Hvad er Raman-spektroskopi?
Raman Spectroscopy er en ikke-destruktiv kemisk analyseteknik, som giver detaljerede oplysninger om kemisk struktur, fase og polymorfi, krystallinitet og molekylære interaktioner. Det er baseret på lysets interaktion med de kemiske bindinger i et materiale.
Raman er en lysspredningsteknik, hvorved et molekyle spreder indfaldende lys fra en laserlyskilde med høj intensitet. Det meste af det spredte lys har samme bølgelængde (eller farve) som laserkilden og giver ikke nyttig information – dette kaldes Rayleigh Scatter. Imidlertid spredes en lille mængde lys (typisk 0,0000001%) ved forskellige bølgelængder (eller farver), som afhænger af analyttens kemiske struktur – dette kaldes Raman Scatter.
Et Raman-spektrum har en række toppe, der viser intensiteten og bølgelængdepositionen af det spredte Raman-lys. Hver top svarer til en specifik molekylær bindingsvibration, herunder individuelle bindinger såsom CC, C=C, NO, CH osv., og grupper af bindinger såsom benzenring-åndedrætstilstand, polymerkædevibrationer, gittertilstande osv.
Oplysninger leveret af Raman-spektroskopi
Raman-spektroskopi sonderer den kemiske struktur af et materiale og giver information om:
- Kemisk struktur og identitet
- Fase og polymorfi
- Iboende stress/belastning
- Forurening og urenhed
Et Raman-spektrum er typisk et særskilt kemisk fingeraftryk for et bestemt molekyle eller materiale og kan bruges til meget hurtigt at identificere materialet eller skelne det fra andre. Raman-spektralbiblioteker bruges ofte til identifikation af et materiale baseret på dets Raman-spektrum – biblioteker, der indeholder tusindvis af spektre, søges hurtigt for at finde et match med analyttens spektrum.
I kombination med kortlægning (eller billeddannelse) af Raman-systemer er det muligt at generere billeder baseret på prøvens Raman-spektrum. Disse billeder viser fordeling af individuelle kemiske komponenter, polymorfer og faser og variation i krystallinitet.
Raman-spektroskopi er både kvalitativ og kvantitativ.
Den generelle spektrumprofil (spidsposition og relativ spidsintensitet) giver et unikt kemisk fingeraftryk, som kan bruges til at identificere et materiale og skelne det fra andre. Ofte er selve spektret ret komplekst, så der kan søges i omfattende Raman-spektralbiblioteker for at finde et match og dermed give en kemisk identifikation.
Intensiteten af et spektrum er direkte proportional med koncentrationen. Typisk vil en kalibreringsprocedure blive brugt til at bestemme forholdet mellem spidsintensitet og koncentration, og derefter kan der foretages rutinemæssige målinger for at analysere for koncentration. Med blandinger giver relative spidsintensiteter information om den relative koncentration af komponenterne, mens absolutte spidsintensiteter kan bruges til information om absolut koncentration.
Raman bruges til mikroskopisk analyse
Raman-spektroskopi kan bruges til mikroskopisk analyse med en rumlig opløsning i størrelsesordenen 0,5-1 µm. En sådan analyse er mulig ved brug af et Raman-mikroskop.
Et Raman-mikroskop kobler et Raman-spektrometer til et standard optisk mikroskop, hvilket tillader visualisering af en prøve med høj forstørrelse og Raman-analyse med en mikroskopisk laserplet. Raman-mikroanalyse er let: Anbring blot prøven under mikroskopet, fokusér og foretag en måling.
Et ægte konfokalt Raman-mikroskop kan bruges til analyse af partikler eller volumener i mikronstørrelse. Den kan endda bruges til analyse af forskellige lag i en flerlagsprøve (f.eks. polymerbelægninger) og af forurenende stoffer og træk under overfladen af en gennemsigtig prøve (f.eks. urenheder i glas og væske/gas indeslutninger i mineraler).
Motoriserede kortlægningstrin gør det muligt at generere Raman-spektralbilleder, som indeholder mange tusinde Raman-spektre, der er erhvervet fra forskellige positioner på prøven. Falske farvebilleder kan skabes baseret på Raman-spektret – disse viser fordelingen af individuelle kemiske komponenter og variation i andre effekter såsom fase, polymorfi, stress/belastning og krystallinitet.
Historien om Raman-mikroskopi
HORIBA Scientific inkorporerer nu de største innovatører af Raman-instrumentering fra 1960’erne til 1990’erne – Spex Industries, Coderg/Lirinord/Dilor og Jobin Yvon. Fra denne begyndelse og frem til i dag har HORIBA Scientific og dets associerede virksomheder været på forkant med udviklingen af Raman-spektroskopi.
