Эта публикация отражает содержание доклада «Введение в спектроскопию комбинационного рассеяния света. Часть 2. Рамановская спектроскопия для чайников», прочитанного на одноименном вебинаре 15 апреля 2024 года.
Основы Рамановской спектроскопии: физика метода, устройство спектрометров и практическое применение
Доктор физико-математических наук,
технический директор компании PhotonView,
производителя оптического оборудования (в частности, рамановских спектрометров).
Эта статья основана на втором вебинаре из серии, которую организует компания ДИАЭМ — эксклюзивный дистрибьютор рамановских спектрометров на территории Российской Федерации. Серия посвящена современным возможностям рамановской спектроскопии. Сегодня мы говорим о «рамановской спектроскопии для чайников» — то есть о базовых физических принципах метода, о конструкции приборов и их характеристиках, а также о практических аспектах их применения.
Физическая суть метода: что такое рамановская спектроскопия
Рамановская спектроскопия основана на интересном физическом эффекте: рассеянии лазерного излучения веществом с возникновением сдвинутых по частоте компонентов. При этом вещество может быть любым — твёрдым телом, кристаллом, жидкостью или химической смесью.
В любом веществе атомы или молекулы непрерывно колеблются — это тепловое движение с определёнными характерными частотами, зависящими от структуры вещества. Если направить на него лазерное излучение, то, взаимодействуя с этим движением, свет будет рассеиваться. В результате мы получаем сложный сигнал, который состоит как из исходной частоты лазера, так и из новых компонентов, связанных с колебаниями вещества.
Если провести аналогию, это напоминает радиопередачу: несущий радиосигнал модулируется аудиосигналом и передаётся в эфир. В случае рамановской спектроскопии несущая частота — это частота лазера (сотни ТГц), а «модулирующим» сигналом выступают тепловые колебания атомов (ТГц-диапазон). Результирующий спектр можно разложить на три компонента:
1. Центральная линия (частота лазера).
2. Компоненты с частотой выше (антистоксовые линии).
3. Компоненты с частотой ниже (стоксовые линии).
Уникальный «отпечаток пальца» вещества
Каждое вещество обладает уникальным набором колебательных частот. На спектре это проявляется как уникальный рисунок острых пиков — так называемый Рамановский отпечаток пальца (Raman fingerprint). По их положению и интенсивности можно однозначно идентифицировать вещество.
В реальных измерениях чаще всего используется стоксовая часть спектра, поскольку антистоксовые линии ослаблены и избыточны с информационной точки зрения.
Конструкция рамановского спектрометра
Для получения и анализа такого спектра используется рамановский спектрометр. В нашей компании базовая конструкция компактного спектрометрического блока может применяться в разных модификациях:
• портативный настольный прибор (корпус с лазером, оптикой и спектрометром);
• переносной прибор с аккумулятором и планшетом для полевых условий;
• спектрометр на микроскопе — для анализа микрообъектов;
• автоматизированный сканирующий микроскоп — с анализом по поверхности.
Принципиальная схема устройства
Поток лазерного излучения фокусируется на образце через линзу. Отражённый и рассеянный свет возвращается обратно, проходит через фильтр (отсеивающий мощную лазерную компоненту), затем попадает в спектроскопический модуль.
В модуле:
1. Свет проходит через входную щель (ширина 30 или 50 мкм — определяет спектральное разрешение).
2. Затем он попадает на дифракционную решётку (от 600 до 1800 штрихов/мм).
3. Разложенный по длинам волн свет фиксируется на ПЗС-матрице (для 350–1100 нм) или InGaAs-матрице (для длин волн >1000 нм).
Выбор компонентов согласуется с используемым лазером и нужной длиной волны.
Особенности выбора лазера
В наших приборах используются лазеры с длинами волн:
• 532 нм
• 638 нм
• 785 нм
• 1064 нм
Вопрос — зачем столько лазеров, если набор Рамановских линий не зависит от длины волны?
Ответ — из-за люминесценции, которая возникает при возбуждении веществ. Эта подсветка мешает видеть слабые Рамановские пики. Её интенсивность резко уменьшается с ростом длины волны лазера (пропорционально четвёртой степени частоты). Поэтому для сильно флуоресцирующих объектов часто используется 785 или 1064 нм.
Компания ДИАЭМ имеет весь спектр оборудования для проведения тестов и может подобрать оптимальный лазер для конкретной задачи.
Важно: диапазон до 4000 см⁻¹необходимдляанализаводы (линиямежду 3000–4000 см⁻¹), чтоважноприработесрастворамиивбиохимии.
Практика применения и особенности работы
Работа с настольными портативными приборами максимально проста. Основной элемент — выходная часть, где лазер фокусируется на объект. Для этого применяются сменные насадки:
• радиальная (жидкости, сыпучие материалы);
• зажимная (твёрдые тела);
• для измерения через круглую поверхность (бутылки, ампулы и пр.).
Прибор подключается по USB, управляется простым ПО.
Рамановская микроскопия
Очень востребована установка спектрометра на микроскоп. В этом случае:
• точка оптического фокуса микроскопа совпадает с точкой съёма спектра;
• используются объективы от 5× до 100×;
• доступно наблюдение в окуляры и через камеру;
• возможна установка моторизированного столика с точностью хода до 1 мкм.
Измерения выполняются просто: подбирается увеличение, наводится резкость, далее включается сбор спектра.
Безопасность работы
Рамановские спектрометры относятся к классу лазерной безопасности 3B. При работе обязательно использовать защитные очки, чтобы избежать случайного попадания бликов лазера в глаза.
Пример реального спектра
На вебинаре мы рассмотрели пример спектра раствора сульфацетамида в воде:
• Чёткие пики Рамановского рассеяния вещества наблюдаются до ~2000 см⁻¹.
• Широкая полоса воды — между 3000 и 4000 см⁻¹.
По отношению пиков воды и вещества можно калибровать прибор для количественного анализа раствора.
Практические вопросы и ответы
Какие линзы используются?
Стандартные микроскопные объективы 5×, 10×, 20×, 50×. Возможны специальные объективы для ИК-диапазона или близкофокусные по запросу.
Если вещества нет в библиотеке?
Прибор позволяет записать новый спектр, добавить его в библиотеку и использовать для последующих измерений.
Что делать с цветными объектами?
Цветные объекты часто дают сильную флуоресценцию. Решение — использовать лазер с большей длиной волны (например, 1064 нм).
Библиотека спектров
Мы поставляем обширную библиотеку (более 20 000 спектров) — органика, неорганика, кристаллы, биоматериалы и пр. Дополняем её за счёт измерений в нашей лаборатории.
Заключение
Рамановская спектроскопия — мощный метод, который позволяет получать уникальные спектральные «отпечатки» веществ. Она проста в применении (включая возможность измерений через упаковку), высокочувствительна, подходит для самых разных задач: от контроля качества материалов до научных исследований.
Компания Фотон-Био в партнёрстве с ДИАЭМ предлагает полный спектр решений — от портативных спектрометров до микроскопных систем и автоматизированных сканеров.
Если вам нужно подобрать оборудование под конкретные задачи — свяжитесь с нашими специалистами, мы поможем определиться с моделью, комплектацией и сроками поставки.
Компания Диаэм — ваш надежный партнёр в области лабораторного и аналитического оборудования.
Страница вебинара «Введение в спектроскопию комбинационного рассеяния света. Часть 2. Рамановская спектроскопия для чайников» от 15 апреля 2024 года.