拉曼采样技术

IDRaman系列采用的新的采样技术主要有:

  • 栅格环绕扫描技术(Raster Orbital Scanning, ROS)
  • 动态拉曼散射光技术(Dynamic Raman Scattering, DRS)
  • 一点聚焦技术(OneFocus)

 

栅格环绕扫描技术(Raster Orbital Scanning, ROS)

在传统拉曼光谱仪中,为了获取足够高的信号和光谱分辨率,往往将激光光斑进行聚焦(如图),但这样的采样面积就会很小,当检测非均匀样品(混合物)或稀释样品时,很难保证其采样点刚好能够完全照射在样品上,这就会导致样品信号偏低甚至无样品信号。同时,聚焦光斑的激光功率密度很高,会导致一些对光敏感或者热敏感的样品被破坏甚至引燃。有时为了克服这个问题,可以采用扩束或散焦的方式,但这样的话会引入更多的背景信号,从而损失光谱分辨率,甚至导致背景信号过高而无法提取有效样品信号。

 

ROS技术创新的采用了栅格环绕扫描技术,将高度聚焦的激光光斑快速的按照一定的轨迹对样品进行扫描检测,这样既可以保证足够大的采样面积,提高样品被检测的概率,同事还减小了背景的采样面积,从而提高了信号的信噪比。同时,由于光斑实在进行快速运动,其在样品表面停留的时间很短,其平均功率远小于常规激光拉曼光谱仪,宠儿降低了样品被破坏或引燃的机率。

ROS技术主要具有以下两个特点:

更大的采样面积与相对较小的背景面积。

从fig.1示意图可以看出,当单纯聚焦时,我们只能检测到一个有效样品,而散焦时们虽然可以检测到4个有效样品,但其背景采样面积远远大于聚焦时,因此带来了更大的背景信号,从而淹没了有效信号。而ROS技术可以在保证小的聚焦光斑的情况下,获得更大的采样面积,使其覆盖到6个有效样品,而在栅格环绕扫描的过程中,其背景面积远小于散焦时的背景面积,因此其背景噪音也较低。这说明ROS在保证小的聚焦光斑的同事,扩大了采样面积,从而使得有效样品被检测到的几率更高。另外其还能保持相对较小的背景面积,从而抑制了背景信号的产生。

更低的平均激光功率。

由于ROS始终处于高速扫描状态,因此激光光斑在每个样品点的停留时间较短,从而降低激光的平均功率。避免样品被破坏或引燃。

ROS技术的这两个特点将为我们带来非常大的好处,尤其在检测非均质混合物和易破坏的应用中,ROS将使得这类的测试变的很简单。下面我们将通过三个实验结果来说明ROS为我们带来的好处:

  1. 更高的信号与更低的背景信号

上图是利用IDRaman Reader测试SERS芯片增强的一个实验结果。其中,紫色图谱是未开启ROS功能测试得到的拉曼谱,而红色谱是开启ROS检测得到的拉曼谱。a图为激光功率为4mW时测试得到的结果,b图为激光功率为12mW时测试到的结果。

从谱图可以看出,采用ROS技术后,荧光背景大大降低,而信号得到非常明显的提高。这是因为在SERS芯片上被测物的分布是非均匀的,使用单点检测时获得的有效信号较弱,而背景信号更强。而ROS技术可以提高在非均质样品中有效样品被检测到的几率,同时其背景面积相对较小,因此可以在提高信号的同时降低其背景信号。

另外我们可以看出,在ROS未开启时,当激光功率提高的时候,其荧光背景在不断升高,这说明高激光功率对SERS样品有破坏或降解的作用。因此能够保证测试的准确性通过这个实验结果可以看出,由于ROS技术队SERS芯片这样的非均质样品的测试结果非常好,因此在实际应用中可以使那些增强效果较差,但成本低廉的基底材料得到SERS技术的应用扩展提供条件。

  1. 高分辨能力与高灵敏度

硝酸铵不仅是一种常用的化肥,同时也是很多简易炸药装置的原料,如路边炸药就常用硝酸铵作为原料。但它与另外一种常见的化肥:尿素在肉眼上是很难分辨出来的,这也让控制硝酸铵变的比较困难。

理论上讲,拉曼技术可以对硝酸铵和尿素进行快速鉴别。但是在实际应用中,由于硝酸铵与尿素的结晶颗粒比较大,同时形状不规则,当它放置在容器中,采用拉曼从容器外部监测时,只有当其非常好的聚焦在样品上时才能获得理想结果。而这在实验室都是一个很大的挑战,在现场难上加难。大部分情况下非常容易出现聚焦不准或者无法聚焦的问题,从而出现信号过低,甚至假阴性结果。

 

