Perspektywy dla badań i praktyki użycia zmodyfikowanego spektrometru Ramana .

1. Perspektywy dla badań i praktyki użycia zmodyfikowanego spektrometru Ramana. Future perspectives for research in using the modified Raman spectrometer. Prof dr. Hab. inż. Henryk Kowalski, dr inż. Jan Galiński

2. SPEKTROMETR RAMANA Z HETERODYNĄ OPTYCZNĄ Optical heterodene the Raman spectrometer. (Theory and applications of Raman spectrometers) (Future perspectives for research and practice in using the modified Raman spectrometer)

3. Spektrometry ramanowskie są urządzeniami pomiarowymi, które na podstawie analizy widm rozpraszania ramanowskiego umożliwiają analizę związków chemicznych. Widma rozpraszania ramanowskiego zawierają się w obszarze światła widzialnego i bliskiej podczerwieni – IR. W spektrometrze sygnał pomiarowy jest przetwarzany w dwóch obszarach fizyki : - obszar sygnałów świetlnych (światło widzialne i bliska podczerwień IR), zakres częstotliwości około 10 14 [Hz] - obszar sygnałów elektrycznych, zakres częstotliwości od zera do około 10 9 [Hz]. Przetwarzanie sygnału pomiarowego w obydwu obszarach jest obarczone błędem. Z uwagi na dużą złożoność układów pomiarowych spektrometru, przetwarzanie sygnałów pomiarowych wygodnie jest rozpatrywać za pomocą pojęć teorii informacji. Raman spectrometers are measuring devices , which enable the analysis of chemical compounds based on the analysis of the Raman scattering spectra. Raman scattering spectra are contained in the region of visible light and near infrared - IR . In the spectrometer, the measuring signal is processed in two areas of physics : - The area of light signals ( visible and near infrared IR), a frequency range of about 10 14 [Hz ] - The area of electrical signals, a frequency range from zero to about 10 9 [Hz ] . The processing of the measured signal in both areas is flawed . Due to the high complexity of spectrometer measurement systems, it is convenient to consider using the concepts of information theory during processing measurement signals.

4. Jakość przetwarzania systemu pomiarowego spektrometru w ramach teorii informacji może być opisana za pomocą uniwersalnego parametru – dynamika układu pomiarowego. (DUP). DUP jest zdefiniowane za pomocą zależności : DUP = moc sygnału pomiarowego / moc szumów układu pomiarowego.

5. Dla konstrukcji klasycznych spektrometrów ramanowskich DUP = około 10 4 i umożliwia wyznaczanie spektrum rozpraszania ramanowskiego z rozdzielczością około 0,1 [cm -1]. Dla analizy laboratoryjnej związków chemicznych jest to dokładność wystarczająca, jednak w analizie związków biochemicznych jest to dokładność niewystarczająca. Klasyczne konstrukcje spektrometrów ramanowskich nie mogą pokonać tej bariery z powodów teoretycznych. (technologia dysponuje filtrami optycznymi o ograniczonej jakości – siatki dyfrakcyjne o gęstości linii około kilka tysięcy linii / mm , mniej jak 10 000 linii /mm. For classic design Ramanspectrometers DUP = about 10 4 and allows the determination of the Ramanscattering spectrum with a resolution of about0.1[cm1] For chemicallaboratoryanalysesthisaccuracyissufficient, but in the analysis of biochemicalcompoundsthisaccuracyisinsufficient. Classic design Ramanspectrometerscan not overcomethisbarrier for theoreticalreasons . (opticalfiltershave a limitedquality - diffractiongrating with a linedensity of aboutseveralthousands of lines / mm , less than 10 000 lines / mm.

