白皮书
天博综合体育中国官方网站-RAMAN光谱的简介
概述
电磁频谱的Terahertz（天博综合体育中国官方网站）区域，从大约0.15 天博综合体育中国官方网站到6 天博综合体育中国官方网站（5 cm-1 到200厘米-1）长期以来一直研究为研究材料的低能振动模式。该区域对研究晶体内分子间振动的光谱学家特别有吸引力[1]，从而产生了有关控制材料许多关键特性的分子取向的重要信息。在最基本的水平上，天博综合体育中国官方网站光谱是远红外（FIR）吸收光谱的扩展。实际上，实施更具挑战性，因为它处于光频域的极端低端和电子频域的极端高端。这就是为什么在已发表的文献中经常将该频谱区域称为“ Terahertz Gap” [2]的原因。目前，市场上可以使用商业天博综合体育中国官方网站光谱系统，但是由于通常需要产生天博综合体育中国官方网站辐射和样品对水分敏感的超快激光器的复杂性，大多数都非常昂贵且难以使用。
幸运的是，Terahertz辐射的直接吸收并不是访问天博综合体育中国官方网站域振动模式的唯一途径，因为许多也是拉曼活跃的。拉曼散射是由于光子的非弹性散射而不是吸收而导致的，因此将激发波长与所研究的振动模式解耦。在传统的拉曼中，光谱范围200厘米-1 至1800厘米-1 代表“化学指纹”，因为大多数分子内振动发生在此频率范围内。以互补的方式，天博综合体育中国官方网站-Raman™（也称为低频拉曼或LFR）区域，从5 cm-1 到200厘米-1提供了一个“结构指纹”，主要对应于分子间振动或材料的晶格/声子模式。图1显示了相对波长的位置，其中天博综合体育中国官方网站光谱法（50μM至2 mM），IR光谱法（5至50μM）以及天博综合体育中国官方网站-Raman光谱发生在电磁光谱中。图2相应地显示了典型拉曼光谱的化学和结构指纹的相对位置。
历史上，拉曼光谱在天博综合体育中国官方网站域一直在挑战，因为非弹性散射（拉曼偏移）比弹性散射（Rayleigh）弱的数量级（Rayleigh），因此难以充分地过滤雷利散射。结果，很难通过拉曼移动非常接近瑞利线（0 cm来解决信号-1）。这种情况随着音量全息档过滤器的革命性发展的彻底改变，这使得直接测量拉曼转移的变化很小至5厘米-1 仅具有高光学效率的简单单色器[3]。这一突破导致了低频拉曼的范式转变：从需要复杂的多阶段单色器的相对新颖性到任何科学家都可以在几分钟内设置的独立谱图，以及用于现有工具的插件和播放模块。例如，这些天博综合体育中国官方网站-RAMAN模块包括用于反应监测的浸入探针，用于映射样品相的显微镜平台以及用于高通量筛选应用程序.
图1： 电磁光谱显示了不同光谱技术的位置。拉曼光谱通常在可见的（532 nm）或NIR（785 nm）中进行，而IR吸收光谱从5-50μM进行，并从50μM -2 mm。进行。
天博综合体育中国官方网站-RAMAN系统要求
每个天博综合体育中国官方网站-RAMAN系统 有四个共同点：
- 波长稳定激光源
- 窄带（<5 cm-1）光谱清理过滤器
- 窄带（<5 cm-1）瑞利散射阻塞过滤器
- 可以检测低频信号的光谱仪
Rayleigh滤波器，A +/- 5 cm1带宽档过滤器，应该是系统可以检测到的天博综合体育中国官方网站域的限制因素。但是，对于瑞利滤波器的运行正常，至关重要的是，激光的输出频谱非常稳定，具有非常狭窄的线宽，并且在Notch Filters的透射区域内的放大自发发射（ASE）或侧带表现出极低的噪声。在操作过程中，滤波器和激光器的中心波长在操作过程中保持“光谱同步”，以免泄漏雷利信号和光谱仪检测器的饱和度。作为激光，过滤器和光学系统的集成制造商，相干光谱仪和模块都旨在完美地维护此同步，从而确保始终保持稳健，易于操作的性能。
