Время анализа является важнейшим фактором при проведении исследований, а для быстропротекающих процессов – определяющим фактором. Что же называется быстрым или сверхбыстрым получением рамановских изображений? Все познается в сравнении и терминология не имеет значения.
Минимальное время, затраченное для получения рамановского спектра для каждого пиксела изображения, ограничивается, в основном, рамками быстродействия CCD детектора (порядка: 760 мкс – 1 мс) и на практике составляет около 5 мс. В системе Confotec® NR500 мы применяем два режима для получения рамановских изображений. Наряду с режимом CCD детектирования, применяется режим, в котором приемником служит PMT, а сканирование производится гальванозеркалами при неподвижном объекте. Мы назвали этот режим Fast mapping, достаточно скромно, если учесть, что время получения каждого пиксела изображения – всего 3 мкс! А минимальное время получения рамановского изображения 1001 пиксел x 1001 пиксел составляет только 3 секунды!
Некоторые возможности режима Fast mapping показаны на примере его применения к исследованию образца Granite Gneiss India (образец предоставлен Brno University of Technology). Режим Fast mapping позволяет получать изображения как при наличии относительно сильных сигналов, так и изображения с максимальными сигналами на несколько порядков более слабыми, если сравнить их с рамановским сигналом от кремния. Для измерений применялись два сухих объектива: 100х и 20х.
В качестве примера на Рис.1 показаны конфокальные (1AU) мегапиксельные (1002001 точек) изображения образца Granite Gneiss India с полным временем измерения 3 сек. Изображения на Рис.1 получены с применением объектива 100х при сканировании максимального размера образца для данного объектива (150 мкм х 150 мкм) при шаге сканирования 150 нм.
Рис.1a. Изображение поверхности образца в отраженном лазерном свете на длине волны 488 нм.
Рис.1b. Рамановское изображение, показывающее распределение anatase (диоксид титана).
Рис.1c. Суммарное изображение, показывающее распределение anatase по отношению к изображению поверхности образца в отраженном лазерном свете (длина волны 488 нм).
Рис.1d. Суммарное изображение в аксонометрическом виде.
Параметры изображений на Рис.1
- Система: Confotec® NR500
- Режим: Fast mapping
- Образец: Granite Gneiss India
- Область сканирования: 150 мкм x 150 мкм
- Количество точек: 1002001
- Размер шага: 150 нм
- Время на 1 точку: 3 мкс
- Время измерения: 3 с
- Объектив: 100х сухой
Можно выбрать только информативную часть полученного изображения и произвести сканирование соответствующей ей части объекта с тем же количеством точек. В результате будет получено более детальное изображение с более высоким пространственным разрешением. На Рис.2a показаны примеры таких мегапиксельных (1002001 точек) изображений, измеренных с шагом 43 нм. Информативную часть объекта еще можно сканировать в режиме высокой чувствительности. Тогда будет получено изображение с более высоким отношением сигнал/шум. Примеры такого применения Fast mapping для получения изображений показаны на Рис.2b.
Параметры Рис.2a
- Система: Confotec® NR500
- Режим: Fast mapping
- Образец: Granite Gneiss India
- Область сканирования:
43 мкм x 43 мкм - Количество точек: 1002001
- Размер шага: 43 нм
- Время на 1 точку: 3 мкc
- Время измерения: 3 с
- Объектив: 100х сухой
Параметры Рис.2b
- Система: Confotec® NR500
- Режим: Fast mapping
- Образец: Granite Gneiss India
- Область сканирования:
43 мкм x 43 мкм - Количество точек: 63001
- Размер шага: 172 нм
- Время на 1 точку: 48 мкc
- Время измерения: 3 с
- Объектив: 100х сухой
Рис.2a
Рис.2a.1. Распределение anatase области 2a.
Рис.2a.2. Лазерное изображение области 2a.
Рис.2a.3. Суммарное изображение области 2a, показывающее распределение anatase по отношению к изображению поверхности образца в отраженном лазерном свете.
Рис.2a.4. Изображение 2a.3 в аксонометрическом виде.
Рис.2b
Рис.2b.1. Распределение anatase области 2b.
Рис.2b.2. Лазерное изображение области 2b.
Рис.2b.3. Суммарное изображение области 2b, показывающее распределение anatase по отношению к изображению поверхности образца в отраженном лазерном свете.
Рис.2b.4. Изображение 2b.3 в аксонометрическом виде.
Спектр анатаза в одной из точек изображения (объектив 100х) приведен на Рис.3. Там же схематично прямоугольником выделена рамановская линия, которая использовалась для получения изображений.
Рис.3. Спектр anatase в одной из точек изображения 1 (поверхность образца из диоксида титана, объектив 100х).
Фотолюминесценция от изучаемого материала или от примесей в образце является проблемой, которая мешает детектированию рамановских изображений. В рамановском конфокальном микроскопе Confotec® NR500 для получения изображений в режиме Fast mapping применяется специально разработанная система избавления от фотолюминсценции. Ее применение успешно независимо от того, как проявляется фотолюминесценция – в виде отдельных ярких пятен, искажающих рамановское изображение, в виде фотолюминесцентного фона, присутствующего на всем изображении, или в случае обоих проявлений фотолюминесценции одновременно.
На Рис.4а показано распределение anatase, полученное с объективом 20х в режиме Fast mapping, с искажениями, вызванными наличием фотолюминесценции в виде отдельных ярких пятен. Для наглядности отдельные пятна фотолюминесценции выделены окружностями.
