Espectroscopia Raman - Raman spectroscopy

Diagrama de nível de energia mostrando os estados envolvidos nos espectros Raman.

Espectroscopia de Raman ( / r ɑː m ən / ); (em homenagem ao físico indiano CV Raman ) é uma técnica espectroscópica tipicamente usada para determinar os modos vibracionais das moléculas, embora os modos de rotação e outros modos de baixa frequência dos sistemas também possam ser observados. A espectroscopia Raman é comumente usada em química para fornecer uma impressão digital estrutural pela qual as moléculas podem ser identificadas.

A espectroscopia Raman depende do espalhamento inelástico de fótons, conhecido como espalhamento Raman . Uma fonte de luz monocromática , geralmente de um laser na faixa do visível , próximo ao infravermelho ou próximo ao ultravioleta , é usada, embora os raios X também possam ser usados. A luz do laser interage com vibrações moleculares, fônons ou outras excitações no sistema, resultando na energia dos fótons do laser sendo deslocada para cima ou para baixo. A mudança na energia fornece informações sobre os modos vibracionais do sistema. A espectroscopia de infravermelho normalmente produz informações semelhantes, mas complementares.

Normalmente, uma amostra é iluminada com um feixe de laser. A radiação eletromagnética do ponto iluminado é coletada com uma lente e enviada através de um monocromador . A radiação espalhada elástica no comprimento de onda correspondente à linha do laser ( espalhamento de Rayleigh ) é filtrada por um filtro de entalhe , filtro de passagem de borda ou filtro de passagem de banda, enquanto o resto da luz coletada é dispersa em um detector.

O espalhamento Raman espontâneo é tipicamente muito fraco; como resultado, por muitos anos a principal dificuldade na coleta de espectros Raman foi separar a luz difusa inelástica fraca da luz laser espalhada intensa de Rayleigh (referida como "rejeição de laser"). Historicamente, os espectrômetros Raman usavam grades holográficas e vários estágios de dispersão para atingir um alto grau de rejeição de laser. No passado, os fotomultiplicadores eram os detectores de escolha para configurações Raman dispersivas, o que resultava em longos tempos de aquisição. No entanto, a instrumentação moderna quase universalmente emprega filtros de entalhe ou de borda para rejeição de laser. Espectrógrafos dispersivos de estágio único (axial transmissivo (AT) ou monocromador Czerny-Turner (CT) ) emparelhados com detectores CCD são mais comuns, embora os espectrômetros de transformada de Fourier (FT) também sejam comuns para uso com lasers NIR.

O nome "espectroscopia Raman" normalmente se refere a Raman vibracional usando comprimentos de onda de laser que não são absorvidos pela amostra. Existem muitas outras variações de espectroscopia Raman incluindo Raman superfície melhorada, , ressonância Raman , ponta-enhanced Raman , polarizada Raman, estimulado Raman , transmissão Raman, espacialmente compensada Raman, e hiper Raman .

Teoria

A magnitude do efeito Raman se correlaciona com a polarizabilidade dos elétrons em uma molécula. É uma forma de espalhamento inelástico de luz , onde um fóton excita a amostra. Essa excitação coloca a molécula em um estado de energia virtual por um curto período antes de o fóton ser emitido. O espalhamento inelástico significa que a energia do fóton emitido é inferior ou superior à do fóton incidente. Após o evento de espalhamento, a amostra está em um estado rotacional ou vibracional diferente .

Para que a energia total do sistema permaneça constante após a molécula passar para um novo estado rovibrônico (rotacional-vibracional-eletrônico), o fóton espalhado muda para uma energia diferente e, portanto, para uma frequência diferente. Esta diferença de energia é igual àquela entre os estados rovibrônicos inicial e final da molécula. Se o estado final for mais alto em energia do que o estado inicial, o fóton espalhado será deslocado para uma frequência mais baixa (energia mais baixa) para que a energia total permaneça a mesma. Essa mudança na frequência é chamada de deslocamento de Stokes , ou redução de marcha . Se o estado final for mais baixo em energia, o fóton espalhado será deslocado para uma frequência mais alta, que é chamada de deslocamento anti-Stokes ou upshift.

Para que uma molécula exiba um efeito Raman, deve haver uma mudança em sua polarizabilidade dipolo-dipolo elétrico em relação à coordenada vibracional correspondente ao estado rovibrônico. A intensidade do espalhamento Raman é proporcional a essa mudança de polarizabilidade. Portanto, o espectro Raman (intensidade de espalhamento em função das mudanças de frequência) depende dos estados rovibrônicos da molécula.

