некоторой частотой колебания (Формулы 3-7).

При стоксовом рассеянии молекула из состояния с 0 переходит в состояние с 1, а при антистоксовом – из состояния с 1 – в состояние с 0. Поскольку из закона распределения Максвелла-Больцмана следует, что заселенность состояния с 0 больше, чем с 1, интенсивность стоксовых линий всегда выше, чем антистоксовых, поэтому в спектрах обычно измеряют именно стоксовы линии. При повышении температуры, однако, интенсивность антистоксовых линий растет из-за частичного теплового заселения возбужденных колебательных состояний E_i. Интенсивность стоксовых линий КР пропорциональна (Формула 8). В качестве примера приведем спектр КР CCl₄, полученный при возбуждении аргоновым лазером (λ=488 нм).

Примерная схема рамановского эксперимента включает следующие элементы:

• Монохроматический источник света (обычно лазер)
• Устройство подсветки образца и сбора рассеянного света (часто это - микроскоп),
• Средство фильтрации излучения, выделяющие малую часть диапазона длин волн, отвечающую рамановскому рассеянию (часто голографическая 'метка' или диэлектрические фильтры 'края')
• Устройство (такое как дифракционная решетка) для расщепления рассеянного света на составляющие длины волны, то есть спектр.
• Светочувствительное устройство для детектирования (обычно камера CCD-«charge-coupled device»)

Каждый из элементов оптической схемы может являться источником того или иного эффекта дающего вклад в фоновый сигнал. Следует учесть, что рассеянный свет составляет очень малую долю от падающего (~10^-5-10^-7), поэтому любое попадание, даже малой доли исходного пучка на детектор даст очень значительный вклад в сигнал. Ниже для каждого источника шума я привожу максимально возможные оценочные значения вклада в спектр исходя из облучения образца гелий-неоновым лазером (633 нм) и считая что интенсивность прямого пучка на детекторе составляет 10¹² импульса в секунду, в таком случае полезный рамановский сигнал высокой интенсивности (например G-mode графита) будет составлять порядка 10⁶ импульса в секунду (max 10⁷), также в количественной оценке сигнала шума я привожу параметры, оказывающие основное влияние на интенсивность шума.

Факторы, влияющие на появление шума (привожу в порядке уменьшения значимости по отдельным частям прибора):

1. Лазер
   1. Форма лазерного пучка не является идеальной, в результате чего наблюдается частичное рассеяние (~ 10 единиц интенсивности при недостаточной коллимации пучка, зависит от давления газового лазера и температурных колебаний внутри лазера)
   2. Пучок света, созданный лазером не является полностью монохроматическим, т.е. имеет интервал, в котором колеблется длинна волны лазера (<<1 единиц интенсивности, зависит от давления газа)
2. Оптический путь
   1. Пыль на пути лазера, частично рассеивающая и поглощающая энергию, может вызывать появление дополнительных рефлексов невысокой интенсивности (100, зависит от запыленности помещения и т.д.)
   2. Рассеяние за счет неидеальной формы линз (до 100 единиц интенсивности, в основном ввиду переотражений, локального разогрева и т.д.)
   3. Качество материала, из которого изготовлена линза (1, все дефекты такие как микротрещины и пузырьки будут естественным образом рассеивать свет)
   4. Рассеяние пучка на зеркалах
   5. Частичное поглощение пучка линзами и зеркалами, в результате чего наблюдается нагрев части элемента, через который проходит лазер (1)
   6. Неидеальная дифракционная решетка (>1)
   7. Неидеальная форма щелей

Следует отметить, что ввиду большого количества оптических элементов эффекты от различных частей оптической системы могут суммироваться.

1. Образец
   1. Люминесценция образца из-за высокой энергии лазерного пучка
   2. Другие энергетические переходы на молекулах
   3. Механические колебания образца (колебание стенда)
2. Детектор
   1. Теневой ток на полупроводниковом типе детекторов (>10)
   2. Свет, попадающий на детектор (>10)
   3. Гамма частицы (<1)

Решение проблем

1. Лазер
   1. Уменьшить давление газа для уменьшения величины δλ, но при этом появляется проблема запуска установки. Так же возможно использование лазера с более низким δλ, этот фактор будет влиять основном на ширину рефлексов (ошибка идет только в 3-ем знаке после запятой, т.е. при λ=633 нм результат будет равен 15797.788 а при λ=633.0001 – 15797.787)
   2. Поскольку эффективность КР пропорциональна λ^-4, увеличение длины волны лазера уменьшает эффективность рассеяния.
   3. Внедрение термостабилизации лазера, что так же позволит уменьшить величину δλ
   4. Выходная линза лазера должна иметь максимальные показатели (так же как и другая оптика в приборе) это обеспечит лучшую фокусировку выходного луча лазера
2. Оптический путь
   1. Материал, из которого изготовлены линзы, должен быть наилучшего качества (наименьшее поглощение, отсутствие микротрещин), следует перед установкой линзы провести ее проверку на наличие микропузырьков, так как они могут вызвать значительные отклонения, особенно линзы находящиеся после дифракционной решетки. Средняя потеря на обычном стекле с минимальным количеством дефектов составляет около 1%, на оптическом кварце 0.1% (так что желательно использование оптического кварца)
   2. Форма поверхностей линз должна быть максимально приближена к сферической иначе будет проявляться сферическая аберрация, результатом которой станет появление шума за счет фотонов пошедших по искривленному пути (стандартные линзы имеют величину ~ 80%, желательно >98%), возможно дополнительное снижение аббераций за счет применения системы линз (см рис)
   3. Зеркала, так же как и линзы должны обладать минимальным количеством дефектов и иметь низкий коэффициент поглощения.
   4. Форма щелей должна быть максимально приближена к идеальной для создания пучка с минимальным рассеянием
   5. Защита оптической системы от пыли за счет минимального вмешательства человека внутрь системы (требует максимальной стабильности работы всей обслуживающей аппаратуры, но очень существенно снизит уровень шума)

