Perspektywy dla badań i praktyki użycia zmodyfikowanego spektrometru Ramana. Future perspectives for research in using the modified Raman spectrometer.

Prezentacja na temat: "Perspektywy dla badań i praktyki użycia zmodyfikowanego spektrometru Ramana. Future perspectives for research in using the modified Raman spectrometer."— Zapis prezentacji:

1 Perspektywy dla badań i praktyki użycia zmodyfikowanego spektrometru Ramana.
Future perspectives for research in using the modified Raman spectrometer. Prof dr. Hab. inż. Henryk Kowalski, dr inż. Jan Galiński

2 SPEKTROMETR RAMANA Z HETERODYNĄ OPTYCZNĄ
Optical heterodene the Raman spectrometer. (Theory and applications of Raman spectrometers) (Future perspectives for research and practice in using the modified Raman spectrometer)

3 Spektrometry ramanowskie są urządzeniami pomiarowymi, które na podstawie analizy widm rozpraszania ramanowskiego umożliwiają analizę związków chemicznych Widma rozpraszania ramanowskiego zawierają się w obszarze światła widzialnego i bliskiej podczerwieni – IR W spektrometrze sygnał pomiarowy jest przetwarzany w dwóch obszarach fizyki : - obszar sygnałów świetlnych (światło widzialne i bliska podczerwień IR), zakres częstotliwości około [Hz] - obszar sygnałów elektrycznych, zakres częstotliwości od zera do około 10 9 [Hz]. Przetwarzanie sygnału pomiarowego w obydwu obszarach jest obarczone błędem. Z uwagi na dużą złożoność układów pomiarowych spektrometru, przetwarzanie sygnałów pomiarowych wygodnie jest rozpatrywać za pomocą pojęć teorii informacji. Raman spectrometers are measuring devices , which enable the analysis of chemical compounds based on the analysis of the Raman scattering spectra. Raman scattering spectra are contained in the region of visible light and near infrared - IR . In the spectrometer, the measuring signal is processed in two areas of physics : - The area of light signals ( visible and near infrared IR), a frequency range of about [Hz ] - The area of electrical signals, a frequency range from zero to about 10 9 [Hz ] . The processing of the measured signal in both areas is flawed . Due to the high complexity of spectrometer measurement systems, it is convenient to consider using the concepts of information theory during processing measurement signals.

4 Jakość przetwarzania systemu pomiarowego spektrometru w ramach teorii informacji może być opisana za pomocą uniwersalnego parametru – dynamika układu pomiarowego. (DUP). DUP jest zdefiniowane za pomocą zależności : DUP = moc sygnału pomiarowego / moc szumów układu pomiarowego. The quality of the processing of the measurement system of the spectrometer within information theory can be described by a universal parameter – the dynamic of the measurement system ( DUP ) . DUP is defined by the relationship:

5 Dla konstrukcji klasycznych spektrometrów ramanowskich DUP = około 10 4 i umożliwia wyznaczanie spektrum rozpraszania ramanowskiego z rozdzielczością około 0,1 [cm -1]. Dla analizy laboratoryjnej związków chemicznych jest to dokładność wystarczająca, jednak w analizie związków biochemicznych jest to dokładność niewystarczająca. Klasyczne konstrukcje spektrometrów ramanowskich nie mogą pokonać tej bariery z powodów teoretycznych. (technologia dysponuje filtrami optycznymi o ograniczonej jakości – siatki dyfrakcyjne o gęstości linii około kilka tysięcy linii / mm , mniej jak linii /mm. For classic design Raman spectrometers DUP = about 10 4 and allows the determination of the Raman scattering spectrum with a resolution of about 0.1[cm1] For chemical laboratory analyses this accuracy is sufficient, but in the analysis of biochemical compounds this accuracy is insufficient. Classic design Raman spectrometers can not overcome this barrier for theoretical reasons . (optical filters have a limited quality - diffraction grating with a line density of about several thousands of lines / mm , less than lines / mm.

