Cos’è la spettroscopia Raman?
La spettroscopia Raman è una tecnica di analisi chimica non distruttiva che fornisce informazioni dettagliate sulla struttura chimica, la fase e la polimorfa, la cristallinità e le interazioni molecolari. Si basa sull’interazione della luce con i legami chimici all’interno di un materiale.
Raman è una tecnica di diffusione della luce, mediante la quale una molecola disperde la luce incidente da una sorgente di luce laser ad alta intensità. La maggior parte della luce diffusa è alla stessa lunghezza d’onda (o colore) della sorgente laser e non fornisce informazioni utili: questo è chiamato Rayleigh Scatter. Tuttavia, una piccola quantità di luce (tipicamente 0,0000001%) viene diffusa a diverse lunghezze d’onda (o colori), che dipendono dalla struttura chimica dell’analita – questo è chiamato Raman Scatter.
Uno spettro Raman presenta una serie di picchi, che mostrano l’intensità e la posizione della lunghezza d’onda della luce diffusa Raman. Ogni picco corrisponde a una specifica vibrazione del legame molecolare, inclusi legami individuali come CC, C=C, NO, CH ecc., e gruppi di legami come la modalità di respirazione dell’anello benzenico, le vibrazioni della catena polimerica, le modalità reticolari, ecc.
Informazioni fornite dalla spettroscopia Raman
La spettroscopia Raman sonda la struttura chimica di un materiale e fornisce informazioni su:
- Struttura chimica e identità
- Fase e polimorfismo
- Stress/deformazione intrinseca
- Contaminazione e impurità
Tipicamente uno spettro Raman è un’impronta chimica distinta per una particolare molecola o materiale e può essere utilizzato per identificare molto rapidamente il materiale o distinguerlo dagli altri. Le librerie spettrali Raman vengono spesso utilizzate per l’identificazione di un materiale in base al suo spettro Raman: le librerie contenenti migliaia di spettri vengono rapidamente ricercate per trovare una corrispondenza con lo spettro dell’analita.
In combinazione con i sistemi Raman di mappatura (o imaging), è possibile generare immagini basate sullo spettro Raman del campione. Queste immagini mostrano la distribuzione dei singoli componenti chimici, polimorfi e fasi e la variazione della cristallinità.
La spettroscopia Raman è sia qualitativa che quantitativa.
Il profilo dello spettro generale (posizione del picco e relativa intensità del picco) fornisce un’impronta chimica unica che può essere utilizzata per identificare un materiale e distinguerlo dagli altri. Spesso lo spettro effettivo è piuttosto complesso, quindi è possibile cercare librerie spettrali Raman complete per trovare una corrispondenza e quindi fornire un’identificazione chimica.
L’intensità di uno spettro è direttamente proporzionale alla concentrazione. In genere, verrà utilizzata una procedura di calibrazione per determinare la relazione tra l’intensità del picco e la concentrazione, quindi è possibile eseguire misurazioni di routine per analizzare la concentrazione. Con le miscele, le intensità di picco relative forniscono informazioni sulla concentrazione relativa dei componenti, mentre le intensità di picco assolute possono essere utilizzate per informazioni sulla concentrazione assoluta.
Raman è usato per l’analisi microscopica
La spettroscopia Raman può essere utilizzata per l’analisi microscopica, con una risoluzione spaziale dell’ordine di 0,5-1 µm. Tale analisi è possibile utilizzando un microscopio Raman.
Un microscopio Raman accoppia uno spettrometro Raman a un microscopio ottico standard, consentendo la visualizzazione ad alto ingrandimento di un campione e l’analisi Raman con un punto laser microscopico. La microanalisi Raman è facile: basta posizionare il campione sotto il microscopio, mettere a fuoco ed effettuare una misurazione.
Un vero microscopio Raman confocale può essere utilizzato per l’analisi di particelle o volumi di dimensioni micron. Può anche essere utilizzato per l’analisi di diversi strati in un campione multistrato (ad esempio, rivestimenti polimerici) e di contaminanti e caratteristiche sotto la superficie di un campione trasparente (ad esempio, impurità all’interno del vetro e inclusioni di fluido/gas nei minerali).
Le fasi di mappatura motorizzata consentono di generare immagini spettrali Raman, che contengono molte migliaia di spettri Raman acquisiti da diverse posizioni sul campione. È possibile creare immagini in falsi colori in base allo spettro Raman, che mostrano la distribuzione dei singoli componenti chimici e la variazione di altri effetti come fase, polimorfismo, stress/deformazione e cristallinità.
Storia della microscopia Raman
HORIBA Scientific ora incorpora i principali innovatori della strumentazione Raman dagli anni ’60 agli anni ’90: Spex Industries, Coderg/Lirinord/Dilor e Jobin Yvon. Da questi inizi fino ai giorni nostri, HORIBA Scientific e le sue società associate sono state in prima linea nello sviluppo della spettroscopia Raman.
