O que é Raman Spectroscopy?
Raman Spectroscopy é uma técnica de análise química não destrutiva que fornece informações detalhadas sobre estrutura química, fase e polimorfia, cristalidade e interações moleculares. Baseia-se na interação da luz com as ligações químicas dentro de um material.
Raman é uma técnica de dispersão de luz, em que uma molécula dispersa a luz do incidente de uma fonte de luz laser de alta intensidade. A maior parte da luz dispersa está no mesmo comprimento de onda (ou cor) que a fonte de laser e não fornece informações úteis – isto chama-se Rayleigh Scatter. No entanto, uma pequena quantidade de luz (tipicamente 0,00000001%) está dispersa em diferentes comprimentos de onda (ou cores), que dependem da estrutura química da substância – isto é chamado Raman Scatter.
Um espectro raman apresenta uma série de picos, mostrando a intensidade e a posição de comprimento de onda da luz dispersa de Raman. Cada pico corresponde a uma vibração de ligação molecular específica, incluindo ligações individuais tais como C-C, C=C, N-O, C-H etc., e grupos de ligações como o modo de respiração do anel benzeno, vibrações da cadeia de polímeros, modos de reticulado, etc.
Informação fornecida pela espectroscopia de Raman
A espectroscopia de Raman sonda a estrutura química de um material e fornece informações sobre:
- Estrutura química e identidade
- Fase e polimorfismo
- Stress/estirpe intrínseca
- Contaminação e impureza
Tipicamente, um espectro Raman é uma impressão química distinta para uma determinada molécula ou material, e pode ser usado para identificar muito rapidamente o material, ou distingui-lo de outros. As bibliotecas espectrais de Raman são frequentemente usadas para a identificação de um material baseado no seu espectro Raman – as bibliotecas que contêm milhares de espectros são rapidamente procuradas para encontrar uma correspondência com o espectro da substância.
Em combinação com os sistemas Raman de mapeamento (ou imagem), é possível gerar imagens com base no espectro Raman da amostra. Estas imagens mostram a distribuição de componentes químicos individuais, polimorfos e fases, e variação na cristalidade.
A espectroscopia de Raman é qualitativa e quantitativa.
O perfil geral do espectro (posição de pico e intensidade de pico relativo) fornece uma impressão digital química única que pode ser usada para identificar um material, e distingui-lo dos outros. Muitas vezes, o espectro real é bastante complexo, por isso bibliotecas espectrais raman abrangentes podem ser procuradas para encontrar uma correspondência, e assim fornecer uma identificação química.
A intensidade de um espectro é diretamente proporcional à concentração. Tipicamente, um procedimento de calibração será usado para determinar a relação entre a intensidade máxima e a concentração, e então as medições de rotina podem ser feitas para analisar para a concentração. Com as misturas, as intensidades de pico relativas fornecem informações sobre a concentração relativa dos componentes, enquanto as intensidades máximas absolutas podem ser usadas para informações de concentração absolutas.
Raman é usado para análise microscópica
A espectroscopia de Raman pode ser usada para análise microscópica, com uma resolução espacial na ordem de 0,5-1 μm. Tal análise é possível usando um microscópio Raman.
Um microscópio Raman acoplou um espectrómetro Raman a um microscópio ótico padrão, permitindo a visualização de alta ampliação de uma amostra e análise de Raman com uma mancha de laser microscópica. A micro-análise de Raman é fácil: basta colocar a amostra sob o microscópio, concentrar-se e fazer uma medição.
Um verdadeiro microscópio confocal Raman pode ser usado para a análise de partículas ou volumes de tamanho de micron. Pode até ser utilizado para a análise de diferentes camadas numa amostra multicamadas (por exemplo, revestimentos de polímeros) e de contaminantes e características sob a superfície de uma amostra transparente (por exemplo, impurezas dentro do vidro e inclusão de fluidos/gás em minerais).
As fases de mapeamento motorizada permitem a geração de imagens espectrais de Raman, que contêm muitos milhares de espectros raman adquiridos a partir de diferentes posições na amostra. Imagens de cores falsas podem ser criadas com base no espectro raman – estas mostram a distribuição de componentes químicos individuais, e variação em outros efeitos como fase, polimorfismo, stress/estirpe e cristalina.
História da microscopia de Raman
A HORIBA Scientific incorpora agora os principais inovadores da instrumentação de Raman entre os anos 60 e 90 – Spex Industries, Coderg/Lirinord/Dilor, e Jobin Yvon. Desde estes primórdios até aos dias de hoje, a HORIBA Scientific e as suas empresas associadas têm estado na vanguarda do desenvolvimento da espectroscopia de Raman.