6 Image scanning systyem → f(t)
object w o → w o ± w R Laser w o Diffraction pattern w o ± w R → Image scanning systyem → f(t) Photodetector [FD] An optical signal → An electrical signal Spektrogram. Spectrtrum frequency [cm -1] Noise – P S1 Noise - P SD ; P us

7 Opis spektrometru ramanowskiego – klasycznego
Opis spektrometru ramanowskiego – klasycznego.(RSC) Swiatło z lasera o częstości kołowej [wo] po przejściu przez obiekt jest zmodulowane częstotliwościowo [w o → (w o ± w R)] i dalej jest analizowane za pomocą siatki dyfrakcyjnej, ta analiza polega na wytworzeniu obrazu dyfrakcyjnego z sygnału optycznego [(w o ± w R)]. Na tej drodze przetwarzania sygnałów optycznych występują szumy w postaci mocy sygnałów optycznych : P S1 – szum związany z występowaniem sygnału [w o] ; wraz z sygnałem [(w o ± w R)]. Sygnału [w o] nie można rozdzielić od sygnału [(w o ± w R)] i to powoduje, że siatka dyfrakcyna analizuje sumę przestrzenną tych sygnałów. Ten stan skutkuje tym, że obraz dyfrakcyjny sygnału [(w o ± w R)] różni się od sumy przestrzennej sygnałów optycznych Σ P[w o + (w o ± w R)] ponad to, występują szumy związane z nieliniowością siatki dyfrakcyjnej. Moc szumów składa się zatem z P S1 + P SD + P us Z uwagi na to, że sprawność modulacji jest biska 1 % to moc sygnału pomiarowego jest znikomo mała (przy założeniu, że moc lasera = 10 mW to moc sygnału (w o ± w R) = W. Zachodzi zatem potrzeba by funkcję fotodetektora pełnił fotopowielacz (wymaga dużego napięcia zasilania). Description of a classic Raman spectrometer A laser beam with an angular frequency [. o] after passing through the object is frequency-modulated [ o → ( o ±  R)] and further analyzed by means of a diffraction grating. This analysis involves the formation of the diffraction pattern of an optical signal [( o ±  R)]. In this way of processing optical signals, noise is generated in the form of optical signals : P S1 - noise associated with the occurrence of the signal [ o] together with the signal [( o ±  R)] . Signal [ o] can not be separated from the signal [( o ±  R)] and this leads to the fact that the diffraction grating analyses the spatial sum of these signals. This condition results in that the diffraction image of the [( o ±  R) ] signal differs from the sum of the spatial optical signals [Σ P[ o - ( o ±  R)]. Moreover there is noise associated with non-linearity of the diffraction grating . The amount of noise is therefore composed of PS1 + PSD + Pus . Due to the fact that the modulation efficiency is close to 1 % is the power the optycal Raman measurement signal is vanishingly small ( assuming that laser power = 10 mW, the signal power is ( o ±  R) = W). There is therefore a need for a photomultiplier to act as a photodetector (this requires a high voltage power supply).

8 Z przyczyn jak opisane wyżej, w ocenie zespołu naukowego prof
Z przyczyn jak opisane wyżej, w ocenie zespołu naukowego prof. Henryka Kowalskiego, jest ograniczenie w technologii spektrometrów ramanowskich klasycznych tak, że uzyskanie rozdzielczości pomiaru spektrum promieniowania ramanowskiego lepszej jak [0,1 cm -1] wymaga opracowania nowej technologii. Wymagania, pomiaru spektrum promieniowania ramanowskiego lepszej jak 0,1 cm -1 może spełnić opracowany w Zespole Naukowym prof. Henryka Kowalskiego spektrometr rammanowski z heterodyną optyczną. The reasons described above , in the opinion of the research team of Prof. Henryk Kowlski , limit the classic Raman spectrometer technology in such a way that obtaining a measurement resolution of the Raman spectrum radiation better than 0.1 cm -1 requires the development of a new technology. The requirements of measuring the Raman spectrum radiation with a resolution better than [0.1 cm -1 ] can be fulfilled by the optical heterodyne Raman spectromaeter developed by Prof. Henryk Kowalski’s Scientific Team.

