Raman Spectroscopy for Chemical Analysis

Analytical Chemistry

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Overview

Source : Laboratoire du Dr Ryoichi Ishihara — Université de technologie de Delft

La spectroscopie Raman est une technique d’analyse vibratoire et autres modes de basse fréquence dans un système. En chimie, il est utilisé pour identifier les molécules par leur empreinte digitale Raman. En physique du solide, il est utilisé pour caractériser les matériaux et plus précisément d’étudier leur structure cristalline ou la cristallinité. Par rapport à d’autres techniques d’enquête sur la structure cristalline (microscope électronique à transmission et diffraction des rayons x) micro-spectroscopie de Raman est non destructif, généralement ne nécessite aucune préparation de l’échantillon et peut être effectuée sur les volumes de petit échantillon.

Pour l’exécution de Raman spectroscopie un laser monochromatique est brillait sur un échantillon. Si nécessaire l’échantillon peut être recouvert par une couche transparente qui n’est pas active Raman (p. ex., SiO2) ou placé dans l’eau distillée. Le rayonnement électromagnétique émis par l’échantillon (généralement dans le proche infrarouge, visible, ou près ultra-violet) est collecté, la longueur d’onde du laser est filtré (par exemple un filtre notch ou passe-bande) et la lumière qui en résulte est envoyée à travers un monochromateur (par exemple, une grille) à un détecteur de CCD. En utilisant ce, inélastique de la lumière diffuse, originaire de Raman scattering, peuvent être capturés et utilisés pour construire le spectre Raman de l’échantillon.

Dans le cas de Raman spectroscopie micro la lumière passe à travers un microscope avant d’atteindre l’échantillon, ce qui lui permet de se concentrer sur une zone aussi petite que 1 µm2. Cela permet une cartographie précise d’un échantillon, ou la microscopie confocale afin d’enquêter sur des empilements de couches. Soin doit être pris, cependant, que le petit et intense laser spot n’endommage pas l’échantillon.

Dans cette vidéo, nous allons expliquer brièvement la procédure pour obtenir un Raman spectres, et donnera un exemple d’un spectre Raman capturé à partir de nanotubes de carbone.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Notions essentielles de chimie analytique. Raman Spectroscopy for Chemical Analysis. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

La spectroscopie Raman dépend Raman diffusion, qui est la diffusion inélastique d’un photon à basse fréquence modes (modes par exemple vibrations ou rotationnels) dans un système d’atomes ou de molécules. C’est contrairement à la spectroscopie IR, qui dépend de l’absorption de la lumière infrarouge par modes de basse fréquence dans un système. Ces deux techniques fournissent des informations similaires et complémentaires. Toutefois, cela ne signifie pas que caractéristiques vibratoires sont tant Raman et infrarouge « actif », autrement dit, ils apparaissent lorsque sondé. Pour les molécules, une vibration est Raman active lorsqu’elle entraîne une modification de polarisabilité, tandis que pour la spectroscopie IR une vibration est visible lorsqu’il entraîne une modification de moment dipolaire. Cela signifie que, pour la spectroscopie Raman, aucun moment dipolaire permanent n’est nécessaire. Pour les molécules avec un centre de symétrie, les deux méthodes spectroscopiques sont mutuellement exclusifs. Liaisons polaires donnent généralement un faible signal Raman, tandis que les obligations neutres sont généralement Raman-intense car elles impliquent un grand changement dans la polarisabilité lors de vibrations. Enfin, deux inconvénients de spectroscopie infrarouge sont que l’eau ne peut pas être utilisé comme solvant et préparation de l’échantillon est plus complexe. Cependant, un spectroscope Raman est plus cher.

Le photon émis après diffusion a une fréquence plus faible ou plus élevée que le photon incident, qui s’appelle Stokes et anti-Stokes diffusion, respectivement. Le Stokes et anti-Stokes lignes ont le même déplacement en énergie, mais leur ampleur varie en fonction de la température du substrat par exemple. Pour les molécules, les photons interagissent avec les liens et les vibrations dans une molécule qui sont sensibles à la longueur d’onde du laser utilisé. Cela provoque la molécule d’être quittée dans un état d’énergie virtuelle pendant une courte période, après quoi il inélastiquement émet un photon. Dans le cas de matériaux à l’état solide, que le photon entrant crée et paire électron-trou, qui peuvent disperser avec un phonon dans le réseau cristallin. Un phonon est une quasi-particule, qui décrit un mouvement collectif de vibration quantique dans un réseau cristallin des atomes ou des molécules dans la matière condensée. Après cet événement de diffusion l’électron-trou paires se désintègre et émet un photon de fréquence décalée.