6. object wo → w o± wR Diffraction pattern w o± wR → Laser w o Noise – P S1 Noise - P SD ; P us Photodetector [FD] An optical signal → An electrical signal Image scanning systyem → f(t) Noise Spektrogram. Spectrtrumfrequency [cm -1]

7. Opis spektrometru ramanowskiego – klasycznego.(RSC) Swiatło z lasera o częstości kołowej [wo] po przejściu przez obiekt jest zmodulowane częstotliwościowo [w o → (w o ± w R)] i dalej jest analizowane za pomocą siatki dyfrakcyjnej, ta analiza polega na wytworzeniu obrazu dyfrakcyjnego z sygnału optycznego [(w o ± w R)]. Na tej drodze przetwarzania sygnałów optycznych występują szumy w postaci mocy sygnałów optycznych : P S1 – szum związany z występowaniem sygnału [w o] ; wraz z sygnałem [(w o ± w R)]. Sygnału [w o] nie można rozdzielić od sygnału [(w o ± w R)] i to powoduje, że siatka dyfrakcyna analizuje sumę przestrzenną tych sygnałów. Ten stan skutkuje tym, że obraz dyfrakcyjny sygnału [(w o ± w R)] różni się od sumy przestrzennej sygnałów optycznych Σ P[w o + (w o ± w R)] ponad to, występują szumy związane z nieliniowością siatki dyfrakcyjnej. Moc szumów składa się zatem z P S1 + P SD + P us Z uwagi na to, że sprawność modulacji jest biska 1 % to moc sygnału pomiarowego jest znikomo mała (przy założeniu, że moc lasera = 10 mW to moc sygnału (w o ± w R) = 10 -4 W. Zachodzi zatem potrzeba by funkcję fotodetektora pełnił fotopowielacz (wymaga dużego napięcia zasilania). Description of a classic Raman spectrometer A laser beam with an angular frequency [. o] after passing through the object is frequency-modulated [ o → ( o ±  R)] and further analyzed by means of a diffraction grating. This analysis involves the formation of the diffraction pattern of an optical signal [( o ±  R)]. In this way of processing optical signals, noise is generated in the form of optical signals : P S1 - noise associated with the occurrence of the signal [ o] together with the signal [( o ±  R)] . Signal [ o] can not be separated from the signal [( o ±  R)] and this leads to the fact that the diffraction grating analyses the spatial sum of these signals. This condition results in that the diffraction image of the [( o ±  R) ] signal differs from the sum of the spatial optical signals [Σ P[ o - ( o ±  R)]. Moreover there is noise associated with non-linearity of the diffraction grating . The amount of noise is therefore composed of PS1 + PSD + Pus . Due to the fact that the modulation efficiency is close to 1 % is the power the optycal Raman measurement signal is vanishingly small ( assuming that laser power = 10 mW, the signal power is ( o ±  R) = 10 -4 W). There is therefore a need for a photomultiplier to act as a photodetector (this requires a high voltage power supply).

8. Z przyczyn jak opisane wyżej, w ocenie zespołu naukowego prof. Henryka Kowalskiego, jest ograniczenie w technologii spektrometrów ramanowskich klasycznych tak, że uzyskanie rozdzielczości pomiaru spektrum promieniowania ramanowskiego lepszej jak [0,1 cm -1] wymaga opracowania nowej technologii. Wymagania, pomiaru spektrum promieniowania ramanowskiego lepszej jak 0,1 cm -1 może spełnić opracowany w Zespole Naukowym prof. Henryka Kowalskiego spektrometr rammanowski z heterodyną optyczną. The reasonsdescribedabove , in the opinion of the research team of Prof. Henryk Kowlski , limit the classicRamanspectrometertechnology in such a waythatobtaining a measurement resolution of the Raman spectrum radiationbetterthan 0.1 cm -1 requires the development of a newtechnology.The requirements of measuring the Raman spectrum radiation with a resolution betterthan [0.1 cm -1 ] can be fulfilled by the opticalheterodyneRamanspectromaeterdeveloped by Prof. Henryk Kowalski’sScientific Team.

