RU108608U1

RU108608U1 - MICROSCOPE WITH A COMPACT RAMAN-LUMINESCENT ANALYZER

Info

Publication number: RU108608U1
Application number: RU2011107844/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владимирович Кукушкин; Вадим Евгеньевич Кирпичев; Леонид Викторович Кулик; Александр Борисович Ваньков; Андрей Сергеевич Журавлев
Original assignee: Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА РАН (ИФТТ РАН)
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2011-09-20

Abstract

1. Микроскоп с компактным раман-люминесцентным анализатором, состоящий из блока окуляров, объектива, держателя образца, делителя светового потока, узла сочленения оптических осей микроскопа и раман-люминесцентного анализатора, источника лазерного излучения, светоделителя, системы фильтрации и фокусировки собираемого излучения, спектрометрической части, многоканального детектора электромагнитного излучения и контроллера обработки сигналов многоканального детектора электромагнитного излучения. ! 2. Микроскоп по п.1, отличающийся тем, что узел сочленения выполнен жестким. ! 3. Микроскоп по п.1, отличающийся тем, что узел сочленения микроскопа и раман-люминесцентного анализатора выполнен гибким световодом с дополнительным объективом и входной линзой спектрометрической части анализатора. ! 4. Микроскоп по п.1, отличающийся тем, что держатель образца выполнен в виде трехкоординатного транслируемого столика с возможностью автоматического или ручного одно-, двух- или трехкоординатного сканирования исследуемого образца в пространстве для получения пространственного изображения исследуемого образца в рассеиваемом свете селективного по длинам волн рассеиваемого излучения. 1. Microscope with a compact Raman-luminescent analyzer, consisting of a block of eyepieces, a lens, a sample holder, a light flux divider, a junction unit for the optical axes of the microscope and a Raman-luminescent analyzer, a laser radiation source, a beam splitter, a filtering and focusing system for the collected radiation, and the spectrometric part , a multi-channel electromagnetic radiation detector and a signal processing controller of a multi-channel electromagnetic radiation detector. ! 2. The microscope according to claim 1, characterized in that the joint assembly is rigid. ! 3. The microscope according to claim 1, characterized in that the junction of the microscope and the Raman-luminescent analyzer is made of a flexible optical fiber with an additional lens and an input lens of the spectrometric part of the analyzer. ! 4. The microscope according to claim 1, characterized in that the sample holder is made in the form of a three-coordinate broadcast table with the possibility of automatic or manual one-, two- or three-coordinate scanning of the test sample in space to obtain a spatial image of the test sample in scattered light, selective for wavelengths scattered radiation.

Description

Полезная модель относится к спектрометрии рамановского и люминесцентного рассеяния с высоким спектральным и пространственным разрешением в широком спектральном диапазоне для анализа малых объемов органических и неорганических субстанций по спектрам рамановского и люминесцентного рассеяния. Рамановский метод анализа основан на том, что в молекулах исследуемого вещества имеется большое количество вращательных и колебательных степеней свободы, которые проявляются в спектре рассеянного света в виде набора линий, каждая из которых характеризуется индивидуальным спектральным положением и относительной интенсивностью. Люминесцентный метод связан с возбуждением исследуемого вещества световыми квантами в одно из возбужденных состояний, быстрой релаксацией из возбужденного состояния в промежуточное долгоживущее неравновесное состояние и последующей релаксацией в основное состояние с испусканием световых квантов меньшей энергии. Аналогично спектрам рамановского рассеяния, спектр люминесценции содержит информацию о возбужденных состояниях исследуемого вещества, однако, вследствие более широких полос люминесценции и меньшего числа долгоживущих возбужденных состояний, спектр люминесценции менее специфичен, чем спектр рамановского рассеяния. Вместе с тем, одновременное измерение и анализ двух типов рассеяния рамановского и люминесцентного позволяют получить существенно более полную информацию об исследуемом веществе, поскольку два этих типа рассеяния света связаны различным физическим характеристикам исследуемого вещества. Существующие на сегодняшний момент микроскопы с возможностью проводить спектральный рамановский или люминесцентный анализ либо имеют большие пространственные размеры, либо не обладают необходимым спектральным разрешением и спектральным диапазоном для одновременного анализа рамановских и люминесцентных характеристик исследуемых субстанций.The utility model relates to Raman and luminescent scattering spectrometry with a high spectral and spatial resolution in a wide spectral range for the analysis of small volumes of organic and inorganic substances from Raman and luminescent scattering spectra. The Raman analysis method is based on the fact that the molecules of the test substance have a large number of rotational and vibrational degrees of freedom, which are manifested in the spectrum of scattered light in the form of a set of lines, each of which is characterized by an individual spectral position and relative intensity. The luminescent method is associated with the excitation of the substance under study by light quanta into one of the excited states, rapid relaxation from the excited state to an intermediate long-lived nonequilibrium state and subsequent relaxation to the ground state with the emission of light quanta of lower energy. Similar to Raman spectra, the luminescence spectrum contains information on the excited states of the substance under study, however, due to wider luminescence bands and a smaller number of long-lived excited states, the luminescence spectrum is less specific than the Raman spectrum. At the same time, the simultaneous measurement and analysis of two types of Raman and luminescent scattering allow obtaining significantly more complete information about the substance under study, since these two types of light scattering are related to different physical characteristics of the substance under study. Existing microscopes with the ability to perform spectral Raman or luminescent analysis either have large spatial dimensions or do not have the necessary spectral resolution and spectral range for the simultaneous analysis of the Raman and luminescent characteristics of the studied substances.