O efeito Raman é baseado na interação entre a nuvem de elétrons de uma amostra e o campo elétrico externo da luz monocromática, que pode criar um momento de dipolo induzido dentro da molécula com base em sua polarizabilidade. Como a luz laser não excita a molécula, não pode haver uma transição real entre os níveis de energia. O efeito Raman não deve ser confundido com emissão ( fluorescência ou fosforescência ), onde uma molécula em um estado eletrônico excitado emite um fóton e retorna ao estado eletrônico fundamental, em muitos casos a um estado vibracionalmente excitado na superfície de energia potencial do estado eletrônico fundamental . O espalhamento Raman também contrasta com a absorção infravermelha (IV), onde a energia do fóton absorvido corresponde à diferença de energia entre os estados rovibrônicos inicial e final. A dependência de Raman na derivada de polarizabilidade dipolo-elétrica dipolo elétrica também difere da espectroscopia de IV, que depende da derivada do momento dipolo elétrico, o tensor polar atômico (APT). Esta característica contrastante permite que as transições rovibrônicas que podem não estar ativas em IR sejam analisadas usando espectroscopia Raman, como exemplificado pela regra de exclusão mútua em moléculas centrosimétricas . As transições que têm grandes intensidades Raman geralmente têm intensidades IV fracas e vice-versa. Se uma ligação for fortemente polarizada, uma pequena mudança em seu comprimento, como a que ocorre durante uma vibração, tem apenas um pequeno efeito resultante na polarização. Vibrações envolvendo ligações polares (por exemplo, CO, NO, OH) são, portanto, dispersores Raman comparativamente fracos. Essas ligações polarizadas, no entanto, carregam suas cargas elétricas durante o movimento vibracional (a menos que sejam neutralizadas por fatores de simetria), e isso resulta em uma mudança de momento dipolar maior durante a vibração, produzindo uma forte banda de absorção de infravermelho. Por outro lado, ligações relativamente neutras (por exemplo, CC, CH, C = C) sofrem grandes mudanças na polarizabilidade durante uma vibração. No entanto, o momento dipolo não é afetado de forma semelhante, de modo que, embora as vibrações envolvendo predominantemente este tipo de ligação sejam fortes dispersores Raman, elas são fracas no IR. Uma terceira técnica de espectroscopia vibracional, espalhamento de nêutrons incoerentes inelásticos (IINS), pode ser usada para determinar as frequências de vibrações em moléculas altamente simétricas que podem ser tanto IR quanto Raman inativas. As regras de seleção do IINS, ou transições permitidas, diferem daquelas de IR e Raman, portanto as três técnicas são complementares. Todos eles fornecem a mesma frequência para uma determinada transição vibracional, mas as intensidades relativas fornecem informações diferentes devido aos diferentes tipos de interação entre a molécula e as partículas de entrada, fótons para IR e Raman e nêutrons para IINS.

História

Embora o espalhamento inelástico da luz tenha sido previsto por Adolf Smekal em 1923, ele não foi observado na prática até 1928. O efeito Raman recebeu o nome de um de seus descobridores, o cientista indiano CV Raman , que observou o efeito em líquidos orgânicos em 1928 juntos com KS Krishnan , e independentemente por Grigory Landsberg e Leonid Mandelstam em cristais inorgânicos. Raman ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1930 por essa descoberta. A primeira observação de espectros Raman em gases foi em 1929 por Franco Rasetti .

A teoria pioneira sistemática do efeito Raman foi desenvolvida pelo físico tchecoslovaco George Placzek entre 1930 e 1934. O arco de mercúrio se tornou a principal fonte de luz, primeiro com detecção fotográfica e depois com detecção espectrofotométrica.

Nos anos seguintes à sua descoberta, a espectroscopia Raman foi usada para fornecer o primeiro catálogo de frequências vibracionais moleculares. Normalmente, a amostra era mantida em um tubo longo e iluminada ao longo de seu comprimento com um feixe de luz monocromática filtrada gerada por uma lâmpada de descarga de gás . Os fótons espalhados pela amostra foram coletados por meio de um plano óptico na extremidade do tubo. Para maximizar a sensibilidade, a amostra estava altamente concentrada (1 M ou mais) e volumes relativamente grandes (5 mL ou mais) foram usados.

Mudança de Raman

Os deslocamentos Raman são normalmente relatados em números de onda , que têm unidades de comprimento inverso, pois esse valor está diretamente relacionado à energia. A fim de converter entre o comprimento de onda espectral e os números de onda de deslocamento no espectro Raman, a seguinte fórmula pode ser usada:

{\ displaystyle \ Delta {\ tilde {\ nu}} = \ left ({\ frac {1} {\ lambda _ {0}}} - {\ frac {1} {\ lambda _ {1}}} \ right ) \,}

onde $Δν̃$ é o deslocamento Raman expresso em número de onda, $λ 0$ é o comprimento de onda de excitação e $λ 1$ é o comprimento de onda do espectro Raman. Mais comumente, a unidade escolhida para expressar o número de onda em espectros Raman é centímetros inversos (cm ^-1 ). Uma vez que o comprimento de onda é frequentemente expresso em unidades de nanômetros (nm), a fórmula acima pode ser escalonada para esta conversão de unidade explicitamente, dando

{\ displaystyle \ Delta {\ tilde {\ nu}} ({\ text {cm}} ^ {- 1}) = \ left ({\ frac {1} {\ lambda _ {0} ({\ text {nm }})}} - {\ frac {1} {\ lambda _ {1} ({\ text {nm}})}} \ right) \ times {\ frac {(10 ^ {7} {\ text {nm }})} {({\ text {cm}})}}.}

Instrumentação

Um antigo espectro Raman de benzeno publicado por Raman e Krishnan.