9 Teoria heterodyny optycznej
Heterodyna optyczna należy do klasy technologii heterodynowania z tym, że pasma detekcji układu pomiarowego jest w paśmie częstotliwości optycznych (wo ± w R ) = około Hz). Optical heterodyne technology belongs to a class of heterodyning, however the detection range of the measurement system is the optical frequency band (wo ± w R) = approximately Hz).

10

11 Opis heterodyny optycznej
Technologia heterodynowania polega na wprowadzeniu generatora lokalnego do układu pomiarowego. Zabieg ten prowadzi do zmniejszenia pasma częstotliwości sygnału pomiarowego spektrometru (tu pasmo częstotliwości sygnału optycznego – około Hz dla układu spektrometru klasycznego, zostaje zawężone do około 10 9 Hz). Gdy parametry konstrukcyjne heterodyny optycznej zostaną dobrane tak, że częstotliwość generatora lokalnego będzie w o , że suma przestrzenna dwóch sygnałów optycznych Σ p ((w o - w o± w R) po przejściu przez kwadrator i filtr dolnoprzepustowy fotodetektor ma pasmo częstotliwości (± w R). Heterodyning technology is the introduction of a local oscillator to the measurement system . This treatment leads to a decrease in the frequency band of the spectrometer measuring signal (here a frequency band of an optical signal - about Hz for a classical spectrometer system , is narrowed down to about 10 9 Hz). When the optical heterodyne design parameters are chosen such that the frequency of the local oscillator is equal to [w o] and such that the spatial sum of the two optical signals is Σ p ((w o - w o± w R), after passing through the quadrarure and lowpass filter, the photodetector has a frequency band (± w R).

12 Technologia heterodyny optycznej eliminuje trzy źródła szumów : - separuje sygnał promieniowania ramanowskiego (w o±w R) od częstotliwośći lasera (w o) - zmniejsza pasmo częstotliwości sygnału optycznego o 5 rzędów (z → 10 9 Hz , - eliminuje szumy występujące na drodze propagacji sygnału optycznego P S1 + P SD + P us , - eliminuje wpływ filtra optycznego (siatki dyfrakcyjnej) na mierzone widmo promieniowania ramanowskiego tak, że układ z heterodyną optyczną detekuje tylko częstotliwości stokesowskie widma ramanowskiego ± wR. Optical heterodyne technology eliminates three sources of noise : - Separates the Raman signal radiation (w o±w R) from the laser frequencies (w o) - Reduces the frequency band of the optical signal by 5 orders of magnitude ( from → 10 9 Hz), - Eliminates noise occurring as a result of the propagation path of the optical signal P S1 + P SD + P us , - Eliminates the influence of the optical filter (diffraction grating ) on the measured Raman radiation spectrum so that the heterodyne optical system detects only the Raman spectra Stokes frequency ± wR