Le spectre de ces photons dispersés est le spectre Raman, qui montre l’intensité des photons dispersés par rapport à la différence de fréquence (mesurée en nombres d’ondes avec unités cm-1) pour les photons incidents. Pics apparaissent uniquement dans le spectre Raman si les modes de vibration dans le système sont sensibles à la longueur d’onde du laser utilisé, et leur intensité et leur emplacement peuvent varier entre les longueurs d’onde du laser. En général, les pics tombent dans une fourchette de 500 à 2 000 cm-1, et des pics d’ordre supérieurs se trouvent autour de multiples de l’onde du pic Raman de premier ordre. L’intensité des pics dépend de nombreux facteurs, y compris le pouvoir du laser, mise au point, temps d’acquisition et la probabilité de la diffusion de se produire. Ainsi, intensités entre les spectres ne peuvent pas être comparées directement et doivent toujours être converties en ratio de l’intensité. La pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) d’un pic peut être directement comparée entre les différentes mesures.

Procedure

  1. Allumer l’appareil requis, puis sélectionnez l’optique correcte pour la longueur d’onde utilisée. Laissez le laser chauffer pour obtenir une émission stable au fil du temps.
  2. Effectuer l’étalonnage requis du spectroscope Raman. Cela dépend de l’instrument, mais ici un échantillon de référence TR interne est utilisé pour calibrer le décalage Raman à la position connue du pic Si Raman cristalline. Si est souvent utilisé car il donne un fort pic pointu à une position connue qui est insensible à la longueur d’onde du laser. Tout d’abord, le spectre Raman de l’échantillon de référence est obtenu en utilisant un temps et énergie d’exposition appropriée. Le nombre d’onde du spectre obtenu est comparé aux valeurs de la littérature (dans le cas Si un fort pic à 520.7±0.5 cm-1 doit être respectée). Dans le cas d’une incompatibilité, la position du CCD en ce qui concerne le monochromateur (souvent un grillage) doit être changé. La plupart des outils disponibles dans le commerce de Raman incluent des routines de calibrage pour y parvenir.
  3. Placer l’échantillon sous le microscope et la mise au point sur la couche qui doit être l’objet d’une enquête. En général, une enceinte close-able sombre est utilisée pour éliminer les reflets. Assurez-vous que le chemin d’accès du laser n’est pas obstrué par absorption de la lumière ou couches actives Raman afin d’obtenir un spectre propre. Dans la littérature les spectres Raman se trouvent de nombreux matériaux, qui peuvent servir à déterminer quels matériaux susceptibles d’influer sur l’expérience. Si inconnus pics apparaissent à côté des pics connus proviennent de l’échantillon, ils peuvent soit par des rayons cosmiques (qui sont généralement seulement quelques nombres d’onde larges et très intenses) ou autres couches interférer avec la mesure. Si la couche est mince par rapport à la longueur de l’atténuation du laser dans le matériau, il est probable que le substrat sous va également être sondé.
  4. Sélectionnez la plage de nombres qui doivent être analysés par le monochromateur. C’est hautement échantillons dépendants. Généralement dans la littérature les régions apparaissent au cours de laquelle les pics Raman intéressées se trouvent. Pour complètement inconnu des échantillons un éventail (p. ex., analyse de test 100 – 2 000 cm-1) peut être effectuée. Scans étendus consommera plus de temps, cependant. Sélectionnez une intensité laser qui produit signal suffisant, mais qui n’endommage pas le réseau cristallin du matériau sous enquête (par exemple, si on étudie Si amorphe un laser de forte intensité peut se cristalliser l’échantillon). Cela peut être vérifié par imagerie à la même place deux fois, si les dégâts de modifications du spectre seraient intervenues. Si le signal est trop faible, le temps d’exposition peut être augmenté.
  5. Acquérir le spectre de l’échantillon. Cela est généralement effectué automatiquement par l’instrument tout en le monochromateur de numérisation et lecture de la sortie de la CCD. Aucun fond analyses doivent être effectuées si l’échantillon est dans une enceinte complètement sombre, sinon lumière parasite va influencer la mesure.
  6. Enquêter sur les données à l’aide d’un logiciel approprié et en utilisant la littérature. Ceci peut inclure l’élimination des rayons cosmiques, qui apparaissent comme des lignes très nettes et intenses dans le spectre et peut généralement être complètement enlevée... Interférences avec le substrat ou les contaminants peuvent se traduire par une ligne de base, qui peut être enlevé en ajustant une courbe appropriée (p. ex., ligne linéaire ou spline) vers les régions du spectre qui sont censés être plat (c'est-à-dire qui ne contiennent pas des pics de Raman provenant de l’échantillon). Pour certains matériaux le Raman différent pics peuvent apparaître ainsi à proximité de l’autre la déconvolution de pointe pourrait être nécessaire, pour cette vérification de la documentation sur le matériel.

