4 сентября 2013 / Неизвестный Fast mapping

Свернуть меню
 


4 сентября 2013 / Неизвестный Fast mapping

 

Неизвестный Fast mapping

Время анализа является важнейшим фактором при проведении исследований, а для быстропротекающих процессов – определяющим фактором.

Что же называется быстрым или сверхбыстрым получением рамановских изображений? Все познается в сравнении и терминология не имеет значения.

Минимальное время, затраченное для получения рамановского спектра для каждого пиксела изображения, ограничивается, в основном, рамками быстродействия CCD детектора (порядка: 760 мкс – 1 мс) и на практике составляет около 5 мс. В системе Confotec NR500 мы применяем два режима для получения рамановских изображений. Наряду с режимом CCD детектирования, применяется режим, в котором приемником служит PMT,
а сканирование производится гальванозеркалами при неподвижном объекте. Мы назвали этот режим Fast mapping, достаточно скромно, если учесть,
что время получения каждого пиксела изображения – всего 3 мкс!
А минимальное время получения рамановского изображения
1001 пиксел x 1001 пиксел составляет только 3 секунды!

 
Некоторые возможности режима Fast mapping показаны на примере его применения к исследованию образца Granite Gneiss India (образец предоставлен Brno University of Technology). Режим Fast mapping позволяет получать изображения как при наличии относительно сильных сигналов, так и изображения с максимальными сигналами на несколько порядков более слабыми, если сравнить их с рамановским сигналом от кремния. Для измерений применялись два сухих объектива: 100х и 20х.
 
В качестве примера на рис.1 показаны конфокальные (1AU) мегапиксельные (1002001 точек) изображения образца Granite Gneiss India с полным временем измерения 3 сек. Изображения на рис. 1 получены с применением объектива 100х при сканировании максимального размера образца для данного объектива (150 мкм х 150 мкм) при шаге сканирования 150 нм.
 
 

Параметры изображений на рис. 1

  • Система: Confotec NR500
  • Режим: Fast mapping
  • Образец: Granite Gneiss India
  • Область сканирования: 150 мкм x 150 мкм
  • Количество точек: 1002001
  • Размер шага: 150 нм
  • Время на 1 точку: 3 мкс
  • Время измерения: 3 с
  • Объектив: 100х сухой
 

Рисунок 1

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig1a fast mapping unknown

а - изображение поверхности образца
в отраженном лазерном свете
на длине волны 488 нм

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig1b fast mapping unknown
b - рамановское изображение, показывающее распределение anatase (диоксид титана)

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig1c fast mapping unknown

с - суммарное изображение, показывающее распределение anatase по отношению к изображению поверхности образца в отраженном лазерном (488 нм) свете
SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig1d3D fast mapping unknown 1001
d – суммарное изображение
в аксонометрическом виде
 

 

Можно выбрать только информативную часть полученного изображения и произвести сканирование соответствующей ей части объекта с тем же количеством точек. В результате будет получено более детальное изображение с более высоким пространственным разрешением.
На рис. 2a показаны примеры таких мегапиксельных (1002001 точек) изображений, измеренных с шагом 43 нм. Информативную часть объекта еще можно сканировать в режиме высокой чувствительности. Тогда будет получено изображение с более высоким отношением сигнал/шум. Примеры такого применения Fast mapping для получения изображений показаны на рис. 2b.
 
   Рисунок 2  
SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig2 part2 fast mapping unknown v2

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig2 part1 fast mapping unknown v2

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig2 part3 fast mapping unknown v2
 Рисунок 2a

 

 Рисунок 2b

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig2a fast mapping unknown

 
распределение
anatase
SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig2a fast mapping unknown 251

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig2b fast mapping unknown

 
лазерное
изображение
SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig2b fast mapping unknown 251
SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig2c fast mapping unknown
 
суммарное изображение, показывающее
распределение anatase
по отношению к изображению
поверхности образца
в отраженном лазерном свете
SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig2c fast mapping unknown 251
 SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig2d3D fast mapping unknown1001
 
суммарное изображение в аксонометрическом виде
 SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig2d3D fast mapping unknown 251
  • Система: Confotec NR500
  • Режим: Fast mapping
  • Образец: Granite Gneiss India
  • Область сканирования:
    43 мкм x 43 мкм
  • Количество точек: 1002001
  • Размер шага: 43 нм
  • Время на 1 точку: 3 мкc
  • Время измерения: 3 с
  • Объектив: 100х сухой

 

Параметры

  • Система: Confotec NR500
  • Режим: Fast mapping
  • Образец: Granite Gneiss India
  • Область сканирования:
    43 мкм x 43 мкм
  • Количество точек: 63001
  • Размер шага: 172 нм
  • Время на 1 точку: 48 мкc
  • Время измерения: 3 с
  • Объектив: 100х сухой
     


Спектр анатаза в одной из точек изображения (объектив 100х) приведен на рис. 3. Там же схематично прямоугольником выделена рамановская линия, которая использовалась для получения изображений.

Рисунок 3

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig3 fast mapping unknown

Спектр anatase в одной из точек изображения 1 (объектив 100х)

   
     


Фотолюминесценция от изучаемого материала или от примесей в образце является проблемой, которая мешает детектированию рамановских изображений. В рамановском конфокальном микроскопе Confotec NR500 для получения изображений в режиме Fast mapping применяется специально разработанная система избавления от фотолюминсценции. Ее применение успешно независимо от того, как проявляется фотолюминесценция – в виде отдельных ярких пятен, искажающих рамановское изображение, в виде фотолюминесцентного фона, присутствующего на всем изображении, или в случае обоих проявлений фотолюминесценции одновременно. На рис. 4а показано распределение anatase, полученное с объективом 20х в режиме Fast mapping, с искажениями, вызванными наличием фотолюминесценции в виде отдельных ярких пятен. Для наглядности отдельные пятна фотолюминесценции выделены окружностями. Изображение на рис. 4b после избавления от искажений фотолюминесценции показывает реальное распределение anatase.Для сравнения на рис. 4с приведено изображение того же участка образца, но в режиме CCD детектирования (режим Mapping) после применения функции Baseline Correction для вычитания фотолюминесценции. На обоих изображениях нет искажений, вызванных фотолюминесценцией.Спектр anatase в одной из точек образца (объектив 20х) показан на рис. 4d.

 

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig4d fast mapping unknown

d - спектр anatase в одной из точек изображения (объектив 20х)

 


Рисунок 4
Пример, демонстрирующий избавление от мешающей фотолюминесценции, которая наблюдается в виде отдельных пятен

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig4a fast mapping unknown251

а- изображение Fast mapping с искажениями
из-за фотолюминесценции. Для наглядности
некоторые пятна от фотолюминесценции
выделены окружностями

 

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig4b fast mapping unknown251

b- реальное распределение anatase без следов фотолюминесценции (251 точка x 251 точка)

 

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig4c fast mapping unknown101

c- изображение (101 точка x 101 точка) того же участка образца, полученное в режиме CCD детектирования после применения функции коррекции фона (Baseline correction) для вычитания фотолюминесценции

     


Другой пример избавления от фотолюминесценции, полностью искажающей рамановское изображение и проявляющейся как в виде отдельных пятен, так и в виде фотолюминесцентного фона, присутствующего на всем изображении, показан на рис. 5.

 

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig5d fast mapping unknown

d - спектр кварца в одной из точек изображения (объектив 20х)

 


Рисунок 5
Пример избавления от фотолюминесценции, полностью искажающей изображение

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig5a fast mapping unknown101

a - исходное изображение, измеренное в режиме
Fast mapping (101 точка x 101 точка)
с объективом 20х

 

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig5b fast mapping unknown101

b - изображение Fast mapping
(101 точка x 101 точка), показывающее реальное распределение кварца после избавления от
влияния фотолюминесценции

 

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig5c fast mapping unknown101

c - изображение того же участка образца, измеренного с разрешением 21 точка x 21 точка, полученного в режиме CCD детектирования после вычитания фотолюминесценции

     


На рис. 6-8 приведены примеры применения режима Fast mapping для исследования Granite Gneiss India с объективом 20х

 

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig6c fast mapping unknown

с - спектр, измеренный в одной из точек изображения, на котором показаны рамановские линии, которые использовались для анализа

 

Параметры изображений на рис. 6

  • Система: Confotec NR500
  • Режим: Fast mapping
  • Образец: Granite Gneiss India
  • Область сканирования: 194 мкм x 194 мкм
  • Количество точек: 10201
  • Размер шага: 1.94 мм
  • Время на 1 точку: 4.4 мкс
  • Время измерения: 45 с
  • Объектив: 20х сухой
 


Рисунок 6

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig6a fast mapping unknown101

a - изображение, полученное при рамановском сдвиге (Raman shift) ~240 см-1

 

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig6b fast mapping unknown101

b - изображение того же участка образца при рамановском сдвиге (Raman shift) ~1353 см-1

     


SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig7b fast mapping unknown

b - спектр в одной из точек изображения с выделенной рамановской линией, которая использовалась для анализа

 

Параметры изображения на рис. 7

  • Система: Confotec NR500
  • Режим: Fast mapping
  • Образец: Granite Gneiss India
  • Область сканирования: 194 мкм x 194 мкм
  • Количество точек: 63001
  • Размер шага: 0.776 мкм
  • Время на 1 точку: 0.7 мс
  • Время измерения: 45 с
  • Объектив: 20х сухой

 

 


Рисунок 7

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig7a fast mapping unknown

a - изображение, показывающее распределение кварца

     


SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig8c fast mapping unknown

c - спектр в одной из точек изображения

 

Параметры изображений на рис. 8

  • Система: Confotec NR500
  • Режим: Fast mapping
  • Образец: Granite Gneiss India
  • Область сканирования: 194 мкм x194 мкм
  • Количество точек: 63001
  • Размер шага: 0.776 мкм
  • Время на 1 точку: 48 мкс
  • Время измерения: 3 с
  • Объектив: 20х сухой

 

 


Рисунок 8

 SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig8a fast mapping unknown

a - изображение, показывающее распределение anatase

 

SOL instruments: спектрометр, рамановский микроскоп, эмиссионный спектрометр. fig8b fast mapping unknown

b - суммарное изображение, показывающее распределение anatase по отношению к изображению поверхности образца, полученному в отраженном лазерном свете

     


Преимущества, которые дает применение

режима Fast mapping для пользователя:

  • Высокая скорость измерения конфокальных рамановских изображений – до 3 мкс/точка.
  • Высокое пространственное разрешение. Минимальный шаг сканирования – менее 21.5 нм.
    Возможность выбора разрешения в зависимости от размера исследуемой области:
    101 точка x 101 точка
    251 точка х 251 точка
    501 точка х 501 точка
    1001 точка х 1001точка
  • Высокая чувствительность. Специальный режим для повышения отношения сигнал/шум при измерении слабых рамановских сигналов.
  • Сочетание высокой скорости, высокой чувствительности и высокого разрешения позволяют получать быстро достоверную информацию о распределении химического соединения по образцу.
    В отсутствие такого высокоскоростного и чувствительного режима, как наш Fast mapping, для получения общего представления о распределении химического соединения по образцу используют известный прием. Сначала проводят измерение большой площади образца с низким разрешением, а затем сканируют информативные области при более высоком разрешении. Однако при низком разрешении можно вообще не найти конкретное соединение в образце, особенно если данное химическое соединение присутствует в образце в виде отдельных вкраплений.
  • Получение чисто рамановских изображений с устранением вклада в них фотолюминесценции.
  • Наличие канала Reflection Fast Mapping для получения таких же высокоскоростных с высоким пространственным разрешением изображений тех же исследуемых областей образца, но в отраженном образцом свете лазера. Кроме дополнительной информации об образце, которую дает изображение в отраженном лазерном свете, данный канал быстро определяет сфокусированные области образца при изучении рельефных образцов.

 

автор:
Александр Гвоздев
Ведущий инженер - исследователь