СПЕКТРАЛЬНО-СЕЛЕКТИВНЫЙ ПОРТАТИВНЫЙ РАМАН-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗАТОР
SPECTRAL-SELECTIVE PORTABLE RAMAN-LUMINESCENT ANALYSER

Настоящее изобретение относится к оптическому анализу состава смесей порошков, суспензий, взвесей органических и неорганических субстанций по спектрам рамановского рассеяния и люминесценции с высоким спектральным и пространственным разрешением в широком спектральном диапазоне.
Среди разнообразных методов экспресс-анализа, основанных на химических и физических принципах, рамановский метод отличается простотой и надежностью. Рамановское рассеяние света обусловлено неупругими столкновениями световых квантов (фотонов) с нейтральными возбуждениями исследуемого вещества. В результате частота рассеянного света может уменьшаться, при этом энергия переходит от накачивающих фотонов к возбуждениям, или увеличиваться, при этом энергия переходит от возбуждений к рассеиваемым фотонам. Характерным примером рамановского рассеяния является неупругое рассеяние света на колебательных и вращательных возбуждениях одиночных молекул.
В общем случае процесс рассеяния света конкурирует с процессом фотолюминесценции. Фотолюминесценция связана с возбуждением исследуемого вещества световыми квантами в одно из возбужденных состояний, быстрой релаксацией из возбужденного состояния в промежуточное долгоживущее неравновесное состояние и последующей релаксацией в основное состояние с испусканием световых квантов меньшей энергии. Аналогично спектрам рамановского рассеяния спектр люминесценции содержит информацию о возбужденных состояниях исследуемого вещества, однако вследствие более широких полос люминесценции и меньшего числа долгоживущих возбужденных состояний спектр люминесценции менее специфичен, чем спектр рамановского рассеяния. Вместе с тем, одновременное измерение и анализ двух типов рассеяния, рамановского и люминесцентного, позволяют получить существенно более полную информацию об исследуемом объекте, поскольку данные типы рассеяния света связаны с различными физическими характеристиками исследуемого вещества.
Рамановский и люминесцентный методы анализа отличаются высокой чувствительностью при идентификации неизвестных чистых веществ. Однако более общей, чаще встречающейся и потому весьма актуальной является задача определения состава смесей, так как даже самые чистые вещества содержат примеси. Однако эта задача является и существенно более сложной. В частности, с увеличением количества компонентов смеси значительно усложняется вид спектра: растет количество спектральных линий, увеличивается вероятность случайного наложения близких по положению линий от разных компонентов. В результате для определения отдельных составляющих и их содержания в смеси посредством поиска и сравнения измеренного спектра с известными эталонными спектрами чистых веществ приходится применять все более изощренные алгоритмы распознавания. С другой стороны, даже в двухкомпонентной смеси при малом содержании одного из компонентов, например, в типичном случае загрязнения чистого вещества небольшим количеством примеси нужно уметь различать слабые примесные линии на фоне доминирующих линий спектра основной составляющей. Практический предел обнаружения примеси в однородной смеси с помощью рамановско-люминесцентного анализатора находится на уровне 5%, причем только в том случае, если относительные сечения рассеяния света для компонент смеси точно известны. С использованием сложных математических алгоритмов возможно обнаружение примесей на уровне 1%, что является, по-видимому, пределом обнаружения. Еще более сложной задачей является определение состава смеси неизвестного состава в случае сравнимых концентраций компонент, но существенно различного сечения рамановского и люминесцентного рассеяния света от каждой из компонент, что является весьма распространенным. Например, рамановский спектр сахарозы состоит из большого набора линий малой интенсивности, что связано как с низкой пространственной симметрией молекулы сахарозы, так и с малой поляризуемостью этой молекулы. Напротив, рамановский спектр нафталина, обладает небольшим количеством очень интенсивных линий (Фиг.1), что связано с высокой пространственной симметрией молекулы нафталина и высокой поляризуемостью. Задача анализа смеси столь различных по свойствам веществ становится практически невыполнимой, потому что в базах данных рамановских и люминесцентных спектров содержится не абсолютная интенсивность линий, а только относительная интенсивность линий, относящихся к одному веществу.
