Основы Raman

Путеводитель по рамановской спектроскопии

Мы кратко объясним основы раман спектроскопии и прольем свет на то, как взаимодействие света с химическими связями используется для химического анализа.

Основы Раман спектроскопии

Начало работы

Что такое рамановская спектроскопия?

Принцип Раман спектроскопии

Рамановская спектроскопия относится к методам колебательной спектроскопии. Это означает, что с помощью метода проводится химический анализ образца. Для возбуждения молекулярного колебания применяется свет. Далее взаимодействие света и вещества анализируется и интерпретируется.

Метод основан на неупругом рассеянии света, возникающем при облучении вещества монохроматическим источником света. После того, как этот монохроматический свет пропровзаимодействовал с образцом, очень небольшая часть рассеянного света изменяет длину волны.

Это называется Раман эффектом. Теперь мы можем собрать этот рассеянный свет с помощью спектрометра и использовать его для получения информации об образце.

Раман Эффект 

Когда фотоны света «падают» на вещество, большая часть рассеянного света не меняет свою длину волны. Например, если вы наведете зеленую лазерную указку на стену, вы всегда увидите зеленую точку. Рассеянный свет будет иметь такой же цвет как и падающий свет, и это явление называется рассеянием Рэлея.

Однако при падении света на вещество также могут происходить процессы неупругого рассеяния света, которые приводят к излучению рассеянного света с другой длиной волны. Обычно это происходит из-за молекулярных колебаний. Это явление рассеяния, которое было предсказано Адольфом Смекалем в 1923 году и обнаружено К.В. Раман в 1930 году называется эффектом Рамана.

Применение Раман эффекта в спектроскопии

Обнаружение и понимание Раман эффекта открыло дверь новому методу спектроскопии. Однако только с открытием и созданием лазеров метод Раман по-настоящему прижился, поскольку, как уже упоминалось выше, для рамановской спектроскопии необходим монохроматический свет.

Таким образом, образец облучается лазерным излучением, а рассеянный свет анализируется спектрографом (используется дисперсионная или FT-технология). В итоге мы получаем рамановский спектр, который показывает нам характерные "полосы" исследуемого вещества.

Углубимся в детали

Как работает рамановская спектроскопия?

На этом рисунке показана самая основная установка для измерения спектров Романа.

Удивительно, но построить рамановский спектрометр на самом деле довольно просто! Если Вы посмотрите на YouTube, вы можете найти видеоролики из серии «Сделай сам», которые покажут Вам, как провести очень простой эксперимент для получения спектральных данных. Поэтому Вы можете найти рамановские спектрометры практически в любом исполнении: настольные, исследовательские, портативные, микроскопы и on-line спектрометры.

Чтобы получить спектры комбинационного рассеяния, Вам просто нужно сфокусировать лазер на образце, который вы хотите исследовать. Однако этот образец не должен демонстрировать флуоресценцию для лазера, используемого для возбуждения. Если флуоресценция присутствует, то она перекроет большую часть эффекта комбинационного рассеяния, поскольку Раман намного слаб по сравнению с люминесценцией.

После того как лазерный луч попал на образец, рассеянный от образца свет пропускают через специальный фильтр (чтобы избавиться от света возбуждающего лазера). Затем свет направляется на решетку, которая разлагает излучение подобно призме по длинам волн. И в самом конце это излучение попадает на ПЗС-детектор (CCD), который регистрирует спектр в зависимости от интенсивности.

Углубимся в детали

Как выглядит рамановский спектр?

Это раманские спектры образца диметикона (синий) по сравнению со ссылкой из спектральной библиотеки. Идентификация неамбигиозная.

Вначале мы упоминали, что спектр комбинационного рассеяния содержит определенные «полосы». Эти полосы уникальны для определенных функциональных групп, а часто и для веществ. Линии комбинационного рассеяния света предоставляют информацию о химическом составе вещества, а также о кристалличности, полиморфизме или изменениях давления и температуры.

Рамановский спектр - это мощный инструмент для исследования материалов, разработки новых фармацевтических препаратов, а так же для всего, где требуется химический микроанализ вплоть до нанометрового диапазона. С помощью Раман можно проводить анализ образцов с точностью до 0,5 мкм (500 нм). Все, что для этого нужно - это конфокальный рамановский микроскоп.

