Przewodnik po spektroskopii Raman
Raman dla początkujących autorstwa Di Yan
Ekspert ds. spektroskopii Ramana, Di Yan, stworzył z nami serię edukacyjną, w której w łatwy i zabawny sposób wyjaśnia podstawy tej techniki. Śledź nas na YouTube, aby nigdy nie przegapić żadnego odcinka!
Co to jest spektroskopia Raman?
Podstawy spektroskopii Raman
Spektroskopia Raman należy do kategorii spektroskopii wibracyjnej. Oznacza to, że analizuje próbkę chemicznie, używając światła do wywołania (wzbudzenia) ruchu molekularnego, a następnie interpretując tę interakcję.
Opiera się na nieelastycznym rozpraszaniu światła, które występuje, gdy materia jest naświetlana przez monochromatyczne źródło światła. Po tym, jak światło monochromatyczne oddziałuje z próbką, bardzo mała jego część zmieniła swoją długość fali.
Nazywa się to: efektem Ramana. Możemy teraz zebrać to światło i możemy z niego korzystać, aby uzyskać informacje o próbce.
Efekt Ramana
Kiedy fotony (światło) "uderzają" w materię, większość rozproszonego światła pozostaje niezmieniona pod względem długości fali. Na przykład, jeśli skierujesz zielony wskaźnik laserowy na ścianę, zawsze zobaczysz zieloną kropkę. Rozproszone światło ma oczywiście ten sam kolor i zjawisko to nazywa rozproszeniem Rayleigha.
Jednak mogą wystąpić również nieelastyczne procesy rozpraszania, które prowadzą do emisji światła o innej długości fali. Zwykle dzieje się tak w odniesieniu do wibracji molekularnych. To zjawisko rozpraszania, które zostało przewidziane przez Adolfa Smekala w 1923 roku i odkryte przez C.V. Ramana w 1930 roku, nazywa się efektem Ramana.
Wykorzystanie efektu Ramana do spektroskopii
Odkrycie i zrozumienie efektu Raman otworzyło drzwi do nowego rodzaju spektroskopii. Jednak dopiero po odkryciu lasera, Raman naprawdę zakorzenił się, ponieważ, jak wspomniano powyżej, spektroskopia Raman wymaga światła monochromatycznego.
W ten sposób próbka jest napromieniowana laserem, a część rozproszonego światła jest analizowana za pomocą spektrografu (technologia dyspersyjna lub FT). Na koniec otrzymujemy widmo Ramana, które pokazuje nam charakterystyczne sygnały lub "pasma" dla badanego materiału.
Jak działa spektroskopia Raman?
Zaskakujące jest to, że zbudowanie spektrometru Raman jest całkiem proste! Jeśli spojrzysz na YouTube, znajdziesz nawet filmy DIY, które pokażą Ci, jak skonfigurować bardzo prosty eksperyment w celu uzyskania danych spektralnych. Dlatego spektrometry Ramanu znajdziesz w niemal każdej formie: ręczne urządzenia Raman, mikroskopy i spektrometry procesowe.
Aby pozyskać widma Ramana, wystarczy skupić laser na próbce, którą chcesz zbadać. Jednakże, próbka ta nie może wykazywać fluorescencji lasera używanego do wzbudzenia. Jeśli tak jest, fluorescencja pokryje większość efektu Raman, ponieważ w porównaniu z nim jest bardzo słabe.
Po naświetleniu próbki światłem lasera, rozproszone światło przechodzi przez filtr (aby pozbyć się światła z lasera wzbudzającego). Następnie jest skierowane na siatkę, która rozprowadza nieelastyczne części jak pryzmat i zgodnie z długością fali. Na końcu promienie te są kierowane do sensora CCD, który następnie daje widmo w zależności od natężenia.
Jak wygląda widmo Ramana?
Na początku wspominaliśmy, że widmo Ramana zawiera określone "pasma" lub sygnały. Są one unikalne dla niektórych grup funkcjonalnych, a często również dla substancji. Dostarczają informacji o składzie chemicznym substancji, ale także krystaliczności, polimorfizmie lub zmianach ciśnienia i temperatury.
