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Spettroscopia Raman per analisi chimiche
 
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Spettroscopia Raman per analisi chimiche

Overview

Fonte: Laboratorio del Dr. Ryoichi Ishihara — Delft University of Technology

La spettroscopia Raman è una tecnica per analizzare le modalità vibrazionali e altre modalità a bassa frequenza in un sistema. In chimica è usato per identificare le molecole dalla loro impronta digitale Raman. Nella fisica dello stato solido è usato per caratterizzare i materiali, e più specificamente per indagare la loro struttura cristallina o cristallinità. Rispetto ad altre tecniche per lo studio della struttura cristallina (ad esempio microscopio elettronico a trasmissione e diffrazione a raggi X) la microstoscopia Raman non è distruttiva, generalmente non richiede la preparazione del campione e può essere eseguita su piccoli volumi di campione.

Per eseguire la spettroscopia Raman viene eseguito un laser monocromatico su un campione. Se necessario, il campione può essere rivestito da uno strato trasparente che non è attivo Raman (ad esempio, SiO2) o posto in acqua DI. La radiazione elettromagnetica (tipicamente nel vicino infrarosso, visibile o vicino all'ultravioletto) emessa dal campione viene raccolta, la lunghezza d'onda del laser viene filtrata (ad esempio, da una tacca o da un filtro passabanda) e la luce risultante viene inviata attraverso un monocromatore (ad esempio, un reticolo) a un rilevatore CCD. Usando questo, la luce diffusa anelastica, proveniente dallo scattering Raman, può essere catturata e utilizzata per costruire lo spettro Raman del campione.

Nel caso della microstoscopia Raman la luce passa attraverso un microscopio prima di raggiungere il campione, permettendogli di essere focalizzato su un'area piccola come 1 μm2. Ciò consente una mappatura accurata di un campione o una microscopia confocale al fine di studiare pile di strati. Bisogna fare attenzione, tuttavia, che il piccolo e intenso punto laser non danneggi il campione.

In questo video spiegheremo brevemente la procedura per ottenere uno spettro Raman e verrà fornito un esempio di spettro Raman catturato da nanotubi di carbonio.

Principles

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La spettroscopia Raman dipende dallo scattering Raman, che è lo scattering anelastico di un fotone con modalità a bassa frequenza (ad esempio modalità vibrazionale o rotazionale) in un sistema di atomi o all'interno di molecole. Questo è in contrasto con la spettroscopia IR, che dipende dall'assorbimento della luce IR da parte delle modalità a bassa frequenza in un sistema. Entrambe le tecniche forniscono informazioni simili, ma complementari. Tuttavia, questo non significa che le caratteristiche vibrazionali siano sia Raman che IR "attive", cioè appaiono quando vengono sonde. Per le molecole, una vibrazione è Raman attiva quando provoca un cambiamento nella polarizzabilità, mentre per la spettroscopia IR una vibrazione è visibile quando provoca un cambiamento nel momento di dipolo. Ciò significa che per la spettroscopia Raman non è richiesto alcun momento di dipolo permanente. Per le molecole con un centro di simmetria, entrambi i metodi spettroscopici si escludono a vicenda. I legami polari generalmente danno un segnale Raman debole, mentre i legami neutri sono generalmente intensi di Raman in quanto comportano un grande cambiamento nella polarizzabilità durante le vibrazioni. Infine, due ritiri della spettroscopia IR sono che l'acqua non può essere utilizzata come solvente e la preparazione del campione è più complessa. Uno spettroscopio Raman è, tuttavia, più costoso.

Il fotone emesso dopo scattering ha una frequenza inferiore o superiore rispetto al fotone incidente, che è chiamato scattering di Stokes e anti-Stokes, rispettivamente. Le linee stokes e anti-Stokes hanno lo stesso spostamento di energia, ma la loro grandezza differisce a seconda ad esempio della temperatura del substrato. Per le molecole i fotoni interagiscono con i legami e le vibrazioni in una molecola che sono sensibili alla lunghezza d'onda del laser utilizzata. Ciò fa sì che la molecola esca in uno stato di energia virtuale per un breve periodo, dopo di che emette inelasticamente un fotone. Nel caso di materiali allo stato solido, il fotone in arrivo crea una coppia elettrone-foro, che può disperdersi con un fonone nel reticolo cristallino. Un fonone è una quasiparticella, che descrive un moto vibrazionale quantizzato collettivo in un reticolo di atomi o molecole in materia condensata. Dopo questo evento di scattering le coppie elettrone-foro decadono ed emettono un fotone con una frequenza spostata.