13 Dodatkowo układ z heterodyną optyczną : eliminuje z układu pomiarowego siatki dyfrakcyjne (bardzo drogie) zniekształcające widmo częstotliwości promieniowania ramanowskiego, - powoduje, że spektrogram promieniowania ramanowskiego może być opisany w jednostkach częstotliwości – Hz , zamiast jak w spektrometrach klasycznych w jednostkach K = 1 /l [cm -1 ]z tym, że z metrologicznego punktu widzenia, ( w żadnym pomiarze nie można wyznaczyć rzeczywistej wartości [l] ) (l zależy od parametrów środowiska, w którym propagowane jest światło), - wprowadza do układu pomiarowego spektrometru filtry elektryczne pasmowe o dobrej jakości i tanie – ten zabieg polepsza dynamikę układu pomiarowego tak, że dynamika spektrometru ramanowskiego z heterodyną optyczną może mieć wartość 10 9 (jest o 5 rzędów lepsza niż dynamika spektrometru ramanowskiego klasycznego. In addition, the optical heterodyne system : - eliminates diffraction gratings (very expensive) from the measurement system, which distort the frequency spectrum of the Raman radiation, - permits the Raman radiation spectrogram to be described in units of frequency - Hz , instead of, like with conventional spectrometers, in units of K = 1 / l (cm-1), with that from a metrological point of view ,  no measurement can determine the actual value of [l ]  l depends on the environment in which light is propagated), - introduces into the spectrometer measurement system good quality, cheap electric band filters - this treatment improves the dynamics of the measurement system so that the dynamics of the Raman spectrometer with an optical heterodyne can have a value of 10 9 ( 5 orders of magnitude better than the dynamic of the classical measurement system – DUP = 10 4).

14 Opracowany przez Zespół naukowy prof
Opracowany przez Zespół naukowy prof. Henryka Kowalskiego spektrometr ammanowski z heterodyną optyczną (SRH) jest znaczącym krokiem poprawy jakości spektrometrów ramanowskich prowadzącym do : - zwiększenia dokładności analizy związków chemicznych tak, że rozdzielczość pomiaru prążków charakterystycznych widma promieniowania ramanowskiego może być lepsza jak cm -1, - prowadzenie analizy związków chemicznych w czasie rzeczywistym – spektrogram promieniowania ramanowskiego jest tworzony w czasie analizy, - prążki charakterystyczne spektrogramu są opisywane przez dwie wartości : częstotliwość prążka n – w Hz , oraz przez wartość względną mocy danego prążka w badanym widmie rozpraszania ramanowskiego Pni – w Watach, (w konstrukcjach klasycznych mierzy się tylko liczby falowe K i prążków charakterystycznych widma z tym, że K jest opisane w cm -1), - dodatkowo, wyposażenie SRH w przesuwnik częstotliwości światła (PC)lasera umożliwia detekcję Rezonansowego Zjawiska Ramana (RZR), którego detekcja umożliwia analizę skomplikowanych związków biochemicznych (takiej zdolności pomiarowej niema żaden spektrometr klasyczny – wyklucza to technologia detekcji promieniowania ramanowskiego za pomocą filtrów optycznych (siatka dyfrakcyjna). The optical heterodene Raman spectromaeter ( SRH ) developed by the research team of Prof. . Henryk Kowalski is a significant step in improving the quality of Raman spectrometers leading to : - an increase in the accuracy of the analysis of chemical compounds , in that the measurement resolution of characteristic bands of the Raman spectrum may be better than cm -1 , - conducting chemical analyses in real time - the spectrogram of the Raman spectra is created at the time of analysis, - characteristic bands of the spectrogram are described by two values ​​: the n - in Hz , and the relative value of the power of the band frequency in the chosen Raman spectrum range Pni in Watts , ( in classical designs only the wave numbers K of the characteristic bands are measured, with K being described in cm -1 ), - In addition, by equipping the SRH in a laser light frequency shifter (PC) it is possible to detect the phenomena of Raman Resonance ( RZR ), whose detection enables the analysis of complex biochemical compounds ( no classic spectrometer as this ability – this is impossible due to the technology for detecting Raman radiation using optical filters (diffraction gratings))