9. Teoria heterodyny optycznej Heterodyna optyczna należy do klasy technologii heterodynowania z tym, że pasma detekcji układu pomiarowego jest w paśmie częstotliwości optycznych (wo ± w R ) = około 10 14Hz). Optical heterodynetechnologybelongs to a class of heterodyning, however the detectionrange of the measurement system is the opticalfrequency band (wo ± w R) = approximately 10 14Hz).

11. Opis heterodyny optycznej Technologia heterodynowania polega na wprowadzeniu generatora lokalnego do układu pomiarowego. Zabieg ten prowadzi do zmniejszenia pasma częstotliwości sygnału pomiarowego spektrometru (tu pasmo częstotliwości sygnału optycznego – około 10 14Hz dla układu spektrometru klasycznego, zostaje zawężone do około 10 9Hz). Gdy parametry konstrukcyjne heterodyny optycznej zostaną dobrane tak, że częstotliwość generatora lokalnego będzie w o , że suma przestrzenna dwóch sygnałów optycznych Σ p ((w o - w o± w R) po przejściu przez kwadrator i filtr dolnoprzepustowy fotodetektor ma pasmo częstotliwości (± w R). Heterodyningtechnologyis the introduction of a localoscillator to the measurement system . Thistreatmentleads to a decrease in the frequency band of the spectrometermeasuringsignal (here a frequency band of anopticalsignal - about 10 14Hz for a classicalspectrometer system , isnarrowed down to about 10 9Hz).When the opticalheterodyne design parametersarechosensuchthat the frequency of the localoscillatorisequal to [w o] and suchthat the spatial sum of the twoopticalsignalsisΣ p ((w o - wo± w R), afterpassingthrough the quadrarure and lowpassfilter, the photodetectorhas a frequency band (± w R).

12. Technologia heterodyny optycznej eliminuje trzy źródła szumów : - separuje sygnał promieniowania ramanowskiego (wo±wR) od częstotliwośći lasera (w o) - zmniejsza pasmo częstotliwości sygnału optycznego o 5 rzędów (z 10 14 → 10 9Hz , - eliminuje szumy występujące na drodze propagacji sygnału optycznego P S1 + P SD + P us , - eliminuje wpływ filtra optycznego (siatki dyfrakcyjnej) na mierzone widmo promieniowania ramanowskiego tak, że układ z heterodyną optyczną detekuje tylko częstotliwości stokesowskie widma ramanowskiego ± wR. Optical heterodynetechnologyeliminatesthreesources of noise :- Separates the Ramansignalradiation(w o±w R) from the laser frequencies (w o)- Reduces the frequency band of the opticalsignal by 5 orders of magnitude ( from 10 14 → 10 9Hz),- Eliminatesnoiseoccurring as a result of the propagationpath of the opticalsignalP S1 + P SD + P us ,- Eliminates the influence of the opticalfilter (diffractiongrating ) on the measuredRamanradiation spectrum sothat the heterodyneoptical system detectsonly the Raman spectra Stokes frequency ± wR

13. Dodatkowo układ z heterodyną optyczną : - eliminuje z układu pomiarowego siatki dyfrakcyjne (bardzo drogie) zniekształcające widmo częstotliwości promieniowania ramanowskiego, - powoduje, że spektrogram promieniowania ramanowskiego może być opisany w jednostkach częstotliwości – Hz , zamiast jak w spektrometrach klasycznych w jednostkach K = 1 /l [cm -1 ]z tym, że z metrologicznego punktu widzenia, ( w żadnym pomiarze niemożna wyznaczyć rzeczywistej wartości [l] ) (l zależy od parametrów środowiska, w którym propagowane jest światło), - wprowadza do układu pomiarowego spektrometru filtry elektryczne pasmowe o dobrej jakości i tanie – ten zabieg polepsza dynamikę układu pomiarowego tak, że dynamika spektrometru ramanowskiego z heterodyną optyczną może mieć wartość 10 9 (jest o 5 rzędów lepsza niż dynamika spektrometru ramanowskiego klasycznego. In addition, the opticalheterodyne system : - eliminatesdiffractiongratings (veryexpensive) from the measurement system, whichdistort the frequency spectrum of the Ramanradiation,- permits the Ramanradiationspectrogram to be described in units of frequency - Hz , instead of, like with conventionalspectrometers, in units of K = 1 / l (cm-1), with that from a metrological point of view , no measurementcandetermine the actualvalue of [l ]  l depends on the environment in whichlightispropagated),- introducesinto the spectrometermeasurement system goodquality, cheapelectric band filters - thistreatmentimproves the dynamics of the measurement system sothat the dynamics of the Ramanspectrometer with anopticalheterodynecanhave a value of 10 9 ( 5 orders of magnitudebetterthan the dynamic of the classicalmeasurement system – DUP = 10 4).

