Mi az a Raman-spektroszkópia?
A Raman-spektroszkópia egy roncsolásmentes kémiai elemzési technika, amely részletes információkat nyújt a kémiai szerkezetről, fázisról és polimorfiáról, kristályosságról és molekuláris kölcsönhatásokról. Ez a fény és az anyagon belüli kémiai kötések kölcsönhatásán alapul.
A Raman egy fényszórási technika, melynek során egy molekula szórja a nagy intenzitású lézerfényforrásból érkező fényt. A szórt fény nagy része ugyanazon a hullámhosszon (vagy színű), mint a lézerforrás, és nem ad hasznos információkat – ezt Rayleigh Scatternek hívják. Azonban kis mennyiségű fény (tipikusan 0,0000001%) különböző hullámhosszakon (vagy színeken) szóródik, ami az analit kémiai szerkezetétől függ – ezt Raman-szórásnak nevezik.
A Raman-spektrum számos csúcsot tartalmaz, amelyek a Raman-szórt fény intenzitását és hullámhossz-pozícióját mutatják. Minden csúcs egy adott molekuláris kötésrezgésnek felel meg, beleértve az egyedi kötéseket, mint például a CC, C=C, NO, CH stb., valamint a kötéscsoportokat, mint például a benzolgyűrű légzési mód, polimer lánc rezgések, rácsos módok stb.
A Raman-spektroszkópia által szolgáltatott információ
A Raman-spektroszkópia egy anyag kémiai szerkezetét vizsgálja, és információkat nyújt a következőkről:
- Kémiai szerkezet és azonosság
- Fázis és polimorfizmus
- Belső stressz/feszültség
- Szennyeződés és szennyeződés
A Raman-spektrum jellemzően egy meghatározott kémiai ujjlenyomat egy adott molekulához vagy anyaghoz, és felhasználható az anyag nagyon gyors azonosítására vagy másoktól való megkülönböztetésére. A Raman spektrumkönyvtárakat gyakran használják egy anyag Raman-spektruma alapján történő azonosítására – a több ezer spektrumot tartalmazó könyvtárakat gyorsan keresik, hogy megtalálják az analit spektrumával való egyezést.
Leképezési (vagy képalkotó) Raman-rendszerekkel kombinálva a minta Raman-spektruma alapján lehet képeket generálni. Ezek a képek az egyes kémiai komponensek, polimorfok és fázisok eloszlását, valamint a kristályosság változását mutatják be.
A Raman-spektroszkópia kvalitatív és kvantitatív is.
Az általános spektrumprofil (csúcs helyzete és relatív csúcsintenzitása) egyedi kémiai ujjlenyomatot biztosít, amely felhasználható egy anyag azonosítására és másoktól való megkülönböztetésére. A tényleges spektrum gyakran meglehetősen összetett, ezért átfogó Raman spektrumkönyvtárakat lehet keresni, hogy megtalálják a megfelelőt, és így kémiai azonosítást biztosítsanak.
A spektrum intenzitása egyenesen arányos a koncentrációval. Jellemzően kalibrációs eljárást alkalmaznak a csúcsintenzitás és a koncentráció közötti kapcsolat meghatározására, majd rutin mérésekkel lehet elemezni a koncentrációt. A keverékeknél a relatív csúcsintenzitások a komponensek relatív koncentrációjáról adnak információt, míg az abszolút csúcsintenzitások az abszolút koncentráció információhoz használhatók.
A Ramant mikroszkópos elemzéshez használják
A Raman spektroszkópia mikroszkópos elemzésre használható, 0,5-1 µm nagyságrendű térbeli felbontással. Az ilyen elemzés Raman mikroszkóp segítségével lehetséges.
A Raman-mikroszkóp egy Raman-spektrométert csatlakoztat egy szabványos optikai mikroszkóphoz, lehetővé téve a minta nagy nagyítású megjelenítését és a Raman-elemzést egy mikroszkópos lézerponttal. A Raman mikroanalízis egyszerű: egyszerűen helyezze a mintát a mikroszkóp alá, fókuszáljon, és végezzen mérést.
Egy valódi konfokális Raman mikroszkóp használható mikron méretű részecskék vagy térfogatok elemzésére. Használható akár többrétegű minták különböző rétegeinek (pl. polimer bevonatok), illetve átlátszó minta felülete alatti szennyeződések és jellemzők (pl. üvegben lévő szennyeződések, ásványokban lévő folyadék/gáz zárványok) elemzésére is.
A motorizált leképezési fokozatok lehetővé teszik Raman spektrális képek előállítását, amelyek sok ezer Raman-spektrumot tartalmaznak, amelyeket a minta különböző helyeiről szereztek. A Raman-spektrum alapján hamis színes képek készíthetők – ezek az egyes kémiai komponensek eloszlását és más hatások, például fázis, polimorfizmus, feszültség/nyúlás és kristályosság változását mutatják.
A Raman-mikroszkópia története
A HORIBA Scientific jelenleg a Raman műszerezés fő újítóit foglalja magában az 1960-as évektől az 1990-es évekig – Spex Industries, Coderg/Lirinord/Dilor és Jobin Yvon. A kezdetektől napjainkig a HORIBA Scientific és társult vállalatai élen jártak a Raman-spektroszkópia fejlesztésében.
