Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Analytical Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

רמאן ספקטרוסקופיה לניתוח כימי
 
Click here for the English version

רמאן ספקטרוסקופיה לניתוח כימי

Overview

מקור: המעבדה של ד"ר ריוצ'י אישיהארה — אוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה

ספקטרוסקופיה Raman היא טכניקה לניתוח מצבי רטט ותדר נמוך אחרים במערכת. בכימיה הוא משמש לזיהוי מולקולות על ידי טביעת האצבע Raman שלהם. בפיזיקה של מצב מוצק הוא משמש לאפיון חומרים, וליתר דיוק כדי לחקור את מבנה הגביש שלהם או גבישיות. בהשוואה לטכניקות אחרות לחקירת מבנה הגביש (למשל מיקרוסקופ אלקטרונים שידור עקיפה של קרני רנטגן) מיקרו-ספקטרוסקופיה של רחמן אינה הרסנית, בדרך כלל אינה דורשת הכנת מדגם, וניתן לבצעה בכמויות מדגם קטנות.

לביצוע ספקטרוסקופיה של ראמן זרח לייזר מונוכרומטי על דגימה. במידת הצורך ניתן לצפות את המדגם בשכבה שקופה שאינה פעילה של Raman (למשל, SiO2) או להציב אותה במי DI. הקרינה האלקטרומגנטית (בדרך כלל בטווח האינפרא אדום הקרוב, הנראה או ליד האולטרה סגול) הנפלטת מהדגימה נאספה, אורך הגל של הלייזר מסונן (למשל, על ידי מסנן חריץ או bandpass), והאור המתקבל נשלח דרך מונוכרומט (למשל, צורם) לגלאי CCD. באמצעות זה, האור המפוזר inelastic, שמקורו פיזור Raman, ניתן ללכוד ולהשתמש כדי לבנות את ספקטרום Raman של המדגם.

במקרה של Raman מיקרו ספקטרוסקופיה האור עובר דרך מיקרוסקופ לפני ההגעה לדגימה, ומאפשר לו להיות ממוקד על שטח קטן כמו 1 מיקרומטר2. זה מאפשר מיפוי מדויק של מדגם, או מיקרוסקופיה confocal על מנת לחקור ערימות של שכבות. יש לנקוט משנה זהירות, עם זאת, כי נקודת הלייזר הקטנה והאינטנסיבית אינה פוגעת במדגם.

בסרטון זה נסביר בקצרה את הליך קבלת ספקטרום Raman, ותינתן דוגמה לספקטרום של רחמן שנתפס מננו-צינוריות פחמן.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

ספקטרוסקופיית רמאן תלויה בפיזור Raman, שהוא פיזור inelastic של פוטון עם מצבי תדר נמוך (למשל מצבי רטט או סיבוב) במערכת של אטומים או בתוך מולקולות. זאת בניגוד לספקטרוסקופיית IR, התלויה בספיגת אור IR על ידי מצבי תדר נמוך במערכת. שתי הטכניקות מספקות מידע דומה, אך משלים. עם זאת, זה לא אומר כי תכונות רטט הן Raman ו- IR "פעיל", כלומר, הם מופיעים כאשר נחקר. עבור מולקולות, רטט הוא Raman פעיל כאשר הוא גורם לשינוי בקיטוב, בעוד עבור ספקטרוסקופיית IR רטט נראה כאשר הוא גורם לשינוי ברגע דיפול. משמעות הדבר היא כי עבור ספקטרוסקופיה Raman אין רגע דיפול קבוע נדרש. עבור מולקולות עם מרכז סימטריה, שתי השיטות הספקטרוסקופיות הן הדדיות בלעדיות. קשרים קוטביים בדרך כלל נותנים אות רמאן חלש, בעוד קשרים ניטרליים הם בדרך כלל אינטנסיביים Raman כפי שהם כרוכים שינוי גדול בקיטוב במהלך תנודות. לבסוף, שני משיכות לאחור של ספקטרוסקופיית IR הם כי מים לא יכולים לשמש ממס והכנת מדגם הוא מורכב יותר. ספקטרוסקופ של רמאן, לעומת זאת, יקר יותר.

