Метка: методика

 

Корреляционная микроскопия предоставляет преимущества визуализации одного и того же объекта с использованием двух разных методов – атомно силовой микроскопии и сканирующей электронной микроскопии. Корреляция данных с отдельных изображений дает более подробную информацию об образце, который в противном случае был бы слишком сложным для анализа. Технология Корреляционной Зондовой и Электронной Микроскопия КЗЭМ позволяет определять характеристики поверхности области образца одновременно с помощью СЭМ и АСМ и с использованием одной и той же системы координат.     КЗЭМ выполняется с помощью АСМ, который устанавливается на предметный столик ФИП/СЭМ микроскопа, что позволяет устанавливать его в соответствии с предпочтениями пользователя. АСМ при этом может выполнять измерения в наклонном положении, например, для одновременного использования с ФИП. В таких случаях пользователь по достоинству оценит возможность конфигурации АСМ, при которой кантилевер может быть втянут и спрятан в корпусе прибора. Дизайн АСМ  продуман до мельчайших деталей и соответствует всем основным конструктивным требованиям и особенностям использования прибора в вакуумной камере электронного микроскопа. Низкий уровень механических вибраций обеспечивает чрезвычайно надежные и повторяемые результаты.     Применение корреляционной АСМ и СЭМ микроскопии:   КЗЭМ имеет множество приложений, от фундаментальных научных исследований до диагностики дефектов конструкционных материалов в промышленности. Основные приложения связаны со случаями, когда обычный СЭМ не дает достаточной информации и требуется дополнительное 3D-изображение с использованием СЗМ. Наличие дополнительных режимов визуализации, таких как: микроскопия магнитных сил, картирование поверхностного потенциала, токов растекания, электро-силовая микроскопия, снятие вольтамперных характеристик, – еще больше расширяет область применения. Уникальная технология КЗЭМ с ее корреляционной визуализацией может применяться в областях с высокими требованиями, где визуализация с использованием обычного СЭМ может предоставить вводящую в заблуждение информацию из-за поверхностного загрязнения, связанного с химическим контрастом, который влияет на топографию поверхности. Фундаментальные исследования в области материаловедения и нанотехнологий требуют детального и полного анализа поверхностей и наноструктур с использованием различных аналитических методов. Непосредственное преимущество очевидно для таких технологий, как FIB и GIS, где структуры формируются непосредственно в СЭМ. Инструмент 3D-анализа для вновь созданных структур очень важен.         Особенности АСМ для корреляционной АСМ и СЭМ микроскопии:   Низкий профиль и небольшой размер позволяют интегрировать в СЭМ / ФИП Простая процедура интеграции – установка на манипулятор СЭМ / ФИП занимает 5-10 минут Универсальный, простой в установке, держатель зонда, подходящий для различных зондовых методов Наклон образца до 60° Оптимизированная конструкция с очень низким уровнем вибрации (жесткость и соответствующая резонансная частота), встроенный предусилитель (для минимального соотношения сигнал/шум)     Особенности параметры АСМ для корреляционной АСМ и СЭМ микроскопии:   Вес 1 кг Работа в вакууме 105 Па до 10-5 Па Сканирование X, Y, Z 100мкм × 100мкм × 100мкм Размер образца, max 10 мм × 10 мм Высота образца, max 8 мм Разрешение до 0.4 нм     Поддерживаемые методики для корреляционной АСМ и СЭМ микроскопии     Интеграция АСМ в электронный микроскоп   LiteScope™ специально разработан для интеграции в микроскопы СЭМ по принципу Plug & Play. LiteScope™ просто прикрепляется к предметному столику электронного микроскопа четырьмя винтами. Электрические кабели вставляются в подготовленный вакуумный ввод. LiteScope ™ можно установить или снять менее чем за 5 минут. LiteScope™ легко интегрируется в электронные микроскопы различных производителей. Соответствующие переходники предоставляются вместе с АСМ.