Esquema de uma configuração de espectroscopia Raman dispersiva possível.

A moderna espectroscopia Raman quase sempre envolve o uso de lasers como fontes de luz de excitação. Como os lasers não estavam disponíveis até mais de três décadas após a descoberta do efeito, Raman e Krishnan usaram uma lâmpada de mercúrio e placas fotográficas para registrar os espectros. Os espectros iniciais levavam horas ou mesmo dias para serem adquiridos devido a fontes de luz fracas, sensibilidade fraca dos detectores e as seções transversais de espalhamento Raman fracas da maioria dos materiais. Vários filtros coloridos e soluções químicas foram usados para selecionar certas regiões de comprimento de onda para excitação e detecção, mas os espectros fotográficos ainda eram dominados por uma ampla linha central correspondente ao espalhamento de Rayleigh da fonte de excitação.

Os avanços tecnológicos tornaram a espectroscopia Raman muito mais sensível, principalmente a partir da década de 1980. Os detectores modernos mais comuns agora são dispositivos acoplados por carga (CCDs). Matrizes de fotodíodos e tubos fotomultiplicadores eram comuns antes da adoção dos CCDs. O advento de lasers confiáveis, estáveis e baratos com larguras de banda estreitas também teve um impacto.

Lasers

A espectroscopia Raman requer uma fonte de luz como um laser. A resolução do espectro depende da largura de banda da fonte de laser usada. Lasers de comprimento de onda geralmente mais curto fornecem espalhamento Raman mais forte devido ao aumento de $ν$ ⁴ nas seções transversais de espalhamento Raman, mas podem ocorrer problemas com a degradação da amostra ou fluorescência.

Lasers de onda contínua são mais comuns para espectroscopia Raman normal, mas lasers pulsados também podem ser usados. Eles geralmente têm larguras de banda mais largas do que suas contrapartes CW, mas são muito úteis para outras formas de espectroscopia Raman, como transiente, resolvido no tempo e de ressonância Raman.

Detectores

A luz espalhada Raman é normalmente coletada e dispersa por um espectrógrafo ou usada com um interferômetro para detecção por métodos de transformada de Fourier (FT). Em muitos casos, os espectrômetros FT-IR disponíveis comercialmente podem ser modificados para se tornarem espectrômetros FT-Raman.

Detectores para Raman dispersivo

Na maioria dos casos, os espectrômetros Raman modernos usam detectores de matriz, como CCDs. Existem vários tipos de CCDs que são otimizados para diferentes faixas de comprimento de onda. CCDs intensificados podem ser usados para sinais muito fracos e / ou lasers pulsados. A faixa espectral depende do tamanho do CCD e da distância focal do espectrógrafo usado.

Já foi comum o uso de monocromadores acoplados a tubos fotomultiplicadores. Nesse caso, o monocromador precisaria ser movido para fazer a varredura em uma faixa espectral.

Detectores para FT – Raman

FT – Raman é quase sempre usado com lasers NIR e detectores apropriados devem ser usados dependendo do comprimento de onda de excitação. Os detectores de germânio ou arsenieto de índio e gálio (InGaAs) são comumente usados.

Filtros

Normalmente é necessário separar a luz espalhada Raman do sinal Rayleigh e do sinal laser refletido para coletar espectros Raman de alta qualidade usando um filtro de rejeição de laser. Filtros ópticos notch ou de passagem longa são normalmente usados para essa finalidade. Antes do advento dos filtros holográficos, era comum usar um monocromador de grade tripla no modo subtrativo para isolar o sinal desejado. Isso ainda pode ser usado para registrar desvios Raman muito pequenos, pois os filtros holográficos normalmente refletem algumas das bandas de baixa frequência, além da luz do laser não desviada. No entanto, os filtros de holograma de volume estão se tornando mais comuns, o que permite que mudanças tão baixas quanto 5 cm ⁻¹ sejam observadas.

Formulários

A espectroscopia Raman é usada em química para identificar moléculas e estudar ligações químicas e ligações intramoleculares. Como as frequências vibracionais são específicas para as ligações químicas e simetria de uma molécula (a região da impressão digital das moléculas orgânicas está na faixa do número de onda de 500-1.500 cm- ¹ ), Raman fornece uma impressão digital para identificar as moléculas. Por exemplo, os espectros Raman e IV foram usados para determinar as frequências vibracionais de SiO, Si ₂ O ₂ e Si ₃ O ₃ com base em análises de coordenadas normais. Raman também é usado para estudar a adição de um substrato a uma enzima.

