Τι είναι η Φασματοσκοπία Raman;
Η φασματοσκοπία Raman είναι μια μη καταστροφική τεχνική χημικής ανάλυσης που παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τη χημική δομή, τη φάση και την πολυμορφία, την κρυσταλλικότητα και τις μοριακές αλληλεπιδράσεις. Βασίζεται στην αλληλεπίδραση του φωτός με τους χημικούς δεσμούς μέσα σε ένα υλικό.
Το Raman είναι μια τεχνική σκέδασης φωτός, όπου ένα μόριο διασκορπίζει το προσπίπτον φως από μια πηγή φωτός λέιζερ υψηλής έντασης. Το μεγαλύτερο μέρος του σκεδαζόμενου φωτός είναι στο ίδιο μήκος κύματος (ή χρώμα) με την πηγή λέιζερ και δεν παρέχει χρήσιμες πληροφορίες – αυτό ονομάζεται σκέδαση Rayleigh. Ωστόσο, μια μικρή ποσότητα φωτός (συνήθως 0,0000001%) διασκορπίζεται σε διαφορετικά μήκη κύματος (ή χρώματα), τα οποία εξαρτώνται από τη χημική δομή της αναλυόμενης ουσίας – αυτό ονομάζεται Scatter Raman.
Ένα φάσμα Raman διαθέτει έναν αριθμό κορυφών, που δείχνουν την ένταση και τη θέση του μήκους κύματος του σκεδαζόμενου φωτός Raman. Κάθε κορυφή αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη δόνηση μοριακού δεσμού, συμπεριλαμβανομένων μεμονωμένων δεσμών όπως CC, C=C, NO, CH κ.λπ., και ομάδες δεσμών όπως λειτουργία αναπνοής δακτυλίου βενζολίου, δονήσεις αλυσίδας πολυμερούς, λειτουργίες πλέγματος κ.λπ.
Πληροφορίες παρέχονται από τη φασματοσκοπία Raman
Η φασματοσκοπία Raman ανιχνεύει τη χημική δομή ενός υλικού και παρέχει πληροφορίες σχετικά με:
- Χημική δομή και ταυτότητα
- Φάση και πολυμορφισμός
- Εγγενές στρες/καταπόνηση
- Μόλυνση και ακαθαρσία
Τυπικά, το φάσμα Raman είναι ένα ξεχωριστό χημικό αποτύπωμα για ένα συγκεκριμένο μόριο ή υλικό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πολύ γρήγορη αναγνώριση του υλικού ή τη διάκρισή του από άλλα. Οι φασματικές βιβλιοθήκες Raman χρησιμοποιούνται συχνά για την αναγνώριση ενός υλικού με βάση το φάσμα Raman – οι βιβλιοθήκες που περιέχουν χιλιάδες φάσματα αναζητούνται γρήγορα για να βρεθεί μια αντιστοιχία με το φάσμα της αναλυόμενης ουσίας.
Σε συνδυασμό με συστήματα χαρτογράφησης (ή απεικόνισης) Raman, είναι δυνατή η δημιουργία εικόνων με βάση το φάσμα Raman του δείγματος. Αυτές οι εικόνες δείχνουν κατανομή μεμονωμένων χημικών συστατικών, πολυμορφών και φάσεων, και διακύμανση στην κρυσταλλικότητα.
Η φασματοσκοπία Raman είναι τόσο ποιοτική όσο και ποσοτική.
Το γενικό προφίλ φάσματος (θέση κορυφής και σχετική ένταση κορυφής) παρέχει ένα μοναδικό χημικό αποτύπωμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση ενός υλικού και τη διάκρισή του από άλλα. Συχνά το πραγματικό φάσμα είναι αρκετά περίπλοκο, επομένως οι περιεκτικές φασματικές βιβλιοθήκες Raman μπορούν να αναζητηθούν για να βρεθεί ένα ταίριασμα, και έτσι να παρέχεται μια χημική ταυτοποίηση.
Η ένταση ενός φάσματος είναι ευθέως ανάλογη με τη συγκέντρωση. Συνήθως, θα χρησιμοποιηθεί μια διαδικασία βαθμονόμησης για τον προσδιορισμό της σχέσης μεταξύ της έντασης αιχμής και της συγκέντρωσης και στη συνέχεια μπορούν να γίνουν μετρήσεις ρουτίνας για ανάλυση συγκέντρωσης. Στα μείγματα, οι σχετικές εντάσεις κορυφής παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τη σχετική συγκέντρωση των συστατικών, ενώ οι απόλυτες εντάσεις κορυφής μπορούν να χρησιμοποιηθούν για πληροφορίες απόλυτης συγκέντρωσης.
Το Raman χρησιμοποιείται για μικροσκοπική ανάλυση
Η φασματοσκοπία Raman μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μικροσκοπική ανάλυση, με χωρική ανάλυση της τάξης των 0,5-1 μm. Μια τέτοια ανάλυση είναι δυνατή με τη χρήση μικροσκοπίου Raman.