 

Современная нелинейная спектроскопия, кроме информации о новых нелинейных параметрах вещества, открывает принципиально новые возможности извлечения данных, являющихся традиционным предметом линейной спектроскопии — данных о положении и структуре спектральных линий, сечениях рассеяния, молекулярных уровнях энергии и вероятностях переходов. Хотя нелинейная спектроскопия в принципе имеет дело с бесконечным числом новых параметров – нелинейных восприимчивостей различных порядков, фактически в большинстве применяемых методов, например, нелинейная поляризационная спектроскопия, спектроскопия двухфотонного поглощения, когерентная антистоксовая рамановская спектроскопия, исследуются резонансы в кубичной нелинейной восприимчивости, которая стала одной из важнейших характеристик материальных сред. Кубичная нелинейная восприимчивость X⁽³⁾ является тензором 4-го ранга, отлична от нуля в центральносимметричных средах: в газах, жидкостях, аморфных твердых телах и кристаллических твердых телах.

 

Когда на нелинейную среду с отличной от нуля нелинейной восприимчивостью третьего порядка X⁽³⁾ падают две согласованные по времени и по пространству световые волны: E(v_p), большей частоты v_p (волна «накачки») и E(v_s), меньшей частоты v_s («Стоксова» волна), они взаимодействуют друг с другом, вызывая биения электромагнитного поля на частоте v_p — v_s. В случае их резонанса с колебательным состоянием определенной химической связи среды v_p — v_s = v_vib происходит вынужденное рассеяние второго фотона волны накачки E(v_p) на сфазированном колебательном состоянии v_vib с генерацией новой волны E_CARS (2v_p — v_s), анти-Стоксовой волны с частотой (2v_p — v_s ), большей частоты v_p и Стоксовой частоты v_s .

 

Когерентное анти-Стоксово Рамановское рассеяние (coherent anti-Stokes Raman Scattering — CARS), является вынужденным процессом Рамановского (комбинационного) рассеяния, когда молекулярные колебания фазируются внешним излучением и рассеивают это излучение в анти-Стоксову область.

 

 

Достоинства CARS спектроскопии:

 

 

 

Диаграмма процесса когерентного анти-Стоксового Рамановского Рассеяния. Схема энергетических уровней показывает, что CARS включает взаимодействие четырёх волн с частотами: накачки v_pump; стоксовой компоненты v_s; пробной (зондирующей) волны v_probe; анти-стоксовой компоненты v_CARS на колебательном резонансе v_vib. Частота накачки и пробной волны – это одна и та же частота ν_pump = ν_probe, задаваемая лазером накачки.

 

 

CARS часто сравнивают с вынужденным комбинационным рассеяниям света, а также со спонтанным рамановским рассеянием. CARS соединяет в себе преимущества сильного сигнала вынужденного рассеяния с широкой областью применимости Рамановской спектроскопии. Интенсивность вынужденного комбинационного рассеяния на несколько порядков выше интенсивности спонтанного Рамановского рассеяния, однако оно наблюдается только при интенсивности выше пороговой, которая зависит от коэффициента поглощения среды и величины производной от поляризуемости. Это ограничивает возможность наблюдения вынужденного рассеяния только наиболее сильными в комбинационном рассеянии линиями веществ с высокой плотностью.

 

В отличие от Рамановского рассеяния, когда свет рассеивается во всех направлениях, анти-Стоксов сигнал сохраняет направление, задаваемое падающими волнами, и при определенных условиях стимулирует другие фотоны рассеиваться в том — же направлении, когерентно накапливая сигнал. Подобно лазерному излучению фотоны анти-Стоксова сигнала сфазированы друг с другом, распространяются в фазово-согласованном направлении и поэтому легко детектируемы. В отличие от микроскопии, основанной на линейных процессах излучения и генерации изображения, где интенсивности сигналов линейно связаны с мощностью лазера, CARS сигнал порождается на основе нелинейных процессов 3-его порядка и имеет более сложные, нелинейные зависимости от интенсивности падающего излучения. Сигнал CARS пропорционален квадрату интенсивности волны накачки и прямо пропорционален интенсивности Стоксовой волны, а также квадрату всех вкладов в тензор X⁽³⁾, так что X⁽³⁾ включает сумму откликов всех молекул, присутствующих в зоне взаимодействия в фокальной перетяжке лазерного излучения, и соответственно CARS пропорционален квадрату концентрации молекул, вносящих вклад в X⁽³⁾. Это позволяет, при определенных условиях, наряду с селективностью и неинвазивностью метода, использовать CARS для количественных измерений концентрации химической субстанции в образце.