Углубимся в детали

Раман микроскопия

Конфокальный рамановский микроскоп SENTERRA II с лазерным корпусом безопасности.

Как правило, длина волны лазерного излучения, используемого в Раман спектроскопии, находится в видимом спектральном диапазоне, это означает, что лазерное излучение может свободно проходить через стекло, используемое в предметных стеклах или линзах микроскопа. Следовательно, вполне возможно интегрировать рамановский спектрометр в оптическую схему стандартного микроскопа.

На самом деле довольно часто Раман микроскоп предпочтительнее классического настольного рамановского спектрометра, поскольку Раман микроскоп предлагает простой подход «наведи и снимай» и не требует большой дополнительной подготовки образцов. Образец (например, графеновые волокна) необходимо поместить под объектив микроскопа, далее выбирается точка анализа и затем проводится регистрация спектра.

Проще говоря, рамановский микроскоп - это устройство, оснащенное лазером и микроскопом для проведения анализа методом Раман спектроскопии. Для Bruker рамановская микроскопия и визуализация играют центральную роль, поэтому мы посвятили ей специальные веб-сайты.

Raman for Beginners Video Series

Введение в Раман с Yan Di

Эксперт в Раман спектроскопии Di Yan создал вместе с нами обучающие видео, в которых весело и доступно объясняет принципы работы Раман для начинающих пользователей. Подипишитесь на наш канал YouTube, чтобы не пропустить новую серию!

Раман Спектроскопия часто задаваемые вопросы

Напоследок

Часто задаваемые вопросы о Раман спектроскопии

Что такое Раман спектроскопия?

Рамановская спектроскопия основана на взаимодействии света с химическими связями в веществе. Это дает подробную информацию о химической структуре, полиморфизме, кристалличности и молекулярной динамике.

Какую информацию предоставляет рамановская спектроскопия?

Рамановский спектр подобен химическому отпечатку пальца, который четко идентифицирует молекулу или материал. И так же, как человеческий отпечаток пальца, спектр комбинационного рассеяния света можно сравнить со справочными библиотеками, для того чтобы очень быстро идентифицировать материал или отличить его от других образцов. Библиотеки спектров комбинационного рассеяния часто содержат сотни и тысячи спектров, с которыми проводится сравнение спектра образца для определения аналита.

Раман спектр дает следующие представление об образце:

  • Химический состав и свойства
  • Кристалличность, полиморфизм
  • Загрязнения и дефекты
  • Термическое и механическое воздействие

Есть ли требования к образцам?

Для Раман спектроскопии применяется универсальный метод отбора проб. Поэтому спектроскопия комбинационного рассеяния света подходит как для неорганических, так и для органических материалов. Однако, поскольку метод основан на довольно слабом эффекте комбинационного рассеяния, другие спектроскопические эффекты и определенные свойства материала могут серьезно мешать – например флюоресценция.

В случае флуоресценции образца невозможно получить рамановского спектра хорошего качества. Однако переход на лазеры ближнего инфракрасного диапазона (NIR) и технологию FT-Raman является в этом случае правильным решением. Это позволяет уменьшить или полностью исключить флюоресценцию. Другой, более серьезной проблемой являются сильно поглощающие (например, черные) образцы -  пример: углеродные наполненные полимеры.

Сколько времени нужно для получения рамановского спектра?

Время, необходимое для измерения спектра комбинационного рассеяния, зависит от нескольких факторов, таких как желаемое качество спектра, свойства образца и, конечно же, используемый рамановский спектрометр. Обычно спектры комбинационного рассеяния хорошего качества можно получить за несколько секунд.

Каковы области применения рамановской спектроскопии?

Рамановская спектроскопия может быть использована во всех областях, где требуется неразрушающий (микроскопический) химический анализ и визуализация. Метод Раман спектроскопии дает ответы на качественные и количественные аналитические вопросы.

В целом, Раман прост в использовании и быстро предоставляет ключевую информацию для характеристики химического состава и структуры образца. В принципе, не имеет большого значения, являются ли образцы твердыми, жидкими или газообразными.

Вот некоторые применения рамановской спектроскопии:

  • Фармацевтика
  • Геология и минералогия
  • Полупроводники
  • Исследование материалов
  • Наука о жизни