La spectroscopie Raman exploite la dispersion de la lumière pour recueillir de l’information moléculaire unique pour le matériel incriminé.

Lorsque la lumière frappe une molécule, la plupart de l’énergie n’est pas absorbé, mais se disperse à la même énergie que la lumière incidente. Cependant, une petite fraction du rayonnement diffusé apparaît aux énergies différant du rayonnement incident.

Ces changements d’énergie correspondent à des États de vibration des molécules et peuvent être utilisés pour identifier, quantifier et d’examiner la composition moléculaire de l’échantillon à analyser.

Cette vidéo va introduire la théorie derrière cette technique, démontrer une procédure pour effectuer la même chose dans le laboratoire et présenter quelques-unes des façons dont cette méthode est appliquée dans les industries aujourd'hui.

L’interaction des rayonnements avec un échantillon peut être considérée comme les collisions entre les molécules et les photons.

Un photon entrant excite la molécule à un état excité virtuel éphémère d'où il sera rapidement se désintègrent vers son état fondamental et émettre un photon épars. Lorsqu’il n’y a aucun échange d’énergie qui se déroulent, un photon diffusé a la même longueur d’onde, comme le photon incident, et c’est ce qu’on appelle diffusion Rayleigh élastique.

Raman scattering représente molécules subissant une excitation vibrationnelle ou détente à la suite d’inélastique interaction avec les photons. Si la molécule passe d’un état fondamental à un état excité virtuel et gouttes à un état de vibration énergétique plus élevé, puis il a gagné l’énergie du photon. Il est également appelé Stokes diffusion.

Si une molécule dans une énergie vibratoire plus élevé, les gains en énergie et les gouttes vers le bas à un bas niveau fondamental, la molécule a perdu l’énergie du photon, donnant lieu à la diffusion anti-Stokes. À température ambiante, le nombre de molécules dans l’état fondamental est plus élevé que ceux dans une énergie plus élevée d’État Stokes causant diffusion d’être plus intense et plus souvent examinée, qu’anti-Stokes diffusion.

Vibrations moléculaires et les rotations découlant de ces interactions avec les photons incidents sont symétriques et asymétriques qui s’étend, risque de coupure, bascule, qui remue et torsion.

Ces vibrations moléculaires sont utilisées non seulement dans la spectroscopie Raman, mais aussi sur le côté avec d’autres techniques, comme la spectroscopie infrarouge. Une vibration Raman « actifs », soit détectable par spectroscopie Raman, lorsqu’elle entraîne une modification de la polarisabilité, ou le taux de distorsion, de ses nuages d’électrons. Une vibration est activé par infrarouge lorsqu’elle induit un changement dans son moment dipolaire.

Par exemple, étirements symétriques, comme l’expansion du gaz carbonique, causent des électrons à s’éloigner des noyaux et deviennent facilement polarisables mais ne changent pas de moment dipolaire. Un étirement asymétrique, entraîne en revanche, changement de moment dipolaire, mais aucun changement de polarisabilité. Pour ces raisons, la spectroscopie infrarouge et Raman sont traités comme des méthodes complémentaires d’analyse chimique.

