DE102004034354B3

DE102004034354B3 - Ultrakompaktes Raman-Spektrometer

Info

Publication number: DE102004034354B3
Application number: DE200410034354
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. Riesenberg; Andreas Wuttig; Jürgen Prof. Dr. Popp
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Institut fur Photonische Technologien Ev 0 De; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein ultrakompaktes Raman-Spektrometer, das für Untersuchungen von chemischen Strukturen etc. oder auch für die quasi-simultane Identifizierung vieler Biopartikel auf Substraten zur Anwendung gelangen soll. Die Aufgabe, ein solches Spektrometer anzugeben, das als echtes handheld-Gerät Anwendung finden kann, wird dadurch gelöst, dass der Ort der zu untersuchenden Probe (31) unmittelbar in der Abbildungsebene der optischen Spektraleinheit (22) positioniert ist, wobei die optische Anregung der zu untersuchenden Probe (31) vermittels fokussierter Strahlung des Lasers (1) genau in der Ebene der virtuellen Spaltposition der abbildenden Spektraleinheit (22) erfolgt und im Strahlengang zwischen Probe (31) und Spektraleinheit (22) ausschließlich ein Raman-Strahlung durchlassender Filter (21) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein ultrakompaktes Raman-Spektrometer gemäß der Gattung des ersten Patentanspruchs, das für Untersuchungen von chemischen Strukturen und Stoffwechselvorgängen in Zellen, Screening-Anwendungen der Proteomik, Medikamentenforschung etc. oder auch für die quasi-simultane Identifizierung vieler Biopartikel auf Substraten zur Anwendung gelangen soll.

Die Raman-Spektrometrie ist eine optisch-spektroskopische Methode, welche z.B. in der Lage ist, Mikroorganismen zu identifizieren und zu genotypisieren, und sogar in gewissem Umfang Informationen über die chemische Struktur noch unbekannter Moleküle, z.B. Proteine, zu erhalten. Für die sich nach Abschluss der Genom-Entschlüsselung des Menschen rasch entwickelnde Proteomik ist es von vitalem Interesse, z.B. chemische Vorgänge in Zellen ortsaufgelöst aufzuklären und Informationen über beteiligte Proteine zu erhalten. Ebenso ist eine effiziente Analyse großer Probenzahlen (Screening) mittels Raman-Spektroskopie von großem Interesse. Hierzu werden effiziente Verfahren benötigt, welche eine zweidimensionale Anordnung von Bildpunkten oder Proben spektral aufgelöst detektieren können. Für vorstehend genannte Anwendungsgebiete hat sich die Raman-Spektroskopie als eine sehr empfindliche und aussagekräftige Methode zur Ermittlung chemischer oder molekularer Strukturen erwiesen.

Ein standardmäßiges Raman-Spektrometriesystem mit dispersivem Spektrometer beinhaltet einen zur Probenanregung erforderlichen Laser, ein in der Regel als Mikroskopobjektiv ausgeführtes Objektiv zur Beleuchtung der Probe und zur Kollektion des von der Probe gestreuten Raman-Lichtes, einen Rayleigh-Filter, welcher den von der Probe reflektierten bzw. ohne Raman-Verschiebung gestreuten Anteil der Anregungsstrahlung herausfiltert und ein Spektrometer, welches das Raman-gestreute Licht auf seine spektrale Zusammensetzung hin analysiert. Das dispersive Spektrometer besteht im einfachsten Fall aus einem Eintrittsspalt, einem abbildenden Gitter und einem Detektorarray. Für die Einkopplung des Raman-gestreuten Lichtes in den Eintrittspalt ist weiterhin eine Spaltbeleuchtungsoptik erforderlich. Die für dieses Verfahren eingesetzten Objektive sind jedoch problematisch, da sie u.a. über große Wellenlängenbereiche sehr gut korrigiert sein müssen, um, bedingt durch chromatische Aberration, eine Verzerrung der aufgenommenen Spektren auszuschließen und um eine gute System-Effizienz zu erreichen. Weiterhin sollen sie nicht fluoreszierende oder Raman-Licht streuende Materialien beinhalten. Aus vorstehend genannten Gründen sind diese Objektive nicht nur sehr kostenintensiv, sondern auch recht voluminös, was die Kosten für das Gesamtsystem in die Höhe treibt und ihrem Einsatz in mobilen Systemen entgegensteht. Optische Systeme mit Glasobjektiven sind außerdem nur für einen eingeschränkten Spektralbereich verfügbar. Für Wellenlängenbereiche, die deutlich außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs liegen, sind derartige Objektive teilweise gar nicht verfügbar.

Zur Vermeidung vorstehend genannter Probleme wurde bereits ein Spiegelsystem vorgeschlagen ( US 5,493,443 zurückgehend auf DE 42 43 144 A1 ), welches die Probleme der chromatischen Aberration vermeidet. Bei dieser Lösung wird ein Raman-Mikroskop, insbesondere für ein Fouriertransformations-Spektrometer vorgeschlagen, bei dem die Laserstrahlung im Infrarot-, vorzugsweise im Nahinfrarot (NIR)-Bereich liegt, wobei das Objektiv durch ein Cassegrain-Spiegelobjektiv mit einem rotationssymmetrisch zu einer optischen Achse angeordneten Konvexspiegel und einem ebenfalls zur optischen Achse des Objektivs rotationssymmetrischen Konkavspiegel gebildet ist, wobei der auf der optischen Achse liegende Brennpunkt des Konkavspiegels mit dem punktförmigen Bereich auf der Oberfläche der Messprobe übereinstimmt. Das verwendete Cassegrain-Spiegelobjektiv ist achromatisch und führt daher zu keinen Verzerrungen im NIR-Raman-Spektrum. Für die in vorliegender Erfindung angestrebte kompakte Bauform des Raman-Spektrometers ist diese Lösung aufgrund der erforderlichen Spiegeldimensionierungen jedoch nicht geeignet.

Nach dem Stand der Technik sind weiterhin Geräte, bspw. die der Fa. Jobin-Yvon, bekannt, die ebenfalls mittlere Tischgeräte darstellen, die für den mobilen Einsatz nicht geeignet sind. Das Spektrometer ist dabei volumenmäßig nur ein kleiner Teil des gesamten Systems. Ein solcher Aufbau nach dem Stand der Technik ist nur begrenzt miniaturisierbar. Es sind weiterhin erste mobile Ramanspektrometer auf dem Markt (z.B. der Fa. Digilab, siehe www.digilabglobal.com/398_1.asp), welches jedoch nur für anspruchslosere Kontrollaufgaben konzipiert ist und wobei mobil hier lediglich tragbar heißt. Echte handheld-Geräte, wie mit vorliegender Erfindung herstellbar, fehlen auf dem Markt und sind mit vorstehend dargestelltem Stand der Technik nicht realisierbar.

Weiterhin beschreibt WO 2004/03749 A2 ein spektroskopisches Analyse-System zur Durchführung von Raman-Spektroskopie, bestehend aus einer Laserbeleuchtungseinheit und einer Spektrometeroptik mit einem Wellenlängen-selektiven Gerät, einem CCD-Array und einem die Raman-Strahlung durchlassenden Notch-Filter. Wird bei dieser Anordnung auf die dort beschriebene Linse zum Sammeln der Raman-Strahlung verzichtet, ließe sich ebenfalls eine kompaktere Bauform realisieren, jedoch kein echtes handheld-Gerät im Sinne vorliegender Erfindung. Ein Hinweis auf die Bauform nach vorliegender Erfindung ist vorstehend genannter Schrift nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ultrakompaktes Raman-Spektrometer anzugeben, das als echtes handheld-Gerät einsetzbar ist, wobei die Nachteile, die sich aus dem Stand der Technik, insbesondere solcher Raman-Spektroskope mit Glaslinsenobjektiven, ergeben vermieden werden sollen.

Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche.

Gemäß vorliegender Erfindung wird ein ultrakompaktes Raman-Spektrometer geschaffen, das grundsätzlich bekannte Einzelbaugruppen, wie eine Laserbeleuchtungseinheit, eine Spektrometeroptik mit einer abbildenden optischen Spektraleinheit, ein CCD-Array und einen Rayleigh-Strahlung durchlassenden Filter beinhaltet, wobei der Ort der zu untersuchenden Probe unmittelbar in der Abbildungsebene der optischen Spektraleinheit positioniert ist, wobei die optische Anregung der zu untersuchenden Probe vermittels fokussierter Strahlung des Lasers genau in der Ebene der virtuellen Spaltposition der abbildenden Spektraleinheit erfolgt und im Strahlengang zwischen Probe und Spektraleinheit ausschließlich ein Raman-Strahlung durchlassender Filter angeordnet ist. Im Rahmen vorliegender Erfindung ist dabei genannte Spektraleinheit bevorzugt aus lediglich einer Baugruppe, nämlich einem abbildenden optischen Gitter gebildet.

Die Erfindung soll nachstehend, anhand schematischer Ausführungsbeispiele, näher erläutert werden. Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit ihren wesentlichen Komponenten,

2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit ihren wesentlichen Komponenten,

3 eine perspektivische Darstellung nach 1,

4 einen detaillierteren Schnitt nach 1 mit Andeutung der Strahlwege und

5 einen Schnitt durch 4, in dem die Lage der Lasereinheit deutlicher erkennbar ist.

Das in den Ausführungsbeispielen beschriebene ultrakompakte Raman-Spektrometer besteht gemäß 1 aus einer Laser-Beleuchtungseinheit 1 und der Spektrometeroptik 2, welche sich in ein Rayleigh-Filter 21, ein abbildendes Gitter 22 und einen CCD-Detektor 23 unterteilt. Der Rayleigh-Filter 21 ist im Beispiel als ein Langpassfilter ausgelegt und absorbiert die von der auf dem Probenträger 3 befindlichen Probe 31 direkt reflektierte Anregungsstrahlung. Diese Gesamt-Anordnung zeigt 1 im Überblick.

2 soll verdeutlichen, dass sich die konkrete Anordnung in 1 genannter wesentlicher Bauelemente nicht auf eine Ausführungsform nach 1 beschränkt. Im Unterschied zu 1 erfolgt hier eine weitgehend senkrechte Bestrahlung der Probe 31, dadurch dass das Rayleigh-Filter 21 mit seiner probenzugewandten Seite im Winkel von 45° eingestrahltes Laserlicht auf die Probe ablenkt, im übrigen jedoch von der Probe 31 ausgehende Anregungs-Strahlung reflektiert und lediglich Raman-Strahlung durchlässt.

3 zeigt andeutungsweise einen Aufbau nach 1 in perspektivischer Darstellung. Gleiche Bezugszeichen betreffen identische Bauelemente. Eine detailliertere Beschreibung dieses Aufbaus und der Wirkungsweise erfolgt weiter nachstehend.

4 zeigt das optische Design nach 3 und deutet eine optional unterschiedlich ausführbare Laserlinsenoptik 11 an, auf die im nachfolgenden noch näher eingegangen wird.

5 gibt einen Schnitt aus 4 wieder, in dem die Lage der Laser-Einheit 1 deutlicher zu erkennen ist.

Im speziell beschriebenen Beispiel soll die Abbildungsweite des abbildenden Gitters 22, hier eines Konkavgitters, 80 mm betragen und das Gitter 22 einen Durchmesser von 40 mm aufweisen. Dadurch ergibt sich eine Öffnungszahl von f/2 bzw. eine numerische Apertur von 0.24. Die Anregung der Probe 31 erfolgt punktförmig direkt auf der optischen Achse des Gitters.

Streut die Probe 31 mit einer Lambert-Charakteristik, so ergibt sich durch die Öffnungszahl eine Sammeleffizienz von 8,7%, was bei oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie im UV-Bereich einen praktikablen Wert darstellt.

Das Gitter 22 hat im Beispiel eine Liniendichte von 1200 Linien/mm und bildet auf einem in Dispersionsrichtung 9,7 mm ausgedehnten Bereich eines CCD-Chips 23 die Wellenlängen von 245 nm bis 275 nm durch Beugung in die zweite Ordnung ab. Mit einer Anregungswellenlänge von 244 nm (frequenzverdoppelter Argon-Ionen-Laser) lässt sich somit der gesamte, für die Raman-Spektroskopie interessante Bereich von Raman-Spektralverschiebungen bis 4000 cm^–1 erfassen. Die spektrale Auflösung wird neben der Pixelgröße der CCD (im Beispiel 6 μm) vom Durchmesser des Beleuchtungsflecks bestimmt. Dieser wird mittels einer Beleuchtungsoptik 11 der numerischen Apertur von N.A. = 0.04 erzeugt. Die numerische Apertur hängt hierbei über die Beugungsbegrenzung bei der Anregungswellenlänge mit der Größe des Beleuchtungsflecks zusammen. Diese Apertur, deren Wert ausschließlich durch die zu erzielende Auflösung bestimmt ist, ist damit wesentlich kleiner als die sammelnde Apertur des Spektrometers, was bedeutet, dass auch die zugehörige Optik 11 wesentlich einfacher zu realisieren ist, als in einer herkömmlichen Raman-Anordnung mit Glasobjektiven, in der die Beleuchtungsoptik und die Sammeloptik identisch sind.

Die Anregung erfolgt im Beispiel senkrecht zur Dispersionsrichtung um etwa 20° verkippt, wodurch ein Anregungsfleck die Form eines Ellipsoids mit einem Durchmesser von 6 μm in Dispersionsrichtung und etwa 6.5 μm senkrecht dazu annimmt. Die spektrale Auflösung des Spektrometers ist nur durch den ersten Wert bestimmt und dieser Wert ist im betrachteten Fall im Wesentlichen an die Pixelgröße der CCD angeglichen. Dadurch, dass bei vorliegender Erfindung der bei herkömmlichen Raman-Spektrometern fixierte Eingangsspalt hier direkt virtuell auf die Probenebene "abgebildet" wird, d.h. dass er durch die ausgeleuchtete Laserfläche entsteht, erreicht man, in Abhängigkeit von der Fokussierung des Beleuchtungsflecks 31, der durch einfache Verstellung des Laserlinsenobjektivs 11 bewirkt werden kann, eine bei Raman-Spektrometern bislang nicht nutzbare und damit unübliche Variationsbreite. Auf diese Weise lässt sich ein optimales Verhältnis zwischen Pixelgröße des eingesetzten CCD-Arrays 23 und der "Spaltbreite" in Abhängigkeit von der Aufgabenstellung einstellen. Normalerweise wählt man die "Spaltbreite", hier Größe des Beleuchtungsflecks, etwas kleiner als die Pixelgröße des CCD-Arrays 23, um eine maximale Auflösung bei hohem Lichtdurchsatz zu erreichen. Ist eine genaue Bestimmung von Spektrallinienpositionen gewünscht, so kann die "Spaltbreite" etwas größer als die Pixelgröße des CCD-Arrays 23 gewählt werden.

