DE102004061728A1

DE102004061728A1 - Surface-resolved determination of Raman scattering and spectral separation uses objective to produce point-resolved image of scattering from specimen which is fed to interferometer, after which it passes to focal plane array detector

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Publication number: DE102004061728A1
Application number: DE200410061728
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-29

Abstract

Surface-resolved determination of Raman scattering (7) and spectral separation comprising uses an objective (5) to produce a point-resolved image of Raman scattering from a specimen (1), which is fed to an interferometer which converts it to an interferogram while maintaining the point resolution, after which it passes to a focal plane array detector (12), is new.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur flächenaufgelösten Erfassung des Ramanstreulichtes und spektralen Trennung nach dem Oberbergriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for surface-resolved detection of the Raman scattered light and Spectral separation according to the Oberbergriff of claim 1.

Die Ramanspektroskopie ist eine optisch-spektroskopische Methode, mit der sich Molekülstrukturen erfassen und somit Moleküle identifizieren lassen. Für viele Anwendungen reicht aber die einfache, punktuelle Messung auf einer Probe nicht mehr aus. Vielmehr müssen Bilder aufgenommen werden, die eine Verteilung bestimmter Merkmale bzw. chemischer Zustände erkennen lassen. Diese Forderung wurde zunächst von der zur Ramanspektroskopie komplementären Methode, der FTIR-Spektroskopie, erfüllt. Die ersten Systeme bestanden in einer punktweisen Rasterung der Probe und einer nachfolgenden elektronischen Rekonstruktion der Bilder. Diese Technik wurde auch in der Ramanspektroskopie eingesetzt. Hierfür sind verschiedene Methoden und Anordnungen beschrieben.The Raman spectroscopy is an optical-spectroscopic method, using of molecular structures capture and thus molecules be identified. For many applications, however, the simple, punctual measurement is sufficient a sample no longer aus. Rather, pictures have to be taken recognize a distribution of certain characteristics or chemical states to let. This demand was first made by Raman spectroscopy complementary Method, FTIR spectroscopy, Fulfills. The first systems consisted in a pointwise screening of the Sample and a subsequent electronic reconstruction of the images. This technique was also used in Raman spectroscopy. There are different ones for this Methods and arrangements described.

Ein großes Problem der punktweisen Rasterung besteht in dem enormen Zeitbedarf für die Abbildung der Probe. Typische Messzeiten, je nach Größe der zu untersuchenden Fläche und gewählter Akkumulationen von Spektren, liegen zwischen einer Stunde und einem Tag. Damit lassen sich Proben, die nur kurze Zeit beständig sind, nicht untersuchen. Hierzu zählen zum Bsp. viele biologische Proben und instabile chemische Verbindungen. Ebenso lassen sich kinetische Prozesse nicht erfassen.One great Problem of punctiform screening is the enormous time required for the Illustration of the sample. Typical measuring times, depending on the size of the examining area and chosen Accumulations of spectra range between one hour and one Day. This allows samples that are stable for a short time, do not investigate. Which includes for example, many biological samples and unstable chemical compounds. Likewise, kinetic processes can not be detected.

In der Literatur sind bereits verschiedene Verfahren des Raman-Imagings und -Mappings beschrieben. Während beim Raman-Imaging das Streulicht mit einem Arraydetektor, auch als Focal-Plane-Arraydetektor bezeichnet, gemessen wird und das Bild sofort vorliegt, wird beim Mapping die Probe punktweise gemessen und nachfolgend aus den Spektren ein Bild konstruiert. Die beschriebenen Raman-Imaging-Verfahren beruhen entweder auf dem Einsatz von Filtern zur Auswahl einzelner Wellenlängen des Ramanstreulichtes oder auf der spektralen Zerlegung mit einem optischen Gitter oder Prisma.In The literature already contains several methods of Raman imaging and mappings. While in Raman imaging, the stray light with an array detector, too called Focal Plane Array Detector, is measured and the Image is immediately available, the sample is measured point by point during mapping and subsequently constructing an image from the spectra. The described Raman imaging methods are based either on the use of filters to select individual wavelengths of the Raman scattered light or on the spectral decomposition with an optical Grid or prism.

