רמאן ספקטרוסקופיה לניתוח כימי

ספקטרוסקופיית ראמאן מנצלת את פיזור האור כדי לאסוף מידע מולקולרי ייחודי לחומר הנחקר.

כאשר האור פוגע במולקולה, רוב האנרגיה אינה נספגת, אלא מתפזרת באותה אנרגיה כמו האור הפוגע. עם זאת, חלק קטן מהקרינה המפוזרת מופיע באנרגיות שונות מהקרינה המתרחשת.

שינויים אלה באנרגיה תואמים למצבי רטט של מולקולות וניתן להשתמש בהם כדי לזהות, לכמת ולבחון את ההרכב המולקולרי של הדגימה המנותחת.

סרטון זה יציג את התיאוריה מאחורי טכניקה זו, ידגים הליך לביצוע אותו הדבר במעבדה, ויציג כמה מהדרכים בהן שיטה זו מיושמת בתעשיות כיום.

ניתן לחשוב על האינטראקציה של קרינה עם דגימה כהתנגשויות בין פוטונים למולקולות.

פוטון נכנס מעורר את המולקולה למצב נרגש וירטואלי קצר מועד שממנו היא תתפרק במהירות בחזרה למצב הקרקע שלה ותפלוט פוטון מפוזר. כאשר לא מתרחש חילופי אנרגיה, לפוטון מפוזר יש אורך גל זהה לפוטון הפוגע, וזה נקרא פיזור ריילי אלסטי.

פיזור רמאן מייצג מולקולות שעוברות רטט?עירור או הרפיה כתוצאה מאינטראקציה לא אלסטית?עם פוטונים.? אם המולקולה מועלית ממצב קרקע למצב נרגש וירטואלי ויורדת בחזרה למצב רטט באנרגיה גבוהה יותר, אז היא צברה אנרגיה מהפוטון. זה נקרא גם פיזור סטוקס.

אם מולקולה באנרגיית רטט גבוהה יותר, צוברת אנרגיה ויורדת חזרה למצב קרקע נמוך יותר, אז המולקולה איבדה אנרגיה לפוטון, מה שמוביל לפיזור אנטי-סטוקס. בטמפרטורת החדר, מספר המולקולות במצב הקרקע גבוה יותר מאלו במצב אנרגיה גבוה יותר, מה שגורם לפיזור סטוקס להיות אינטנסיבי יותר ונבדק יותר, מאשר פיזור אנטי סטוקס.

תנודות וסיבובים מולקולריים הנובעים מאינטראקציות אלה עם פוטונים מקריים כוללים מתיחה סימטרית וא-סימטרית, מספריים, נדנדה, כשכש ופיתול.

תנודות מולקולריות אלה משמשות לא רק בספקטרוסקופיה של ראמאן, אלא גם לצידה עם טכניקות אחרות, כמו ספקטרוסקופיה אינפרא אדום. רטט הוא "פעיל ראמאן", או ניתן לזיהוי על ידי ספקטרוסקופיה של ראמאן, כאשר הוא גורם לשינוי ביכולת הקיטוב, או בכמות העיוות, של ענן האלקטרונים שלו. רטט הוא אינפרא אדום פעיל כאשר הוא גורם לשינוי במומנט הדיפול שלו.

לדוגמה, מתיחות סימטריות, כמו התפשטות בפחמן דו חמצני, גורמות לאלקטרונים להתרחק מגרעינים ולהפוך לניתנים לקיטוב בקלות אך אינם משנים את מומנט הדיפול. מתיחה אסימטרית, לעומת זאת, מביאה לשינוי במומנט הדיפול, אך ללא שינוי בקיטוב. מסיבות אלה, ספקטרוסקופיה של רמאן ואינפרא אדום מטופלות כשיטות משלימות לניתוח כימי.

ספקטרוסקופיה של ראמאן מבוצעת על ידי הזרקת לייזר מונוכרומטי אינטנסיבי על דגימה. הקרינה הנפלטת מהדגימה נאספת, ואורך גל הלייזר מסונן החוצה. אור מפוזר נשלח דרך מונוכרומטור לגלאי CCD. במיקרו-ספקטרוסקופיה של ראמאן, הלייזר עובר דרך מיקרוסקופ לפני שהוא מגיע לדגימה, ומאפשר רזולוציה מרחבית ברמת המיקרון.

ספקטרום הרמאן של דגימה הוא תרשים של עוצמת הקרינה המפוזרת כפונקציה של הסטה במספרי הגל מזו של הקרינה המתרחשת. צורות ועוצמות שיא יכולות להצביע על מבנה מולקולרי, סימטריה, איכות גביש וריכוז החומר.

כעת, לאחר שהבנתם את התיאוריה מאחורי שיטה זו, בואו נחקור פרוטוקול לביצוע מיקרוספקטרוסקופיה של רמאן על דגימה.

כדי להתחיל בהליך, הפעל את הלייזר הנדרש ובחר את האופטיקה הנכונה עבור אורך הגל בו נעשה שימוש. תן ללייזר 15 דקות להתחמם לפני תחילת הניסוי. בינתיים, הפעל את המחשב וטען את תוכנת המכשיר.

