Transcript Perspektywy dla nauki i praktyki związane ze spektroskopią Referat

Perspektywy dla
badań i praktyki
użycia
zmodyfikowanego
spektrometru Ramana.
Prof dr. Hab. inż. Henryk Kowalski,
dr inż. Jan Galiński
Future perspectives for
research in using the modified
Raman spectrometer.
SPEKTROMETR
RAMANA Z
HETERODYNĄ
OPTYCZNĄ
Optical heterodene the
Raman spectrometer.
(Theory and applications
of Raman spectrometers)
(Future perspectives for
research and practice in
using the modified
Raman spectrometer)
Spektrometry ramanowskie są
urządzeniami pomiarowymi, które na
podstawie analizy widm rozpraszania
ramanowskiego umożliwiają analizę
związków chemicznych.
Widma rozpraszania ramanowskiego
zawierają się w obszarze światła
widzialnego i bliskiej podczerwieni – IR.
W spektrometrze sygnał pomiarowy
jest przetwarzany w dwóch obszarach
fizyki :
- obszar sygnałów świetlnych (światło
widzialne i bliska podczerwień IR),
zakres częstotliwości około 10 14 [Hz]
- obszar sygnałów elektrycznych,
zakres częstotliwości od zera do około
10 9 [Hz].
Przetwarzanie sygnału pomiarowego
w obydwu obszarach jest obarczone
błędem.
Z uwagi na dużą złożoność układów
pomiarowych spektrometru,
przetwarzanie sygnałów
pomiarowych wygodnie jest
rozpatrywać za pomocą pojęć teorii
informacji.
Raman spectrometers are measuring
devices , which enable the analysis of
chemical compounds based on the
analysis of the Raman scattering
spectra. Raman scattering spectra
are contained in the region of visible
light and near infrared - IR . In the
spectrometer, the measuring signal is
processed in two areas of physics :
- The area of light signals ( visible and
near infrared IR), a frequency range
of about 10 14 [Hz ]
- The area of electrical signals, a
frequency range from zero to about
10 9 [Hz ] .
The processing of the measured signal
in both areas is flawed .
Due to the high complexity of
spectrometer measurement systems, it
is convenient to consider using the
concepts of information theory
during processing measurement
signals.
Jakość przetwarzania systemu
pomiarowego spektrometru w
ramach teorii informacji może
być opisana za pomocą
uniwersalnego parametru –
dynamika układu pomiarowego.
(DUP).
DUP jest zdefiniowane za
pomocą zależności :
DUP = moc sygnału
pomiarowego / moc szumów
układu pomiarowego.
The quality of the processing of the
measurement system of the
spectrometer within information
theory can be described by a
universal parameter – the dynamic
of the measurement system
( DUP ) .
DUP is defined by the relationship:
Dla
konstrukcji
klasycznych
spektrometrów
ramanowskich
DUP = około 10 4 i umożliwia
wyznaczanie
spektrum
rozpraszania ramanowskiego z
rozdzielczością
około
0,1
[cm -1].
Dla
analizy
laboratoryjnej
związków chemicznych jest to
dokładność
wystarczająca,
jednak w analizie związków
biochemicznych
jest
to
dokładność niewystarczająca.
Klasyczne
konstrukcje
spektrometrów
ramanowskich
nie mogą pokonać tej bariery z
powodów
teoretycznych.
(technologia dysponuje filtrami
optycznymi
o
ograniczonej
jakości – siatki dyfrakcyjne o
gęstości linii około kilka tysięcy
linii / mm , mniej jak 10 000 linii
/mm.
For
classic
design
Raman
spectrometers DUP = about 10 4
and allows the determination of
the Raman scattering spectrum
with a resolution of about 0.1[cm1]
For chemical laboratory analyses
this accuracy is sufficient, but in
the analysis of biochemical
compounds this accuracy is
insufficient. Classic design Raman
spectrometers can not overcome
this barrier for theoretical reasons .
(optical filters have a limited
quality - diffraction grating with a
line density of about several
thousands of lines / mm , less than
10 000 lines / mm.
Laser
wo
Noise – P S1
Photodetector [FD]
An optical signal →
An electrical signal
object
wo→
wo±w R
Diffraction pattern
wo±w R →
Noise
- P SD ; P us
Image scanning systyem
→ f(t)
Noise
Spektrogram.
