白皮书

太赫兹拉曼光谱简介

综述

长期以来,作为研究材料低能振动模式的一种手段,电磁频谱的太赫兹 (THz) 区域一直为科学家们所研究,其对应范围大致为 0.15 THz 至 6 THz(5 cm-1 至 200 cm-1)。 研究晶体内分子振动的光谱学家对该区域特别感兴趣 [1],可通过该区域获取有关分子取向的重要信息,而分子取向决定着材料的许多关键特性。 太赫兹光谱是远红外 (FIR) 吸收光谱的延伸。 实际上,由于其介于光频域的低频段和电子频域的高频段,所以很难探测到信号。 这就是为什么该光谱区域在已发表的文献中经常被称为“太赫兹鸿沟”的原因 [2]。 目前,市场上有商用化的太赫兹光谱系统,但大部分都比较昂贵且不易使用,主要是因为通常产生太赫兹辐射所需要的超快激光器比较复杂昂贵,同时样品对湿度比较敏感。

幸运的是,直接探测太赫兹吸收谱并不是唯一方法,也可以使用拉曼光谱实现太赫兹频谱检测。 拉曼散射由光子的非弹性散射而不是吸收引起,因此可将激发波长与所研究的振动模式结合起来。 在传统拉曼光谱中,光谱范围为 200 cm-1至 1800 cm-1,代表“化学指纹”,因为大多数分子内振动在该频率范围内产生。 与其相辅相成的是 THz-Raman™(也称为低频拉曼或 LFR)区域,光谱范围为 5 cm-1至 200 cm-1,提供“结构指纹”,主要对应于分子间振动或材料的晶格/声子模式。 图 1 显示了太赫兹光谱(50 μm 至 2 mm)、红外光谱(5 μm 至 50 μm)和太赫兹拉曼光谱在电磁光谱中对应的波长位置。 图 2 显示了典型拉曼光谱的化学和结构指纹的相对位置。

在太赫兹域中使用拉曼光谱很有挑战性,因为与弹性散射(瑞利)信号强度相比,非弹性散射(拉曼频移)差了若干数量级,因此很难充分过滤掉瑞利散射。 因此,拉曼频移非常接近瑞利线的信号难以探测到 (0 cm-1)。 随着全息陷波滤波器领域取得突破性进展,只需使用具有高光学效率的单色仪,即可轻松地直接测量低至 5 cm-1 的拉曼频移 [3]。 这项突破使得低频拉曼光谱有了如下转变: 从复杂的多级单色仪,到简单易搭建的光谱仪,也可以用于现有仪器即插即用的模块。 例如,太赫兹拉曼光谱模块包括用于监控化学反应的浸入式探针、用于做Mapping显微拉曼以及用于高通量筛选应用的孔板读取仪。

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图 1:显示不同光谱技术对应的电磁波谱。 拉曼光谱通常在可见光 (532 nm) 或近红外光 (785 nm) 中使用,而红外吸收光谱用于 5 μm 至 50 μm 的范围,太赫兹光谱用于 50 μm 至 2 mm 的范围。

太赫兹拉曼光谱系统要求

每个太赫兹拉曼光谱系统都配备以下四个组件:

  1. 波长稳定的激光源
  2. 窄带宽 (< 5 cm-1) 光谱净化滤波器
  3. 窄带宽 (< 5 cm-1) 瑞利散射抑制滤波器
  4. 可检测低频信号的光谱仪

瑞利滤波器是一个 +/- 5 cm1 带宽的陷波滤波器,决定了可检测到太赫兹域的低频信号的下限。 然而,若要瑞利滤波器正常工作,关键在于激光器的输出光谱必须非常稳定,具有非常窄的线宽,并且在陷波滤波器的信号传输区域内,可以放大自发辐射 (ASE), 并且具有很小的噪声。 滤波器和激光器的中心波长在工作期间保持“光谱同步”,从而避免瑞利信号泄漏和光谱仪检测器出现饱和信号,这一点也很关键。 作为激光器、滤波器和光学系统的综合制造商,Coherent设计光谱仪和模块都旨在尽可能保持这种同步性,确保系统稳定、易于操作。