La spectroscopie Raman est réalisée par brille un laser monochromatique intense sur un échantillon. Rayonnement émis par l’échantillon est recueilli, et la longueur d’onde du laser est filtré. Lumière diffusée est envoyée dans un monochromateur à un détecteur CCD. En micro-spectroscopie Raman, le laser passe à travers un microscope avant d’atteindre l’échantillon, ce qui permet une résolution spatiale à l’échelle du micron.

Le spectre Raman d’un échantillon est un complot de l’intensité du rayonnement diffusé en fonction du déplacement en nombres d’ondes de celle du rayonnement incident. Intensités et formes de pointe peuvent indiquer la structure moléculaire, symétrie, qualité de cristal et concentration de matière.

Maintenant que vous comprenez la théorie derrière cette méthode, nous allons explorer un protocole pour effectuer microspectroscopie Raman sur un échantillon.

Pour commencer la procédure, allumer l’appareil requis, puis sélectionnez l’optique correcte pour la longueur d’onde utilisée. Donner le laser 15 min pour se réchauffer avant de commencer l’expérience. En attendant, mettez l’ordinateur sous tension et charger le logiciel de l’instrument.

Choisir la bonne longueur d’onde du laser utilisé. Effectuer l’étalonnage requis du spectroscope Raman. Cela peut être fait à l’aide d’une plaquette de silicium placée sur la platine du microscope, mais ici un échantillon de référence interne de silicium est utilisé. Le spectre Raman est obtenu en utilisant un temps et énergie d’exposition appropriée. Le silicium devrait donner une forte crête à environ 520 nombres d’ondes.

Une fois calibré, placer l’échantillon sous le microscope et la mise au point sur la couche d’intérêt. Un boîtier noir est utilisé pour éliminer les reflets. Assurez-vous que le chemin d’accès du laser n’est pas obstrué par absorption de la lumière ou de couches de Raman-active afin d’obtenir un spectre propre.

Sélectionnez la plage de nombres d’onde qui doit être scanné par le monochromateur. Sélectionnez une intensité laser qui produit le signal suffisant, mais n’endommage pas le matériel incriminé. Ceci peut être vérifié par imagerie à la même place deux fois. Si le spectre change, dommage est survenu.

Si l’échantillon est dans une enceinte complètement sombre, une analyse en arrière-plan n’est pas nécessaire. Acquérir le spectre de l’échantillon.

Enquêter sur les données à l’aide de logiciels appropriés et en comparant avec la littérature disponible. Les rayons cosmiques apparaissent comme des pics et intenses qui doivent être supprimés. Brouillage laser avec certains substrats ou les contaminants peut entraîner un niveau de référence, qui est supprimée en ajustant une courbe appropriée aux régions du spectre qui ne sont pas censés contenir des pics Raman provenant de l’échantillon. Pour certains matériaux, le Raman différent pics chevauchement à un degré que déconvolution de pointe peut être nécessaire.

Après que ces étapes sont a concouru, spectres résultants représentera les données qualitatives et quantitatives sur les espèces présentes dans l’échantillon.

Ici, nous allons examiner le spectre Raman des nanotubes de carbone, qui sont très petites, creux simple ou multicouche rouleaux de feuilles de graphène. Le spectre Raman de nanotubes de carbone multi à l’aide d’un laser à 514 nm est montré ici.

Parce que les nanotubes de carbone sont représentées par les réseaux cristallins, leurs vibrations sont représentées par vibration collective « modes ». Le sommet du G-mode à nombres d’ondes 1 582 est lié à la liaison de carbone hybride sp2 qui peut être trouvée dans n’importe quel matériel graphitique. Il y a aussi un éminent D pic 1 350 nombres d’onde représente diffusion, causée par un trouble dans le réseau cristallin. Le rapport de l’intensité des modes G et D quantifie la qualité structurelle des nanotubes de.

Évolution des lasers et des technologies informatiques ont fait de la spectroscopie de Raman autrefois fastidieuse une des techniques plus largement utilisées pour l’analyse chimique.

