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扫描电镜对腐植酸表征

亮出你的红袜子 2015-07-20 04:33:17 373  浏览
  • 我想用扫描电镜对腐植酸表征,表征前应该如何处理样品?

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全部评论(1条)

  • ivylysky 2015-07-21 00:00:00
    扫描电镜中电子对导体和绝缘体区分比较容易。对于样品,一般会在表面镀很薄一层金属,比如钛Ti,而且不能久的暴露于电子束下,有可能会损坏表面。 如果要看内部,而不仅仅是表面,则可以切割,来看横截面。

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扫描电镜对腐植酸表征
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XPS对磁性材料的表征

物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为强磁性(顺磁性、抗磁性)、弱磁性(铁磁性、亚铁磁性)和反铁磁性物质,其中强磁性物质可作为磁性材料。磁性材料是存储器件、永磁体、变压器铁芯、磁机械设备、磁电子器件、磁光器件等中最重要的部件,其分类如图所示。众所周知,在稀土中,磁性来源于部分填充4 f壳电子,由于这些电子定位良好,它们的磁矩很大。此外,我们常遇到的过渡金属也是弱磁性或非磁性的,但过渡金属和稀土的化合物通常会产生非常有趣的磁性和相关性质,这类化合物在应用磁性材料家族中同样占据了主导地位。简言之,磁性材料包含了所有的稀土元素和过渡金属Sc、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Au,以及p区元素Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、As、Sb和Bi等[1, 2]

         随着磁性材料对人们的工业生产和日常生活的影响越来越大,磁性及磁性材料领域的研究也日益渐增。那么光电子能谱(XPS)作为一种被广泛使用于的研究表面化学成分和化学状态的技术,能否对磁性材料进行表征呢?

         磁性材料在做XPS表征时往往会遇到以下问题:①磁性样品自身的磁场会干扰出射光电子的运动轨迹,引起的谱峰位移和峰形畸变,导致XPS对磁性材料的定性和定量表征不具备准确性;②某些商业化XPS设备使用的磁透镜会对磁性样品的产生很大影响,例如磁透镜容易将样品磁化,甚至存在发生样品飞出或损坏设备等风险;③关闭磁透镜,通过静电模式进行测样,导致仪器的灵敏度会降低,使得测试结果不理想。久而久之,“谈磁色变”深入人心,甚至导致测试中心拒绝测试可能含磁性元素的样品。

          这时或许有人就会问了,我怎么知道我的样品到底有没有磁性?能不能做XPS测试?

          严格意义上,相对磁导率 μr > 1 或相对磁化率 χm > 0,可以认为样品具有磁性。对于XPS测试中磁性样品的问题,首先大家要注意的是,要根据所使用的XPS设备类型进行判断磁性:

(1)如果使用的是磁透镜类型XPS,因为磁透镜会诱导样品磁畴规则排列而表现出磁性,所以建议使用磁铁去吸样品的方法判断磁性,如果样品被磁铁吸起则表明具有磁性;

(2)如果是没有磁透镜类型XPS,建议用无磁性的铁类物体(如曲别针或大头针)去靠近待测样品来判断样品是否具有磁性,如果待测样品被吸到曲别针上表明具有磁性,反之没有磁性。或者将被测样品分别靠近静止的指南针的两极,若发现有一端发生排斥现象,则说明该样品具有磁性。

         通过以上方法,如果样品没有展示出磁性,则XPS可以直接测试;如果样品展示出磁性,则需要消磁处理后进行XPS测试。消磁的原理:样品有磁性时,它的磁畴是有规律排布的,消磁的目的就是将样品中有规律排列的磁畴打乱,样品的磁性就会被消除(如下图所示)。因此,可以通过对样品进行加热、反复敲击或外加交变磁场等方式来使内部磁畴错乱来消磁。

          对强磁性的永磁材料可以采用热退磁方法,将磁体加热到居里温度以上100摄氏度,并保温超过半个小时以上,使磁性完全消除。对表现出弱磁性的样品,可以采用消磁线圈或退磁器退磁,如下图所示,将样品沿消磁线圈轴向往复移动多次即可消磁。