Ένα μικροσκόπιο Raman συνδέει ένα φασματόμετρο Raman με ένα τυπικό οπτικό μικροσκόπιο, επιτρέποντας την απεικόνιση υψηλής μεγέθυνσης ενός δείγματος και την ανάλυση Raman με ένα μικροσκοπικό σημείο λέιζερ. Η μικροανάλυση Raman είναι εύκολη: απλώς τοποθετήστε το δείγμα κάτω από το μικροσκόπιο, εστιάστε και κάντε μια μέτρηση.
Ένα πραγματικό ομοεστιακό μικροσκόπιο Raman μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση σωματιδίων ή όγκων μεγέθους micron. Μπορεί ακόμη και να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση διαφορετικών στρωμάτων σε ένα πολυστρωματικό δείγμα (π.χ. επικαλύψεις πολυμερών) και μολυσματικών ουσιών και χαρακτηριστικών κάτω από την επιφάνεια ενός διαφανούς δείγματος (π.χ. ακαθαρσίες μέσα στο γυαλί και εγκλείσματα υγρών/αερίων σε ορυκτά).
Τα μηχανοκίνητα στάδια χαρτογράφησης επιτρέπουν τη δημιουργία φασματικών εικόνων Raman, οι οποίες περιέχουν πολλές χιλιάδες φάσματα Raman που λαμβάνονται από διαφορετικές θέσεις στο δείγμα. Μπορούν να δημιουργηθούν ψευδείς έγχρωμες εικόνες με βάση το φάσμα Raman – αυτές δείχνουν την κατανομή των μεμονωμένων χημικών συστατικών και τη διακύμανση άλλων επιπτώσεων όπως η φάση, ο πολυμορφισμός, η τάση/παραμόρφωση και η κρυσταλλικότητα.
Ιστορία της μικροσκοπίας Raman
Η HORIBA Scientific ενσωματώνει τώρα τους κύριους καινοτόμους των οργάνων Raman από τη δεκαετία του 1960 έως τη δεκαετία του 1990 – Spex Industries, Coderg/Lirinord/Dilor και Jobin Yvon. Από αυτές τις αρχές μέχρι σήμερα, η HORIBA Scientific και οι συνδεδεμένες εταιρείες της βρίσκονται στην πρώτη γραμμή της ανάπτυξης της φασματοσκοπίας Raman.
Το μικροσκόπιο Raman αναπτύχθηκε στη Λιλ της Γαλλίας υπό τη διεύθυνση του καθηγητή Michel Delhaye και του Edouard DaSilva και κατασκευάστηκε εμπορικά ως MOLE™ (Molecular Optics Laser Examiner) από τη Lirinord (τώρα HORIBA Scientific). Αναπτύχθηκε ως το μοριακό ανάλογο του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου Castaing. Ως εκ τούτου, παρέχει πληροφορίες συγκόλλησης για υλικά συμπυκνωμένης φάσης. Εκτός από την ανίχνευση μοριακών δεσμών, η αναγνώριση της κρυσταλλικής φάσης και άλλα πιο λεπτεπίλεπτα αποτελέσματα αποδείχθηκαν επίσης σημαντικό ενδιαφέρον.
Το μικροσκόπιο αρχικά ενσωματώθηκε με τον μονόχρωμο διπλού πλέγματος σάρωσης (περ. 1972). Όταν έγιναν διαθέσιμοι πολυκαναλικοί ανιχνευτές υψηλής ευαισθησίας και χαμηλού θορύβου (μέσα της δεκαετίας του 1980), εισήχθησαν φασματογράφοι τριών σταδίων με το μικροσκόπιο ως ενσωματωμένο εξάρτημα. Το 1990 αποδείχθηκε ότι τα ολογραφικά φίλτρα εγκοπής παρέχουν ανώτερη απόρριψη λέιζερ, έτσι ώστε ένα μικροσκόπιο Raman να μπορεί να κατασκευαστεί σε ένα φασματογράφο ενός σταδίου και να παρέχει αυξημένη ευαισθησία. Σε σύγκριση με τους αρχικούς διπλούς μονοχρωμάτες σάρωσης, οι χρόνοι συλλογής για συγκρίσιμα φάσματα (ανάλυση και σήμα προς θόρυβο για μια δεδομένη ισχύ λέιζερ) είναι τώρα τουλάχιστον δύο έως τρεις τάξεις μεγέθους υψηλότεροι από αυτόν που ήταν πριν από 35 χρόνια.
