МИКРОСКОП С КОМПАКТНЫМ РАМАН-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМ АНАЛИЗАТОРОМ

Полезная модель относится к спектрометрии рамановского и люминесцентного рассеяния с высоким спектральным и пространственным разрешением в широком спектральном диапазоне для анализа малых объемов органических и неорганических субстанций по спектрам рамановского и люминесцентного рассеяния. Рамановский метод анализа основан на том, что в молекулах исследуемого вещества имеется большое количество вращательных и колебательных степеней свободы, которые проявляются в спектре рассеянного света в виде набора линий, каждая из которых характеризуется индивидуальным спектральным положением и относительной интенсивностью. Люминесцентный метод связан 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 веществе, поскольку два этих типа рассеяния света связаны различным физическим характеристикам исследуемого вещества. Существующие на сегодняшний момент микроскопы с возможностью проводить спектральный рамановский или люминесцентный анализ либо имеют большие пространственные размеры, либо не обладают необходимым спектральным разрешением и спектральным диапазоном для одновременного анализа рамановских и люминесцентных характеристик исследуемых субстанций.
Известен лазерный сканирующий микроскоп (Пат. США NQ 5386112, опубл. 31.01.1995) для проведения фотолюминесцентных исследований. В данном приборе лазерное излучение заводится в оптический тракт микроскопа, работающего как в отраженном, так и в проходящем свете, а сигнал фотолюминесценции детектируется с помощью селективного фильтра. В этом случае не возможно проведение спектральных исследований сигнала фотолюминесценции или рамановского рассеяния.
Известен компактный раман-люминесцентный анализатор (описание раман-люминесцентного анализатора «EnSpectr R532» представлено на сайте www.enspectr.com) для проведения рамановского и люминесцентного экспресс-анализа рассеянного излучения от органических и неорганических субстанций. Спектральный диапазон раман-люминесцентного анализатора покрывает область молекулярных колебаний и значительную часть видимой спектральной области люминесценции органических и неорганических веществ, что позволяет в течение одного цикла опроса многоканального детектора излучения 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 раманлюминесцентного анализатора невозможно проведение спектральных исследований с пространственным разрешением.
Известен также микроскоп, сопряженный с рамановским спектрометром для проведения исследований рамановского рассеяния с высоким пространственным разрешением (Заявка на Пат. США №20050128476, опубл. 16.06.2005). В этом случае освещение от внешнего лазерного источника заводится в оптический тракт микроскола, работающего в отраженном свете, сигнал рамановского рассеяния собирается и фокусируется на входную щель спектрометра высокого разрешения, а обработка сигнала производится на внешнем периферийном устройстве. Данный прибор имеет большие пространственные размеры и узкий анализируемый спектральный диапазон, расширяемый только перестройкой диспергирующего элемента спектрометра, что не позволяет проводить рамановский и фотолюминесцентный анализ исследуемого объекта за один цикл опроса многоканального детектора излучения.
Технический результат полезной модели заключается в совмещении в одном компактном приборе функциональности необходимой для одновременной регистрации и анализа спектральных характеристик рамановского и люминесцентного рассеяния с высоким спектральным и пространственным разрешением в широком спектральном диапазоне за один цикл опроса многоканального детектора излучения.
Для достижения этого технического результата предлагается микроскоп с компактным раман-люминесцентным анализатором, состоящий из блока окуляров, объектива, делителя светового потока, узла сочленения оптических осей микроскопа и раман-люминесцентного анализатора, источника лазерного излучения, светоделителя, системы фильтрации и фокусировки собираемого излучения, спектрометрической части, многоканального детектора электромагнитного излучения, контроллера обработки сигналов многоканального детектора электромагнитного излучения и держателя образца, при этом узел сочленения может быть выполнен жестким или гибким световодом с дополнительным объективом и входной линзой спектрометрической части анализатора, а держатель образца может быть помещен в трехкоординатный транслируемый столик с возможностью автоматического или ручного одно-, двух- или трехкоординатного сканирования исследуемого образца в пространстве для получения пространственного изображения исследуемого образца в рассеиваемом свете селективное по длинам волн рассеиваемого излучения.
При этом достигается возможность измерения рамановских и люминесцентных характеристик органических и неорганических субстанций за один цикл опроса многоканального детектора излучения. Электронная база и программная платформа раман-люминесцентного анализатора позволяют произвести в короткие сроки идентификацию неизвестных веществ, а также провести анализ компонентного состава исследуемого вещества в том случае, если это вещество является смесью нескольких компонентов. Данные процедуры выполняются с высоким пространственным разрешением, определяемым увеличением микроскопа и размером изображения лазерного пятна на исследуемом объекте.
