DE102004061728A1

DE102004061728A1 - Verfahren zur flächenaufgelösten Erfassung des Ramanstreulichtes und spektralen Trennung

Info

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

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur flächenaufgelösten Erfassung des Ramanstreulichtes und spektralen Trennung, wobei mittels einer Lichtquelle eine Probe beleuchtet, mit optischen Mitteln das Ramanstreulicht aufgesammelt, mittels eines Interferometers eine spektrale Trennung des aufgesammelten Ramanstreulichtes erfolgt und mit einem Focal-Plane-Arraydetektor eine bildhafte Detektion des Ramanstreulichtes vorgenommen wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die optischen Mittel eine flächenhafte Abbildung des von der Probe ausgesendeten Ramanstreulichtes vorgenommen wird, das Ramanstreulicht unter Beibehaltung der Ortsauflösung im Interferometer in ein Zeitsignal umgeformt und mit dem Focal-Plane-Arraydetektor ein Bild des Ramanstreulichtes aufgenommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur flächenaufgelösten Erfassung des Ramanstreulichtes und spektralen Trennung nach dem Oberbergriff des Anspruchs 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.
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.
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 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 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.

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.

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.

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.

Ein dispersives Raman-Imaging System, gekoppelt an ein Elektronenmikroskop, ist in der Schrift US 005811804 genannt.

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.

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.

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.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einer 180°-Beleuchtungsgeometrie.
2 eine schematische Darstellung der Datenauswertung und Bilderzeugung.
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.
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.

1: Probe
2: Laser
3: optisches Mittel zur Aufweitung des Laserstrahls
4: Laserstrahl
5: Objektiv
6: halbdurchlässiger Spiegel
7: aufgesammeltes Ramanstreulicht
8: Filter zur Eliminierung des Laserlichtes
9: Michelson-Interferometer
10: beweglicher Spiegel
11: optisches Mittel zum Fokusieren
12: Focal-Plane-Arraydetektor
13: Pixelarray
14: Ramanspektroskopisches Image
15: Interferogramm für jedes Pixel
16: Fouriertransformation im Computer
17: Datenkubus
18: Ramanspektrum aufgenommen mit einem Pixel

Claims

Verfahren zur flächenaufgelösten Erfassung des Ramanstreulichtes (7) und spektralen Trennung, wobei mittels einer Lichtquelle (2) eine Probe (1) beleuchtet und das Ramanstreulicht (7) einem Interferometer (9) zugeführt wird, wobei in dem Interferometer (9) eine spektrale Modulation des aufgesammelten Ramanstreulichtes (7) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass – durch ein optisches Mittel (5) eine ortsaufgelöste Abbildung des von der Probe (1) ausgesendeten Ramanstreulichtes (7) vorgenommen wird, – das Ramanstreulicht (7) unter Beibehaltung der Ortsauflösung in einem Interferometer (9) in Interferogramme umgeformt wird, und – mit einem Focal-Plane-Arraydetektor (11) eine bildhafte Detektion des Ramanstreulichtes vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (2) ein Laser verwendet wird, mit dem eine bestimmte Fläche der Probe (1) gleichmäßig bestrahlt wird und die Größe der bestrahlten Fläche durch optische Mittel (3) einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das von der beleuchteten Fläche der Probe (1) ausgesendete Ramanstreulicht (7) durch ein Objektiv (5) mit einem großen Öffnungswinkel eingesammelt und in einen vorzugsweise parallelen Strahl umgeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ramanstreulicht (7) in einem Interferometer (9) unter Beibehaltung der Flächenauflösung in Interferogramme umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein für optische Spektrometer übliches Interferometer (9) verwendet wird, dass einen beweglichen Spiegel (10) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das modulierte Licht vom Interferometer (9) mit einem optischen Mittel (11) unter Beibehaltung der Flächenauflösung auf das Pixelarray (13) des Focal-Plane-Arraydetektors (12) fokussiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ramanspektroskopischen Images (14) für bestimmte Positionen des beweglichen Spiegels (10) mit dem Focal-Plane-Arraydetektor (12) erfasst werden und die Interferogramme (15) jeweils punktweise für jedes Pixel aus allen ramanspektroskopischen Images (14) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Interferogramme (15) durch eine Fouriertransformation im Computer (16) in Spektren (18) für jedes Pixel umgewandelt werden können, wodurch ein Datenkubus (17) erzeugt wird, in dem die Bildinformation und die chemische Information der Probe (1) gespeichert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der Interferogramme (15) mittels der Step-Scan-Technik oder der Continous-Scan-Technik vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Focal-Plane-Arraydetektor (12) vorzugsweise empfindliche Detektoren für das sichtbare Licht und nahinfrarote Licht eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Focal-Plane-Arraydetektoren (12) verwendet werden, die mindestens aus einer Matrix von 32 × 32 Pixel bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für Ortsauflösungen von wenigen Mikrometern ein abbildendes Raman-Mikroskop als Objektiv (5) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für größere Flächen ein zusätzliches Mappen der Probe (1) durchgeführt wird und das Bild aus mehreren Einzelimages zusammengesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (1) mit unterschiedlichen Einfallswinkeln des Laserlichtes (4) relative zu dem Ramanstreulicht (7) beleuchtet wird.