Spectroscopie coerentă anti-Stokes Raman

Spectroscopia coerentă anti-Stokes Raman (indicată și cu acronimul englez CARS, din anti-Stokes Raman spectroscopy Coherent) este un tip de spectroscopie utilizat în principal în chimie , fizică și în domenii conexe. Se bazează, ca spectroscopia Raman , pe vibrațiile nucleare ale legăturilor chimice. Spre deosebire de spectroscopia Raman, CARS folosește fotoni multipli pentru a selecta vibrațiile moleculare și produce un semnal coerent . Aceasta implică faptul că semnalul CARS este ordinele de mărime mai intense decât emisia spontană Raman.

CARS este un proces neliniar de ordinul trei care implică, prin urmare, trei fascicule laser: un fascicul de pompă de frecvență $\omega _{p}$ ${\ displaystyle \ omega _ {p}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {p}}$ , o frecvență Stokes fascicul $\omega _{S}$ ${\ displaystyle \ omega _ {S}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {S}}$ și un fascicul de sondă de frecvență $\omega _{pr}$ ${\ displaystyle \ omega _ {pr}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {pr}}$ . Aceste fascicule interacționează cu eșantionul și generează un semnal optic coerent la frecvența anti-Stokes ( $\omega _{pr}+\omega _{p}-\omega _{S}$ ${\ displaystyle \ omega _ {pr} + \ omega _ {p} - \ omega _ {S}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {pr} + \ omega _ {p} - \ omega _ {S}}$ ). Acesta din urmă se amplifică într-un mod rezonant atunci când diferența de frecvență dintre pompă și fasciculele Stokes este ( $\omega _{p}-\omega _{S}$ ${\ displaystyle \ omega _ {p} - \ omega _ {S}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {p} - \ omega _ {S}}$ ) coincide cu o frecvență de rezonanță Raman și aceasta dă naștere contrastului vibrațional intrinsec al tehnicii ^[1] ^[2] .

Istorie

Acronimul CARS („cars” în engleză) este puternic legat de istoria nașterii tehnicii. În 1965, a fost publicat un articol ^[3] care raporta pentru prima dată fenomenul CARS de către doi cercetători de la laboratorul științific al producătorului auto Ford , PD Maker și RW Terhune. Cei doi cercetători au folosit un laser rubin pulsat pentru a studia răspunsul de polarizare de ordinul trei al diferitelor materiale. Au trecut mai întâi de laserul cu rubin de frecvență $\omega$ ${\ displaystyle \ omega}$ $\omega$ printr-un schimbător Raman pentru a crea un al doilea fascicul de frecvență $\omega -\omega _{v}$ ${\ displaystyle \ omega - \ omega _ {v}}$ ${\ displaystyle \ omega - \ omega _ {v}}$ , după care au îndreptat cele două grinzi simultan pe eșantion. Când impulsurile de pe ambele fascicule s-au suprapus în spațiu și timp, cercetătorii au observat un semnal a $\omega +\omega _{v}$ ${\ displaystyle \ omega + \ omega _ {v}}$ ${\ displaystyle \ omega + \ omega _ {v}}$ , care corespunde semnalului CARS cu frecvența deplasată spre albastru.

De asemenea, au arătat că semnalul crește semnificativ atunci când diferența de frecvență $\omega _{v}$ ${\ displaystyle \ omega _ {v}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {v}}$ între grinzile incidente corespunde unei frecvențe Raman a eșantionului. Maker și Terhune și-au numit tehnica pur și simplu „experimente de amestecare în trei valuri”. Denumirea de „spectroscopie coerentă anti-Stokes Raman” a fost atribuită aproape zece ani mai târziu de Begley și colab. la Universitatea Stanford în 1974 ^[4] și, de atunci, această tehnică a fost cunoscută sub acronimul „CARS”.

Principiu

Diagrama nivelului de energie CARS.

Procesul CARS poate fi explicat fizic folosind fie un model clasic de oscilator, fie utilizând un model cuantic care include nivelurile de energie ale moleculei.

În mod clasic, modurile vibraționale active pentru efectul Raman sunt descrise ca fiind generate de un oscilator armonic amortizat cu o frecvență caracteristică egală cu $\omega _{v}$ ${\ displaystyle \ omega _ {v}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {v}}$ . În CARS, acest oscilator nu este stimulat de o singură undă optică, ci de o excitație cu o frecvență egală cu diferența dintre pompă și fasciculele Stokes ( $\omega _{p}-\omega _{S}$ ${\ displaystyle \ omega _ {p} - \ omega _ {S}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {p} - \ omega _ {S}}$ ).

