太赫茲拉曼光譜簡

圖 1：顯示不同光譜技術(shù)對應(yīng)的電磁波譜。 拉曼光譜通常在可見光 (532 nm) 或近紅外光 (785 nm) 中使用，而紅外吸收光譜用于 5 μm至50 μm 的范圍，太赫茲光譜用于50 μm 至 2 mm的范圍。

綜述

長期以來，作為研究材料低能振動模式的一種手段，電磁頻譜的太赫茲 (THz) 區(qū)域一直為科學(xué)家們所研究，其對應(yīng)范圍大致為 0.15THz至 6THz(5 cm-1至 200 cm-1)。 研究晶體內(nèi)分子振動的光譜學(xué)家對該區(qū)域特別感興趣，可通過該區(qū)域獲取有關(guān)分子取向的重要信息，而分子取向決定著材料的許多關(guān)鍵特性。太赫茲光譜是遠(yuǎn)紅外 (FIR) 吸收光譜的延伸。實(shí)際上，由于其介于光頻域的低頻段和電子頻域的高頻段，所以很難探測到信號。這就是為什么該光譜區(qū)域在已發(fā)表的文獻(xiàn)中經(jīng)常被稱為“太赫茲鴻溝”的原因。 目前，市場上有商用化的太赫茲光譜系統(tǒng)，但大部分都比較昂貴且不易使用，主要是因?yàn)橥ǔ．a(chǎn)生太赫茲輻射所需要的超快激光器比較復(fù)雜昂貴，同時(shí)樣品對濕度比較敏感。

幸運(yùn)的是，直接探測太赫茲吸收譜并不是唯一方法，也可以使用拉曼光譜實(shí)現(xiàn)太赫茲頻譜檢測。 拉曼散射由光子的非彈性散射而不是吸收引起，因此可將激發(fā)波長與所研究的振動模式結(jié)合起來。 在傳統(tǒng)拉曼光譜中，光譜范圍為 200 cm-1至 1800 cm-1，代表“化學(xué)指紋”，因?yàn)榇蠖鄶?shù)分子內(nèi)振動在該頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生。 與其相輔相成的是 THz-Raman?(也稱為低頻拉曼或 LFR)區(qū)域，光譜范圍為 5 cm-1至 200 cm-1，提供“結(jié)構(gòu)指紋”，主要對應(yīng)于分子間振動或材料的晶格/聲子模式。 圖 1 顯示了太赫茲光譜(50 μm 至 2 mm)、紅外光譜(5 μm 至 50 μm)和太赫茲拉曼光譜在電磁光譜中對應(yīng)的波長位置。 圖 2 顯示了典型拉曼光譜的化學(xué)和結(jié)構(gòu)指紋的相對位置。

在太赫茲域中使用拉曼光譜很有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榕c彈性散射(瑞利)信號強(qiáng)度相比，非彈性散射(拉曼頻移)差了若干數(shù)量級，因此很難充分過濾掉瑞利散射。 因此，拉曼頻移非常接近瑞利線的信號難以探測到 (0 cm-1)。 隨著全息陷波濾波器領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，只需使用具有高光學(xué)效率的單色儀，即可輕松地直接測量低至 5 cm-1 的拉曼頻移。 這項(xiàng)突破使得低頻拉曼光譜有了如下轉(zhuǎn)變： 從復(fù)雜的多級單色儀，到簡單易搭建的光譜儀，也可以用于現(xiàn)有儀器即插即用的模塊。 例如，太赫茲拉曼光譜模塊包括用于監(jiān)控化學(xué)反應(yīng)的浸入式探針、用于做Mapping顯微拉曼以及用于高通量篩選應(yīng)用的孔板讀取儀。