Αυτές οι βασικές καινοτομίες πρωτοστάτησαν στα επιστημονικά εργαστήρια HORIBA στη βόρεια Γαλλία από επιστήμονες και μηχανικούς που εκπαιδεύτηκαν στο εργαστήριο του καθηγητή Delhaye, εκμεταλλευόμενοι το υλικό που ήταν διαθέσιμο. Αυτό περιελάμβανε ολογραφικές σχάρες, φίλτρα εγκοπής, αερόψυκτα λέιζερ, πολυκάναλους ανιχνευτές (πρώτα ενισχυμένες συστοιχίες διόδων και μετά CCD), υπολογιστές υψηλής ισχύος και σχετικές εξελίξεις στα ηλεκτρονικά και το λογισμικό.
Οι πιο πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνική Raman περιλαμβάνουν SRS (Stimulated Raman Scattering), SERS (επιφανειακή ενισχυμένη σκέδαση Raman), TERS (βελτιωμένη σκέδαση Raman στην άκρη), ενσωμάτωση με ηλεκτρονικά μικροσκόπια και μικροσκόπια ατομικής δύναμης, υβριδικά συστήματα μονής πάγκου (π.χ. Raman-PL , Epifluorescence, Photocurrent), Transmission Raman (για ανάλυση πραγματικού όγκου υλικού).
Λόγω της ηγετικής θέσης της HORIBA Scientific και των συνδεδεμένων με αυτήν εταιρειών στον κλάδο, άρτια εξοπλισμένα εργαστήρια εφαρμογών με υψηλά καταρτισμένους επιστήμονες εργάζονται συνεχώς για περισσότερα από 30 χρόνια για την ανάπτυξη των εφαρμογών αυτών των καινοτόμων οργάνων.
Τύπος δειγμάτων που αναλύθηκαν με Raman
Το Raman μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση πολλών διαφορετικών δειγμάτων. Γενικά είναι κατάλληλο για ανάλυση:
- Στερεά, σκόνες, υγρά, πηκτές, εναιωρήματα και αέρια
- Ανόργανα, οργανικά και βιολογικά υλικά
- Καθαρά χημικά, μείγματα και διαλύματα
- Οξείδια μετάλλων και διάβρωση
Γενικά δεν είναι κατάλληλο για ανάλυση:
- Μέταλλα και τα κράματά τους
Τυπικά παραδείγματα όπου χρησιμοποιείται το Raman σήμερα περιλαμβάνουν:
- Τέχνη και αρχαιολογία – χαρακτηρισμός χρωστικών, κεραμικών και πολύτιμων λίθων
- Υλικά άνθρακα – δομή και καθαρότητα νανοσωλήνων, χαρακτηρισμός ελαττώματος/διαταραχής
- Χημεία – παρακολούθηση δομής, καθαρότητας και αντίδρασης
- Γεωλογία – αναγνώριση και κατανομή ορυκτών, εγκλείσματα ρευστών και μεταπτώσεις φάσεων
- Επιστήμες της ζωής – μεμονωμένα κύτταρα και ιστοί, αλληλεπιδράσεις φαρμάκων, διάγνωση ασθενειών
- Φαρμακευτικά – ομοιομορφία περιεχομένου και κατανομή συστατικών
- Ημιαγωγοί – καθαρότητα, σύνθεση κράματος, ενδογενές μικροσκόπιο τάσης/παραμόρφωσης.
Ανάλυση στερεών, υγρών και αερίων
Τα φάσματα Raman μπορούν να ληφθούν από σχεδόν όλα τα δείγματα που περιέχουν αληθινούς μοριακούς δεσμούς. Αυτό σημαίνει ότι στερεά, σκόνες, πολτός, υγρά, γέλες και αέρια μπορούν να αναλυθούν χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία Raman.
Αν και τα αέρια μπορούν να αναλυθούν χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία Raman, η συγκέντρωση των μορίων σε ένα αέριο είναι συνήθως πολύ χαμηλή, επομένως η μέτρηση είναι συχνά πιο δύσκολη. Συνήθως απαιτείται εξειδικευμένος εξοπλισμός όπως λέιζερ υψηλότερης ισχύος και κελιά δείγματος μεγάλης διαδρομής. Σε ορισμένες περιπτώσεις όπου οι πιέσεις αερίων είναι υψηλές (όπως τα εγκλείσματα αερίων σε ορυκτά) μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν τα τυπικά όργανα Raman.
Ανάλυση από μείγμα υλικών
Το φάσμα Raman από ένα υλικό θα περιέχει πληροφορίες Raman για όλα τα μόρια που βρίσκονται εντός του όγκου ανάλυσης του συστήματος. Έτσι, εάν υπάρχει ένα μείγμα μορίων, το φάσμα Raman θα περιέχει κορυφές που αντιπροσωπεύουν όλα τα διαφορετικά μόρια. Εάν τα συστατικά είναι γνωστά, οι σχετικές εντάσεις κορυφής μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία ποσοτικών πληροφοριών σχετικά με τη σύνθεση του μείγματος. Στην περίπτωση πολύπλοκων πινάκων, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθούν χημειομετρικές μέθοδοι για τη δημιουργία ποσοτικών μεθόδων.
Recent Comments