3.6: Spektroskopia Ramana do analizy chemicznej

1. Włącz żądany laser i wybierz odpowiednią optykę dla używanej długości fali. Pozwól laserowi się rozgrzać, aby uzyskać stabilną emisję w czasie.
2. Wykonaj wymaganą kalibrację spektroskopu Ramana. To zależy od instrumentu, ale w tym przypadku wewnętrzna próbka referencyjna Si jest używana do kalibracji przesunięcia Ramana do znanej pozycji krystalicznego piku Si Ramana. Si jest często używany, ponieważ daje silny, ostry pik w znanej pozycji, która jest niewrażliwa na długość fali lasera. Po pierwsze, widmo Ramana próbki referencyjnej uzyskuje się przy użyciu odpowiedniej energii i czasu ekspozycji. Liczbę falową uzyskanego widma porównuje się z wartościami z literatury (w przypadku dla Si należy zaobserwować silny pik na wysokości 520,7±0,5 cm^-1 ). W przypadku niezgodności należy zmienić położenie CCD w stosunku do monochromatora (często siatki). Większość dostępnych na rynku narzędzi Ramanowskich zawiera procedury kalibracji, aby to osiągnąć.
3. Umieść próbkę pod mikroskopem i skup się na warstwie, która ma zostać zbadana. Ogólnie rzecz biorąc, do usuwania rozproszonego światła stosuje się zamykaną ciemną obudowę. Upewnij się, że ścieżka lasera nie jest zasłonięta przez warstwy pochłaniające światło lub aktywne warstwy Ramana, aby uzyskać czyste widmo. W literaturze można znaleźć widma Ramana pobrane z wielu materiałów, które można wykorzystać do określenia, które materiały mogą mieć wpływ na eksperyment. Jeśli nieznane piki pojawiają się obok pików, o których wiadomo, że pochodzą z próbki, mogą one być spowodowane promieniowaniem kosmicznym (które na ogół ma tylko kilka liczb falowych i jest bardzo intensywne), albo innymi warstwami zakłócającymi pomiar. Jeśli warstwa jest cienka w porównaniu z długością tłumienia lasera w materiale, jest prawdopodobne, że podłoże pod spodem również zostanie zbadane.
4. Wybierz zakres liczb falowych, które mają być skanowane przez monochromator. Jest to w dużym stopniu zależne od próbki. Generalnie w literaturze można znaleźć rejony, w których pojawią się interesujące szczyty ramanowskie. W przypadku zupełnie nieznanych próbek można wykonać skan testowy w szerokim zakresie (np. 100–2 000 cm^-1) skanowania testowego . Rozszerzone skanowanie zajmie jednak więcej czasu. Wybierz natężenie lasera, które wytwarza wystarczający sygnał, ale nie uszkadza sieci krystalicznej badanego materiału (np. jeśli badany jest amorficzny Si, laser o wysokiej intensywności może skrystalizować próbkę). Można to sprawdzić, obrazując to samo miejsce dwukrotnie, jeśli mogło dojść do uszkodzenia zmian widma. Jeśli sygnał jest zbyt słaby, czas naświetlania można wydłużyć.
5. Uzyskaj widmo próbki. Jest to zazwyczaj wykonywane automatycznie przez instrument podczas skanowania monochromatora i odczytu wyjścia CCD. Nie trzeba wykonywać skanowania tła, jeśli próbka znajduje się w całkowicie ciemnej obudowie, w przeciwnym razie światło rozproszone wpłynie na pomiar.
6. Zbadaj dane za pomocą odpowiedniego oprogramowania i korzystając z literatury. Może to obejmować usunięcie promieni kosmicznych, które pojawiają się jako bardzo ostre i intensywne linie w widmie i generalnie mogą być całkowicie usunięte. Interferencja z podłożem lub zanieczyszczeniami może skutkować linią bazową, którą można usunąć, dopasowując odpowiednią krzywą (np. linię liniową lub splajn) do obszarów widma, które mają być płaskie (, tj. nie zawierają pików Ramana pochodzących z próbki). W przypadku niektórych materiałów różne piki Ramana mogą wydawać się tak blisko siebie, że może być konieczna dekonwolucja pików, w tym celu należy zapoznać się z literaturą na temat materiału.

Spektroskopia Ramana wykorzystuje rozpraszanie światła do zbierania informacji molekularnych unikalnych dla badanego materiału.

Kiedy światło uderza w cząsteczkę, większość energii nie jest pochłaniana, ale rozprasza się z tą samą energią, co światło padające. Jednak niewielka część promieniowania rozproszonego pojawia się przy energiach różniących się od promieniowania padającego.

