Espectroscopia raman para análise química

A espectroscopia Raman explora a dispersão da luz para coletar informações moleculares exclusivas do material sob investigação.

Quando a luz atinge uma molécula, a maior parte da energia não é absorvida, mas se espalha - na mesma energia que a luz incidente. No entanto, uma pequena fração da radiação espalhada aparece em energias diferentes da radiação incidente.

Essas mudanças na energia correspondem aos estados vibracionais das moléculas e podem ser usadas para identificar, quantificar e examinar a composição molecular da amostra em análise.

Este vídeo apresentará a teoria por trás dessa técnica, demonstrará um procedimento para realizar o mesmo em laboratório e apresentará algumas das maneiras pelas quais esse método está sendo aplicado nas indústrias hoje.

A interação da radiação com uma amostra pode ser pensada como colisões entre fótons e moléculas.

Um fóton de entrada excita a molécula para um estado excitado virtual de curta duração, do qual ela decairá rapidamente de volta ao seu estado fundamental e emitirá um fóton espalhado. Quando não há troca de energia, um fóton espalhado tem o mesmo comprimento de onda que o fóton incidente, e isso é chamado de espalhamento elástico de Rayleigh.

O espalhamento Raman representa moléculas que sofrem excitação ou relaxamento vibracional como resultado da interação inelástica com fótons. Se a molécula é elevada de um estado fundamental para um estado excitado virtual e cai de volta para um estado vibracional de energia mais alta, então ela ganhou energia do fóton. Isso também é chamado de espalhamento de Stokes.

Se uma molécula em uma energia vibracional mais alta ganha energia e cai de volta para um estado fundamental inferior, então a molécula perdeu energia para o fóton, dando origem ao espalhamento anti-Stokes. À temperatura ambiente, o número de moléculas no estado fundamental é maior do que aquelas em um estado de energia mais alto, fazendo com que o espalhamento de Stokes seja mais intenso e mais comumente examinado do que o espalhamento anti-Stokes.

As vibrações moleculares e rotações decorrentes dessas interações com fótons incidentes incluem alongamento, tesoura, balanço, abanar e torcer simétricos e assimétricos.

Essas vibrações moleculares são usadas não apenas na espectroscopia Raman, mas também junto com outras técnicas, como a espectroscopia de infravermelho. Uma vibração é "Raman-ativa", ou detectável por espectroscopia Raman, quando causa uma mudança na polarizabilidade, ou na quantidade de distorção, de sua nuvem de elétrons. Uma vibração é infravermelha ativa quando induz uma mudança em seu momento de dipolo.

Por exemplo, trechos simétricos, como a expansão do dióxido de carbono, fazem com que os elétrons se afastem dos núcleos e se tornem facilmente polarizáveis, mas não alteram o momento de dipolo. Um alongamento assimétrico, por outro lado, resulta em mudança no momento de dipolo, mas nenhuma mudança na polarizabilidade. Por essas razões, a espectroscopia Raman e a espectroscopia de infravermelho são tratadas como métodos complementares de análise química.

A espectroscopia Raman é realizada iluminando um laser monocromático intenso em uma amostra. A radiação emitida pela amostra é coletada e o comprimento de onda do laser é filtrado. A luz espalhada é enviada através de um monocromador para um detector CCD. Na microespectroscopia Raman, o laser passa por um microscópio antes de atingir a amostra, permitindo resolução espacial no nível de mícron.

O espectro Raman de uma amostra é um gráfico de intensidade da radiação espalhada em função da mudança nos números de onda da radiação incidente. As formas e intensidades dos picos podem indicar estrutura molecular, simetria, qualidade do cristal e concentração de material.

Agora que você entende a teoria por trás desse método, vamos explorar um protocolo para realizar a microespectroscopia Raman em uma amostra.

Para iniciar o procedimento, ligue o laser necessário e selecione a óptica correta para o comprimento de onda usado. Dê ao laser 15 minutos para aquecer antes de iniciar o experimento. Enquanto isso, ligue o computador e carregue o software do instrumento.

Escolha o comprimento de onda correto para o laser usado. Execute a calibração necessária do espectroscópio Raman. Isso pode ser feito usando um wafer de silício colocado no estágio do microscópio, mas aqui uma amostra de referência interna de silício é usada. O espectro Raman é obtido usando uma energia e tempo de exposição apropriados. O silício deve dar um pico forte em torno de 520 números de onda.

Depois de calibrado, coloque a amostra embaixo do microscópio e concentre-se na camada de interesse. Um invólucro escuro é usado para remover a luz difusa. Certifique-se de que o caminho do laser não seja obstruído por camadas absorventes de luz ou Raman-ativas para obter um espectro limpo.

Selecione o intervalo de números de onda que devem ser verificados pelo monocromador. Selecione uma intensidade de laser que produza sinal suficiente, mas não danifique o material sob investigação. Isso pode ser verificado por imagens do mesmo local duas vezes. Se o espectro mudar, podem ter ocorrido danos.

Se a amostra estiver em um invólucro completamente escuro, uma varredura em segundo plano não será necessária. Adquira o espectro da amostra.

Investigue os dados usando software apropriado e comparando com a literatura disponível. Os raios cósmicos aparecem como picos agudos e intensos que devem ser removidos. A interferência do laser com certos substratos ou contaminantes pode resultar em uma linha de base, que é removida ajustando uma curva apropriada às regiões do espectro que não devem conter picos Raman originários da amostra. Para alguns materiais, os diferentes picos Raman se sobrepõem a um grau que a deconvolução do pico pode ser necessária.

Após a conclusão dessas etapas, os espectros resultantes representarão dados qualitativos e quantitativos sobre as espécies presentes na amostra.

Aqui, examinaremos o espectro Raman de nanotubos de carbono, que são rolos de folhas de grafeno muito pequenos, ocos, de uma ou várias camadas. O espectro Raman retirado de nanotubos de carbono de paredes múltiplas usando um laser de 514 nm é mostrado aqui.

Como os nanotubos de carbono são representados por redes cristalinas, suas vibrações são representadas por modos de vibração coletiva?.? O pico do modo G em 1.582 números de onda está relacionado à ligação carbono-carbono hibridizada sp2 que pode ser encontrada em qualquer material grafítico. Há também um pico D proeminente de 1.350 números de onda que representam o espalhamento, causado por uma desordem na rede cristalina. A razão da intensidade dos modos G e D quantifica a qualidade estrutural do nanotubo.

Os desenvolvimentos em lasers e tecnologias de computador tornaram a outrora tediosa espectroscopia Raman uma das técnicas mais utilizadas para análise química.

As células de combustível de óxido sólido, ou SOFCs, têm o potencial de se tornar uma importante fonte de energia de baixas emissões nas próximas décadas. Essas células funcionam convertendo eletroquimicamente a energia de um combustível e um oxidante, neste caso óxidos sólidos, em eletricidade. Ainda há alguma dificuldade em caracterizar o mecanismo eletroquímico dos materiais das células a combustível in situ. No entanto, a espectroscopia Raman está sendo cada vez mais usada para mapear intrincados mecanismos de reação química no ânodo.

Os objetos de arte são examinados espectroscopicamente para revelar sua idade, composição e otimizar as condições de conservação. A natureza não destrutiva da microespectroscopia Raman a torna adequada para esse propósito. Ao focar um laser na amostra de arte e traçar a intensidade da luz espalhada inelasticamente, podem ser obtidos espectros de pigmentos, meios de ligação ou vernizes dos artistas. A espectroscopia Raman é usada até mesmo para identificar falsificações de obras de arte.

Você acabou de assistir à introdução da JoVE à Espectroscopia Raman para Análise Química. Agora você deve entender os princípios por trás do efeito Raman e como ele se aplica à espectroscopia Raman, como realizar sua própria análise Raman no laboratório e algumas das maneiras interessantes pelas quais ele está sendo aplicado nas indústrias hoje.

Obrigado por assistir!