i. Вся система зеркал должна находиться в закрытом пространстве, максимально защищенном от попадания в него пыли.

ii. Система термостабилизации оптической системы (обдувание воздухом определенной температуры) с фильтром пыли на входе – обеспечит отсутствие термической деформации линз и уменьшение кол-ва пыли внутри прибора.

iii. Автоматическая очистка оптики от пыли (система аналогичная дворникам)

iv. Автоматическая смена линз при изменении длины волны лазерного излучения (позволит не вмешиваться человеку внутрь прибора и минимизировать количество пыли, попадающей в прибор)

v. Полная изоляция прибора от внешнего света (в том числе части стенда с образцом, чтобы исключить не только прямое попадание света на детектор, но и проход его через объектив по всему оптическому пути)

1. Образец
   1. Для уменьшении вибрации образца необходимо применить либо механической стабилизации образца за счет пневматического стенда, либо активной системы виброизоляции.
   2. При появлении люминесценции образца возможен переход на другую длину волны, что-либо существенно снизит уровень люминесценции, либо приведет к полному исчезновению данного эффекта
2. Детектор
   1. Выбор полупроводникового детектора с минимальной величиной темнового тока, либо замена на детектор из светочувствительных пластин, что полностью исключит появление темнового тока, но при этом снизит качество получаемых данных
   2. Экранировать сам детектор (что достаточно сложно) плюс поместить спектрометр в максимально экранированную комнату, тогда вероятность попадания гамма частицы на детектор снизится
   3. В случае использования CCD камеры можно использовать дополни тельную возможность охлаждения датчика жидким азотом, что даст более высокую точность за счет уменьшения темнового тока, плюс возможность термостабилизации детектора (эта функция может не использоваться в случает измерений не требующих высокой точности)
   4. Обеспечить минимальное количество наводок за счет расположения детектора на максимальном расстоянии от приборов распространяющих электромагнитное поле и максимально короткого пути от аналогового датчика до цифрового преобразователя (цифровому сигналу наводки не страшны, в крайнем случае можно применить модуляцию сигнала, либо систему контроля потери и изменения пакетов)
3. Математическая обработка данных за счет сканирующего движения дифракционной решетки (в любом случае для одного пика мы получаем несколько описывающих его точек, соответственно, использование подходов теории вероятности (критерий Стьюдента) возможно удаление части шумовых пиков, что позволит снизить уровень шума до 10 раз). Данная обработка должна проводиться прибором сразу после проведения сканирования данной области это обеспечит более высокую скорость работы, чем при передаче данных на компьютер и обработки их его процессором.
4. Математическую обработку спектра можно также проводить с использованием стандартных подходов вейвлет - анализа, что позволит разделить линии по ширине.

Кроме того для увеличения соотношения сигнал/шум можно добиться усилением рамановского сигнала. Было создано несколько разновидностей рамановской спектроскопии, включающих увеличение чувствительности, (например, поверхностно-чувствительная рамановская спектроскопия), пространственного разрешения (рамановская микроскопия) или получение специфической информации (резонансная рамановская спектроскопия).

1. Поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия (SERS – surface enhanced raman scattering). Обычно применяется для образцов, содержащих золото или серебро. В результате лазерного облучения поверхностью металла образуются плазмоны, увеличивая электрическое поле вокруг металла. Поскольку интенсивность сигнала в КР пропорциональна электрическому полю, сигнал существенно возрастает (до 10¹¹ раз).
2. Резонансная рамановская спектроскопия. Длина волны возбуждения подбирается в соответствие с электронными переходами молекулы или кристалла, так что колебательные моды, соответствующие возбужденному электронному состоянию, существенно усиливаются. Это особенно важно при изучении больших молекул, таких как полипептиды, в «обычных» КР спектрах которых проявляются сотни полос.
3. Рамановская спектроскопия с оптическим пинцетом. Используется для изучения индивидуальных частиц, а также биохимических процессов в клетках, улавливаемых оптическим пинцетом – прибором, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света.
4. Когерентная анти-стоксова рамановская спектроскопия. С помощью двух лазерных лучей генерируются когерентные лучи анти-стоксовой частоты, которые могут быть далее резонансно усилены.
5. TERS (tip enhanced raman scattering). Принцип действия полностью соответствует поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии, с той лишь разницей что в качестве частицы усиляющей сигнал используют зонд AFM. Это дает еще одно преимущество в виде увеличения пространственного разрешения.