15 Gdy wiązka światła emitowana z lasera L spełniająca warunek wo = const
Gdy wiązka światła emitowana z lasera L spełniająca warunek wo = const. Jest kierowana na badany obiekt (związek chemiczny). Obiekt od działywuje z polem elektromagnetycznym światła lasera tak, że na atomach związku chemicznego następuje rozpraszanie fotonów pola (w mechanizmie elastycznych zderzeń fotonów z elektronami atomów). W wyniku oddziaływania obiektu z polem atomy związku podlegają wzbudzeniu polegającemu na tym, że elektrony walencyjne atomów zwiększają energię wewnętrzną o wartość energii pochłoniętego fotonu = h n to powoduje, że po krótkim czasie elektron musi powrócić do stanu podstawowego. Powrót elektronu do stanu podstawowego skutkuje tym, że elektron musi wypromieniować energię w postaci kwantu energii promieniowania ramanowskiego = [hnR] The Raman resonance phenomenon (RZR).    A light beam emitted from the laser L satisfying condition wo = const is directed onto the test object ( a chemical compound ) . The object interacts with the electromagnetic field of the laser light , so that scattering of the fields photons occurs on the compounds’ atoms ( in the mechanism of elastic collisions of photons with the atoms’ electrons) . As a result of the interaction of the object with the field, atoms of the subject compound are excited, in that the valence electrons increase the value of their internal energy by the amount of absorbed photon energy = hn which causes the electron to return to the basic state after a short time. Return of the electron to the basic state results in that the electron must radiate this energy in the form of a quantum of Raman radiation energy = [h nR ].

16 Rozpraszanie ramanowskie jest nieliniowym oddziaływaniem materii z polem elektromagnetycznym i polega na tym, że częstość kołowa pole ulega zmianie [± w R → h n R → wo ± w R]. Rozróżnia się dwa oddziaływania atomów materii : stokesowskie [w = wo - w R] oraz antystokesowskie [w = wo + w R] . Obydwa oddziaływania mogą być mierzone za pomocą SRH ponad to, gdy SRH jest dodatkowo wyposażony w przesuwnik częstotliwości światła lasera – PC możliwy jest pomiar RZR i światło lasera ma wartość wo’ = f(p) , gdzie : p – parametr. Raman scattering is a non-linear interaction of matter with the electromagnetic field and is based on the fact, that the circular field frequency is shifted [± w R → h n R → (wo ± w R)] There are two types of interactions between atoms of matter: Stokes [w = wo - w R] and anti-Stokes [w = wo + w R ] . Both effects can be measured by SRH, additionally when SRH is additionally equipped with a laser light frequency shifter - PC , it is possible to measure the RZR, and the laser light has a value of - wo’ = f(p).

17 <n |P| r> <r |Pa| k>
(a)kn = 1 / n {Σ r ( rk –  o) negligible component in the denominator (rk+ o)} RZR detection is possible when, by using a light frequency shifter on the [(rk - o’) ]factor, it changes its value , so that this factor has an arbitrarily small value , then the expression [(a)kn] can be of great value (where [o’] - variable frequency laser ; [rk] - the moment the electrical system associated with moving particles of type k → ± n - characteristic of the particle) . Energy efficiency of Raman scattering for Stokes lines o ±  R is about 1 %, while when the wave function [(a)kn ] is sufficiently large, the RZR is much larger ( about 10 4 ) than the Stokes lines ZR so that their detection is possible – the analysis of biochemical compounds of concentrations of less mol / l Notations: Detekcja R Z R opisanego w modelu kwantowym za pomocą funkcji falowej ma postać : Detekcja R Z R opisanego w modelu kwantowym za pomocą funkcji falowej : <n |Pr| r> <r |Pa| k> (ara)kn = 1/n{Σ r ( nrk – n o) + składnik nieistotny z (nrk + no) w mianowniku} Detekcja RZR jest możliwa gdy, za pomocą przesuwnikaka częstotliwości światła, na czynnik [(nrk - no’)] zmienia swoją wartość tak, by czynnik ten miał dowolnie małą wartość, wtedy wyrażenie (ara)kn może mieć dużą wartość [gdzie n’o – regulowana wartość częstotliwości lasera ; [nrk] – moment elektrycznego układu związanego z przejściem cząstki typu k→ ± n – charakterystyczny dla cząstki]. Wydajność energetyczna rozpraszania ramanowskiego dla linii stokesowskich

