3.6: Spettroscopia Raman per analisi chimiche

1. Accendere il laser richiesto e selezionare l'ottica corretta per la lunghezza d'onda utilizzata. Lascia che il laser si riscaldi per ottenere un'emissione stabile nel tempo.
2. Eseguire la calibrazione richiesta dello spettroscopio Raman. Questo dipende dallo strumento, ma qui viene utilizzato un campione di riferimento Si interno per calibrare lo spostamento Raman nella posizione nota del picco cristallino Si Raman. Si è spesso usato in quanto dà un forte picco acuto in una posizione nota che è insensibile alla lunghezza d'onda del laser. In primo luogo, lo spettro Raman del campione di riferimento viene ottenuto utilizzando un'energia e un tempo di esposizione appropriati. Il numero d'onda dello spettro ottenuto viene confrontato con i valori della letteratura (nel caso di Si si dovrebbe osservare un picco forte a 520,7±0,5 cm^-1). In caso di mancata corrispondenza, la posizione del CCD rispetto al monocromatore (spesso una griglia) deve essere modificata. La maggior parte degli strumenti Raman disponibili in commercio includono routine di calibrazione per raggiungere questo obiettivo.
3. Posizionare il campione sotto il microscopio e concentrarsi sullo strato che deve essere studiato. In generale, un recinto scuro chiudibile viene utilizzato per rimuovere la luce diffusa. Assicurarsi che il percorso del laser non sia ostruito da strati attivi che assorbono la luce o Raman per ottenere uno spettro pulito. In letteratura si possono trovare spettri Raman presi da molti materiali, che possono essere utilizzati per determinare quali materiali potrebbero influenzare l'esperimento. Se i picchi sconosciuti appaiono accanto ai picchi noti per provenire dal campione, possono essere o dai raggi cosmici (che sono generalmente solo pochi numeri d'onda larghi e molto intensi), o da altri strati che interferiscono con la misurazione. Se lo strato è sottile rispetto alla lunghezza di attenuazione del laser nel materiale, è probabile che anche il substrato sottostante venga sondato.
4. Selezionare l'intervallo di numeri d'onda che devono essere scansionati dal monocromatore. Questo è altamente dipendente dal campione. Generalmente in letteratura si possono trovare le regioni in cui appariranno i picchi Raman interessati. Per campioni completamente sconosciuti è possibile eseguire una scansione di prova di un'ampia gamma (ad esempio, 100-2.000 cm^-1). Tuttavia, le scansioni estese consumeranno più tempo. Selezionare un'intensità laser che produca un segnale sufficiente, ma che non danneggi il reticolo cristallino del materiale in esame (ad esempio, se si indaga amorfo un laser ad alta intensità può cristallizzare il campione). Questo può essere controllato immaginando lo stesso punto due volte, se il danno dei cambiamenti dello spettro potrebbe essersi verificato. Se il segnale è troppo debole il tempo di esposizione può essere aumentato.
5. Acquisire lo spettro del campione. Questo viene generalmente fatto automaticamente dallo strumento durante la scansione del monocromatore e la lettura dell'uscita CCD. Non è necessario eseguire scansioni di sfondo se il campione si trova in un involucro completamente buio, altrimenti la luce vagante influenzerà la misurazione.
6. Indagare i dati utilizzando un software appropriato e utilizzando la letteratura. Ciò può includere la rimozione dei raggi cosmici, che appaiono come linee molto nitide e intense nello spettro e possono generalmente essere completamente rimossi. L'interferenza con il substrato o i contaminanti può comportare una linea di base, che può essere rimossa adattando una curva appropriata (ad esempio, linea lineare o spline) alle regioni dello spettro che si prevede siano piatte(cioè non contengono picchi Raman originati dal campione). Per alcuni materiali i diversi picchi Raman possono apparire così vicini l'uno all'altro che potrebbe essere necessaria una deconvoluzione di picco, per questo controllare la letteratura sul materiale.

La spettroscopia Raman sfrutta la dispersione della luce per raccogliere informazioni molecolari uniche per il materiale in esame.

Quando la luce colpisce una molecola, la maggior parte dell'energia non viene assorbita, ma si disperde alla stessa energia della luce incidente. Tuttavia, una piccola frazione di radiazione diffusa appare a energie diverse dalla radiazione incidente.

