显微拉曼光谱仪把拉曼光谱仪和一个标准的光学显微镜耦合在一起,可以使用高放大倍数物镜观察样品形貌,同时也可以用显微的激光光斑进行拉曼分析。显微拉曼光谱仪操作简便,只需将样品置于显微镜物镜下,聚焦后即可进行测量。
仅仅给拉曼光谱仪添加显微镜并不能控制采集特定体积内样品的拉曼信号――要实现这个目标必须增加空间滤波器。共焦显微拉曼光谱仪可以实现在横向(XY 平面内)以及纵向(Z 方向) 的空间滤波功能,从而控制采集某特定体积内样品的拉曼信号。
在现阶段实现空间滤波的方法有几种,例如通过共聚焦针孔实现的真共焦以及通过狭缝实现的赝共焦等,它们在效果上有一些差异。业已证明,使用真共焦显微拉曼光谱仪,能够分析尺度在1 μm 及以下的单个颗粒或者薄层。
对于真共焦设计而言,其空间分辨率的极限主要是由激发激光波长、激光束的品质以及显微物镜的性能等因素决定的。要达到空间分辨率最优化,通常必须正确匹配高放大倍数的物镜,并采用可见激光激发,才能产生最优化的结果,典型的空间分辨率在0.5μm-1μm之间。
正如其名,原位拉曼分析是一种原位或远程分析样品的方法,无需把样品提取出来,也不需要把样品带到拉曼光谱仪所在现场。远程原位拉曼分析常用于工厂装置上,例如监控反应器皿(小到玻璃的烧瓶,大到工业生产尺度的反应器)中的反应成分,或对生产线中多个位置进行化学分析。
远程原位拉曼常常通过光纤来实现,由光纤把光纤探头耦合到拉曼光谱仪上(可以距离分析点几百米远)。一束光纤用于把激光传输到样品上,另一束光纤则把样品的拉曼信号传到标准的拉曼光谱仪和探测系统。两束光纤都连接到一个小巧紧凑的光纤探头上,探头把激光聚焦到样品上,并收集拉曼信号。
探头还适合用于高温、高压环境中。其工作模式可以是浸入型的,即探头浸入在反应液体中,也可以是非接触模式,即将激光通过一个透明的窗口聚焦到反应器皿或管路中来进行分析。
原位拉曼分析可以用于:
透射拉曼光谱(TRS)是一种特别适合于不透明/混浊的体相材料的拉曼分析方法。透射拉曼收集沿着激光入射方向传播的拉曼散射光――大体上,激发激光从一边照射样品,而拉曼信号则从另一边收集。即使样品是不透明的,但是来自激光器的光能够凭借光散射通过样品。很多透过样品的光子包含着拉曼信息,因而可以实现透射拉曼。
与传统的拉曼光谱仪以及显微拉曼系统不同,透射配置实现的是真正的大块样品体相的整体分析(例如一粒药片)。透射拉曼同样是非接触、非侵入和非破坏的,它无需样品制备。重要的是,测量对粒子尺寸效应、样品均匀性以及取向不敏感。
透射拉曼光谱可以用来分析:
共振拉曼光谱是常规拉曼光谱的一个变种,常规拉曼光谱可以采用任意波长的激光激发来测量其拉曼散射。如果不考虑因为使用不同的激发波长而带来的一些实际问题,无论选用哪种激发波长最终得到的结果都是很相似的。
对于共振拉曼而言,需要仔细挑选激发波长,使得激光光子能量与某个电子跃迁的能量相等或者相近――一般而言位于紫外-可见吸收区域。这种共振将导致拉曼散射的强度增大102~106 倍――因此,检测限会更低,测量时间也会显著减少。然而,由于激发光子能量与紫外-可见吸收一致,与常规拉曼相比,共振拉曼光谱的荧光背景也会更加显著,荧光问题也更难以处理。
另一种选择是表面增强拉曼散射(SERS),SERS 能提供的增强数量级与共振拉曼相当,SERS 较之共振拉曼的优势在于荧光被抑制而拉曼得到增强,因而解决了共振拉曼存在的荧光背景问题。
对于一些特殊的应用而言,共振拉曼的益处很多,一个典型的例子是利用共振拉曼来分析环境污染物,通常,共振拉曼可以检测到浓度低至ppm ~ ppb 范围的微量污染物。
实际应用中,共振拉曼可以在任何拉曼仪器系统中使用,测量也是以标准的方式进行的,唯一的要求是一定要有合适激发波长的激光以满足共振条件。
针尖增强拉曼散射(TERS) 把表面增强拉曼光谱和拉曼-AFM 分析结合了起来。这一令人激动的研究领域的目标是为拉曼分析提供真正的纳米尺度的空间分辨率。
尽管TERS 的原理很简单,但是TERS 的实际应用却很复杂,需要研究人员具有相当的光谱学和光学专业知识。
表面增强拉曼散射(SERS) 能够使拉曼信号强度增强几个数量级。通过将原子力显微镜(AFM) 的针尖包覆SERS 活性金属或金属纳米粒子使其具有SERS 活性,那么SERS 增强效应将可望只在针尖附近很小范围发生。由于针尖的尺度一般都小于100 nm,所以这种测量的空间分辨率也将相应地小于100 nm,最新的报道称可通过TERS 实现5 nm 的空间分辨率。
Transmission Raman devices for pharmaceutical applications are available in locations other than the United States of America, Europe, and India.
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