Микроскоп с компактным раман-люминесцентным анализатором может быть использован при проведении экспресс-анализа продукции химической, фармацевтической, нефтехимической промышленности, при проведении медикобиологических исследований, при проверке подлинности произведений искусства, характеризации драгоценных камней и минералов, проведении криминалистической и таможенной экспертиз, для исследований малых объемов веществ с использованием технологии поверхностно усиленного рамановского рассеяния. Кроме того, с помощью одно-, двух- или трехкоординатного сканирования исследуемого объекта можно получить его пространственное изображение селективное по длине волны регистрируемого излучения, что особенно важно для исследований неоднородных субстанций и для приложений использующих эффект поверхностно усиленного рамановского рассеяния.
Признаки, отличающие предлагаемый микроскоп с компактным раман-люминесцентным анализатором от его наиболее близкого аналога (Заявка на Пат. США №20050128476, опубл. 16.06.2005), состоят в использовании светосильного компактного раман-люминесцентного анализатора с широким спектральным диапазоном и высоким спектральным разрешением, вместо рамановского спектрометра, способом сочленения раман-люминесцентного анализатора с микроскопом, а также в возможности проводить рамановский и фотолюминесцентный анализ исследуемого объекта за один цикл опроса многоканального детектора излучения.
На фиг.1 показана схема микроскопа с компактным раман-люминесцентным анализатором, позволяющим производить одновременную регистрацию и анализ спектральных характеристик рамановского и люминесцентного рассеяния органических и неорганических субстанций с высоким пространственным разрешением.
Микроскоп содержит блок окуляров (1), делитель светового потока (2), корпус (3), объектив (4), держатель образца (5), трехкоординатный транслируемый столик ручной или автоматический (6), источник лазерного излучения (7), систему фильтрации и фокусировки собираемого излучения (8), входную щель (9), зеркало для формирования параллельного светового пучка (10), диспергирующий элемент (11), фокусирующее зеркало (12), многоканальный детектор излучения (13), контроллер обработки электрических сигналов детектора (14), систему жесткого или световодного сочленения и совмещения оптических осей микроскопа и раман-люминесцентного анализатора (15).
Работа микроскопа осуществляется следующим образом:
Лазерное излучение от источника лазерного излучения (7) попадает на светоделитель, направляющий лазерное излучение в делитель светового потока (2), после чего данное излучение отражается от светоделительной пластины и попадает на объектив микроскопа (4), который фокусирует излучение на исследуемый образец. Рассеиваемое от образца излучение попадает в делитель светового потока (2) и переотражается в систему фильтрации и фокусировки собираемого излучения (8). В системе фильтрации рассеиваемое излучение фильтруется от лазерного излучения и сигнала рэлеевского рассеяния. После этого рассеянное электромагнитное излучение фокусируется линзой на входную щель спектрометрической части (9). Зеркалом (10) формируется параллельный пучок, а диспергирующим элементом (11) излучение разлагается в спектр. Отдельные спектральные компоненты рассеянного излучения фокусируются зеркалом (12) на многоканальный детектор электромагнитного излучения (13), электрический сигнал от которого обрабатывается контроллером (14). С помощью пакета программных операций раман-люминесцентного анализатора сигнал анализируется и разлагается на рамановскую и люминесцентную составляющие. Конструкционной особенностью микроскопа с компактным раман-люминесцентным анализатором является то, что раман-люминесцентный анализатор, сочлененный с микроскопом, не имеет входной фокусирующей линзы или объектива, а использует объектив микроскопа (4) в качестве фокусирующего объектива. Соответственно, оптические оси раман-люминесцентного анализатора и микроскопа совмещаются с помощью жесткого сочленения (15), а изображение на входной щели спектрометрической части (9) формируется микроскопным объективом (4). Сочленение микроскопа с раман-люминесцентным анализатором может быть выполнено также гибким световодом. В этом случае изображение, полученное с помощью микроскопного объектива (4), проецируется на один конец световода дополнительным объективом, а входная линза раман-люминесцентного анализатора формирует изображение второго конца световода на входной щели (9). Независимо от способа сочленения микроскопа и раман-люминесцентного анализатора, использование трехкоординатного транслируемого столика (6) с автоматическим или ручным перемещением позволяет проводить пространственное одно-, двух- или трехкоординатное сканирование исследуемого образца и получать пространственные изображения исследуемого образца в рассеиваемом свете селективные по длинам волн рассеиваемого излучения.