18 wo ± w R wynosi 1 % , zaś gdy funkcja falowa [ …] jest dostatecznie duża to R Z R jest dużo większe ( 10 4) od linii stokesowskich Z R tak, że możliwa jest detekcja – analiza związku biochemicznego o stężeniu mniejszym jak mol/l. Oznaczenia : [(ara)kn] – funkcja falowa dla przejścia (wzbudzenia cząstki) od stanu n →k ; [Σ] – oznacza sumowanie po wszystkich stanach wzbudzonych dla przejścia n → k. Wyrażenie [(ara)kn ] opisuje polaryzowalność (stan wzbudzenia) cząstki i wpływa na moc promieniowania ramanowskiego. Wydajność energetyczna rozpraszania ramanowskiego wo±w R wynosi 1 % , zaś gdy funkcja falowa [(ara)kn ] jest dostatecznie duża to RZR jest dużo większe ( o 10 4) od linii stokesowskich ZR tak, że możliwa jest detekcja – analiza związku biochemicznego o stężeniu mniejszym jak mol/l. [(a)kn] - the wave function for the transition ( excitation of particles ) from state n → k ; [Σ] - Is a summation of all excited states for the transition n → k The expression [(a)kn ] describes the polarizability ( excited state ) of particles and affects the power of the Raman radiation . Energy efficiency of theRaman scattering o ±  R is about 1 %, while the wave function [(a)kn ] is sufficiently large, the RZR is much larger ( about 10 4 ) than the Stokes lines ZR so that their detection is possible – the analysis of biochemical compounds of concentrations of less mol / l

19 Wyposażenie SRH w dodatkowy podzespół – przesuwnik częstotliwości światła lasera czyni (PC) czni, że SRH może być wykorzystany do detekcji R Z R a to pozwala na oznaczanie śladowych wartości stężenia ( lepszej jak mol /l) substancji w związku chemicznym. SRH + PC jest nowym narzędziem badawczym umożliwiającym analizę chemiczną i biochemiczną w czasie rzeczywistym z wysoką (inż. 0,0001 cm-1) rozdzielczością pomiaru : 1. W medycynie : - jako nieinwazyjna metoda pobierania próbek do analizy; - badania ex vivo i en vivo na żywych tkankach - diagnozowania tkanek w tym rakowych ; - identyfikacja rozkładu barwników w skórze ; - obrazowanie obszarów normalnie niedostępnych dla badaczy w żywych tkankach. 2. W biochemii : - badania dynamiki procesów enzymatycznych, mechanizmu widzenia oraz przebiegu fotosyntezy, czy oddychania komórkowego ; - przy ustalaniu struktury przestrzennej wielu skomplikowanych biopolimerów (inż. cytochrom, porfiryny, karoteny, DNA). 3. W krystalografii (dzięki dużej czułości) : - do badania drgań nie tylko molekuł, ale również jest w stanie badać wzbudzenia sieci krystalicznej , które są trudne do zaobserwowania przy użyciu innych technik. By equipping the SRH with an additional component - the laser light frequency shifter (PC ), it is possible to use the only that SRH to detect the RZR, which allows the determination of trace concentration values (better than mol / l) of substances within a chemical compound. SRH + PC is a new research tool, which allows chemical and biochemical analyses in real time with high (approximately cm - 1 ) measurement resolutions : 1. In medicine : - A non-invasive method of sampling for analysis; - An ex vivo and en vivo of living tissues ; - Diagnosing tissues, including cancer tissue ; - Identification of the distribution of pigments in the skin ; - Imaging areas normally inaccessible to researchers in living tissues . 2. In biochemistry : - Study the dynamics of enzymatic processes , the mechanism of vision and photosynthesis or cellular respiration ; - For determining the spatial structure of many complex biopolymers (eg cytochrome , porphyrins, carotenoids , DNA). 3. In crystallography ( due to high sensitivity) : - Test not only the vibration of molecules , but also is able to examine the excitation of the crystal lattice , which are difficult to be observed using other techniques.

20 Dziękuję za uwagę