Мощным методом повышения чувствительности и разрешающей способности анализа смесей является пространственное разделение анализируемой субстанции на отдельные компоненты. Классическим примером служит хроматография, в которой анализируемое вещество переводят в газовую или жидкую фазу и пропускают через хроматографическую колонку, где компоненты смеси разделяют пространственно. За счет различной скорости взаимодействия отдельных фракций движущейся газовой/жидкой смеси с неподвижным материалом колонки эти фракции высаживаются в разных местах вдоль колонки. Далее анализируют каждую из обнаруженных фракций, в которых концентрация отдельных компонентов исходной смеси повышена в результате пространственного разделения. Хроматографический метод анализа имеет высокую чувствительность, но он требует заметного времени для разделения смесей и высокой квалификации обслуживающего персонала. Хроматографы дороги и имеют большие пространственные размеры и вес, что делает их неприменимыми для экспресс-анализов составных субстанций. Рамановские и люминесцентные измерения можно проводить достаточно быстро, а сама измерительная техника может быть малогабаритной. При исследовании состава смесей порошков, суспензий, взвесей не нужно специально проводить пространственное разделение компонентов - требуется только обеспечить достаточное пространственное разрешение, чтобы иметь возможность проводить измерения на отдельных частицах смеси. Известно техническое решение по патенту RU 115486 U. В нем описан раман-флуоресцентный спектрометр с многочисленными вариантами, включая 3-координатный столик для перемещения анализируемого образца. Устройство производит распознавание неизвестных веществ и их смесей исключительно на основании сравнения измеренного спектра с известными эталонными спектрами. Недостатком решения является то, что в указанном устройстве не используется пространственное разделение компонентов в неоднородных смесях. Известно решение по патенту US 5949532. Сущностью решения является то, что помощью корреляционного анализа во времени спектров рамановского рассеяния, флуоресценции, а также квазиупругого рассеяния определяют параметры диффузии или течения, концентрацию и размер частиц в многокомпонентном образце под конфокальным микроскопом. Предложенный способ использует пространственное разделение компонентов в неоднородной смеси и может применяться для определения их концентраций, но не предусматривает распознавание неизвестных компонентов смеси. Известно решение по патенту RU 2425336. В нем предложен спектральный анализатор смесей веществ с помощью рамановской (возможно также и для люминесцентной, катодолюминесцентной и ИК-спектроскопии), использующий анализ спектрально-пространственного распределения, получаемого в результате сканирования по поверхности твердого образца.
Однако предложенный способ не предусматривает определение процентного содержания компонентов смеси сыпучих веществ, суспензий и гелей. Наиболее близким решением является компактный раман-люминесцентный анализатор (РЛА) (заявка WO/2011/149855 - PCT/US2011/037612) для проведения рамановского и люминесцентного экспресс-анализа рассеянного излучения от органических и неорганических субстанций. Спектральный диапазон РЛА покрывает область молекулярных колебаний и значительную часть видимой спектральной области люминесценции органических и неорганических веществ, что позволяет одновременно производить измерение спектра неизвестного вещества, определение спектрального положения и относительных интенсивностей рамановских и люминесцентных линий исследуемого вещества, сравнение полученных спектральных характеристик с эталонными спектрами в спектральной базе данных известных веществ. Однако с помощью компактного РЛА невозможно проведение спектральных исследований с высоким пространственным разрешением. Совмещение техники рамановской и люминесцентной спектроскопии с оптической микроскопией позволяет выполнить пространственное разделение смеси веществ на микронных масштабах и проводить анализ образцов малых размеров - вплоть до долей микрона.
Техническим результатом заявленного изобретения является возможность избежать как необходимости расшифровки сложных спектров многокомпонентных смесей, так и проблемы определения слабых спектральных линий, связанных с малыми количествами примеси, на фоне доминирующего спектра основного вещества смеси. Также данное устройство позволяет повысить чувствительность и разрешающую способности раман-люминесцентного анализа смесей веществ.
Указанный технический результат достигается за счет того, что спектрально-селективный портативный раман-люминесцентный анализатор дополнительно содержит микроскопный объектив или микроскоп, укомплектованный и подключенный к компьютеру одно- или двухкоординатным транслятором образца в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива, причем РЛА выполнен с возможностью управления устройством перемещения образца, а также синхронизации пошагового сканирования образца и идентификации вещества на каждом шаге с фокусировкой лазерного луча объективом микроскопа в пятно микронных или субмикронных размеров.
Способ проведения анализа пространственно-неоднородных смесей веществ, характеризующийся использованием спектрально-селективного раман-люминесцентного анализатора, отличающийся тем, что анализ проводят с помощью микроскопного объектива или микроскопа, сочлененного с компактным раман-люминесцентным анализатором (РЛА), причем измерения выполняют в режиме автоматического пошагового пространственного сканирования по образцу лазерным лучом, сфокусированным объективом микроскопа в пятно микронных или субмикронных размеров, с одновременной регистрацией и распознаванием получаемых на каждом шаге раман-люминесцентных спектров, а состав смеси определяют с помощью статистического анализа полученных в результате сканирования данных о наличии в образце различных компонентов и их количестве. Предпочтительно микроскопный объектив или микроскоп комплектуют одно- или двухкоординатным транслятором образца в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива.
