La capacità di un sistema ottico di raccogliere in modo efficace la luce è detta rapidità ottica. In un mondo ideale di campioni omogenei, il sistema spettroscopico Raman avrebbe bisogno solo di un piccolo spot laser con un'apertura di dimensioni simili per catturare spettri ad alta risoluzione. Tuttavia, le cose sono più complicate di così. Per identificare tutti i componenti in un campione eterogeneo occorre un'area di interrogazione più grande. Per poterla ottenere, si potrebbero aumentare le dimensioni dello spot laser per coprire un'area maggiore. Purtroppo, l'alta risoluzione necessita di un'apertura piccola, il che riduce la quantità di luce Raman che un sistema è in grado di catturare, sacrificando così la sensibilità. In alternativa, si potrebbe usare un'apertura piccola mentre si muove rapidamente (scansione raster) un laser strettamente focalizzato su un campione, per raccogliere le informazioni da un'area più grande del campione. Questo è il principio su cui si basa il metodo Orbital Raster Scanning (ORS^TM) sviluppato da Metrohm Raman.

La tecnologia ORS è un modo brevettato da Metrohm Raman per superare il problema della risoluzione bassa, della scarsa sensibilità e della degradazione del campione quando si sta ancora interrogando un'area grande del campione. Nella presente Application Note viene illustrata questa tecnologia in una varietà di applicazioni.

Figura 1 mostra una rappresentazione grafica della scansione raster orbitale, che è definita come lo spostamento rapido di un raggio laser ben focalizzato su un'ampia area.

La spettroscopia Raman viene utilizzata in molte applicazioni e settori diversi in cui è essenziale disporre di dati di alta qualità. Le capacità dei sistemi MIRA (Metrohm Instant Raman Analyzer) e MISA (Metrohm Instant SERS Analyzer) di Metrohm Raman con ORS sono evidenziate in tre diverse applicazioni di seguito: regolazione farmaceutica, identificazione dei materiali e campionamento di substrati SERS (Surface Enhanced Raman Scattering).

La Farmacopea Europea (Ph. Eur, o EP) è uno standard completo per la produzione di medicinali, il controllo di qualità dei medicinali e delle materie prime e gli strumenti utilizzati per eseguire tali test. Gli spettrometri Raman sono sempre più utilizzati per il controllo di qualità dei medicinali perché sono facili da usare, flessibili e forniscono misurazioni rapide e non distruttive. Un capitolo recentemente rivisto, Ph. Eur. 2.2.48 Spettroscopia Raman, si concentra sugli aspetti che migliorano l'affidabilità dei risultati e cita specificamente ORS [1].
 

«Quando si utilizza la spettroscopia Raman [...] è necessario prestare attenzione per garantire che la misurazione sia rappresentativa. Ciò può essere ottenuto, ad esempio, ruotando il campione, eseguendo misurazioni multiple su diverse preparazioni del campione, utilizzando la scansione raster orbitale (ORS) [...]» [1]

I prodotti farmaceutici sono miscele di eccipienti e principi attivi farmaceutici (API) in proporzioni attentamente controllate. Il campionamento rappresentativo può essere un problema con il piccolo diametro del raggio della maggior parte dei sistemi Raman (40–200 μm) e la piccola dimensione delle particelle (in media 36–39 μm) nelle compresse [2]. Gli spettrometri MIRA e MISA con ORS rastrellano il laser attorno a un cerchio di 2000 μm di diametro per interrogare una vasta area in un tempo molto breve e catturare tutti gli ingredienti in un'unica scansione.

Tutti i sistemi MIRA e MISA utilizzano una bassa potenza laser per raccogliere spettri ad alta risoluzione. Ciò risulta dalla combinazione di eccitazione laser a 785 nm e di un design spettrografo brevettato ad alta durata «spazio libero». Ad esempio, i laser ≤50 mW sono sufficienti per una buona acquisizione del segnale Raman a 785 nm nei sistemi MIRA e MISA, mentre i sistemi a 1064 nm devono impiegare laser da 420 ± 30 mW per compensare lo scarso rapporto segnale-rumore e la ridotta dispersione Raman mostrata a lungo lunghezze d'onda. La combinazione di bassa potenza laser e ORS è ideale per l'interrogazione di materiali sensibili, come sostanze altamente colorate e volatili.
 

Identificazione Raman del polistirene

Un confronto tra i sistemi Raman convenzionali a 1064 nm e MIRA XTR DS 785 nm nell'interrogazione del fusto in plastica di una penna a sfera mostra chiaramente il vantaggio di combinare bassa potenza laser e ORS (figura 2).

Il cratere a sinistra nella Figura 3 è stato creato quando un sistema laser fisso a 1064 nm al 100% di potenza ha bruciato il campione. Il secondo test al 60% di potenza laser ha dato lo stesso risultato (Figura 3, a destra) ed entrambi i test non sono riusciti a identificare il materiale.

MIRA XTR DS ha raccolto dati di alta qualità senza danni al campione e ha identificato la plastica come polistirene, con un Hit Quality Index (HQI) di 0,91. Ciò indica un'elevata correlazione tra lo spettro del campione e uno spettro della libreria.
 

Identificazione Raman dell'etere di polifenilene (PPE)

Un secondo esempio di campionamento non distruttivo e identificazione positiva del materiale con un sistema MIRA può essere visto in Figura 4.

Il primo test con il sistema laser fisso a 1064 nm ha prodotto uno spettro a bassa risoluzione, sebbene con alcuni picchi Raman identificabili. La seconda prova ha bruciato il materiale (Figura 5) e non ha fornito informazioni utili.

Anche in questo caso, MIRA XTR DS ha identificato facilmente questo materiale, fornendo un'identificazione positiva di DPI con HQI = 0,91.

Bisogna riconoscere che questi risultati possono avere successo a causa di una combinazione di fattori: laser a bassa potenza a 785 nm e ORS. La seguente applicazione si concentrerà interamente sul potere di ORS di migliorare i risultati per materiali eterogenei.

I P-SERS sono substrati cartacei incorporati con nanoparticelle che migliorano il segnale Raman e consentono il rilevamento molto sensibile di analiti in tracce con SERS. P-SERS sono utilizzati con MISA, un sistema Raman portatile a 785 nm dotato di ORS.

Gli inchiostri preparati da colloidi d'argento e d'oro vengono utilizzati per stampare substrati P-SERS, determinando una distribuzione eterogenea di nanoparticelle sulle fibre di carta [3]. Questo può essere visto nelle immagini SEM qui sotto (Figura 6).

La scansione di uno standard su P-SERS con il raster OFF e il contrasto con i dati raster ON è una perfetta dimostrazione del vantaggio ORS. Il BPE [1,2-Bis(4-piridil)etilene] è stato solvato e fatto cadere direttamente sulla parte stampata di una striscia P-SERS. Questa striscia è stata analizzata con MISA utilizzando parametri di acquisizione costanti ma con raster ON e OFF (Figura 7).

Ogni set di cinque spettri in Figura 7, ORS OFF o ON, contiene gli stessi picchi di firma per BPE. Tuttavia, la coerenza spettrale è l'ideale con il raster attivo. Ciascuno spettro è la media dei dati da un gran numero di hotspot di produzione del segnale raccolti durante una singola scansione ORS. Il risultato è una migliore rappresentazione della superficie eterogenea. La variabilità dell'intensità del segnale SERS (deviazione standard su un set di cinque spettri = 1,4%) con ORS ON è significativamente inferiore rispetto a ORS OFF (SD = 10%). Ciò conferma la forza di ORS nell'ottenere dati coerenti da un campione.