Raman-spektroskopian periaatteet

Spektroskopia on analyysitekniikka, jossa kemiallisten ominaisuuksien mittaamiseen käytetään UV-valot, näkyvää valoa tai infrapunavaloa. Se tarjoaa materiaalin nopean, merkitsemättömän, ei-invasiivisen ja tuhoamattoman kemiallisen analyysin. Kohdennettu säteen heijastavuuden mittaus (FBRM), ultravioletti/näkyvä (UV/Vis), lähi-infrapuna (NIR), infrapuna (IR) ja Raman ovat esimerkkejä spektroskopiasta, jota käytetään laajasti teollisissa tutkimus- ja kehitys- tai prosessiympäristöissä.

Tämän työkalupaketin sisällä värähtelyspektroskopiateknologiat, kuten NIR, IR ja Raman, ovat tehokkaita työkaluja koostumuksen ja molekyylirakenteen ymmärtämiseen. NIR käyttää lähi-infrapunasäteilyä, IR käyttää infrapunasäteilyä, ja Raman käyttää näkyvää tai lähi-infrapunasäteilyä kemiallisen koostumuksen ja molekyylirakenteen mittaamiseen.

Värähtelyspektroskopia on erityisen arvokasta, koska se tarjoaa tarkkaa kemiallista tietoa ilman mittavaa näytteen valmistelua. Raman-spektroskopia on eräänlaista värähtelyspektroskopiaa, jonka erittäin tarkka molekyylisormenjälki on samanlainen kuin infrapunasäteilyllä. Ramanin ja infrapunan välillä on kuitenkin eroja, jotka vaikuttavat siihen, missä niitä käytetään teollisissa sovelluksissa.

Infrapuna- ja Raman-spektroskopian keskeinen ero on se, miten vesi vaikuttaa spektriin. Vesi imee voimakkaasti infrapunavaloa, mikä usein peittää näytteen infrapunavalosignaalit. Sen sijaan vedellä on heikko Raman-signaali, mikä tekee Raman-spektroskopiasta soveltuvamman vesiliuoksissa tehtäviin mittauksiin. Toinen ero on käytetyissä aallonpituuksissa: Raman-spektroskopiassa käytetään näkyviä tai lähi-infrapuna-aallonpituuksia, mikä mahdollistaa tavallisten optisten kuitujen ja tunnistimien käytön. IR-spektroskopiassa tarvitaan kuitenkin erikoiskuituja ja -antureita, koska siinä käytetään infrapunaa. Tämä tekee Raman-spektroskopiasta ihanteellisen etämonitorointiin ja asennuksille, joissa tunnistin ja anturi ovat etäällä toisistaan.

Kun valo on vuorovaikutuksessa molekyylin kanssa, se voidaan taittaa, absorboi tai hajottaa. Sironnassa suurin osa fotoneista ei ole vuorovaikutuksessa molekyylin kanssa ja ne vain "pomppivat" pois. Tätä kutsutaan Rayleighin tai elastiseksi hajonnaksi. Pieni osa valosta käy läpi joustamattoman sironnan, jossa fotonit ovat vuorovaikutuksessa molekyylin värähtelyjen tai pyörimisen kanssa, mikä johtaa energian siirtymiin. Nämä muutokset muodostavat Raman-spektrin, joka toimii molekyylisenä sormenjälkenä. Useimmat spektroskooppiset Raman-analysaattorit mittaavat näitä molekyylivärähtelyitä.

Raman-sironta
Sen löysivät vuonna 1928 C.V. Raman ja K.S. Krishnan. Ramanin hajonta kuvaa sitä, miten pieni osa molekyylin hajottamasta valosta muuttaa taajuutta energian siirtymisen vuoksi molekyylien värähtelyn avulla. Ensimmäiset Raman-tutkimukset tehtiin käyttämällä auringonvaloa valonlähteenä ja valokuvauslaitteita. Raman ja Krishnan tunnustivat "vaikutuksen liian suuren heikkouden" alkuperäisessä julkaisussaan. Ei ollut tavatonta, että tutkijoilta kului tunteja tai jopa päiviä yhden spektrin keräämiseen. Lasereiden, herkkien tunnistimien ja nopean holografiapohjaisen optiikan tulo paransi Raman-spektroskopian nopeutta, resoluutiota ja herkkyyttä. Nykyään yksi Raman-spektri voidaan mitata muutamassa minuutissa tai jopa sekunnissa. 

Sirontaprosessi
Kun fotoni on vuorovaikutuksessa molekyylin kanssa, se voi herättää elektronin virtuaaliseen energiatilaan. Jos elektroni palaa erilaiselle värähtelytasolle, hajallaan olevalla fotonilla on erilainen energia, joka perustuu molekyylin värähtelyn alkuperäiseen energiaan.