In der Schrift WO 01/04609 A1 wird ein Raman-Messsystem für die Untersuchung von Oberflächen auf Basis von Spektralfiltern beschrieben. Je nach der spektralen Lage der charakteristischen Signale können die Filter ausgetauscht werden, so dass jeweils nur eine bestimmte Bande des Ramanstreulichtes als Bild dargestellt wird.In the document WO 01/04609 A1 is a Raman measuring system for the investigation of surfaces described on the basis of spectral filters. Depending on the spectral Location of the characteristic signals, the filters can be exchanged be, so that only one particular band of Raman scattered light is displayed as a picture.

In den Schriften WO 01/51094 A1 und US 006070583 wird ein chemisches Imagingsystem für die Untersuchung von Gewebe abgehandelt. Aufgenommen wird das von dem Gewebe ausgesendete Streulicht, wobei die Auswahl der Wellenlängen entweder mit einem Filter oder einem herkömmlichen Monochromator vorgenommen werden kann.In the documents WO 01/51094 A1 and US 006070583 discusses a chemical imaging system for the study of tissue. The scattered light emitted by the tissue is recorded, wherein the selection of the wavelengths can be carried out either with a filter or a conventional monochromator.

Ein spezielles Raman-Imaging System insbesondere zur Aufnahme von Signalen der oberflächenverstärkten Ramanspektroskopie (Surface Enhanced Raman Scattering – SERS) ist in der Schrift WO 03/009303 A1 beschrieben. Die Auswahl der spektralen Bereiche wird durch einen Filter vorgenommen.One special Raman imaging system especially for recording signals surface-enhanced Raman spectroscopy (Surface Enhanced Raman Scattering - SERS) is in the writing WO 03/009303 A1. The selection of the spectral ranges becomes through a filter.

In dem Journal Analytical Chemistry (2003), 75(16) sind auf den Seiten 4312-4318 verschiedene Raman-mikrospektroskopische Techniken wie Punkt-, Zeilen- und Flächenmessung beschrieben und verglichen. Die spektrale Aufspaltung des Ramanstreulichtes geschieht mit dispersiven optischen Mitteln.In The Journal Analytical Chemistry (2003), 75 (16) are on the pages 4312-4318 various Raman microspectroscopic techniques such as point, Line and area measurement described and compared. The spectral splitting of the Raman scattered light happens with dispersive optical means.

Eine Lösung für ein spektral-dispersives Imaging beruhend auf dem LIDAR-System wird in der Schrift US 005450125 aufgezeigt. Für die Untersuchung von DNA-Fragmenten mittels Raman-Imaging ist in der Schrift US 005306403A eine Anordnung beschrieben, wobei das Image durch Mappen bzw. Rastern der Probenoberfläche erreicht wird.A solution for spectral-dispersive imaging based on the LIDAR system is described in Scripture US 005450125 demonstrated. For the investigation of DNA fragments by Raman imaging is in the Scriptures US 005306403A describes an arrangement, wherein the image is achieved by mapping or rasterizing the sample surface.

Ein dispersives Raman-Imaging System, gekoppelt an ein Elektronenmikroskop, ist in der Schrift US 005811804 genannt.A dispersive Raman imaging system coupled to an electron microscope is in the Scriptures US 005811804 called.

Die Schrift US 005929986 zeigt ein Verfahren und eine Anordnung zur synchronen Aufnahme von Ramanbanden. Die spektrale Zerlegung des Lichtes erfolgt mit einem optischen Gitter.The font US 005929986 shows a method and an arrangement for the synchronous recording of Raman bands. The spectral decomposition of the light takes place with an optical grating.

Ebenso beruht das in der Schrift US 006002476 dargestellte Raman-Imaging System auf der spektralen Zerlegung des Streulichtes durch einen Monochromator. Das System zeichnet sich auch dadurch aus, dass es an ein optisches Mikroskop angekoppelt werden kann, wodurch sich eine bessere laterale Auflösung in den chemischen Bildern erreichen lässt.Likewise, this is based on Scripture US 006002476 illustrated Raman imaging system on the spectral decomposition of the scattered light by a monochromator. The system is also characterized in that it can be coupled to an optical microscope, whereby a better lateral resolution in the chemical images can be achieved.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine schnelle chemische Abbildung von Proben mit der Ramanspektroskopie bei gleichzeitig hoher spektraler und örtlicher Auflösung ermöglicht wird.The The object of the invention is to provide a method with a rapid chemical imaging of samples with Raman spectroscopy with simultaneous high spectral and spatial resolution.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.According to the invention the object is achieved by a method having the features mentioned in claim 1. Advantageous variants of the method rens are the subject of dependent claims.