Na física do estado sólido , a espectroscopia Raman é usada para caracterizar materiais, medir a temperatura e encontrar a orientação cristalográfica de uma amostra. Tal como acontece com as moléculas individuais, um material sólido pode ser identificado por modos de fônon característicos . As informações sobre a população de um modo de fônon são fornecidas pela proporção da intensidade de Stokes e anti-Stokes do sinal Raman espontâneo. A espectroscopia Raman também pode ser usada para observar outras excitações de baixa frequência de um sólido, como plasmons , magnons e excitações de gap supercondutor . A detecção de temperatura distribuída (DTS) usa o retroespalhamento com deslocamento Raman de pulsos de laser para determinar a temperatura ao longo das fibras ópticas. A orientação de um anisotrópica de cristal pode ser encontrado a partir da polarização da luz difusa de Raman com respeito ao cristal e a polarização da luz de laser, se a estrutura de cristal do grupo de pontos é conhecido.

Em nanotecnologia, um microscópio Raman pode ser usado para analisar nanofios para entender melhor suas estruturas, e o modo de respiração radial dos nanotubos de carbono é comumente usado para avaliar seu diâmetro.

Fibras ativas Raman, como aramida e carbono, têm modos vibracionais que mostram uma mudança na frequência Raman com estresse aplicado. As fibras de polipropileno exibem deslocamentos semelhantes.

Na química de estado sólido e na indústria biofarmacêutica, a espectroscopia Raman pode ser usada não apenas para identificar ingredientes farmacêuticos ativos (APIs), mas para identificar suas formas polimórficas, se houver mais de uma. Por exemplo, o medicamento Cayston ( aztreonam ), comercializado pela Gilead Sciences para fibrose cística , pode ser identificado e caracterizado por espectroscopia de infravermelho e Raman. Usar a forma polimórfica correta em formulações biofarmacêuticas é fundamental, uma vez que diferentes formas têm diferentes propriedades físicas, como solubilidade e ponto de fusão.

A espectroscopia Raman tem uma ampla variedade de aplicações em biologia e medicina. Ajudou a confirmar a existência de fônons de baixa frequência em proteínas e DNA, promovendo estudos de movimento coletivo de baixa frequência em proteínas e DNA e suas funções biológicas. Moléculas repórter Raman com olefinas ou frações alcino estão sendo desenvolvidas para imagens de tecidos com anticorpos marcados com SERS . A espectroscopia Raman também tem sido usada como uma técnica não invasiva para caracterização bioquímica in situ em tempo real de feridas. A análise multivariada de espectros Raman permitiu o desenvolvimento de uma medida quantitativa para o progresso da cicatrização de feridas. A espectroscopia Raman espacialmente compensada (SORS), que é menos sensível às camadas superficiais do que o Raman convencional, pode ser usada para descobrir medicamentos falsificados sem abrir sua embalagem e para estudar o tecido biológico de forma não invasiva. Uma grande razão pela qual a espectroscopia Raman é tão útil em aplicações biológicas é porque seus resultados muitas vezes não sofrem interferência de moléculas de água, devido ao fato de que elas têm momentos dipolares permanentes e, como resultado, o espalhamento Raman não pode ser detectado. Esta é uma grande vantagem, especificamente em aplicações biológicas. A espectroscopia Raman também é amplamente utilizada no estudo de biominerais. Por último, os analisadores de gás Raman têm muitas aplicações práticas, incluindo monitoramento em tempo real de misturas de gases anestésicos e respiratórios durante a cirurgia.

A espectroscopia Raman tem sido usada em vários projetos de pesquisa como um meio para detectar explosivos a uma distância segura usando feixes de laser.

A espectroscopia Raman está sendo desenvolvida para que possa ser usada no ambiente clínico. Raman4Clinic é uma organização europeia que está trabalhando na incorporação de técnicas de espectroscopia Raman na área médica. Atualmente, estão trabalhando em diversos projetos, sendo um deles o monitoramento do câncer por meio de fluidos corporais, como amostras de urina e sangue, de fácil acesso. Essa técnica seria menos estressante para os pacientes do que ter que fazer biópsias constantemente, que nem sempre são isentas de riscos.

Arte e patrimônio cultural

A espectroscopia Raman é uma forma eficiente e não destrutiva de investigar obras de arte e artefatos de patrimônio cultural , em parte porque é um processo não invasivo que pode ser aplicado in situ . Ele pode ser usado para analisar os produtos de corrosão nas superfícies dos artefatos (estátuas, cerâmica, etc.), o que pode fornecer uma visão dos ambientes corrosivos vivenciados pelos artefatos. Os espectros resultantes também podem ser comparados aos espectros de superfícies que são limpas ou intencionalmente corroídas, o que pode ajudar a determinar a autenticidade de valiosos artefatos históricos.

É capaz de identificar pigmentos individuais em pinturas e seus produtos de degradação, o que pode fornecer uma visão sobre o método de trabalho de um artista, além de auxiliar na autenticação de pinturas. Também fornece informações sobre o estado original da pintura nos casos em que os pigmentos se degradam com o tempo. Além da identificação de pigmentos, extensas imagens microscópicas Raman demonstraram fornecer acesso a uma infinidade de compostos vestigiais em azul egípcio medieval antigo , que permitem reconstruir a "biografia" individual de um corante, incluindo informações sobre o tipo e a proveniência do matéria-prima, síntese e aplicação do pigmento e envelhecimento da camada de tinta.