Widmo Ramana jest potężnym narzędziem do badań materiałowych, opracowywania nowych leków i wszędzie tam, gdzie wymagane są mikroanalizy chemiczne aż do zakresu nanometrów. Zgadza się, Raman może analizować próbki do 0,5 μm (500 nm). Wszystko, czego potrzebujesz, to konfokalny mikroskop ramanowski.
Więcej o: mikroskopii Ramana
Zazwyczaj światło laserowe stosowane w spektroskopii Raman znajduje się w zakresie widzialnym, co oznacza, że może swobodnie przenikać przez szkło używane w naczynkach pomiarowych lub soczewkach mikroskopowych. W związku z tym, jest możliwe, aby zintegrować spektrometr Raman z optyką standardowego mikroskopu.
W rzeczywistości, mikroskop jest bardziej preferowany od klasycznego spektrometru Raman, ponieważ oferuje możliwość wyboru punktu i pomiaru oraz nie wymaga dodatkowego przygotowania próbki. Próbka (np. włókna grafenowe) umieszcza się pod soczewką obiektywu, celuje i przeprowadza pomiar.
Mówiąc najprościej, mikroskop Raman jest laserowym urządzeniem mikroskopowym do wykonywania spektroskopii Raman. Dla Brukera mikroskopia Raman i obrazowanie odgrywają kluczową rolę, dlatego poświęciliśmy jej specjalną stronę internetową.
Często zadawane pytania dotyczące spektroskopii Raman
Co to jest spektroskopia Raman?
Spektroskopia Raman opiera się na interakcji światła z wiązaniami chemicznymi substancji. Daje to szczegółowe informacje na temat struktury chemicznej, polimorfizmu, krystaliczności i dynamiki molekularnej.
Jakie informacje dostarcza spektroskopia Raman?
Widmo Ramana jest jak chemiczny odcisk palca, który identyfikuje cząsteczkę lub materiał. Podobnie jak ludzki odcisk palca, można go porównać z bibliotekami referencyjnymi, aby bardzo szybko zidentyfikować materiał lub odróżnić go od innych. Takie biblioteki spektralne widm Ramana często zawierają setki wpisów, z którymi widmo próbki jest porównywane w celu określenia analitu.
Zapewnia wgląd w:
- Skład chemiczny i właściwości
- Krystaliczność i polimorfizm
- Zanieczyszczenia i defekty
- Ekspozycja termiczna i mechaniczna
Czy istnieją wymagania dotyczące próbek?
Raman jest uniwersalną techniką i działa zarówno dla materiałów nieorganicznych, jak i organicznych. Jednakże opiera się na dość słabym efekcie Ramana, inne efekty spektroskopowe i pewne właściwości materiału mogą go zakłócać.
W przypadku fluorescencji próbki, próbka ta nie da dobrego widma Ramana. Jednak przejście na lasery bliskiej podczerwieni (NIR) i technologię FT-Raman jest odpowiednim rozwiązaniem. Innym, bardziej istotnym problemem są silnie absorbujące próbki (np. czarne), na przykład polimery wypełnione węglem.
Jaki jest czas potrzebny na pozyskanie widma Ramana?
Czas wymagany do pomiaru Ramana zależy od kilku czynników, takich jak pożądana jakość widma, właściwości próbki i oczywiście zastosowany spektrometr Raman. Zazwyczaj dobrej jakości widma Raman można nabyć w ciągu kilku sekund.
Jakie jest zastosowanie spektroskopii Raman?
Spektroskopia Raman może być stosowana we wszystkich obszarach, w których wymagana jest nieniszcząca (mikroskopowa) analiza chemiczna i obrazowanie. Dostarcza ona odpowiedzi na jakościowe i ilościowe pytania analityczne.
Ogólnie rzecz biorąc, Raman jest łatwy w użyciu i szybko dostarcza kluczowych informacji, aby scharakteryzować skład chemiczny i strukturę próbki. Zasadniczo nie ma znaczenia, czy próbki są stałe, płynne czy gazowe.
Oto kilka zastosowań spektroskopii Raman:
- Farmaceutyki
- Geologia i minearalogia
- Półprzewodniki
- Badania materiałowe
- Life science