Das von der Probe ausgesandte Ramanstreulicht wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel und einen Filter zur Eliminierung der Laserstrahlung in einem Interferometer in ein Interferogramm moduliert, von einem nachfolgenden Detektor aufgenommen und in ein elektrisches Signal umgewandelt.The Raman scattered light emitted by the sample is transmitted through a semitransparent mirror and a filter for eliminating laser radiation in an interferometer modulated into an interferogram, taken by a subsequent detector and converted into an electrical signal.

Das Interferogramm lässt sich durch eine mathematische Operation, die Fourier-Transformation, in die spektralen Anteile des von der Probe ausgesendeten Streulichtes transformieren. Dieses Verfahren wird in der Infrarot- als auch Ramanspektroskopie eingesetzt. Die Umformung des Lichtes im Interferometer erreicht man, indem das Licht aufgeteilt und an zwei Spiegeln reflektiert wird. Ein Spiegel ist verschiebar. Je nach Position des beweglichen Spiegels kann das an den Spiegeln reflektierte Licht zu einer konstruktiven oder destruktiven Interferenz führen. Die spektrale Auflösung und die Empfindlichkeit wird u.a. von der Spiegelgeschwindigkeit bestimmt.The Interferogram leaves through a mathematical operation, the Fourier transform, in the spectral components of the scattered light emitted by the sample transform. This procedure is used in the infrared as well Raman spectroscopy used. The transformation of the light in the interferometer One achieves this by dividing the light and reflecting it on two mirrors becomes. A mirror is verschiebar. Depending on the position of the movable Mirror can reflect the reflected light on the mirrors to a constructive or destructive interference. The spectral resolution and the sensitivity is i.a. from the mirror speed certainly.

Je nach Art der Spiegelbewegung unterscheidet man zwischen zwei Aufnahmetechniken. Bei der Continuos-Scan-Technik bewegt sich der bewegliche Spiegel kontinuierlich. Das von der Probe ausgesandte Licht wird in der Regel mehrfach gemessen. Im Gegensatz dazu arbeitet die Step-Scan-Technik mit einem schrittweise bewegten Spiegel. Der Spiegel bewegt sich ein definierte Strecke und bleibt stehen. Nach einer entsprechenden Wartezeit zur Stabilisierung des Spiegels wird das Licht vom Detektor aufgenommen. Der Vorteil der Step-Scan-Technik besteht darin, dass genügend Zeit für die Belichtung des Detektors und für das Auslesen der Information zur Verfügung steht. Dies spielt insbesondere bei Focal-Plane-Arraydetektoren eine wichtige Rolle. Grundsätzlich kann aber mit der beschriebenen Erfindung das Ramanstreulicht sowohl im Continous-Scan-Modus als auch im Step-Scan-Modus registriert werden. Erste genannte Methode ist schnell, während der Step-Scan-Modus meist empfindlicher ist und vor allem die Beobachtung von kinetischen Vorgängen an einem bestimmten Punkt im Spektralbereich gestattet. Das ausgesandte und im Interferometer umgeformte Lichtbündel wird auf das lichtempfindliche Detektorarray fokussiert.ever The type of mirror movement distinguishes between two recording techniques. at Continuous scanning technique, the moving mirror moves continuously. The light emitted by the sample is usually measured several times. In contrast, the step-scan technique works step by step moving mirror. The mirror moves a defined distance and stops. After waiting for stabilization of the mirror, the light is picked up by the detector. The advantage The step-scan technique is to allow enough time for exposure of the detector and for reading the information is available. This plays in particular in Focal Plane Array Detectors an important role. Basically but with the invention described the Raman scattered light both in Continous scan mode as well as in step-scan mode are registered. The first mentioned method is fast, while the step-scan mode is mostly more sensitive and, above all, the observation of kinetic operations allowed at a certain point in the spectral range. The sent out and formed in the interferometer light beam is on the photosensitive Focused detector array.

Als Detektorarray können empfindliche Detektoren aus Germanium, Silizium oder Indium/Antimon eingesetzt werden. Typische Dimensionen des Arrays liegen zwischen 64 × 64 bis 1024 × 1024 Pixel. Für ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis wird der Detektor gekühlt. Die Synchronisation des Auslesens mit der Position des beweglichen Spiegels des Interferometers wird über entsprechende Hard- und Software gesteuert.When Detector array can sensitive detectors made of germanium, silicon or indium / antimony be used. Typical dimensions of the array are between 64 × 64 up to 1024 × 1024 Pixel. For a better signal-to-noise ratio, the detector is cooled. The Synchronization of readout with the position of the movable mirror of the Interferometer is over appropriate hardware and software controlled.