Além de pinturas e artefatos, a espectroscopia Raman pode ser usada para investigar a composição química de documentos históricos (como o Livro de Kells ), que pode fornecer uma visão sobre as condições sociais e econômicas quando foram criados. Também oferece uma maneira não invasiva de determinar o melhor método de preservação ou conservação de tais artefatos de patrimônio cultural, fornecendo informações sobre as causas por trás da deterioração.

O banco de dados espectral IRUG (Infrared and Raman Users Group) é um banco de dados on-line rigorosamente revisado por pares de espectros de referência de IR e Raman para materiais de patrimônio cultural, como obras de arte, arquitetura e artefatos arqueológicos. O banco de dados está aberto para leitura do público em geral e inclui espectros interativos para mais de uma centena de tipos diferentes de pigmentos e tintas.

Microspectroscopia

A imagem hiperespectral Raman pode fornecer mapas de distribuição de compostos químicos e propriedades do material: Exemplo de um remanescente de clínquer não hidratado em uma argamassa de cimento do século 19 (nomenclatura do químico de cimento: C ≙ CaO, A ≙ Al ₂ O ₃ , S ≙ SiO ₂ , F ≙ Fe ₂ O ₃ ).

A espectroscopia Raman oferece várias vantagens para análise microscópica . Por ser uma técnica de espalhamento de luz, as amostras não precisam ser fixadas ou seccionadas. Os espectros Raman podem ser coletados de um volume muito pequeno (<1 µm de diâmetro, <10 µm de profundidade); esses espectros permitem a identificação das espécies presentes naquele volume. A água geralmente não interfere na análise espectral Raman. Assim, a espectroscopia Raman é adequada para o exame microscópico de minerais , materiais como polímeros e cerâmicas, células , proteínas e vestígios de evidências forenses. Um microscópio Raman começa com um microscópio óptico padrão e adiciona um laser de excitação, um monocromador ou policromador e um detector sensível (como um dispositivo de carga acoplada (CCD) ou tubo fotomultiplicador (PMT)). FT-Raman também tem sido usado com microscópios, normalmente em combinação com excitação de laser infravermelho próximo (NIR). Microscópios ultravioleta e ótica aprimorada de UV devem ser usados quando uma fonte de laser UV é usada para microspectroscopia Raman.

Na imagem direta (também chamada de imagem global ou iluminação de campo amplo ), todo o campo de visão é examinado para a dispersão de luz integrada em uma pequena faixa de números de onda (deslocamentos Raman). Por exemplo, uma característica de número de onda para o colesterol pode ser usada para registrar a distribuição do colesterol em uma cultura de células. Esta técnica está sendo usada para a caracterização de dispositivos de grande escala, mapeamento de diferentes compostos e estudo de dinâmica. Já foi usado para a caracterização de camadas de grafeno , corantes J-agregados dentro de nanotubos de carbono e vários outros materiais 2D, como MoS ₂ e WSe ₂ . Como o feixe de excitação está disperso por todo o campo de visão, essas medições podem ser feitas sem danificar a amostra.

A abordagem mais comum é a imagem hiperespectral ou imagem química , na qual milhares de espectros Raman são adquiridos de todo o campo de visão, por exemplo, varredura raster de um feixe de laser focalizado através de uma amostra. Os dados podem ser usados para gerar imagens que mostram a localização e a quantidade de diferentes componentes. Ter todas as informações espectroscópicas disponíveis em cada ponto de medição tem a vantagem de que vários componentes podem ser mapeados ao mesmo tempo, incluindo formas quimicamente semelhantes e até polimórficas , que não podem ser distinguidas pela detecção de apenas um único número de onda. Além disso, as propriedades do material, como tensão e deformação , orientação do cristal , cristalinidade e incorporação de íons estranhos na rede cristalina (por exemplo, dopagem , série de solução sólida ) podem ser determinadas a partir de mapas hiperespectrais. Tomando o exemplo da cultura de células, uma imagem hiperespectral pode mostrar a distribuição de colesterol, bem como proteínas, ácidos nucléicos e ácidos graxos. Técnicas sofisticadas de processamento de sinal e imagem podem ser usadas para ignorar a presença de água, meios de cultura, buffers e outras interferências.

Como um microscópio Raman é um sistema limitado por difração , sua resolução espacial depende do comprimento de onda da luz, da abertura numérica do elemento de foco e - no caso da microscopia confocal - do diâmetro da abertura confocal. Quando operado na faixa do visível ao infravermelho próximo, um microscópio Raman pode atingir resoluções laterais de aprox. 1 µm até 250 nm, dependendo do comprimento de onda e do tipo de lente objetiva (por exemplo, lentes de imersão em ar vs. água ou óleo). A resolução de profundidade (se não for limitada pela profundidade de penetração óptica da amostra) pode variar de 1–6 µm com a menor abertura de orifício confocal a 10s de micrômetros quando operado sem um orifício de agulha confocal. Dependendo da amostra, a alta densidade de potência do laser devido à focagem microscópica pode ter o benefício de fotobranqueamento aprimorado de moléculas que emitem fluorescência de interferência. No entanto, o comprimento de onda e a potência do laser devem ser cuidadosamente selecionados para cada tipo de amostra para evitar sua degradação.