Piles à combustible d’oxyde solide, ou SOFC, ont le potentiel pour devenir une source importante d’énergie faibles émissions dans les décennies à venir. Ces cellules fonctionnent par électrochimiquement convertissant l’énergie du carburant et un oxydant, oxydes solides dans ce cas, à l’électricité. Il y a toujours quelque peu difficile de caractériser le mécanisme électrochimique de la pile à combustible matériaux in situ. Cependant, spectroscopie Raman est maintenant plus en plus utilisée pour mapper les mécanismes de réaction chimique complexe à l’anode.

Objets d’art sont examinés par des méthodes spectroscopiques pour révéler leur âge, la composition et d’optimiser les conditions de conservation. Le caractère non destructif de microspectroscopie Raman rend bien adapté à cet effet. Par la mise au point d’un laser sur l’échantillon de l’art et le traçage de l’intensité de la lumière diffusée inélastiquement, spectres de pigments des artistes, médias de liaison ou vernis peuvent être obtenues. Spectroscopie Raman est même utilisée pour identifier des falsifications des œuvres d’art.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la spectroscopie Raman pour l’analyse chimique. Vous devez maintenant comprendre les principes qui sous-tendent l’effet Raman et comment elle s’applique à la spectroscopie Raman, comment effectuer votre propre analyse Raman dans le laboratoire et quelques-unes des façons passionnantes dans laquelle elle est appliquée dans les industries aujourd'hui.

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Results

Le spectre Raman de nanotubes de carbone multi à l’aide d’un laser à 514 nm est illustré à la Figure 1. La ligne de base linéaire a été supprimé et les données a été normalisées à la fonctionnalité plus intense autour de 1 582 cm-1.

Plusieurs sommets peuvent être observés, qui proviennent des différentes caractéristiques cristallines de l’échantillon. Le D-pic à 1 350 cm-1 est originaire de forme double résonance élastique phonon dispersion avec un défaut dans le réseau cristallin. Le G-crête (1 582 cm-1) est lié à la liaison C-C de sp2 hybridé et se trouvent dans n’importe quel matériel graphitique. Ce pic de fort a fait une épaule du côté droit du spectre, qui est le D' environ 1 620 cm-1de la pointe. Ce pic est à nouveau défaut lié.

À nombres d’ondes plus élevées plusieurs autres sommets peuvent être observés. Le G' (ou 2D) PIC vers 2 700 cm-1 est l’harmonique de la bande D et est due à deux processus de diffusion des phonons d’inélastiques. Pour cette raison, il n’a pas défauts et se trouvent dans les échantillons cristallins hautes. Le même est vrai pour la 2D' bande environ 3 240 cm-1, qui est l’harmonique de la D' band. Enfin, le D + G autour de 2 930 cm-1 est la combinaison harmonique du groupe D et G.

Figure 1
Figure 1. Spectre Raman des nanotubes multi-murés de carbone. Le spectre a été obtenu à l’aide d’un laser à 514 nm, la ligne de base linéaire a été supprimé par un montage dans les zones plates du spectre et le spectre est normalisé au G-pic.

Applications and Summary

La spectroscopie Raman peut être appliquée dans un large éventail de domaines, allant de la (bio) chimie, de physique du solide. En chimie, spectroscopie Raman permet de cerner l’évolution des liaisons chimiques et d’identifier des molécules spécifiques (organiques ou inorganiques) en utilisant leurs empreintes digitales Raman. Cela peut être fait en soit, à l’état solide ou liquide phase gazeuse du matériau. Il a été, par exemple, utilisée en médecine pour enquêter sur les composants actifs de la drogue, et les analyseurs de gaz de Raman sont utilisés pour la surveillance en temps réel des gaz respiratoires pendant la chirurgie.

En physique du solide Raman spectroscopie est utilisée pour caractériser les matériaux et déterminer leur orientation cristalline, la composition, tension, température et cristallinité. Il a été utilisé pour identifier des compositions minérales et peut être utilisé dans les analyses de preuves médico-légales trace. Il est également possible d’observer des plasmons, et autres excitations de basse fréquence de l’état solide à l’aide de la spectroscopie Raman. Précisément pour les matériaux graphitiques, il a été utilisée pour étudier la cristallinité, le diamètre des nanotubes simples ou à double paroi et leur chiralité. Pour le graphène, il peut être également utilisé pour identifier le nombre de couches de graphène.