此类系统的另一个优势是,由于拉曼光谱是以激光频率的相对频移来测量的,因而太赫兹拉曼系统可以使用可见光或近红外光 (NIR) 中任一波长的激光来探测此类低能量振动模式,而无需太赫兹激光源。 这样,系统方案则更加简单,成本更低,可使用玻璃光学器件和光纤,性价比高的紧凑型半导体模块和半导体泵浦固态 (DPSS) 激光源,以及硅探测器和探测器阵列。 太赫兹拉曼系统还能够检测低于 –5 cm-1 的反斯托克斯拉曼频移,可获取有关样品的其他信息(包括局部有效温度)。 太赫兹拉曼光谱系统的高通量性能,可一次性同时测量材料的化学指纹和结构指纹。

这套系统易于操作,适用于涉及材料的化学和结构特性的应用。 制药行业 [4-9] 已开始采用太赫兹拉曼光谱,并且该项技术在聚合物 [10]、半导体 [11-13] 和生物医学诊断 [14] 领域也受到关注。

 

低频振动模式

如上所述,低频峰是由诸如声子模式和晶格振动等分子间振动引起的。 在晶体样品中,谱峰的频移位置由晶体的化学成分和结构决定。 而锐利的低频峰的带宽和强度与样品的结晶度直接相关。 相比之下,非晶态固体和液体有一个未解析的宽峰,称为玻色子峰。 因此,太赫兹拉曼光谱是定量分析样品结晶度,以及对不同同素异构体和多晶型物进行分类的有用工具。 虽然多晶型分析更普遍,但通过研究不同同素异构体的太赫兹拉曼光谱,可以更好地说明低频振动模式的特性,这一方式更为简单易懂。

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图 2:α 型硫和 β 型硫的拉曼光谱,显示了 0 至 200 cm-1 范围的分子间振动模式 (A) 和 200 cm-1 至 500 cm-1 范围的分子内振动模式 (B)。

硫具有 30 多种同素异构体,在生命科学和工业应用的化学过程中,发挥重要作用而得到广泛研究 [15]。 同素异形体 α 型硫具有 24 种不同的分子间振动模式,在 30 cm-1 至 100 cm-1 范围的光谱区域,使用拉曼光谱可有效检测其中的许多振动模式 [16]。 在 2013 年 SPIE 防御、安全和传感会议上提出的一篇论文中,Heyler 等人演示了如何使用太赫兹拉曼光谱检测此类振动模式 [3]。 他们还证明,当将 α 型硫样品加热至 95.6°C 以上时,该样品的形态变为同素异形体 β 型硫,随后该样品在 115.2°C 时液化。 使用该光谱可轻松检测到从 α 型形态(斜方晶形)至低序β 型形态(单斜晶形)的转变,无序度的增加导致在拉曼光谱中 100 cm-1 以下的区域变得“模糊不清”[图 2],拉曼光谱渐渐出现玻色子峰结构。 当熔化并形成 y 形态(液体)后,太赫兹拉曼域中的谱峰完全融合在一起,仅显示普通液体特有的纯玻色子带 [17]。 相比之下,形态变化并未对化学指纹区域的谱峰产生显著影响,这一点在比较 100 cm-1 以上光谱的峰位置时可以看出。 Coherent TR-MICRO 太赫兹拉曼光谱模块与正置式显微镜和光纤耦合仪搭配。图 2 显示了该系统探测到的所有光谱。 装置示意图如图 3 所示。

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图 3:实验装置(用于收集 α 型硫和 β 型硫的太赫兹拉曼光谱)示意图。

太赫兹拉曼光谱装置包含一个单频激光器,与超窄带(全息)激光线和陷波滤波器。 陷波滤波器经过专门设计,可确保拉曼散射有较高通量,同时衰减光密度 (OD) 大于 9 的瑞利散射,可探测不均匀的样品。 最终,拉曼散射信号通过光纤被光谱仪探测到。 会议论文集中对光学设计进行了更详细说明 [3]。

在制药方面的应用

多晶型性是活性药物成分 (API) 的一个关键和共同特征。 对原料药利用率、工艺性和质量/性能有直接影响 [18]。 由于多晶型化合物具有相同的基本分子组成,但整体结构取向不同,因此太赫兹拉曼光谱比传统的红外光 (IR) 和拉曼光谱更适合确定多晶型形态的检测。 在某些情况下,由于分子内振动的阻尼性,多晶型变化会导致拉曼光谱 [19,20] 的化学指纹区域发生细微频移。 也就是说,低频范围内的光谱变化往往更加明显(强度可高达 10 倍)并且更容易区分,而无需复杂的化学计量分析。 此外,正如 Larkin 等人在 2014 年发表在《Applied Spectroscopy》上的一篇文章中所证明的那样,“API 典型的大型芳香族物质的低频拉曼光谱在 200 cm-1 以下区域的谱峰强度高,具有复杂的光谱特征 [9]。”他们还说明,在相同频率范围内,此类频谱信号通常比赋形剂的强度高一个数量级,因此灵敏度更高,可使用太赫兹拉曼光谱直接测量“晶体结构、晶体无序度和非晶质状态”。 