Questi spostamenti di energia corrispondono agli stati vibrazionali delle molecole e possono essere utilizzati per identificare, quantificare ed esaminare la composizione molecolare del campione in analisi.

Questo video introdurrà la teoria alla base di questa tecnica, dimostrerà una procedura per eseguire la stessa in laboratorio e presenterà alcuni dei modi in cui questo metodo viene applicato nelle industrie di oggi.

L'interazione della radiazione con un campione può essere pensata come collisione tra fotoni e molecole.

Un fotone in arrivo eccita la molecola in uno stato eccitato virtuale di breve durata da cui decadrà rapidamente tornando al suo stato fondamentale ed emetterà un fotone diffuso. Quando non c'è scambio di energia, un fotone diffuso ha la stessa lunghezza d'onda del fotone incidente, e questo è chiamato scattering di Rayleigh elastico.

Lo scattering Raman rappresenta molecole sottoposte a vibrazione – eccitazione o rilassamento come risultato di un'interazione anelastica – con i fotoni. Se la molecola viene sollevata da uno stato fondamentale a uno stato eccitato virtuale e riscende a uno stato vibrazionale di energia più elevata, allora ha guadagnato energia dal fotone. Questo è anche chiamato scattering di Stokes.

Se una molecola con un'energia vibrazionale più elevata, guadagna energia e scende di nuovo a uno stato fondamentale inferiore, allora la molecola ha perso energia al fotone, dando origine allo scattering anti-Stokes. A temperatura ambiente, il numero di molecole nello stato fondamentale è superiore a quello in uno stato di energia più elevato, causando lo scattering di Stokes più intenso e più comunemente esaminato, rispetto allo scattering anti-Stokes.

Le vibrazioni molecolari e le rotazioni derivanti da queste interazioni con i fotoni incidenti includono lo stretching simmetrico e asimmetrico, la forbice, l'oscillazione, lo scodinzolamento e la torsione.

Queste vibrazioni molecolari vengono utilizzate non solo nella spettroscopia Raman, ma anche insieme ad essa con altre tecniche, come la spettroscopia a infrarossi. Una vibrazione è "Raman-attiva", o rilevabile dalla spettroscopia Raman, quando provoca un cambiamento nella polarizzabilità, o nella quantità di distorsione, della sua nuvola di elettroni. Una vibrazione è attiva nell'infrarosso quando induce un cambiamento nel suo momento di dipolo.

Ad esempio, gli allungamenti simmetrici, come l'espansione dell'anidride carbonica, fanno sì che gli elettroni si allontanino dai nuclei e diventino facilmente polarizzabili, ma non cambiano il momento di dipolo. Un allungamento asimmetrico, d'altra parte, provoca un cambiamento nel momento di dipolo, ma nessun cambiamento nella polarizzabilità. Per questi motivi, la spettroscopia Raman e la spettroscopia infrarossa sono trattate come metodi complementari di analisi chimica.

La spettroscopia Raman viene eseguita facendo brillare un intenso laser monocromatico su un campione. La radiazione emessa dal campione viene raccolta e la lunghezza d'onda del laser viene filtrata. La luce diffusa viene inviata attraverso un monocromatore a un rivelatore CCD. Nella micro-spettroscopia Raman, il laser passa attraverso un microscopio prima di raggiungere il campione, consentendo una risoluzione spaziale a livello di micron.

Lo spettro Raman di un campione è un grafico dell'intensità della radiazione diffusa in funzione dello spostamento del numero d'onda da quello della radiazione incidente. Le forme e le intensità dei picchi possono indicare la struttura molecolare, la simmetria, la qualità dei cristalli e la concentrazione del materiale.

Ora che hai compreso la teoria alla base di questo metodo, esploriamo un protocollo per eseguire la microspettroscopia Raman su un campione.

Per iniziare la procedura, accendere il laser richiesto e selezionare l'ottica corretta per la lunghezza d'onda utilizzata. Dare al laser 15 minuti per riscaldarsi prima di iniziare l'esperimento. Nel frattempo, accendere il computer e caricare il software dello strumento.