太赫茲拉曼光譜系統(tǒng)要求

每個(gè)太赫茲拉曼光譜系統(tǒng)都配備以下四個(gè)組件：

波長穩(wěn)定的激光源

窄帶寬 (< 5 cm-1) 光譜凈化濾波器

窄帶寬 (< 5 cm-1) 瑞利散射抑制濾波器

可檢測低頻信號的光譜儀

瑞利濾波器是一個(gè) +/- 5 cm1 帶寬的陷波濾波器，決定了可檢測到太赫茲域的低頻信號的下限。 然而，若要瑞利濾波器正常工作，關(guān)鍵在于激光器的輸出光譜必須非常穩(wěn)定，具有非常窄的線寬，并且在陷波濾波器的信號傳輸區(qū)域內(nèi)，可以放大自發(fā)輻射 (ASE)， 并且具有很小的噪聲。 濾波器和激光器的中心波長在工作期間保持“光譜同步”，從而避免瑞利信號泄漏和光譜儀檢測器出現(xiàn)飽和信號，這一點(diǎn)也很關(guān)鍵。 作為激光器、濾波器和光學(xué)系統(tǒng)的綜合制造商，Coherent設(shè)計(jì)光譜儀和模塊都旨在盡可能保持這種同步性，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、易于操作。

此類系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢是，由于拉曼光譜是以激光頻率的相對頻移來測量的，因而太赫茲拉曼系統(tǒng)可以使用可見光或近紅外光 (NIR) 中任一波長的激光來探測此類低能量振動模式，而無需太赫茲激光源。 這樣，系統(tǒng)方案則更加簡單，成本更低，可使用玻璃光學(xué)器件和光纖，性價(jià)比高的緊湊型半導(dǎo)體模塊和半導(dǎo)體泵浦固態(tài) (DPSS) 激光源，以及硅探測器和探測器陣列。 太赫茲拉曼系統(tǒng)還能夠檢測低于 –5 cm-1 的反斯托克斯拉曼頻移，可獲取有關(guān)樣品的其他信息(包括局部有效溫度)。 太赫茲拉曼光譜系統(tǒng)的高通量性能，可一次性同時(shí)測量材料的化學(xué)指紋和結(jié)構(gòu)指紋。

這套系統(tǒng)易于操作，適用于涉及材料的化學(xué)和結(jié)構(gòu)特性的應(yīng)用。 制藥行業(yè)已開始采用太赫茲拉曼光譜，并且該項(xiàng)技術(shù)在聚合物、半導(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域也受到關(guān)注。

低頻振動模式

如上所述，低頻峰是由諸如聲子模式和晶格振動等分子間振動引起的。 在晶體樣品中，譜峰的頻移位置由晶體的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)決定。 而銳利的低頻峰的帶寬和強(qiáng)度與樣品的結(jié)晶度直接相關(guān)。 相比之下，非晶態(tài)固體和液體有一個(gè)未解析的寬峰，稱為玻色子峰。 因此，太赫茲拉曼光譜是定量分析樣品結(jié)晶度，以及對不同同素異構(gòu)體和多晶型物進(jìn)行分類的有用工具。 雖然多晶型分析更普遍，但通過研究不同同素異構(gòu)體的太赫茲拉曼光譜，可以更好地說明低頻振動模式的特性，這一方式更為簡單易懂。

圖 2：α 型硫和 β 型硫的拉曼光譜，顯示了 0 至 200 cm-1 范圍的分子間振動模式 (A) 和 200 cm-1 至 500 cm-1 范圍的分子內(nèi)振動模式 (B)。