As aplicações da imagem Raman variam de ciências de materiais a estudos biológicos. Para cada tipo de amostra, os parâmetros de medição devem ser otimizados individualmente. Por esse motivo, os microscópios Raman modernos costumam ser equipados com vários lasers que oferecem diferentes comprimentos de onda, um conjunto de lentes objetivas e filtros de densidade neutra para ajustar a potência do laser que atinge a amostra. A seleção do comprimento de onda do laser depende principalmente das propriedades ópticas da amostra e do objetivo da investigação. Por exemplo, a microscopia Raman de amostras biológicas e médicas é frequentemente realizada usando excitação do vermelho ao infravermelho próximo (por exemplo, comprimento de onda de 785 nm ou 1.064 nm). Devido às absorbâncias tipicamente baixas de amostras biológicas nesta faixa espectral, o risco de danificar a amostra, bem como a emissão de autofluorescência, são reduzidos e podem ser alcançadas profundidades de penetração elevadas nos tecidos. No entanto, a intensidade de espalhamento Raman em comprimentos de onda longos é baixa (devido à dependência ω ⁴ da intensidade de espalhamento Raman), levando a longos tempos de aquisição. Por outro lado, a imagem de ressonância Raman de algas de uma única célula em 532 nm (verde) pode sondar especificamente a distribuição de carotenóides dentro de uma célula usando um laser de baixa potência de ~ 5 µW e apenas 100 ms de tempo de aquisição.

O espalhamento Raman, especificamente a espectroscopia Raman com ponta, produz imagens hiperespectrais de alta resolução de moléculas individuais, átomos e DNA.

Dependência de polarização de espalhamento Raman

O espalhamento Raman é sensível à polarização e pode fornecer informações detalhadas sobre a simetria dos modos ativos Raman. Enquanto a espectroscopia Raman convencional identifica a composição química, os efeitos de polarização nos espectros Raman podem revelar informações sobre a orientação das moléculas em cristais únicos e materiais anisotrópicos, por exemplo, folhas de plástico tensionadas, bem como a simetria dos modos vibracionais.

A espectroscopia Raman dependente da polarização usa excitação a laser polarizada (plana) de um polarizador . A luz espalhada Raman coletada é passada por um segundo polarizador (chamado de analisador) antes de entrar no detector. O analisador é orientado paralelamente ou perpendicularmente à polarização do laser. Os espectros adquiridos com o analisador definido perpendicular e paralelo ao plano de excitação podem ser usados para calcular a taxa de despolarização . Normalmente, um misturador de polarização também é colocado entre o analisador e o detector. É conveniente na espectroscopia Raman polarizada descrever as direções de propagação e polarização usando a notação de Porto, descrita e nomeada em homenagem ao físico brasileiro Sergio Pereira da Silva Porto .

Para soluções isotrópicas, o espalhamento Raman de cada modo retém a polarização do laser ou torna-se parcial ou totalmente despolarizado. Se o modo vibracional envolvido no processo de espalhamento Raman for totalmente simétrico, então a polarização do espalhamento Raman será a mesma do feixe de laser de entrada. No caso em que o modo vibracional não é totalmente simétrico, a polarização será perdida (embaralhada) parcial ou totalmente, o que é conhecido como despolarização. Conseqüentemente, a espectroscopia Raman polarizada pode fornecer informações detalhadas quanto aos rótulos de simetria dos modos vibracionais.

No estado sólido, a espectroscopia Raman polarizada pode ser útil no estudo de amostras orientadas, como cristais únicos. A polarizabilidade de um modo vibracional não é igual ao longo e através da ligação. Portanto, a intensidade do espalhamento Raman será diferente quando a polarização do laser for ao longo e ortogonal a um determinado eixo de ligação. Este efeito pode fornecer informações sobre a orientação das moléculas com um único cristal ou material. A informação espectral resultante desta análise é freqüentemente usada para entender a orientação macromolecular em redes de cristal, cristais líquidos ou amostras de polímeros.

Caracterização da simetria de um modo vibracional

A técnica de polarização é útil para entender as conexões entre simetria molecular , atividade Raman e picos nos espectros Raman correspondentes. A luz polarizada em uma direção só dá acesso a alguns modos ativos de Raman, mas girar a polarização dá acesso a outros modos. Cada modo é separado de acordo com sua simetria.

