3.6: Kimyasal Analiz için Raman Spektroskopisi

1. Gerekli lazeri açın ve kullanılan dalga boyu için doğru optiği seçin. Zamanla sabit bir emisyon elde etmek için lazerin ısınmasına izin verin.
2. Raman spektroskopunun gerekli kalibrasyonunu gerçekleştirin. Bu, cihaza bağlıdır, ancak burada Raman kaymasını kristalin Si Raman zirvesinin bilinen konumuna kalibre etmek için dahili bir Si referans numunesi kullanılır. Si, lazer dalga boyuna duyarsız olan bilinen bir konumda güçlü ve keskin bir tepe verdiği için sıklıkla kullanılır. İlk olarak, referans numunenin Raman spektrumu, uygun bir maruz kalma enerjisi ve süresi kullanılarak elde edilir. Elde edilen spektrumun dalga sayısı literatürdeki değerlerle karşılaştırılır (Si için 520.7±0.5 cm^-1 ) güçlü bir tepe gözlenmelidir). Bir uyumsuzluk durumunda, CCD'nin monokromatöre (genellikle bir ızgara) göre konumu değiştirilmelidir. Piyasada bulunan Raman araçlarının çoğu, bunu başarmak için kalibrasyon rutinleri içerir.
3. Numuneyi mikroskobun altına yerleştirin ve araştırılması gereken katmana odaklanın. Genel olarak, başıboş ışığı gidermek için kapatılabilir karanlık bir muhafaza kullanılır. Temiz bir spektrum elde etmek için lazerin yolunun ışık emici veya Raman aktif katmanları tarafından engellenmediğinden emin olun. Literatürde, hangi malzemelerin deneyi etkileyebileceğini belirlemek için kullanılabilecek birçok malzemeden alınan Raman spektrumları bulunabilir. Numuneden kaynaklandığı bilinen tepelerin yanında bilinmeyen tepeler ortaya çıkarsa, bunlar ya kozmik ışınlarla (genellikle sadece birkaç dalga sayısı genişliğinde ve çok yoğundur) ya da ölçüme müdahale eden diğer katmanlarla olabilir. Katman, malzemedeki lazerin zayıflama uzunluğuna kıyasla inceyse, altındaki alt tabakanın da araştırılması muhtemeldir.
4. Monokromatör tarafından taranması gereken dalga sayıları aralığını seçin. Bu büyük ölçüde örneğe bağlıdır. Genel olarak literatürde ilgili Raman zirvelerinin ortaya çıkacağı bölgeler bulunabilir. Tamamen bilinmeyen numuneler için geniş bir aralıkta (örneğin, 100–2.000 cm^-1) test taraması gerçekleştirilebilir. Yine de genişletilmiş taramalar daha fazla zaman alacaktır. Yeterli sinyal üreten, ancak incelenen malzemenin kristal kafesine zarar vermeyen bir lazer yoğunluğu seçin (örneğin, amorf Si araştırılırsa, yüksek yoğunluklu bir lazer numuneyi kristalleştirebilir). Bu, spektrum değişiklikleri hasar meydana gelmiş olabilirse, aynı noktayı iki kez görüntüleyerek kontrol edilebilir. Sinyal çok zayıfsa, maruz kalma süresi artırılabilir.
5. Numunenin spektrumunu elde edin. Bu genellikle monokromatörü tararken ve CCD çıkışını okurken cihaz tarafından otomatik olarak yapılır. Numune tamamen karanlık bir muhafaza içindeyse arka plan taraması yapılmasına gerek yoktur, aksi takdirde dağınık ışık ölçümü etkileyecektir.
6. Uygun yazılımı kullanarak ve literatürü kullanarak verileri araştırın. Bu, spektrumda çok keskin ve yoğun çizgiler olarak görünen ve genellikle tamamen çıkarılabilen kozmik ışınların uzaklaştırılmasını içerebilir. Alt tabaka veya kirleticilerle etkileşim, spektrumun düz olması beklenen bölgelerine uygun bir eğri (örneğin, doğrusal çizgi veya spline) yerleştirilerek çıkarılabilen bir taban çizgisi ile sonuçlanabilir (, yani numuneden kaynaklanan Raman zirvelerini içermez). Bazı malzemeler için, farklı Raman tepe noktaları birbirine o kadar yakın görünebilir ki, tepe evrişimi gerekli olabilir, bunun için malzeme üzerindeki literatürü kontrol edin.

Raman spektroskopisi, incelenen malzemeye özgü moleküler bilgileri toplamak için ışığın saçılmasından yararlanır.

Işık bir moleküle çarptığında, enerjinin çoğu emilmez, ancak gelen ışıkla aynı enerjide saçılır. Bununla birlikte, saçılan radyasyonun küçük bir kısmı, gelen radyasyondan farklı enerjilerde ortaya çıkar.