与传统拉曼采样相比,ROS技术可以再更大的采样面积中对样品进行检测,保证有效信号的采集,因此可以获得更为准确的信号,极大程度上降低了假阴性结果的程度。同时其不需要再现场进行非常精确的对焦,使得即使采用IDRaman Mini这样的手持式设备也可以获得非常理想的结果,普通的操作人员也可以非常方便的进行操作。

图b是采用IDRaman Mini对硝酸铵进行测试的结果。橙色图谱是未使用ROS技术测试多的结果(代表传统的拉曼测试方法),而蓝色图谱是使用了ROS技术测试到的结果。从谱图比较可以看出,由于ROS技术可以在更大的采样面积上对样品进行检测,因此当样品颗粒较大且分布不均匀时,ROS技术能够获得更多的样品信号,从而提高整个拉曼系统的灵敏度。

图c是使用IDRaman Mini在开启ROS技术时对硝酸铵与尿素分别进行检测的结果。从测试结果可以看出,利用ROS技术对样品进行测试可以获得非常高SNR的拉曼信号,能够有效提高拉曼系统对样品的分辨率。利用这样的测试结果,并利用数据库匹配的软件,可以非常轻松对硝酸铵和尿素进行快速鉴别。

这说明IDRaman Mini除了爆炸物检测方面,同事在入厂材料及QA/QC方面也能够有很大的应用。

  1. 不易破坏或引燃样品

我们对由三种样品:硫磺、木炭和硝酸钾组成的黑色粉末,利用IDRaman Mini进行检测。其中硫磺和木炭主要是作为燃烧物,而硝酸钾则是助燃剂。

一般来说,我们不采用拉曼方法来对黑色粉末或易燃易爆物进行检测,因为过高的激光功率有可能会引燃或引爆这些危险物品,从而造成危险。

但从这个测试结果可以看出,由于ROS技术的低平均功率的特点,我们完全可以利用IDRaman Mini来对黑色粉末进行检测,并测得这三种样品的特征峰。需要注意的是,我们现在展示的是未经荧光背景扣除的原始数据,如果结合IDRaman Mini的荧光背景扣除功能,我们有可能获得更理想的结果。

而在测试过程中,并未出现该黑色粉末被引燃或引爆的现象。因此IDRaman完全有可能被应用于爆炸物的检测方面。

动态拉曼散射光技术(Dynamic Raman Scattering, DRS)

从理论上讲,DRS技术是用于消除本底及容器的背景干扰,提取非常低浓度的样品在进入与离开激光照射区域时所产生的拉曼信号。在实际应用中,DRS技术主要是使用在胶体SERS增强应用中,使得即使在很低的胶体SERS增强剂浓度与很强的背景干扰下,也能获得有效的SERS增强信号。下面我们用两个实验结果来说明DRS技术的应用:

  1. 低浓度金胶体SERS增强剂在甲苯强拉曼本体背景的测试

该实验的样品体系为在甲苯溶液中,用经SiO2包裹的金胶体SERS增强剂对BPE样品进行测试。其中,金胶体SERS增强剂的浓度为8*10^5particles/cm3,BPF浓度约为10nM。可以看出,在该体系中金胶体SERS增强剂与BPE的浓度都非常低,而甲苯本身具有非常强的拉曼信号,在常规测试中,该体系基本上是无法获取理想的SERS增强图谱的。该实验采用IDRaman Micro对该体系进行检测,在测试过程中开启DRS功能,其测试结果如图fig.5,上图是不开启DRS时测得的拉曼光谱,可以看出基本上完全是甲苯的拉曼信号,而下图是开启DRS后的测试结果,可以看出,开启DRS后,甲苯的本底信号基本上被完全消除掉,而在原始测试中几乎无法看到的BPF的SERS增强信号可以被清晰的获得。同时,即使使用非常低的SERS胶体浓度也可以获得理想的数据结果,这也使得降低SERS使用成本成为可能。

  1. DRS技术在区域选择性(Site-selective)SERS研究中的应用。

在SERS增强中,存在一些区域或纳米颗粒的增强效果能够大大高于其他的区域颗粒,这被称为热点(HotSpots)或区域选择性(Site-selective)。如果研究者能够研究清楚其原理并能够有效的用现在这个现象的话,对于开发更高灵敏度的检测方法有非常大的帮助。比如说,当样品浓度非常低,接近于零度,如果能够只检测这些热点的信号,而消除掉其他的粒子或其他物质的干扰的话,对于开发更高灵敏度的检测方法有非常大的帮助。比如说,当样品浓度非常低,接近于零时,如果能够只检测这些热点的信号,而消除掉其他的粒子或其他物质的干扰的话,将极大的提高检测的灵敏度。而DRS技术可以将这些出现在激光光路中的热点的信号提取出来,从而提高检测的灵敏度和稳定性。Fig.6显示的是利用未包覆的金纳米颗粒对4-