Spectrtrum
frequency [cm -1]
Opis
spektrometru
ramanowskiego
–
klasycznego.(RSC)
Swiatło z lasera o częstości kołowej [wo] po
przejściu przez obiekt
jest zmodulowane
częstotliwościowo
[w o → (w o ± w R)] i dalej
jest analizowane za pomocą siatki dyfrakcyjnej,
ta analiza polega na wytworzeniu obrazu
dyfrakcyjnego z sygnału optycznego [(w o ± w
R)].
Na
tej
drodze
przetwarzania
sygnałów
optycznych występują szumy w postaci mocy
sygnałów optycznych :
P S1 – szum związany z występowaniem sygnału
[w o] ; wraz z sygnałem [(w o ± w R)]. Sygnału [w
o] nie można rozdzielić od sygnału
[(w o ± w R)] i to powoduje, że siatka dyfrakcyna
analizuje sumę przestrzenną tych sygnałów. Ten
stan skutkuje tym, że obraz dyfrakcyjny sygnału
[(w o ± w R)] różni się od sumy przestrzennej
sygnałów optycznych Σ P[w o + (w o ± w R)]
ponad to, występują szumy związane z
nieliniowością siatki dyfrakcyjnej. Moc szumów
składa się zatem z
P S1 + P SD + P us
Z uwagi na to, że sprawność modulacji jest biska
1 % to moc sygnału pomiarowego jest znikomo
mała (przy założeniu, że moc lasera = 10 mW to
moc sygnału (w o ± w R) = 10 -4 W.
Zachodzi
zatem
potrzeba
by
funkcję
fotodetektora pełnił fotopowielacz (wymaga
dużego napięcia zasilania).
Description of a classic Raman spectrometer
A laser beam with an angular frequency [. o] after
passing through the object is frequency-modulated
[ o→( o ±
R)] and further analyzed by means
of a diffraction grating. This analysis involves the
formation of the diffraction pattern of an optical
signal [( o ±
R)].
In this way of processing optical signals, noise is
generated in the form of optical
signals :
P S1 - noise associated with the occurrence of the
signal [ o] together with the signal
[( o ±
R)] . Signal [ o] can not be separated
from the signal [( o ±
R)] and this leads to the
fact that the diffraction grating analyses the spatial
sum of these signals.
This condition results in that the diffraction image of
the [( o ±
R) ] signal differs from the sum of the
spatial optical signals [Σ P[ o - ( o ±
R)].
Moreover there is noise associated with non-linearity
of the diffraction grating . The amount of noise is
therefore composed of PS1 + PSD + Pus .
Due to the fact that the modulation efficiency is
close to 1 % is the power the optycal Raman
measurement signal is vanishingly small ( assuming
that laser power = 10 mW, the signal power is
( o ± R) = 10 -4 W).
There is therefore a need for a photomultiplier to act
as a photodetector (this requires a high voltage
power supply).
Z przyczyn jak opisane wyżej, w
ocenie zespołu naukowego
prof. Henryka Kowalskiego, jest
ograniczenie w technologii
spektrometrów ramanowskich
klasycznych tak, że uzyskanie
rozdzielczości
pomiaru
spektrum
promieniowania
ramanowskiego lepszej jak [0,1
cm -1] wymaga opracowania
nowej technologii.
Wymagania,
pomiaru
spektrum
promieniowania
ramanowskiego lepszej jak 0,1
-1
cm
może
spełnić
opracowany
w
Zespole
Naukowym
prof.
Henryka
Kowalskiego
spektrometr
rammanowski z heterodyną
optyczną.
The reasons described above , in
the opinion of the research team of
Prof. Henryk Kowlski , limit the classic
Raman spectrometer technology in
such a way that obtaining a
measurement resolution of the
Raman spectrum radiation better
than 0.1 cm -1 requires the
development of a new technology.
The requirements of measuring the
Raman spectrum radiation with a
resolution better than [0.1 cm -1 ]
can be fulfilled by the
optical
heterodyne Raman spectromaeter
developed
by
Prof.
Henryk
Kowalski’s
Scientific
Team.