          PHI XPS采用无磁透镜类型,没有外来磁场干扰样品,所以可按照上面所说的采用曲别针或大头针以及指南针去判断磁性。

(1)对未磁化或未充磁的物质(例如含Fe/Co/Ni粉末),可以直接测试;

(2)对于弱磁性样品,采用消磁线圈处理即可;

(3)对强磁性的永磁材料可以采用热退磁方法。

       如此一来,借助PHI的XPS做磁性样品的表征还不是小菜一碟。

例如,飞秒激光器上的单晶材料CaGdAlO4(CGA)及其Yb(5%)掺杂后的样品均具有顺磁性,通过XPS(全谱见下图)可获取器件不同位置表面的组分信息[3]

Yb(5%)掺杂的CGA的XPS谱[3]

        再比如,在研究稀土氧化物陶瓷的疏水性时,利用PHI的XPS探究样品表面的元素组成。下图分别为典型稀土氧化物样品的全谱,可以发现谱图的信噪比良好,通过软件分析后获得样品表面的化学组成。可见,利用PHI-XPS能很好地表征磁性样品。


稀土氧化物的XPS。a-l)分别为Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Er, Tm, Yb, Lu的氧化物[4]


[1] http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.08.079.
[2] http://dx.doi.org/10.1016/j.surfrep.2016.02.001.
[3] https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.03.041
[4] DOI: 10.1038/NMAT3545.

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电化学石英晶体位天平对超级电容器的表征

引言

近年来,大量研究涌入超级电容器领域。超级电容器有高充放电倍率、长循环寿命、宽工作温度范围和低单循环成本的优点。

电化学石英晶体微天平(EQCM)是与电化学工作站一起使用的石英晶体微天平(QCM),石英晶片的一侧作为工作电极。想要了解更多关于石英晶体微天平的介绍性解释,请参看本应用报告。

本应用报告主要关注超级电容器用材料的表征。 

10 MHz镀金石英晶片涂上1 μL由20 mg碳粉、5% 聚偏二氟乙烯粘结剂和1 mL N-甲基吡咯烷酮溶剂制备的碳粉悬浮液。溶液一滴滴加在晶片上,在烘箱中干燥。三种不同孔径尺寸的碳粉用于本章实验中。

晶片加载进Teflon静态电解池,连接到Gamry eQCM10M。Gamry Reference 600通过连接eQCM 10M前面板上的工作电极,与QCM结合。实验数据通过Gamry Resonator采集,采用Echem Analyst分析。电解质溶液是1 M CsCl水溶液。对电极是铂丝,所有电极电压相对于Ag/AgCl(饱和KCl)参比电极。

结果

1号碳材料

高比表面材料上5次循环伏安如图1所示。伏安曲线形状为典型的超级电容器—由于电荷在电极表面进出产生巨大的充电电流。

图1.滴涂在Au镀膜的石英晶体上高比表面碳材料5次循环伏安结果。扫描速率10mV/s。

依照电荷补偿机制,阴阳离子将在扫描过程中在高比表面材料表面出入。例如,正向扫描将导致阳离子从电极表面脱附或者阴离子吸附进入电极表面。在本应用指南中,由于我们涉及到的是各种高比表面(多孔)材料,所以我们用术语脱出代替脱附,用注入替代吸附。

如图2所示为记录质量随电势相对于时间的变化。正向扫描导致质量下降,而负向扫描导致质量增加,质量在正顶点处变化很小。这些结果显示,初看,Cs+在电势正向扫描时从材料中脱出,而在电势负向扫描时注入。在正顶点处很小的质量变化说明此时很可能发生的是一个Cs+脱出于同时Cl-注入的混合过

图2.质量和电势相对于时间作图。实验条件如图1所列

如图3所示为单圈CV结果与质量数据的叠加。这些数据使电势高于400mV时的混合过程更明显。

图3.叠加有质量数据的循环伏安图。扫描条件如图1所列

如图4所示的质量—电荷数据,也就是质量变化相对于电荷作图将上述混合过程分析得更彻底。加入箭头显示扫描方向。虚线代表对选取数据部分的线性拟合。根据以下公式,再由这些拟合虚线的斜率,可以计算得到摩尔质量:

MM=Slope*F*n           (1)

F为法拉第常数,n为电荷补偿过程中的电子数(此处n=1)。在此情况下,初始斜率173g/mol为一个Cs+离子(132g/mol)外加约2.3个水分子(18g/mol*2.3=41g/mol)。该质量-电荷作图的斜率随通过电荷越多而减小(更正的电势),直到降至8g/mol时基本上达到平衡,表明Cs+脱出和Cl-注入的混合过程。有人认为该过程由Cs+的脱出转向混合行为是由于Cs+的耗尽效应所造成的1。一旦材料中的Cs+在电荷补偿过程中被耗尽,此过程将转向Cl-的注入。扫描反向以后,质量—电荷曲线初始是平的,但随后斜率迅速增大至130g/mol。

图4.图3数据中得到的质量相对电荷作图。箭头标注初始扫描方向。

虚线表示部分选取部分数据的线性拟合。

2号碳材料

如上实验部分所述,另一种牌号,孔径大小不一样的高比表面碳粉沉积于Au镀膜石英晶体表面上被使用。

与之前样品不同,如图5所示,这种材料在电势正向扫描时质量增加,而负向扫描时质量减小,并没有出现耗尽效应。

图5.叠加有质量数据的循环伏安图。扫描速率为5mV/s。

如图6所示为质量—电荷作图。事实上,在该过程中观察到只有Cl-参与了电荷补偿机制。根据公式1计算得到摩尔质量为70.3g/mol,为一个Cl-离子外加平均1.9个水分子。

图6.图5数据中得到质量变化相对于电荷作图。箭头标注初始扫描方向。

虚线表示部分选取部分数据的线性拟合。

从作图中弯曲弧度可以看出,这些与Cl-离子相结合的水分子实际个数会随扫描过程有微小变化的。在以后的应用指南中将会采用通量比的方法研究溶剂的检测以及离子传递动力学2

3号碳材料

如上实验部分所述,第三种牌号的高比表面碳粉涂覆于Au镀膜石英晶体表面上被使用。这种碳粉具有和之前两种都不同的孔径大小。如图7所示为该材料循环5次后的测试结果。

图7.3号碳粉上循环5次后的循环伏安结果。扫描速率为10mV/s。

如图8所示为质量变化和电势相对于时间的曲线。该体系和其他两种碳粉相比,显示出独特的响应。需要注意的是,随电势的增加质量减小,直到接近顶点处质量开始增加直到再次达到顶点。然后质量减少,直到反向扫描开始质量再次增加。

图8.采用3号碳粉时,质量变化和电势相对于时间作图。扫描速率为10mV/s

上述数据的单圈循环伏安结果如图9所示。引入箭头进行阐述。

图9.如图所示为数据的第2圈。

对这些数据进行作图,质量-电荷曲线如图10所示,显示出与1号碳粉类似的Cs+脱出耗尽效应。然而,与1号碳粉耗尽效应造成混合过程不同的是,3号碳粉中的电荷补偿机制看起来变成了仅有Cl-的注入。

图10.从图9数据中得到质量变化随电荷变化曲线。

为了便于理解,将曲线中的阳极过程和阴极过程分开作图,分别如图11和图12所示。

图11. 如图9中所示的阳极过程。Cs+脱出部分的斜率为173g/mol,而Cl-注入部分的斜率为88.7 g/mol。

图12. 如图9中所示的阴极过程。Cl-脱出部分的斜率为88.7g/mol,而Cs+注入部分的斜率为130g/mol。

需要注意点是与1号碳粉上的类似情况,当Cs+脱出时质量电荷曲线斜率为170.3g/mol,而Cs+嵌入时为130g/mol。同样是这些结果显示,在阳极扫描过程约2.3个水分子被用于Cs+的溶剂化,而在阴极扫描过程Cs+离子完全被去溶剂化。

