Raman Spectroscopy är en oförstörande kemisk analysteknik som ger detaljerad information om kemisk struktur, fas och polymorfi, kristallinitet och molekylära interaktioner. Det är baserat på ljusets interaktion med de kemiska bindningarna i ett material.

Raman är en ljusspridningsteknik, där en molekyl sprider infallande ljus från en högintensiv laserljuskälla. Det mesta av det spridda ljuset har samma våglängd (eller färg) som laserkällan och ger ingen användbar information – detta kallas Rayleigh Scatter. Men en liten mängd ljus (vanligtvis 0,0000001%) sprids vid olika våglängder (eller färger), vilket beror på analytens kemiska struktur – detta kallas Raman-spridning.

Ett Raman-spektrum har ett antal toppar som visar intensiteten och våglängdspositionen för det spridda Raman-ljuset. Varje topp motsvarar en specifik molekylär bindningsvibration, inklusive individuella bindningar såsom CC, C=C, NO, CH etc., och grupper av bindningar såsom bensenring-andningsläge, polymerkedjevibrationer, gitterlägen, etc.

Information tillhandahållen av Raman-spektroskopi

Raman-spektroskopi undersöker den kemiska strukturen hos ett material och ger information om:

• Kemisk struktur och identitet
• Fas och polymorfism
• Inneboende stress/belastning
• Förorening och orenhet

Vanligtvis är ett Raman-spektrum ett distinkt kemiskt fingeravtryck för en viss molekyl eller material, och kan användas för att mycket snabbt identifiera materialet eller skilja det från andra. Raman-spektralbibliotek används ofta för identifiering av ett material baserat på dess Raman-spektrum – bibliotek som innehåller tusentals spektra genomsöks snabbt för att hitta en matchning med analytens spektrum.

I kombination med kartläggning (eller avbildning) av Raman-system är det möjligt att generera bilder baserade på provets Raman-spektrum. Dessa bilder visar fördelning av enskilda kemiska komponenter, polymorfer och faser, och variation i kristallinitet.

Ramanspektroskopi är både kvalitativ och kvantitativ.

Den allmänna spektrumprofilen (toppposition och relativ toppintensitet) ger ett unikt kemiskt fingeravtryck som kan användas för att identifiera ett material och särskilja det från andra. Ofta är det faktiska spektrumet ganska komplext, så omfattande Raman-spektralbibliotek kan sökas för att hitta en matchning och därmed ge en kemisk identifiering.

Intensiteten hos ett spektrum är direkt proportionell mot koncentrationen. Vanligtvis kommer ett kalibreringsförfarande att användas för att bestämma förhållandet mellan toppintensitet och koncentration, och sedan kan rutinmätningar göras för att analysera för koncentration. Med blandningar ger relativa toppintensiteter information om komponenternas relativa koncentration, medan absoluta toppintensiteter kan användas för information om absolut koncentration.

Raman används för mikroskopisk analys

Ramanspektroskopi kan användas för mikroskopisk analys, med en rumslig upplösning i storleksordningen 0,5-1 µm. Sådan analys är möjlig med hjälp av ett Raman-mikroskop.

Ett Raman-mikroskop kopplar en Raman-spektrometer till ett standardoptiskt mikroskop, vilket möjliggör visualisering av ett prov med hög förstoring och Raman-analys med en mikroskopisk laserfläck. Raman mikroanalys är lätt: placera bara provet under mikroskopet, fokusera och gör en mätning.

Ett äkta konfokalt Raman-mikroskop kan användas för analys av partiklar eller volymer i mikronstorlek. Den kan till och med användas för analys av olika skikt i ett flerskiktsprov (t.ex. polymerbeläggningar) och av föroreningar och egenskaper under ytan av ett transparent prov (t.ex. föroreningar i glas och vätske-/gasinneslutningar i mineraler).

Motoriserade karteringssteg gör att Raman-spektralbilder kan genereras, som innehåller tusentals Raman-spektra som förvärvats från olika positioner på provet. Falska färgbilder kan skapas baserat på Raman-spektrumet – dessa visar fördelningen av enskilda kemiska komponenter och variation i andra effekter som fas, polymorfism, stress/töjning och kristallinitet.

Ramanmikroskopins historia

HORIBA Scientific innehåller nu de stora innovatörerna av Raman-instrumentering från 1960- till 1990-talet – Spex Industries, Coderg/Lirinord/Dilor och Jobin Yvon. Från dessa början fram till idag har HORIBA Scientific och dess associerade företag legat i framkanten av utvecklingen av Raman-spektroskopi.