Teoria heterodyny optycznej
Heterodyna optyczna
należy do klasy
technologii
heterodynowania z tym,
że pasma detekcji
układu pomiarowego jest
w paśmie częstotliwości
optycznych (wo ± w R ) =
około 10 14 Hz).
Optical heterodyne
technology belongs to a
class of heterodyning,
however the detection
range of the measurement
system is the optical
frequency band (wo ± w R) =
approximately 10 14 Hz).
Opis heterodyny optycznej
Technologia
heterodynowania
polega
na
wprowadzeniu
generatora lokalnego do układu
pomiarowego.
Zabieg
ten
prowadzi do zmniejszenia pasma
częstotliwości
sygnału
pomiarowego spektrometru (tu
pasmo
częstotliwości
sygnału
14
optycznego – około 10
Hz dla
układu spektrometru klasycznego,
zostaje zawężone do około 10 9 Hz).
Gdy
parametry
konstrukcyjne
heterodyny
optycznej
zostaną
dobrane tak, że częstotliwość
generatora lokalnego będzie w o ,
że suma przestrzenna dwóch
sygnałów
optycznych
Σ p ((w o - w o± w R)
po
przejściu przez kwadrator i filtr
dolnoprzepustowy fotodetektor ma
pasmo częstotliwości (± w R).
Heterodyning technology is the
introduction of a local oscillator to
the measurement system . This
treatment leads to a decrease in
the frequency band of the
spectrometer measuring signal
(here a frequency band of an
optical signal - about 10 14 Hz for a
classical spectrometer system , is
narrowed down to about 10 9 Hz).
When the optical heterodyne
design parameters are chosen
such that the frequency of the
local oscillator is equal to [w o]
and such that the spatial sum of
the two optical
signals is
Σ p ((w o - w o± w R), after passing
through the quadrarure and
lowpass filter, the photodetector
has a frequency band (± w R).
Technologia
heterodyny
optycznej eliminuje trzy źródła
szumów :
separuje
sygnał
promieniowania ramanowskiego
(w o±w R)
od częstotliwośći
lasera (w o)
- zmniejsza pasmo częstotliwości
sygnału optycznego o 5 rzędów
(z 10 14 → 10 9 Hz ,
- eliminuje szumy występujące na
drodze
propagacji
sygnału
optycznego P S1 + P SD + P us ,
eliminuje
wpływ
filtra
optycznego (siatki dyfrakcyjnej)
na
mierzone
widmo
promieniowania ramanowskiego
tak, że układ z heterodyną
optyczną
detekuje
tylko
częstotliwości
stokesowskie
widma ramanowskiego ± wR.
Optical heterodyne technology
eliminates three sources of noise :
- Separates the Raman signal
radiation (w o±w R) from the laser
frequencies
(w
o)
- Reduces the frequency band of
the optical signal by 5 orders of
magnitude ( from 10 14 → 10 9 Hz),
- Eliminates noise occurring as a
result of the propagation path of
the optical signal P S1 + P SD + P us ,
- Eliminates the influence of the
optical filter
(diffraction grating ) on the
measured
Raman
radiation
spectrum so that the heterodyne
optical system detects only the
Raman spectra Stokes frequency
± wR
Dodatkowo układ z heterodyną
optyczną
:
- eliminuje z układu pomiarowego
siatki dyfrakcyjne (bardzo drogie)
zniekształcające
widmo
częstotliwości
promieniowania
ramanowskiego,
powoduje,
że
spektrogram
promieniowania
ramanowskiego
może być opisany w jednostkach
częstotliwości – Hz , zamiast jak w
spektrometrach
klasycznych
w
-1
jednostkach K = 1 /l [cm ]z tym, że
z metrologicznego punktu widzenia,
( w żadnym pomiarze nie można
wyznaczyć rzeczywistej wartości [l] )
(l zależy od parametrów środowiska,
w
którym
propagowane
jest
światło),
wprowadza
do
układu
pomiarowego spektrometru filtry
elektryczne pasmowe o dobrej
jakości i tanie – ten zabieg polepsza
dynamikę układu pomiarowego tak,
że
dynamika
spektrometru
ramanowskiego
z
heterodyną
optyczną może mieć wartość 10 9
(jest o 5 rzędów lepsza niż dynamika
spektrometru
ramanowskiego
klasycznego.