Lo spettro di questi fotoni sparsi è lo spettro Raman, che mostra l'intensità dei fotoni sparsi rispetto alla differenza di frequenza (misurata in numeri d'onda con unità cm-1) ai fotoni incidenti. I picchi appaiono nello spettro Raman solo se i modi vibrazionali nel sistema sono sensibili alla lunghezza d'onda del laser utilizzata e la loro intensità e posizione possono differire tra le lunghezze d'onda del laser. Tipicamente, i picchi rientrano in un intervallo di 500-2.000 cm-1e i picchi di ordine superiore possono essere trovati intorno a multipli del numero d'onda del picco Raman del primo ordine. L'intensità dei picchi dipende da molti fattori, tra cui la potenza del laser, la messa a fuoco, il tempo di acquisizione e la probabilità che si verifichi lo scattering. Pertanto, le intensità tra gli spettri non possono essere confrontate direttamente e dovrebbero sempre essere convertite in rapporti di intensità. L'intera larghezza a metà massimo (FWHM) di un picco può essere confrontata direttamente tra diverse misurazioni.

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Procedure

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  1. Accendere il laser richiesto e selezionare l'ottica corretta per la lunghezza d'onda utilizzata. Lascia che il laser si riscaldi per ottenere un'emissione stabile nel tempo.
  2. Eseguire la calibrazione richiesta dello spettroscopio Raman. Questo dipende dallo strumento, ma qui viene utilizzato un campione di riferimento Si interno per calibrare lo spostamento Raman nella posizione nota del picco cristallino Si Raman. Si è spesso usato in quanto dà un forte picco acuto in una posizione nota che è insensibile alla lunghezza d'onda del laser. In primo luogo, lo spettro Raman del campione di riferimento viene ottenuto utilizzando un'energia e un tempo di esposizione appropriati. Il numero d'onda dello spettro ottenuto viene confrontato con i valori della letteratura (nel caso di Si si dovrebbe osservare un picco forte a 520,7±0,5 cm-1). In caso di mancata corrispondenza, la posizione del CCD rispetto al monocromatore (spesso una griglia) deve essere modificata. La maggior parte degli strumenti Raman disponibili in commercio includono routine di calibrazione per raggiungere questo obiettivo.
  3. Posizionare il campione sotto il microscopio e concentrarsi sullo strato che deve essere studiato. In generale, un recinto scuro chiudibile viene utilizzato per rimuovere la luce diffusa. Assicurarsi che il percorso del laser non sia ostruito da strati attivi che assorbono la luce o Raman per ottenere uno spettro pulito. In letteratura si possono trovare spettri Raman presi da molti materiali, che possono essere utilizzati per determinare quali materiali potrebbero influenzare l'esperimento. Se i picchi sconosciuti appaiono accanto ai picchi noti per provenire dal campione, possono essere o dai raggi cosmici (che sono generalmente solo pochi numeri d'onda larghi e molto intensi), o da altri strati che interferiscono con la misurazione. Se lo strato è sottile rispetto alla lunghezza di attenuazione del laser nel materiale, è probabile che anche il substrato sottostante venga sondato.
  4. Selezionare l'intervallo di numeri d'onda che devono essere scansionati dal monocromatore. Questo è altamente dipendente dal campione. Generalmente in letteratura si possono trovare le regioni in cui appariranno i picchi Raman interessati. Per campioni completamente sconosciuti è possibile eseguire una scansione di prova di un'ampia gamma (ad esempio, 100-2.000 cm-1). Tuttavia, le scansioni estese consumeranno più tempo. Selezionare un'intensità laser che produca un segnale sufficiente, ma che non danneggi il reticolo cristallino del materiale in esame (ad esempio, se si indaga amorfo un laser ad alta intensità può cristallizzare il campione). Questo può essere controllato immaginando lo stesso punto due volte, se il danno dei cambiamenti dello spettro potrebbe essersi verificato. Se il segnale è troppo debole il tempo di esposizione può essere aumentato.
  5. Acquisire lo spettro del campione. Questo viene generalmente fatto automaticamente dallo strumento durante la scansione del monocromatore e la lettura dell'uscita CCD. Non è necessario eseguire scansioni di sfondo se il campione si trova in un involucro completamente buio, altrimenti la luce vagante influenzerà la misurazione.
  6. Indagare i dati utilizzando un software appropriato e utilizzando la letteratura. Ciò può includere la rimozione dei raggi cosmici, che appaiono come linee molto nitide e intense nello spettro e possono generalmente essere completamente rimossi. L'interferenza con il substrato o i contaminanti può comportare una linea di base, che può essere rimossa adattando una curva appropriata (ad esempio, linea lineare o spline) alle regioni dello spettro che si prevede siano piatte(cioè non contengono picchi Raman originati dal campione). Per alcuni materiali i diversi picchi Raman possono apparire così vicini l'uno all'altro che potrebbe essere necessaria una deconvoluzione di picco, per questo controllare la letteratura sul materiale.