14. Opracowany przez Zespół naukowy prof. Henryka Kowalskiego spektrometr ammanowski z heterodyną optyczną (SRH) jest znaczącym krokiem poprawy jakości spektrometrów ramanowskich prowadzącym do : - zwiększenia dokładności analizy związków chemicznych tak, że rozdzielczość pomiaru prążków charakterystycznych widma promieniowania ramanowskiego może być lepsza jak 10 -5 cm -1, - prowadzenie analizy związków chemicznych w czasie rzeczywistym – spektrogram promieniowania ramanowskiego jest tworzony w czasie analizy, - prążki charakterystyczne spektrogramu są opisywane przez dwie wartości : częstotliwość prążka n – w Hz , oraz przez wartość względną mocy danego prążka w badanym widmie rozpraszania ramanowskiego Pni – wWatach, (w konstrukcjach klasycznych mierzy się tylko liczby falowe K i prążków charakterystycznych widma z tym, że K jest opisane w cm -1), - dodatkowo, wyposażenie SRH w przesuwnik częstotliwości światła (PC)lasera umożliwia detekcję Rezonansowego Zjawiska Ramana (RZR), którego detekcja umożliwia analizę skomplikowanych związków biochemicznych (takiej zdolności pomiarowej niema żaden spektrometr klasyczny – wyklucza to technologia detekcji promieniowania ramanowskiego za pomocą filtrów optycznych (siatka dyfrakcyjna). The optical heterodene Raman spectromaeter ( SRH ) developed by the research team of Prof. . Henryk Kowalski is a significant step in improving the quality of Ramanspectrometersleading to :- anincrease in the accuracy of the analysis of chemicalcompounds , in that the measurement resolution of characteristicbands of the Raman spectrum may be betterthan 10 -5 cm -1 ,- conductingchemicalanalyses in real time - the spectrogram of the Raman spectra iscreatedat the time of analysis,- characteristicbands of the spectrogramaredescribed by twovalues ​​: the n - in Hz , and the relativevalue of the power of the band frequency in the chosenRaman spectrum rangePni in Watts , ( in classicaldesignsonly the wavenumbers K of the characteristicbandsaremeasured, with K beingdescribed in cm -1 ),- In addition, by equipping the SRH in a laser lightfrequencyshifter (PC) itispossible to detect the phenomena of RamanResonance ( RZR ), whosedetectionenables the analysis of complexbiochemicalcompounds ( no classicspectrometer as thisability – thisisimpossibledue to the technology for detectingRamanradiationusingopticalfilters (diffractiongratings))