בחר את אורך הגל הנכון עבור הלייזר בו נעשה שימוש. בצע את הכיול הנדרש של ספקטרוסקופ ראמאן. ניתן לעשות זאת באמצעות פרוסת סיליקון המונחת על במת המיקרוסקופ, אך כאן משתמשים בדגימת ייחוס סיליקון פנימית. ספקטרום הרמאן מתקבל באמצעות אנרגיית חשיפה וזמן מתאימים. הסיליקון אמור לתת שיא חזק בסביבות 520 מספרי גל.

לאחר הכיול, הנח את הדגימה מתחת למיקרוסקופ והתמקד בשכבת העניין. מארז כהה משמש להסרת אור תועה. ודא שנתיב הלייזר אינו חסום על ידי שכבות סופגות אור או פעילות ראמאן כדי לקבל ספקטרום נקי.

בחר את טווח מספרי הגל שיש לסרוק על ידי המונוכרומטור. בחר עוצמת לייזר המפיקה אות מספיק, אך אינה פוגעת בחומר הנחקר. ניתן לבדוק זאת על ידי הדמיה של אותה נקודה פעמיים. אם הספקטרום משתנה, ייתכן שנגרם נזק.

אם הדגימה נמצאת במארז חשוך לחלוטין, אין צורך בסריקת רקע. רכוש את הספקטרום של המדגם.

חקור את הנתונים באמצעות תוכנה מתאימה ועל ידי השוואה לספרות הקיימת. קרניים קוסמיות מופיעות כפסגות חדות ואינטנסיביות שיש להסירן. הפרעות לייזר עם מצעים או מזהמים מסוימים עלולות לגרום לקו בסיס, אשר מוסר על ידי התאמת עקומה מתאימה לאזורי הספקטרום שאינם צפויים להכיל פסגות רמאן שמקורן בדגימה. עבור חומרים מסוימים, פסגות הראמאן השונות חופפות במידה שייתכן שיהיה צורך בדה-קונבולוציה של שיא.

לאחר תחרות בשלבים אלה, הספקטרום המתקבל ייצג נתונים איכותיים וכמותיים על מינים הקיימים במדגם.

כאן, נבחן את ספקטרום ראמאן של ננו-צינורות פחמן, שהם גלילים קטנים מאוד, חלולים חד-שכבתיים או רב-שכבתיים של יריעות גרפן. ספקטרום הרמאן שנלקח מננו-צינורות פחמן מרובי קירות באמצעות לייזר 514 ננומטר מוצג כאן.

מכיוון שננו-צינורות פחמן מיוצגים על ידי סריגי גביש, התנודות שלהם מיוצגות על ידי מצבי רטט קולקטיביים?.? שיא מצב G ב-1,582 מספרי גל קשור לקשר פחמן-פחמן היברידי sp2 שניתן למצוא בכל חומר גרפיטי. יש גם פסגת D בולטת 1,350 מספרי גל מייצגים פיזור, הנגרמת על ידי הפרעה בסריג הגביש. היחס בין העוצמה של מצבי G ו-D מכמת את האיכות המבנית של הננו-צינורית.

התפתחויות בלייזרים ובטכנולוגיות מחשב הפכו את ספקטרוסקופיית הרמאן המייגעת לאחת הטכניקות הנפוצות ביותר לניתוח כימי.

לתאי דלק תחמוצת מוצקה, או SOFCs, יש פוטנציאל להפוך למקור עיקרי לאנרגיה דלת פליטות בעשורים הקרובים. תאים אלה פועלים על ידי המרה אלקטרוכימית של האנרגיה של דלק ומחמצן, במקרה זה תחמוצות מוצקות, לחשמל. עדיין קיים קושי מסוים לאפיין את המנגנון האלקטרוכימי של חומרי תאי הדלק באתרם. עם זאת, ספקטרוסקופיה של ראמאן משמשת כיום יותר ויותר למיפוי מנגנוני תגובה כימיים מורכבים באנודה.

חפצי אמנות נבדקים באופן ספקטרוסקופי כדי לחשוף את גילם, הרכבם וכדי לייעל את התנאים לשימור. האופי הלא הרסני של מיקרוספקטרוסקופיית ראמאן הופך אותה למתאימה היטב למטרה זו. על ידי מיקוד לייזר על דגימת האמנות ושרטוט עוצמת האור המפוזר באופן לא אלסטי, ניתן להשיג ספקטרום של פיגמנטים של אמנים, חומרי קשירה או לכות. ספקטרוסקופיה של ראמאן משמשת אפילו לזיהוי זיוף של יצירות אמנות.

זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE לספקטרוסקופיה של ראמאן לאנליזה כימית. כעת עליכם להבין את העקרונות מאחורי אפקט ראמאן וכיצד הוא חל על ספקטרוסקופיה של ראמאן, כיצד לבצע ניתוח ראמאן משלכם במעבדה, וכמה מהדרכים המרגשות שבהן הוא מיושם בתעשיות כיום.

תודה שצפית!