Раман-спектрометрія

Принцип роботи

У раманівському спектрометрі монохроматичне світло, зазвичай від лазера, використовується для освітлення зразка. Непружне або комбінаційне розсіювання виникає, коли фотон взаємодіє з функціональними групами молекул зразка та зміщується по довжині хвилі вгору або вниз. Більшість зсунутих по енергії фотонів знаходяться в нижчому енергетичному стані, що відповідає коливальному енергетичному режиму функціональної групи, що викликала зсув у першу чергу.

Раманівський спектрометр призначений для вимірювання інтенсивності світла відносно раманівського зсуву від довжини хвилі збуджуючого лазера. Розсіяне світло збирається зі зразка та надходить у прилад через апертуру та розділяється на складові його довжини хвиль голографічною решіткою. Розділене світло потім фокусується на ПЗЗ-матриці детектора, де інтенсивність кожної довжини хвилі вимірюється пікселем матриці. Потім ПЗЗ-матриця зчитується на комп’ютер, у результаті чого виходить спектр, який відображає інтенсивність розсіяного світла як функцію хвильових чисел від збуджувальної лазерної лінії. Як стаціонарний, так і портативний раманівський спектрометр містить чотири основних елементи:

• джерело монохроматичного випромінювання;
• систему освітлення зразка та фокусування променів;
• світлофільтр;
• системи виявлення та цифрового контролю.

Будова спектрометра

У приладі використовується джерело монохромного світла (зазвичай лазер) у видимому, ближньому інфрачервоному або ближньому ультрафіолетовому діапазоні. У деяких випадках можуть використовуватися рентгенівські промені. Хоча рівень випромінювання, що падає, в раманівському спектрометрі може варіюватися, великий успіх був досягнутий у приладах з іонним лазером з порожнистим катодом, який виробляє світло на частотах 224 і 248 Нм. Ультрафіолетове випромінювання також було успішним для отримання спектрів органічних молекул. Мінеральні відкладення, такі як карбонати, добре реагують на подібні збуджуючі ультрафіолетові хвилі з частотою 325 Нм.

У приладі лазерний промінь взаємодіє з молекулярними коливаннями, фононами або іншими збудженнями в системі, внаслідок чого енергія лазерних фотонів зміщується вгору або вниз. Зсув енергії дає інформацію про коливальні режими в системі.

Далі дифракційна решітка спектрометра викривляє зміщене раманівське світло відповідно до довжини хвилі, а детектор записує сигнал та передає його на комп’ютер для декодування. В сучасних рамановских мікроспектрометрах, ціна яких буде вище, ніж на портативні прилади, власне спектрометр може бути також інтегрований зі спеціально розробленим мікроскопом, що дозволяє проводити спектроскопію мікроскопічних ділянок зразків.

Переваги та застосування

Раманівська спектроскопія має низку переваг для мікроскопічного аналізу. Оскільки це метод розсіювання світла, зразки не потребують спеціальної підготовки. Спектр комбінаційного розсіювання може бути зібраний з дуже малих зразків (менше ніж 1 мкм в діаметрі). Крім того, вода зазвичай не перешкоджає успішному раманівському спектральному аналізу. Це робить раманівську спектроскопію придатною для мікроскопічного дослідження мінералів, полімерів та кераміку, а також клітин, білків та криміналістичних слідів.

Раманівська спектроскопія використовується в хімії для ідентифікації молекул, вивчення хімічних та внутрішньомолекулярних зв’язків. Оскільки частоти коливань специфічні для хімічних зв’язків та симетрії молекул (область відбитків органічних молекул знаходиться в діапазоні хвильових чисел 500-1500-1 см), використання даного методу забезпечує відбиток, достатній для ідентифікації молекул. Зокрема, раманівські та ІЧ-спектри використовувалися для визначення частот коливань SiO, Si2O2 і Si3O3 на основі аналізу нормальних координат. Метод також може використовуватися для вивчення субстрату, який додається до ферменту.

У фізиці твердого тіла раманівська спектроскопія використовується для характеристики матеріалів, вимірювання температури та визначення кристалографічної орієнтації зразка. Характерні коливання фононів дозволяють ідентифікувати як поодинокі молекули, так і цілісні зразки твердих матеріалів.