 

Казалось бы, что Рамановская спектроскопия и CARS спектроскопия должны иметь одинаковую чувствительность, поскольку они используют одинаковые молекулярные переходы. Однако CARS сигнал намного интенсивнее (~10⁵), чем спонтанный Raman сигнал, кубически зависит от мощности возбуждения, обладает эффектом накопления в направлении фазового синхронизма и по свойствам близок к свойствам лазерных сигналов. Это позволяет существенно снизить время накопления сигнала (до единиц микросекунд на пиксель) и обеспечить неразрушающий анализ в реальном масштабе времени, что практически невозможно в других типах построения изображений — конфокальной флуоресцентной микроскопии или Раман микроскопии.

 

CARS сигнал генерируется в направлении, определяемом условием фазового синхронизма. В коллинеарном случае CARS сигнал совпадает по направлению с направлением лазерного излучения. CARS сигнал, распространяющийся в попутном направлении с возбуждающим излучением, называют F-CARS (Forward CARS). F-CARS сигнал складывается из резонансного и нерезонансного сигналов. Нерезонансный сигнал (фон) является результатом далеких от резонанса переходов, для которых сигналы тоже когерентно складываются. Резонансная амплитуда имеет фазовый сдвиг π радиан от резонанса, в то время как нерезонансная часть сигнала не имеет фазового сдвига. По этой причине форма спектральной линии CARS напоминает профиль Фано (Fano profile), который сдвинут по отношению к рамановскому сигналу. Величина нерезонансного фона, как правило, невелика и зависит от природы исследуемого объекта. Однако при низкой концентрации вещества резонансная часть сигнала уменьшается, а присутствие нерезонансного фона становится возрастающей проблемой. Чувствительность ограничивается разностью между резонансной и нерезонансной частями CARS сигнала.

 

Одним из способов подавления нерезонансного фона при регистрации CARS сигналов является поляризационно-чувствительное детектирование (Р- CARS), использующее разность поляризаций резонансных и нерезонансных сигналов. Это позволяет повысить контраст и улучшить качество изображения CARS.

 

Когда CARS детектируется в обратном направлении (Epi CARS), нерезонансный сигнал отсутствует. Но интенсивность E-CARS сигнала невелика по сравнению с F-CARS сигналом, потому что E-CARS генерируется с очень малого объема из-за деструктивной интерференции. E-CARS чувствителен к небольшим объектам, находящихся непосредственно в фокусе, размеры которых меньше оптической длины волны.

 

В определенных условиях, когда образец является сильно рассеивающим или, часто, когда образец подсыхает, F-CARS сигнал может рассеиваться в обратном направлении, давая сильный E-CARS сигнал.

 

Здесь Вы можете узнать подробнее о конфигурации оборудования для проведения исследований по CARS методикам, а также заказать демонстрацию оборудования и измерение тестовых образцов: Рамановский / люминесцентный сканирующий конфокальный микроскоп Confotec CARS.