A simetria de um modo vibracional é deduzida da razão de despolarização ρ, que é a razão do espalhamento Raman com polarização ortogonal ao laser incidente e o espalhamento Raman com a mesma polarização do laser incidente: Aqui está a intensidade do espalhamento Raman quando o analisador é girado 90 graus em relação ao eixo de polarização da luz incidente e à intensidade do espalhamento Raman quando o analisador está alinhado com a polarização do laser incidente. Quando a luz polarizada interage com uma molécula, ela distorce a molécula que induz um efeito igual e oposto na onda plana, fazendo com que ela seja girada pela diferença entre a orientação da molécula e o ângulo de polarização da onda de luz. Se ρ ≥ , então as vibrações naquela frequência são despolarizadas ; o que significa que eles não são totalmente simétricos. ${\ displaystyle \ rho = {\ frac {I_ {r}} {I_ {u}}}}$ ${\ displaystyle I_ {r}}$ ${\ displaystyle I_ {u}}$ ${\ displaystyle {\ frac {3} {4}}}$

Variantes

Pelo menos 25 variações de espectroscopia Raman foram desenvolvidas. O objetivo usual é aumentar a sensibilidade (por exemplo, Raman aprimorado de superfície), para melhorar a resolução espacial (microscopia Raman) ou adquirir informações muito específicas (Raman de ressonância).

Espontoscopia Raman espontânea (ou de campo distante)

Imagem Raman Correlativa: Comparação de imagens topográficas ( AFM , topo) e Raman de GaSe . A barra de escala é 5 μm.

Termos como espectroscopia Raman espontânea ou espectroscopia Raman normal resumem as técnicas de espectroscopia Raman com base no espalhamento Raman usando a óptica de campo distante normal, conforme descrito acima. Existem variantes da espectroscopia Raman normal com respeito às geometrias de detecção de excitação, combinação com outras técnicas, uso de óptica especial (polarização) e escolha específica de comprimentos de onda de excitação para aumento de ressonância.

Imagem Raman Correlativa - A microscopia Raman pode ser combinada com métodos de imagem complementares, como microscopia de força atômica (Raman-AFM) e microscopia eletrônica de varredura (Raman-SEM) para comparar mapas de distribuição Raman com (ou sobrepô-los a) imagens topográficas ou morfológicas, e correlacionar espectros Raman com informações físicas ou químicas complementares (por exemplo, obtidas por SEM- EDX ).
Espectroscopia de ressonância Raman - O comprimento de onda de excitação é correspondido a uma transição eletrônica da molécula ou cristal, de modo que os modos vibracionais associados ao estado eletrônico excitado são bastante aprimorados. Isso é útil para estudar moléculas grandes, como polipeptídeos , que podem mostrar centenas de bandas em espectros Raman "convencionais". Também é útil para associar os modos normais às mudanças de frequência observadas.
Espectroscopia Raman com resolução de ângulo - não apenas os resultados Raman padrão são registrados, mas também o ângulo em relação ao laser incidente. Se a orientação da amostra for conhecida, informações detalhadas sobre a relação de dispersão dos fônons também podem ser obtidas a partir de um único teste.
Pinças ópticas Espectroscopia Raman (OTRS) - Usada para estudar partículas individuais e até mesmo processos bioquímicos em células individuais presas por pinças ópticas .
Espectroscopia Raman espacialmente compensada (SORS) - O espalhamento Raman sob uma superfície obscurecida é recuperado de uma subtração em escala de dois espectros obtidos em dois pontos espacialmente compensados.
Atividade óptica Raman (ROA) - Mede a atividade óptica vibracional por meio de uma pequena diferença na intensidade do espalhamento Raman de moléculas quirais na luz incidente polarizada circularmente à direita e à esquerda ou, equivalentemente, um pequeno componente polarizado circularmente na luz espalhada.
Transmissão Raman - Permite a sondagem de um volume significativo de ummaterial turvo , como pós, cápsulas, tecido vivo, etc. Foi amplamente ignorado após investigações no final dos anos 1960 ( Schrader e Bergmann, 1967), mas foi redescoberto em 2006 como um meio de ensaio rápido de formas de dosagem farmacêutica . Existem aplicações de diagnóstico médico, particularmente na detecção de câncer.
Substratos de microcavidades - Um método que melhora o limite de detecção de espectros Raman convencionais usando micro-Raman em uma microcavidade revestida com Au ou Ag reflexivo. A microcavidade tem um raio de vários micrômetros e aprimora todo o sinal Raman ao fornecer múltiplas excitações da amostra e acopla os fótons Raman dispersos para frente em direção à coleção óptica na geometria Raman retroespalhada.
Raman remoto stand-off . - No Raman standoff, a amostra é medida a uma distância do espectrômetro Raman, geralmente usando um telescópio para coleta de luz. A espectroscopia Raman remota foi proposta na década de 1960 e inicialmente desenvolvida para a medição de gases atmosféricos. A técnica foi estendida em 1992 por Angel et al. para detecção de Raman impasse de compostos orgânicos e inorgânicos perigosos.
Espalhamento Raman de raios-X - mede transições eletrônicas em vez de vibrações.

Espectroscopia Raman aprimorada (ou campo próximo)

O aumento do espalhamento Raman é obtido pelo aumento do campo elétrico local por efeitos ópticos de campo próximo (por exemplo, plasmons de superfície localizados ).