Изображение на Рис.4b после избавления от искажений вызванных фотолюминесценцией показывает реальное распределение anatase. Для сравнения на Рис.4с приведено изображение того же участка образца, но в режиме CCD детектирования (режим Mapping) после применения функции Baseline Correction для вычитания фотолюминесценции. На обоих изображениях нет искажений, вызванных фотолюминесценцией. Спектр anatase в одной из точек образца (объектив 20х) показан на Рис.4d.
Рисунок 4
Пример, демонстрирующий избавление от мешающей фотолюминесценции, которая наблюдается в виде отдельных пятен на изображениях.
Рис.4a. Изображение Fast mapping с искажениями вследствие фотолюминесценции. Некоторые пятна от фотолюминесценции выделены окружностями.
Рис.4b. Реальное распределение anatase без искажений из-за фотолюминесценции (251 точка x 251 точка).
Рис.4c. Изображение (101 точка x 101 точка) того же участка образца, полученное в режиме CCD детектирования после применения функции коррекции фона (Baseline correction) для вычитания фотолюминесценции.
Рис.4d. Спектр anatase в одной из точек изображения (объектив 20х).
Другой пример избавления от фотолюминесценции, полностью искажающей рамановское изображение и проявляющейся как в виде отдельных пятен, так и в виде фотолюминесцентного фона, присутствующего на всем изображении, показан на Рис.5.
Рисунок 5
Пример избавления от фотолюминесценции, полностью искажающей изображение.
Рис.5a. Исходное изображение распределения кварца, измеренное в режиме Fast mapping (101 точка x 101 точка) с объективом 20х.
Рис.5b. Изображение показывающее реальное распределение кварца после избавления от фотолюминесценции. Режим Fast mapping.
Рис.5c. Изображение того же участка образца, измеренного с разрешением 21 точка x 21 точка, полученного в режиме CCD детектирования после вычитания фотолюминесценции.
Рис.5d. Спектр кварца в одной из точек изображения (объектив 20х).
На рисунках 6-8 приведены примеры применения режима Fast mapping для исследования Granite Gneiss India с объективом 20х.
Параметры Рис.6
- Система: Confotec® NR500
- Режим: Fast mapping
- Образец: Granite Gneiss India
- Область сканирования:
194 мкм x 194 мкм - Количество точек: 10201
- Размер шага: 1.94 мм
- Время на 1 точку: 4.4 мкс
- Время измерения: 45 с
- Объектив: 20х сухой
Рисунок 6
Рис.6a. Изображение образца, полученное при рамановском сдвиге (Raman shift) ~240 см-1.
Рис.6b. Изображение того же участка образца при рамановском сдвиге (Raman shift) ~1353 см-1.
Рис.6с. Спектр, измеренный в одной из точек изображения, на котором показаны рамановские линии, которые использовались для анализа.
Рисунок 7
- Система: Confotec® NR500
- Режим: Fast mapping
- Образец: Granite Gneiss India
- Область сканирования:
194 мкм x 194 мкм - Количество точек: 63001
- Размер шага: 0.776 мкм
- Время на 1 точку: 0.7 мс
- Время измерения: 45 с
- Объектив: 20х сухой
Рис.7a. Изображение, показывающее распределение кварца.
Рис.7b. Спектр в одной из точек изображения с выделенной рамановской линией, которая использовалась для анализа.
Рисунок 8
- Система: Confotec® NR500
- Режим: Fast mapping
- Образец: Granite Gneiss India
- Область сканирования:
194 мкм x 194 мкм - Количество точек: 63001
- Размер шага: 0.776 мкм
- Время на 1 точку: 48 мкс
- Время измерения: 3 с
- Объектив: 20х сухой
Рис.8a. Изображение, показывающее распределение anatase.
Рис.8b. Суммарное изображение, показывающее распределение anatase по отношению к изображению поверхности образца, полученному в отраженном лазерном свете.
Рис.8с. Спектр в одной из точек изображения.
Преимущества, которые дает применение режима Fast mapping для пользователя:
- Высокая скорость измерения конфокальных рамановских изображений – до 3 мкс/точка.
- Высокое пространственное разрешение. Минимальный шаг сканирования – менее 21.5 нм.
- Возможность выбора разрешения в зависимости от размера исследуемой области: 101 точка x 101 точка, 251 точка х 251 точка, 501 точка х 501 точка, 1001 точка х 1001 точка.
- Высокая чувствительность. Специальный режим для повышения отношения сигнал/шум при измерении слабых рамановских сигналов.
- Сочетание высокой скорости, высокой чувствительности и высокого разрешения позволяют получать быстро достоверную информацию о распределении химического соединения по образцу.
- В отсутствие такого высокоскоростного и чувствительного режима, как наш Fast mapping, для получения общего представления о распределении химического соединения по образцу используют известный прием. Сначала проводят измерение большой площади образца с низким разрешением, а затем сканируют информативные области при более высоком разрешении. Однако при низком разрешении можно вообще не найти конкретное соединение в образце, особенно если данное химическое соединение присутствует в образце в виде отдельных вкраплений.
- Получение чисто рамановских изображений с устранением вклада в них фотолюминесценции.
- Наличие канала Reflection Fast Mapping для получения таких же высокоскоростных с высоким пространственным разрешением изображений тех же исследуемых областей образца, но в отраженном образцом свете лазера. Кроме дополнительной информации об образце, которую дает изображение в отраженном лазерном свете, данный канал быстро определяет сфокусированные области образца при изучении рельефных образцов.