Raman Spectroscopy Instrumentation

Questa guida elenca alcune delle cose chiave che si dovrebbe prendere in considerazione se avete intenzione di progettare uno strumento Raman. Se vuoi saperne di più sulle basi della spettroscopia Raman puoi visitare la nostra pagina dell’applicazione.

Prima di tutto, le parti necessarie per la strumentazione Raman sono:

  • Uno spettrometro
  • Un laser
  • Una sonda (ottica di consegna e raccolta)

Vedi la nostra linea di prodotti Raman qui

Di seguito, descriveremo le opzioni per ogni articolo in modo più dettagliato.

Strumentazione per spettroscopia Raman
Strumentazione Raman

Spettrometro per strumenti Raman

Gli spettri Raman sono caratterizzati da due caratteristiche. I picchi sono nitidi e spesso ravvicinati e il livello del segnale è molto basso. Per questo motivo, uno spettrometro tipico per la spettroscopia Raman dovrebbe mostrare alta risoluzione e alta sensibilità. L’alta risoluzione in genere significa risoluzione sub-nanometrica e viene normalmente ottenuta utilizzando una stretta fessura all’ingresso dello spettrometro. Tuttavia, una fessura stretta significa anche bassa sensibilità, quindi dovresti sempre considerare l’utilizzo di uno spettrometro con la risoluzione numericamente più alta con cui puoi vivere e ottenere comunque buoni risultati spettrali.

La sensibilità dello spettrometro può essere influenzata da diversi fattori. Prima di tutto l’ottica utilizzata dovrebbe preferibilmente essere trasmissiva piuttosto che riflettente. Il motivo è che le ottiche di trasmissione (come le lenti e le griglie di trasmissione) hanno un throughput più elevato rispetto alle loro controparti riflettenti (specchi e griglie di riflessione). Inoltre, uno spettrometro con un’alta apertura numerica sarà in grado di raccogliere più luce dal campione e quindi essere più sensibile di uno con un’apertura numerica inferiore. Tuttavia, una grande apertura numerica porterà generalmente a ottiche più grandi e costose. Quindi, se stai cercando uno spettrometro Raman per uno strumento portatile e/o compatto, potresti dover accettare un’apertura numerica inferiore e quindi una sensibilità inferiore.

Come detto sopra la larghezza della fessura dello spettrometro è generalmente piuttosto stretta per ottenere una buona risoluzione. Tuttavia, la sensibilità dello spettrometro può essere aumentata utilizzando un’apertura a fessura alta (spesso diversi mm) e un rivelatore con pixel altrettanto alti (o un array di rivelatori 2D).

Poiché i rivelatori utilizzati per la spettroscopia sono rivelatori di tipo integrazione, è possibile aumentare il livello del segnale dello spettro Raman integrandolo per un lungo periodo di tempo. Non è raro integrare per più di 1 secondo. Sfortunatamente, la carica scura di un rilevatore aumenta anche con il tempo di integrazione e nel peggiore dei casi potresti saturare il rilevatore con la sola carica scura senza lasciare alcuna gamma dinamica per il tuo segnale reale. Il modo per risolvere questo problema è raffreddare il chip del rivelatore poiché l’accumulo di carica scura è proporzionale alla temperatura. Per la strumentazione Raman di fascia alta, il rilevatore potrebbe essere raffreddato a -60 gradi C mentre gli strumenti di fascia media potrebbero essere raffreddati solo a -10 gradi C. Per gli strumenti portatili che spesso devono essere alimentati a batteria, si desidera evitare il raffreddamento perché consuma molta energia. Ciò significa che i tempi di integrazione per i dispositivi palmari sono spesso limitati a meno di 1 sec.

Maggiori informazioni sugli spettrometri Raman portatili qui

Laser

I parametri chiave per il laser sono la lunghezza d’onda del laser e l’uscita ottica del laser. Raman è una tecnica spettroscopica vibrazionale e si può fondamentalmente utilizzare qualsiasi lunghezza d’onda laser per modificare gli stati vibrazionali delle molecole del materiale campione. Ci sono, tuttavia, diversi fattori che influenzano la scelta della lunghezza d’onda del laser e probabilmente dovrai fare alcuni compromessi. Tutti i materiali presentano Raleigh-scattering che crea un livello di base nel vostro spettro Raman che può essere più grande del segnale Raman e quindi rendere difficile per rilevare il segnale Raman. Poiché lo scattering di Rayleigh è proporzionale a 1 / λ4, si otterrebbe lo scattering più basso scegliendo una lunghezza d’onda laser lunga. Sfortunatamente, molti materiali presentano fluorescenza a una lunghezza d’onda più lunga e la fluorescenza creerà anche un livello di fondo che può mascherare i picchi Raman. Un’ulteriore complicazione con lunghezze d’onda superiori a 1100 nm è che è necessario utilizzare speciali rivelatori realizzati per esempio da InGaAs che è generalmente molto più costoso di rivelatori di silicio che possono essere utilizzati fino a 1100 nm.

La lunghezza d’onda del laser più popolare per Raman è 785 nanometro perché è un buon compromesso fra scattering e fluorescenza per la maggior parte dei materiali. Inoltre, con 785 nm come lunghezza d’onda del laser, è possibile coprire fino a 3650 cm-1 (1100 nm) di spostamento Raman e utilizzare ancora un rilevatore CCD al silicio. Altre lunghezze d’onda comuni utilizzate sono 532 nm, 830 nm e 1060 nm.

La scelta della potenza laser dipende principalmente dal target di costo e dalla soglia di danno del campione. Ovviamente, maggiore è la potenza di uscita è necessario maggiore è il costo del laser. Inoltre, se la vostra densità ottica di potere sul campione diventa troppo alta potete danneggiare o cambiare il vostro campione che è indesiderabile. Ad esempio, se stai misurando sulla pelle umana, ad esempio, non vuoi bruciare il paziente.

Sonda

La funzione della sonda è quella di guidare la luce dal laser e concentrarla sul campione (questa è l’ottica di consegna) e raccogliere il segnale Raman dal campione e guidarlo allo spettrometro (questa è l’ottica di raccolta). Nell’ottica di raccolta, sarà necessario posizionare un filtro di bordo che blocchi la lunghezza d’onda del laser dall’entrare nello spettrometro.

La sonda può essere basata su fibre multimodali o su componenti ottici a spazio libero.

Il vantaggio dell’ottica dello spazio libero è che è l’opzione di perdita più bassa. Le lenti con buoni rivestimenti AR possono spesso trasmettere fino al 99% della tua luce, il che significa che perdi solo una piccola percentuale dei tuoi preziosi fotoni Raman nell’ottica della sonda. D’altra parte, l’ottica dello spazio libero richiede un allineamento molto preciso dei vari elementi e con lo spettrometro. Inoltre, se stai usando una fessura alta nel tuo spettrometro, vorresti includere un’ottica extra da convertire dal tuo punto laser circolare sul campione in una linea all’ingresso dello spettrometro.

Il vantaggio principale dell’utilizzo della fibra ottica è che rilassa la necessità di un allineamento accurato. Se si utilizza una fessura alta, è anche possibile utilizzare un cavo di fascio di fibre in cui le fibre sono disposte in cerchio verso il campione e lungo una linea corrispondente alla dimensione della fessura verso lo spettrometro. La fibra ottica, tuttavia, ha lo svantaggio principale che è lossy. Si può perdere fino al 50% del segnale Raman passando attraverso la fibra(s).

Maggiori informazioni sugli spettrometri Raman portatili qui

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato.