Ein multimodales Weitfeld-Fourier-Transformations-Ramanmikroskop

Wir entwickelten ein multimodales hyperspektrales Mikroskop, um das Raman- oder Photolumineszenzspektrum von jedem Pixel eines Bildes zu erfassen, was die Messzeit verkürzt. Der konventionelle Rasterskalierungsansatz basiert auf dispersiven Spektrometern. Fortschrittliche Techniken verstärken das Raman-Signal entweder durch Resonanzlicht oder mit synchronisierten kurzen Laserimpulsen, die molekulare Schwingungen antreiben.

Der untere Raman-Streuquerschnitt stellt zwei Hauptprobleme dar. Erstens: schwaches Signal, das lange Erfassungszeiten erfordert. Zweitens kann das Raman-Signal von einem starken photolumineszenzbedingten Hintergrund überwältigt werden.

Die Fourier-Transform-Spektroskopie ermöglicht parallele Spektrumerfassung über alle Pixel hinweg für schnellere Messungen sowie die abstimmbare Abtastung, um spezifische spektrale Informationen abzurufen, wie etwa die Isolierung schwacher Raman-Peaks vom starken Lumineszenz-Hintergrund. Der Fourier-Transformationsansatz ermöglicht intelligente Stichproben und Datenanalysen, die Informationen in zeitlichen Spuren nutzen. Wir streben an, Undersampling-Strategien anzupassen, um die Akquisitionszeit weiter zu verkürzen.

Zunächst verwenden Sie einen Schaber und geben Sie 20 Milligramm jedes Pigmentpulvers auf einer präzisen Waage auf, wodurch ein Eins-zu-eins-Gewichtsverhältnis erhalten wird. Mische das Pulver mit einem Mörtel, um Klumpen zu entfernen. Gießen Sie die resultierende Mischung auf einen Objektträger.

Dann wird mit der Schaberspitze sanft gedrückt, um eine nahezu gleichmäßige Schichtdicke zu erreichen. Trage Nagellack an den Rändern eines Mikroskopdeckels auf. Lege ihn mit dem Nagellack nach unten auf die Mischung und übe genug Druck aus, um ihn zu versiegeln.

Als Nächstes stellen Sie die Anregungswellenlänge ein und fokussieren Sie den Anregungslaser am Eingang der großen Kern-Multimodefaser. Setzen Sie eine Testprobe auf die Mikroskopbühne und schalten Sie die Kamera ein, um den laserbeleuchteten Punkt zu betrachten. Befestigen Sie einen mittleren Abschnitt der Faser an der vibrierenden Membran einer Schwingspule, wodurch Sprenkel entfernt werden.

Mechanisch verschlüsseln Sie die Glasfaser, indem Sie sie straff biegen, um alle räumlichen Modi zu verbinden. Fügen Sie einen Schmalbandpassfilter bei 532 Nanometern mit 2,0 Nanometern Bandbreite ein, um die Laserleitung zu reinigen und unerwünschte spektrale Seitenbänder der Pumpe abzulehnen. Verwenden Sie einen dichroischen Spiegel, um das Laserlicht auf die Probe zu reflektieren und die vom Objektiv gesammelte rotverschobene, rückgestreute Strahlung zu übertragen.

Setzen Sie einen Langpassfilter bei 532 Nanometern ein, um Restbeleuchtungslicht abzustoßen. Messen Sie die Leistung auf der Sample-Ebene mit einem Leistungsmessgerät. Stellen Sie den Pumpstrahl so ein, dass eine Intensität an der Probe erreicht wird, die keinen Schaden verursacht.

Jetzt lege die Probe auf die Mikroskopbühne und stell den Fokus ein. Schalten Sie den Treiber des Motors ein, der die Keil-Übersetzung durchführt, und drücken Sie die Acquir-Option. Dann stellen Sie die Kamera-Aufnahmeparameter wie Zeitrahmen und Hardware-Binning ein, um die Signalintensität zu optimieren.

Jetzt setze die Schrittlänge, die Ausgangsposition und die Anzahl der Schritte. Fügen Sie den Namen des Verzeichnisses und den Dateinamen hinzu. Verschieben Sie den Kreuzpunkt zur Zielposition und klicken Sie auf Mess, um mit der Aufnahme eines monochromen Bildes für jede Keilposition zu beginnen.

Sobald die Messung abgeschlossen ist, schalten Sie den Laser vor der Datenanalyse aus. Als Nächstes generieren Sie den spektralen Hyperwürfel aus dem erfassten Datensatz, indem Sie die Korrekturdatei der Motorposition, die spezifisch für den Schrittmotor ist, sowie die Frequenzkalibrierungsdatei, die dem Interferometer entspricht, lädt. Stellen Sie die Wellenlänge für die zu berechnenden Spektren durch Fourier ein und transformieren Sie die Interferogramme aller Pixel.

Wenden Sie die Apodisationsfunktion an, die einen guten Kompromiss zwischen spektraler Verbreiterung und Artefaktreduktion bietet, wie zum Beispiel das Happ-Genzel-Fenster. Dann generiere den spektralen Hyperwürfel und speichere ihn in komplexen Werten. Starte die Analysesoftware und öffne den spektralen Hyperwürfel in komplexen Werten.

Erzeugen Sie ein Falschfarb-RGB-Bild und erhalten Sie das durchschnittliche Spektrum in ausgewählten Bereichen zur Analyse des spektralen Hyperwürfels. Für die Raman-Messung im gleichen Sichtfeld fügen Sie einen Bandpassfilter im Detektionspfad hinzu. Stellen Sie den Zeitrahmen und das Hardware-Binning fest, dann die festgelegte Länge, die Startposition und die Anzahl der Schritte.

Wählen Sie den Dateinamen und das Verzeichnis zum Speichern aus, bevor Sie auf Measure drücken. Drei Pigmente werden im Sichtfeld anhand ihrer Raman-Spektralsignaturen klar unterschieden: mit charakteristischen Spitzen für Rutil bei 454 und 616 inversen Zentimetern, Anatase bei 396, 514 und 641 inversen Zentimetern sowie Cadmiumgelb bei 301 und 605 inversen Zentimetern. In der Photolumineszenzkarte hingegen ist Kadmiumgelb das einzige sichtbare Pigment im Sichtfeld verteilt, wobei starke Emission das gesamte Bild dominiert.

Tatsächlich kann die schwache Defektemission von Rutil und Anatase spektral nicht vom gelben Pulver unterschieden werden.