这些系统的另一个优势是，由于将拉曼光谱衡量为从激光频率的相对转变，因此天博综合体育中国官方网站-Raman系统可以在可见光或近红外（NIR）中的任何波长（NIR）使用激光器（NIR）来探测这些低增强的振动模式，从而消除了天博综合体育中国官方网站 laserer的需求。这可以实现一种更简单，较少的光谱收集方案，允许使用玻璃光学元件和纤维，紧凑且廉价的二极管以及二极管泵浦的固态（DPSS）激光源，以及硅探测器和检测器阵列。 天博综合体育中国官方网站-Raman系统还能够检测反stokes的拉曼偏移，小于-5 cm-1，提供有关样品的其他信息，包括局部有效温度。因此，天博综合体育中国官方网站-Raman系统可以同时测量单个测量中具有较高吞吐量的材料的化学和结构指纹。
易于使用拉曼光谱的频谱信息的综合益处现在使其成为对材料的化学和结构特性感兴趣的应用的强大解决方案。 天博综合体育中国官方网站-Raman已被制药行业[4-9]迅速采用，并且在聚合物[10]，半导体[11-13]和生物医学诊断[14]中也受到了吸引力[14]。
低频振动模式
如上所述，低频峰是由分子间振动（例如声子模式和晶格振动）引起的。在晶体样品中，峰的位置（移位）特定于晶体的组成（化学和结构）细节。这些尖锐的低频峰的带宽和强度与样品的结构（结晶度）直接相关。相反，无定形固体和液体具有宽阔的未分辨峰，称为玻色子峰。因此，天博综合体育中国官方网站-Raman光谱是定量分析样品结晶度并分类不同的同素异体和多晶型物的有用工具。尽管多态性分析是一个更流行的应用，但通过检查不同同素异形的天博综合体育中国官方网站-Raman光谱可以更好地说明低频振动模式的性能。可以更容易理解。
图2： α-硫和β-硫的拉曼光谱，显示从0到200cm的分子间振动模式-1（a）和分子内振动模式200cm-1至500 cm-1（b）。
硫磺具有30多种同素异常的硫，由于其在生命科学和工业应用中的广泛化学过程中的重要性，已进行了广泛的研究[15]。已显示同素α-硫硫具有24种不同的分子间振动，其中许多是在30 cm中活跃的拉曼-1-100 cm-1频谱区域[16]。 Heyler等人在2013年SPIE Defense，Security和Sensing Conferition上发表的论文中。证明了如何使用天博综合体育中国官方网站-Raman检测到这些振动模式[3]。他们继续表明，随着α-硫的样品在95.6°C以上加热时，它经历了一种形式，将其形式变为同素β-硫硫磺，然后在115.2°C下液化。从α形式（原骨）到较少有序的β形式（单斜晶）的过渡很容易被检测到，因为增加的疾病导致拉曼光谱低于100 cm的拉曼光谱中的模式“模糊”-1 当它接近玻色子峰结构时[图2]。熔化并形成Y形式（液体）后，天博综合体育中国官方网站-Raman结构域中的结构模式完全融合在一起，仅显示了普通液体的纯玻色子带[17]。相比之下，在比较高于100 cm的光谱的峰位置时，化学指纹区域的模式没有显着影响形式的变化。-1132444_132502相干Tr-Micro 天博综合体育中国官方网站-Raman模块 连接到直立显微镜和纤维耦合光谱仪上。设置的示意图如图3所示。
图3：用于收集α-硫和β-硫的天博综合体育中国官方网站-raman光谱的实验设置的示意图。
天博综合体育中国官方网站-RAMAN单元包含单个频率激光，与超纳罗频段（体积全息）激光线和Notch过滤器完全匹配。缺口过滤器是专门设计的，以确保拉曼散射的最大吞吐量，同时还以大于9的光密度（OD）衰减雷利散射，从而使它们与不均匀样品一起使用。最后，剩余的拉曼散射通过光纤电缆耦合到光谱仪。会议记录[3]。
Pharmaceuticals中的应用
多态性是活性药物成分（API）的关键和常见特征。它直接影响了药物的生物利用度，生产性和质量/性能[18]。由于多态化合物具有相同的基础分子组成但大体结构取向，因此天博综合体育中国官方网站-Raman比常规红外（IR）和拉曼光谱镜更适合确定多态性形式。为了完整，应注意，在某些情况下，由于分子内振动的阻尼，多态差异可能导致拉曼光谱的化学指纹区域的细微峰值变化[19,20]。也就是说，低频范围的频谱变化往往更为明显（强度更高），并且在不需要复杂的化学计量分析的情况下更容易区分。另外，如Larkin等人。在2014年发表的一篇文章中展示了“典型API的大芳香族物种的低频拉曼光谱，可提供低于200 cm的强烈频段-1具有复杂的光谱特征[9]。”他们继续解释说，这些频带通常比相同频率范围内的摄取剂的级数更强烈，这为天博综合体育中国官方网站-Raman提供了直接测量“晶体结构，结晶障碍和无定形状态”的能力，具有增强的敏感性。