La spettroscopia Raman sfrutta la dispersione della luce per raccogliere informazioni molecolari uniche per il materiale in esame.

Quando la luce colpisce una molecola, la maggior parte dell'energia non viene assorbita, ma si disperde alla stessa energia della luce incidente. Tuttavia, una piccola frazione di radiazione diffusa appare a energie diverse dalla radiazione incidente.

Questi cambiamenti di energia corrispondono agli stati vibrazionali delle molecole e possono essere utilizzati per identificare, quantificare ed esaminare la composizione molecolare del campione in analisi.

Questo video introdurrà la teoria alla base di questa tecnica, dimostrerà una procedura per eseguire lo stesso in laboratorio e presenterà alcuni dei modi in cui questo metodo viene applicato nelle industrie di oggi.

L'interazione della radiazione con un campione può essere pensata come collisioni tra fotoni e molecole.

Un fotone in arrivo eccita la molecola in uno stato eccitato virtuale di breve durata dal quale decadrà rapidamente al suo stato base ed emetterà un fotone sparso. Quando non c'è scambio di energia in atto, un fotone sparso ha la stessa lunghezza d'onda del fotone incidente, e questo è chiamato scattering elastico di Rayleigh.

Lo scattering raman rappresenta molecole sottoposte a eccitazione vibrazionale o rilassamento a seguito dell'interazione anelastica con i fotoni. Se la molecola viene sollevata da uno stato fondamentale a uno stato eccitato virtuale e ritorna a uno stato vibrazionale di energia superiore, allora ha guadagnato energia dal fotone. Questo è anche chiamato scattering di Stokes.

Se una molecola in un'energia vibrazionale più elevata, guadagna energia e scende di nuovo in uno stato fondamentale inferiore, allora la molecola ha perso energia per il fotone, dando origine allo scattering anti-Stokes. A temperatura ambiente, il numero di molecole nello stato terreno è superiore a quello in uno stato energetico più elevato, causando lo scattering di Stokes più intenso e più comunemente esaminato, rispetto allo scattering anti-Stokes.

Le vibrazioni molecolari e le rotazioni derivanti da queste interazioni con i fotoni incidenti includono allungamento simmetrico e asimmetrico, forbice, dondolo, scodinzolando e torcendo.

Queste vibrazioni molecolari sono utilizzate non solo nella spettroscopia Raman, ma anche insieme ad altre tecniche, come la spettroscopia infrarossa. Una vibrazione è "Raman-attiva", o rilevabile dalla spettroscopia Raman, quando provoca un cambiamento nella polarizzabilità, o la quantità di distorsione, della sua nube di elettroni. Una vibrazione è attiva a infrarossi quando induce un cambiamento nel suo momento di dipolo.

Ad esempio, gli allungamenti simmetrici, come l'espansione nell'anidride carbonica, fanno sì che gli elettroni si allontanino dai nuclei e diventino facilmente polarizzabili, ma non cambiano il momento di dipolo. Un allungamento asimmetrico, d'altra parte, si traduce in un cambiamento nel momento di dipolo, ma nessun cambiamento nella polarizzabilità. Per questi motivi, raman e spettroscopia infrarossa sono trattati come metodi complementari di analisi chimica.