לפוטון הנפלט לאחר הפיזור יש תדר נמוך או גבוה יותר מאשר פוטון האירוע, אשר נקרא סטוקס ופיזור אנטי סטוקס, בהתאמה. הקווים סטוקס ואנטי סטוקס יש את אותו שינוי באנרגיה, אבל הגודל שלהם משתנה בהתאם למשל טמפרטורת המצע. עבור מולקולות הפוטונים מתקשרים עם הקשרים והתנודות במולקולה הרגישים לאורכי הגל של הלייזר המשומשים. זה גורם למולקולה לצאת למצב אנרגיה וירטואלית לזמן קצר, ולאחר מכן היא פולטת פוטון באופן לא ברור. במקרה של חומרים מצב מוצק הפוטון הנכנס יוצר וזוג חור אלקטרונים, אשר יכול להתפזר עם פונון בסריג הגביש. פונון הוא מעין חלקיק, המתאר תנועה רטטית מרוכזת בקוונטים בסריג של אטומים או מולקולות בחומר מרוכז. לאחר אירוע פיזור זה, חור האלקטרונים מצמיד נרקב ופולח פוטון בתדר מוזז.

הספקטרום של פוטונים מפוזרים אלה הוא ספקטרום Raman, המציג את עוצמת הפוטונים הפזורים לעומת הפרש התדרים (הנמדד במספרי גלים עם יחידות ס"מ-1) לפוטוני האירוע. פסגות מופיעות בספקטרום של רמאן רק אם מצבי רטט במערכת רגישים לאורך הגל של הלייזר המשמש, ועוצמתם ומיקומם עשויים להיות שונים בין אורכי גל לייזר. בדרך כלל, הפסגות נופלות בטווח של 500-2,000 ס"מ-1,ופסגות סדר גבוהות יותר ניתן למצוא סביב כפולות של מספר הגל של פסגת הרמאן ממסדר ראשון. עוצמת הפסגות תלויה בגורמים רבים, כולל כוח הלייזר, המיקוד, זמן הרכישה וההסתברות לפיזור להתרחש. לכן, לא ניתן להשוות ישירות את האינטנסיביות בין הספקטרום, ותמיד יש להמירן ליחסי עוצמה. ניתן להשוות ישירות את הרוחב המלא בחצי המקסימום (FWHM) של שיא בין מדידות שונות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here
  1. הפעל את הלייזר הנדרש ובחר את האופטיקה הנכונה עבור אורך הגל שבו נעשה שימוש. תן ללייזר להתחמם כדי לקבל פליטה יציבה לאורך זמן.
  2. בצע את הכיול הנדרש של ספקטרוסקופ ראמן. זה תלוי במכשיר, אבל כאן מדגם ייחוס פנימי של Si משמש לכיול המעבר של רמאן למיקום הידוע של פסגת סי רחמן הגבישית. Si משמש לעתים קרובות כפי שהוא נותן שיא חד חזק בעמדה ידועה אשר חסר רגישות אורך הגל לייזר. ראשית, ספקטרום Raman של מדגם הייחוס מתקבל באמצעות אנרגיית חשיפה וזמן מתאימים. מספר הגלים של הספקטרום המתקבל מושווה לערכים מהספרות (במקרה של סי יש לראות שיא חזק של 520.7±0.5 ס"מ-1). במקרה של חוסר התאמה, יש לשנות את המיקום של ה- CCD ביחס למונוכרומט (לעתים קרובות צורם). רוב הכלים המסחריים הזמינים של Raman כוללים שגרות כיול כדי להשיג זאת.
  3. מניחים את המדגם מתחת למיקרוסקופ ומתמקדים בשכבה שיש לחקור. באופן כללי, מארז כהה בעל יכולת קרובה משמש להסרת אור תועה. ודאו שמסלול הלייזר אינו חסום על ידי ספיגת אור או שכבות פעילות של רחמן על מנת להשיג ספקטרום נקי. בספרות ספקטרום Raman ניתן למצוא נלקח מחומרים רבים, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לקבוע אילו חומרים עשויים להשפיע על הניסוי. אם פסגות לא ידועות מופיעות לצד הפסגות הידועות שמקורן במדגם, הן יכולות להיות על ידי קרניים קוסמיות (שהן בדרך כלל רק מספר גלים מעט לרוחב ואינטנסיבי מאוד), או שכבות אחרות המפריעות למדידה. אם השכבה דקה בהשוואה לאורך ההפחתה של הלייזר בחומר, סביר להניח כי המצע שמתחת ייחקר גם הוא.
  4. בחר את טווח מספרי הגלים שיש לסרוק על-ידי המונוכרומט. זה מאוד מדגם תלוי. בדרך כלל בספרות ניתן למצוא את האזורים שבהם יופיעו פסגות הרמאן המעוניינות. עבור דגימות לא ידועות לחלוטין ניתן לבצע סריקת בדיקה בטווח רחב (לדוגמה, 100-2,000 ס"מ-1). סריקות מורחבות יצריכו יותר זמן. בחר עוצמת לייזר אשר מייצרת אות מספיק, אבל אשר אינו פוגע סריג הגביש של החומר הנחקר (למשל, אם אמורפי Si נחקר לייזר בעוצמה גבוהה יכול לגבש את המדגם). ניתן לבדוק זאת על-ידי הדמיה של אותה נקודה פעמיים, אם ייתכן שאירע נזק לשינויים בספקטרום. אם האות חלש מדי, ניתן להגדיל את זמן החשיפה.
  5. לרכוש את הספקטרום של המדגם. זה נעשה בדרך כלל באופן אוטומטי על ידי המכשיר תוך סריקת המונוכרומט וקריאה של פלט CCD. אין צורך לבצע סריקות רקע אם המדגם נמצא במארז חשוך לחלוטין, אחרת אור תועה ישפיע על המדידה.
  6. לחקור את הנתונים באמצעות תוכנה מתאימה ובאמצעות הספרות. זה יכול לכלול את הסרת קרניים קוסמיות, המופיעות כקווים חדים ואינטנסיביים מאוד בספקטרום ובדרך כלל ניתן להסיר לחלוטין.. הפרעה עם המצע או מזהמים יכול לגרום לקו בסיס, אשר ניתן להסיר על ידי התאמת עקומה מתאימה (למשל, קו ליניארי או spline) לאזורים של הספקטרום אשר צפויים להיות שטוחים (כלומר אינם מכילים פסגות Raman שמקורן במדגם). עבור חומרים מסוימים פסגות Raman השונות יכולות להיראות כל כך קרובות זו לזו, עד כי ייתכן שיהיה צורך בפירוק שיא, לבדיקה זו של הספרות על החומר.