Raman-mikroskopet utvecklades i Lille, Frankrike under ledning av professor Michel Delhaye och Edouard DaSilva, och tillverkades kommersiellt som MOLE™ (Molecular Optics Laser Examiner) av Lirinord (numera HORIBA Scientific). Det utvecklades som den molekylära analogen till Castaings elektronmikroskop. Som sådan tillhandahåller den bindningsinformation om material i kondenserad fas; förutom detektion av molekylär bindning visade sig identifiering av den kristallina fasen och andra mer subtila effekter också vara av betydande intresse.

Mikroskopet var initialt integrerat med den scannande dubbelgittermonokromatorn (ca 1972). När högkänsliga, lågbrus flerkanalsdetektorer blev tillgängliga (mitten av 1980-talet), introducerades trestegsspektrografer med mikroskopet som en integrerad komponent. 1990 visades de holografiska notchfiltren ge överlägsen laseravstötning så att ett Raman-mikroskop kunde byggas på en enstegsspektrograf och ge ökad känslighet. Jämfört med de ursprungliga skanande dubbla monokromatorerna är insamlingstiderna för jämförbara spektra (upplösning och signal-brus för en given lasereffekt) nu minst två till tre storleksordningar högre än vad det var för 35 år sedan.

Dessa kärninnovationer har varit banbrytande i HORIBA Scientific-laboratorier i norra Frankrike av forskare och ingenjörer som utbildats i professor Delhayes laboratorium och utnyttjade hårdvaran när den blev tillgänglig. Detta inkluderade holografiska gitter, hackfilter, luftkylda lasrar, flerkanalsdetektorer (först intensifierade dioduppsättningar och sedan CCD), högeffektsdatorer och tillhörande utvecklingar inom elektronik och mjukvara.

Nyare utvecklingar inom Raman-tekniken inkluderar SRS (Stimulerad Raman-spridning), SERS (ytförstärkt Raman-spridning), TERS (spetsförstärkt Raman-spridning), integration med elektronmikroskop och atomkraftmikroskop, hybridsystem med enkelbänk (t.ex. Raman-PL) , Epifluorescens, Fotoström), Transmission Raman (för sann bulkmaterialanalys).

På grund av det ledarskap som HORIBA Scientific och dess associerade företag har haft i branschen, har välutrustade applikationslaboratorier med högt kvalificerade forskare anställts kontinuerligt i mer än 30 år för att utveckla applikationerna för dessa innovativa instrument.

Typ av prover analyserade med Raman

Raman kan användas för att analysera många olika prover. I allmänhet är den lämplig för analys av:

• Fasta ämnen, pulver, vätskor, geler, slam och gaser
• Oorganiska, organiska och biologiska material
• Rena kemikalier, blandningar och lösningar
• Metalloxider och korrosion

I allmänhet är det inte lämpligt för analys av:

• Metaller och deras legeringar

Typiska exempel på var Raman används idag är:

• Konst och arkeologi – karakterisering av pigment, keramik och ädelstenar
• Kolmaterial – struktur och renhet hos nanorör, karaktärisering av defekter/störningar
• Kemi – struktur, renhet och reaktionsövervakning
• Geologi – mineralidentifiering och distribution, vätskeinneslutningar och fasövergångar
• Livsvetenskap – enstaka celler och vävnad, läkemedelsinteraktioner, sjukdomsdiagnos
• Läkemedel – enhetlighet i innehåll och komponentfördelning
• Halvledare – renhet, legeringssammansättning, inre spännings-/töjningsmikroskop.

Analys av fasta ämnen, vätskor och gaser

Ramanspektra kan erhållas från nästan alla prover som innehåller sann molekylär bindning. Detta innebär att fasta ämnen, pulver, slam, vätskor, geler och gaser kan analyseras med Raman-spektroskopi.

Även om gaser kan analyseras med Raman-spektroskopi, är koncentrationen av molekyler i en gas vanligtvis mycket låg, så mätningen är ofta mer utmanande. Vanligtvis är specialiserad utrustning såsom högre effektlasrar och långa provceller nödvändiga. I vissa fall där gastrycket är högt (som gasinneslutningar i mineraler) kan standard Raman-instrumentering enkelt användas.

Analys från en blandning av material

Raman-spektrumet från ett material kommer att innehålla Raman-information om alla molekyler som finns inom systemets analysvolym. Således, om det finns en blandning av molekyler, kommer Raman-spektrumet att innehålla toppar som representerar alla de olika molekylerna. Om komponenterna är kända kan de relativa toppintensiteterna användas för att generera kvantitativ information om blandningens sammansättning. Vid komplexa matriser kan kemometriska metoder också användas för att bygga kvantitativa metoder.

Källa