Il microscopio Raman è stato sviluppato a Lille, in Francia, sotto la direzione del Professor Michel Delhaye e di Edouard DaSilva, ed è stato prodotto commercialmente come MOLE™ (Molecular Optics Laser Examiner) da Lirinord (ora HORIBA Scientific). Si è sviluppato come l’analogo molecolare del microscopio elettronico di Castaing. In quanto tale fornisce informazioni sull’incollaggio sui materiali in fase condensata; oltre alla rivelazione del legame molecolare, anche l’identificazione della fase cristallina e altri effetti più sottili si sono rivelati di notevole interesse.
Il microscopio è stato inizialmente integrato con il monocromatore a scansione a doppio reticolo (1972 circa). Quando sono diventati disponibili rilevatori multicanale ad alta sensibilità e basso rumore (metà degli anni ’80), sono stati introdotti spettrografi a triplo stadio con il microscopio come componente integrato. Nel 1990 è stato dimostrato che i filtri notch olografici forniscono una reiezione laser superiore in modo che un microscopio Raman possa essere costruito su uno spettrografo a stadio singolo e fornire una maggiore sensibilità. Rispetto ai doppi monocromatori a scansione originali, i tempi di raccolta per spettri comparabili (risoluzione e segnale-rumore per una data potenza laser) sono ora almeno due o tre ordini di grandezza superiori a quelli di 35 anni fa.
Queste innovazioni fondamentali sono state sperimentate nei laboratori HORIBA Scientific nel nord della Francia da scienziati e ingegneri che sono stati formati nel laboratorio del professor Delhaye, sfruttando l’hardware non appena disponibile. Ciò includeva reticoli olografici, filtri notch, laser raffreddati ad aria, rivelatori multicanale (prima array di diodi intensificati e poi CCD), computer ad alta potenza e sviluppi associati nell’elettronica e nel software.
Sviluppi più recenti nella tecnica Raman includono SRS (Stimulated Raman Scattering), SERS (surface enhanced Raman scattering), TERS (tip enhanced Raman scattering), integrazione con microscopi elettronici e microscopi a forza atomica, sistemi ibridi a banco singolo (ad es. Raman-PL , Epifluorescenza, Fotocorrente), Transmission Raman (per l’analisi di materiali sfusi reali).
Grazie alla leadership che HORIBA Scientific e le sue società associate hanno ricoperto nel settore, laboratori applicativi ben attrezzati con scienziati altamente qualificati sono stati impiegati ininterrottamente per oltre 30 anni nello sviluppo delle applicazioni di questi strumenti innovativi.
Tipologia di campioni analizzati con Raman
Raman può essere utilizzato per analizzare molti campioni diversi. In generale è adatto per l’analisi di:
- Solidi, polveri, liquidi, gel, fanghi e gas
- Materiali inorganici, organici e biologici
- Prodotti chimici puri, miscele e soluzioni
- Ossidi metallici e corrosione
In generale non è adatto per l’analisi di:
- Metalli e loro leghe
Esempi tipici di dove viene utilizzato Raman oggi includono:
- Arte e archeologia – caratterizzazione di pigmenti, ceramiche e pietre preziose
- Materiali di carbonio – struttura e purezza dei nanotubi, caratterizzazione di difetti/disordini
- Chimica: struttura, purezza e monitoraggio della reazione
- Geologia: identificazione e distribuzione dei minerali, inclusioni fluide e transizioni di fase
- Scienze della vita: singole cellule e tessuti, interazioni farmacologiche, diagnosi di malattie
- Farmaceutica: uniformità del contenuto e distribuzione dei componenti
- Semiconduttori: purezza, composizione della lega, microscopio a sollecitazione/deformazione intrinseca.
Analisi di solidi, liquidi e gas
Gli spettri Raman possono essere acquisiti da quasi tutti i campioni che contengono un vero legame molecolare. Ciò significa che solidi, polveri, fanghi, liquidi, gel e gas possono essere analizzati utilizzando la spettroscopia Raman.
Sebbene i gas possano essere analizzati utilizzando la spettroscopia Raman, la concentrazione di molecole in un gas è in genere molto bassa, quindi la misurazione è spesso più impegnativa. Solitamente sono necessarie apparecchiature specializzate come laser di potenza superiore e celle campione a lungo percorso. In alcuni casi in cui le pressioni del gas sono elevate (come inclusioni di gas nei minerali) è possibile utilizzare facilmente la strumentazione Raman standard.
Analisi da una miscela di materiali
Lo spettro Raman di un materiale conterrà informazioni Raman su tutte le molecole che si trovano all’interno del volume di analisi del sistema. Pertanto, se esiste una miscela di molecole, lo spettro Raman conterrà picchi che rappresentano tutte le diverse molecole. Se i componenti sono noti, le relative intensità di picco possono essere utilizzate per generare informazioni quantitative sulla composizione della miscela. In caso di matrici complesse, i metodi chemiometrici potrebbero essere utilizzati anche per costruire metodi quantitativi.
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