Спектрометрия комбинационного рассеяния

Известный эффект Рамана своим способом поглощения квантов энергии и возбуждения вращений и колебаний значительно отличается от всех прочих молекулярных спектров. Здесь речь идет не об эмиссионной либо абсорбционной спектроскопии, а о спектроскопии рассеянного излучения. Спектры комбинационного рассеяния (КР) получают при облучении образца светом определенной длины волны. При взаимодействии спектра с пробой начинается процесс неупругого рассеяния, именуемый эффектом Рамана, или комбинационным рассеянием. Наблюдаемые линии такого спектра могут быть однозначно отнесены к колебаниям молекул исследуемого вещества и в зависимости от значения частоты, интенсивности и формы линий позволяют сделать вывод о структуре и идентичности пробы.

Рисунок 1 - Иллюстрация соотношения спектров комбинационного рассеяния и фотолюминесценции

Важнейшим преимуществом КР спектрометрии, по сравнению с другими аналитическими методами, являются простота пробоподготовки и возможность анализировать образцы через пластиковую или стеклянную упаковку. Толщина образца не вызывает проблем для КР спектрометрии, не требуется вакуумирование или осушка кюветного отделения для образцов.

КР спектрометрия – это неразрушающий метод анализа. Для большинства применений нет необходимости растворять твердые тела, прессовать таблетки, или иным образом менять физическую или химическую структуру образца. Поэтому КР спектрометрия широко используется для анализа таких физических свойств, как кристалличность, фазовые переходы и полиморфные состояния.

Компания ООО «Инновационная техника и технологии» давно и успешно разрабатывает спектрометрическое оборудование различных классов: спектрометры диффузного рассеяния, пропускания, зеркального отражения для УФ-, видимой и БИК- областей. Нашей новой разработкой является по-настоящему инновационный прибор, позволяющий получать спектры комбинационного рассеяния в полевых и лабораторных условиях.

Рисунок 2 - Внешний вид спектрометра комбинационного рассеяния с пробником 

Серьезным ограничением метода КР спектрометрии является то, что любое резонансное взаимодействие, например флуоресценция, способно полностью скрыть спектр КР. Благодаря тому, что в приборе используется лазер, излучающий свет в ближнем инфракрасном диапазоне (1064 нм), возможен анализ материалов, которые не могут быть определены при более низких длинах волн возбуждения, вследствие сильной флуоресценции. Максимальная мощность лазера достигает 1 ватта, что является наибольшей мощностью источника излучения среди всех аналогичных портативных приборов. Благодаря этому становится возможным анализ веществ даже со слабым КР откликом.

Прибор выполнен по классической схеме Черни-Тернера. Все ответственные оптико-механические узлы выполнены из титана, который обладает малым коэффициентом теплового расширения.

Рисунок 3 - Схема оптическая функциональная спектрометра (Черни-Тернера) 

Благодаря этому, прибор может работать в широком температурном диапазоне, без угрозы разъюстировки оптической схемы.

Плотно сфокусированный лазерный луч может привести к зашумленности или полному отсутствию сигнала комбинационного рассеяния из-за критического нагрева образца, что приводит к ошибкам в определении компонентов образцов. Увеличение же размера пятна фокусировки лазера ослабляет интенсивность полезного отклика. С целью исключить влияние этих негативных факторов в наших пробниках для Раман-спектрометрии предусмотрена система кругового сканирования, что увеличивает площадь сбора информации, при этом не приводя к тепловому разрушению образца. Возможность сканирования приводит к уверенной идентификации компонентов в сложных смесях и в неоднородных образцах.

Рисунок 4 - Внешний вид пробника  Раман-спектрометра в разрезе

Благодаря многостадийной системе охлаждения фотодетектора возможно получение качественных КР спектров даже при температуре окружающей среды, достигающей +50⁰С.

Для дальнейшего исследования спектров, полученных с прибора, было разработано исследовательское приложение, представляющее собой систему обработки и анализа спектров.

Рисунок 5 - Внешний вид окна программного обеспечения 

Основной метод идентификации – PLS-DA (Projection to Latent Structures - Discriminant Analysis). Он позволяет выполнять обучение алгоритма при относительно небольшом размере обучающей выборки (десятки образцов), а также тонко выделять признаки для выполнения классификации исследуемых веществ.

Рисунок 6 - Иллюстрация выборки методов PLS-DA 

Область применения данного класса приборов очень обширна. Это и химическая, фармацевтическая, сельскохозяйственная промышленность, экология, судебно-медицинская экспертиза, обнаружение взрывчатых веществ и многое другое.

На рисунках приведены примеры спектров различных веществ, успешно идентифицируемых методами КР-спектрометрии.

Рисунок 7 - Спектры комбинационного рассеяния различных веществ 

Рисунок 8 - Спектры комбинационного рассеяния различных веществ 

Таким образом, ООО «ИТТ» обладает научно-техническим потенциалом для создания спектрометров комбинационного рассеяния, которые способны успешно идентифицировать различные органические вещества, такие как лекарственные препараты, клеи, красители и прочие вещества.