图4：COHERT的TR-Bench，台式天博综合体育中国官方网站-RAMAN模块。
在上述研究[9]和2015年发表的后续研究之间[10]，布里斯托尔 - 美犬squibb的研究人员对某些常见API的多晶型物进行了详细的分析。在这两个出版物中，他们分析了吲哚美辛，卡马西平，咖啡因，茶碱和阿apixaban。 Larkin等。使用了台式天博综合体育中国官方网站-RAMAN采样系统，类似于TR-BENCH当前可从图4所示的连贯性获得。TR-Bench具有与上一节中讨论的TR-Micro相同的内部光学架构。作为这项研究的一个例子，图5显示了三种不同形式的卡马西平的天博综合体育中国官方网站-raman光谱。
图5： （a）形式III，（b）伪型二水合物形式的卡马西平的天博综合体育中国官方网站拉曼光谱，以及（c）ii。全部在室温下测量[8]。
近年来，天博综合体育中国官方网站-Raman光谱已从研究实验室转移到药物过程监测应用中，通常称为工艺分析技术（PAT）[21-24]。在过程应用中，纤维耦合的天博综合体育中国官方网站-Raman探针可在线，在线和处于线路测量中，在线分析仪可以远离样品，并且不需要捕获样品并将其带到分析仪。根据需求，可以设计探针尖端的工作距离很短，可以直接浸入通过访问端口进入反应室，也可以使用更长的工作距离来通过观看窗口收集光谱。图6显示了的示例tr-probe 带有沉浸式探针尖端。
图6： TR-Probe 天博综合体育中国官方网站-Raman探针模块，连接11英寸长的不锈钢浸入尖端。
Inoue等人使用这种方法来监测卡马西平III形式的过渡到卡马西平二水合物，以进行各种浓度的乙醇和水[22]。图7中所示的结果是使用多元曲线分辨率（MCR）算法计算的，该算法具有甲状腺素二水合物的主要天博综合体育中国官方网站-RAMAN带（111 cm-1）和卡马西皮III（39 cm-1）。基于这些数据，研究人员能够确定使用62.5％乙醇和37.5％水的溶液产生了最快的转化率。
图7：Carbamazepine表格III的浓度动力学转化为卡马西平二水合物，以乙醇和水的各种溶剂比[21]。
天博综合体育中国官方网站-Raman的未来
虽然制药行业是第一个广泛采用天博综合体育中国官方网站-Raman的行业，但其他部门也使用它来分析结晶度和多态性。最近的一个例子是使用天博综合体育中国官方网站-Raman在有机半导体中探索迁移率与应变之间的关系[25]，以及电荷传输和低频振动[12]。它还用于分析量子点[11]中的声子模式和分层半导体合金[13]。最近的研究还发表了有关聚合物结晶[10]和在冷却过程中兰氏菌的形成[26]，提供了有关聚合物行业产品结构特性的关键信息。 天博综合体育中国官方网站-Raman最令人兴奋的应用程序也许是生物学和生物医学诊断。在旧金山举行的2019年SPIE BIOS会议上，Marble等人。关于使用天博综合体育中国官方网站-Raman进行生物分子的第一次演讲[14]，一年后，天博综合体育中国官方网站-Raman已经被探索为Covid-19 [27]的潜在诊断工具。
摘要
天博综合体育中国官方网站-Raman反复证明可以为用户提供强大而同时的结构和化学组成信息。毫无疑问，随着天博综合体育中国官方网站-Raman分析仪从实验室转移到工业环境，应用程序将继续增长和扩展。在这一点上，研究人员将继续找到尚未构想的天博综合体育中国官方网站-Raman揭示的高度差异性信息的新用途。有关天博综合体育中国官方网站-Raman仪器，申请或功能的更多信息，请访问www.天博综合体育中国官方网站-raman.com 或通过我们的网站要求与应用程序科学家进行咨询www.coherent.com。
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