在3号碳粉电荷补偿机制中,在注入过程有约1.9个水分子伴随Cl-沉积,而在脱出过程则也有1.9个水分子伴随逐出。

本应用报告旨在为超级电容器分析材料的发展提供指导。离子和溶剂的传输信息从质量-电荷关系图中获得,为超级电容器的设计提供有用的见解。在未来的应用指南中,将涉及同类型材料离子和溶剂的改良,以研究离子和溶剂传输的热力学和动力学。

Gamry公司由衷感谢德雷塞尔大学的Gogotsi团队提供上述数据。

QCM除了模拟LbL组装外,还有很多应用领域。

●化学和生物传感器

●电聚合反应

●嵌入Li+过程研究

●腐蚀研究

●电沉积

eQCM 10M自带Gamry Resonator软件、Gamry Echem Analyst软件、入门指南、硬件操作手册(CD)、软件操作手册(CD)、EQCM电解池、AC电源适配器、USB接头电缆、BNC电缆、电化学工作站接头电缆和5个金涂布石英晶片(10 MHz)。还有一些其他的选择,包括额外晶片支架、QCM和EQCM流动池,以及Pt、C和Fe涂布晶片。

This test must be accompanied by a Microsoft® Windows XP SP3 or newer computer system

参考文献

1. Levi, M. D., Salitra, G., Levy, N., Aurbach, D., Maier, J. Nat. Mater. 2009, 8, 872-875.
2. Hillman, A. R., Mohamoud, M., Bruckenstein, S. Electroanalysis 2005, 17, 1421-1432.


2020-09-01 14:19:23 456 0
腐植酸钾是有机肥还是化肥?
谁了解这个肥料请告知这家伙到底是有机肥还是化肥谢谢!!!... 谁了解这个肥料 请告知 这家伙到底是有机肥还是化肥 谢谢!!! 展开
2013-12-29 01:58:01 455 3
加速电压对扫描电镜成像的影响

       扫描电镜作为科研人必备“神器”,是迄今为止在物质结构研究中能给出的信息多、分辨本领高的大型分析仪器,通过入射电子轰击样品,激发和收集二次电子获得样品表面形貌像,以及通过特征X射线进行样品成分分析。在医学、材料学、生命科学等领域拥有广泛应用。其中,低电压高分辨力扫描电镜凭借快速、高质量、无畸变的大范围成像成为扫描电镜高端化的发展方向。

       传统扫描电镜在观察非导电样品时,需要在样品表面镀导电膜,从而对其进行观察,但导电膜会对样品表面形貌造成一定程度的掩盖,造成成像不清晰、偏差大、分析错误。降低电压,进而不通过镀导电膜层直接观察非导电样品,是减缓荷电效应的有效手段之一。但当电压降低到3kV以下后,会导致电子枪的亮度降低、色差增大,原来细聚焦的电子束“探针”的直径就会大幅增加,再一次造成图像分辨率严重降低。因此,低电压的同时具备高分辨力成为扫描电镜亟需突破的一道难题。

       在仪器测试使用时,加速电压(HV/ETH)为常用参数中调节最为普遍的一个。那么加速电压是如何影响成像的效果?本文将以常见样品的成像图结合简短的原理与大家共同分享扫描电镜成像中应如何调整加速电压。


入射电子影响范围

       加速电压越高,入射电子的能量能越高,在样品中可穿透和散射的范围越大,伴随着产生的信号范围也越大。如下图模拟,入射电子在1kV加速电压时,在硅中散射范围主要在20nm区域内;在5kV时,散射的主要范围扩大到300nm区域,因此5kV时二次电子可产生的范围从入射点扩大到数百纳米。


样品表面细节分辨

       由于加速电压增加,入射电子散射的范围增加,使得二次电子区域扩大,样品表面细节分辨率降低。如下图,在1kV条件下颗粒表面附着的碳纳米管比5kV条件下更加显著。因此对追求纳米级的表面细节分辨建议选择低电压比较合适。


辐射损伤

       有些样品易受辐射损伤,如有机高分子,金属有机框架,生物组织等。在实践发现,采用较低的加速电压(如5kV)拍一张图后,原地再拍一张即可,对比前后两张图有没有裂纹、收缩等。如下图,原地再拍一张后的样品前后图明显出现收缩,说明在此加速电压下样品受到了损伤,应当降低入射电子能量。 