Te przesunięcia energii odpowiadają stanom oscylacyjnym cząsteczek i mogą być wykorzystane do identyfikacji, kwantyfikacji i zbadania składu molekularnego analizowanej próbki.

W tym filmie przedstawimy teorię stojącą za tą techniką, zademonstrujemy procedurę wykonywania tego samego w laboratorium oraz przedstawimy niektóre sposoby, w jakie ta metoda jest obecnie stosowana w przemyśle.

Oddziaływanie promieniowania z próbką można traktować jako zderzenia fotonów i cząsteczek.

Nadlatujący foton wzbudza cząsteczkę do krótkotrwałego wirtualnego stanu wzbudzenia, z którego szybko rozpada się z powrotem do stanu podstawowego i emituje rozproszony foton. Gdy nie zachodzi wymiana energii, rozproszony foton ma taką samą długość fali jak foton padający i nazywa się to elastycznym rozpraszaniem Rayleigha.

Rozpraszanie Ramana reprezentuje cząsteczki ulegające wibracyjnej "wzbudzeniu lub relaksacji" w wyniku nieelastycznego oddziaływania z fotonami. Jeśli cząsteczka zostanie podniesiona ze stanu podstawowego do stanu wirtualnego wzbudzonego i spadnie z powrotem do stanu wibracyjnego o wyższej energii, oznacza to, że uzyskała energię z fotonu. Nazywa się to również rozpraszaniem Stokesa.

Jeśli cząsteczka o wyższej energii wibracyjnej zyskuje energię i spada z powrotem do niższego stanu podstawowego, oznacza to, że cząsteczka straciła energię na rzecz fotonu, powodując rozpraszanie anty-Stokesa. W temperaturze pokojowej liczba cząsteczek w stanie podstawowym jest wyższa niż tych w stanie o wyższej energii, co powoduje, że rozpraszanie Stokesa jest bardziej intensywne i częściej badane niż rozpraszanie anty-Stokesa.

Wibracje molekularne i rotacje wynikające z tych interakcji z padającymi fotonami obejmują symetryczne i asymetryczne rozciąganie, nożyce, kołysanie, machanie i skręcanie.

Te drgania molekularne są wykorzystywane nie tylko w spektroskopii Ramana, ale także w innych technikach, takich jak spektroskopia w podczerwieni. Drgania są "Raman-aktywne", czyli wykrywalne za pomocą spektroskopii Ramana, gdy powodują zmianę polaryzacji lub stopnia zniekształcenia swojej chmury elektronowej. Wibracja jest aktywna w podczerwieni, gdy indukuje zmianę swojego momentu dipolowego.

Na przykład symetryczne rozciągnięcia, takie jak ekspansja dwutlenku węgla, powodują, że elektrony oddalają się od jąder i stają się łatwo polaryzowalne, ale nie zmieniają momentu dipolowego. Z drugiej strony asymetryczne rozciąganie powoduje zmianę momentu dipolowego, ale nie powoduje zmiany polaryzowalności. Z tych powodów spektroskopia Ramana i spektroskopia w podczerwieni traktowane są jako uzupełniające metody analizy chemicznej.

Spektroskopia Ramana polega na naświetlaniu próbki intensywnym monochromatycznym laserem. Promieniowanie emitowane z próbki jest zbierane, a długość fali lasera jest odfiltrowywana. Światło rozproszone jest przesyłane przez monochromator do detektora CCD. W mikrospektroskopii Ramana laser przechodzi przez mikroskop przed dotarciem do próbki, co pozwala na rozdzielczość przestrzenną na poziomie mikronów.

Widmo Ramana próbki jest wykresem intensywności promieniowania rozproszonego w funkcji przesunięcia liczb falowych w stosunku do promieniowania padającego. Kształty i intensywności pików mogą wskazywać na strukturę molekularną, symetrię, jakość kryształów i stężenie materiału.

Teraz, gdy rozumiesz teorię stojącą za tą metodą, przyjrzyjmy się protokołowi wykonywania mikrospektroskopii Ramana na próbce.

Aby rozpocząć procedurę, włącz wymagany laser i wybierz odpowiednią optykę do używanej długości fali. Daj laserowi 15 minut na rozgrzanie się przed rozpoczęciem eksperymentu. W międzyczasie włącz komputer i załaduj oprogramowanie instrumentu.