In addition, the optical heterodyne system :
- eliminates diffraction gratings (very expensive)
from the measurement system, which distort the
frequency spectrum of the Raman radiation,
- permits the Raman radiation spectrogram to be
described in units of frequency - Hz , instead of, like
with conventional spectrometers, in units of K = 1 /
l (cm-1), with that from a metrological point of
view , no measurement can determine the actual
value of [l ]  l depends on the environment in
which light is propagated),
- introduces into the spectrometer measurement
system good quality, cheap electric band filters this treatment improves the dynamics of the
measurement system so that the dynamics of the
Raman spectrometer with an optical heterodyne
can have a value of 10 9 ( 5 orders of magnitude
better than the dynamic of the classical
measurement system – DUP = 10 4).
Opracowany przez Zespół naukowy prof.
Henryka
Kowalskiego
spektrometr
ammanowski z heterodyną optyczną (SRH) jest
znaczącym
krokiem
poprawy
jakości
spektrometrów ramanowskich prowadzącym
do :
- zwiększenia dokładności analizy związków
chemicznych tak, że rozdzielczość pomiaru
prążków
charakterystycznych
widma
promieniowania ramanowskiego może być
lepsza jak 10 -5 cm -1,
- prowadzenie analizy związków chemicznych
w
czasie
rzeczywistym
–
spektrogram
promieniowania ramanowskiego jest tworzony
w czasie analizy,
- prążki charakterystyczne spektrogramu są
opisywane przez dwie wartości : częstotliwość
prążka n – w Hz , oraz przez wartość względną
mocy danego prążka w badanym widmie
rozpraszania ramanowskiego Pni – w Watach,
(w konstrukcjach klasycznych mierzy się tylko
liczby falowe K i prążków charakterystycznych
widma z tym, że K jest opisane w cm -1),
- dodatkowo, wyposażenie SRH w przesuwnik
częstotliwości światła (PC)lasera umożliwia
detekcję Rezonansowego Zjawiska Ramana
(RZR), którego detekcja umożliwia analizę
skomplikowanych związków biochemicznych
(takiej zdolności pomiarowej niema żaden
spektrometr
klasyczny
–
wyklucza
to
technologia
detekcji
promieniowania
ramanowskiego
za
pomocą
filtrów
optycznych (siatka dyfrakcyjna).
The optical heterodene Raman spectromaeter
( SRH ) developed by the research team of
Prof. . Henryk Kowalski is a significant step in
improving the quality of Raman spectrometers
leading
to
:
- an increase in the accuracy of the analysis of
chemical
compounds
,
in
that
the
measurement resolution of characteristic
bands of the Raman spectrum may be better
-5
-1
than
10
cm
,
- conducting chemical analyses in real time the spectrogram of the Raman spectra is
created
at
the
time
of
analysis,
- characteristic bands of the spectrogram are
described by two values : the n - in Hz , and
the relative value of the power of the band
frequency in the chosen Raman spectrum
range Pni in Watts , ( in classical designs only
the wave numbers K of the characteristic
bands are measured, with K being described in
-1
cm
),
- In addition, by equipping the SRH in a laser
light frequency shifter (PC) it is possible to
detect the phenomena of Raman Resonance
( RZR ), whose detection enables the analysis
of complex biochemical compounds
( no classic spectrometer as this ability – this is
impossible due to the technology for detecting
Raman radiation using optical filters (diffraction
gratings))
Gdy wiązka światła emitowana z
lasera L spełniająca warunek wo =
const. Jest kierowana na badany
obiekt (związek chemiczny). Obiekt
od
działywuje
z
polem
elektromagnetycznym
światła
lasera tak, że na atomach związku
chemicznego
następuje
rozpraszanie fotonów pola (w
mechanizmie elastycznych zderzeń
fotonów z elektronami atomów).
W wyniku oddziaływania obiektu z
polem atomy związku podlegają
wzbudzeniu polegającemu na tym,
że elektrony walencyjne atomów
zwiększają energię wewnętrzną o
wartość
energii
pochłoniętego
fotonu = h n to powoduje, że po
krótkim
czasie
elektron
musi
powrócić do stanu podstawowego.