La spettroscopia Raman viene eseguita facendo brillare un intenso laser monocromatico su un campione. La radiazione emessa dal campione viene raccolta e la lunghezza d'onda del laser viene filtrata. La luce diffusa viene inviata attraverso un monocromatore a un rilevatore CCD. Nella microsstoscopia Raman, il laser passa attraverso un microscopio prima di raggiungere il campione, consentendo la risoluzione spaziale a livello di micron.

Lo spettro Raman di un campione è un grafico dell'intensità della radiazione diffusa in funzione dello spostamento del numero d'onda da quello della radiazione incidente. Le forme e le intensità di picco possono indicare la struttura molecolare, la simmetria, la qualità del cristallo e la concentrazione del materiale.

Ora che hai capito la teoria alla base di questo metodo, esploriamo un protocollo per eseguire la microspettroscopia Raman su un campione.

Per iniziare la procedura, accendere il laser richiesto e selezionare l'ottica corretta per la lunghezza d'onda utilizzata. Dare al laser 15 minuti per riscaldarsi prima di iniziare l'esperimento. Nel frattempo, accendere il computer e caricare il software dello strumento.

Scegli la lunghezza d'onda corretta per il laser utilizzato. Eseguire la calibrazione richiesta dello spettroscopio Raman. Questo può essere fatto usando un wafer di silicio posto sullo stadio del microscopio, ma qui viene utilizzato un campione interno di riferimento al silicio. Lo spettro Raman è ottenuto utilizzando un'energia e un tempo di esposizione appropriati. Il silicio dovrebbe dare un forte picco a circa 520 numeri d'onda.

Una volta calibrato, posizionare il campione sotto il microscopio e concentrarsi sullo strato di interesse. Un recinto scuro viene utilizzato per rimuovere la luce vagante. Assicurarsi che il percorso del laser non sia ostruito da strati che assorbono la luce o Raman-attivi in modo da ottenere uno spettro pulito.

Selezionare l'intervallo di numeri d'onda che devono essere scansionati dal monocromatore. Selezionare un'intensità laser che produca un segnale sufficiente, ma non danneggi il materiale in esame. Questo può essere verificato immaginando lo stesso punto due volte. Se lo spettro cambia, potrebbe essersi verificato un danno.

Se il campione si trova in un involucro completamente buio, non è necessaria una scansione dello sfondo. Acquisire lo spettro del campione.

Indagare i dati utilizzando un software appropriato e confrontando con la letteratura disponibile. I raggi cosmici appaiono come picchi acuti e intensi che devono essere rimossi. L'interferenza laser con determinati substrati o contaminanti può provocare una linea di base, che viene rimossa adattando una curva appropriata alle regioni dello spettro che non dovrebbero contenere picchi Raman originati dal campione. Per alcuni materiali, i diversi picchi Raman si sovrappongono a un livello tale che potrebbe essere necessaria la deconvoluzione di picco.

Dopo che questi passaggi sono stati gareggiati, gli spettri risultanti rappresenteranno dati qualitativi e quantitativi sulle specie presenti nel campione.

Qui, esamineremo lo spettro Raman dei nanotubi di carbonio, che sono rotoli molto piccoli, cavi singoli o multistrato di fogli di grafene. Lo spettro Raman prelevato da nanotubi di carbonio a parete multiplo utilizzando un laser a 514 nm è mostrato qui.

Poiché i nanotubi di carbonio sono rappresentati da reticoli cristallini, le loro vibrazioni sono rappresentate da "modalità" di vibrazione collettiva. Il picco in modalità G a 1.582 numeri d'onda è correlato al legame ibrido carbonio-carbonio sp2 che può essere trovato in qualsiasi materiale grafitico. C'è anche un prominente picco D 1.350 numeri d'onda rappresenta lo scattering, causato da un disturbo nel reticolo cristallino. Il rapporto tra l'intensità dei modi G e D quantifica la qualità strutturale del nanotubo.

Gli sviluppi nei laser e nelle tecnologie informatiche hanno reso la spettroscopia Raman, una volta noiosa, una delle tecniche più utilizzate per l'analisi chimica.

Le celle a combustibile a ossido solido, o SOFC, hanno il potenziale per diventare una delle principali fonti di energia a basse emissioni nei prossimi decenni. Queste celle funzionano convertendo elettrochimicamente l'energia di un combustibile e di un ossidante, in questo caso ossidi solidi, in elettricità. C'è ancora qualche difficoltà nel caratterizzare il meccanismo elettrochimico dei materiali delle celle a combustibile in situ. Tuttavia, la spettroscopia Raman viene ora sempre più utilizzata per mappare intricati meccanismi di reazione chimica all'anodo.