В Рамановоской спектроскопии (Спектроскопии Комбинационного рассеяния) образец облучается монохроматическим светом, которым, как правило, является лазер. Большая часть рассеянного образцом излучения будет иметь ту же частоту, что и падающая – процесс известен как Рэлеевское рассеяние. Тем не менее, некоторое количество излучения, рассеянного образцом, примерно один фотон из десяти миллионов (0.000001 %) – будет иметь частоту, смещенную по отношению к частоте исходного излучения лазера. Излучение, имеющее более высокую длину волны называется стоксовой компонентой рассеяния и имеет более низкую энергию, чем излучение лазера.  КР и ИК спектроскопия являются по сути комплементарными, взаимно дополняющими методами. В настоящее время существуют как мощные аналитические конфокальные лазерные спектрометры Рамановского рассеяния, например: Confotec NR500, так и относительно недорогие компактные рамановские микроскопы, такие как, Confotec MR200. Широкую популярность так же получили междисциплинарные комбинированные АСМ Раман системы, позволяющие изучать образцы одновременно зондовыми и оптическими методами – Ntegra Spectra.     Колебания, которые сильно проявляются в ИК спектре (сильные диполи) обычно слабо проявляются в КР спектре. В тоже время, неполярные функциональные группы, дающие очень интенсивные полосы КР, как правило, дают слабые ИК сигналы. Например, колебания гидроксильных, карбонильных групп или аминогрупп очень сильно проявляются в ИК спектре и очень слабы в КР спектре. Однако, двойные и тройные углерод-углерод связи и симметричные колебания ароматических групп очень сильны в КР спектре. В связи с этим КР спектроскопия используется не только как отдельный метод, но и в сочетании с ИК спектроскопией для получения наиболее полного представления о природе образца. Колебательная спектроскопия дает ключевую информацию о структуре молекул. Например, положение и интенсивность полос в спектре может использоваться для изучения молекулярной структуры или химической идентификации образца.     В результате анализа можно идентифицировать химические компоненты (определять природу вещества) или изучать внутримолекулярные взаимодействия, наблюдая положение и интенсивность полос в КР спектре. КР спектроскопия имеет значительные преимущества по сравнению с другими аналитическими методами. Важнейшими из них являются простота пробоподготовки и большой объем получаемой информации. КР спектроскопия – метод, основанный на рассеянии света, поэтому все, что требуется для сбора спектра – это направить падающий луч точно на образец, а затем собрать рассеянный свет. Толщина образца не вызывает проблем для КР спектроскопии (в отличие от ИК спектроскопии при анализа образцов на пропускание), также окружающая атмосфера вносит незначительный вклад в КР спектры. Поэтому не требуется вакуумирование или осушка кюветного отделения для образцов. Стекло, вода, и пластиковая упаковка сами по себе имеют очень слабые КР спектры, что еще более упрощает использование метода. Часто образцы можно анализировать прямо в стеклянной бутылке или пластиковом пакете, не открывая упаковку и без риска загрязнения. Водные растворы готовы для анализа, не требуется удалять воду для анализа растворенного образца, а поскольку атмосферная влажность не играет роли, нет необходимости продувать спектрометр. Более того, не существует двух молекул, которые имеют одинаковые КР спектры, а интенсивность рассеянного света связана с количеством вещества. Это позволяет просто получать как количественную, так и качественную информацию об образце, дает возможность интерпретировать спектр, обрабатывать данные с применением компьютерных методов количественного анализа. КР спектроскопия – это неразрушающий метод анализа. Нет необходимости растворять твердые тела, прессовать таблетки, прижимать образец к оптическим элементам или иным образом менять физическую или химическую структуру образца.     Таким образом, КР спектроскопия широко используется для анализа таких физических свойств, как кристалличность, фазовые переходы и полиморфные состояния. КР спектроскопия имеет несколько дополнительных преимуществ по сравнению с другими колебательными методами, поскольку спектральный диапазон не зависит от изучаемых колебательных особенностей. Другие колебательные методы требуют набора частот, который напрямую соответствует изучаемым частотам. КР спектроскопия является наилучшим выбором для исследователей, поскольку работает в широком диапазоне от УФ до ближней ИК области, позволяя выбрать наиболее удобный диапазон для данного образца и получения наилучших результатов. КР спектроскопия позволяет изучать колебательные состояния, связанные с частотами в дальней инфракрасной области, которые трудно изучать другими методами.

 

Ссылки

1. Обзор метода спектроскопии комбинационного рассеяния света
2. Сол Инструментс -семинар по Рамановской спектроскопии