Известен лазерный сканирующий микроскоп (Пат. США NQ 5386112, опубл. 31.01.1995) для проведения фотолюминесцентных исследований. В данном приборе лазерное излучение заводится в оптический тракт микроскопа, работающего как в отраженном, так и в проходящем свете, а сигнал фотолюминесценции детектируется с помощью селективного фильтра. В этом случае не возможно проведение спектральных исследований сигнала фотолюминесценции или рамановского рассеяния.Known laser scanning microscope (US Pat. USA NQ 5386112, publ. 01/31/1995) for conducting photoluminescent studies. In this device, laser radiation is introduced into the optical path of a microscope operating in both reflected and transmitted light, and the photoluminescence signal is detected using a selective filter. In this case, it is not possible to conduct spectral studies of the photoluminescence signal or Raman scattering.

Известен компактный раман-люминесцентный анализатор (описание раман-люминесцентного анализатора «EnSpectr R532» представлено на сайте www.enspectr.com) для проведения рамановского и люминесцентного экспресс-анализа рассеянного излучения от органических и неорганических субстанций. Спектральный диапазон раман-люминесцентного анализатора покрывает область молекулярных колебаний и значительную часть видимой спектральной области люминесценции органических и неорганических веществ, что позволяет в течение одного цикла опроса многоканального детектора излучения производить измерение спектра неизвестного вещества, определение спектрального положения и относительных интенсивностей рамановских и люминесцентных линий исследуемого вещества, сравнение полученных спектральных характеристик с эталонными спектрами в спектральной базе данных известных веществ. Однако с помощью компактного раманлюминесцентного анализатора невозможно проведение спектральных исследований с пространственным разрешением.A compact Raman-luminescent analyzer is known (the EnSpectr R532 Raman-luminescent analyzer is described on the website www.enspectr.com) for performing Raman and luminescent express analysis of scattered radiation from organic and inorganic substances. The spectral range of the Raman-luminescent analyzer covers the region of molecular vibrations and a significant part of the visible spectral region of the luminescence of organic and inorganic substances, which makes it possible to measure the spectrum of an unknown substance, determine the spectral position and relative intensities of the Raman and luminescent lines of the substance under investigation during one cycle of a multichannel radiation detector , comparison of the obtained spectral characteristics with reference spectra in the spectral database of known substances. However, using a compact Raman luminescent analyzer, it is impossible to conduct spectral studies with spatial resolution.

Известен также микроскоп, сопряженный с рамановским спектрометром для проведения исследований рамановского рассеяния с высоким пространственным разрешением (Заявка на Пат. США №20050128476, опубл. 16.06.2005). В этом случае освещение от внешнего лазерного источника заводится в оптический тракт микроскола, работающего в отраженном свете, сигнал рамановского рассеяния собирается и фокусируется на входную щель спектрометра высокого разрешения, а обработка сигнала производится на внешнем периферийном устройстве. Данный прибор имеет большие пространственные размеры и узкий анализируемый спектральный диапазон, расширяемый только перестройкой диспергирующего элемента спектрометра, что не позволяет проводить рамановский и фотолюминесцентный анализ исследуемого объекта за один цикл опроса многоканального детектора излучения.Also known is a microscope coupled with a Raman spectrometer for conducting studies of Raman scattering with high spatial resolution (Application for US Pat. USA No. 20050128476, publ. 16.06.2005). In this case, illumination from an external laser source is injected into the optical path of a microscope operating in reflected light, the Raman scattering signal is collected and focused on the entrance slit of a high-resolution spectrometer, and the signal is processed on an external peripheral device. This device has large spatial dimensions and a narrow spectral range being analyzed, which is expandable only by restructuring the dispersing element of the spectrometer, which does not allow performing Raman and photoluminescent analysis of the studied object in one polling cycle of a multichannel radiation detector.