Un gros avantage de la spectroscopie Raman par rapport aux autres méthodes spectroscopiques, c’est qu’il nécessite généralement aucune préparation de l’échantillon si vous pouvez vous concentrer sur l’échantillon au microscope, permet d’analyser des échantillons de taille µm, ne nécessite aucun contact et est non destructif.

  1. Allumer l’appareil requis, puis sélectionnez l’optique correcte pour la longueur d’onde utilisée. Laissez le laser chauffer pour obtenir une émission stable au fil du temps.
  2. Effectuer l’étalonnage requis du spectroscope Raman. Cela dépend de l’instrument, mais ici un échantillon de référence TR interne est utilisé pour calibrer le décalage Raman à la position connue du pic Si Raman cristalline. Si est souvent utilisé car il donne un fort pic pointu à une position connue qui est insensible à la longueur d’onde du laser. Tout d’abord, le spectre Raman de l’échantillon de référence est obtenu en utilisant un temps et énergie d’exposition appropriée. Le nombre d’onde du spectre obtenu est comparé aux valeurs de la littérature (dans le cas Si un fort pic à 520.7±0.5 cm-1 doit être respectée). Dans le cas d’une incompatibilité, la position du CCD en ce qui concerne le monochromateur (souvent un grillage) doit être changé. La plupart des outils disponibles dans le commerce de Raman incluent des routines de calibrage pour y parvenir.
  3. Placer l’échantillon sous le microscope et la mise au point sur la couche qui doit être l’objet d’une enquête. En général, une enceinte close-able sombre est utilisée pour éliminer les reflets. Assurez-vous que le chemin d’accès du laser n’est pas obstrué par absorption de la lumière ou couches actives Raman afin d’obtenir un spectre propre. Dans la littérature les spectres Raman se trouvent de nombreux matériaux, qui peuvent servir à déterminer quels matériaux susceptibles d’influer sur l’expérience. Si inconnus pics apparaissent à côté des pics connus proviennent de l’échantillon, ils peuvent soit par des rayons cosmiques (qui sont généralement seulement quelques nombres d’onde larges et très intenses) ou autres couches interférer avec la mesure. Si la couche est mince par rapport à la longueur de l’atténuation du laser dans le matériau, il est probable que le substrat sous va également être sondé.
  4. Sélectionnez la plage de nombres qui doivent être analysés par le monochromateur. C’est hautement échantillons dépendants. Généralement dans la littérature les régions apparaissent au cours de laquelle les pics Raman intéressées se trouvent. Pour complètement inconnu des échantillons un éventail (p. ex., analyse de test 100 – 2 000 cm-1) peut être effectuée. Scans étendus consommera plus de temps, cependant. Sélectionnez une intensité laser qui produit signal suffisant, mais qui n’endommage pas le réseau cristallin du matériau sous enquête (par exemple, si on étudie Si amorphe un laser de forte intensité peut se cristalliser l’échantillon). Cela peut être vérifié par imagerie à la même place deux fois, si les dégâts de modifications du spectre seraient intervenues. Si le signal est trop faible, le temps d’exposition peut être augmenté.
  5. Acquérir le spectre de l’échantillon. Cela est généralement effectué automatiquement par l’instrument tout en le monochromateur de numérisation et lecture de la sortie de la CCD. Aucun fond analyses doivent être effectuées si l’échantillon est dans une enceinte complètement sombre, sinon lumière parasite va influencer la mesure.
  6. Enquêter sur les données à l’aide d’un logiciel approprié et en utilisant la littérature. Ceci peut inclure l’élimination des rayons cosmiques, qui apparaissent comme des lignes très nettes et intenses dans le spectre et peut généralement être complètement enlevée... Interférences avec le substrat ou les contaminants peuvent se traduire par une ligne de base, qui peut être enlevé en ajustant une courbe appropriée (p. ex., ligne linéaire ou spline) vers les régions du spectre qui sont censés être plat (c'est-à-dire qui ne contiennent pas des pics de Raman provenant de l’échantillon). Pour certains matériaux le Raman différent pics peuvent apparaître ainsi à proximité de l’autre la déconvolution de pointe pourrait être nécessaire, pour cette vérification de la documentation sur le matériel.

La spectroscopie Raman exploite la dispersion de la lumière pour recueillir de l’information moléculaire unique pour le matériel incriminé.

