结合3D拉曼成像和表面结构成像

WITEC的销售和营销经理Harald Fischer谈到了Azom关于3D拉曼成像的好处，以及如何将其与表面结构成像技术结合在一起。

您能否简要介绍3D拉曼成像，以及如何使用它？

对于3D拉曼成像，拉曼光谱仪连接到共聚焦显微镜上，因此光学显微镜的分辨率与拉曼光谱的分析能力结合在一起。在拉曼光谱学中，振动量子状态在分子中受到激发或歼灭，从而导致入射光和散射光之间的能量移动。这种能量转移是每个分子独有的，可以化学鉴定样品中的化合物。

To generate images with the confocal Raman microscope, the sample is scanned point-by-point and line-by-line, and at every image pixel a complete Raman spectrum is taken in a continuous readout process. This procedure is also called hyperspectral imaging.

然后分析这些多光谱文件以显示化学样品特性的分布。通过取一堆具有不同焦点位置的图像，可以在3D中重建样品的几何形状，并以横向分辨率降至大约。XY为200 nm，Z方向为500 nm。

用于高分辨率结构和化学成像的Raman-AFM成像系统alpha300 AR。图片来源：WITEC

How quickly can a Raman spectrum be collected and what can be determined from the resulting image?

Typical integration times in a confocal Raman microscope are between 700µs and 100ms per spectrum and pixel, so that a complete Raman image of 10,000 spectra or more takes between a few seconds or minutes. We established the term ultrafast Raman imaging for this kind of measurements.

The resulting images not only reveal optical information but also information regarding the 3D distribution of the chemical compounds, crystallinity and material stress.

什么时候可以应用尖端增强的拉曼光谱法（TER），这有什么好处？

根据阿贝（Abbe）的衍射理论和瑞利（Rayleigh）对衍射极限的定义，这是一个空间分辨率。共聚焦拉曼成像可以实现200 nm。作为实现远低于衍射极限尖端的横向分辨率的另一种方法，可以应用拉曼光谱。

在典型的TERS实验中，一旦激发激光重点放在尖端的顶端，尖端与表面紧密接近，将Au或Ag涂层的AFM尖端用作纳米结构，以在样品表面产生拉曼信号增强。定义AFM测量的横向分辨率的尖端半径通常在10 - 20 nm的范围内。

在TERS实验中，横向分辨率取决于热点的大小，因此人们可以期望拉曼光谱和成像测量值的分辨率在20-50 nm的范围内，这是市长的进步。因此，具有综合拉曼 - AFM功能（例如WITEC alpha300系列）的显微镜非常适合TERS实验。

此外，还可以使用光圈SNOM系统执行近场拉曼成像，该系统传递带有光学分辨率的拉曼图像，超出了衍射极限，并易于使用和可靠性和可靠性。

What are the major analytical benefits of combining Raman imaging with techniques such as AFM or profilometry?

Combined analytical microscopes allow a direct linking between high resolution surface structural imaging and chemical identification of various species on a surface.

例如，样品表面上的地形缺陷可以立即与有助于对您的微型和纳米结构更详细，更全面理解的化学特性有关。

How can this be utilised in materials science research, such as thin film analysis?

Coatings and films play an important role in many fields of application which makes an efficient technique for the investigation of these materials essential. The combination of Raman imaging with AFM can be beneficial for the nondestructive characterization of such coatings in a sense that Raman delivers information on the distribution of chemically different materials and AFM reveals the topographic structures of the films with a resolution down to a few nanometers.

可以使用共焦拉曼显微镜的深度分析能力来获得有关多层聚合物膜或涂料3D结构的详细信息。两种技术都是无损的，如果有的话，需要最少的样品制备。

拉曼图像显示了两种聚合物的分布。图片来源：WITEC

In materials research both techniques are very well established for the analysis of nano-carbon materials such as carbon nanotubes or graphene. Graphene consists of carbon atoms which form angstrom-thick two dimensional sheets.

These sheets occur as multilayers in graphene flakes. While AFM can provide information about the physical dimensions of nano-materials, Raman imaging gives insights into the molecular composition of a material.