Технический результат полезной модели заключается в совмещении в одном компактном приборе функциональности необходимой для одновременной регистрации и анализа спектральных характеристик рамановского и люминесцентного рассеяния с высоким спектральным и пространственным разрешением в широком спектральном диапазоне за один цикл опроса многоканального детектора излучения.The technical result of the utility model consists in combining in one compact instrument the functionality necessary for simultaneous recording and analysis of the spectral characteristics of Raman and luminescent scattering with high spectral and spatial resolution in a wide spectral range for one polling cycle of a multichannel radiation detector.

Для достижения этого технического результата предлагается микроскоп с компактным раман-люминесцентным анализатором, состоящий из блока окуляров, объектива, делителя светового потока, узла сочленения оптических осей микроскопа и раман-люминесцентного анализатора, источника лазерного излучения, светоделителя, системы фильтрации и фокусировки собираемого излучения, спектрометрической части, многоканального детектора электромагнитного излучения, контроллера обработки сигналов многоканального детектора электромагнитного излучения и держателя образца, при этом узел сочленения может быть выполнен жестким или гибким световодом с дополнительным объективом и входной линзой спектрометрической части анализатора, а держатель образца может быть помещен в трехкоординатный транслируемый столик с возможностью автоматического или ручного одно-, двух- или трехкоординатного сканирования исследуемого образца в пространстве для получения пространственного изображения исследуемого образца в рассеиваемом свете селективное по длинам волн рассеиваемого излучения.To achieve this technical result, a microscope with a compact Raman-luminescent analyzer is proposed, consisting of a block of eyepieces, a lens, a light flux divider, a junction unit for the optical axes of the microscope and a Raman-luminescent analyzer, a laser radiation source, a beam splitter, a filtering and focusing system for the collected radiation, a spectrometric parts, multi-channel electromagnetic radiation detector, signal processing controller, multi-channel electromagnetic radiation detector and the sample holder, while the joint can be made of a rigid or flexible optical fiber with an additional lens and an input lens of the spectrometric part of the analyzer, and the sample holder can be placed in a three-coordinate broadcast table with the possibility of automatic or manual one-, two- or three-coordinate scanning of the test sample in space to obtain a spatial image of the test sample in scattered light, selective for wavelengths of scattered radiation.

При этом достигается возможность измерения рамановских и люминесцентных характеристик органических и неорганических субстанций за один цикл опроса многоканального детектора излучения. Электронная база и программная платформа раман-люминесцентного анализатора позволяют произвести в короткие сроки идентификацию неизвестных веществ, а также провести анализ компонентного состава исследуемого вещества в том случае, если это вещество является смесью нескольких компонентов. Данные процедуры выполняются с высоким пространственным разрешением, определяемым увеличением микроскопа и размером изображения лазерного пятна на исследуемом объекте.At the same time, it is possible to measure the Raman and luminescent characteristics of organic and inorganic substances in one polling cycle of a multichannel radiation detector. The electronic base and the software platform of the Raman-luminescent analyzer allow the identification of unknown substances in a short time, as well as the analysis of the component composition of the test substance if this substance is a mixture of several components. These procedures are performed with high spatial resolution, which is determined by the magnification of the microscope and the size of the image of the laser spot at the object under study.