Scegli la lunghezza d'onda corretta per il laser utilizzato. Eseguire la calibrazione richiesta dello spettroscopio Raman. Questo può essere fatto utilizzando un wafer di silicio posizionato sul tavolino del microscopio, ma qui viene utilizzato un campione di riferimento interno in silicio. Lo spettro Raman è ottenuto utilizzando un'energia e un tempo di esposizione appropriati. Il silicio dovrebbe dare un forte picco a circa 520 numeri d'onda.

Una volta calibrato, posizionare il campione sotto il microscopio e mettere a fuoco lo strato di interesse. Un involucro scuro viene utilizzato per rimuovere la luce diffusa. Assicurarsi che il percorso del laser non sia ostruito da strati che assorbono la luce o Raman-active in modo da ottenere uno spettro pulito.

Selezionare l'intervallo di numeri d'onda che devono essere scansionati dal monocromatore. Seleziona un'intensità laser che produca un segnale sufficiente, ma non danneggi il materiale in esame. Questo può essere verificato visualizzando due volte lo stesso punto. Se lo spettro cambia, potrebbero essersi verificati danni.

Se il campione si trova in un involucro completamente buio, non è necessaria una scansione in background. Acquisire lo spettro del campione.

Esaminare i dati utilizzando software appropriati e confrontandoli con la letteratura disponibile. I raggi cosmici appaiono come picchi acuti e intensi che devono essere rimossi. L'interferenza laser con determinati substrati o contaminanti può provocare una linea di base, che viene rimossa adattando una curva appropriata alle regioni dello spettro che non si prevede contengano picchi Raman originati dal campione. Per alcuni materiali, i diversi picchi Raman si sovrappongono a tal punto che potrebbe essere necessaria la deconvoluzione dei picchi.

Dopo che queste fasi sono state eseguite, gli spettri risultanti rappresenteranno dati qualitativi e quantitativi sulle specie presenti nel campione.

Qui, esamineremo lo spettro Raman dei nanotubi di carbonio, che sono rotoli di fogli di grafene molto piccoli, cavi a uno o più strati. Lo spettro Raman prelevato da nanotubi di carbonio a parete multipla utilizzando un laser a 514 nm è mostrato qui.

Poiché i nanotubi di carbonio sono rappresentati da reticoli cristallini, le loro vibrazioni sono rappresentate da "modalità" di vibrazione collettiva?.? Il picco G-mode a 1.582 numeri d'onda è correlato al legame carbonio-carbonio ibridato sp2 che può essere trovato in qualsiasi materiale grafitico. C'è anche un picco D prominente 1.350 numeri d'onda rappresenta la dispersione, causata da un disordine nel reticolo cristallino. Il rapporto tra l'intensità dei modi G e D quantifica la qualità strutturale del nanotubo.

Gli sviluppi dei laser e delle tecnologie informatiche hanno reso la spettroscopia Raman, un tempo noiosa, una delle tecniche più utilizzate per l'analisi chimica.

Le celle a combustibile a ossidi solidi, o SOFC, hanno il potenziale per diventare una delle principali fonti di energia a basse emissioni nei prossimi decenni. Queste celle funzionano convertendo elettrochimicamente l'energia di un combustibile e di un ossidante, in questo caso ossidi solidi, in elettricità. C'è ancora qualche difficoltà nel caratterizzare il meccanismo elettrochimico dei materiali delle celle a combustibile in situ. Tuttavia, la spettroscopia Raman viene ora sempre più utilizzata per mappare intricati meccanismi di reazione chimica all'anodo.

Gli oggetti d'arte vengono esaminati spettroscopicamente per rivelarne l'età, la composizione e per ottimizzare le condizioni di conservazione. La natura non distruttiva della microspettroscopia Raman la rende adatta a questo scopo. Focalizzando un laser sul campione d'arte e tracciando l'intensità della luce diffusa in modo anelastico, è possibile ottenere spettri di pigmenti, leganti o vernici per artisti. La spettroscopia Raman viene utilizzata anche per identificare la falsificazione di opere d'arte.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla spettroscopia Raman per l'analisi chimica. A questo punto è necessario comprendere i principi alla base dell'effetto Raman e come si applica alla spettroscopia Raman, come eseguire la propria analisi Raman in laboratorio e alcuni dei modi entusiasmanti in cui viene applicato oggi nelle industrie.

Grazie per l'attenzione!