使用共焦拉曼显微镜与AFM的组合，使用AFM获得的高空间和地形分辨率可以直接与共焦拉曼光谱法提供的分子信息联系起来。

如何在采矿和制药行业等其他领域应用？

地球科学和采矿亚博老虎机网登录社区需要有关在岩石部分或微小灰尘颗粒中某些矿物出现的明显信息。yabo214

A Raman image with corresponding spectra allow for the general assignment of mineral phases and their gross distribution over a scanned area.

除了矿物学上下文信息外，还可以鉴定有机成分，在沉淀之间捕获，在光谱中表征和定位。

石榴石（红色）中流体包含（蓝色）的3D拉曼图像。图片来源：WITEC

在制药行业中，显微镜主要用于表征药物输送系统或医疗设备。

可以记录和与药物输送材料的药物分布，厚度参数或均匀性相匹配的表面结构。亚博网站下载甚至多态性变化也很容易区分。

具有重复实验或大量测量点以及高级质量控制的系统和常规研究任务可以受益于自动仪器功能。

AFM (phase) image of the surface of a drug delivery coating. Image credit: WITec

使用WITEC的Alpha300显微镜可以实现的同时悬臂和样品观察的好处是什么？

Alpha300 A凭借其集成的研究级光学显微镜，从上面提供了高分辨率和同时的样本和悬臂调查。

这使得样品定位非常容易，并且在将AFM尖端精确定位在很小的样品结构上时，对齐非常简单。

结果是一种非常用户友好的工具，用于材料研究，纳米技术和生命科学，以支持所有标准的AFM模式。亚博网站下载亚博老虎机网登录

专注于α300r，为什么将分辨率降至光学衍射极限有用？

随着微型化的趋势继续，重要的是要拥有提供最先进的空间分辨率的成像工具。

可以通过光学显微镜实现的最高横向分辨率是通过衍射理论来描述的，并取决于激发波长和用于图像产生的目标的数值孔径。

As a rule of thumb one can consider half of the excitation wavelength as an approximate value for the achievable optical resolution.

当然，它不应受任何组件或仪器本身的设计限制，而应仅受物理定律的限制。

WITEC显微镜的光学设计始终允许衍射限制和超快3D拉曼成像，并同时使用一个和相同的仪器配置执行。

我们在这里定义的主要参数是“速度”，“灵敏度”和“分辨率”。从我们的角度来看，重要的是要实现这三个参数，而不仅仅是一个或两个参数，因为科学家通常希望依靠尖端工具以在其应用领域设置基准。

您能解释一下Witec的Truesurface显微镜背后的原理吗？

WITec’s exclusive True Surface Microscopy mode makes it possible to perform confocal imaging measurements parallel with and guided by large area topographic scans (> 1x1mm²). To achieve this unique capability, the WITec microscope series can be equipped with a highly precise sensor for optical profilometry.

The large area topographic coordinates from the profilometer measurement are used to perfectly trace the samples surface in either confocal or confocal Raman imaging mode. Sample preparation is reduced to a minimum without having to compromise the confocality of the system.

三个表面显微镜模式对许多应用有益，包括微机械，医疗或半导体设备的表征，功能化表面的映射或生物医学或药物材料表面特性的成像。

您如何看待3D拉曼成像与表面结构成像技术的组合在未来的发展？

In general there will be further improvements in sensitivity along with new developments in detector technology. Another element of successful instruments will be an improved hardware and software user interface and user-friendly data evaluation for automated post-processing of the Raman spectral data.

关于组合仪器配置，相关显微镜的趋势持续趋势，用户绝对可以从WITEC朝着这个方向前进。

关于Harald Fischer

Fischer具有生物学和化学方面的科学背景，在IT行业担任营销和产品营销经理职位。2002年，他加入了纳米分析显微镜系统的德国制造商Witec，作为销售和营销经理。

He soon became responsible for the company’s worldwide marketing-communication activities and is now working as Marketing Director leading the WITec marketing team at the headquarters in Ulm, Germany.