Metody detekce Ramanovych spekter z geometrickeho hlediska

K detekci fotonů se používají chlazené CCD chipy. Fotony jsou fokusovány pomocí soustavy čoček. Ramanovy fotony jsou od fotonů z laserového paprsku odděleny pomocí polopropustných zrcadel.

Použití Ramanovy spektrometrie je limitováno na vzorky, jejichž fluorescenční spektrum není ve stejném frekvenčním pásmu jako Ramanovské, neboť by tím byl slabý Ramanovský signál zcela zastíněn.

Z hlediska geometrie můžeme způsoby detekce rozdělit do 3 kategorií:

1. Metoda transmise
2. Metoda zpětneho rozptylu
   1. časová diskriminace (konvenční)
   2. prostorová diskriminace – SORS – Spatially Offset Raman Spectroscopy

Metoda transmise

Vlastnosti: Necitlivé vůči hloubce vrstvy příměsi, velmi efektivně potlačuje fluorescencni a Ramanovské fotony pocházející z tenkých povrchových vrstev (na rozdíl od konvenční metody zpětného rozptylu).
Výsledek: Celkový přehled o kompozici vzorku.
Nevýhody: Nehodí se na zkoumání mikrostruktury vzorku a jeho     jednotlivých vrstev.
Příklad použití: Kontrola kvality farmaceutických tablet, testování koloidních roztoků.

Metoda zpětného rozptylu

• časová diskriminace
  Fotony jsou rozptylovány všemi směry. Náš ale zajímají jen ty, které jsou rozptylovány více méně v ose laserového paprsku.
  2 fáze difúze fotonů:
  1. difuze primárního fotonu (z laseru) do patřičné hloubky.
  2. Ramanovský foton se musí dostat zpátky.

Signál pocházející z hlubších vrstev je oproti povrchovému zpožděny cca o 100 ps.
Excitace vzorku: pulsní laserový paprsek.
Detekce signálu: Rychly časový gating.
Výsledek: Chemické vlastnosti jednotlivých vrstev vzorku.
Nevýhody: Vysoké požadavky na technologické vybavení. Navíc bez patřičné předchozí znalosti vzorku neposkytne tato metoda dostatečné informace dovolující separaci signálu z jednotlivých vrstev.

• SORS
  Metoda založená na vlastnostech difuze fotonů materiálem. Detektor Ramanovských fotonů je umístěn mimo osu laserového svazku (spatial offset). Fotony uvolněné v hlubších vrstvách mají před sebou delší dráhu a tím pádem je i větší pravděpodobnost, ze budou na své cestě rozptýleny do horizontální roviny. V jisté vzdálenosti od laserového paprsku bude intenzita Ramanovských fotonu ze spodní vrstvy vyšší než intenzita Ramanovskych fotonů z povrchové vrstvy.
  Výsledek: Chemické vlastnosti jednotlivých vrstev vzorku.
  Výhoda: Oproti časové diskriminaci nejsou kladeny takové nároky na aparaturu.
  • Inverzní SORS
    Excitaci materiálu laserovým paprskem lze provést buď bodové nebo pásové a podle toho pak detekujeme Ramanovský signál.

    

    
    Obě metody mají své výhody a nevýhody a jejich použití závisí na účelu měření.
    Tvarovaní svazku lze uskutečnit například pomocí kónických čoček. Hlavní nevýhodou pásové detekce je nehomogenita sběru signálu v rámci jednoho pásu i pásů navzájem, neboť je sběr realizován různými pixely CCD chipu. Nehomogenity lze do jisté míry numericky kompenzovat, ale nikdy je nelze odstranit úplně. V případě pásové excitace je signál sbírán bodově, tj. pro různé offsety je spektrum získáno vždy stejnou sadou pixelů. Stěžejní výhodou pásové excitace zejména pro lékařské aplikace je možnost použití vyšších energii laseru, neboť při in vivo aplikacích je potřeba dodržovat limity na intenzitu svazku. Nevýhodou může být náročnější tvarování laserového svazku.

Jak vlastně vypadá Ramanovskě spektrum a jak se v něm zorientovat?

Na ose x se obvykle uvádí vlnové číslo k, což je převrácená hodnota vlnové délky. Na ose y je tradičně četnost alias intenzita fotonů dané vlnové délky.
Jednotlivé chemické struktury mají nebo nemají ve svém spektru charakteristické píky a lze je tedy odlišit od sebe navzájem na základě tvaru spektra.

[1] MATOUSEK, Pavel. Deep non-invasive Raman spectroscopy of living tissue and powders. Chemical Society Reviews [online]. 2007, 36(8), 1292- [cit. 2016-09-07]. DOI: 10.1039/b614777c. ISSN 0306-0012. Dostupné z: http://xlink.rsc.org/?DOI=b614777c

[2] MATOUSEK, Pavel a Nicholas STONE. Development of deep subsurface Raman spectroscopy for medical diagnosis and disease monitoring. Chem. Soc. Rev [online]. 2016, 45(7), 1794-1802 [cit. 2016-09-09]. DOI: 10.1039/C5CS00466G. ISSN 0306-0012. Dostupné z: http://xlink.rsc.org/?DOI=C5CS00466G

[3] MATOUSEK, Pavel a Nicholas STONE. Emerging concepts in deep Raman spectroscopy of biological tissue. The Analyst [online]. 2009, 134(6), 1058- [cit. 2016-09-09]. DOI: 10.1039/b821100k. ISSN 0003-2654. Dostupné z: http://xlink.rsc.org/?DOI=b821100k