A Raman-mikroszkópot Lille-ben, Franciaországban fejlesztették ki Michel Delhaye professzor és Edouard DaSilva irányítása alatt, és a kereskedelemben MOLE™ (Molecular Optics Laser Examiner) néven a Lirinord (ma HORIBA Scientific) gyártotta. Castaing elektronmikroszkópjának molekuláris analógjaként fejlesztették ki. Mint ilyen, kötési információt biztosít a kondenzált fázisú anyagokon; A molekuláris kötések kimutatása mellett a kristályos fázis és más finomabb hatások azonosítása is jelentős érdeklődésnek bizonyult.
A mikroszkóp kezdetben a pásztázó kettős rácsos monokromátorral volt integrálva (1972 körül). Amikor a nagy érzékenységű, alacsony zajszintű többcsatornás detektorok elérhetővé váltak (az 1980-as évek közepén), a mikroszkóp integrált komponenseként bevezették a háromlépcsős spektrográfokat. 1990-ben a holografikus bevágásos szűrőkről bebizonyosodott, hogy kiváló lézerelnyomást tesznek lehetővé, így a Raman-mikroszkóp egylépcsős spektrográfra építhető, és fokozott érzékenységet biztosít. Az eredeti pásztázó kettős monokromátorokhoz képest az összehasonlítható spektrumok gyűjtési ideje (felbontás és jel-zaj adott lézerteljesítményhez) most legalább két-három nagyságrenddel magasabb, mint 35 évvel ezelőtt.
Ezeket az alapvető innovációkat az észak-franciaországi HORIBA Tudományos Laboratóriumban vezették be azok a tudósok és mérnökök, akiket Delhaye professzor laboratóriumában képeztek ki, kihasználva a rendelkezésre álló hardvert. Ez magában foglalta a holografikus rácsokat, a hornyos szűrőket, a léghűtéses lézereket, a többcsatornás detektorokat (először erősített diódatömbök, majd a CCD-k), a nagy teljesítményű számítógépeket, valamint a kapcsolódó elektronikai és szoftverfejlesztéseket.
A Raman-technika legújabb fejlesztései közé tartozik az SRS (stimulált Raman-szórás), a SERS (felszíni fokozott Raman-szórás), a TERS (hegyekkel továbbfejlesztett Raman-szórás), az elektronmikroszkópokkal és az atomerő-mikroszkópokkal való integráció, a hibrid egypados rendszerek (pl. Raman-PL). , Epifluoreszcencia, Photocurrent), Transmission Raman (a valódi ömlesztett anyag elemzéséhez).
A HORIBA Scientific és társult vállalatai által az iparágban betöltött vezető szerepnek köszönhetően jól felszerelt alkalmazáslaboratóriumok magasan képzett tudósokkal több mint 30 éve folyamatosan dolgoznak ezen innovatív műszerek alkalmazásainak fejlesztésében.
A Raman segítségével elemzett minták típusa
A Raman számos különböző minta elemzésére használható. Általában a következők elemzésére alkalmas:
- Szilárd anyagok, porok, folyadékok, gélek, zagyok és gázok
- Szervetlen, szerves és biológiai anyagok
- Tiszta vegyszerek, keverékek és oldatok
- Fémoxidok és korrózió
Általában nem alkalmas a következők elemzésére:
- Fémek és ötvözeteik
Tipikus példák a Raman manapság használatára:
- Művészet és régészet – pigmentek, kerámiák és drágakövek jellemzése
- Szénanyagok – nanocsövek szerkezete és tisztasága, hiba/rendellenesség jellemzése
- Kémia – szerkezet, tisztaság és reakciófigyelés
- Geológia – ásványazonosítás és -eloszlás, folyadékzárványok és fázisátalakulások
- Élettudományok – egysejtek és szövetek, gyógyszerkölcsönhatások, betegségek diagnosztizálása
- Gyógyszerészet – tartalom egységessége és komponenseloszlása
- Félvezetők – tisztaság, ötvözet összetétel, belső feszültség/nyúlás mikroszkóp.
Szilárd anyagok, folyadékok és gázok elemzése
A Raman-spektrum szinte minden olyan mintából nyerhető, amely valódi molekuláris kötést tartalmaz. Ez azt jelenti, hogy szilárd anyagok, porok, zagyok, folyadékok, gélek és gázok elemezhetők Raman-spektroszkópiával.
Bár a gázok Raman-spektroszkópiával elemezhetők, a molekulák koncentrációja a gázban jellemzően nagyon alacsony, így a mérés gyakran nagyobb kihívást jelent. Általában speciális berendezésekre van szükség, például nagyobb teljesítményű lézerekre és hosszú úthosszúságú mintacellákra. Bizonyos esetekben, ahol a gáznyomás magas (például gázzárványok ásványi anyagokban), könnyen használható a szabványos Raman műszer.
Elemzés anyagok keverékéből
Az anyagból származó Raman-spektrum Raman-információkat fog tartalmazni minden olyan molekuláról, amely a rendszer elemzési térfogatán belül van. Így, ha molekulák keveréke van, a Raman-spektrum csúcsokat tartalmaz, amelyek az összes különböző molekulát reprezentálják. Ha a komponensek ismertek, a relatív csúcsintenzitások felhasználhatók a keverék összetételére vonatkozó mennyiségi információ előállítására. Komplex mátrixok esetén a kemometriai módszerek is alkalmazhatók kvantitatív módszerek felépítésére.
Recent Comments