Widmo Ramana zawiera wiele pików, pokazujących intensywność i długość fali światła rozproszonego Ramana. Każdy pik odpowiada określonej wibracji wiązania molekularnego, w tym pojedynczym wiązaniom, takim jak CC, C=C, NO, CH itp., oraz grupom wiązań, takim jak tryb oddychania pierścienia benzenowego, wibracje łańcucha polimerowego, tryby sieci itp.

Informacje dostarczone przez spektroskopię Ramana

Spektroskopia Ramana ma charakter zarówno jakościowy, jak i ilościowy.

Ogólny profil widma (pozycja piku i względna intensywność piku) zapewnia unikalny chemiczny odcisk palca, który można wykorzystać do identyfikacji materiału i odróżnienia go od innych. Często rzeczywiste widmo jest dość złożone, więc kompleksowe biblioteki widm Ramana można przeszukiwać, aby znaleźć dopasowanie, a tym samym zapewnić identyfikację chemiczną.

Intensywność widma jest wprost proporcjonalna do stężenia. Zazwyczaj do określenia zależności między intensywnością piku a stężeniem stosuje się procedurę kalibracji, a następnie można przeprowadzić rutynowe pomiary w celu analizy stężenia. W przypadku mieszanin względne intensywności pików dostarczają informacji o względnym stężeniu składników, podczas gdy bezwzględne intensywności pików mogą być wykorzystywane do informacji o bezwzględnym stężeniu.

Raman jest używany do analizy mikroskopowej

Prawdziwie konfokalny mikroskop Ramana może być używany do analizy cząstek lub objętości o rozmiarach mikronowych. Może być nawet stosowany do analizy różnych warstw w próbce wielowarstwowej (np. powłoki polimerowe) oraz zanieczyszczeń i cech pod powierzchnią przezroczystej próbki (np. zanieczyszczeń w szkle i wtrąceń płynu/gazu w minerałach).

Zmotoryzowane etapy mapowania umożliwiają generowanie obrazów widmowych Ramana, które zawierają wiele tysięcy widm Ramana uzyskanych z różnych pozycji na próbce. Obrazy z fałszywymi kolorami można tworzyć w oparciu o widmo Ramana – pokazują one rozkład poszczególnych składników chemicznych i zmienność innych efektów, takich jak faza, polimorfizm, naprężenie/odkształcenie i krystaliczność.

Historia mikroskopii ramanowskiej

HORIBA Scientific obejmuje obecnie największych innowatorów oprzyrządowania Ramana od lat 60. do 90. – Spex Industries, Codeerg/Lirinord/Dilor i Jobin Yvon. Od tych początków do dnia dzisiejszego HORIBA Scientific i powiązane z nią firmy są w czołówce rozwoju spektroskopii Ramana.

Mikroskop Ramana został opracowany w Lille we Francji pod kierunkiem profesora Michela Delhaye i Edouarda DaSilva i został wyprodukowany komercyjnie jako MOLE™ (Molecular Optics Laser Examiner) przez firmę Lirinord (obecnie HORIBA Scientific). Został opracowany jako molekularny analog mikroskopu elektronowego Castainga. Jako taki dostarcza informacji o wiązaniu materiałów w fazie skondensowanej; oprócz wykrywania wiązań molekularnych duże zainteresowanie okazało się również identyfikacją fazy krystalicznej i innych, bardziej subtelnych efektów.

Mikroskop był początkowo zintegrowany ze skaningowym monochromatorem z podwójną siatką (ok. 1972 r.). Kiedy dostępne stały się detektory wielokanałowe o wysokiej czułości i niskim poziomie szumów (połowa lat 80.), wprowadzono spektrografy trójstopniowe z mikroskopem jako zintegrowanym elementem. W 1990 roku zademonstrowano, że holograficzne filtry z wycięciem zapewniają lepszą eliminację lasera, dzięki czemu mikroskop Ramana można zbudować na spektrografie jednostopniowym i zapewnić zwiększoną czułość. W porównaniu z oryginalnymi podwójnymi monochromatorami skanującymi, czasy zbierania porównywalnych widm (rozdzielczość i stosunek sygnału do szumu dla danej mocy lasera) są obecnie co najmniej dwa do trzech rzędów wielkości wyższe niż 35 lat temu.

