Химическое Рамановское картирование на спектрометре MR200

Рамановская спектроскопия — аналитический метод, основанный на явлении неупругого (рамановского) рассеяния света. При взаимодействии монохроматического лазерного излучения с образцом часть фотонов рассеивается с изменением энергии, обусловленным колебательными и вращательными переходами в молекулах. Это приводит к появлению в спектре стоксовых (с потерей энергии) и антистоксовых (с её приобретением) компонент, смещенных относительно исходной длины волны лазера. Характерные спектральные пики соответствуют конкретным химическим связям и молекулярным структурам, что позволяет идентифицировать вещества, анализировать кристаллическую фазу, напряженность связей и конформационные изменения.

 

Рамановское картирование — метод пространственного разрешения химического состава образца путем построения двумерных или трехмерных карт распределения компонентов. На конфокальном Рамановском спектрометре MR200 процесс включает следующие этапы:

 

 

1. Подготовка образца:

 

Образец фиксируется на моторном столике с нанометровым позиционированием. Метод не требует разрушающей пробоподготовки (напр., напыления проводящих слоев), что сохраняет нативную структуру.

 

 

2. Настройка параметров:

 

• Выбор длины волны лазера (напр., 532 нм, 785 нм в MR200) для минимизации флуоресценции и оптимизации сигнала.
• Установка спектрального диапазона (обычно 100–4000 см⁻¹) и разрешения (<2 см⁻¹).
• Определение шага сканирования (0.1–10 мкм) и времени накопления сигнала (0.1–10 с/точка) в зависимости от требуемой чувствительности и пространственного разрешения.

 

 

3. Конфокальное сканирование:

 

Лазерный луч фокусируется через объектив микроскопа (с увеличением до 100×) в дифракционно-ограниченное пятно (~1 мкм²). Конфокальная диафрагма отсекает внефокусное излучение, обеспечивая оптическую секцию с толщиной слоя до 1–2 мкм. Это позволяет анализировать объемные образцы послойно (3D-картирование) и избежать интерференции от подложки.

 

4. Сбор данных:

 

В каждой точке сетки (X, Y, Z) регистрируется полный Рамановский спектр. MR200 использует ПЗС-детектор с глубоким охлаждением для снижения шумов. Для повышения отношения сигнал/шум применяется многократное накопление сигнала.

 

5. Обработка и анализ:

 

• Предобработка спектров: удаление фона (флуоресценции), сглаживание, нормализация.
• Хемометрический анализ (метод главных компонент, кластеризация) или интеграция интенсивности характерных пиков (напр., 1580 см⁻¹ для графена).
• Построение карт распределения: цветовая кодировка интенсивности сигнала отражает концентрацию компонентов или фазы.

 

 

Ключевые особенности MR200:

 

• Высокое пространственное разрешение (<0.5 мкм латерально, <2 мкм аксиально).
• Возможность работы в режиме 3D-томографии.
• Автоматическая коррекция спектров на аппаратную функцию прибора.
• Совместимость с гибридными методами (TERS, SERS для усиления сигнала).

 

 

 

Преимущества метода:

 

• Неразрушающий анализ, применимый для полимеров, керамик, биологических тканей.
• Возможность in situ исследований (термические, механические воздействия).
• Количественная оценка фазового состава и ориентации молекул (поляризационная рамановская спектроскопия).

 

 

Таким образом, Рамановское картирование на MR200 сочетает высокую специфичность молекулярной спектроскопии с субмикронным пространственным разрешением, обеспечивая комплексную характеристику гетерогенных материалов.

 

 

Области применения Рамановского химического картирования:

 

Метод применяется в широком спектре научных и промышленных областей благодаря своей способности неразрушающе анализировать химический состав, структуру и распределение компонентов с субмикронным разрешением. Вот ключевые области его использования:

 

Материаловедение и нанотехнологии

 

• Анализ композитов и полимеров: Изучение распределения наполнителей (напр., углеродных нанотрубок, графена) в матрице, оценка степени ориентации макромолекул.
• Характеристика 2D-материалов: Определение числа слоев в графене, гексагональном нитриде бора (h-BN), дисульфиде молибдена (MoS₂), выявление дефектов и напряжений.
• Исследование керамик и стекол: Анализ фазовых превращений (напр., аморфные/кристаллические области), распределения легирующих элементов.