O microscópio Raman foi desenvolvido em Lille, França sob a direção do Professor Michel Delhaye e Edouard DaSilva, e foi produzido comercialmente como MOLE™ (Molecular Optics Laser Examiner) por Lirinord (atual HORIBA Scientific). Desenvolveu-se como o analógico molecular do microscópio eletrónico de Castaing. Como tal, fornece informações sobre a ligação de materiais de fase condensados; para além da deteção da ligação molecular, identificação da fase cristalina e outros efeitos mais subtis também se revelaram de interesse significativo.
O microscópio foi inicialmente integrado com o monocromador de dupla grelha de digitalização (c. 1972). Quando a alta sensibilidade, os detetores multicanais de baixo ruído ficaram disponíveis (meados da década de 1980), foram introduzidos espectrógrafos de estágio triplo com o microscópio como componente integrado. Em 1990, os filtros holográficos foram demonstrados para fornecer uma rejeição laser superior para que um microscópio Raman pudesse ser construído num espectrógrafo de um único estágio e fornecer uma sensibilidade melhorada. Em comparação com os monocromadores duplos de digitalização original, os tempos de recolha de espectros comparáveis (resolução e sinal ao ruído para uma determinada potência laser) são agora de pelo menos duas a três ordens de magnitude superior ao que era há 35 anos.
Estas inovações fundamentais foram pioneiras nos laboratórios científicos da HORIBA, no norte de França, pelos cientistas e engenheiros que foram treinados no laboratório do Professor Delhaye, tirando partido do hardware à medida que foi disponibilizado. Isto incluía grades holográficas, filtros de entalhe, lasers arrefecidos pelo ar, detetores multicanais (primeiro matrizes de díodos intensificados e depois CCDs), computadores de alta potência e desenvolvimentos associados em electrónica e software.
Os desenvolvimentos mais recentes na técnica de Raman incluem SRS (Scattering Raman Estimulado), SERS (dispersão avançada por Raman), TERS (dispersão avançada de raman), integração com microscópios de elétron e microscópios de força atómica, sistemas híbridos de bancada única (por exemplo, Raman-PL, Epifluorescência, Fotocorrent), Transmission Raman (para análise de material a granel).
Devido à liderança que a HORIBA Scientific e as suas empresas associadas têm desempenhado no setor, os laboratórios de aplicações bem equipados com cientistas altamente qualificados têm sido utilizados continuamente há mais de 30 anos no desenvolvimento das aplicações destes instrumentos inovadores.
Tipo de amostras analisadas com Raman
Raman pode ser usado para analisar muitas amostras diferentes. Em geral, é adequado para a análise de:
- Sólidos, pós, líquidos, géis, calções e gases
- Materiais inorgânicos, orgânicos e biológicos
- Produtos químicos, misturas e soluções puras
- Óxidos metálicos e corrosão
Em geral, não é adequado para a análise:
- Metais e suas ligas
Exemplos típicos de onde Raman é usado hoje incluem:
- Arte e arqueologia – caracterização de pigmentos, cerâmica e pedras preciosas
- Materiais de carbono – estrutura e pureza de nano-tubos, caracterização de defeito/desordem
- Química – estrutura, pureza e monitorização de reações
- Geologia – identificação e distribuição de minerais, inclusão de fluidos e transições de fase
- Ciências da vida – células únicas e tecidos, interações com drogas, diagnóstico de doenças
- Farmacêutica – uniformidade de conteúdos e distribuição de componentes
- Semicondutores – pureza, composição da minha parte, stress/tensão intrínseca.
Análise de sólidos, líquidos e gases
Raman spectra pode ser adquirido a partir de quase todas as amostras que contêm uma verdadeira ligação molecular. Isto significa que sólidos, pós, slurries, líquidos, géis e gases podem ser analisados usando espectroscopia raman.
Embora os gases possam ser analisados usando espectroscopia de Raman, a concentração de moléculas num gás é tipicamente muito baixa, por isso a medição é muitas vezes mais desafiante. São necessários equipamentos geralmente especializados, como lasers de maior potência e células de amostra de longo caminho. Em alguns casos, em que as pressões do gás são elevadas (como a inclusão de gás em minerais) a instrumentação padrão raman pode ser facilmente utilizada.
Análise de uma mistura de materiais
O espectro raman de um material conterá informações de Raman sobre todas as moléculas que estão dentro do volume de análise do sistema. Assim, se houver uma mistura de moléculas, o espectro de Raman conterá picos representando todas as diferentes moléculas. Se os componentes forem conhecidos, as intensidades de pico relativas podem ser usadas para gerar informações quantitativas sobre a composição da mistura. Em caso de matrizes complexas, podem também ser utilizados métodos de quimioterapia para a construção de métodos quantitativos.