ספקטרוסקופיה של רחמן מנצלת את פיזור האור כדי לאסוף מידע מולקולרי ייחודי לחומר הנחקר.

כאשר האור פוגע במולקולה, רוב האנרגיה אינה נספגת, אלא מתפזרת באותה אנרגיה כמו אור האירוע. עם זאת, חלק קטן מהקרינה הפזורה מופיע באנרגיות שונות מקרינת האירוע.

שינויים אלה באנרגיה תואמים מצבים רטט של מולקולות וניתן להשתמש בהם כדי לזהות, לכמת ולבחון את ההרכב המולקולרי של המדגם תחת ניתוח.

וידאו זה יציג את התיאוריה שמאחורי טכניקה זו, להדגים הליך לבצע את אותו במעבדה, ולהציג כמה דרכים שבהן שיטה זו מיושמת בתעשיות היום.

האינטראקציה של קרינה עם מדגם יכולה להיחשב כהתנגשויות בין פוטונים למולקולות.

פוטון נכנס מרגש את המולקולה למצב וירטואלי נרגש קצר מועד שממנו היא תירקב במהירות חזרה למצב הקרקע שלה ותפליט פוטון מפוזר. כאשר אין חילופי אנרגיה המתרחשים, פוטון מפוזר יש את אותו אורך גל כמו פוטון האירוע, וזה נקרא פיזור ריילי אלסטי.

