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高光谱拉曼图勾勒出样品的微观画卷

已有 518 次阅读 2023-12-2 19:36 |个人分类:地球科学|系统分类:科普集锦

拉曼光谱仪是一种用于测量拉曼光谱的仪器,它可以提供关于样品的分子振动信息。拉曼光谱通过测量样品散射的光谱来获取信息,其中散射的光子的频率发生了拉曼散射,与激发光的频率有差异,反映了样品分子的振动和转动状态 高光拉曼光谱(Hyperspectral Raman)是一种利用高分辨率拉曼光谱技术对样品进行分析的方法。高分辨率拉曼光谱技术可以将拉曼光谱的波数分辨率提高到厘米-1量级,从而可以获得更高精度的拉曼光谱数据。 高光谱拉曼图是指使用高光谱拉曼光谱学生成的空间分辨图像。拉曼光谱学是一种技术,涉及照射样品的单色光,然后分析散射光以提供有关样品分子振动的信息。高光谱拉曼光谱学通过在样品表面的许多不同点采集拉曼光谱,创建样品化学成分的空间分辨图。

 拉曼显微是一种非常有前途的技术,在医学上可以提高临床诊断的可靠性,因为它提供了分子振动和晶体结构的信息,同时是非破坏性的,需要最少的样品制备。它允许高空间分辨率,并可以提供单个细胞的详细图像,因此提取其亚细胞成分的化学和空间信息有可能提供更完整的潜在生物学过程的理解,以及更好的临床诊断准确性。

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   拉曼高光谱图像由一个三维矩阵组成,前两个轴对应像素位置,第三个轴是该像素处的拉曼强度光谱。一张图像包含大约80000个光谱,每个光谱有1000个波数,范围在700 - 3000 cm-1之间。除了实验伪影(激光聚焦,样品制备)外,拉曼数据通常涉及明显的噪声,由于水和衬底引起的荧光背景,以及宇宙射线的改变。该存储库包含处理高光谱拉曼图像的工具,并使其尽可能不受实验条件差异的影响:

  1. 关键术语的解释:

  • 高光谱拉曼光谱学: 这种技术涉及在样品的每个空间点上收集一系列波长的拉曼光谱。与传统的拉曼光谱学不同,后者在每次测量中只收集一个光谱,高光谱拉曼光谱学为空间图中的每个像素提供了一个光谱。

  • 高光拉曼谱图: 这些是描述不同化学成分在样品中分布的空间解析图像。图中的每个像素对应于样品表面上的特定位置,该位置的颜色或强度代表与特定分子振动相关的拉曼信号的强度。

  • 高光拉曼光谱是一种利用高分辨率拉曼光谱技术对样品进行分析的方法。高分辨率拉曼光谱技术可以将拉曼光谱的波数分辨率提高到厘米-1量级,从而可以获得更高精度的拉曼光谱数据。

B. 高光拉曼光谱具有以下优点:

  • 高分辨率:可以获得更高精度的拉曼光谱数据,从而可以更准确地确定样品的化学组成和结构。

  • 高灵敏度:可以对微量样品进行分析。

  • 非破坏性:可以对样品进行无损分析。

C.高光拉曼光谱在以下领域具有广泛的应用:

  • 材料分析:可以用于分析材料的化学组成、结构、缺陷和性能。

  • 生物分析:可以用于分析生物分子的结构、组成和功能。

  • 环境分析:可以用于分析环境中的污染物。

    光谱拉曼光谱学和空间映射的结合允许详细可视化样品的化学成分和分布。这项技术在各个领域都有应用,包括材料科学、生物学、地质学和制药学,在这些领域中,了解不同化合物的空间分布对于表征和分析样品至关重要。

图1-2图片来源:  Klein, F., Grozeva, N. G., & Seewald, J. S. (2019). Abiotic methane synthesis and serpentinization in olivine-hosted fluid inclusions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(36), 17666-17672. https://doi.org/10.1073/pnas.1907871116

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图1.  西南(SW)印度脊、Gakkel脊、中开曼隆起(MCR)、马里亚纳前弧(锥形海山)、赫斯深(东太平洋隆起,EPR)和中大西洋脊(MAR,亚特兰蒂斯地块)中橄榄石含矿流体包裹体的代表性薄片显微照片。用共聚焦拉曼光谱测定,所描绘的内含物含有蛇纹石、水辉石和磁铁矿,以及H2(g)或CH4(g)或两者兼有。


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图2.   对图上述流体包裹体分析典型拉曼光谱和高光谱拉曼图 (C =温石棉,B =水镁石,O =橄榄石,H =氢)

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图3. 新喀里多尼亚超镁质岩石中代表性橄榄石流体包裹体的高光谱拉曼映射,并与它们的显微照片进行比较。暖色表示标记相位的拉曼信号强度较高。

https://www.researchgate.net/figure/Hyperspectral-Raman-mappings-of-representative-olivine-hosted-fluid-inclusions-in_fig4_362848626

References

[1] Pelissier A, Mochizuki K, Kumamoto Y, Taylor JN, Clement JE, Fujita K, Harada Y and Komatsuzaki T. Raman Diagnosis of Thyroid Carcinoma in Co-cultured System with Minimizing Extrinsic Background across Different Devices. arXiv. 2023

[2] Taylor JN, Pélissier A, Mochizuki K, Hashimoto K, Kumamoto Y, Harada Y, Fujita K, Bocklitz T, Komatsuzaki T. Correction for Extrinsic Background in Raman Hyperspectral Images. Analytical Chemistry. 2023 Aug 10;95(33):12298-305.




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