硫具有 30 多種同素異構(gòu)體，在生命科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用的化學(xué)過程中，發(fā)揮重要作用而得到廣泛研究。同素異形體 α 型硫具有 24 種不同的分子間振動模式，在 30 cm-1 至 100 cm-1 范圍的光譜區(qū)域，使用拉曼光譜可有效檢測其中的許多振動模式 。 在 2013 年 SPIE 防御、安全和傳感會議上提出的一篇論文中，Heyler 等人演示了如何使用太赫茲拉曼光譜檢測此類振動模式。 他們還證明，當(dāng)將 α 型硫樣品加熱至 95.6°C 以上時(shí)，該樣品的形態(tài)變?yōu)橥禺愋误w β 型硫，隨后該樣品在 115.2°C 時(shí)液化。 使用該光譜可輕松檢測到從 α 型形態(tài)(斜方晶形)至低序β 型形態(tài)(單斜晶形)的轉(zhuǎn)變，無序度的增加導(dǎo)致在拉曼光譜中 100 cm-1 以下的區(qū)域變得“模糊不清”[圖 2]，拉曼光譜漸漸出現(xiàn)玻色子峰結(jié)構(gòu)。 當(dāng)熔化并形成 y 形態(tài)(液體)后，太赫茲拉曼域中的譜峰完全融合在一起，僅顯示普通液體特有的純玻色子帶。 相比之下，形態(tài)變化并未對化學(xué)指紋區(qū)域的譜峰產(chǎn)生顯著影響，這一點(diǎn)在比較 100 cm-1 以上光譜的峰位置時(shí)可以看出。 Coherent TR-MICRO 太赫茲拉曼光譜模塊與正置式顯微鏡和光纖耦合儀搭配。圖 2 顯示了該系統(tǒng)探測到的所有光譜。 裝置示意圖如圖 3 所示。

太赫茲拉曼光譜裝置包含一個(gè)單頻激光器，與超窄帶(全息)激光線和陷波濾波器。 陷波濾波器經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，可確保拉曼散射有較高通量，同時(shí)衰減光密度 (OD) 大于 9 的瑞利散射，可探測不均勻的樣品。 最終，拉曼散射信號通過光纖被光譜儀探測到。 會議論文集中對光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了更詳細(xì)說明 。

在制藥方面的應(yīng)用

多晶型性是活性藥物成分 (API) 的一個(gè)關(guān)鍵和共同特征。 對原料藥利用率、工藝性和質(zhì)量/性能有直接影響。 由于多晶型化合物具有相同的基本分子組成，但整體結(jié)構(gòu)取向不同，因此太赫茲拉曼光譜比傳統(tǒng)的紅外光 (IR) 和拉曼光譜更適合確定多晶型形態(tài)的檢測。 在某些情況下，由于分子內(nèi)振動的阻尼性，多晶型變化會導(dǎo)致拉曼光譜 的化學(xué)指紋區(qū)域發(fā)生細(xì)微頻移。 也就是說，低頻范圍內(nèi)的光譜變化往往更加明顯(強(qiáng)度可高達(dá) 10 倍)并且更容易區(qū)分，而無需復(fù)雜的化學(xué)計(jì)量分析。 此外，正如 Larkin 等人在 2014 年發(fā)表在《Applied Spectroscopy》上的一篇文章中所證明的那樣，“API 典型的大型芳香族物質(zhì)的低頻拉曼光譜在 200 cm-1 以下區(qū)域的譜峰強(qiáng)度高，具有復(fù)雜的光譜特征?！彼麄冞€說明，在相同頻率范圍內(nèi)，此類頻譜信號通常比賦形劑的強(qiáng)度高一個(gè)數(shù)量級，因此靈敏度更高，可使用太赫茲拉曼光譜直接測量“晶體結(jié)構(gòu)、晶體無序度和非晶質(zhì)狀態(tài)”。

圖 4：Coherent TR-BENCH 臺式太赫茲拉曼光譜模塊。

在上述研究和 2015 年發(fā)表的跟進(jìn)研究期間，Bristol-Myers Squibb 的研究人員對一些常見 API 的多晶型物的低頻拉曼頻帶進(jìn)行了詳細(xì)分析。 在這兩篇發(fā)表的文章中，他們對吲哚美辛、卡馬西平、咖啡因、茶堿和阿哌沙班進(jìn)行了分析。 Larkin 等人使用太赫茲拉曼光譜采樣系統(tǒng) TR-BENCH，目前由Coherent提供，如圖 4 所示。TR-BENCH 的內(nèi)部光學(xué)結(jié)構(gòu)與上一節(jié)中討論的 TR-MICRO 相同。 圖 5 顯示了三種不同形態(tài)卡馬西平的太赫茲拉曼光譜，是這項(xiàng)研究的一個(gè)示例。

