Spektroskopia Ramana

Opublikowane przez Ewa w dniu

Czym jest spektroskopia Ramana?

W dzisiejszym świecie ciężko sobie wyobrazić życie bez substancji chemicznych. Niestety większość produktów szeroko pojętego przemysłu chemicznego nie jest obojętna dla środowiska. Transport tego rodzaju substancji, przypadkowe pożary magazynów czy zakładów produkcyjnych są częścią życia codziennego. Również trzeba pamiętać o co raz częstszym wykorzystywaniu substancji chemicznych w celach nielegalnych jak tworzenie materiałów wybuchowych czy narkotyków.

Dlatego też służby publiczne w Polsce wyposażają się w najnowocześniejszy sprzet pozwalający na szybką identyfikację nieznanych substancji. Najczęściej do tego celu wykorzystywane są spektrometry Ramana. Współczesne aparaty dedykowane dla służb mundurowych są tak projektowane aby nawet użytkownik nie posiadający specjalistycznej wiedzy z zakresu analityki chemicznej mógł takie badania wykonywać. Jednak czym jest spektroskopia Ramana?

Spektroskopia Ramana jest jedną z technik spektroskopii wibracyjnej opartej na zjawisku rozpraszania światła przez materię (efekt Ramana). Właśnie wykorzystanie tego efektu jako informacji pozwala na identyfikację nieznanych substancji chemicznych.

Rozpraszanie światła to zjawisko oddziaływania światła z materią w wyniku którego następuje zmiana kierunku jego rozchodzenia się. Pomijając tutaj efekty odbicia i załamania, rozróżnia się rozpraszanie światła:

• sprężyste (Rayleigh’a) – podczas rozpraszania nie następuje zmiana energii (częstotliwości) światła

• niesprężyste – podczas rozpraszania zmienia się energia (częstotliwość) światła.  

Każda substancja chemiczna na swój charakterystyczny sposób rozprasza promieniowanie świetlne. Efekt rozpraszania światła przez substancje został zaobserwowany po raz pierwszy przez Sir C. V. Ramana, indyjskiego fizyka w roku 1928.  Za swoją pracę Sir Raman otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki w 1930 roku.

W spektroskopii Ramana próbkę naświetla się monochromatycznym promieniowaniem nadfioletowym, widzialnym lub z zakresu bliskiej podczerwieni (laser). Ponieważ prawdopodobieństwo rozproszenia promieniowania przez cząsteczki próbki jest niewielkie, konieczne jest zastosowanie silnego źródła promieniowania jak laser o mocy 5-2000mW.

Efekt Ramana powstaje w wyniku interakcji fotonów z elektronami badanej cząsteczki. W trakcie tej interakcji fotony mogą tracić (proces Stokes’a) lub zyskiwać (proces anty-Stokesa) energię. W konsekwencji energia wibracyjna atomów wzrasta lub maleje. Zapis tej zmiany zwany widmem Ramana obrazuje różnicę energii między fotonem padającym a emitowanym. Efekt ten jest bardzo słaby ponieważ prawdopodobieństwo przekazania energii fotonu do atomu badanej substancji jest niewielkie. Tylko jeden na ok. 108 fotonów padających ulegnie przemianie na promieniowanie Ramana.

Zapis zmiany energii (widmo Ramana) ściśle zależy wibracji danej cząsteczki, a ta ściśle budowy molekularnej. Nawet niewielkie różnice czy zakłócenia w strukturze cząsteczki są wyraźnie widoczne na widmie. Zjawisko to jest niezwykle cenne w wykorzystaniu tej techniki pomiarowej w identyfikacji nieznanych substancji. Dzięki temu można jednoznacznie zidentyfikować substancje podobne strukturalnie, izomery czy nawet odmiany polimorficzne. Dlatego też widmo danej substancji chemicznej nazywane jest często „molekularnym odciskiem palca”.

Ponieważ efekt Ramana jest bardzo słaby technika ta nie nadaje się badania substancji o niskich czy nawet śladowych stężeniach.  W analizatorach podręcznych obecnie dostępnych na rynku minimalne stężenie możliwe do jednoznacznej identyfikacji to 3-10% w zależności od rodzaju substancji. Dostępne są różne modyfikacje jak technika SERS pozwalająca na wykrywanie substancji poniżej tych stężeń, jednak wymaga ona manipulowania i odpowiedniego przygotowania próbki, co nie zawsze jest możliwe podczas pracy w terenie.

Problemy podczas analiz przy użyciu spektrometrii Ramana

Niestety podczas naświetlania materii światłem oprócz rozproszenia Ramana uzyskujemy szereg innych zjawisk, które niekorzystnie wpływają na uzyskany efekt rozproszenia. Próbka, na którą oddziałujemy promieniowaniem elektromagnetycznym najpierw pobiera z niego energię, a następnie oddaje ją w różnej postaci. Ze światła padającego otrzymujemy:

* wiązki światła odbitego oraz transmisyjnego o zmniejszonej intensywności,

* promieniowanie fluorescencyjne,

* promieniowanie rozproszone

Jednym z największych ograniczeń dla techniki Ramana jest fluorescencja. Zjawisko to jest naturalnym efektem towarzyszącym materiałom podczas naświetlania. Mówiąc bardzo ogólnie jest to zdolność substancji do emisji własnego światła. Światło to jest odbierane przez detektory jako zakłócenie sygnału Ramana. Wysoką fluorescencję posiadają zazwyczaj substancje o silnym jaskrawym zabarwieniu (zielone, niebieskie) oraz substancje biologiczne jak białka czy skrobia. Zjawisko fluorescencji to efekt którego nie da się wyeliminować, ale są sposoby pozwalające na zmniejszenie jego wpływu na badanie. Zastosowanie laserów o długościach fali 785 lub 1064 nm pozwala na zmniejszenie tego efektu i analizowanie nawet materiałów o dość silnej fluorescencji. Natomiast należy pamiętać, że im dłuższa długość fali lasera tym słabszy efekt Ramana. Oznacza to że wybierając lasery o dłuższej długości fali konieczne jest użycie znacznie większej mocy w celu uzyskania odpowiednio wysokiego sygnału Ramana. Ma to również swoje ograniczenia ponieważ każda substancja chemiczna również absorbuje energię promieniowania laserowego a co za tym idzie zwiększa się ryzyko zapalenia się materiału podczas naświetlania.

Materiały o bardzo silnej fluorescencji wymagają zastosowania nie tylko specjalistycznych rozwiązań konstrukcyjnych ale i również odpowiednich algorytmów w oprogramowaniu. Tego typu rozwiązania wykorzystywane są w zaawansowanych systemach laboratoryjnych.

Ostatnio na rynku pojawiły się spektrometry Ramana wykorzystujące innowacyjne lasery kwantowo kaskadowe. Aparaty tego typu pozwalają na zniwelowanie wielu  dotychczasowych ograniczeń spektroskopii Ramana, a dodatkowo nie wymagają tak bliskiego kontaktu z badaną substancją. Aparaty wykorzystujące kwantowo kaskadowe lasery, dzięki zastosowaniu specjalnych algorytmów potrafią praktycznie całkowicie wyeliminować problem fluorescencji, wykorzystując przy tym znacznie niższą moc lasera. Oznacza to, że tego typu urządzenia są znacznie bardziej bezpieczne i praktycznie niwelują ryzyko zapalenia się materiału podczas analizy. Zapraszamy do zapoznania się z takim produktem na naszej stronie: PendarX10.