Spectroscopia Raman este o tehnica de analiza chimica nedistructiva care ofera informatii detaliate despre structura chimica, faza si polimorfie, cristalinitate si interactiuni moleculare. Se bazeaza pe interactiunea luminii cu legaturile chimice dintr-un material.
Raman este o tehnica de dispersie a luminii, in care o molecula disperseaza lumina incidenta de la o sursa de lumina laser de mare intensitate. Cea mai mare parte a luminii dispersate are aceeasi lungime de unda (sau culoare) ca sursa laser si nu ofera informatii utile – acest lucru este numit Dispersia Rayleigh. Cu toate acestea, o mica cantitate de lumina (de obicei 0,0000001%) este dispersata la diferite lungimi de unda (sau culori), care depind de structura chimica a materialului – acest lucru este numit Dispersia Raman.
Un spectru Raman prezinta un numar de varfuri, aratand intensitatea si lungimea de unda a luminii dispersate Raman. Fiecare varf corespunde unei vibratii de legatura moleculara specifica, inclusiv legaturi individuale cum ar fi C-C, C=C, N-O, C-H etc., si grupuri de legaturi cum ar fi modul de respiratie al inelului de benzen, vibratiile lantului polimeric, modurile reticulare, etc.
Informatii furnizate de Spectroscopia Raman
Spectroscopia Raman investigheaza structura chimica a unui material si ofera informatii despre:
- Structura chimica si identitatea
- Faza si polimorfie
- Stres/deformatii intrinseciContaminare si impuritati
De obicei, un spectru Raman reprezinta o amprenta chimica distincta pentru o anumita molecula sau material si poate fi utilizat pentru identificarea rapida a materialului sau pentru a-l distinge de altele. Bibliotecile spectrale Raman sunt adesea utilizate pentru identificarea unui material pe baza spectrului sau Raman – bibliotecile contin mii de spectre cautate rapid pentru a gasi o potrivire cu spectrul analitului.
In combinatie cu sistemele Raman de cartografiere (sau imagistica), este posibil sa se genereze imagini bazate pe spectrul Raman al esantionului. Aceste imagini arata distributia componentelor chimice individuale, polimorfele si fazelor, si variatia cristalinitatii.
Spectroscopia Raman este atat calitativa, cat si cantitativa
Profilul general al spectrului (pozitia varfului si intensitatea maxima relativa) ofera o amprenta chimica unica care poate fi utilizata pentru identificarea unui material si pentru a-l distinge de altele. De multe ori, spectrul real este destul de complex, astfel incat bibliotecile spectrale Raman cuprinzatoare pot fi cautate pentru a gasi o corespondenta si, astfel, furnizand o identificare chimica.
Intensitatea unui spectru este direct proportionala cu concentratia. De obicei, un procedeu de calibrare va fi folosit pentru a determina relatia dintre intensitatea varfului si concentratie, iar apoi pot fi facute masuratori obisnuite pentru a analiza concentratia. In cazul amestecurilor, intensitatile relative ale varfurilor ofera informatii despre concentratia relativa a componentelor, in timp ce intensitatile absolute ale varfurilor pot fi utilizate pentru informatii despre concentratia absoluta.
Spectroscopia Raman este folosita pentru analize microscopice.
Spectroscopia Raman poate fi folosita pentru analiza microscopica, cu o rezolutie spatiala de aproximativ 0,5-1 μm. O astfel de analiza este posibila folosind un microscop Raman.
Un microscop Raman cupleaza un spectrometru Raman la un microscop optic standard, permitand vizualizarea cu marire mare a unei probe si analiza Raman cu un punct laser microscopic. Microanaliza Raman este usoara: plasati pur si simplu proba sub microscop, focalizati si faceti o masuratoare.
Un microscop Raman confocal poate fi folosit pentru analiza particulelor si a volumelor de dimensiuni micronice. Poate fi folosit chiar si pentru analiza diferitelor straturi dintr-o proba multistrat (de exemplu, acoperiri polimerice) si a contaminantilor si caracteristicilor sub suprafata unui esantion transparent (de exemplu, impuritati in sticla si incluziuni de fluide/gazoase in minerale).
Platformele de cartografiere motorizate permit generarea de imagini spectrale Raman, care contin multe mii de spectre Raman obtinute din diferite pozitii ale probei. Imaginile cu culori false pot fi create pe baza spectrului Raman – acestea arata distributia componentelor chimice individuale si variatii ale altor efecte, cum ar fi faza, polimorfismul, stres/deformatie si cristalinitate.
Istoria microscopiei Raman
HORIBA Scientific incorporeaza acum principalii inovatori ai instrumentatiei Raman din anii 1960-1990 – Spex Industries, Coderg/Lirinord/Dilor si Jobin Yvon. De la aceste inceputuri pana in prezent, HORIBA Scientific si companiile sale asociate au fost in fruntea dezvoltarii spectroscopiei Raman.