Lorsque la lumière frappe une molécule, la plupart de l’énergie n’est pas absorbé, mais se disperse à la même énergie que la lumière incidente. Cependant, une petite fraction du rayonnement diffusé apparaît aux énergies différant du rayonnement incident.

Ces changements d’énergie correspondent à des États de vibration des molécules et peuvent être utilisés pour identifier, quantifier et d’examiner la composition moléculaire de l’échantillon à analyser.

Cette vidéo va introduire la théorie derrière cette technique, démontrer une procédure pour effectuer la même chose dans le laboratoire et présenter quelques-unes des façons dont cette méthode est appliquée dans les industries aujourd'hui.

L’interaction des rayonnements avec un échantillon peut être considérée comme les collisions entre les molécules et les photons.

Un photon entrant excite la molécule à un état excité virtuel éphémère d'où il sera rapidement se désintègrent vers son état fondamental et émettre un photon épars. Lorsqu’il n’y a aucun échange d’énergie qui se déroulent, un photon diffusé a la même longueur d’onde, comme le photon incident, et c’est ce qu’on appelle diffusion Rayleigh élastique.

Raman scattering représente molécules subissant une excitation vibrationnelle ou détente à la suite d’inélastique interaction avec les photons. Si la molécule passe d’un état fondamental à un état excité virtuel et gouttes à un état de vibration énergétique plus élevé, puis il a gagné l’énergie du photon. Il est également appelé Stokes diffusion.

Si une molécule dans une énergie vibratoire plus élevé, les gains en énergie et les gouttes vers le bas à un bas niveau fondamental, la molécule a perdu l’énergie du photon, donnant lieu à la diffusion anti-Stokes. À température ambiante, le nombre de molécules dans l’état fondamental est plus élevé que ceux dans une énergie plus élevée d’État Stokes causant diffusion d’être plus intense et plus souvent examinée, qu’anti-Stokes diffusion.

Vibrations moléculaires et les rotations découlant de ces interactions avec les photons incidents sont symétriques et asymétriques qui s’étend, risque de coupure, bascule, qui remue et torsion.

Ces vibrations moléculaires sont utilisées non seulement dans la spectroscopie Raman, mais aussi sur le côté avec d’autres techniques, comme la spectroscopie infrarouge. Une vibration Raman « actifs », soit détectable par spectroscopie Raman, lorsqu’elle entraîne une modification de la polarisabilité, ou le taux de distorsion, de ses nuages d’électrons. Une vibration est activé par infrarouge lorsqu’elle induit un changement dans son moment dipolaire.

Par exemple, étirements symétriques, comme l’expansion du gaz carbonique, causent des électrons à s’éloigner des noyaux et deviennent facilement polarisables mais ne changent pas de moment dipolaire. Un étirement asymétrique, entraîne en revanche, changement de moment dipolaire, mais aucun changement de polarisabilité. Pour ces raisons, la spectroscopie infrarouge et Raman sont traités comme des méthodes complémentaires d’analyse chimique.

La spectroscopie Raman est réalisée par brille un laser monochromatique intense sur un échantillon. Rayonnement émis par l’échantillon est recueilli, et la longueur d’onde du laser est filtré. Lumière diffusée est envoyée dans un monochromateur à un détecteur CCD. En micro-spectroscopie Raman, le laser passe à travers un microscope avant d’atteindre l’échantillon, ce qui permet une résolution spatiale à l’échelle du micron.

Le spectre Raman d’un échantillon est un complot de l’intensité du rayonnement diffusé en fonction du déplacement en nombres d’ondes de celle du rayonnement incident. Intensités et formes de pointe peuvent indiquer la structure moléculaire, symétrie, qualité de cristal et concentration de matière.

Maintenant que vous comprenez la théorie derrière cette méthode, nous allons explorer un protocole pour effectuer microspectroscopie Raman sur un échantillon.

Pour commencer la procédure, allumer l’appareil requis, puis sélectionnez l’optique correcte pour la longueur d’onde utilisée. Donner le laser 15 min pour se réchauffer avant de commencer l’expérience. En attendant, mettez l’ordinateur sous tension et charger le logiciel de l’instrument.