圖 5：(A) III 形態(tài)、(B) 偽多晶型二水合物形態(tài)和 (C) II 形態(tài)卡馬西平的太赫茲拉曼光譜。 均在室溫下測量。

近年來，太赫茲拉曼光譜已經(jīng)不再局限于實(shí)驗(yàn)室使用，開始轉(zhuǎn)向制藥過程監(jiān)控的應(yīng)用，通常稱為過程分析技術(shù) (PAT) 。 在過程分析中，使用光纖耦合太赫茲拉曼探針可實(shí)現(xiàn)在線和半在線測量，可對樣品進(jìn)行遠(yuǎn)程分析，無需采樣和取樣至分析儀。 根據(jù)需求，探針頭可以設(shè)計(jì)成較短工作距離，以便通過觀察口直接浸入反應(yīng)室，或者設(shè)計(jì)成較長工作距離，以便通過觀察窗收集光譜。 圖 6 顯示了一個(gè)浸入式探針頭的 TR-PROBE 示例。

圖 6：TR-PROBE 太赫茲拉曼探針模塊，搭配Coherent的 11 英寸長不銹鋼型浸入式探頭。

對于不同濃度的乙醇和水溶液里的卡馬西平從 III 形態(tài)向二水合物形態(tài)的轉(zhuǎn)變，Inoue 等人使用該方法進(jìn)行了監(jiān)控。 在二水合物形態(tài) (111 cm-1) 和 III 形態(tài) (39 cm-1) 卡馬西平的太赫茲拉曼信號非常明顯，使用多元曲線解析 (MCR) 算法計(jì)算得出了圖 7 所示結(jié)果。 根據(jù)該項(xiàng)數(shù)據(jù)，研究人員能夠確定，使用 62.5% 乙醇和 37.5% 水的溶液進(jìn)行反應(yīng)，轉(zhuǎn)換率非常高。

圖 7：乙醇和水的不同溶劑比例下，卡馬西平由 III 形態(tài)轉(zhuǎn)換為二水合物形態(tài)的反應(yīng)動力學(xué)。

太赫茲拉曼光譜的前景

制藥行業(yè)率先采用太赫茲拉曼光譜，其他行業(yè)也開始使用該技術(shù)來分析結(jié)晶度和多晶型。 比如使用太赫茲拉曼光譜來研究遷移率和應(yīng)變性之間的關(guān)系，以及有機(jī)半導(dǎo)體中的電荷傳輸和低頻振動。 研究人員還將該技術(shù)用于分析量子點(diǎn) 和層狀半導(dǎo)體合金中的聲子模式。 最近還發(fā)表了關(guān)于聚合物結(jié)晶和冷卻過程中薄層形成的研究，為聚合物產(chǎn)業(yè)提供了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性的關(guān)鍵信息。 太赫茲拉曼光譜在生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域方面即將取得的成功令人振奮。 在舊金山舉行的 2019 年 SPIE BiOS 會議上，Marble 等人發(fā)表了關(guān)于將太赫茲拉曼光譜用于生物分子的第一篇演講，一年后，科學(xué)家已經(jīng)開始研究探討太赫茲拉曼光譜能否用于診斷 COVID-19。

總結(jié)

用戶可通過太赫茲拉曼光譜獲取樣品的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分信息。 毫無疑問，隨著太赫茲拉曼分析儀不再局限于在實(shí)驗(yàn)室使用，而開始用于工業(yè)環(huán)境，其應(yīng)用需求將持續(xù)增長，應(yīng)用范圍也將不斷擴(kuò)大。 針對太赫茲拉曼可以檢測的差異化信息，尚有諸多新型應(yīng)用未被構(gòu)想，研究人員將繼續(xù)對其進(jìn)行探究，這是這項(xiàng)技術(shù)以后的發(fā)展趨勢。

審核編輯 黃宇