Microscopul Raman a fost dezvoltat in Lille, Franta sub conducerea profesorului Michel Delhaye si a lui Edouard DaSilva, si a fost produs comercial sub numele MOLE™ (Examinator Molecular de Optica) de Lirinord (acum HORIBA Scientific). S-a dezvoltat ca analog molecular al microscopului electronic al lui Castaing. Ca atare, ofera informatii despre legaturi pe materialele in stare condensata; pe langa detectarea legaturii moleculare, identificarea fazei cristaline si alte efecte mai subtile s-au dovedit, de asemenea, de un interes semnificativ.
Microscopul a fost initial integrat cu monocromatorul dublu de scanare (cca. 1972). Cand detectoarele multicanal cu sensibilitate ridicata si zgomot redus au devenit disponibile (mijlocul anilor 1980), au fost introduse spectrografele cu trei etape impreuna cu microscopul ca componenta integrata. In 1990, s-a demonstrat ca filtrele holografice cu crestatura ofera o respingere superioara a laserului, astfel incat un microscop Raman poate fi construit pe un singur spectrograf si sa ofere o sensibilitate imbunatatita. Comparativ cu monocromatoarele duble de scanare originale, timpul de colectare pentru spectre comparabile (rezolutia si raportul semnal-zgomot pentru o anumita putere a laserului) este acum cu cel putin doua sau trei ordine de marime mai mare decat acum 35 de ani.
Aceste inovatii de baza au fost pionierate in laboratoarele HORIBA Scientific din nordul Frantei de catre oamenii de stiinta si inginerii care au fost instruiti in laboratorul profesorului Delhaye, profitand de hardware-ul pe masura ce acesta devenea disponibil. Aceasta a inclus gratiile holografice, filtrele cu caneluri, laserele racite cu aer, detectoarele multicanal (primele aranjamente de diode intensificate si apoi CCD-uri), calculatoare puternice si dezvoltari asociate in electronica si software.
Dezvoltarile recente in tehnica Raman includ SRS (dispersia Raman stimulata), SERS (dispersia Raman imbunatatita la suprafata), TERS (dispersia Raman imbunatatita de varf), integrarea cu microscoape electronice si microscoape cu forta atomica, sisteme hibride cu un singur banc (de exemplu, Raman-PL, Epifluorescenta, Fotocurent), Raman de transmisie (pentru analiza reala a materialului vrac).
Datorita rolului de lider pe care HORIBA Scientific si companiile sale asociate l-au jucat in industrie, laboratoarele de aplicatii bine echipate, cu oameni de stiinta foarte calificati, au fost angajate continuu timp de peste 30 de ani in dezvoltarea aplicatiilor acestor instrumente inovatoare.
Tipuri de mostre analizate cu ajutorul spectroscopiei Raman
Spectroscopia Raman poate fi utilizata pentru analiza a numeroase tipuri de mostre. In general, este potrivita pentru analiza:
Solidelor, pulberilor, lichidelor, gelurilor, suspensiilor si gazelor
Materialelor anorganice, organice si biologice
Substantelor chimice pure, amestecurilor si solutiilor
Oxizilor metalici si coroziunea
In general, nu este potrivita pentru analiza:
Metalelor si aliajelor lor
Exemple tipice in care spectroscopia Raman este folosita in prezent includ:
Arta si arheologie – caracterizarea pigmentelor, ceramicii si pietrelor pretioase
Materiale carbonice – structura si puritatea nanotuburilor, caracterizarea defectelor
Chimie – structura, puritate si monitorizare reactionala
Geologie – identificarea si distributia mineralului, incluziuni fluide si tranzitii de faza
Stiintele vietii – celule si tesuturi individuale, interactiuni medicamentoase, diagnosticarea bolilor
Farmaceutica – uniformitatea continutului si distributia componentelor
Semiconductori – puritate, compozitie aliaj, microscopie a stresului/deformatiei intrinseci
Analiza solidelor, lichidelor si gazelor
Spectrele Raman pot fi obtinute de la aproape toate mostrele care contin legaturi moleculare reale. Acest lucru inseamna ca spectroscopia Raman poate analiza solide, pulberi, suspensii, lichide, geluri si gaze.
Desi gazele pot fi analizate folosind spectroscopia Raman, concentratia moleculelor intr-un gaz este, de obicei, foarte mica, asa ca masurarea este adesea mai dificila. De obicei, sunt necesare echipamente specializate, cum ar fi lasere cu putere mai mare si celule de esantionare cu lungime mare. In unele cazuri in care presiunile gazului sunt ridicate (cum ar fi incluziunile de gaze in minerale), instrumentatia Raman standard poate fi utilizata fara probleme.
Analiza dintr-un amestec de materiale
Spectrul Raman al unui material va contine informatii Raman despre toate moleculele care se afla in volumul de analiza al sistemului. Prin urmare, daca exista un amestec de molecule, spectrul Raman va contine varfuri care reprezinta toate moleculele diferite. Daca componentele sunt cunoscute, intensitatile relative ale varfurilor pot fi folosite pentru a genera informatii cantitative despre compozitia amestecului. In cazul matricelor complexe, pot fi folosite si metodele de cromatometrie pentru a construi metode cantitative.