Choisir la bonne longueur d’onde du laser utilisé. Effectuer l’étalonnage requis du spectroscope Raman. Cela peut être fait à l’aide d’une plaquette de silicium placée sur la platine du microscope, mais ici un échantillon de référence interne de silicium est utilisé. Le spectre Raman est obtenu en utilisant un temps et énergie d’exposition appropriée. Le silicium devrait donner une forte crête à environ 520 nombres d’ondes.

Une fois calibré, placer l’échantillon sous le microscope et la mise au point sur la couche d’intérêt. Un boîtier noir est utilisé pour éliminer les reflets. Assurez-vous que le chemin d’accès du laser n’est pas obstrué par absorption de la lumière ou de couches de Raman-active afin d’obtenir un spectre propre.

Sélectionnez la plage de nombres d’onde qui doit être scanné par le monochromateur. Sélectionnez une intensité laser qui produit le signal suffisant, mais n’endommage pas le matériel incriminé. Ceci peut être vérifié par imagerie à la même place deux fois. Si le spectre change, dommage est survenu.

Si l’échantillon est dans une enceinte complètement sombre, une analyse en arrière-plan n’est pas nécessaire. Acquérir le spectre de l’échantillon.

Enquêter sur les données à l’aide de logiciels appropriés et en comparant avec la littérature disponible. Les rayons cosmiques apparaissent comme des pics et intenses qui doivent être supprimés. Brouillage laser avec certains substrats ou les contaminants peut entraîner un niveau de référence, qui est supprimée en ajustant une courbe appropriée aux régions du spectre qui ne sont pas censés contenir des pics Raman provenant de l’échantillon. Pour certains matériaux, le Raman différent pics chevauchement à un degré que déconvolution de pointe peut être nécessaire.

Après que ces étapes sont a concouru, spectres résultants représentera les données qualitatives et quantitatives sur les espèces présentes dans l’échantillon.

Ici, nous allons examiner le spectre Raman des nanotubes de carbone, qui sont très petites, creux simple ou multicouche rouleaux de feuilles de graphène. Le spectre Raman de nanotubes de carbone multi à l’aide d’un laser à 514 nm est montré ici.

Parce que les nanotubes de carbone sont représentées par les réseaux cristallins, leurs vibrations sont représentées par vibration collective « modes ». Le sommet du G-mode à nombres d’ondes 1 582 est lié à la liaison de carbone hybride sp2 qui peut être trouvée dans n’importe quel matériel graphitique. Il y a aussi un éminent D pic 1 350 nombres d’onde représente diffusion, causée par un trouble dans le réseau cristallin. Le rapport de l’intensité des modes G et D quantifie la qualité structurelle des nanotubes de.

Évolution des lasers et des technologies informatiques ont fait de la spectroscopie de Raman autrefois fastidieuse une des techniques plus largement utilisées pour l’analyse chimique.

Piles à combustible d’oxyde solide, ou SOFC, ont le potentiel pour devenir une source importante d’énergie faibles émissions dans les décennies à venir. Ces cellules fonctionnent par électrochimiquement convertissant l’énergie du carburant et un oxydant, oxydes solides dans ce cas, à l’électricité. Il y a toujours quelque peu difficile de caractériser le mécanisme électrochimique de la pile à combustible matériaux in situ. Cependant, spectroscopie Raman est maintenant plus en plus utilisée pour mapper les mécanismes de réaction chimique complexe à l’anode.

Objets d’art sont examinés par des méthodes spectroscopiques pour révéler leur âge, la composition et d’optimiser les conditions de conservation. Le caractère non destructif de microspectroscopie Raman rend bien adapté à cet effet. Par la mise au point d’un laser sur l’échantillon de l’art et le traçage de l’intensité de la lumière diffusée inélastiquement, spectres de pigments des artistes, médias de liaison ou vernis peuvent être obtenues. Spectroscopie Raman est même utilisée pour identifier des falsifications des œuvres d’art.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la spectroscopie Raman pour l’analyse chimique. Vous devez maintenant comprendre les principes qui sous-tendent l’effet Raman et comment elle s’applique à la spectroscopie Raman, comment effectuer votre propre analyse Raman dans le laboratoire et quelques-unes des façons passionnantes dans laquelle elle est appliquée dans les industries aujourd'hui.

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