روش های بهبود سیگنال به نویز رامان

طیف سنجی رامان افزایش یافته سطحی (SERS)

SERS از نانوساختارهای فلزی، به طور معمول طلا، نقره یا پلاتین به عنوان یک بستر استفاده می کند. تقویت الکترومغناطیسی نقش اصلی در اکثر فرآیندهای SERS دارد. این شامل تعامل پلاسمون های سطح (تولید شده توسط نور فرودی) در نانو ساختارهای فلزی با مولکول های فعال رامان است. نور پرتو لیزر پلاسمون های سطح را در فلز برانگیخته می کند. اثر متقابل تشدید شده بین نور لیزر ورودی و پلاسمون های سطح منجر به یک میدان الکتریکی افزایش یافته (که ممکن است بسیار قوی تر از نور فرودی باشد) در مناطق اطراف نانوساختارهای فلزی می شود. میدان افزایش یافته ایجاد شده در سطح نانوساختارها در منطقه ای از مقیاس چند نانومتر روی سطح متمرکز شده است. مولکول های اطراف یا جذب شده روی بستر فلزی میدان افزایش یافته ای را حس می کنند که می تواند منجر به افزایش بزرگی سیگنال نور پراکنده رامان شود.

شکل ۱- SERS

طیف سنجی رامان افزایش یافته تیپ (نوک) (TERS)

این روش اخیراً برای آنالیز سطوح در مقیاس نانو بسیار مورد توجه قرار گرفته است که اطلاعاتی درمورد ساختار مولکولی مواد در مقیاس نانو فراهم می آورد. به طور خلاصه، با تابش نور لیزر متمرکزشده به تیپ SPM (Scanning Probe Microscopy)  نانومتری، شدت پراکندگی رامان از سطح نمونه در مجاورت نانو تیپ می تواند به دو دلیل باشد: ۱. رزونانس پلاسمون سطحی موضعی (Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR))  و ۲. اثر رعد و برق میله (Lightening Rod Effect). دو مزیت منحصربفرد این روش حساسیت آشکارسازی بالا (به دلیل تقویت میدان الکتریکی موضعی) و قدرت تفکیک مکانی زیر حد پراش (به دلیل استفاده از تیپ های میدان-نزدیک (Near-Field) با ابعاد نانومتری است. به منظور بهبود حساسیت آشکارسازی سیستم TERS، مهم ترین پارامترهای مؤثر بر تقویت سیگنال پارامترهای ساختاری تیپ هستند.

شکل ۲- TERS

پراکندگی تشدید رامان (RRS)

تقویت سیگنال با تشدید رامان هنگامی حاصل می شود که فرکانس تابش فرودی با فرکانس انتقال الکترونیکی یک مولکول همزمان باشد. این حالت، انرژی مورد نیاز برای انتقال الکترون به ترازهای الکترونی بالاتر را فراهم می کند. این روش می تواند به صورت انتخابی سیگنال های وابسته به کروموفورها و سایر مولکول های بزرگ مزدوج را تقویت کند. روش RRS معمولاً با فلوئورسانس پس زمینه همراه است. اما می توان با جایگزین کردن طول موج های کوتاه تر (مثلاً طول موج های ناحیه فرا بنفش) از این پدیده جلوگیری کرد.

پراکندگی سطح تشدید (SERRS)

افزایش سیگنال SERS به دلیل اثر ترکیبی از SERS و RRS است.  SERSهنگامی حاصل می شود که مولکول ها با نانوساختارهایی که از رزونانس پلاسمون سطح (SPR) پشتیبانی می کنند، در تماس باشند. به دلیل افزایش میدان الکترومغناطیسی بر روی سطح و یا در نزدیکی آن، نانوساختارها به دلیل اندرکنش نور با بستر سیگنال رامان افزایش می یابند. سیگنال رامان با تنظیم منبع تحریک (لیزر) برای مطابقت با انتقال الکترونیکی داخلی مولکول جذب شده تقویت می شود.

