Nové trendy v oblasti Ramanovy spektrometrie

Ramanova spektrometrie patří do skupiny technik molekulové vibrační spektrometrie. Jedná se o techniku, která si díky svým přednostem vydobyla významnou pozici v oblasti chemické analýzy. Za přednosti lze považovat nedestruktivnost, časovou nenáročnost, nízké provozní náklady, nízké požadavky na úpravu vzorku, možnost měření přes obalový materiál aj. Jako taková zároveň dokáže podat důležitou informaci o chemické struktuře látky.



Vzhledem k neustálému vývoji instrumentace se tato technika stává dostupnější, účinnější a nachází také stále širší uplatnění. Velké oblibě se těší ruční přístroje nebo mikroskopy, které kombinují Ramanovu spektrometrii s optickou mikroskopií. Využití dnes Ramanova spektrometrie běžně nachází v mnoha oblastech chemického výzkumu i průmyslu, ve farmacii, geologii, biologii, lékařství atd.

Následující článek popisuje nejnovější technologie v oblasti Ramanovy spektrometrie, a to vše na příkladech ručního Ramanova spektrometru BRAVO a Ramanova mikroskopu Senterra II od německého výrobce Bruker Optics.

Ruční Ramanova spektrometrie

Ruční Ramanovy spektrometry jsou předurčené pro rychlou kontrolu kvality chemikálií ve farmaceutické či chemické výrobě nebo pro forenzní aplikace. Minimalizace rozměrů umožňuje snadnou manipulaci s přístrojem a analýzu látek in-situ ve skladu, bez nutnosti otevírání obalu. Nevýhodou je obvykle zhoršená spektrální kvalita takových přístrojů, která komplikuje vyhodnocení naměřených spekter a využití této instrumentace i pro další aplikace.

Ruční Ramanův spektrometr BRAVO (obr. 1) byl německým výrobcem Bruker Optics původně vyvinut za účelem verifikace chemikálií ve farmacii a tomu odpovídá i hardwarová výbava (čtečka čárových kódu, hlava pro vialky/pevné látky) a jednoduchost ovládání prostřednictvím dotykového displeje a inovativního softwaru OPUS Touch™, který odkáže provést operátora procesem identifikace či verifikace pouhými několika dotyky na obrazovce (viz obr 2), a krom toho také umožňuje velmi jednoduchou správu a restrikci uživatelských účtů, pro práci ve validovaném prostředí.

BRAVO díky několika patentovaným prvkům dosahuje velmi vysoké spektrální kvality (srovnání obr. 3) a je proto považováno za ruční Ramanův spektrometr nové generace.

Obr. 1 – Ruční Ramanův spektrometr BRAVO

Obr. 2 – Proces analýzy na BRAVU –– změřit, vyhodnotit, zobrazit výsledek 

Obr. 3 – Srovnání spektrální kvality BRAVA se stolním FT-Ramanovým spektrometrem a se spektrometrem s excitačním laserem 785 nm

První z klíčových patentovaných technologií je DuoLaserTM. BRAVO i přes malé rozměry disponuje dvěma excitačními lasery (s excitační energií ve VIS a NIR oblasti) a při měření využívá oba lasery současně – VIS na část spektra s nižšími vlnočty, NIR na část s vyššími vlnočty – software následně obě spektra spojí. Výhodou z toho plynoucí je široký spektrální rozsah BRAVA, který lze rozšířit až na 3200 – 170 cm-1 a zahrnuje tedy jak oblast uhlovodíkových řetězců, tak i oblast vibrací vazeb tvořených těžšími atomy. Další výhodou je také relativně vysoký S/N poměr, protože každý laser je využíván primárně na oblast, kde dosahuje vyšší citlivosti. Za zmínku stojí také nízký výkon obou laserů – s bezpečnostní třídou 1M není třeba žádných ochranných pomůcek. Snížený výkon laserů pod 100 mW plně dostačuje pro měření vzorků a zároveň minimalizuje riziko jejich degradace. Další patentovanou technologií je SSETM (sekvenčně posunutá excitace). BRAVO při měření několikrát nepatrně změní excitační energii na obou svých vestavěných laserech, což má za následek posun energií Ramanova signálu. Fluorescence naopak zůstává na stejných energetických hladinách. BRAVO pomocí patentované technologie SSETM dokáže odlišit proměnlivý Ramanovský signál od statické fluorescence a fluorescenci tímto způsobem ze spekter eliminovat. Díky SSETM je BRAVEM možné měřit i vzorky, které jsou obvykle Ramanovou spektroskopií obtížně měřitelné.