Enerjideki bu değişimler, moleküllerin titreşim durumlarına karşılık gelir ve analiz edilen numunenin moleküler bileşimini tanımlamak, ölçmek ve incelemek için kullanılabilir.

Bu video, bu tekniğin arkasındaki teoriyi tanıtacak, laboratuvarda aynı şeyi gerçekleştirmek için bir prosedür gösterecek ve bu yöntemin günümüzde endüstrilerde uygulanma yollarından bazılarını sunacaktır.

Radyasyonun bir örnekle etkileşimi, fotonlar ve moleküller arasındaki çarpışmalar olarak düşünülebilir.

Gelen bir foton, molekülü kısa ömürlü sanal uyarılmış bir duruma uyarır ve buradan hızla temel durumuna geri dönecek ve dağınık bir foton yayacaktır. Enerji alışverişi olmadığında, saçılan bir foton, gelen fotonla aynı dalga boyuna sahiptir ve buna elastik Rayleigh saçılması denir.

Raman saçılması, fotonlarla esnek olmayan etkileşimin bir sonucu olarak titreşimsel uyarılma veya gevşeme geçiren molekülleri temsil eder. Molekül temel bir durumdan sanal bir uyarılmış duruma yükseltilir ve daha yüksek enerjili bir titreşim durumuna geri düşerse, fotondan enerji kazanmıştır. Buna Stokes saçılması da denir.

Daha yüksek titreşim enerjisine sahip bir molekül enerji kazanır ve daha düşük bir temel duruma geri düşerse, molekül fotona enerji kaybeder ve bu da anti-Stokes saçılımına yol açar. Oda sıcaklığında, temel durumdaki moleküllerin sayısı, daha yüksek enerji durumundakilerden daha yüksektir ve bu da Stokes saçılımının anti-Stokes saçılmasından daha yoğun olmasına ve daha yaygın olarak incelenmesine neden olur.

Gelen fotonlarla bu etkileşimlerden kaynaklanan moleküler titreşimler ve rotasyonlar, simetrik ve asimetrik gerilme, makaslama, sallanma, sallanma ve bükülmeyi içerir.

Bu moleküler titreşimler sadece Raman spektroskopisinde değil, aynı zamanda kızılötesi spektroskopi gibi diğer tekniklerle birlikte de kullanılır. Bir titreşim, elektron bulutunun polarize edilebilirliğinde veya bozulma miktarında bir değişikliğe neden olduğunda "Raman-aktiftir" veya Raman spektroskopisi ile tespit edilebilir. Bir titreşim, dipol momentinde bir değişikliğe neden olduğunda kızılötesi-aktiftir.

Örneğin, karbondioksitteki genleşme gibi simetrik gerilmeler, elektronların çekirdeklerden uzaklaşmasına ve kolayca polarize olmasına neden olur, ancak dipol momentini değiştirmez. Öte yandan asimetrik bir gerilme, dipol momentinde değişikliğe neden olur, ancak polarize edilebilirlikte bir değişiklik olmaz. Bu nedenlerden dolayı, Raman ve kızılötesi spektroskopi, tamamlayıcı kimyasal analiz yöntemleri olarak ele alınır.

Raman spektroskopisi, bir numune üzerine yoğun bir monokromatik lazerin parlatılmasıyla gerçekleştirilir. Numuneden yayılan radyasyon toplanır ve lazer dalga boyu filtrelenir. Saçılan ışık, bir monokromatör aracılığıyla bir CCD dedektörüne gönderilir. Raman mikro spektroskopisinde lazer, numuneye ulaşmadan önce bir mikroskoptan geçerek mikron düzeyinde uzamsal çözünürlüğe izin verir.

Bir numunenin Raman spektrumu, dalga sayılarındaki olay radyasyonunkinden kaymanın bir fonksiyonu olarak saçılan radyasyonun yoğunluğunun bir grafiğidir. Tepe şekilleri ve yoğunlukları moleküler yapıyı, simetriyi, kristal kalitesini ve malzeme konsantrasyonunu gösterebilir.

Artık bu yöntemin arkasındaki teoriyi anladığınıza göre, bir numune üzerinde Raman mikrospektroskopisi gerçekleştirmek için bir protokolü inceleyelim.

Prosedüre başlamak için gerekli lazeri açın ve kullanılan dalga boyu için doğru optiği seçin. Deneye başlamadan önce lazere ısınması için 15 dakika verin. Bu arada, bilgisayarı açın ve cihaz yazılımını yükleyin.

Kullanılan lazer için doğru dalga boyunu seçin. Raman spektroskopunun gerekli kalibrasyonunu gerçekleştirin. Bu, mikroskop tablasına yerleştirilen bir silikon gofret kullanılarak yapılabilir, ancak burada dahili bir silikon referans numunesi kullanılır. Raman spektrumu, uygun bir maruz kalma enerjisi ve süresi kullanılarak elde edilir. Silikon, yaklaşık 520 dalga sayısında güçlü bir zirve vermelidir.

