Контактные телефоны:
+375 17396 74 20
+375 29652 47 15

Введение в Рамановскую спектроскопию

Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана) — неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты излучения. В отличие от рэлеевского рассеяния, в случае комбинационного рассеяния света в спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества.

Спектроскопия комбинационного рассеяния света (или рамановскаяспектроскопия) — эффективный метод химического анализа, изучения состава и строения веществ. В результате анализа можно идентифицировать химические компоненты (определять природу вещества) или изучать внутримолекулярные взаимодействия, наблюдая положение и интенсивность полос в Раман спектре. При этом достаточно просто идентифицировать компоненты, используя поиск по библиотекам спектров. Раман спектры идеально подходят для поиска по библиотекам, благодаря большой спектральной информации, наличию области «отпечатков пальцев» для каждого компонента и простоте алгоритмов поиска.

Почему Рамановская спектроскопия?

Рамановская спектроскопия имеет значительные преимущества по сравнению с другими аналитическими методами. Важнейшими из них являются простота пробоподготовки и большой объем получаемой информации. 

Рамановская спектроскопия - метод, основанный на рассеянии света, поэтому все, что требуется для сбора спектра – это направить падающий луч точно на образец, а затем собрать рассеянный свет. Толщина образца не вызывает проблем для Раман спектроскопии (в отличие от ИК спектроскопии при анализа образцов на пропускание), также окружающая атмосфера вносит незначительный вклад в Раман спектры. Поэтому не требуется вакуумирование или осушка кюветного отделения для образцов. Стекло, вода, и пластиковая упаковка сами по себе имеют очень слабые рамановские спектры, что еще более упрощает использование метода. Часто образцы можно анализировать прямо в стеклянной бутылке или пластиковом пакете, не открывая упаковку и без риска загрязнения. Водные растворы готовы для анализа, не требуется удалять воду для анализа растворенного образца, а поскольку атмосферная влажность не играет роли, нет необходимости продувать спектрометр. Более того, не существует двух молекул, которые имеют одинаковые Рамановские спектры, а интенсивность рассеянного света связана с количеством вещества. Это позволяет просто получать как количественную, так и качественную информацию об образце, дает возможность интерпретировать спектр, пользоваться библиотекой спектров, обрабатывать данные с применением компьютерных методов количественного анализа.

Рамановская спектроскопия – это неразрушающий метод анализа. Нет необходимости растворять твердые тела, прессовать таблетки, прижимать образец к оптическим элементам или иным образом менять физическую или химическую структуру образца. Таким образом, рамановская спектроскопия широко используется для анализа таких физических свойств, как кристалличность, фазовые переходы и полиморфные состояния. Отсутствие пробоподготовки приводит к отсутствию необходимости очистки подложек и держателей, а также отсутствию перекрестного загрязнения.

Рамановская спектроскопия имеет несколько дополнительных преимуществ по сравнению с другими колебательными методами, поскольку спектральный диапазон не зависит от изучаемых колебательных особенностей. Другие колебательные методы требуют набора частот, который напрямую соответствует изучаемым частотам. Рамановская спектроскопия является наилучшим выбором для исследователей, поскольку работает в широком диапазоне от УФ до ближней ИК области, позволяя выбрать наиболее удобный диапазон для данного образца и получения наилучших результатов. Рамановская спектроскопия позволяет изучать колебательные состояния, связанные с частотами в дальней инфракрасной области, которые трудно изучать другими методами.

Раман микроскопы имеют пространственное разрешение лучше 1 мкм, Раман спектрометры работают с волоконной оптикой, позволяя получать информацию о колебательных состояниях в диапазоне длин волн от 2 до 100 мкм. Получение таких результатов с использованием собственных частот является почти неразрешимой задачей, но Раман делает это легко.

Раман спектрометры основаны на одном из двух способов получения спектров: дисперсионная Раман спектроскопия или Раман спектроскопия с Фурье преобразованием. Каждый из способов имеет уникальные преимущества и идеально подходит для выполнения определенных задач.

Дисперсионный Раман или Фурье-Раман?

Ответ, фактически, можно было бы дать такой – оба метода. Получаемая спектральная информация практически одинакова для дисперсионной и Фурье-Раман спектроскопии, оба метода включают преимущества Рамановской спектроскопии. Однако, в зависимости от ситуации, может быть предпочтительней один или другой метод. В целом, дисперсионный Раман предлагает больше возможностей для микроскопического применения из-за более высокой чувствительности. Фурье-Раман имеет преимущество при анализе образца в массе из-за отсутствия флуоресценции, точности по волновому числу и стоимости оборудования. Ниже приведены дополнительные причины, которые могут помочь выбрать между дисперсионным и Фурье-Раман методом.

Основные направления применения дисперсионной Раман спектроскопии.

Дисперсионная Раман спектроскопия применяется для анализа широкого круга образцов. Лазеры с более короткими длинами волн и более чувствительными CCD детекторами делают метод идеальным для анализа микрокомпонентов, имея более низкие пределы обнаружения для таких приложений, как анализ примесей в растворах, полимерах или экологических образцах.

Основные применения Раман спектроскопии с лазерами в видимой области – полупроводники и электроника, где исследуются кремний и различные покрытия на кремниевых пластинах. Анализ методом дисперсионной Раман спектроскопии кремниевых изделий дает информацию о сравнительном напряжении и сдвиговом напряжении кремния, а также других важных для качества изделия свойствах. Учитывая уменьшение размеров кремниевых устройств, очень важным является пространственное разрешение дисперсионной Раман спектроскопии. Фурье-Раман в этом случае не применяется, поскольку оксид кремния (и многие другие оксиды металлов) флуоресцируют при возбуждении лазером в ближней области. Большинство анализов методом дисперсионной Раман спектроскопии используют лазер 633 нм или более коротковолновые лазеры, чтобы удалиться достаточно далеко от лазеронаведенной флюоресценции в ближней ИК области.

Дисперсионная Раман спектроскопия становится все более и более популярной в фармацевтических и биохимических исследованиях. Это связано с возникновением новых исследовательских задач, таких как исследование единичных кристаллов и картографирование биологических тканей с высоким пространственным разрешением. Поскольку эти материалы могут флуоресцировать, то рекомендуется использовать лазер 780 нм. Более длинноволновой лазер 830 нм также может использоваться для сильно флуоресцирующих материалов, но ограничения детектора для такого лазера значительно сокращают спектральный диапазон.

Рамановская спектроскопия позволяет исследовать колебательные спектры водных растворов. Хотя Фурье-Раман также используется для анализа водных растворов, но вода имеет достаточно сильные взаимодействия в ближней ИК области. Поэтому излучение лазера и Рамановское рассеяние влияют на поглощение воды. Дисперсионная Раман спектроскопия с возбуждающими лазерами в видимой области зачастую более чувствительна для водных образцов, поскольку поглощение воды не присутствует в спектре образцов.

Дисперсионный Раман часто является очень мощным инструментом для исследования темных образцов, таких как углерод или сильно окрашенные образцы. Многие другие методы имеют сложности при возникающем нагревании таких образцов (полное поглощение), однако такой эффект часто отсутствует при использовании дисперсионной Раман спектроскопии благодаря возможности снижения мощности лазеров.

Дисперсионная Раман спектроскопия широко используется для неорганического анализа и идентификации в геологии и геммологии, поскольку, как правило, отсутствует флуоресценции оксидов металлов, которую можно наблюдать в Фурье-Раман спектроскопии. Конфокальный анализ также используется для анализа включений в камнях и минералах, путем фокусировки луча на локальной зоне внутри образца.

Многослойные полимерные ламинаты, многослойные краски и другие образцы, которые необходимо проанализировать по глубине, также являются хорошими образцами для конфокальной Раман микроскопии. При отсутствии флуоресценции наилучшее аксиальное разрешение и чувствительность достигаются для лазера 532 нм. Но лазеры с большей длиной волны также с успехом могут применяться для такого типа анализа.

Основные направления применения Фурье-Раман спектроскопии.

Фурье-Раман спектроскопия является наилучшим выбором, если образцы имеют флуоресценцию или содержат микропримеси, которые могут флуоресцировать. С большим успехом Фурье-Раман спектроскопия применяется в фармацевтическом анализе для идентификации неизвестных веществ, анализа сырья, качественного и количественного анализа готовой продукции. Также метод широко используется для исследования полиморфизма, анализа образцов в массе или на поверхности в комбинаторной химииФурье-Раман спектроскопия имеет некоторое преимущество по сравнению с дисперсионной Раман спектроскопией, потому что фармацевтические образцы часто имеют флуоресценцию при возбуждении лазером 785 нм, но дают прекрасные спектры при возбуждении лазером 1 мкм (1000 нм).

По этим же причинам Фурье-Раман спектроскопия очень широко применяется в криминалистике для анализа образцов и вещественных доказательств в запечатанных контейнерах или упаковке, при этом не нужно вскрывать упаковку, поскольку упаковка не вносит вклад в спектр образца. Фурье-Раман спектроскопия очень полезна для исследования незаконных наркотических веществ, выявления подпольных лабораторий, взрывчатых веществ и волокон. Уличные наркотики и образцы из подпольных лабораторий часто имеют флуоресценции при возбуждении видимым лазером, но легко могут быть проанализированы при использовании лазера в ближней ИК области (Фурье-Раман спектроскопия).

Чистые полимеры обычно не флуоресцируют, но микродобавки, такие как антислеживатели и пластификаторы имеют флуоресценцию при возбуждении лазером в видимой области. Фурье-Раман спектроскопия обычно используется для большинства полимерных образцов.

Фурье-Раман спектроскопия широко применяется при химическом анализе пульпы, бумагитекстиля и в нефтехимии. Метод очень удобен для идентификации неизвестных веществ, благодаря наличию библиотек Рамановских спектров. Фурье-Раман спектрометры имеют внутреннюю калибровку, поэтому у них превосходная точность по волновому числу. Для количественного и качественного (поиск по библиотекам) анализа необходимо иметь хорошую точность по волновому числу.

Фурье-Раман спектроскопия очень хороший метод для рутинного анализа – идентификация сырья или анализ готовой продукции, отличается простотой разработки методики и возможностью автоматизации. Благодаря простому и понятному программному обеспечению приборы удобны в управлении, а для освоения прибора и интерпретации получаемых данных требуется минимальное обучение.

Рамановская спектроскопия является мощным аналитическим инструментом с широким набором возможностей. Метод отличается простотой использования, поскольку практически не требуется пробоподготовка, а получаемая спектральная информация может использоваться как для идентификации, так и для количественного анализа.

Как дисперсионная Раман, так и Фурье-Раман спектроскопия имеют свои преимущества для определенного вида образцов. Эти методы с успехом применяются в фармацевтике, полимерной промышленности, нефтехимии, криминалистике, геологии, исследовании темных образцов и водных растворов. 

Во многих приложениях крайне важно проверить аутентичность образцов, которые будут проанализированы данным методом. Часто моделирование или синтетические «стандарты» не отражают всех влияний или фон реального образца, поэтому предварительная оценка с использованием таких «стандартов» может приводить к неправильным результатам. Только производитель, поставляющий приборы для дисперсионной и Фурье-Раман спектроскопии, может обеспечить наиболее точную и полную оценку вашего приложения. В этом случае окончательный выбор между дисперсионным и Фурье-Раман спектрометром основывается на оптимальном результате для вашего анализа, и ваше решение не ограничивается только одним типом приборов данного производителя, что представляет только половину возможностей Раман спектроскопии в целом.

Статья. Теоретические принципы Рамановской спектроскопии. Практические аспекты использования. 

<< Вернуться на предыдущую страницу

Оборудование