Espectroscopia Raman aprimorada de superfície (SERS) - Normalmente feita em um colóide de prata ou ouro ou um substrato contendo prata ou ouro. Plasmões desuperfíciede prata e ouro são excitados pelo laser, resultando em um aumento nos campos elétricos ao redor do metal. Dado que as intensidades Raman são proporcionais ao campo elétrico, há um grande aumento no sinal medido (em até 10¹¹ ). Este efeito foi originalmente observado por Martin Fleischmann, mas a explicação predominante foi proposta por Van Duyne em 1977. Uma teoria abrangente do efeito foi fornecida por Lombardi e Birke.
Espectroscopia Raman de ressonância aprimorada de superfície (SERRS) - Uma combinação de SERS e espectroscopia Raman de ressonância que usa a proximidade de uma superfície para aumentar a intensidade Raman e o comprimento de onda de excitação compatível com a absorbância máxima da molécula que está sendo analisada.
Espectroscopia Raman aprimorada pela ponta (TERS) - usa uma ponta metálica (geralmente AFM ou STM revestida de prata / ouro) para aumentar os sinais Raman de moléculas situadas em sua vizinhança. A resolução espacial é aproximadamente do tamanho do ápice da ponta (20-30 nm). Foi demonstrado que o TERS tem sensibilidade até o nível de uma única molécula e é promissor paraaplicações de bioanálise e sequenciamento de DNA. O TERS foi usado para criar imagens dos modos normais de vibração de moléculas individuais.
Espalhamento Raman intensificado por polariton de plasmon de superfície (SPPERS) - Esta abordagem explora pontas cônicas metálicas sem aberturas para excitação de moléculas em campo próximo. Esta técnica difere da abordagem TERS devido à sua capacidade inerente de suprimir o campo de fundo. De fato, quando uma fonte de laser apropriada colide com a base do cone, um modo TM0 (modo polaritônico) pode ser criado localmente, ou seja, longe do ponto de excitação (ápice da ponta). O modo pode se propagar ao longo da ponta sem produzir nenhum campo de radiação até o ápice da ponta, onde interage com a molécula. Desta forma, o plano focal é separado do plano de excitação por uma distância dada pelo comprimento da ponta, e nenhum fundo desempenha qualquer papel na excitação Raman da molécula.

Espectroscopia Raman não linear

Os aprimoramentos do sinal Raman são obtidos por meio de efeitos ópticos não lineares, normalmente realizados pela mistura de dois ou mais comprimentos de onda emitidos por lasers pulsados sincronizados espacialmente e temporalmente.

Hyper Raman - Efeito não linear em que os modos vibracionais interagem com o segundo harmônico do feixe de excitação. Isso requer uma potência muito alta, mas permite a observação de modos vibracionais que normalmente são "silenciosos". Freqüentemente, depende do aprimoramento do tipo SERS para aumentar a sensibilidade.
Espectroscopia Raman estimulada (SRS) - Umatécnica de bomba-sonda , onde um pulso de duas cores espacialmente coincidente (com polarização paralela ou perpendicular) transfere a população do solo para umestado rovibracionalmente excitado. Se a diferença de energia corresponder a uma transição Raman permitida, a luz espalhada corresponderá à perda ou ganho no feixe da bomba.
Espectroscopia Raman inversa - um sinônimo para espectroscopia de perda Raman estimulada.
Espectroscopia Raman anti-Stokes coerente (CARS) - Dois feixes de laser são usados para gerar um feixe de frequência anti-Stokes coerente, que pode ser aprimorado por ressonância.

Espectroscopia Raman Morfologicamente Direcionada

A espectroscopia Raman dirigida morfologicamente (MDRS) combina a imagem automatizada de partículas e a microespectroscopia Raman em uma plataforma integrada única para fornecer tamanho, formato e identificação química das partículas. A imagem de partícula automatizada determina o tamanho da partícula e as distribuições de forma dos componentes dentro de uma amostra combinada a partir de imagens de partículas individuais. As informações coletadas a partir de imagens de partículas automatizadas são então utilizadas para direcionar a análise espectroscópica Raman. O processo analítico espectroscópico Raman é realizado em um subconjunto de partículas selecionado aleatoriamente, permitindo a identificação química dos vários componentes da amostra. Dezenas de milhares de partículas podem ser visualizadas em questão de minutos usando o método MDRS, tornando o processo ideal para análise forense e investigação de produtos farmacêuticos falsificados e julgamentos subsequentes.

Referências

Leitura adicional

Vandenabeele, Peter (2013). Espectroscopia Raman prática: uma introdução . Wiley. ISBN 978-0470683194.

links externos

Pacote de Ensino e Aprendizagem DoITPoMS - Espectroscopia Raman - uma introdução à espectroscopia Raman, voltada para o nível de graduação.
Espectroscopia Raman na análise de pinturas , ColourLex
Banco de dados de grupos de usuários de infravermelho e Raman , IRUG

Languages

In other projects