       加速电压越高,携带能量越高,轰击损伤和热损伤都会增加。因此对于易受辐射损伤的样品建议使用较低电压。如下图,在1kV加速电压下,PMMA球体表面圆润饱满,在2kV球体出现了收缩的凹陷;在1kV下,MOF表面平滑,在2kV条件表面出现收缩。


非导电样品的荷电

       为避免非导电样品出现荷电影响成像效果,对于此类样品一般会在表面溅射一层几纳米厚的导电薄膜,如C,Au,Pt等,但对于有的样品效果也有限。出现荷电的直接体现为成像时明暗度明显失调或者出现条纹,根本原因在于电子输入和逸出的数量不平衡。如下图所示,在1kV时图像明暗度较均匀,在5kV时存在明显异常亮的荷电影响区域。


成像信噪比

       加速电压越高,入射电子携带的能量越高,因此轰击到样品产生的二次电子越多,信号越强,信噪比得到提高,成像直观感觉图像更清晰。如下图,5kV加速电压相对1kV成像视觉效果更为清楚。对于微米级的较大颗粒,在不追求表面细节时,提高加速电压有利于提高信噪比,获得成像效果更为清楚的图片。


FE-1050系列场发射电镜

       纳克微束场发射扫描电镜FE-1050系列得益于新一代电子光学镜筒,具备1.5nm(1kV)低电压高分辨的优越性能,即在1kV的低电压下实现快速、高质量、无畸变的大范围成像。


       FE-1050系列成像速度在同等条件下相比同类机型至少提高一个数量级,使扫描电镜从低像素“照相机”变成纳米“摄像机”。创新设计的高分辨率电子枪 模式,可对磁性样品、不导电样品以及电子束敏感样品的低电压成像量身订制解决方案;在样品导电性不佳的情况下,低电压能减缓样品的荷电效应,减轻图像上异常变亮、畸变、位移、模糊等情况,在观测生物样品时也可减少对样品造成的损伤。

       该机型硬件的高通量设计以及软件的集成性开发,开创了国产扫描电镜新设计、新用途、新采集模式,实现了扫描电镜变革性发展。


        作为70年央企钢研纳克(股票代码300797)的控股子公司,纳克微束潜心研发,主攻显微成像,为材料、半导体、生物医疗等研究和应用科学等领域提供综合显微成像解决方案。团队研发人员占比超过60%,通过十余年成熟的技术积淀及团队创新能力,在设计理念、关键环节、核心技术等方面超前布局,成为国内仪器公司中第 一梯队。

       本文部分内容转载自:中国科大理化科学实验中心

2023-02-14 18:18:36 359 0
样品导电性对扫描电镜成像的影响

样品制备在扫描电镜分析中占有重要地位,它关系到微观图像的观察效果。如果制备的样品不适用于扫描电镜的观察条件,则很难拍摄出好的图像。

众所周知,理想的扫描电镜样品一定是导电性非常好的,例如金颗粒、锡球等金属类材料。对于不导电的样品,如生物材料、纸张、塑料和陶瓷等,容易造成放电、图像漂移等现象,这些都是荷电效应产生的。

产生荷电效应的原因

导电性良好的样品在受到高能电子束轰击后多余的电子会通过导电胶和导电样品台被直接导入大地,保持样品表面的电势一直为零。

 

如果试样不导电或者虽然导电但粘贴不好,随着观察时间增加,入射电子束会导致样品的表面积累负电荷,该层负电荷会对入射电子束和激发的信号产生影响,造成图像扭曲,局部过亮失去细节影响图像的观察,甚至完全无法观察。样品表面的荷电效应是可以改变或甚至破坏样品的细节,从而影响电镜观察的结果和结论。

 

如何减缓荷电效应 

由于材料不同,荷电效应的可见速度有很大差异。如下是一些可以减缓荷电效应的方法: 

