Конфокальный рамановский микроспектрометр OmegaScope от AIST-NT сочетает в себе спектроскопию комбинационного рассеяния света (рамановская спектроскопия) и атомно-силовую микроскопию. Это позволяет исследовать материалы с высокой точностью как в химическом, так и в топографическом аспектах. Применяется при исследовании как наноматериалов в виде тонких пленок, мелкодисперсных порошков, композитных структур, так и объемных образцов (кристаллов, толстых пленок и покрытий).

Основные компоненты установки и их функции:

• Лазерный источник: Обеспечивает возбуждение образца для рамановского рассеяния. Оснащен лазерами различных длин волн (473, 532 и 785нм), которые используются для оптимизации чувствительности и спектрального разрешения, например, для увеличения глубины проникновения излучения, для стимулирования или, наоборот, избегания флюоресценции.
• Конфокальный микроскоп: Система линз и диафрагм, фильтрующая внефокусные лучи и позволяющая фокусировать лазерный луч на небольшой области образца, собирать рассеянный свет с высокой пространственной точностью (~300нм) за счет чего увеличивается контрастность изображения по сравнению с классическими оптическими системами.
• Спектрометр комбинационного рассеяния света, состоящий из двухступенчатого монохроматора, содержащего набор дифракционных решеток (150, 600 и 1800 линий/мм) и систему поляризатор/анализатор, который разделяет рассеянный свет на спектральные компоненты и обеспечивает спектральное разрешение до 0.8см^-1. Также в его состав входит охлаждаемая высокочувствительная CCD-камера, регистрирующая интенсивность комбинационного рассеяния в зависимости от длины волны.

Основные особенности измерений:

• Высокое пространственное разрешение позволяет исследовать очень маленькие участки образца вплоть до субмикронных размеров, а при использовании специализированных зондовых методик до нанометровых размеров.
• Глубинное профилирование: Способность исследовать свойства слоев материала на различной глубине благодаря конфокальной настройке.
• Интеграция с атомно силовым микроскопом
• Корреляционный анализ: Возможность сопоставления топографических данных с химической картиной, полученной с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния.
• Высокая чувствительность, выражающаяся в способности обнаруживать малые концентраций веществ.
• Идентификация материалов: Способность различать материалы с похожими химическими составами благодаря уникальности спектра комбинационного рассеяния.

Применение:

• Материаловедение: Изучение кристаллических структур и фазовых переходов в веществах. Анализ наноразмерных и наноструктурированных материалов.
• Биология и медицина: Исследование клеточных структур и биомолекул.
• Анализ биологических тканей и изучение взаимодействия лекарственных средств с клетками.
• Химия и химическая инженерия: Изучение каталитических процессов и реакционных продуктов. Анализ полимеров и композитных материалов.

Основные принципы рамановской спектроскопии:

Эффект комбинационного рассеяния: Когда монохроматический свет (обычно лазер) взаимодействует с молекулой, большая часть света рассеивается упруго (релеевское рассеяние), то есть без изменения частоты. Небольшая часть света (менее 0,001%) рассеивается неупруго, изменяя свою частоту из-за взаимодействия с вибрационными или ротационными колебаниями молекулы или атомов в кристаллической решетке. Это явление называется комбинационным (рамановским) рассеянием света.

Сдвиг частоты: Стоксовое рассеяние: Если энергия фотона уменьшается (фотон теряет энергию, передавая её молекуле), то частота рассеянного света ниже частоты возбуждающего света. Этот эффект называется стоксовым сдвигом. Антистоксовое рассеяние: Если энергия фотона увеличивается (фотон получает энергию от молекулы), то частота рассеянного света выше частоты возбуждающего света. Этот эффект называется антистоксовым сдвигом. Обычно интенсивность стоксова рассеяния значительно выше антистоксова.

Энергетические уровни: Рамановское рассеяние связано с переходами между различными уровнями энергии молекулы. Основное состояние – это низший энергетический уровень, из которого начинаются большинство переходов (особенно для стоксового рассеяния). Возбужденное состояние - это колебательный уровень, на который переходит молекула после взаимодействия с фотоном.

Поляризуемость молекул: Эффективность рамановского рассеяния зависит от изменения поляризуемости молекулы в процессе колебаний. Поляризуемость — это способность молекулы образовывать временный дипольный момент под воздействием внешнего электрического поля (света).

Процесс рамановского рассеяния:

1. Возбуждение: Лазерный луч направляется на образец, и его фотоны взаимодействуют с молекулами образца.
2. Рассеиваение: Часть света рассеивается молекулами образца. Большинство этого света рассеивается упруго, без изменения частоты.
3. Неупругое рассеяние: Небольшая часть света рассеивается с изменением частоты, что является следствием взаимодействия фотонов с колебательными состояниями молекул.
4. Детектирование: Рассеянный свет собирается и анализируется с помощью спектрометра, который разделяет свет на компоненты с различными частотами и регистрирует их интенсивность.