Te kluczowe innowacje zostały zapoczątkowane w laboratoriach naukowych HORIBA w północnej Francji przez naukowców i inżynierów, którzy zostali przeszkoleni w laboratorium profesora Delhaye, wykorzystując dostępny sprzęt. Obejmowały one siatki holograficzne, filtry wycinające, lasery chłodzone powietrzem, detektory wielokanałowe (najpierw zintensyfikowane układy diodowe, a następnie CCD), komputery o dużej mocy i powiązane osiągnięcia w elektronice i oprogramowaniu.

Nowsze osiągnięcia w technice Ramana obejmują SRS (stymulowane rozpraszanie ramanowskie), SERS (powierzchniowe wzmocnione rozpraszanie ramanowskie), TERS (wzmocnione rozpraszanie ramanowskie końcówką), integrację z mikroskopami elektronowymi i mikroskopami sił atomowych, hybrydowe systemy jednostanowiskowe (np. Raman-PL , Epifluorescencja, Fotoprąd), Transmisja Ramana (do prawdziwej analizy materiałów sypkich).

Ze względu na wiodącą pozycję, jaką HORIBA Scientific i jej spółki stowarzyszone odgrywały w branży, dobrze wyposażone laboratoria aplikacyjne z wysoko wykwalifikowanymi naukowcami są zatrudniane nieprzerwanie od ponad 30 lat przy opracowywaniu zastosowań tych innowacyjnych przyrządów.

Rodzaj próbek analizowanych metodą Ramana

Ramana można użyć do analizy wielu różnych próbek. Ogólnie nadaje się do analizy:

• Ciała stałe, proszki, płyny, żele, zawiesiny i gazy
• Materiały nieorganiczne, organiczne i biologiczne
• Czyste chemikalia, mieszaniny i roztwory
• Tlenki metali i korozja

Generalnie nie nadaje się do analizy:

• Metale i ich stopy

Typowe przykłady dzisiejszego zastosowania Ramana obejmują:

• Sztuka i archeologia – charakterystyka pigmentów, ceramiki i kamieni szlachetnych
• Materiały węglowe – struktura i czystość nanorurek, charakterystyka defektów/zaburzeń
• Chemia – monitorowanie struktury, czystości i reakcji
• Geologia – identyfikacja i rozmieszczenie minerałów, inkluzje płynów i przemiany fazowe
• Nauki o życiu – pojedyncze komórki i tkanki, interakcje leków, diagnostyka chorób
• Farmaceutyka – jednorodność treści i dystrybucja składników
• Półprzewodniki – czystość, skład stopu, mikroskop naprężeń własnych/odkształceń.

Analiza ciał stałych, cieczy i gazów

Widma Ramana można uzyskać z prawie wszystkich próbek, które zawierają prawdziwe wiązania molekularne. Oznacza to, że ciała stałe, proszki, zawiesiny, ciecze, żele i gazy można analizować za pomocą spektroskopii Ramana.

Chociaż gazy można analizować za pomocą spektroskopii Ramana, stężenie cząsteczek w gazie jest zazwyczaj bardzo niskie, więc pomiar jest często trudniejszy. Zwykle niezbędny jest specjalistyczny sprzęt, taki jak lasery o większej mocy i komórki próbkujące o dużej długości ścieżki. W niektórych przypadkach, gdy ciśnienie gazu jest wysokie (np. wtrącenia gazu w minerałach), można z łatwością zastosować standardowe oprzyrządowanie Ramana.

Analiza z mieszaniny materiałów

Widmo Ramana z materiału będzie zawierać informacje Ramana o wszystkich molekułach znajdujących się w analizowanej objętości systemu. Tak więc, jeśli istnieje mieszanina cząsteczek, widmo Ramana będzie zawierało piki reprezentujące wszystkie różne cząsteczki. Jeżeli składniki są znane, do wygenerowania ilościowych informacji o składzie mieszaniny można wykorzystać względne natężenia pików. W przypadku złożonych matryc, do budowy metod ilościowych można również wykorzystać metody chemometryczne.

Źródło