פיזור Raman מייצג מולקולות העוברות עירור רטט או הרפיה כתוצאה מאינטראקציה inelastic עם פוטונים. אם המולקולה מועלית ממצב קרקע למצב וירטואלי נרגש ונופלת חזרה למצב רטט אנרגיה גבוה יותר, אז היא צברה אנרגיה מהפוטון. זה נקרא גם פיזור סטוקס.

אם מולקולה באנרגיה רטטית גבוהה יותר, צוברת אנרגיה ויורדת חזרה למצב קרקע נמוך יותר, אז המולקולה איבדה אנרגיה לפוטון, מה שהוליד פיזור אנטי סטוקס. בטמפרטורת החדר, מספר המולקולות במצב הקרקע גבוה יותר מאלה שבמצב אנרגיה גבוה יותר, מה שגורם לסטוקס להתפזר בצורה אינטנסיבית יותר ונבדקת יותר, מאשר פיזור אנטי סטוקס.

תנודות מולקולריות וסיבובים הנובעים מאינטראקציות אלה עם פוטונים של תקריות כוללים מתיחות סימטריות וא-סימטריות, מספריים, נדנדה, שכשוך ופיתול.

תנודות מולקולריות אלה משמשות לא רק בספקטרוסקופיה של רמאן, אלא גם לצדה בטכניקות אחרות, כמו ספקטרוסקופיית אינפרא אדום. רטט הוא "Raman-active", או ניתן לזהות על ידי ספקטרוסקופיה של רחמן, כאשר הוא גורם לשינוי בקוטביות, או בכמות העיוות, של ענן האלקטרונים שלו. רטט הוא אינפרא אדום אקטיבי כאשר הוא עורר שינוי ברגע הדיפול שלו.

לדוגמה, מתיחות סימטריות, כמו התפשטות בפחמן דו חמצני, גורמות לאלקטרונים להתרחק מגרעינים ולהיות ניתנים לקיטוב בקלות אך אינם משנים את רגע הדיפול. מתיחה אסימטרית, לעומת זאת, גורמת לשינוי ברגע הדיפול, אך אין שינוי בקיטוב. מסיבות אלה, רמאן וספקטרוסקופיה אינפרא אדום מטופלים כשיטות משלימות של ניתוח כימי.

ספקטרוסקופיה Raman מבוצעת על ידי זוהר לייזר מונוכרומטי אינטנסיבי על מדגם. קרינה הנפלטת מהדגימה נאספה, ואורך הגל של הלייזר מסונן החוצה. אור מפוזר נשלח דרך מונוכרומט לגלאי CCD. במיקרו-ספקטרוסקופיה של רמאן, הלייזר עובר דרך מיקרוסקופ לפני שהוא מגיע לדגימה, ומאפשר רזולוציה מרחבית ברמת המיקרון.

ספקטרום הרמאן של מדגם הוא חלקה של עוצמת קרינה מפוזרת כפונקציה של שינוי במספרי גלים מזה של קרינת תקרית. צורות ועוצמות שיא יכולות להצביע על מבנה מולקולרי, סימטריה, איכות קריסטל וריכוז החומר.

עכשיו שאתם מבינים את התיאוריה שמאחורי שיטה זו, בואו נחקור פרוטוקול לביצוע מיקרוספקטרוסקופיה של ראמן על מדגם.

כדי להתחיל את ההליך, הפעל את הלייזר הנדרש ובחר את האופטיקה הנכונה עבור אורך הגל המשמש. תן ללייזר 15 דקות להתחמם לפני תחילת הניסוי. בינתיים, הפעל את המחשב וטען את תוכנת המכשיר.

בחר את אורך הגל הנכון עבור הלייזר המשמש. בצע את הכיול הנדרש של ספקטרוסקופ ראמן. זה יכול להיעשות באמצעות רקיק סיליקון להציב על שלב המיקרוסקופ, אבל כאן מדגם התייחסות סיליקון פנימי משמש. ספקטרום הרמאן מתקבל באמצעות אנרגיית חשיפה וזמן מתאימים. הסיליקון אמור לתת שיא חזק בסביבות 520 גלים.

