Раман-спектрометрія

Раманівські спектрометри – це прилади для здійснення спектроскопічного дослідження із застосуванням методу раманівської спектроскопії (інша назва – спектроскопія комбінаційного розсіювання). Дана методика була названа на честь індійського фізика Венкати Рамана, в її основі лежить здатність молекул до непружного (інакше раманівського або комбінаційного) розсіювання монохромного світла. Основний напрямок використання раманівської спектроскопії – проведення хімічних досліджень для отримання структурного відбитка, за яким можна ідентифікувати молекули.

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 і зміщується по довжині хвилі вгору або вниз. Більшість зрушених по енергії фотонів знаходяться в нижчому енергетичному стані, що відповідає коливальному енергетичному режиму функціональної групи, яка викликала зрушення в першу чергу.

Раманівський спектрометр призначений для вимірювання інтенсивності світла щодо раманівського зсуву від довжини хвилі збуджувального лазеру. Розсіяне світло збирається зі зразка і надходить в прилад через апертуру і розділяється на складові його довжини хвиль голографічними гратами. Розділене світло потім фокусується на ПЗЗ-матриці детектора, де інтенсивність кожної довжини хвилі вимірюється пікселем матриці. Потім ПЗЗ-матриця зчитується на комп'ютер, в результаті чого виходить спектр, який відбиває інтенсивність розсіяного світла як функцію хвильових чисел від збудливої лазерної лінії. Як стаціонарний, так і портативний раманівський спектрометр включає чотири основні елементи:
джерело монохроматичного випромінювання;
систему освітлення зразка і 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 спадного випромінювання в раманівському спектрометрі може варіюватися, великий успіх був досягнутий в 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 збуджувальні ультрафіолетові хвилі з частотою 325 Нм.

У приладі лазерний промінь взаємодіє з молекулярними коливаннями, фононами або іншими збудженнями в системі, в результаті 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 і передає його на комп'ютер для декодування. У сучасних раманівських мікроспектрометрах, ціна яких буде вищою, ніж на портативні прилади, власне спектрометр може бути також інтегрований зі спеціально розробленим мікроскопом, який дозволяє проводити спектроскопію мікроскопічних областей зразків.

Переваги та застосування

Раманівська спектроскопія має ряд переваг для мікроскопічного аналізу. Оскільки це метод розсіювання світла, зразки не вимагають 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 і кераміки, а також клітин, білків і криміналістичних слідів.

Раманівська спектроскопія використовується в хімії для ідентифікації молекул, вивчення хімічних і внутрішньомолекулярних зв'язків. Оскільки частоти коливань специфічні для хімічних зв'язків і 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 і 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.