Centaur U HR - комплекс, сочетающий сканирующий зондовый микроскоп, конфокальный микроскоп/спектрометр с двойной дисперсией

Centaur U HR - комплекс, сочетающий сканирующий зондовый микроскоп, конфокальный микроскоп/спектрометр с двойной дисперсией для получения спектров рамановского рассеяния и флюоресценции и спектральных изображений, конфокальный лазерный микроскоп и оптический прямой микроскоп

Комплекс Centaur U HR предназначен для проведения комплексных исследований свойств поверхности методами оптической микроскопии, спектроскопии и сканирующей зондовой микроскопии. Он позволяет получать полные спектры рамановского рассеяния и/или флюоресценции, конфокальные лазерные и конфокальные спектральные изображения (картирование поверхности), СЗМ изображения.  Конструкция комплекса Centaur U HR позволяет работать как с отдельными методиками (например, с конфокальной лазерной микроскопией), так и проводить совмещение методик (включая совмещение полей сканирования).

Centaur U HR - АСМ/Раман конфокальный лазерный микроскоп спектрометр

Centaur U HR совмещает в себе:

  • сканирующий зондовый микроскоп (атомно-силовой микроскоп в базовой комплектации) для получения топографии поверхности и других её характеристик;
  • традиционный прямой оптический микроскоп исследовательского класса для визуализации поверхности объекта исследований и совмещения методик исследования;
  • конфокальный лазерный микроскоп (конфокальная сканирующая лазерная микроскопия в отраженном свете, в качестве детектора используется ФЭУ);
  • конфокальный микроскоп комбинационного (рамановского) рассеяния с высоким спектральным разрешением (конфокальная спектральная микроскопия) за счет использования монохроматора с двойной дисперсией;
  • конфокальный флюоресцентный микроскоп с высоким спектральным разрешением (конфокальная спектральная микроскопия) за счет использования монохроматора с двойной дисперсией;
  • спектрометр комбинационного (рамановского) рассеяния (спектроскопия в точке) c высоким спектральным разрешением за счет использования монохроматора с двойной дисперсией;
  • спектрометр флюоресценции (спектроскопия в точке) с высоким спектральным разрешением за счет использования монохроматора с двойной дисперсией;

Принципы, заложенные в конструкцию этого комплекса, позволяют проводить как независимые исследования топографии и спектральных характеристик поверхности с высоким разрешением, так и получать одновременно спектрально-топографические характеристики исследуемых объектов (Раман-СЗМ и Флюоресценция-СЗМ). Благодаря этому возможно сделать однозначное сопоставление топографии поверхности с её структурой и составом. Кроме того, Centaur U HR позволяет получать отдельный спектр в каждой исследуемой точке (FSI - Full Spectral Imaging), а не только интенсивность по строго выбранному  спектральному признаку как у приборов предыдущих поколений.

Сочетание спектроскопии комбинационного (рамановского) рассеяния и сканирующей зондовой микроскопии (атомно-силовой микроскопии) в комплексе Centaur U HR позволяет проводить исследования в области физики, химии, биологии, междисциплинарных наук, таких как материаловедение, фармацевтика, биотехнологии и нанотехнологии. Это изучение состава, структуры и взаимодействия органических и неорганических веществ, особенностей структуры биологических клеток и микроэлектромеханических систем (MEMS) и многое другое.

Главной отличительной особенностью Centaur U HR является возможность измерения рамановских спектров в близи линии возбуждения до 20 см-1, и высоким спектральным разрешением 0.01 нм. Все имеющиеся на рынке аналоги имеют возможность измерения спектров 100-200 см-1 в силу класcической конструктивной особенности, связанной с применением краевых режекторных фильтров, что и ограничивает их возможности. Монохроматор в Centaur HR имеет уникальную оптическую схему, устраняющую этот недостаток без использования краевых фильтров.

Использование данного монохроматора позволяет регистрировать как стоксовы, так и антистоксовы линии.

Спектр комбинационного рассеяния кристалла парателлурита

Спектр комбинационного рассеяния кристалла парателлурита

Спектры комбинационного рассеяния кристалла парателлурита TeO2. Возникновения пика на 67 см-1 (левый спектр) зависит от ориентации кристалла. Возбуждение: одномодовым лазером 532 нм, 10 мВт.

 

Centaur U HR - принципиальная схема


A Оптический микроскоп K Конденсор
1 Входящее излучение 11 Призма
B Оптико-механический модуль L Осветитель
2 Входящее очищенное излучение 12 Нейтральный фильтр переменной плотности
C Монохроматор M ФЭУ для конфокальной лазерной микроскопии
3 Вторичное излучение (раман/флюоресценция) 13 Двухкоординатня щель (диафрагма)
D Лазер N Уширитель пучка
4 Вход/выход излучения перпендикулярно устройству на схеме 14 Турель с дифракционными решетками
E Сканирующее основание O Предмонохроматор
5 Расщепитель пучка

F Сканирующая головка P Коллиматор
6 Зеркало

G Перископ Q Референсный ФЭУ
7 Краевой режекторный фильтр

H Однокоординатная подвижка для объектива R Одноканальный детектор
8 Сферическое зеркало

I Образец S ПЗС-матрица для конфокальной спектральной микроскопии/спектроскопии
9 Линза

J Видеокамера


10 Поляризатор/анализатор

Реализованные на Centaur U HR приложения:

  • сканирующая зондовая микроскопия (атомно-силовая микроскопия, магнитно-силовая микроскопия, сканирование зондом Кельвина и другие методики сканирующей зондовой микроскопии) для получения изображения поверхности с высоким разрешением и распределения характеристик поверхности (в зависимости от используемой методики). Использование двух сканеров позволяет проводить сканирование и позиционирование как образцом, так и основанием;
  • сканирующая конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния (рамановская спектроскопия) с высоким спектральным разрешением для визуализации распределения веществ или объектов на поверхности или в объеме образца;
  • спектроскопия комбинационного (рамановского) рассеяния с высоким спектральным разрешением для определения состава объекта исследования в точке. Включая функцию панорамного спектра;
  • сканирующая конфокальная микроскопия флюоресценции с высоким спектральным разрешением для визуализации распределения веществ или объектов на поверхности или в объёме образца;
  • флюоресцентная спектроскопия с высоким спектральным разрешением для определения состава объекта исследования. Включая функцию панорамного спектра;
  • конфокальная лазерная микроскопия для получения оптических изображений высокой контрастности для визуализации поверхности или слоёв в объёме образца. Включая получение послойных объёмных оптических изображений;
  • ближнепольная сканирующая микроскопия и спектроскопия для получения оптических и спектральных характеристик объектов с высоким разрешением;
  • усиленная рамановская спектроскопия (TERS - Tip-Enhanced Raman Scattering);
  • усиленная флуоресцентная спектроскопия (TEFS - Tip-Enhanced Fluorescent Spectroscopy);
  • традиционные методики оптической микроскопии. Включая получение послойных объёмных оптических изображений.

Области применения Centaur U HR:

  • химия. Комбинация методов сканирующей зондовой микроскопии, оптической микроскопии, спектроскопии комбинационного (рамановского) рассеяния или флюоресцентной спектроскопии позволяет проводить анализ состава и структуры органических и неорганических веществ, традиционных и композитных материалов, получать распределение в поверхности и/или объёме различных соединений и сопоставлять особенности морфологии образцов со спектральными данными;
  • физика. Исследование физических характеристик поверхности и приповерхностных слоёв веществ и материалов;
  • биология. Изучение тканей, клеток и их структур, биологических молекул и их взаимодействий. Исследования в области взаимодействия имплантатов с биологическими объектами;
  • междисциплинарные исследования. Исследования в области нанотехнологий, фармацевтики, материаловедения, минералогии, геологии, геммологии, криминалистики, анализа предметов искусства и многих других.

Преимущества Centaur U HR:

  • совместная работа сканирующего основания Ratis (сканирующий пьезостолик) и сканирующей головки СЗМ Certus для проведения сканирования и позиционирования как зондом, так и образцом;
  • две независимые конфокальные схемы для получения лазерных конфокальных изображений и конфокальных (рамановских и флюоресцентных) конфокальных изображений;
  • использование ёмкостных датчиков для точного позиционирования и обеспечения высокой точности удержания и перемещения зонда или образца при сканировании. Высокая точность при операциях подвода/отвода и сканировании участков с различным разрешением и/или размерами;
  • функция автоматической фокусировки (авто фокус) на поверхности или в объёме по оптическим изображениям и по интенсивности сигнала отраженного лазерного излучения благодаря использованию однокоординатной пьезоподвижки Vectus;
  • получение послойных 3D оптических и конфокальных оптических и спектральных изображений;
  • одновременное получение информации о топографии поверхности, спектральных и оптических характеристиках при использовании методик сканирования по разным каналам и при совмещении полей сканирования (СЗМ/Раман/конфокальная микроскопия);
  • получение спектра флюоресценции и/или комбинационного (рамановского) рассеяния с высоким спектральным разрешением в каждой точке поверхности сканирования;
  • использование методик традиционной оптической микроскопии для визуализации поверхности исследуемых образцов;
  • низкий уровень шумов за счет горизонтального расположения оптико-механического модуля;
  • конструкция СЗМ головки Certus и сканирующего пьезостолика Ratis разработана для работы с оптическим оборудованием, что позволяет проводить полную интеграцию с прямыми и/или инвертированными оптическими микроскопами для работы с прозрачными и непрозрачными образцами, устанавливать дополнительные объективы, детекторы и источники излучения;
  • получение панорамных спектров с использованием полного диапазона дифракционных решеток для получения полных спектров рамановского рассеяния и флюоресценции;
  • единый контроллер и программное обеспечение для полноценной совместной работы оборудования входящего в состав Centaur U HR.

В состав Centaur U HR входят:

  • сканирующая СЗМ головка Certus для осуществления методик сканирования зондом и позиционирования зонда;
  • сканирующее основание Ratis для работы с методиками сканирования образцом и позиционирования образца относительно зонда или лазерного пятна;
  • два независимых конфокальных модуля для лазерной конфокальной микроскопии (в качестве детектора используется ФЭУ) и спектральной конфокальной микроскопии/спектроскопии (в качестве детектора используется ПЗС матрица для научных исследований);
  • монохроматор с двойной дисперсией для получения спектров с высоким спектральным разрешением;
  • источник лазерного излучения (твердотельный лазер с диодной накачкой - DPSS, для рамановской спектроскопии);
  • прямой (upright) оптический микроскоп исследовательского класса с набором объективов;
  • однокоординатная пьезоподвижка Vectus для автоматической или полуавтоматической фокусировки, оптического сканирования по оси Z;
  • механическая подвижка для объектива для грубой полуавтоматической фокусировки (управляемой с компьютера);
  • контроллер управления основными частями Centaur U HR EG-3000;
  • рабочая станция (персональный компьютер);
  • единое программное обеспечение NSpec.

 

 

Centaur U HR - основные модули

 

A - сканирующее основание Ratis F - контроллер EG-3000
B - сканирующая головка Certus G - оптико-механический модуль
C - Z-подвижка для объектива Vectus H - спектрометр (монохроматор и детекторы излучения - ПЗС, ЛФД и др.)
D - видеокамера I - перископическая система сопряжения с микроскопом
E - оптический микроскоп (Olympus BX 51) J - оптический стол