לאחר כיול, מניחים את המדגם מתחת למיקרוסקופ ומתמקדים בשכבת העניין. מארז כהה משמש להסרת אור תועה. ודאו שמסלול הלייזר אינו חסום על ידי ספיגת אור או שכבות פעילות Raman כדי להשיג ספקטרום נקי.

בחר את טווח מספרי הגלים שיש לסרוק על-ידי המונוכרומט. בחר עוצמת לייזר המייצרת אות מספיק, אך אינה פוגעת בחומר הנחקר. ניתן לבדוק זאת על ידי הדמיה באותה נקודה פעמיים. אם הספקטרום משתנה, ייתכן שאירע נזק.

אם המדגם נמצא במארז כהה לחלוטין, אין צורך בסריקת רקע. לרכוש את הספקטרום של המדגם.

בדוק את הנתונים באמצעות תוכנה מתאימה ועל-ידי השוואה עם ספרות זמינה. קרניים קוסמיות מופיעות כפסגות חדות ואינטנסיביות שיש להסירן. הפרעות לייזר עם מצעים או מזהמים מסוימים יכול לגרום לקו בסיס, אשר מוסר על ידי התאמת עקומה מתאימה לאזורים של הספקטרום שאינם צפויים להכיל פסגות Raman שמקורן במדגם. עבור חומרים מסוימים, פסגות הרמאן השונות חופפות במידה כי דה-אבון שיא עשוי להיות נחוץ.

לאחר תחרות שלבים אלה, ספקטרום וכתוצאה מכך ייצג נתונים איכותיים וכמותיים על מינים הנמצאים במדגם.

כאן, נבחן את ספקטרום הרמאן של צינורות פחמן, שהם לחמניות קטנות מאוד, חלולות בודדות או מרובות שכבות של יריעות גרפן. ספקטרום Raman נלקח צינורות פחמן מרובי קירות באמצעות לייזר 514 ננומטר מוצג כאן.

מכיוון שננו-צינוריות פחמן מיוצגות על ידי סלסוטי גביש, התנודות שלהן מיוצגות על ידי "מצבי רטט" קולקטיביים. שיא מצב G ב 1,582 wavenumbers קשור לקשר sp 2 היברידיפחמן-פחמן שניתן למצוא בכל חומר גרפיטי. יש גם שיא D בולט 1,350 wavenumbers מייצג פיזור, הנגרמת על ידי הפרעה בסריג הגביש. היחס בין עוצמת מצבי G ו- D כימת את האיכות המבנית של הננו-צינור.

התפתחויות בלייזרים וטכנולוגיות מחשב הפכו את הספקטרוסקופיה המייגעת של רמאן לאחת הטכניקות הנפוצות ביותר לניתוח כימי.

לתאי דלק תחמוצת מוצקה, או SOFCs, יש פוטנציאל להפוך למקור עיקרי של אנרגיה פליטה נמוכה בעשורים הקרובים. תאים אלה פועלים על ידי המרת אנרגיה אלקטרוכימית של דלק חמצון, במקרה זה תחמוצות מוצקות, לחשמל. יש עדיין קושי מסוים באפיון המנגנון האלקטרוכימי של חומרי תא הדלק במקום. עם זאת, Raman ספקטרוסקופיה משמש כעת יותר ויותר כדי למפות מנגנוני תגובה כימית מורכבת ב אנודה.

אובייקטים אמנותיים נבדקים באופן ספקטרוסקופי כדי לחשוף את גילם, הרכבם ולייעל את תנאי השימור. האופי הלא הרסני של רמאן מיקרוספקטרוסקופיה עושה את זה מתאים למטרה זו. על ידי מיקוד לייזר על דגימת האמנות והתוויית עוצמת האור הפזור באופן לא-אלסטי, ניתן להשיג ספקטרום של פיגמנטים של אמנים, מדיה מחייבת או לכות. ספקטרוסקופיה של רמאן משמשת אפילו לזיהוי זיוף של יצירות אמנות.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לראמאן ספקטרוסקופיה לניתוח כימי. עכשיו אתה צריך להבין את העקרונות מאחורי אפקט Raman וכיצד הוא חל על ספקטרוסקופיה Raman, איך לבצע ניתוח Raman משלך במעבדה, וכמה דרכים מרגשות שבהן הוא מיושם בתעשיות היום.