Gli oggetti d'arte vengono esaminati spettroscopicamente per rivelare la loro età, composizione e per ottimizzare le condizioni di conservazione. La natura non distruttiva della microspettroscopia Raman la rende adatta a questo scopo. Focalizzando un laser sul campione artistico e tracciando l'intensità della luce diffusa in modo inelastico, è possibile ottenere spettri di pigmenti, mezzi leganti o vernici degli artisti. La spettroscopia Raman viene persino utilizzata per identificare la falsificazione di opere d'arte.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla spettroscopia Raman per l'analisi chimica. Ora dovresti capire i principi alla base dell'effetto Raman e come si applica alla spettroscopia Raman, come eseguire la tua analisi Raman in laboratorio e alcuni dei modi entusiasmanti in cui viene applicato nelle industrie di oggi.

Grazie per l'attenzione!

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Results

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Lo spettro Raman prelevato da nanotubi di carbonio a parete multiplo utilizzando un laser a 514 nm è mostrato nella Figura 1. La linea di base lineare è stata rimossa e i dati sono stati normalizzati alla caratteristica più intensa intorno a 1.582 cm-1.

Si possono osservare diversi picchi, che hanno origine da diverse caratteristiche cristalline del campione. Il picco D a 1.350 cm-1 origina una doppia risonanza elastica a dispersione fononica con un difetto nel reticolo cristallino. Il picco G (1.582 cm-1) è correlato al legame C-C ibridato sp2 e può essere trovato in qualsiasi materiale grafitico. Questo picco forte ha in realtà una spalla sul lato destro dello spettro, che è il picco D 'intorno a 1.620 cm-1. Questo picco è di nuovo correlato a difetti.

A numeri d'onda più alti si possono osservare molti altri picchi. Il picco G' (o 2D) intorno a 2.700 cm-1 è l'overtone della banda D, ed è causato da due processi di scattering fononinici anelastici. Per questo motivo non ha bisogno di difetti e può essere trovato in campioni ad alto cristallino. Lo stesso vale per la banda 2D' intorno ai 3.240 cm-1,che è il tono della banda D'. Infine il D+ G intorno a 2.930 cm-1 è il tono combinato della banda D e G.

Figure 1
Figura 1. Spettro Raman di nanotubi di carbonio a parete multiplo. Lo spettro è stato ottenuto utilizzando un laser a 514 nm, la linea di base lineare è stata rimossa adattandosi alle aree piane dello spettro e lo spettro è normalizzato al picco G.

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Applications and Summary

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La spettroscopia Raman può essere applicata in una vasta gamma di campi, che vanno dalla (bio)chimica alla fisica dello stato solido. In chimica, la spettroscopia Raman può essere utilizzata per studiare i cambiamenti nei legami chimici e identificare molecole specifiche (organiche o inorganiche) utilizzando la loro impronta digitale Raman. Questo può essere fatto sia nella fase gassosa, liquida o allo stato solido del materiale. È stato, ad esempio, utilizzato in medicina per studiare i componenti attivi dei farmaci e gli analizzatori di gas Raman sono utilizzati per il monitoraggio in tempo reale dei gas respiratori durante l'intervento chirurgico.

Nella fisica dello stato solido la spettroscopia Raman viene utilizzata per caratterizzare i materiali e determinarne l'orientamento, la composizione, lo stress, la temperatura e la cristallinità dei cristalli. È stato utilizzato per identificare composizioni minerali e può essere utilizzato in analisi forensi di prove di tracce. È anche possibile osservare i plasmoni e altre eccitazioni a bassa frequenza del solido usando la spettroscopia Raman. Specificamente per i materiali grafiti è stato utilizzato per studiare la cristallinità, il diametro dei nanotubi a parete singola e doppia e la loro chiralità. Per il grafene può anche essere usato per identificare il numero di strati di grafene.

Un grande vantaggio della spettroscopia Raman rispetto ad altri metodi spettroscopici è che in genere non richiede alcuna preparazione del campione se è possibile concentrarsi sul campione con un microscopio, è in grado di analizzare campioni di dimensioni μm, non richiede alcun contatto e non è distruttivo.

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