Mittels eines Focal-Plane-Arraydetektor lassen sich gleichzeitig viele Spektren ähnlich wie ein Bild aufnehmen. Da die Spektren chemische Eigenschaften der Probe widerspiegeln lässt sich somit das chemische Bild von Proben erfassen, wodurch wiederum bestimmte Eigenschaften wie die Verteilung von Molekülen abgebildet werden können.through A Focal Plane Array Detector can simultaneously simulate many spectra take a picture. Since the spectra have chemical properties of Sample thus capture the chemical image of samples, which in turn mapped certain properties such as the distribution of molecules can be.

Der Vorteil der Erfindung ist die einfache Anpassung eines Focal-Plane-Arraydetektors an ein Fourier-Transform-Ramanspektrometer, so dass sehr schnell und mit hoher spektraler Auflösung chemische Informationen zerstörungsfrei von der Probe gewonnen werden können.Of the Advantage of the invention is the simple adaptation of a focal plane array detector to a Fourier transform Raman spectrometer, so that very fast and with high spectral resolution chemical information non-destructive can be obtained from the sample.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:The The invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments. In show the drawings:

1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einer 180°-Beleuchtungsgeometrie. 1 a schematic representation of an arrangement for carrying out the method with a 180 ° illumination geometry.

2 eine schematische Darstellung der Datenauswertung und Bilderzeugung. 2 a schematic representation of the data evaluation and image generation.

Die 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens (Fourier-Transform-Raman-Imaging). Ein Laser 2 sendet einen feinen Laserstahl 4 aus, der durch ein optisches Mittel 3 aufgeweitet wird. Das Laserlicht 4 wird an einem halbdurchlässigen Spiegel 6 umgelenkt und über ein Objektiv 5 auf die Probe 1 fokussiert. Mit dem Objektiv 5 kann die Größe der beleuchteten Fläche auf der Probe 1 eingestellt werden. Das von der Probe 1 ausgesendete, bildhafte Ramanstreulicht wird von dem Objektiv 5 gesammelt und zu einem Strahl 7 gebündelt. Dabei passiert das Licht den halbdurchlässigen Spiegel 6. Das ebenfalls von der Probe 1 reflektierte Laserlicht wird von dem Filter 8 herausgefiltert. Die Transformation des Ramanstreulichtes in Interferogramme geschieht mit dem Interferometer 9 das einen beweglichen Spiegel 10 aufweist. Am Ausgang des Interferometers wird der Strahl durch ein optisches Mittel 11 auf das Pixelarray 13 des Focal-Plane-Arraydetektors 12 fokussiert.The 1 shows an arrangement for carrying out the method according to the invention (Fourier transform Raman imaging). A laser 2 sends a fine laser steel 4 out, by an optical means three is widened. The laser light 4 is on a semi-transparent mirror 6 redirected and over a lens 5 to the test 1 focused. With the lens 5 may be the size of the illuminated area on the sample 1 be set. That from the sample 1 emitted, pictorial Raman scattered light is from the lens 5 collected and turned into a beam 7 bundled. The light passes through the semitransparent mirror 6 , The same from the sample 1 Reflected laser light is emitted from the filter 8th filtered out. The transformation of Raman scattered light into interferograms is done with the interferometer 9 that a movable mirror 10 having. At the output of the interferometer, the beam is transmitted by an optical means 11 on the pixelarray 13 of the Focal Plane Array Detector 12 focused.

Die 2 zeigt eine schematische Abbildung der Signalverarbeitung der vom Detektor 12 aufgenommenen ramanspektroskopischen Images 14. Ein einzelnes Image 14 setzt sich aus einem Array von Pixeln zusammen. Mit der Spiegelbewegung im Interferometer 9 werden mehrere Images 14 registriert und gespeichert. Pixelweise nacheinander betrachtet ergibt sich für jedes Pixel ein Interferogramm 15, das die spektrale Information enthält. Nachdem die Pixel einer mathematischen Operation, der Fouriertransformation 16, unterzogen wurden entsteht ein Datenkubus 17 der die Ramanspektren 18 pixelweise enthält und damit eine örtliche Zuordnung zu der Probe gestattet.The 2 shows a schematic illustration of the signal processing of the detector 12 recorded ramanspektroskopischen Images 14 , A single image 14 is composed of an array of pixels. With the mirror movement in the interferometer 9 become multiple images 14 registered and saved. Viewed one pixel at a time, an interferogram results for each pixel 15 containing the spectral information. After this the pixels of a mathematical operation, the Fourier transform 16 , were subjected to a data cube 17 the Raman spectra 18 pixel by pixel and thus allows a local assignment to the sample.

