Raman Spectroscopy Instrumentation

den här guiden listar några av de viktigaste sakerna du bör tänka på om du ska designa ett Raman-Instrument. Om du vill lära dig mer om grunderna i Raman-spektroskopi kan du besöka vår applikationssida.

först och främst är de delar du behöver för Raman instrumentering:

  • en spektrometer
  • en laser
  • en sond (leverans och insamling optik)

se vår Raman-produktlinje här

i det följande kommer vi att beskriva alternativ för varje artikel mer detaljerat.

Raman spektroskopi Instrumentation
Raman Instrumentation

spektrometer för Raman-instrument

Raman-spektra kännetecknas av två egenskaper. Topparna är skarpa och ofta nära varandra och signalnivån är mycket låg. Av denna anledning bör en typisk spektrometer för Raman-spektroskopi uppvisa hög upplösning och hög känslighet. Hög upplösning betyder typiskt sub-nanometerupplösning och erhålls normalt genom att använda en smal slits vid ingången till spektrometern. En smal slits betyder dock också låg känslighet, så du bör alltid överväga att använda en spektrometer med den numeriskt högsta upplösningen du kan leva med och ändå få bra spektralresultat.

spektrometerns känslighet kan påverkas av flera faktorer. Först och främst bör optiken som används helst vara transmissiv snarare än reflekterande. Anledningen är att överföringsoptik (som linser och överföringsgaller) har högre genomströmning än sina reflekterande motsvarigheter (speglar och reflektionsgaller). Dessutom kommer en spektrometer med en hög numerisk bländare att kunna samla in mer ljus från ditt prov och därmed vara känsligare än en med en lägre numerisk bländare. En stor numerisk bländare leder emellertid i allmänhet till större och dyrare optik. Så om du letar efter en Raman-spektrometer för ett handhållet och/eller kompakt instrument kan du behöva acceptera en lägre numerisk bländare och därmed lägre känslighet.

som nämnts ovan är spektrometerens slitsbredd i allmänhet ganska smal för att få en bra upplösning. Spektrometerns känslighet kan dock ökas genom att använda en hög slitsöppning (ofta flera mm) och en detektor med lika höga pixlar (eller en 2D-detektoruppsättning).

eftersom detektorer som används för spektroskopi är integrationstypdetektorer kan du öka signalnivån för ditt Raman-spektrum genom att integrera under lång tid. Det är inte ovanligt att integrera i mer än 1 sekund. Tyvärr ökar den mörka laddningen av en detektor också med integrationstid och i värsta fall kan du mätta detektorn med den mörka laddningen ensam och lämna inget dynamiskt omfång för din riktiga signal. Sättet att lösa detta är att kyla detektorchipet eftersom den mörka laddningsuppbyggnaden är proportionell mot temperaturen. För avancerad Raman-instrumentering kan detektorn kylas till -60 grader C medan mellanklassinstrument endast kan kylas till -10 grader C. för handhållna instrument som ofta måste vara batteridrivna vill du undvika kylning eftersom den förbrukar mycket ström. Detta innebär att integrationstider för handhållna enheter ofta är begränsade till mindre än 1 SEK.

Läs mer om handhållna Raman-spektrometrar här

Laser

de viktigaste parametrarna för lasern är laservåglängden och laserns optiska utgång. Raman är en vibrationsspektroskopisk teknik och du kan i princip använda vilken laservåglängd som helst för att ändra vibrationstillstånden för molekylerna i ditt provmaterial. Det finns dock flera faktorer som påverkar ditt val av laservåglängd och du kommer sannolikt att behöva göra några kompromisser. Alla material uppvisar Raleigh-spridning som skapar en baslinje nivå i din Raman spektrum som kan vara större än du Raman signal och därmed göra det svårt att detektor din Raman signal. Eftersom Rayleigh-spridning är proportionell mot 1 / occur4, skulle du få den lägsta spridningen genom att välja en lång laservåglängd. Tyvärr uppvisar många material fluorescens vid en längre våglängd och fluorescensen kommer också att skapa en bakgrundsnivå som kan maskera dina Raman-toppar. En ytterligare komplikation med våglängder över 1100 nm är att du måste använda speciella detektorer tillverkade av till exempel InGaAs som i allmänhet är mycket dyrare än Kiseldetektorer som kan användas upp till 1100 nm.

den mest populära laservåglängden för Raman är 785 nm eftersom det är en bra kompromiss mellan spridning och fluorescens för de flesta material. Med 785 nm som laservåglängd kan du också täcka upp till 3650 cm-1 (1100 nm) Raman shift och fortfarande använda en kisel CCD-detektor. Andra vanliga våglängder som används är 532 nm, 830 nm och 1060 nm.

ditt val av Laserkraft beror huvudsakligen på ditt kostnadsmål och skadatröskeln för ditt prov. Självklart, ju högre uteffekt du behöver desto högre kostnad för lasern. Om din optiska effekttäthet på provet blir för hög kan du också skada eller ändra ditt prov vilket är oönskat. Som ett exempel, om du mäter på mänsklig hud, till exempel, vill du inte bränna patienten.

sond

sondens funktion är att styra ljuset från lasern och fokusera det på ditt prov (detta är leveransoptiken) och samla din Raman-signal från provet och styra den till spektrometern (detta är din samlingsoptik). I samlingsoptiken måste du placera ett kantfilter som blockerar laservåglängden från att komma in i spektrometern.

sonden kan antingen baseras på multi-mode fibrer eller fritt utrymme optiska komponenter.

fördelen med free space optics är att det är det lägsta förlustalternativet. Linser med bra AR-beläggningar kan ofta överföra upp till 99% av ditt ljus vilket innebär att du bara tappar några procent av dina värdefulla Raman-fotoner i sondoptiken. Å andra sidan kräver fri rymdoptik mycket exakt inriktning av de olika elementen och med spektrometern. Om du använder en hög slits i din spektrometer vill du också inkludera extra optik för att konvertera från din cirkulära laserfläck på provet till en linje vid ingången till spektrometern.

den största fördelen med att använda fiberoptik är att det slappnar av behovet av exakt inriktning. Om du använder en hög slits kan du till och med använda en fiberbuntkabel där fibrerna är ordnade i en cirkel mot ditt prov och längs en linje som matchar slitsdimensionen mot spektrometern. Fiberoptik har emellertid den största nackdelen att den är förstörande. Du kan förlora upp till 50% av din Raman-signal genom att gå igenom fibern.

Läs mer om handhållna Raman-spektrometrar här

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.