Acest mecanism de stimulare este similar cu auzul tonului redus al combinației atunci când se apasă două taste diferite de ton înalt la pian: urechea este sensibilă la diferența de frecvență dintre tonurile înalte. În mod similar, oscilatorul Raman este sensibil la diferența de frecvență dintre cele două unde optice. Când diferența de frecvență $\omega _{p}-\omega _{S}$ ${\ displaystyle \ omega _ {p} - \ omega _ {S}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {p} - \ omega _ {S}}$ abordari $\omega _{v}$ ${\ displaystyle \ omega _ {v}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {v}}$ , oscilatorul este stimulat foarte eficient. La nivel molecular, aceasta implică faptul că norul de electroni care înconjoară legătura chimică oscilează puternic cu frecvența $\omega _{p}-\omega _{S}$ ${\ displaystyle \ omega _ {p} - \ omega _ {S}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {p} - \ omega _ {S}}$ . Aceste mișcări electronice modifică proprietățile optice ale materialului, adică induc o modulare periodică a indicelui său de refracție . Această perturbare periodică poate fi sondată de un al treilea fascicul laser: fasciculul sondei. Pe măsură ce fasciculul sondei se propagă periodic prin mediul modificat optic, dobândește aceeași modulație. O parte a fasciculului sondei, inițial la frecvență $\omega _{pr}$ ${\ displaystyle \ omega _ {pr}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {pr}}$ , va fi modificat la frecvență $\omega _{pr}+\omega _{p}-\omega _{S}$ ${\ displaystyle \ omega _ {pr} + \ omega _ {p} - \ omega _ {S}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {pr} + \ omega _ {p} - \ omega _ {S}}$ , care corespunde emisiilor anti-Stokes observate. Cu anumite geometrii ale fasciculului, emisia anti-Stokes poate fi difractată departe de fasciculul sondei și, prin urmare, poate fi detectată într-o direcție diferită.

Deși intuitivă, descrierea clasică nu ia în considerare nivelurile de energie cuantică ale moleculei. Din perspectiva mecanicii cuantice, procesul CARS poate fi descris după cum urmează. Molecula se află inițial în starea fundamentală, cel mai scăzut nivel de energie din moleculă. Fasciculul pompei excită molecula la o stare virtuală. Starea virtuală nu este o stare proprie a moleculei și, prin urmare, nu poate fi ocupată, dar permite tranziția între stări reale altfel necuplate. Dacă fasciculul Stokes este prezent simultan cu pompa, starea virtuală poate fi utilizată pentru a accesa instantaneu autostatul excitat vibrațional al moleculei. Acțiunea comună a pompei și a grinzilor Stokes a stabilit astfel o cuplare eficientă între starea de bază a moleculei și starea ei excitată vibrațional. Molecula se află acum în două stări în același timp: adică rezidă într-o suprapunere coerentă a stărilor. Această coerență între stări poate fi testată de fasciculul sondei, care promovează sistemul către o nouă stare virtuală. Din nou, molecula nu va putea rămâne într-o stare virtuală și, prin urmare, se va descompune instantaneu la starea de bază provocând emisia unui foton la frecvența anti-Stokes. Prin urmare, molecula nu va mai fi într-o suprapunere de stări, ci va locui din nou numai în starea fundamentală. În modelul cuantic, nicio cantitate de energie nu este depusă în moleculă în timpul procesului CARS. În schimb, molecula acționează ca un mijloc de a converti frecvențele celor trei unde optice incidente în emisia unui semnal CARS (proces parametric). Cu toate acestea, există procese Raman coerente legate care apar simultan și în schimb depun energie în moleculă.

Comparație cu spectroscopia Raman

CARS este adesea comparat cu spectroscopia Raman, deoarece ambele tehnici se bazează pe aceleași moduri Raman active. Raman se poate face folosind un singur laser continuu, în timp ce CARS (în general) necesită două surse de laser pulsate. Semnalul Raman este detectat pe partea roșie a radiației incidente, unde este posibil să fie nevoit să concureze cu alte procese de fluorescență . Semnalul CARS, pe de altă parte, este detectat pe partea albastră, care este lipsită de fluorescență, dar coexistă cu o contribuție non-rezonantă.