Предпочтительно образцы для анализа помещают на держатели с предметным стеклом и покрывают покровным стеклом, так чтобы они имели плоскую поверхность с размером, достаточным для сканирования.
Предпочтительно тестируемый образец устанавливают таким образом, чтобы поверхность покровного стекла была перпендикулярна оси объектива.
Для достижения этого технического результата РЛА оснащается управляемым от компьютера устройством одно- или двухкоординатного сканирования образца в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива. Таким устройством может быть одно- или двухкоординатный транслятор с компьютерным управлением. Образцы для анализа (порошок, суспензию, взвесь) удобно помещать на держатели с предметным стеклом и покрывать покровным стеклом, так чтобы они имели плоскую поверхность с размером, достаточным для сканирования. Тестируемый образец устанавливается таким образом, чтобы поверхность покровного стекла была перпендикулярна оси объектива. Твердые образцы с неоднородным составом должны иметь плоский шлиф. Программная платформа РЛА, с помощью которой производятся спектральные измерения и идентификация неизвестных веществ, дополняется пакетом программ, обеспечивающим управление устройством перемещения образца, а также синхронизацию пошагового сканирования образца и идентификации вещества на каждом шаге. Признаки, отличающие предлагаемый спектрально-селективный портативный раман-люминесцентный анализатор от его наиболее близкого аналога РЛА (Pub. No.: WO/2011/149855, International Application No.: PCT/US2011/037612), состоят в том, что для повышения чувствительности и разрешающей способности раман-люминесцентного анализа смесей веществ анализ проводится с помощью микроскопного объектива, сочлененного с компактным раман-люминесцентным анализатором (РЛА), обеспечивающим быструю регистрацию и анализ спектральных характеристик рамановского и люминесцентного рассеяния с высоким спектральным и пространственным разрешением в широком спектральном диапазоне, причем измерения выполняются в режиме автоматического пошагового пространственного сканирования по образцу лазерным лучом, сфокусированным объективом микроскопа в пятно микронных или субмикронных размеров, с одновременной регистрацией и распознаванием получаемых на каждом шаге раман-люминесцентных спектров, а состав смеси определяется с помощью статистического анализа полученных в результате сканирования данных о наличии в образце различных компонентов и их количестве. Для повышения пространственной селективности и возможности изменять пространственное разрешение вместо индивидуального микроскопного объектива можно использовать микроскоп, сочлененный с РЛА.
Работа спектрально-селективного портативного раман-люминесцентного анализатора осуществляется следующим образом (см. Фиг.1, где показана схема работы спектрально-селективного портативного раман-люминесцентного анализатора). Линейный транслятор 3 осуществляет изменение пространственного положения частиц 4 смеси, а РЛА 1, сопряженный с микроскопным объективом 2, производит чтение спектральных характеристик исследуемой частицы. С помощью технологии распознавания рамановских и люминесцентных спектров, описанных в патентной заявке на РЛА (Pub. No.: WO/2011/149855, International Application No.: PCT/US2011/037612), производится идентификация неизвестного вещества. Статистический анализ числа измеренных спектров каждой из компонент смеси дает среднюю концентрацию различных компонент и среднеквадратичное отклонение от средней концентрации. Точность оценки концентрации каждой из компонент повышается с числом измеренных спектров, поскольку для повышения чувствительности и разрешающей способности раман-люминесцентного анализа смесей веществ используется естественное пространственное разделение компонентов в пространственно-неоднородных субстанциях (порошках, суспензиях, взвесях, многофазных твердых растворах и т.п.), а анализ проводится с помощью микроскопного объектива, сочлененного с компактным раман-люминесцентным анализатором (РЛА) для одновременной регистрации и анализа спектральных характеристик рамановского и люминесцентного рассеяния с высоким спектральным и пространственным разрешением в широком спектральном диапазоне. Измерения выполняются в автоматическом режиме пошагового пространственного сканирования по образцу лазерным лучом, сфокусированным объективом в пятно микронных размеров, с одновременной регистрацией и распознаванием получаемых раман-люминесцентных спектров на каждом шаге. Состав смеси определяется с помощью статистического анализа полученного в результате массива данных о наличии и количестве различных компонентов в образце. Таким образом, это позволяет избежать как необходимости расшифровки сложных спектров многокомпонентных смесей, так и проблемы определения слабых спектральных линий, связанных с малыми количествами примеси, на фоне доминирующего спектра основного вещества смеси.