 

 

Полупроводниковая электроника

 

• Контроль качества гетероструктур: Визуализация распределения примесей, деформаций и дефектов в многослойных системах (напр., GaN/AlN, кремний-германиевые структуры).
• Диагностика солнечных элементов: Картирование фаз (перовскиты, кремний) и деградационных процессов (окисление, расслоение).

 

 

Биомедицина и фармацевтика

 

• Идентификация биологических тканей: Диагностика рака по спектральным маркерам липидов, белков и нуклеиновых кислот (напр., в клетках кожи или тканях молочной железы).
• Исследование лекарственных форм: Анализ распределения активных фармацевтических ингредиентов (API) в таблетках, выявление полиморфных модификаций.
• Биосенсоры и имплантаты: Контроль деградации полимерных покрытий, взаимодействие материалов с биологическими средами.

 

Экология и науки о Земле

 

• Обнаружение микропластиков: Идентификация и классификация частиц в воде, почве, биологических образцах по спектральным “отпечаткам” полимеров (PET, PP, PS).
• Геология и минералогия: Анализ состава горных пород, распределения минеральных фаз (напр., кварц, кальцит), изучение метаморфических процессов.

 

Химическая промышленность и катализ

 

• Исследование катализаторов: Визуализация активных центров на поверхности, анализ распределения металлических наночастиц (напр., Pt, Pd) в пористых носителях.
• Контроль коррозии и покрытий: Оценка защитных свойств полимерных или керамических покрытий, выявление продуктов окисления.

 

 

Криминалистика и культурное наследие

 

• Криминалистический анализ: Идентификация следов наркотиков, взрывчатых веществ, красителей на поверхностях.
• Реставрация артефактов: Изучение состава красок, пигментов и лаков в исторических объектах без повреждения образцов (напр., картины, керамика).

 

Энергетика и аккумуляторы

 

• Исследование литий-ионных батарей: Картирование распределения электродных материалов (напр., LiCoO₂, графит), анализ деградации электролита и SEI-слоя.
• Топливные элементы: Визуализация распределения ионов и продуктов реакций на электродах.

 

Пищевая промышленность

 

• Контроль качества продуктов: Анализ распределения жиров, белков, углеводов, обнаружение фальсификатов (напр., примеси в оливковом масле).
• Исследование упаковки: Оценка барьерных свойств полимерных пленок, миграции химических веществ.

 

Преимущества метода для этих областей

 

• Неразрушающий анализ: Сохранение целостности образцов, включая биологические и исторические объекты.
• Высокое пространственное разрешение: Возможность работы с наноструктурами (до 0.5 мкм).
• 3D-визуализация: Построение объемных карт распределения компонентов.
• Количественный анализ: Определение концентраций веществ, фазовый состав.

 

 

 

Примеры практических задач

 

• В биомедицине: отличить злокачественные клетки от здоровых по спектрам липидных мембран.
• В электронике: обнаружить дефекты в графеновых транзисторах.
• В экологии: классифицировать микропластик в организме морских животных.
• В археологии: установить происхождение пигментов на древней керамике.

 

 

Рамановское картирование остается универсальным инструментом для мультидисциплинарных исследований, сочетая молекулярную специфичность с возможностями микроскопии.

 

Метод	Разрешение	Химическая информация	Разрушаемость	Подготовка образца	Применение
Рамановское	0.5–1 мкм	Молекулы, фазы, ориентация	Нет	Минимальная	Полимеры, биология, материалы
ИК-микроскопия	2–20 мкм	Органические группы	Нет	Срезы, прессование	Биомедицина, полимеры
TOF-SIMS	50–200 нм	Элементы, молекулы	Да	Вакуум, покрытия	Полупроводники, тонкие плёнки
EDS	1–3 мкм	Элементы (B–U)	Частично	Проводящие слои	Металлы, минералы
XPS	10–100 мкм	Элементы + химические состояния	Нет	Вакуум	Поверхностный анализ
AFM-IR	10–100 нм	Органические молекулы	Нет	Плоские образцы	Наноразмерная органика

 

 

Ключевые выводы

 

Выбрать Раман, если:

 

• Нужно неразрушающее исследование кристаллических фаз или органических соединений.
• Образец чувствителен к вакууму или требует 3D-анализа.