Výkonnost BRAVA měla za následek zvýšený zájem i ze strany ne-farmaceutických analytických laboratoří a také z mnoha oblastí R&D. Příkladem využití je rychlá kontrola kvality a orientační kvantifikace látek v průmyslové výrobě, identifikace neznámých látek vč. potenciálních výbušnin (forenzní analýza), chemická analýza minerálů (mineralogie), analýza chemického složení barviv a pigmentů přímo na uměleckých dílech (restaurátorství) aj.

Softwarové vybavení BRAVA s nedávnými upgrady taktéž přispívá využití přístroje i jako plnohodnotného výzkumného spektrometru. Umožnuje snadnou změnu experimentálních parametrů pomocí PC, identifikaci neznámých látek a také využití komerčních knihoven přímo v zařízení (cca 20.000 spekter). Z hardwarových změn stojí za zmínku rostoucí škála příslušenství např. měřící hlavy pro SERS, práškové vzorky, tablety nebo pro nastavení fokusu záření na vzorek. V dnešní době tak uplatnění mimo farmacii nachází více než třetina všech instalovaných jednotek. Řada laboratoří BRAVO využívá dokonce jako stolní spektrometr.

Hybridní Ramanova mikroskopie

Klíčovou otázku v oblasti Ramanovy spektroskopie může hrát volba vhodného laseru pro optimální excitaci vzorku. S rostoucí vlnovou délkou laseru klesá citlivost, resp. intenzita rozptýleného záření, ale na druhé straně roste také pravděpodobnost excitace elektronů na vyšší hladiny s následnou fluorescencí při de-excitaci. Fluorescence jako mnohem intenzivnější jev překryje sledovaný Ramanův rozptyl.

Obecně je tedy úkolem analytika vhodně zvolit excitační laser. To s sebou přináší komplikace, jelikož pro lasery ve VIS oblasti se používá jako disperzní prvek mřížka a detekuje se pomocí plošných detektorů a pro NIR lasery se využívá modulaci svazku pomocí interferometru a jedno-elementová detekce. V praxi je pak nutné mít dva různé přístroje pro maximální možnost volby excitačního laseru (obr. 4).

Obr. 4 – Srovnání výhod disperzní FT-Ramanovy spektrometrie

Bruker přišel s tzv. Hybridní Ramanovou spektroskopií, kdy vysoce automatizovaný disperzní mikroskop Senterra II (obr. 5) umožňuje excitaci pomocí 3 různých laserů ve VIS oblasti a současně také umožňuje vstup interferometricky modulovaného optického svazku z NIR laseru (z FT-Ramanova spektrometru MultiRAM) a jeho následnou detekci pomocí vysoce-citlivého jedno-elementového detektoru. V jedné konfiguraci je tak možné mít disperzní i FT-Ramanův spektrometr a kombinovat tak lze až 4 různé excitační lasery v rozsahu 488 – 1064 nm. S přihlédnutím k dalším technickým prvkům představuje Senterra II skutečně nový level v kompaktnosti. Těmito prvky jsou např. možnost automatizované výměny mřížky pro vyšší rozlišení, automatické přepínání mezi lasery, permanentní kalibrace x-ové osy, konfokální optika a v neposlední řadě all-in-one spektroskopický software OPUS pro automatizované ovládání přístroje, měření, úpravu dat, vyhodnocení a reporting. Software OPUS disponuje mnohými funkcemi pro efektivní vyhodnocení spektroskopických dat – identifikace látek, kvantifikace (Lambert-Beerova i multivariantní analýza) a v také užitečnými funkcemi pro chemické mapování, které umožňují např. sledovat distribuci jednotlivých komponent ve vzorku (obr. 6) atd.

Obr. 5 – Ramanův mikroskop Senterra II

Obr. 6 – Zpracování mikroskopických dat v softwaru OPUS – sledování distribuce C-H vazeb ve vzorku

Shrnutí inovací v oblasti Ramanovy spektrometrie

Nové technologie implementované vývojáři z R&D centra Bruker Optics do stávajících i nových zařízení rozšiřuji využitelnost přístrojů založených na Ramanově spektrometrii. Výsledkem nejnovějších patentů je ruční spektrometr BRAVO, který měří spektra s velmi dobrou spektrální kvalitou, srovnatelnou se stolními přístroji a Ramanův mikroskop Senterra II, který je schopen dosáhnout maximální flexibility při výběru excitační energie tak, aby byla selektivita Ramanovy spektrometrie co nejvíce potlačena.