Powrót
elektronu
do
stanu
podstawowego skutkuje tym, że
elektron
musi
wypromieniować
energię w postaci kwantu energii
promieniowania ramanowskiego =
[hnR]
The Raman resonance
phenomenon (RZR).
A light beam emitted from the
laser L satisfying condition wo =
const is directed onto the test
object ( a chemical compound ) .
The object interacts with the
electromagnetic field of the laser
light , so that scattering of the fields
photons occurs on the compounds’
atoms ( in the mechanism of elastic
collisions of photons with the atoms’
electrons) .
As a result of the interaction of the
object with the field, atoms of the
subject compound are excited, in
that the valence electrons increase
the value of their internal energy
by the amount of absorbed photon
energy = hn which causes the
electron to return to the basic state
after a short time. Return of the
electron to the basic state results in
that the electron must radiate this
energy in the form of a quantum of
Raman radiation energy = [h nR ].
Rozpraszanie ramanowskie jest
nieliniowym oddziaływaniem
materii z polem
elektromagnetycznym i polega
na tym, że częstość kołowa
pole ulega zmianie [± w R → h
n R → wo ± w R].
Rozróżnia się dwa
oddziaływania atomów materii
: stokesowskie
[w = wo - w R]
oraz antystokesowskie
[w = wo + w R] .
Obydwa oddziaływania mogą
być mierzone za pomocą SRH
ponad to, gdy SRH jest
dodatkowo wyposażony w
przesuwnik częstotliwości
światła lasera – PC możliwy jest
pomiar
RZR i światło lasera ma wartość
wo’ = f(p) , gdzie : p –
parametr.
Raman scattering is a nonlinear interaction of matter
with the electromagnetic field
and is based on the fact, that
the circular field frequency is
shifted
[± w R → h n R → (wo ± w R)]
There are two types of
interactions between atoms of
matter: Stokes [w = wo - w R]
and anti-Stokes [w = wo + w R ]
.
Both effects can be measured
by SRH, additionally when SRH
is additionally equipped with a
laser light frequency shifter PC , it is possible to measure
the RZR, and the laser light
has a value of - wo’ = f(p).
Detekcja R Z R opisanego w modelu
kwantowym za pomocą funkcji falowej
ma postać :
Detekcja R Z R opisanego w modelu
kwantowym za pomocą funkcji falowej
:
(ara)kn
<n |Pr| r> <r |Pa| k>
= 1/n{Σ ---------------------r
( nrk – n o)
+ składnik nieistotny z (nrk + no) w
mianowniku}
Detekcja RZR jest możliwa gdy, za
pomocą przesuwnikaka częstotliwości
światła, na czynnik [(nrk - no’)] zmienia
swoją wartość tak, by czynnik ten miał
dowolnie małą wartość, wtedy
wyrażenie (ara)kn może mieć dużą
wartość [gdzie n’o – regulowana
wartość częstotliwości lasera ;
[nrk] – moment elektrycznego układu
związanego z przejściem cząstki typu
k→ ± n – charakterystyczny dla cząstki].
Wydajność energetyczna rozpraszania
ramanowskiego dla linii stokesowskich
<n |P | r> <r |Pa| k>
( a)kn = 1 / n {Σ -------------------- +
r
( rk – o)
negligible component in the
denominator ( rk+ o)}
RZR detection is possible when, by
using a light frequency shifter on the
[( rk - o’) ]factor, it changes its value
, so that this factor has an arbitrarily
small value , then the expression
[( a)kn] can be of great value
(where [ o’] - variable frequency laser
; [ rk] - the moment the electrical
system associated with moving
particles of type k → ± n - characteristic
of the particle) .
Energy efficiency of Raman scattering
for Stokes lines o ± R is about 1 %,
while when the wave function
[( a)kn ] is sufficiently large, the RZR is
much larger ( about 10 4 ) than the
Stokes lines ZR so that their detection is
possible – the analysis of biochemical
compounds of concentrations of less
10 -8 mol / l
Notations:
wo ± w R wynosi 1 % , zaś gdy funkcja
falowa [ …] jest dostatecznie duża to R
Z R jest dużo większe ( 10 4) od linii
stokesowskich Z R tak, że możliwa jest
detekcja – analiza związku
biochemicznego o stężeniu mniejszym
jak 10 -8 mol/l.