 

Альтернативы предпочтительны, когда:

 

• Требуется элементный анализ с высокой чувствительностью (TOF-SIMS, EDS).
• Нужно наноразмерное разрешение для органики (AFM-IR).
• Анализ поверхностных химических состояний (XPS).

 

 

Рамановское картирование дополняет, но не заменяет другие методы, что делает его частью мультианалитических подходов в современных исследованиях.

 

 

 

Пример использования MR200 для химического картирования в фармацевтике

 

 

Рисунок 1. Рамановский спектр измеренный для каждой из частиц, на основании интенсивности выделенных пиков строились карты распределения. Синий цвет соответствует аспирину, зеленый цвет соответствует парацетамолу.

 

 

 

Рисунок 2. Распределение химических соединений отдельно выделенных частиц, зелёный цвет соответствует парацетамолу, синий цвет соответствует аспирину (a). Оптическое изображение исследуемого образца и область картирования (b)

 

 

 

Рисунок 3. Распределение химических соединений отдельно выделенных частиц, зелёный цвет соответствует парацетамолу, синий цвет соответствует аспирину (a). Оптическое изображение исследуемого образца и область картирования (b)

 

 

 

 

Авторы:

 

Ицков Сергей Сергеевич ООО НТЦ «ЭМТИОН»
к.т.н. Высоких Юрий Евгеньевич ООО НТЦ «ЭМТИОН», НТЦ УП РАН

 

 

Список используемой литературы:

 

1. Smith, E., Dent, G. “Modern Raman Spectroscopy: A Practical Approach” (2005).
2. McCreery, R. L. “Raman Spectroscopy for Chemical Analysis” (2000).
3. Lewis, I. R., Edwards, H. G. M. “Handbook of Raman Spectroscopy: From the Research Laboratory to the Process Line” (2001).
4. Butler, H. J., et al. “Using Raman spectroscopy to characterize biological materials” (Nature Protocols, 2016).
5. Schlücker, S. “Surface-enhanced Raman spectroscopy: concepts and chemical applications” (Angewandte Chemie, 2014).
6. Ferrari, A. C., Basko, D. M. “Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene” (Nature Nanotechnology, 2013).
7. Vandenabeele, P. “Practical Raman Spectroscopy: An Introduction” (2013).
8. Bhargava, R. “Infrared spectroscopic imaging: the next generation” (Applied Spectroscopy, 2012).
9. Van der Heide, P. “X-ray Photoelectron Spectroscopy: An Introduction to Principles and Practices” (2011).
10. Stuart, B. H. “Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications” (2004).
11. Pelletier, M. J. “Analytical Applications of Raman Spectroscopy” (1999).
12. Vickerman, J. C., Briggs, D. “ToF-SIMS: Surface Analysis by Mass Spectrometry” (2001).
13. Krafft, C., et al. “Raman and CARS microspectroscopy of cells and tissues” (Analyst, 2009).
14. Movasaghi, Z., Rehman, S., Rehman, I. U. “Raman Spectroscopy of Biological Tissues” (Applied Spectroscopy Reviews, 2007).
15. Dresselhaus, M. S., et al. “Raman spectroscopy of carbon nanotubes” (Physics Reports, 2005).
16. Zhang, R., et al. “Chemical mapping of polymer blends with Raman microspectroscopy” (Macromolecules, 2000).
17. Löder, M. G. J., Gerdts, G. “Methodology Used for the Detection and Identification of Microplastics—A Critical Appraisal” (Marine Anthropogenic Litter, 2015).
18. Pawley, J. B. “Handbook of Biological Confocal Microscopy” (2006).
19. Wilson, T. “Confocal Microscopy” (Academic Press, 1990).
20. Puppels, G. J., et al. “Confocal Raman Microspectroscopy” (Nature, 1990).
21. Bhargava, R., Levin, I. W. “FTIR Imaging: Theory and Practice” (2007).
22. Goldstein, J., et al. “Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis” (2017).
23. Watts, J. F., Wolstenholme, J. “An Introduction to Surface Analysis by XPS and AES” (2003).
24. Dazzi, A., Prater, C. B. “AFM-IR: Technology and Applications in Nanoscale Infrared Spectroscopy and Chemical Imaging” (Chemical Reviews, 2017).