Микроскоп с компактным раман-люминесцентным анализатором может быть использован при проведении экспресс-анализа продукции химической, фармацевтической, нефтехимической промышленности, при проведении медикобиологических исследований, при проверке подлинности произведений искусства, характеризации драгоценных камней и минералов, проведении криминалистической и таможенной экспертиз, для исследований малых объемов веществ с использованием технологии поверхностно усиленного рамановского рассеяния. Кроме того, с помощью одно-, двух- или трехкоординатного сканирования исследуемого объекта можно получить его пространственное изображение селективное по длине волны регистрируемого излучения, что особенно важно для исследований неоднородных субстанций и для приложений использующих эффект поверхностно усиленного рамановского рассеяния.A microscope with a compact Raman-luminescent analyzer can be used for express analysis of products of the chemical, pharmaceutical, petrochemical industry, for biomedical research, for authentication of works of art, characterization of precious stones and minerals, forensic and customs examinations, for small volume studies substances using surface-enhanced Raman scattering technology. In addition, by using one-, two- or three-coordinate scanning of the studied object, it is possible to obtain its spatial image selective by the wavelength of the detected radiation, which is especially important for studies of inhomogeneous substances and for applications using the effect of surface-enhanced Raman scattering.

Признаки, отличающие предлагаемый микроскоп с компактным раман-люминесцентным анализатором от его наиболее близкого аналога (Заявка на Пат. США №20050128476, опубл. 16.06.2005), состоят в использовании светосильного компактного раман-люминесцентного анализатора с широким спектральным диапазоном и высоким спектральным разрешением, вместо рамановского спектрометра, способом сочленения раман-люминесцентного анализатора с микроскопом, а также в возможности проводить рамановский и фотолюминесцентный анализ исследуемого объекта за один цикл опроса многоканального детектора излучения.The features distinguishing the proposed microscope with a compact Raman-luminescent analyzer from its closest analogue (Application for US Pat. US No. 20050128476, publ. June 16, 2005), consist in using a fast compact Raman-luminescent analyzer with a wide spectral range and high spectral resolution, instead of a Raman spectrometer, by the method of combining a Raman-luminescent analyzer with a microscope, as well as the ability to carry out a Raman and photoluminescent analysis of the studied object in one test cycle and a multi-channel detector.

На фиг.1 показана схема микроскопа с компактным раман-люминесцентным анализатором, позволяющим производить одновременную регистрацию и анализ спектральных характеристик рамановского и люминесцентного рассеяния органических и неорганических субстанций с высоким пространственным разрешением.Figure 1 shows a microscope diagram with a compact Raman-luminescent analyzer that allows simultaneous recording and analysis of the spectral characteristics of Raman and luminescent scattering of organic and inorganic substances with high spatial resolution.

Микроскоп содержит блок окуляров (1), делитель светового потока (2), корпус (3), объектив (4), держатель образца (5), трехкоординатный транслируемый столик ручной или автоматический (6), источник лазерного излучения (7), систему фильтрации и фокусировки собираемого излучения (8), входную щель (9), зеркало для формирования параллельного светового пучка (10), диспергирующий элемент (11), фокусирующее зеркало (12), многоканальный детектор излучения (13), контроллер обработки электрических сигналов детектора (14), систему жесткого или световодного сочленения и совмещения оптических осей микроскопа и раман-люминесцентного анализатора (15).The microscope contains an eyepiece block (1), a light flux divider (2), a housing (3), a lens (4), a sample holder (5), a three-coordinate broadcasted table, manual or automatic (6), a laser radiation source (7), a filtration system and focusing the collected radiation (8), the entrance slit (9), a mirror for forming a parallel light beam (10), a dispersing element (11), a focusing mirror (12), a multi-channel radiation detector (13), a controller for processing electrical signals of the detector (14 ), a rigid or fiber guide joint system, and ovmescheniya optical axis of the microscope and Raman-luminescent analyzer (15).

Работа микроскопа осуществляется следующим образом:The work of the microscope is as follows:

Лазерное излучение от источника лазерного излучения (7) попадает на светоделитель, направляющий лазерное излучение в делитель светового потока (2), после чего данное излучение отражается от светоделительной пластины и попадает на объектив микроскопа (4), который фокусирует излучение на исследуемый образец. Рассеиваемое от образца излучение попадает в делитель светового потока (2) и переотражается в систему фильтрации и фокусировки собираемого излучения (8). В системе фильтрации рассеиваемое излучение фильтруется от лазерного излучения и сигнала рэлеевского рассеяния. После этого рассеянное электромагнитное излучение фокусируется линзой на входную щель спектрометрической части (9). Зеркалом (10) формируется параллельный пучок, а диспергирующим элементом (11) излучение разлагается в спектр. Отдельные спектральные компоненты рассеянного излучения фокусируются зеркалом (12) на многоканальный детектор электромагнитного излучения (13), электрический сигнал от которого обрабатывается контроллером (14). С помощью пакета программных операций раман-люминесцентного анализатора сигнал анализируется и разлагается на рамановскую и люминесцентную составляющие. Конструкционной особенностью микроскопа с компактным раман-люминесцентным анализатором является то, что раман-люминесцентный анализатор, сочлененный с микроскопом, не имеет входной фокусирующей линзы или объектива, а использует объектив микроскопа (4) в качестве фокусирующего объектива. Соответственно, оптические оси раман-люминесцентного анализатора и микроскопа совмещаются с помощью жесткого сочленения (15), а изображение на входной щели спектрометрической части (9) формируется микроскопным объективом (4). Сочленение микроскопа с раман-люминесцентным анализатором может быть выполнено также гибким световодом. В этом случае изображение, полученное с помощью микроскопного объектива (4), проецируется на один конец световода дополнительным объективом, а входная линза раман-люминесцентного анализатора формирует изображение второго конца световода на входной щели (9). Независимо от способа сочленения микроскопа и раман-люминесцентного анализатора, использование трехкоординатного транслируемого столика (6) с автоматическим или ручным перемещением позволяет проводить пространственное одно-, двух- или трехкоординатное сканирование исследуемого образца и получать пространственные изображения исследуемого образца в рассеиваемом свете селективные по длинам волн рассеиваемого излучения.Laser radiation from a laser radiation source (7) is incident on a beam splitter directing laser radiation into a light flux divider (2), after which this radiation is reflected from a beam splitter and falls on a microscope lens (4), which focuses the radiation on the sample under study. The radiation scattered from the sample enters the light flux divider (2) and is reflected in the filtering and focusing system of the collected radiation (8). In the filtration system, the scattered radiation is filtered from the laser radiation and the Rayleigh scattering signal. After that, the scattered electromagnetic radiation is focused by the lens onto the entrance slit of the spectrometric part (9). A parallel beam is formed by the mirror (10), and the radiation disperses into a spectrum with the dispersing element (11). The individual spectral components of the scattered radiation are focused by a mirror (12) onto a multi-channel electromagnetic radiation detector (13), the electrical signal from which is processed by the controller (14). Using the software package of the Raman-luminescent analyzer, the signal is analyzed and decomposed into the Raman and luminescent components. A design feature of a microscope with a compact Raman-luminescent analyzer is that the Raman-luminescent analyzer coupled with a microscope does not have an input focusing lens or objective, but uses a microscope objective (4) as a focusing lens. Accordingly, the optical axes of the Raman-luminescent analyzer and the microscope are combined using a rigid joint (15), and the image on the entrance slit of the spectrometric part (9) is formed by a microscopic lens (4). The articulation of a microscope with a Raman-luminescent analyzer can also be performed by a flexible light guide. In this case, the image obtained using the microscopic lens (4) is projected onto one end of the fiber with an additional lens, and the input lens of the Raman-luminescent analyzer forms an image of the second end of the fiber on the entrance slit (9). Regardless of the method of combining a microscope and a Raman-luminescent analyzer, the use of a three-coordinate translational stage (6) with automatic or manual movement allows spatial one-, two- or three-coordinate scanning of the test sample and obtain spatial images of the test sample in scattered light, selective for the wavelength of the scattered radiation.

Claims

1. Microscope with a compact Raman-luminescent analyzer, consisting of a block of eyepieces, a lens, a sample holder, a light flux divider, a junction unit for the optical axes of the microscope and a Raman-luminescent analyzer, a laser radiation source, a beam splitter, a filtering and focusing system for the collected radiation, and the spectrometric part , a multi-channel electromagnetic radiation detector and a signal processing controller of a multi-channel electromagnetic radiation detector.

2. The microscope according to claim 1, characterized in that the joint assembly is made rigid.

3. The microscope according to claim 1, characterized in that the junction of the microscope and the Raman-luminescent analyzer is made of a flexible optical fiber with an additional lens and an input lens of the spectrometric part of the analyzer.

4. The microscope according to claim 1, characterized in that the sample holder is made in the form of a three-coordinate broadcast table with the possibility of automatic or manual one-, two- or three-coordinate scanning of the test sample in space to obtain a spatial image of the test sample in scattered light, selective for wavelengths scattered radiation.