شکل ۳- SERRS

طیف سنجی رامان فضایی (SORS)

دستیابی به طیف رامان معمولاً با استفاده از هندسه پراکندگی ۱۸۰ درجه به دست می آید و محدود به اندازه گیری های نزدیک به سطح در چند صد میکرون اول سطح است. طیف سنجی رامان فضایی (SORS) اندازه گیری از لایه های زیرسطحی و اطلاعات پراکنده تا عمق ۴ میلی متر را در نمونه انجام می دهد. برخلاف رامان معمولی، که تابش و جمع آوری لیزر از همان ناحیه نمونه است، در SORS نور پراکنده از نقطه ای که به صورت جانبی از نور لیزر منحرف شده، جمع آوری می شود. برای یک نمونه دو لایه، برای اندازه گیری طیف رامان لایه های تکی، دو اندازه گیری لازم است. یک طیف به طور معمول در زاویه صفر گرفته می شود، در حالی که دیگری با زاویه غیر صفر گرفته می شود. برای این حالت، یک تفریق مقیاس بین دو طیف ممکن است برای بازیابی طیف زیر لایه کافی باشد.

شکل ۴- SORS

روش طیف سنجی انتقال رامان (TRS)

TRS نوعی SORS محسوب می شود که نقاط تابش و جمع آوری نور لیرز در طرف مقابل نمونه قرار دارد. برخلاف SORS، قادر به ارائه طیف لایه های جداگانه در نمونه نیست. درعوض، اطلاعاتی در مورد کل حجم نمونه ارائه می دهد.

شکل ۵- TRS

پراکندگی منسجم ضد استوکس رامان (CARS)

CARS یک فرایند غیرخطی مرتبه سه است که به طور معمول از لیزرهای پالسی پیکوثانیه استفاده می کند. با این تکنیک، یک لیزر پمپ در فرکانس ω_p، یک پروب با فرکانس ω_pr و یک لیزر استوکس در فرکانس ω_s با یک نمونه از طریق فرایند ترکیب امواج در تعامل است. پرتوی پروب معمولاً در همان فرکانس پمپ قرار دارد. هنگامی که اختلاف فرکانس بین پمپ و پرتو استوکس با فرکانس انتقال ارتعاش یک مولکول مطابقت داشته باشد، یک سیگنال ضد استوکس افزایش یافته در یک فرکانس ω_as= ۲ω_p − ω_s ایجاد می شود. پهنای باریک باند لیزر، سرعت نرخ تنظیم لیزر و دخالت پس زمینه غیر رزونانس، این روش را در گونه هایی با چگالی نوسان ساز بالا و قله های رامان جدا شده منحصر به فرد محدود می کند.

شکل۶- CARS

پراکندگی رامان تحریک شده (SRS)

پراکندگی رامان به طور معمول از لیزرهای پالس ۲ps (پرتوی پمپ در فرکانس ω و یک پرتو استوکس در فرکانس ω_s) استفاده می کند. با تنظیم اختلاف فرکانس بین پمپ و پرتوهای استوکس برای مطابقت با فرکانس لرزش مولکولی، ω_vib = ω_p – ω_s، تحریک انتقال ارتعاشی رخ می دهد. این فرایند غیرخطی باعث از بین رفتن شدت در پرتوی پمپ و افزایش شدت در پرتو استوکس می شود. در حالی که هر دو CARS و SRS به طور همزمان اتفاق می افتند، CARS تشعشع را با فرکانس نوری جدید تشخیص می دهد، در حالی که SRS شدت سیگنال gain/los پرتوهای تحریک شده را اندازه گیری می کند.

شکل ۷- SRS

References

Auner, G. W., Koya, S. K., Huang, C., Broadbent, B., Trexler, M., Auner, Z., Elias, A., Mehne, K. C., & Brusatori, M. A. (2018). Applications of Raman spectroscopy in cancer diagnosis. Cancer and Metastasis Reviews, ۳۷(۴), ۶۹۱–۷۱۷. https://doi.org/10.1007/s10555-018-9770-9