1. 用喷金设备溅射金膜涂覆样品以减缓荷电。金膜越厚,效果越好。但是需要注意不要用金膜遮盖样品表面的细节。

2. 降低样品杯真空。通过选择飞纳电镜的降低荷电效应样品杯,可以在样品杯释放稳定的空气分子形成低真空区,高能的电子束可以将空气分子电离形成正离子,试样表面累积的负电荷通过与正离子中和使样品表面保持中性,从而可以采集到稳定和清晰的图像。

3. 降低拍照电流和电子束加速电压。

4. 在样品的非重要部分通过调整图像设置(例如焦点和对比度)来减少观察时间。当设置到正确合适的模式,移动到感兴趣的区域,立即拍照并再次离开。

  

产生荷电效应         飞纳电镜低真空                    喷金后


2020-09-07 13:41:07 522 0
扫描电镜 电子枪没有对中 怎么调
 
2016-10-16 00:47:41 387 1
如何对岩石表面进行扫描电镜测试
 
2011-07-10 07:39:50 344 2
锂电池隔膜对扫描电镜的配置需求

      Z近准备购买一台扫描电镜用于锂电池隔膜的拍照,但是对配置需求不是很清楚,特请教各位大神,谢谢。

      1.发现很多主机有分低真空和高真空, 但是低真空的贵很多,所以不要低真空系统,有没有影响?

       2.听说能谱仪是做成分分析的,但是具体不太清楚,我们只是做形貌的拍照,是否需要这个?

       3.喷金能防止荷电效应,如果不要,清晰度有无影响?

       4.不用背散射电子,只采用二次电子成像可以满足锂电池隔膜的成像?5.加速电压通常选用多少KV,Z高30KV是否能用到?

2016-06-30 14:53:50 1197 1
用SRS显微镜对配方产品进行表征分析

成分定位和皮肤渗透可视化

从药品和消费者健康产品到农用化学品和油漆,霜剂、糊剂、凝胶、乳剂和片剂常见于众多制造领域。为提高有效性以及产品性能和安全性,有必要了解产品中各成分之间的相互作用。具备能评估活性成分的结构、稳定性并对其输送进行可视化的技术对配方产品制造业而言具有重大价值。


成分分布可视化

受激拉曼散射(SRS)和相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)可提供具有高空间和时间分辨率的无标记化学信息因此非常适合用于可视化配方产品的结构,包括监测单一成分在使用期间的所带来的结果(包括在使用期间监测单一组分的命运)。通过选择适当的拉曼位移,可以从预先存在的单个成分的拉曼光谱(图1左),或从获取λ扫描生成的SRS光谱(见下文,以及图3中的示例)进行SRS对比,从而对单一成分进行成像。

图1:左:在532nm激发下获得的石蜡(红色)和水(蓝色)的自发拉曼光谱。右:用SRS显微镜对商业水乳剂配方进行成像,以显示凡士林油相(红色,2850 cm-1处的CH₂键)vs水相(蓝色,3400 cm-1处的O-H键)。通过简单地将一小滴样品置于两个盖玻片之间,准备进行正向SRS成像。


除了这些对比波数外,还应在附近预期无拉曼强度的波数处获取“非共振”控制图像(见图2中的示例),从而确保检测到的信号基于拉曼光谱,并能识别任何杂散信号,如激光吸收产生的伪影。在各成分/相的所需波数下获得图像后,可将图像合并成一个复合图像,从而了解材料中不同成分之间的关联性。除了SRS对比,还可通过使用二次谐波生成或荧光等方法来同时成像,获得其他结构信息。图2中的图像显示了用SRS显微镜成像的防晒霜样品中油vs水的相位分布,以及用SHG可视化的氧化锌颗粒。

图2:用SRS和SHG显微镜对防晒霜配方进行成像,用正向SRS显示油相vs水相,用epi-SHG显示氧化锌颗粒分布。


生成SRS光谱以提供化学和结构信息

SRS光谱可通过执行λ扫描来生成,在此期间,SRS图像在泵浦光束的波长上以非常小的增量被捕获,以生成跨越感兴趣波数范围的图像栈。图3显示了在含有多种活性成分的皮肤用药物配方上获得的这种λ扫描图像栈。当泵浦光束扫过与拉曼光谱的指纹区相对应的波长时,不同的成分依次受到激发,因为其波数受到刺激。获得这些图像栈后,可立即选择相关特征来生成感兴趣区域(ROI)。从这些ROI中,通过绘制ROI SRS信号强度和泵浦光束波长(可转换为波数)的关系,生成SRS光谱。有时,为波长堆栈中所有图像生成最大投影有助于在一张图像中实现所有特征的可视化,确保不会遗漏任何重要特征。