תודה שצפיתם!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

ספקטרום Raman שנלקח מננו-צינוריות פחמן מרובות קירות באמצעות לייזר 514 ננומטר מוצג באיור 1. קו הבסיס הליניארי הוסר והנתונים נוטרו לתכונה האינטנסיבית ביותר סביב 1,582 ס"מ-1.

ניתן לצפות במספר פסגות, שמקורן בתכונות גבישיות שונות של המדגם. שיא D ב 1,350 ס"מ-1 מקורו טופס פונון אלסטי תהודה כפולה פיזור עם פגם בסריג הגביש. פסגת ה- G (1,582 ס"מ-1) קשורה לקשר C-C ההיברידי sp2 וניתן למצוא אותה בכל חומר גרפיטי. לשיא חזק זה יש למעשה כתף בצד ימין של הספקטרום, שהוא שיא D סביב 1,620 ס"מ-1. שיא זה קשור שוב לפגם.

במספרים גבוהים יותר ניתן לראות כמה פסגות אחרות. פסגת G' (או 2D) סביב 2,700 ס"מ-1 היא הגוון של הלהקה D, והוא נגרם על ידי שני תהליכי פיזור פונון inelastic. בגלל זה זה לא צריך פגמים ניתן למצוא בדגימות גבישיות גבוהות. כך גם לגבי הלהקה הדו-ממדית, שסביב 3,240 ס"מ-1,שהיא הגוון ההפוך של להקת D. לבסוף D + G סביב 2,930 ס"מ-1 הוא הגוונים המשולבים של הלהקה D ו- G.

Figure 1
איור 1. ספקטרום רמאן של צינורות פחמן מרובי קירות. הספקטרום הושג באמצעות לייזר 514 ננומטר, הבסיס הליניארי הוסר על ידי התאמה לאזורים השטוחים של הספקטרום ואת הספקטרום מנורמל לפסגת G.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

ספקטרוסקופיה של רמאן יכולה להיות מיושמת במגוון רחב של תחומים, החל (ביו) כימיה לפיזיקה מצב מוצק. בכימיה, ספקטרוסקופיה Raman יכול לשמש כדי לחקור שינויים בקשרים כימיים ולזהות מולקולות ספציפיות (אורגניות או אנאורגניות) באמצעות טביעת האצבע Raman שלהם. זה יכול להיעשות בשלב הגז, הנוזל או מצב מוצק של החומר. זה כבר, למשל, בשימוש ברפואה כדי לחקור את המרכיבים הפעילים של תרופות, מנתחי גז Raman משמשים לניטור בזמן אמת של גזים נשימתיים במהלך הניתוח.

בפיזיקה של מצב מוצק משמש ספקטרוסקופיית רמאן כדי לאפיין חומרים ולקבוע את אוריינטציה הגביש שלהם, הרכב, מתח, טמפרטורה, גבישיות. זה שימש לזיהוי הרכבים מינרליים, והוא יכול לשמש ניתוחי ראיות עקבות משפטיות. ניתן גם לצפות פלסמונים, והתרגשות בתדר נמוך אחרים של מוצק באמצעות ספקטרוסקופיה Raman. במיוחד עבור חומרים גרפיטיים זה שימש כדי לחקור את הגבישות, את הקוטר של צינורות יחיד דו-דופן, ואת הכיראליות שלהם. עבור גרפן זה יכול לשמש גם כדי לזהות את מספר שכבות גרפן.

יתרון גדול של ספקטרוסקופיה Raman על פני שיטות ספקטרוסקופיות אחרות הוא שזה בדרך כלל לא דורש הכנה מדגם אם אתה יכול להתמקד במדגם עם מיקרוסקופ, יכול לנתח דגימות בגודל מיקרומטר, לא דורש מגע, והוא לא הרסני.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter