Рамановская спектроскопия (комбинационного рассеяния). Основы, методы, применение

Содержание:

1. Теория рамановского рассеяния
2. Компоненты рамановского спектрометра
3. Применение рамановской (КР) спектроскопии

Рамановская спектроскопия комбинационного рассеяния)представляет собой молекулярную спектроскопию для наблюдения за неэластично рассеянным светом и позволяет идентифицировать вибрационные состояния (фононы)  молекул. Поэтому рамановская (КР) спектроскопия является бесценным аналитическим инструментом для молекулярного получения отпечатков пальцев и контроля изменений в молекулярной структуре связей  (например, изменений состояний и нагрузок).

По сравнению с другими методами вибрационной спектроскопии, например, ИК-Фурье и спектроскопии ближнего ИК, спектроскопия комбинационного рассеяния (рамановская) имеет ряд преимуществ. Они являются следствием того, что рамановский эффект наблюдается в рассеянном свете от образца, а не в спектре поглощения образцом света. Поэтому рамановская спектроскопия  не требует специальной подготовки образца и нечувствительна к полосам поглощения. Это свойство рамановской (КР) спектроскопии облегчает процесс непосредственного измерения в твердых, жидких и газообразных средах, а также измерения через прозрачные материалы, например, стекло, кварц, пластмассу.

По аналогии с ИК-Фурье спектроскопией, рамановская спектроскопия весьма избирательна, что позволяет идентифицировать и дифференцировать молекулы и химические образцы, которые очень похожи между собой. На рис.1 показан пример с пятью похожими молекулами – ацетоном, этанолом, диметилсульфоксидом, этилацетатом и толуолом. Несмотря на то, что каждый химический элемент имеет подобную молекулярную структуру, их рамановский спектр весьма различен, это видно даже невооруженным взглядом. С помощью справочника рамановских спектров можно без труда определить материал.

Рис. R-1 Рамановские спектры разных молекул

Теория рамановского рассеяния

При рассмотрении рамановского рассеяния можно воспользоваться двумя методами, а именно, волновой теорией света или квантовой теорией. В классической (волновой) интерпретации свет рассматривается как электромагнитное излучение, которое создает изменяемое электромагнитное поле, взаимодействующее с молекулами через эффект поляризации. Поляризуемость определяется способностью электронного облака взаимодействовать с электрическим полем. Например, легкие молекулы, скажем, бензин, легко рассеивают рамановский свет, а более тяжелые молекулы, например, вода, рассеивают его хуже.

Рис. R-2 Сравнение двух теорий при интерпретации рамановского рассеяния

В квантовой теории свет рассматривается в виде фотонов, которые, ударяясь о молекулу, рассеиваются. Количество рассеянных фотонов пропорционально размеру связей. Например, молекулы с сильными связями, бензин, рассеивают большое количество фотонов, а вода, имеющая слабые связи, обладает низким рамановским рассеянием. На рис. 2 показан результат сравнения двух теорий.

Происхождение рамановского эффекта довольно легко интерпретировать с помощью классической теории при рассмотрении двухатомной молекулы в виде «масс и пружины» (см. рис. 3), где m представляет собой атомную массу,  x смещение, K прочность связи.

Рис. R-3 Модель двухатомной молекулы («массы на пружине»)

При такой аппроксимации смещение молекулы можно описать законом Гука по формуле:

Уравнение R-1

Заменив меньшую массу (m₁m₂/[m₁+m₂]) на µ и полное смещение (x₁+x₂) на q, уравнение можно преобразовать к виду:

Уравнение R-2

Решая данное уравнение относительно q, получаем:

Уравнение R-3

где ν_m молекулярная вибрация, которая определяется как

Уравнение R-4

Из уравнений R-3 и R-4 становится очевидно, что молекулы вибрируют по косинусоидальной кривой с частотой, пропорциональной силе сцепления и обратно пропорциональной массе. Каждая молекула выдает свой собственный сигнал вибраций, который зависит не только от атомов молекулы, но также и от индивидуальных связей. С помощью рамановского эффекта эти частоты вибрации можно измерить с учетом поляризации молекулы α, которая представляет собой функцию смещения q. Когда падающий свет взаимодействует с молекулой, он индуцирует дипольный момент P, равный поляризации молекулы и электрическое поле источника света. Это можно выразить следующим образом:

Уравнение R-5

где E_o представляет собой интенсивность, ν_o – частота электрического поля. С помощью небольшой аппроксимации амплитуды поляризуемость можно описать как линейную функцию смещения:

Уравнение R-6

которая в сочетании с равенствами R-3 и R-5 приводит к:

Уравнение R-7

В уравнении R-7 наблюдается два результирующих эффекта, которые проистекают из взаимодействия молекулы и света. Первый компонент называется распределением Рэлея, он доминирует и не меняет частоту света. Второй компонент – рамановское рассеяние:

Уравнение R-8

для изменения частоты света увеличивается или уменьшается частота молекулярной вибрации. Рост частоты известен как антистоксов сдвиг, а снижение частоты как стоксов сдвиг. Измеряя изменение частоты падающего света (обычно используется только стоксов сдвиг), рамановский эффект дает значение частоты вибрации молекулярной связи.

Мы исходили из классической волновой теории света, теперь можем использовать квантовую теорию для лучшей визуализации указанного процесса и получения дополнительной информации. Как говорилось ранее, рамановский эффект представляет собой неэластичное рассеяние фотонов молекулярной связи. Из диаграммы Яблонского, представленной на рис. R-4, следует, что фотон света возбуждает молекулу и переводит ее в «виртуальное» состояние.

Рис. R-4 Диаграмма Яблонского, на которой представлены процессы изменения энергетического состояния при распределениях Рэлея и Рамана

При этом мы приходит к трем основным потенциалам. Первый: молекула может вернуться в основное состояние, испустив фотон энергией, равной фотону падающего света; этот процесс является эластичным и его называют распределением Рэлея.  Второй: молекула может перейти в фононное состояние и выпустить фотон с меньшей энергией по сравнению с падающим фотоном; этот процесс называется стоксовым сдвигом рамановского распределения. Третий потенциал – это когда молекула находится в фононном состоянии, возбуждается и переходит в виртуальное состояние, затем возвращается в основное состояние и испускает фотон с более высокой энергией, чем фотон падающего света; этот эффект называется антистоксовым рамановским распределением. Поскольку большинство молекул находятся в основном состоянии при комнатной температуре, вероятность данного явления очень низкая. В результате этого большинство рамановских измерений выполняются только при стоксовом сдвиге.

Дальнейшее исследование рамановского эффекта приводит к тому, что мощность распределенного света P_s, равна интенсивности падающих фотонов, I_o,  или значению параметра, которое называют сечением рамановского рассеяния σ_R. Это можно отобразить как:

Уравнение R-9

где λ – это длина волны падающего фотона. Поэтому:

Уравнение R-10

Из уравнения R-10 очевидно, что существует линейная зависимость между мощностью рассеяния и интенсивностью падающего света, а также между мощностью рассеяния света и обратной величине длины волны, взятой в четвертой степени. Поэтому желательно использовать коротковолновое возбуждение и источник возбуждения высокой мощности. Но, как показано в следующем разделе, это не всегда помогает.

Компоненты рамановского спектрометра

В любом спектрометре имеются три основных компонента: источник возбуждения, аппарат  получения сигнала от образца, детектор. Все три компонента претерпели изменение в течение многих лет, в современном рамановском спектрометре использует лазер в качестве источника возбуждения, детектор и микроскоп или оптоволоконный датчик для получения сигнала от образца.

Поскольку рамановская спектроскопия основана на измерении изменений в длинах волн (или частоты), обязательно необходим источник монохроматического возбуждения. Несмотря на то, что лазер является наилучшим источником возбуждения, не все лазеры подходят для рамановской спектроскопии. Частота лазера должна быть чрезвычайно стабильной и без скачков, в противном случае, это приводит к ошибкам в рамановском сдвиге. Также следует использовать узкополосный лазер, так как качество рамановских пиков зависит от четкости и точности источника возбуждения света.

Заключительным фактором, на который следует обратить пристальное внимание при выборе лазера для рамановской спектроскопии, является длина волны. Из предыдущего раздела становится ясно, что чем короче длина волны, тем мощнее рамановский сигнал. Но, как уже отмечено, это не единственное условие, в частности, для работы с органическими молекулами. Большинство органических молекул склонны к флуоресценции при облучении фотонами высокой энергии (короткой длины волны). Несмотря на то, что флуоресценция рассматривается как процесс слабого свечения, она способна подавлять сигнал  рамановского спектра, как показано на рис. R-5. Это связано с тем, что рамановский эффект содержится в очень малой доли (примерно 1 к 10⁷) падающих фотонов. Лазеры видимого спектра обычно используются только для анализа неорганических материалов, например углеродных нанотрубок.

Рис. R-5 Сравнение рамановского спектра при разных длинах волн источника возбуждения для демонстрации влияния флуоресценции

Для органических молекул необходимо переключиться на длину волны ближнего ИК для снижения влияния флуоресценции без выхода за пределы спектрального диапазона ПЗЦ-детектора. Способность максимального подавления эффекта флуоресценции без сужения спектрального диапазона или разрешения  делают диодные лазеры 785нм стандартными в применении в данной отрасли. Для повышения чувствительности к неорганическим молекулам следует использовать лазеры 532нм.

Как известно, рамановское распределение является довольно слабым и поэтому требует длительного времени интегрирования, чтобы собрать необходимо количество фотонов для измерения четкого сигнала. Поэтому TE охлаждаемый спектрометр необходим для снижения темнового шума. Для очень малых концентраций материала и слабых рамановских распределений необходимо использовать просветленный ПЗЦ-детектор, чтобы увеличить чувствительность спектрометра. Травление поверхности детектора в несколько микрон значительно снижает вероятность повторного поглощения электронов, проходящих сквозь детектор по закону Бэра. Это увеличивает квантовую эффективность (чувствительность) детектора с 35% до более чем 90%.

