Často kladené otázky (FAQ) o Ramanovej spektroskopii: teória a využitie

Ramanova spektroskopia je nedeštruktívna analytická technika založená na neelastickom rozptyle fotónov súvisiacich s rôznymi vibračnými režimami molekúl. Tento objav C. V. Ramana z roku 1928 viedol k jednoduchej, ale efektívnej metóde na určenie štruktúry jednoduchých molekúl, ktorej popularite medzi vedeckou komunitou stále rastie.

Keď laser spektrometra interaguje so vzorkou, energia vráteného rozptýleného svetla je posunutá, čo vedie k Ramanovmu spektru, ktoré poskytuje cenné informácie o chemickej štruktúre. Tento článok obsahuje niektoré z najčastejšie kladených otázok o Ramanovej spektroskopii v súvislosti s teóriou, ktorá je za ňou a ako ju možno použiť v praxi.

Kliknutím na nižšie uvedenú otázku prejdete priamo na danú tému:

1. Čo je to Ramanova spektroskopia?
2. Aké druhy materiálov sa dajú merať pomocou Ramana?
   
3. Aké informácie sa dajú získať z Ramanovho spektra?
4. Ako mám rozumieť Ramanovmu spektru?
5. Aké sú výhody použitia Ramanovej spektroskopie?
6. Raman možno použiť na identifikáciu neznámych látok, ako aj na verifikáciu materiálu. V čom je rozdiel?
7. Kto by mal používať Ramana a tiež kde, kedy, ako a prečo?
8. Čo je to SERS a ako mi môže pomôcť?

1. Čo je to Ramanova spektroskopia?

Raman je forma molekulárnej spektroskopie, ktorá sa pozoruje ako neelasticky rozptýlené svetlo, keď je vzorka excitovaná laserom. Zatiaľ čo väčšina rozptylu sa vyskytuje elasticky, približne 1 zo 10⁶ procesov rozptylu interaguje s molekulou prostredníctvom napínania väzieb a ohybových vibrácií celej molekuly, čo vedie k Ramanovmu rozptylu. Takéto rozptyly môžu byť detekované ako Ramanove fotóny a zaznamenané do spektra, ktoré súvisí s jedinečnými väzbami v molekule. To používateľovi poskytuje neoceniteľný analytický nástroj pre meranie molekulárnych odtlačkov prstov. Tento „odtlačok prsta“ sa používa predovšetkým na identifikáciu materiálu a čoraz častejšie aj na kvantifikáciu.

Poznámka: molekulárne vibračné spektroskopie detegujú iba dva alebo viac atómov, ktoré sú spojené kovalentnou väzbou – soli, ióny a kovy vyžadujú iné analytické metódy.

2. Aké druhy materiálov sa dajú merať pomocou Ramana?

Ramanova spektroskopia sa môže použiť na identifikáciu väčšiny materiálov, ktoré sú prítomné v dostatočnom množstve a čistote a/alebo v jednoduchých zmesiach. Raman dokáže identifikovať tisíce pevných a kvapalných látok vrátane liečiv, surovín pre potraviny a výrobky osobnej hygieny, kontrolovaných látok a súvisiacich prekurzorov a riedacich látok, teroristických látok, toxických a netoxických chemikálií, rozpúšťadiel a poľnohospodárskych pesticítov.

Ako fluorescencia ovplyvňuje výsledky pri meraní Ramanom?

Fluorescencia je pre Ramana tradične najväčším obmedzením. Je to oveľa efektívnejší emisný proces, ktorý spôsobuje veľmi vysoký šum pozadia v Ramanovom spektre a prekrýva Ramanove píky. Prírodné látky (ako sú rastlinné vlákna), silne sfarbené materiály a látky s fluorescenčnými kontaminantmi, to všetko môže spôsoviť zlyhanie pri pri meraní pomocou Ramanovej spektroskopie. Našťastie toto obmedzenie nie je neprekonateľné.

Bežným riešením bolo posunúť vlnovú dĺžku excitačného lasera ďaleko od vlnovej dĺžky absorbancie materiálu – typicky 532, 638 alebo 785 nm. Najbežnejšia voľba vlnových dĺžok na zníženie fluorescenčných účinkov je 1064 nm.
 

Ako zistíte, ktorá vlnová dĺžka je najvhodnejšia? Prečítajte si našu bezplatnú Aplikačnú poznámku pre niekoľko tipov.

Aplikačná poznámka: Choosing the Most Suitable Laser Wavelength For Your Raman Application

Metrohm Raman používa svoju vlastnú patentovanú metódu na potlačenie flourescencie v ručnom Ramanovom spektrometri MIRA XTR DS s 785 nm exitačným laserom. Zistite viac o tomto jedinečnom riešení v našej bielej knihe.

Biela kniha: Fluorescence-free 785 nm material ID with MIRA XTR DS

3. Aké informácie sa dajú získať z Ramanovho spektra?

Píky v Ramanovom spektre sú veľmi úzke, čo zvyšuje špecifickosť a selektivitu. Preto môže rozlišovať veľmi podobné materiály alebo identifikovať cieľové analyty v zmesiach. Raman je skvelý na objasnenie štruktúr molekúl. Jedinečné píky "odtlačkov prstov" v Ramanovom spektre možno použiť na rozlíšenie medzi veľmi podobnými druhmi, ako sú izoméry a látky, ktoré sa líšia jedinou funkčnou skupinou.

Ramanova spektroskopia môže používateľom pomôcť pozorovať priebeh chemickej reakcie, rozdiely v kryštalinite medzi polymorfmi a zmeny v energiách väzieb, ktoré vznikajú pri aplikovanom namáhaní materiálu. Nasledujúca aplikačná poznámka ponúka ešte viac informácií o tomto využití.

Aplikačná poznámka: Portable Raman Spectroscopy for the Study of Polymorphs and Monitoring Polymorphic Transitions

Iintenzita Ramanovho spektra je priamo úmerná koncentrácii vzorky a môže sa použiť aj na kvantitatívnu analýzu. Viac informácií nájdete v našej bezplatnej aplikačnje poznámke nižšie.

Aplikačná poznámka: Quantitative Analysis of a Water-soluble Polymer Using the i-Raman EX Spectrometer

4. Ako mám rozumieť Ramanovmu spektru?

Hoci Ramanovo spektrum má rozsah potenciálne od 0 do 4000 cm-1, väčšina aplikácií sa môže uspokojiť s užším spektrálnym rozsahom. Oblasť odtlačkov prstov, 400–1800 cm^-1, do značnej miery odhaľuje molekulárne prostredie atómov. To je dostatočné na identifikáciu neznámych a na verifikáciu známych materiálov (pozri obrázok nižšie), pričom obe sa spoliehajú na identitu molekulárnej štruktúry.

Mimo oblasti odtlačkov prstov jednoduché uhlíkové reťazce a vodíké väzby len málo prispievajú k identifikácii materiálu. Oblasť s vysokým vlnovým číslom sa však aktívne skúma v lekárskej oblasti výskumu rakoviny, zubné problémy a pre biopalivá. Špeciálne aplikácie, ako je kryštálová štruktúra v mineráloch, gemológia, organometilcké látky a polovodiče, vyžadujú informácie pod 400 cm^-1.

5. Aké sú výhody použitia Ramanovej spektroskopie?

Raman je výkonná analytická technika:

• Vysoká chemická špecifickosť a selektivita.
• Malá alebo žiadna príprava vzorky.
• Malé alebo žiadne náklady na spotrebný materiál.
• Nedeštruktívna analýza
• Rýchlosť — od získania údajov až po výsledky uplynie len niekoľko sekúnd
• Jednoduché používateľské rozhranie = jednoduchosť použitia
• Bezkontaktná analýza aj cez obalový materiál
• Flexibilita vzorkovania
• Rôzne vyhotovenia – od stolných až po ručné systémy

Aby sme to zhrnuli, príťažlivosť Ramanovej spektroskopie je jej široká použiteľnosť pre netechnikov v netradičných prostrediach. Raman preberá analytické chemické schopnosti z laboratória a poskytuje okamžitú identifikáciu materiálu priamo tam, kde je to potrebné: v prijímacom sklade, v zariadeniach na výrobu potravín, múzeách, nelegálnych laboratóriách, na analýzu procesov alebo dokonca na hraniciach. Toto všetko sú ideálne scenáre, ktoré ťažia zo silných stránok Ramana.

Naša séria Real World Raman demonštruje výhody ručného Ramana v netechnickom prostredí.

Real World Raman: Simplifying Incoming Raw Material Inspection

Real World Raman: MIRA DS in Action

Real World Raman: Exposing fentanyl-laced, counterfeit, and illegal drugs

6. Raman možno použiť na identifikáciu neznámych látok, ako aj na verifikáciu materiálu. V čom je rozdiel?

Identifikácia neznámych je mierou spektrálnej podobnosti medzi neznámou látkou a spektrom knižnice. Tento spôsob identifikácie je ľahko implementovateľný, rýchly a vhodný na použitie s rozsiahlymi, prispôsobiteľnými chemickými knižnicami. Príkladom tejto techniky by bolo otestovanie malého vrecka s bielym práškom zhabaného na dopravnej zastávke na mieste, ktoré poskytuje rýchly dôkaz o nezákonnosti v mieste kontaktu bez toho, aby bola obsluha vystavená akémukoľvek potenciálnemu nebezpečenstvu. Stiahnite si našu bielu knihu nižšie, kde nájdete ďalšie informácie o tejto téme.

Biela kniha: Identifying Narcotics in Complex Samples

Ramanova selektivita z neho tiež robí vynikajúcu techniku na verifikáciu známych materiálov, ktorá potvrdzuje konzistenciu, čistotu a kvalitu surovín pre výrobcov potravín, liečiv, produktov starostlivosti o vlasy a pleť, kozmetiky a ďalších. Verifikačná metóda zisťuje nepatrné spektrálne rozdiely porovnaním každého spektra vzorky s modelom. To buď vyhovuje alebo nevzhovuje na základe toho, ako dobre sa spektrum vzorky zhoduje s modelom. Viac informácií o verifikácii pomocou Ramanovej spektroskopie nájdete v nasledujúcej bielej knihe.

Biela kniha: Verification, p-values, and Training Sets for the Mira P

7. Kto by mal používať Ramana a tiež kde, kedy, ako a prečo?

8. Čo je to SERS a ako mi môže pomôcť?

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) je špecializovaná Ramanova technika, ktorá pomáha používateľom odhaliť stopové množstvá látok. Nie všetky materiály sú SERS-aktívne, ale silne SERS-aktívne materiály môžu byť detekované na úrovni parts-per-milion (ppm, mg/l) alebo parts-per-bilion(ppb, µg/l). SERS možno použiť aj na detekciu špecifickej zložky v zmesi alebo na identifikáciu silne sfarbených farbív a materiálov, pretože nie je náchylný na fluorescenciu.

Najväčšou výzvou pre SERS je detekcia cieľovej zlúčeniny v komplexných matriciach, vrátane vody, piluliek (napríklad regulovaných liečiv, voľne predajných liekov) a rôznych potravín. Vďaka skúsenostiam a výskumu, možno jednoduchou prípravou vzorky využiť jedinečné vlastnosti analýzy SERS.

Zistite viac o porovnaní SERS s Ramanom v našom predchádzajúcom blogovom príspevku.

Raman vs SERS… What’s the Difference?

Záver

V konečnom dôsledku je Ramanova spektroskopia ideálnou technikou na identifikáciu alebo overenie materiálu, ktorá je dostupná technickým aj netechnickým používateľom v širokej škále nastavení. Raman sa ľahko implementuje, zachováva vzorku a možno ho použiť na analýzu tisícov materiálov. Ak sa chcete dozvedieť viac o Ramanovi a jeho mnohých výhodách, pozrite si naše ďalšie články blogu, naše aplikačné poznámky a biele knihy.

Nezebudnite si ešte pozrieť:

Monografia: Introduction to Raman spectroscopy

Sprevodca produktami Raman

Webináre k téme

B&W Tek Spectroscopy Blog

Kombinované techniky: elektrochémia a Ramans

MIRA XTR DS and KnowItAll Raman Spectral Library (Handheld) from Wiley