Espectroscopía de Raman para el análisis químico

La espectroscopia Raman aprovecha la dispersión de la luz para recopilar información molecular única del material que se está investigando.

Cuando la luz incide sobre una molécula, la mayor parte de la energía no se absorbe, sino que se dispersa con la misma energía que la luz incidente. Sin embargo, una pequeña fracción de la radiación dispersa aparece a energías diferentes de la radiación incidente.

Estos cambios en la energía corresponden a los estados vibratorios de las moléculas y se pueden utilizar para identificar, cuantificar y examinar la composición molecular de la muestra bajo análisis.

Este video presentará la teoría detrás de esta técnica, demostrará un procedimiento para realizar la misma en el laboratorio y presentará algunas de las formas en que este método se está aplicando en las industrias actuales.

La interacción de la radiación con una muestra se puede considerar como colisiones entre fotones y moléculas.

Un fotón entrante excita la molécula a un estado virtual excitado de corta duración desde el cual decaerá rápidamente a su estado fundamental y emitirá un fotón disperso. Cuando no se produce un intercambio de energía, un fotón dispersado tiene la misma longitud de onda que el fotón incidente, y esto se denomina dispersión elástica de Rayleigh.

La dispersión Raman representa moléculas que experimentan una "excitación o relajación vibratoria" como resultado de una interacción inelástica con los fotones. Si la molécula se eleva de un estado fundamental a un estado virtualmente excitado y vuelve a un estado vibratorio de mayor energía, entonces ha ganado energía del fotón. Esto también se llama dispersión de Stokes.

Si una molécula con una energía vibratoria más alta, gana energía y vuelve a caer a un estado fundamental más bajo, entonces la molécula ha perdido energía para el fotón, dando lugar a la dispersión anti-Stokes. A temperatura ambiente, el número de moléculas en el estado fundamental es mayor que las que están en un estado de mayor energía, lo que hace que la dispersión de Stokes sea más intensa y se examine más comúnmente que la dispersión anti-Stokes.

Las vibraciones y rotaciones moleculares que surgen de estas interacciones con los fotones incidentes incluyen estiramientos simétricos y asimétricos, tijeras, balanceos, meneos y torsiones.

Estas vibraciones moleculares se utilizan no solo en la espectroscopia Raman, sino también junto con otras técnicas, como la espectroscopia infrarroja. Una vibración es "Raman-activa", o detectable por espectroscopia Raman, cuando causa un cambio en la polarizabilidad, o la cantidad de distorsión, de su nube de electrones. Una vibración es infrarroja activa cuando induce un cambio en su momento dipolar.

Por ejemplo, los estiramientos simétricos, como la expansión del dióxido de carbono, hacen que los electrones se alejen de los núcleos y se vuelvan fácilmente polarizables, pero no cambian el momento dipolar. Un estiramiento asimétrico, por otro lado, da como resultado un cambio en el momento dipolar, pero no un cambio en la polarizabilidad. Por estas razones, la espectroscopia Raman e infrarroja se tratan como métodos complementarios de análisis químico.

La espectroscopia Raman se realiza haciendo brillar un láser monocromático intenso sobre una muestra. Se recoge la radiación emitida por la muestra y se filtra la longitud de onda del láser. La luz dispersa se envía a través de un monocromador a un detector CCD. En la microespectroscopía Raman, el láser pasa a través de un microscopio antes de llegar a la muestra, lo que permite una resolución espacial a nivel de micras.

El espectro Raman de una muestra es un gráfico de la intensidad de la radiación dispersada en función del cambio en el número de ondas con respecto al de la radiación incidente. Las formas e intensidades de los picos pueden indicar la estructura molecular, la simetría, la calidad del cristal y la concentración del material.

Ahora que comprende la teoría detrás de este método, exploremos un protocolo para realizar microespectroscopia Raman en una muestra.

Para comenzar el procedimiento, encienda el láser requerido y seleccione la óptica correcta para la longitud de onda utilizada. Deje que el láser se caliente durante 15 minutos antes de comenzar el experimento. Mientras tanto, encienda la computadora y cargue el software del instrumento.

