Раман-спектрометрия

Рамановские спектрометры – это приборы для осуществления спектроскопического исследования с применением метода Рамановской спектроскопии (другое название – спектроскопия комбинационного рассеяния). Данная методика была названа в честь индийского физика Венкаты Рамана, в ее основе лежит способность молекул к неупругому (иначе рамановскому или комбинационному) рассеянию монохромного света. Основное направление использования рамановской спектроскопии – проведение химических исследований для получения структурного отпечатка, по которому можно идентифицировать молекулы.

Принцип работы

В рамановском спектрометре монохроматический свет, обычно от лазера, используется для освещения образца. Неупругое или комбинационное рассеяние возникает, когда фотон взаимодействует с функциональными группами молекул образца и смещается по длине волны вверх или вниз. Большинство сдвинутых по энергии фотонов находятся в более низком энергетическом состоянии, что соответствует колебательному энергетическому режиму функциональной группы, вызвавшей сдвиг в первую очередь.

Рамановский спектрометр предназначен для измерения интенсивности света относительно рамановского сдвига от длины волны возбуждающего лазера. Рассеянный свет собирается с образца и поступает в прибор через апертуру и разделяется на составляющие его длины волн голографической решеткой. Разделенный свет затем фокусируется на ПЗС-матрице детектора, где интенсивность каждой длины волны измеряется пикселем матрицы. Затем ПЗС-матрица считывается на компьютер, в результате чего получается спектр, который отображает интенсивность рассеянного света как функцию волновых чисел от возбуждающей лазерной линии. Как стационарный, так и портативный рамановский спектрометр включает четыре основных элемента:
источник монохроматического излучения;
систему освещения образца и фокусировки лучей;
светофильтр;
системы обнаружения и цифрового контроля.

Строение спектрометра

В приборе используется источник монохромного света (обычно лазер) в видимом, ближнем инфракрасном или ближнем ультрафиолетовом диапазоне. В некоторых случаях могут использоваться рентгеновские лучи. Хотя уровень падающего излучения в рамановском спектрометре может варьироваться, большой успех был достигнут в приборах с ионным лазером с полым катодом, который производит свет на частотах 224 и 248 Нм. Ультрафиолетовое излучение также было успешным для получения спектров органических молекул. Минеральные отложения, такие как карбонаты, хорошо реагируют на подобные возбуждающие ультрафиолетовые волны с частотой 325 Нм.

В приборе лазерный луч взаимодействует с молекулярными колебаниями, фононами или другими возбуждениями в системе, в результате чего энергия лазерных фотонов смещается вверх или вниз. Сдвиг энергии дает информацию о колебательных режимах в системе.

Далее дифракционная решетка спектрометра искривляет смещенный рамановский свет в соответствии с длиной волны, а детектор записывает сигнал и передает его на компьютер для декодирования. В современных рамановских микроспектрометрах, цена которых будет выше, чем на портативные приборы, собственно спектрометр может быть также интегрирован со специально разработанным микроскопом, что позволяет проводить спектроскопию микроскопических областей образцов.

Преимущества и применение

Рамановская спектроскопия располагает рядом преимуществ для микроскопического анализа. Поскольку это метод рассеяния света, образцы не требуют специальной подготовки. Спектр комбинационного рассеяния может быть собран из очень малых образцов (менее 1 мкм в диаметре). Кроме того, вода обычно не препятствует успешному рамановскому спектральному анализу. Это делает рамановскую спектроскопию пригодной для микроскопического исследования минералов, полимеров и керамика, а также клеток, белков и криминалистических следов.

Рамановская спектроскопия используется в химии для идентификации молекул, изучения химических и внутримолекулярных связей. Поскольку частоты колебаний специфичны для химических связей и симметрии молекул (область отпечатков органических молекул находится в диапазоне волновых чисел 500-1500−1 см), использование данного метода обеспечивает отпечаток, достаточный для идентификации молекул. В частности, рамановские и ИК-спектры использовались для определения частот колебаний SiO, Si2O2 и Si3O3 на основе анализа нормальных координат. Метод также может использоваться для изучения субстрата, добавляемого к ферменту.

В физике твердого тела рамановская спектроскопия используется для характеристики материалов, измерения температуры и определения кристаллографической ориентации образца. Характерные колебания фононов позволяют идентифицировать как одиночные молекулы, так и цельные образцы твердых материалов.