Oznaczenia :
[(ara)kn] – funkcja falowa dla przejścia
(wzbudzenia cząstki) od stanu n →k ;
[Σ] – oznacza sumowanie po wszystkich
stanach wzbudzonych dla przejścia
n → k.
Wyrażenie [(ara)kn ] opisuje
polaryzowalność (stan wzbudzenia)
cząstki i wpływa na moc
promieniowania ramanowskiego.
Wydajność energetyczna rozpraszania
ramanowskiego wo±w R wynosi 1 % , zaś
gdy funkcja falowa [(ara)kn ] jest
dostatecznie duża to RZR jest dużo
większe ( o 10 4) od linii stokesowskich ZR
tak, że możliwa jest detekcja – analiza
związku biochemicznego o stężeniu
mniejszym jak 10 -8 mol/l.
[( a)kn] - the wave function
for the transition ( excitation of
particles ) from state
n→k;
[Σ] - Is a summation of all
excited states for the transition
n→k
The expression [( a)kn ]
describes the polarizability (
excited state ) of particles and
affects the power of the
Raman radiation .
Energy efficiency of
theRaman scattering o ± R
is about 1 %, while the wave
function [( a)kn ] is
sufficiently large, the RZR is
much larger ( about 10 4 )
than the Stokes lines ZR so that
their detection is possible – the
analysis of biochemical
compounds of concentrations
of less 10 -8 mol / l
Wyposażenie SRH w dodatkowy podzespół –
przesuwnik częstotliwości światła lasera czyni
(PC) czni, że SRH może być wykorzystany do
detekcji R Z R a to pozwala na oznaczanie
śladowych wartości stężenia ( lepszej jak 10 -8
mol /l) substancji w związku chemicznym.
SRH + PC jest nowym narzędziem badawczym
umożliwiającym
analizę
chemiczną
i
biochemiczną w czasie rzeczywistym z wysoką
(inż. 0,0001 cm-1) rozdzielczością pomiaru :
1. W medycynie :
- jako nieinwazyjna metoda pobierania próbek
do analizy;
- badania ex vivo i en vivo na żywych tkankach
- diagnozowania tkanek w tym rakowych ;
- identyfikacja rozkładu barwników w skórze ;
obrazowanie
obszarów
normalnie
niedostępnych
dla
badaczy
w żywych
tkankach.
2. W biochemii :
- badania dynamiki procesów enzymatycznych,
mechanizmu
widzenia
oraz
przebiegu
fotosyntezy, czy oddychania komórkowego ;
- przy ustalaniu struktury przestrzennej wielu
skomplikowanych
biopolimerów
(inż. cytochrom, porfiryny, karoteny, DNA).
3. W krystalografii (dzięki dużej czułości) :
- do badania drgań nie tylko molekuł, ale
również jest w stanie badać wzbudzenia sieci
krystalicznej
,
które
są
trudne
do
zaobserwowania przy użyciu innych technik.
By equipping the SRH with an additional
component - the laser light frequency shifter
(PC ), it is possible to use the only that SRH to
detect the RZR, which allows the determination
of trace concentration values (better than 10 8 mol / l) of substances within a chemical
compound.
SRH + PC is a new research tool, which allows
chemical and biochemical analyses in real
time with high (approximately 0.0001 cm - 1 )
measurement resolutions :
1. In medicine :
- A non-invasive method of sampling for
analysis;
- An ex vivo and en vivo of living tissues ;
- Diagnosing tissues, including cancer tissue ;
- Identification of the distribution of pigments in
the skin ;
- Imaging areas normally inaccessible to
researchers in living tissues .
2. In biochemistry :
- Study the dynamics of enzymatic processes ,
the mechanism of vision and photosynthesis or
cellular respiration ;
- For determining the spatial structure of many
complex biopolymers (eg cytochrome ,
porphyrins, carotenoids , DNA).
3. In crystallography ( due to high sensitivity) :
- Test not only the vibration of molecules , but
also is able to examine the excitation of the
crystal lattice , which are difficult to be
observed using other techniques.
Dziękuję za uwagę