11: Probesample
22: Laserlaser
33: optisches Mittel zur Aufweitung des Laserstrahlsoptical Means for expanding the laser beam
44: Laserstrahllaser beam
55: Objektivlens
66: halbdurchlässiger Spiegelsemi-transparent mirror
77: aufgesammeltes Ramanstreulichtbe accumulated Raman scattered light
88th: Filter zur Eliminierung des Laserlichtesfilter for eliminating the laser light
99: Michelson-InterferometerMichelson interferometer
1010: beweglicher SpiegelPortable mirror
1111: optisches Mittel zum Fokusierenoptical Means for focusing
1212: Focal-Plane-ArraydetektorFocal plane array detector
1313: Pixelarraypixel array
1414: Ramanspektroskopisches ImageRamanspektroskopisches image
1515: Interferogramm für jedes Pixelinterferogram for each pixel
1616: Fouriertransformation im ComputerFourier transform in the computer
1717: Datenkubusdata cube
1818: Ramanspektrum aufgenommen mit einem PixelRaman spectrum taken with a pixel

Claims

Method for surface-resolved detection of Raman scattered light ( 7 ) and spectral separation, whereby by means of a light source ( 2 ) a sample ( 1 ) and the Raman scattered light ( 7 ) an interferometer ( 9 ), wherein in the interferometer ( 9 ) a spectral modulation of the collected Raman scattered light ( 7 ), characterized in that - by an optical means ( 5 ) a spatially resolved image of the sample ( 1 ) emitted Raman scattered light ( 7 ), - the Raman scattered light ( 7 ) while maintaining the spatial resolution in an interferometer ( 9 ) is transformed into interferograms, and - with a focal plane array detector ( 11 ) a pictorial detection of the Raman scattered light is made.

Method according to Claim 1, characterized in that the light source ( 2 ) a laser is used, with which a certain area of the sample ( 1 ) is irradiated uniformly and the size of the irradiated area by optical means ( three ) is adjustable.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the light emitted from the illuminated surface of the sample ( 1 ) emitted Raman scattered light ( 7 ) through a lens ( 5 ) is collected with a large opening angle and converted into a preferably parallel beam.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the Raman scattered light ( 7 ) in an interferometer ( 9 ) is converted into interferograms while maintaining the area resolution.

Method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that an interferometer customary for optical spectrometers ( 9 ) is used, that a movable mirror ( 10 ) having.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the modulated light from the interferometer ( 9 ) with an optical means ( 11 ) while maintaining the area resolution on the pixel array ( 13 ) of the Focal Plane Array Detector ( 12 ) is focused.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the Raman spectroscopic images ( 14 ) for certain positions of the movable mirror ( 10 ) with the Focal Plane Array Detector ( 12 ) and the interferograms ( 15 ) each pointwise for each pixel from all Raman spectroscopic images ( 14 ).

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the interferograms ( 15 ) by a Fourier transformation in the computer ( 16 ) in spectra ( 18 ) can be converted for each pixel, whereby a data cube ( 17 ) in which the image information and the chemical information of the sample ( 1 ) are stored.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the recording of the interferograms ( 15 ) is performed by the step-scan technique or the continuous-scan technique.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that as Focal Plane Arraydetektor ( 12 ) preferably sensitive detectors for visible light and near-infrared light are used.

Method according to one of Claims 1 to 10, characterized in that focal plane array detectors ( 12 ), which consist of at least a 32 × 32 pixel matrix.

Method according to one of claims 1 to 11, characterized in that for spatial resolutions of a few micrometers, an imaging Raman microscope as a lens ( 5 ) is used.

Method according to one of claims 1 to 12, characterized in that for larger areas an additional mapping of the sample ( 1 ) and the image is composed of several individual images.

Method according to one of claims 1 to 13, characterized in that the sample ( 1 ) with different angles of incidence of the laser light ( 4 ) relative to the Raman scattered light ( 7 ) is illuminated.