15. Gdy wiązka światła emitowana z lasera L spełniająca warunek wo = const. Jest kierowana na badany obiekt (związek chemiczny). Obiekt od działywuje z polem elektromagnetycznym światła lasera tak, że na atomach związku chemicznego następuje rozpraszanie fotonów pola (w mechanizmie elastycznych zderzeń fotonów z elektronami atomów). W wyniku oddziaływania obiektu z polem atomy związku podlegają wzbudzeniu polegającemu na tym, że elektrony walencyjne atomów zwiększają energię wewnętrzną o wartość energii pochłoniętego fotonu = h n to powoduje, że po krótkim czasie elektron musi powrócić do stanu podstawowego. Powrót elektronu do stanu podstawowego skutkuje tym, że elektron musi wypromieniować energię w postaci kwantu energii promieniowania ramanowskiego = [hnR] The Ramanresonancephenomenon (RZR).   A lightbeamemitted from the laser L satisfyingconditionwo = constisdirectedonto the test object ( a chemicalcompound ) . The objectinteracts with the electromagnetic field of the laser light , sothatscattering of the fieldsphotonsoccurs on the compounds’ atoms ( in the mechanism of elasticcollisions of photons with the atoms’ electrons) .As a result of the interaction of the object with the field, atoms of the subjectcompoundareexcited, in that the valenceelectronsincrease the value of theirinternalenergy by the amount of absorbedphotonenergy = hnwhichcauses the electron to return to the basicstateafter a shorttime. Return of the electron to the basicstateresults in that the electronmustradiatethisenergy in the form of a quantum of Ramanradiationenergy= [h nR].

16. Rozpraszanie ramanowskie jest nieliniowym oddziaływaniem materii z polem elektromagnetycznym i polega na tym, że częstość kołowa pole ulega zmianie [± w R → h n R → wo ± w R]. Rozróżnia się dwa oddziaływania atomów materii : stokesowskie [w = wo - w R] oraz antystokesowskie [w = wo + w R] . Obydwa oddziaływania mogą być mierzone za pomocą SRH ponad to, gdy SRH jest dodatkowo wyposażony w przesuwnik częstotliwości światła lasera – PC możliwy jest pomiar RZR i światło lasera ma wartość wo’ = f(p) , gdzie : p – parametr. Ramanscatteringis a non-linearinteraction of matter with the electromagnetic field and isbased on the fact, that the circular field frequencyisshifted[± w R → h n R → (wo ± w R)] Therearetwotypes of interactionsbetweenatoms of matter: Stokes [w = wo - w R] and anti-Stokes [w = wo + w R ] .Both effectscan be measured by SRH, additionallywhen SRH isadditionallyequipped with a laser lightfrequencyshifter - PC , itispossible to measure the RZR, and the laser lighthas a value of - wo’ = f(p).

17. Detekcja R Z R opisanego w modelu kwantowym za pomocą funkcji falowej ma postać : Detekcja R Z R opisanego w modelu kwantowym za pomocą funkcji falowej : <n |Pr| r> <r |Pa| k> (ara)kn = 1/n{Σ ---------------------- r ( nrk – n o) + składnik nieistotny z (nrk + no) w mianowniku} Detekcja RZR jest możliwa gdy, za pomocą przesuwnikaka częstotliwości światła, na czynnik [(nrk - no’)] zmienia swoją wartość tak, by czynnik ten miał dowolnie małą wartość, wtedy wyrażenie (ara)kn może mieć dużą wartość [gdzie n’o – regulowana wartość częstotliwości lasera ; [nrk] – moment elektrycznego układu związanego z przejściem cząstki typu k→ ± n – charakterystyczny dla cząstki]. Wydajność energetyczna rozpraszania ramanowskiego dla linii stokesowskich <n |P| r> <r |Pa| k> (a)kn = 1 / n {Σ -------------------- + r ( rk –  o) negligible component in the denominator (rk+ o)} RZR detection is possible when, by using a light frequency shifter on the [(rk - o’) ]factor, it changes its value , so that this factor has an arbitrarily small value , then the expression [(a)kn] can be of great value (where [o’] - variable frequency laser ; [rk] - the moment the electrical system associated with moving particles of type k → ± n - characteristic of the particle) . Energy efficiency of Raman scattering for Stokes lines o ±  R is about 1 %, while when the wave function [(a)kn ] is sufficiently large, the RZR is much larger ( about 10 4 ) than the Stokes lines ZR so that their detection is possible – the analysis of biochemical compounds of concentrations of less 10 -8 mol / l Notations:

18. wo ± w R wynosi 1 % , zaś gdy funkcja falowa [ …] jest dostatecznie duża to R Z R jest dużo większe ( 10 4) od linii stokesowskich Z R tak, że możliwa jest detekcja – analiza związku biochemicznego o stężeniu mniejszym jak 10 -8 mol/l. Oznaczenia : [(ara)kn] – funkcja falowa dla przejścia (wzbudzenia cząstki) od stanu n →k ; [Σ] – oznacza sumowanie po wszystkich stanach wzbudzonych dla przejścia n → k. Wyrażenie [(ara)kn ] opisuje polaryzowalność (stan wzbudzenia) cząstki i wpływa na moc promieniowania ramanowskiego. Wydajność energetyczna rozpraszania ramanowskiegowo±w R wynosi 1 % , zaś gdy funkcja falowa [(ara)kn ] jest dostatecznie duża to RZR jest dużo większe ( o 10 4) od linii stokesowskich ZR tak, że możliwa jest detekcja – analiza związku biochemicznego o stężeniu mniejszym jak 10 -8 mol/l. [(a)kn] - the wave function for the transition ( excitation of particles ) from state n → k ; [Σ] - Is a summation of all excited states for the transition n → k The expression [(a)kn ] describes the polarizability ( excited state ) of particles and affects the power of the Raman radiation . Energy efficiency of theRaman scattering o ±  R is about 1 %, while the wave function [(a)kn ] is sufficiently large, the RZR is much larger ( about 10 4 ) than the Stokes lines ZR so that their detection is possible – the analysis of biochemical compounds of concentrations of less 10 -8 mol / l

19. Wyposażenie SRH w dodatkowy podzespół – przesuwnik częstotliwości światła lasera czyni (PC) czni, że SRH może być wykorzystany do detekcji R Z R a to pozwala na oznaczanie śladowych wartości stężenia ( lepszej jak 10 -8 mol /l) substancji w związku chemicznym. SRH + PC jest nowym narzędziem badawczym umożliwiającym analizę chemiczną i biochemiczną w czasie rzeczywistym z wysoką (inż. 0,0001 cm-1) rozdzielczością pomiaru : 1. W medycynie : - jako nieinwazyjna metoda pobierania próbek do analizy; - badania ex vivo i en vivo na żywych tkankach - diagnozowania tkanek w tym rakowych ; - identyfikacja rozkładu barwników w skórze ; - obrazowanie obszarów normalnie niedostępnych dla badaczy w żywych tkankach. 2. W biochemii : - badania dynamiki procesów enzymatycznych, mechanizmu widzenia oraz przebiegu fotosyntezy, czy oddychania komórkowego ; - przy ustalaniu struktury przestrzennej wielu skomplikowanych biopolimerów (inż. cytochrom, porfiryny, karoteny, DNA). 3. W krystalografii (dzięki dużej czułości) : - do badania drgań nie tylko molekuł, ale również jest w stanie badać wzbudzenia sieci krystalicznej , które są trudne do zaobserwowania przy użyciu innych technik. By equipping the SRH with an additional component - the laser light frequency shifter (PC ), it is possible to use the only that SRH to detect the RZR, which allows the determination of trace concentration values (better than 10 -8 mol / l) of substances within a chemical compound. SRH + PC is a new research tool, which allows chemical and biochemical analyses in real time with high (approximately 0.0001 cm - 1 ) measurement resolutions : 1. In medicine : - A non-invasive method of sampling for analysis; - An ex vivo and en vivo of living tissues ; - Diagnosing tissues, including cancer tissue ; - Identification of the distribution of pigments in the skin ; - Imaging areas normally inaccessible to researchers in living tissues . 2. In biochemistry : - Study the dynamics of enzymatic processes , the mechanism of vision and photosynthesis or cellular respiration ; - For determining the spatial structure of many complex biopolymers (eg cytochrome , porphyrins, carotenoids , DNA). 3. In crystallography ( due to high sensitivity) : - Test not only the vibration of molecules , but also is able to examine the excitation of the crystal lattice , which are difficult to be observed using other techniques.

20. Dziękuję za uwagę