皮肤用药物配方的SRS λ扫描图像堆栈。

图3:左:皮肤用药物配方的SRS λ扫描。从显示的图像栈中创建的最大投影图像,注释描述了ROI。在约2000 cm-1至1000 cm-1的范围内,以泵浦光束的0.1 nm增量获取图像。右:各ROI的SRS光谱根据SRS信号强度和波长绘制而成。


从λ扫描中生成SRS光谱后,可立即将这些光谱与单一成分的自发拉曼光谱进行比较。将光谱信息与图像中的形态信息相结合,对配方的问题分析具有重大价值,如识别是否存在多晶、共晶或氧化产物。


皮肤中成分渗透的可视化

除了分析配方本身的特性外,SRS显微镜也可用于对单一成分使用后带来的最终结果进行可视化。例如,监测化学品在皮肤中的渗透,这在药物输送和化学风险评估中具有极其重要的应用价值。图4显示了4-氰基苯酚给药后皮肤的图像。将组织冷冻切片,用SRS成像,以在2235 cm-1(品红色)处通过腈基官能团的对比来显示这种化合物的分布。在2850 cm-1处使用CH2键振动模式(红色)、在1666 cm-1处采用酰胺I(蓝色)以及使用SHG通道的胶原蛋白分布(绿色),对皮肤结构进行可视化。

图4:4-氰基苯酚给药后的猪皮肤的正向SRS和Epi-SHG合成图像。在2850 cm-1处使用CH2键振动模式(红色)、在1666 cm-1处采用酰胺I(蓝色)以及使用SHG通道的胶原蛋白分布(绿色),对皮肤结构进行可视化。在2235 cm-1处采用腈基官能团显示4-氰基苯酚的分布(品红色)。*


由于SRS信号与浓度呈线性关系,因此有可能通过图像分析提取某些定量信息,例如,化学物质的相对浓度和皮肤深度。对于在同一共焦平面上成像的物理截面,该操作合理且简单。然而,当对三维标本进行成像时,必须对激光散射和随着深度增加产生的吸收所致的信号损失进行校正。


试图对不含独特化学官能团的化学物质进行成像时,有时很难获得特定的对比度。在这种情况下,对感兴趣的分子进行氘化,可帮助将峰值转移到拉曼光谱的生物“沉默”区域,该区域的组织中几乎无自然存在的信号。这种方法可便于对敏感和化学特异性成分进行可视化,而无需引入会扰乱物理化学特性,从而扰乱药代动力学特征的荧光基团。另外,还可采用多变量数据分析方法,对不同成分进行光谱拆分


致谢

衷心感谢“分析化学信托基金”和“分析测量科学共同体”的支持。


*数据通过与英国巴斯大学的Richard Guy教授小组合作获得。本研究的资金部分由美国食品药品监督管理局资助(1U01FD006533-01)。所有观点不一定反映美国卫生与公众服务部的官方政策;提到任何商品名称、商业惯例或组织也不一定获得美国政府的认可。


参考文献:

· Saar BG, Contreras-Rojas LR, Xie XS and Guy RH (2011). Imaging drug delivery to skin with stimulated Raman scattering microscopy. Molecular Pharmaceutics. 8, 969-75.

· Belsey NA, Garrett NL, Contreras-Rojas LR, Pickup-Gerlaugh AJ, Price GJ, Moger J and Guy, RH (2014). Evaluation of drug delivery to intact and porated skin by coherent Raman scattering and fluorescence microscopies. Journal of Controlled Release, 174, 37-42.

· Chiu WS, Belsey NA, Garrett NL, Moger J, Delgado-Charro MB and Guy RH (2015). Molecular diffusion in the human nail measured by stimulated Raman scattering microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 112, 7725-7730.

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