Diferența dintre semnalele Raman și CARS (dar există multe variații ale ambelor tehnici) apare în mare parte din faptul că Raman se bazează pe o tranziție spontană, în timp ce CARS se bazează pe o tranziție stimulată coerent. Semnalul Raman total colectat dintr-o probă este rezultatul unei adăugări inconsistente a semnalelor generate individual de molecule. Prin urmare, variază liniar cu concentrația acestor molecule și este emis în toate direcțiile. Dimpotrivă, semnalul CARS total apare din adăugarea coerentă a semnalelor individuale ale moleculelor (interferență). Pentru ca interferența să fie constructivă, undele trebuie să fie în fază. În condiții de fascicule extrem de focalizate, această stare nu pare de obicei a fi o restricție. Odată ce condiția de potrivire a fazelor este îndeplinită, amplitudinea semnalului crește liniar cu distanța, astfel încât puterea crește în mod cvadrat. Acest semnal formează un fascicul colimat care este deci ușor de detectat. Faptul că semnalul CARS depinde cvadrat de distanță, îl face dependent în același mod și de concentrație și, prin urmare, mai sensibil la componenta principală. Semnalul total CARS conține, de asemenea, un fundal inerent non-rezonant. Această parte non-rezonantă a semnalului poate fi considerată ca rezultatul (mai multor) tranziții foarte departe de rezonanță, care se adună și într-un mod coerent. Componenta rezonantă este caracterizată printr-o schimbare de fază de π radiani de-a lungul rezonanței, în timp ce schimbarea de fază lipsește în partea non-rezonantă. În consecință, forma spectrului CARS seamănă cu un profil Fano, care este însă schimbat în frecvență în raport cu omologul său Raman.

Spectru Raman Anti-Stokes coerent de ulei pentru microscopie.
Fascicul pompei: 800 nm;
Raza Stokes: bandă largă de la 1000 nm la 1100 nm;
emisie anti-Stokes: centrată la -1250 cm ^-1 (vibrație simetrică a grupelor CH ₂ )

Spectroscopia Raman și spectroscopia CARS sunt teoretic la fel de sensibile, deoarece ambele utilizează aceleași tranziții moleculare. Cu toate acestea, ținând cont de limitele de putere incidentă (prag de avarie) și de zgomot în detectoare (timpul de integrare), semnalul dintr-o singură tranziție poate fi colectat mult mai rapid în situații practice folosind CARS (cu un factor de 10 ⁵ ). Prin urmare, vizualizarea substanțelor cunoscute (spectre cunoscute) se face adesea folosind CARS.

Deoarece CARS este un proces neliniar de ordin superior, semnalul CARS de la o singură moleculă este mai mare decât semnalul Raman de la o singură moleculă pentru intensități de stimulare suficient de ridicate. Cu toate acestea, la concentrații foarte scăzute, avantajele adăugării coerente pentru semnalul CARS sunt reduse și prezența unui fundal non-rezonant devine din ce în ce mai problematică.

Deoarece CARS este un proces neliniar, nu există numere experimentale „tipice”. Un exemplu este dat mai jos cu avertismentul explicit că modificând durata impulsului doar cu un ordin de mărime, semnalul CARS se modifică cu trei ordine de mărime. Comparația trebuie utilizată doar ca indicație a ordinii de mărime a semnalelor. Un laser Raman continuu având o putere incidentă medie de 200 mW, o lungime de undă centrală de aproximativ 800 nm și centrată într-un obiectiv cu o deschidere numerică de 0,9, are o densitate de putere de 26 MW / cm, ² (distanță focală = 1,5 micrometri, volum focal = 1,16 micrometri ³ , energie fotonică = 2,31 10 ⁻¹⁹ J sau 1,44 eV). Secțiunea transversală Raman pentru vibrația unui inel aromatic toluenic la aproximativ 1000 cm ^-1 este de ordinul a 10 ^-29 cm ² / molecule steradiene. Prin urmare, semnalul Raman este de aproximativ 26 10 ⁻²² W / moleculă · steradieni sau 3,3 10 ⁻²¹ W / moleculă (din 4π steradieni). Aceasta corespunde la 0,014 fotoni / secundă · moleculă. Densitatea toluenului = 0,8668 10 ³ kg / m ³ , Masa moleculară = 92,14 10 ⁻³ kg / mol. Astfel, volumul focal (~ 1 micrometru cub) conține 6 10 ⁹ molecule. Aceste molecule împreună generează un semnal Raman în ordinea a 2 10 ⁻¹¹ W (20pW) sau, aproximativ, o sută de milioane de fotoni pe secundă (din 4π steradieni). Un experiment CARS cu parametri similari (150 mW la 1064 nm, 200 mW la 803,5 nm, impulsuri 15ps la 80 MHz frecvență de repetare, același obiectiv ca obiectivul) produce aproximativ 17,5 10 ⁻⁶ W (pe linia de 3000 cm ^-1 , care are o treime din intensitate și de aproximativ 3 ori lățimea). Puterea semnalului CARS este cu aproximativ 10 ⁶ mai mare decât cea a lui Raman, dar, deoarece există 6 10 ⁹ molecule, semnalul pe moleculă din CARS este de numai 4 10 ⁻²⁵ W / moleculă deci 1,7 10 ⁻⁶ fotoni / moleculă . Chiar dacă este permisă ajustarea a doi din trei factori (intensitatea liniei și lățimea liniei), semnalul spontan Raman pe moleculă depășește în continuare semnalul CARS pe moleculă cu mai mult de două ordine de mărime. Cu toate acestea, adăugarea coerentă a semnalului CARS de la molecule produce un semnal mult mai intens decât cel Raman.