Elija la longitud de onda correcta para el láser utilizado. Realice la calibración requerida del espectroscopio Raman. Esto se puede hacer utilizando una oblea de silicio colocada en la platina del microscopio, pero aquí se utiliza una muestra de referencia de silicio interna. El espectro Raman se obtiene utilizando una energía y un tiempo de exposición adecuados. El silicio debería dar un pico fuerte en torno a los 520 números de onda.

Una vez calibrada, coloque la muestra debajo del microscopio y concéntrese en la capa de interés. Se utiliza un recinto oscuro para eliminar la luz parásita. Asegúrese de que la trayectoria del láser no esté obstruida por capas absorbentes de luz o activas de Raman para obtener un espectro limpio.

Seleccione el rango de números de onda que debe escanear el monocromador. Seleccione una intensidad de láser que produzca suficiente señal, pero que no dañe el material que se está investigando. Esto se puede comprobar tomando imágenes del mismo lugar dos veces. Si el espectro cambia, es posible que se hayan producido daños.

Si la muestra se encuentra en un recinto completamente oscuro, no es necesario realizar un análisis de fondo. Adquiera el espectro de la muestra.

Investigue los datos utilizando un software apropiado y comparándolos con la literatura disponible. Los rayos cósmicos aparecen como picos agudos e intensos que deben ser eliminados. La interferencia del láser con ciertos sustratos o contaminantes puede dar lugar a una línea de base, que se elimina ajustando una curva adecuada a las regiones del espectro que no se espera que contengan picos Raman que se originan en la muestra. Para algunos materiales, los diferentes picos Raman se superponen hasta un grado que podría ser necesaria la deconvolución de picos.

Después de completar estos pasos, los espectros resultantes representarán datos cualitativos y cuantitativos sobre las especies presentes en la muestra.

Aquí, examinaremos el espectro Raman de los nanotubos de carbono, que son rollos muy pequeños, huecos, de una o varias capas de láminas de grafeno. Aquí se muestra el espectro Raman tomado de nanotubos de carbono de pared múltiple utilizando un láser de 514 nm.

Debido a que los nanotubos de carbono están representados por redes cristalinas, sus vibraciones están representadas por "modos" de vibración colectiva?.? El pico del modo G a 1.582 números de onda está relacionado con el enlace carbono-carbono híbrido sp2 que se puede encontrar en cualquier material grafítico. También hay un pico D prominente 1.350 números de onda que representa la dispersión, causada por un trastorno en la red cristalina. La relación de la intensidad de los modos G y D cuantifica la calidad estructural del nanotubo.

Los avances en láseres y tecnologías informáticas han hecho de la espectroscopia Raman, una vez tediosa, una de las técnicas más utilizadas para el análisis químico.

Las pilas de combustible de óxido sólido, o SOFC, tienen el potencial de convertirse en una fuente importante de energía de bajas emisiones en las próximas décadas. Estas celdas funcionan convirtiendo electroquímicamente la energía de un combustible y un oxidante, en este caso óxidos sólidos, en electricidad. Todavía existe cierta dificultad para caracterizar el mecanismo electroquímico de los materiales de las pilas de combustible in situ. Sin embargo, la espectroscopia Raman se utiliza cada vez más para mapear intrincados mecanismos de reacción química en el ánodo.

Los objetos de arte se examinan espectroscópicamente para revelar su antigüedad, composición y para optimizar las condiciones de conservación. La naturaleza no destructiva de la microespectroscopía Raman la hace muy adecuada para este propósito. Al enfocar un láser en la muestra de arte y trazar la intensidad de la luz dispersada inelásticamente, se pueden obtener espectros de pigmentos, medios aglutinantes o barnices de artistas. La espectroscopia Raman se utiliza incluso para identificar la falsificación de obras de arte.

Acabas de ver la introducción de JoVE a la espectroscopia Raman para el análisis químico. Ahora debe comprender los principios detrás del efecto Raman y cómo se aplica a la espectroscopia Raman, cómo realizar su propio análisis Raman en el laboratorio y algunas de las formas emocionantes en que se aplica en las industrias hoy en día.

¡Gracias por mirar!