Благодаря высокой избирательности сигнала рамановского спектра, последний может содержать пики, расположенные рядом друг с другом. В зависимости от задачи, возможно, потребуется «развести» эти пики, для этого необходим спектрометр высокого разрешения. Обычно в оснащение стандартного спектрометра входят лазеры возбуждения 532нм и 785нм, но возможны и другие настройки на заказ. Данные спектрометры имеют целый ряд настроек благодаря широкому спектральному диапазону и разрешению. Стандартный спектральный диапазон составляет от 65 см^-1 (в зависимости от фильтра) до 4000 см^-1 со специальным разрешением 3,0 см^-1.

При анализе образца самым эффективным методом фокусировки лазерного пучка на образец, сбора рамановского рассеяния и направления его в спектрометр является установка оптоволоконного датчика.

Рамановский датчик должен уметь направлять и фокусировать свет монохроматического источника (лазер) на образец, собирать рассеянный свет и затем направлять его в спектрометр. Рис. R-6 показывает типичную конструкцию указанного датчика.

Рис. R-6 Стандартная конструкция рамановского датчика

Поскольку очень важен четкий сигнал для рамановской спектроскопии, узкополосный фильтр установлен в оптическом канале источника возбуждения. Рамановский эффект чрезвычайно слабый, поэтому сигнал необходимо собирать под углом 0o к нормали поверхности образца. Это становится причиной интерференции с рассеянием Рэлея, поэтому собранный сигнал пропускают через широкополосный фильтр и затем направляют в спектрометр.

Гибкость оптических волокон позволяет установить датчик в твердом образце, погрузить его в жидкость или суспензию в лаборатории (для кинетических измерений). Датчик можно также подключить к микроскопу, держателю кюветы, а также множеству иных принадлежностей.

Применение рамановской спектроскопии

Биологическая и медицинская диагностика

Обнаружение скрытых изменений в молекулах, в том числе химическое взаимодействие препаратов, восстановление тканей, паталогоанатомия. Межклеточная SERS локализация и взаимодействие, анализ влияния препаратов на клетки и Drug-DNA, анализ взаимодействия клеток. Исследование микроорганизмов в клетках; классификация дрожжевых клеток, единичных бактерий. Выявление раковых заболеваний на молекулярном уровне (шейный, легочный и др.). Кардиологическая диагностика (атеросклероз сосудов)

Фармацевтика

Анализ таблеток, растворов и гелей. Методы тщательной сортировки и проверки высокой производительности. Кристаллизация, определение момента завершения процесса. Технология постоянного анализа процессов (PAT), контроль на линии и управление: контроль процессов сушки, покрытия оболочкой, смешивания препаратов. Идентификация и анализ API, присадок и наполнителей. Контроль состояния лекарств: чистота и качество. Проверка сырья: 100% идентификация и проверка входных материалов.

Рамановская микроскопия

Анализ лекарств: молекулярный и микроанализ образцов, представляющих собой сложные смеси, например, бета-каротина в мультивитаминах. Тонкопленочный анализ в материаловедении, в том числе характеристика качества алмазной пленки. Судебная экспертиза волокон, тканей, пигментов, пятен и др.

Полимерные и химические процессы

Контроль качества на входе и выходе. Выявление загрязняющих веществ на производстве. Контроль процесса полимеризации. Прогноз морфологических свойств полимеров. Многовариантный анализ/хемометрия для прогноза физических свойств: температура стеклования, температура кристаллизации и др. Анализ химического состава.

Изучение окружающей среды

Определение загрязнений по технологии SERS. Обнаружение загрязнителей в воде. Петрохимический анализ. Идентификация и анализ осадка в воде.

Судебная экспертиза

Идентификация наркотиков неразрушающим методом. Взрывчатые вещества:  точный химический состав, PETN, RDX и связующие компоненты взрывчатых материалов. Идентификация и анализ токсичных растворителей и биологического оружия. Судебная экспертиза волокон, тканей, пигментов, пятен и др. с помощью рамановской спектроскопии.

Геммология

Идентификация и проверка драгоценных камней неразрушающим методом. Идентификация неизвестных драгоценных камней рамановским методом. Идентификация изоморфного соединения и подвида драгоценных камней. Анализ происхождения драгоценного камня рамановским методом. Контроль подделок, например, выявление «алмазов», выполненных из циркония.

Геология и минералогия

Идентификация геологических материалов. Оценка включений в минералах. Анализ цементного шлака рамановским методом. Анализ древних артефактов.

Сельскохозяйственная и пищевая промышленности

Измерение нерастворимых жировых кислот в маслах. Обнаружение бактерий и загрязнений в пищевых продуктах. Идентификация наркотических веществ: нутрицевтиков во фруктовых соках. Анализ компонентов в зерне.

Полупроводниковая и энергетическая промышленность

Характеристика силиконовой кристаллизации: контроль рамановским методом изменений в кристаллах от аморфной до поликристаллической структуры. Анализ микрочастиц для получения информации о потенциальном загрязнении. Контроль механической нагрузки в полупроводниках.

Системы рамановской спектроскопии