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图 4:Coherent TR-BENCH 台式太赫兹拉曼光谱模块。

在上述研究 [9] 和 2015 年发表的跟进研究 [10] 期间,Bristol-Myers Squibb 的研究人员对一些常见 API 的多晶型物的低频拉曼频带进行了详细分析。 在这两篇发表的文章中,他们对吲哚美辛、卡马西平、咖啡因、茶碱和阿哌沙班进行了分析。 Larkin 等人使用太赫兹拉曼光谱采样系统 TR-BENCH,目前由Coherent提供,如图 4 所示。TR-BENCH 的内部光学结构与上一节中讨论的 TR-MICRO 相同。 图 5 显示了三种不同形态卡马西平的太赫兹拉曼光谱,是这项研究的一个示例。 

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图 5:(A) III 形态、(B) 伪多晶型二水合物形态和 (C) II 形态卡马西平的太赫兹拉曼光谱。 均在室温下测量 [8]。

近年来,太赫兹拉曼光谱已经不再局限于实验室使用,开始转向制药过程监控的应用,通常称为过程分析技术 (PAT) [21-24]。 在过程分析中,使用光纤耦合太赫兹拉曼探针可实现在线和半在线测量,可对样品进行远程分析,无需采样和取样至分析仪。 根据需求,探针头可以设计成较短工作距离,以便通过观察口直接浸入反应室,或者设计成较长工作距离,以便通过观察窗收集光谱。 图 6 显示了一个浸入式探针头的 TR-PROBE 示例。

图 6:TR-PROBE 太赫兹拉曼探针模块,搭配Coherent的 11 英寸长不锈钢型浸入式探头。

 

对于不同浓度的乙醇和水溶液里的卡马西平从 III 形态向二水合物形态的转变,Inoue 等人使用该方法进行了监控 [22]。 在二水合物形态 (111 cm-1) 和 III 形态 (39 cm-1) 卡马西平的太赫兹拉曼信号非常明显,使用多元曲线解析 (MCR) 算法计算得出了图 7 所示结果。 根据该项数据,研究人员能够确定,使用 62.5% 乙醇和 37.5% 水的溶液进行反应,转换率非常高。 

图 7:乙醇和水的不同溶剂比例下,卡马西平由 III 形态转换为二水合物形态的反应动力学 [21]。

太赫兹拉曼光谱的前景

制药行业率先采用太赫兹拉曼光谱,其他行业也开始使用该技术来分析结晶度和多晶型。 比如使用太赫兹拉曼光谱来研究迁移率和应变性之间的关系 [25],以及有机半导体中的电荷传输和低频振动 [12]。 研究人员还将该技术用于分析量子点 [11] 和层状半导体合金 [13] 中的声子模式。 最近还发表了关于聚合物结晶 [10] 和冷却过程中薄层形成 [26] 的研究,为聚合物产业提供了产品结构特性的关键信息。 太赫兹拉曼光谱在生物学和生物医学诊断领域方面即将取得的成功令人振奋。 在旧金山举行的 2019 年 SPIE BiOS 会议上,Marble 等人发表了关于将太赫兹拉曼光谱用于生物分子的第一篇演讲 [14],一年后,科学家已经开始研究探讨太赫兹拉曼光谱能否用于诊断 COVID-19 [27]。

 

总结

用户可通过太赫兹拉曼光谱获取样品的结构和化学成分信息。 毫无疑问,随着太赫兹拉曼分析仪不再局限于在实验室使用,而开始用于工业环境,其应用需求将持续增长,应用范围也将不断扩大。 针对太赫兹拉曼可以检测的差异化信息,尚有诸多新型应用未被构想,研究人员将继续对其进行探究,这是这项技术以后的发展趋势。 有关太赫兹拉曼仪器、应用或功能的更多信息,请访问 www.thz-raman.com 或通过我们的网站 www.coherent.com 咨询应用科学家。 

 

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