Sensibilitatea în multe experimente CARS nu este limitată de detectarea fotonilor CARS, ci mai degrabă de capacitatea de a distinge între partea rezonantă și non-rezonantă a semnalului CARS.

Aplicații

CARS este utilizat pentru microscopia de contrast intrinsecă și diagnosticarea arderii. Primul exploatează selectivitatea spectroscopiei vibraționale, în timp ce al doilea indică măsurarea temperaturii, de care depinde semnalul CARS.

Într-adevăr, puterea semnalului CARS variază neliniar cu diferența dintre populația din starea fundamentală și cea din starea excitată vibrațional. Deoarece populația acestor două state urmărește distribuția Boltzmann dependentă de temperatură, semnalul CARS poartă, de asemenea, o dependență inerentă de temperatură. Această dependență face din CARS o tehnică populară pentru monitorizarea temperaturii flăcărilor și a gazelor fierbinți.

Mai recent, CARS a fost folosit ca metodă neinvazivă pentru a vizualiza lipidele și substanța albă în probe biologice, atât in vivo , cât și in vitro . Mai mult, RP-CARS , o implementare specială a CARS, este utilizată pentru a studia mielina și mielopatiile .

Notă

^ Tolles WM, Nibler JW, McDonald JR, Harvey AB, A Review of Theory and Application of Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (CARS) , Applied Spectroscopy, Volume 31, Number 4, July / August 1977, pp. 253-271 (19)
^ Zheltikov AM, împrăștierea coerentă anti-Stokes Raman: de la experimente de dovadă a principiului la CARS femtosecunde și generalizări de amestecare a undelor de ordin superior , Journal of Raman Spectroscopy, volumul 31, numărul 8-9, pp. 653 - 667 ^{[ conexiune întreruptă ]}
^ PD Maker și RW Terhune, Studiul efectelor optice datorate unei polarizări induse de ordinul al treilea în puterea câmpului electric , revizuirea fizică, volumul 137, numărul 3A, pp. 801-818
^ Begley RF, Harvey AB, Byer RL, spectroscopie coerentă anti-Stokes Raman Litere de fizică aplicată, volumul 25, numărul 7, pp. 387-390 ^{[ link rupt ]} DOI : 10.1063 / 1.1655519

Bibliografie

CL Evans și XS Xie, 2008. Microscopie coerentă anti-Stokes Raman Scattering: Imagerie chimică pentru biologie și medicină. , DOI : 10.1146 / annurev.anchem . 1.031207.112754 Revista anuală de chimie analitică, 1 : 883-909.
Davvid I. Ellis, O introducere la unele dintre progresele recente mai interesante și domeniile actuale dinamice de dezvoltare în spectroscopia Raman biomedicală. Iluminarea bolii și biomedicina iluminatoare: spectroscopia Raman ca instrument de diagnostic. , Analist, 2013,138, 3871-3884 DOI: 10.1039 / C3AN00698K

Elemente conexe

linkuri externe

( EN ) Spectroscopie coerentă anti-Stokes Raman , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Portalul chimiei

Portal cuantic

[1] Tolles WM, Nibler JW, McDonald JR, Harvey AB, A Review of Theory and Application of Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (CARS) , Applied Spectroscopy, Volume 31, Number 4, July / August 1977, pp. 253-271 (19)

[2] Zheltikov AM, împrăștierea coerentă anti-Stokes Raman: de la experimente de dovadă a principiului la CARS femtosecunde și generalizări de amestecare a undelor de ordin superior , Journal of Raman Spectroscopy, volumul 31, numărul 8-9, pp. 653 - 667 ^{[ conexiune întreruptă ]}

[3] PD Maker și RW Terhune, Studiul efectelor optice datorate unei polarizări induse de ordinul al treilea în puterea câmpului electric , revizuirea fizică, volumul 137, numărul 3A, pp. 801-818

[4] Begley RF, Harvey AB, Byer RL, spectroscopie coerentă anti-Stokes Raman Litere de fizică aplicată, volumul 25, numărul 7, pp. 387-390 ^{[ link rupt ]} DOI : 10.1063 / 1.1655519

[1]

[2]

[3]

[4]