In der weiteren Betrachtung wird zur Vereinfachung und Verdeutlichung der erreichten Dimensionierungen von einer Gleichheit von Pixelgröße und "Spaltbreite", respektive der Breite des Beleuchtungsflecks ausgegangen. Die numerische Apertur und o.g. Verkippung der Lasereinheit 1 von 20° verlangen bei einer Entfernung des Laserlinsenobjektivs 11 von etwa 40 mm von der Probenebene 3 (also etwa 42.6 mm vom Beleuchtungsfleck) nach einem Linsendurchmesser des Laserlinsenobjektivs von nur 3,1 mm. Derartige Objektive stellen kostengünstige Standardkomponenten dar. Die im detaillierten Beispiel angegebenen beispielhaften Dimensionierungen verdeutlichen hinreichend, das die Realisierung eines ultrakompakten Raman-Spektrometers, unabhängig von der konkreten Anordnung, mit vorliegender Erfindung bei gleichzeitigem Verzicht auf teure, respektive überhaupt nicht verfügbare Spezialglasobjektive für das Spektrometer selbst, in Form eines echten handheld-Gerätes realisiert ist. Es liegt im Rahmen der Erfindung, durch Faltung der optischen Wege eine weitere Miniaturisierung des Gesamtspektrometers zu erreichen.

1: Laserbeleuchtungseinheit
2: Spektrometeroptik
21: Raman-Strahlung durchlassenden Filter
22: abbildende Spektraleinheit (Gitter)
23: CCD-Array
3: Probenträger
31: zu untersuchenden Probe
A-A: zur optischen Achse der abbildenden Spektraleinheit
X-X: Abbildungsebene der optischen Spektraleinheit

Claims

Ultrakompaktes Raman-Spektrometer, bestehend aus einer Laserbeleuchtungseinheit (1) und einer an sich bekannten Spektrometeroptik (2) mit einer abbildenden optischen Spektraleinheit (22), einem CCD-Array (23) und einem Raman-Strahlung durchlassenden Filter (21), dadurch gekennzeichnet, dass der Ort der zu untersuchenden Probe (31) unmittelbar in der Abbildungsebene (X-X) der optischen Spektraleinheit (22) positioniert ist, wobei die optische Anregung der zu untersuchenden Probe (31) vermittels fokussierter Strahlung des Lasers (1) genau in der Ebene der virtuellen Spaltposition der abbildenden Spektraleinheit (22) erfolgt und im Strahlengang zwischen Probe (31) und Spektraleinheit (22) ausschließlich der Raman-Strahlung durchlassende Filter (21) angeordnet ist.
Ultrakompaktes Raman-Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Laser (1) zugeordnete fokussierende Objektiv (11) in Abhängigkeit von der Pixelgröße des eingesetzten CCD-Arrays derart ausgewählt und variabel fokussierbar ist, dass eine Ausleuchtung der Probe (31) mit einer Ausdehnung in der Größenordnung der Pixelgröße des eingesetzten CCD-Arrays (23) entsteht.
Ultrakompaktes Raman-Spektrometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Laserbeleuchtungssystems (1) zur optischen Achse (A-A) der abbildenden Spektraleinheit (22) geneigt ist und außerhalb des Öffnungswinkels der abbildenden Spektraleinheit (22) angeordnet ist, wodurch eine Anregung der Probe (31) durch schräge Beleuchtung erfolgt.
Ultrakompaktes Raman-Spektrometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anregung der Probe (31) durch eine zur optischen Achse (A-A) der abbildenden Spektraleinheit (22) parallele Einstrahlung des Laserlichtes derart erfolgt, dass das Laserbeleuchtungssystems (1) in einem Winkel, vorzugsweise 45°, auf einen geneigt zur optischen Achse (A-A) angeordneten Anregungs-Strahlung reflektierenden und Raman-Strahlung durchlassenden Filter (21) einstrahlt.
Ultrakompaktes Raman-Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Laser (1) zugeordnete fokussierende und abbildende Objektiv (11) in Abhängigkeit von der Pixelgröße des eingesetzten CCD-Arrays derart ausgewählt ist, dass es einen Probenbeleuchtungsfleck erzeugt, dessen schmalste Ausdehnung in der Größenordnung der Pixelgröße des eingesetzten CCD-Arrays liegt, wobei seine Längsausdehnung mit der Ausdehnung des virtuellen Spektrometereintrittsspalts korrespondiert.
Ultrakompaktes Raman-Spektrometer nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektraleinheit (22) durch ein abbildendes optisches Gitter gebildet ist.