Kalibre edildikten sonra, numuneyi mikroskobun altına yerleştirin ve ilgilenilen katmana odaklanın. Dağınık ışığı gidermek için karanlık bir muhafaza kullanılır. Temiz bir spektrum elde etmek için lazerin yolunun ışık emici veya Raman aktif katmanlar tarafından engellenmediğinden emin olun.

Monokromatör tarafından taranması gereken dalga sayıları aralığını seçin. Yeterli sinyal üreten, ancak incelenen malzemeye zarar vermeyen bir lazer yoğunluğu seçin. Bu, aynı noktayı iki kez görüntüleyerek kontrol edilebilir. Spektrum değişirse, hasar meydana gelmiş olabilir.

Örnek tamamen karanlık bir muhafaza içindeyse, arka plan taramasına gerek yoktur. Numunenin spektrumunu elde edin.

Uygun yazılımı kullanarak ve mevcut literatürle karşılaştırarak verileri araştırın. Kozmik ışınlar, çıkarılması gereken keskin ve yoğun tepeler olarak görünür. Belirli alt tabakalar veya kirleticilerle lazer etkileşimi, numuneden kaynaklanan Raman tepe noktalarını içermesi beklenmeyen spektrum bölgelerine uygun bir eğri takılarak kaldırılan bir taban çizgisi ile sonuçlanabilir. Bazı malzemeler için, farklı Raman tepe noktaları, tepe evrişiminin gerekli olabileceği bir dereceye kadar örtüşür.

Bu adımlar yarıştırıldıktan sonra, ortaya çıkan spektrumlar, numunede bulunan türler hakkında kalitatif ve kantitatif verileri temsil edecektir.

Burada, çok küçük, içi boş tek veya çok katmanlı grafen levha ruloları olan karbon nanotüplerin Raman spektrumunu inceleyeceğiz. 514 nm lazer kullanılarak çok duvarlı karbon nanotüplerden alınan Raman spektrumu burada gösterilmektedir.

Karbon nanotüpler kristal kafeslerle temsil edildiğinden, titreşimleri kolektif titreşim modları ile temsil edilir?.? 1.582 dalga sayısındaki G modu zirvesi, herhangi bir grafit malzemede bulunabilen sp2 hibritleştirilmiş karbon-karbon bağı ile ilgilidir. Ayrıca belirgin bir D zirvesi vardır, 1.350 dalga sayısı, kristal kafesteki bir bozukluğun neden olduğu saçılmayı temsil eder. G ve D modlarının yoğunluğunun oranı, nanotüpün yapısal kalitesini ölçer.

Lazerler ve bilgisayar teknolojilerindeki gelişmeler, bir zamanlar sıkıcı olan Raman spektroskopisini kimyasal analiz için en yaygın kullanılan tekniklerden biri haline getirdi.

Katı Oksit yakıt hücreleri veya SOFC'ler, önümüzdeki yıllarda önemli bir düşük emisyonlu enerji kaynağı olma potansiyeline sahiptir. Bu hücreler, bir yakıtın ve bir oksidanın, bu durumda katı oksitlerin enerjisini elektrokimyasal olarak elektriğe dönüştürerek çalışır. Yakıt hücresi malzemelerinin elektrokimyasal mekanizmasının yerinde karakterize edilmesinde hala bazı zorluklar vardır. Bununla birlikte, Raman Spektroskopisi artık anottaki karmaşık kimyasal reaksiyon mekanizmalarını haritalamak için giderek daha fazla kullanılmaktadır.

Sanat nesneleri, yaşlarını, bileşimlerini ortaya çıkarmak ve koruma koşullarını optimize etmek için spektroskopik olarak incelenir. Raman mikrospektroskopisinin tahribatsız doğası, onu bu amaç için çok uygun hale getirir. Bir lazeri sanat örneğine odaklayarak ve esnek olmayan şekilde saçılan ışığın yoğunluğunu çizerek, sanatçıların pigmentlerinin, bağlayıcı ortamlarının veya verniklerinin spektrumları elde edilebilir. Raman spektroskopisi, sanat eserlerinin tahrifatını belirlemek için bile kullanılır.

JoVE'nin Kimyasal Analiz için Raman Spektroskopisi ile tanışma sürecini izlediniz. Artık Raman etkisinin arkasındaki ilkeleri ve Raman spektroskopisine nasıl uygulandığını, laboratuvarda kendi Raman analizinizi nasıl yapacağınızı ve günümüz endüstrilerinde uygulandığı heyecan verici yollardan bazılarını anlamalısınız.

İzlediğiniz için teşekkürler!