Wybierz odpowiednią długość fali dla używanego lasera. Wykonaj wymaganą kalibrację spektroskopu Ramana. Można to zrobić za pomocą płytki krzemowej umieszczonej na stoliku mikroskopowym, ale w tym przypadku używana jest wewnętrzna próbka referencyjna krzemu. Widmo Ramana uzyskuje się przy użyciu odpowiedniej energii i czasu ekspozycji. Krzem powinien dać silny pik przy około 520 liczbach falowych.

Po kalibracji umieść próbkę pod mikroskopem i skup się na warstwie zainteresowania. Ciemna obudowa służy do usuwania rozproszonego światła. Upewnij się, że ścieżka lasera nie jest zasłonięta warstwami pochłaniającymi światło lub aktywnymi Ramanem, aby uzyskać czyste widmo.

Wybierz zakres liczb falowych, które mają być skanowane przez monochromator. Wybierz natężenie lasera, które wytwarza wystarczający sygnał, ale nie uszkadza badanego materiału. Można to sprawdzić, obrazując dwukrotnie to samo miejsce. Jeśli widmo się zmieni, mogło dojść do uszkodzenia.

Jeśli próbka znajduje się w całkowicie ciemnej obudowie, skanowanie tła nie jest potrzebne. Uzyskaj widmo próbki.

Zbadaj dane za pomocą odpowiedniego oprogramowania i porównując je z dostępną literaturą. Promienie kosmiczne pojawiają się jako ostre i intensywne szczyty, które muszą zostać usunięte. Interferencja lasera z niektórymi podłożami lub zanieczyszczeniami może spowodować powstanie linii podstawowej, która jest usuwana poprzez dopasowanie odpowiedniej krzywej do obszarów widma, które nie powinny zawierać pików Ramana pochodzących z próbki. W przypadku niektórych materiałów różne piki Ramana nakładają się na siebie do tego stopnia, że może być konieczna dekonwolucja pików.

Po przeprowadzeniu tych etapów, uzyskane widma będą reprezentować dane jakościowe i ilościowe dotyczące gatunków obecnych w próbce.

Tutaj zbadamy widmo Ramana nanorurek węglowych, które są bardzo małymi, pustymi w środku jedno- lub wielowarstwowymi rolkami arkuszy grafenu. Widmo Ramana pobrane z wielościennych nanorurek węglowych za pomocą lasera o długości fali 514 nm przedstawiono tutaj.

Ponieważ nanorurki węglowe są reprezentowane przez sieci krystaliczne, ich wibracje są reprezentowane przez zbiorowe mody drgań?.? Szczyt trybu G przy 1,582 liczbach falowych jest związany z hybrydowym wiązaniem węgiel-węgiel sp2, które można znaleźć w dowolnym materiale grafitowym. Istnieje również wyraźny pik D 1,350 liczb falowych reprezentuje rozpraszanie, spowodowane zaburzeniem w sieci krystalicznej. Stosunek intensywności modów G i D określa ilościowo jakość strukturalną nanorurki.

Rozwój laserów i technologii komputerowych sprawił, że niegdyś żmudna spektroskopia Ramana stała się jedną z najczęściej stosowanych technik analizy chemicznej.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) mają potencjał, aby stać się głównym źródłem energii o niskiej emisji w nadchodzących dziesięcioleciach. Ogniwa te działają poprzez elektrochemiczną konwersję energii paliwa i utleniacza, w tym przypadku stałych tlenków, na energię elektryczną. Nadal istnieją pewne trudności w scharakteryzowaniu mechanizmu elektrochemicznego materiałów, z których wykonane są ogniwa paliwowe in situ. Jednak spektroskopia Ramana jest obecnie coraz częściej wykorzystywana do mapowania skomplikowanych mechanizmów reakcji chemicznych na anodzie.

Obiekty sztuki są badane spektroskopowo w celu ujawnienia ich wieku, składu i optymalizacji warunków konserwacji. Nieniszczący charakter mikrospektroskopii Ramana sprawia, że doskonale nadaje się ona do tego celu. Skupiając laser na próbce sztuki i wykreślając intensywność nieelastycznie rozproszonego światła, można uzyskać widma pigmentów artystycznych, środków wiążących lub lakierów. Spektroskopia Ramana jest nawet wykorzystywana do identyfikacji fałszerstw dzieł sztuki.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do spektroskopii Ramana w analizie chemicznej. Powinieneś teraz zrozumieć zasady stojące za efektem Ramana i jego zastosowanie do spektroskopii Ramana, jak przeprowadzić własną analizę Ramana w laboratorium oraz niektóre z ekscytujących sposobów, w jakie jest ona stosowana w dzisiejszym przemyśle.

Dzięki za oglądanie!