Raman-mikroskopet blev udviklet i Lille, Frankrig under ledelse af professor Michel Delhaye og Edouard DaSilva, og blev kommercielt produceret som MOLE™ (Molecular Optics Laser Examiner) af Lirinord (nu HORIBA Scientific). Det udviklede sig som den molekylære analog af Castaings elektronmikroskop. Som sådan giver den bindingsinformation om materialer i kondenseret fase; ud over påvisning af molekylær binding viste identifikation af den krystallinske fase og andre mere subtile effekter sig også af betydelig interesse.
Mikroskopet blev oprindeligt integreret med den scannende dobbeltgitter monokromator (ca. 1972). Da højfølsomme, støjsvage multikanaldetektorer blev tilgængelige (midten af 1980’erne), blev tretrinsspektrografer introduceret med mikroskopet som en integreret komponent. I 1990 blev de holografiske notch-filtre demonstreret for at give overlegen laserafvisning, så et Raman-mikroskop kunne bygges på et enkelttrinsspektrograf og give øget følsomhed. Sammenlignet med de originale scannende dobbeltmonokromatorer er indsamlingstider for sammenlignelige spektre (opløsning og signal til støj for en given lasereffekt) nu mindst to til tre størrelsesordener højere end for 35 år siden.
Disse kerneinnovationer er blevet banebrydende i HORIBA Scientific-laboratorier i det nordlige Frankrig af videnskabsmænd og ingeniører, der blev uddannet i professor Delhayes laboratorium, og udnyttede hardwaren, efterhånden som den blev tilgængelig. Dette omfattede holografiske gitre, notch-filtre, luftkølede lasere, flerkanalsdetektorer (først intensiverede diode-arrays og derefter CCD’er), højeffektcomputere og tilhørende udviklinger inden for elektronik og software.
Nyere udviklinger inden for Raman-teknikken omfatter SRS (stimuleret Raman-spredning), SERS (overfladeforstærket Raman-spredning), TERS (spidsforstærket Raman-spredning), integration med elektronmikroskoper og atomkraftmikroskoper, hybride enkeltbænksystemer (f.eks. Raman-PL) , Epifluorescens, Fotostrøm), Transmission Raman (til ægte bulkmaterialeanalyse).
På grund af det lederskab, som HORIBA Scientific og dets associerede virksomheder har spillet i industrien, har veludstyrede applikationslaboratorier med højt kvalificerede videnskabsfolk været ansat kontinuerligt i mere end 30 år med at udvikle applikationerne af disse innovative instrumenter.
Type prøver analyseret med Raman
Raman kan bruges til at analysere mange forskellige prøver. Generelt er den velegnet til analyse af:
- Faste stoffer, pulvere, væsker, geler, slam og gasser
- Uorganiske, organiske og biologiske materialer
- Rene kemikalier, blandinger og opløsninger
- Metalliske oxider og korrosion
Generelt er det ikke egnet til analyse af:
- Metaller og deres legeringer
Typiske eksempler på, hvor Raman bruges i dag, omfatter:
- Kunst og arkæologi – karakterisering af pigmenter, keramik og ædelsten
- Kulstofmaterialer – struktur og renhed af nanorør, karakterisering af defekter/lidelser
- Kemi – overvågning af struktur, renhed og reaktion
- Geologi – mineralidentifikation og -fordeling, væskeindeslutninger og faseovergange
- Livsvidenskab – enkeltceller og væv, lægemiddelinteraktioner, sygdomsdiagnose
- Farmaceutik – indholdsensartethed og komponentfordeling
- Halvledere – renhed, legeringssammensætning, iboende spændings-/belastningsmikroskop.
Analyse af faste stoffer, væsker og gasser
Raman-spektre kan erhverves fra næsten alle prøver, der indeholder ægte molekylær binding. Det betyder, at faste stoffer, pulvere, slam, væsker, geler og gasser kan analyseres ved hjælp af Raman-spektroskopi.
Selvom gasser kan analyseres ved hjælp af Raman-spektroskopi, er koncentrationen af molekyler i en gas typisk meget lav, så målingen er ofte mere udfordrende. Normalt er specialiseret udstyr såsom lasere med højere effekt og prøveceller med lang vejlængde nødvendigt. I nogle tilfælde, hvor gastrykket er højt (såsom gasindeslutninger i mineraler), kan standard Raman-instrumentering nemt bruges.
Analyse fra en blanding af materialer
Raman-spektret fra et materiale vil indeholde Raman-information om alle de molekyler, som er inden for systemets analysevolumen. Hvis der er en blanding af molekyler, vil Raman-spektret således indeholde toppe, der repræsenterer alle de forskellige molekyler. Hvis komponenterne er kendte, kan de relative spidsintensiteter bruges til at generere kvantitativ information om blandingens sammensætning. I tilfælde af komplekse matrixer kan kemometriske metoder også anvendes til at bygge kvantitative metoder.