• Stokesin hajonta: Fotoni menettää energiaa (yleisin)
• Anti-Stokesin hajonta: Fotoni saa energiaa (vähemmän intensiivistä)

Nämä energiaerot on piirretty spektriin Ramanin siirtyminä aaltolukuina (cm⁻¹). Koska molekyyleillä on monia värähtelyitä ja jokaisella erilaisia energioita, nämä muutokset tarjoavat tietoa molekyylin erilaisista funktionaalisista ryhmistä.

Värähtelyenergiat
Värähtelyenergia riippuu useista molekyylisistä ominaisuuksista:

• Atomimassa
• Liitosjärjestys
• Molekylaarinen geometria
• Vetysidos

Raman-spektroskopia pystyy mittaamaan molekyylin erilaisia koostumuksia ja rakenteita, mukaan lukien sekä pää- että sivuketjut, mikä tekee siitä arvokkaan eri aloille, kuten materiaalitiede, polymeerit, ruokaöljyt ja biokemia.

Valintasäännöt
Värähdys on Raman-aktiivinen, jos se aikaansaa muutoksen polarisaatiossa. Tyypillisesti symmetriset venytys- tai värähtelyalueet ovat Raman-aktiivisia. Tämä mekanismi täydentää infrapuna-spektroskopiaa, jossa värähtelyn on muutettava dipolimomenttia ja siihen sisältyy tyypillisesti epäsymmetrisiä värähtelyjä.

• Vahvat Raman-sirottimet: Molekyylit, joissa on siirtyneitä elektronilähteitä (esim. C=C -sidokset)
• Heikot sirottimet: Erittäin polaariset sidokset (esim. O–H)

Raman-spektroskopian muunnelmia kehitetään edelleen Raman-signaalin tehostamiseksi tai fluoresenssi-ilmiön vähentämiseksi. Kaksi tärkeää tehostamisprosessia ovat resonanssi-Raman ja pintavahvistettu Raman-sironta.  

Resonanssi-Raman (RR)
Kun virityslaser vastaa elektronista siirtymistä, tietyt värähtelymoodit paranevat resonoivasti - tekijöillä 10² - 10⁴. Tämä tekniikka on hyödyllinen kromoforien ja aromaattisten yhdisteiden tutkimiseksi.

Pintavahvistettu Raman-sironta (SERS)
SERS tehostaa Raman-signaaleja 10³–10⁶×, kun molekyylejä adsorboituu nanorakenteisilla metallipinnoilla (esim., hopea, kulta). Se mahdollistaa mikromolaaristen pitoisuuksien havaitsemisen, vaikka sen käyttöä rajoittaa pintakemia ja adsorptiokinetiikka.

Historiallisesti Ramania käytettiin laadulliseen analyysiin - kemiallisten aineiden tunnistamiseen niiden spektrisillä sormenjäljillä. Holografisen tekniikan, korkean suorituskyvyn analysaattoreiden ja monimuuttujadata-analyysin edistykset ovat kuitenkin mahdollistaneet määrällisen Raman-spektroskopian.

• Laadullinen: Tunnistaa yhdisteet
• Määrällinen: Mittaa pitoisuuksia reaaliajassa

Sen jälkeen kun se on otettu käyttöön 1990-luvun puolivälissä teollisuusympäristöissä, nykyaikaiseen dispergoivaan instrumentointiin perustuvaa Raman-spektroskopiaa on käytetty haasteiden ratkaisemiseen tunnistamisessa, kvantifioinnissa ja prosessien monitoroinnissa. Varhaiset sovellukset liittyivät läheisesti niihin, jotka on jo analysoitu Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopialla (FTIR) tai FT-Ramanilla, koska Raman tarjoaa samanlaisia koostumuksen ja molekyylirakenteen tietoja.

Monissa näistä varhaisista raporteista Raman testattiin vasta FTIR:n tai FT-Ramanin toteutusrajoitusten, kuten näyteanturin likaantuminen, suuri laservoima tai yhteensopimattomuus vesipitoisten järjestelmien kanssa, jälkeen. Alkuperäisten menestysten seurauksena teollisuuden luottamus Raman-tekniikkaan ja sen laitteiston vahvuus kasvoi, mikä johti laajempaan käyttöönottoon Raman-pohjaisten tuotteiden tai prosessin ymmärtämisen suhteen.

Nykyään on osoitettu Raman-spektroskopia on osoitettu tarjoavan FTIR:n erityispiirteetNIR-spektroskopian mittauskelpoisuudella. Nykyaikainen näkökulma näkee Ramanin prosessianalyysiteknologian (PAT) ensimmäisenä vaihtoehtona eikä viimeisenä keinona.

Raman tarjoaa useita tärkeitä hyötyjä:

• Tarkkuus: Tarkat, ei-päällekkäiset kaistat mahdollistavat tarkan tunnistamisen
• Yhteensopivuus veteen: Vesistöjen häiriö on minimaalinen
• Laaja pitoisuusalue: < 1 % ... 100 % ilman laimennusta
• Ei näytteen valmistelua: Kosketukseton, hajottamaton analyysi
• Nopea: Spektri saadaan sekunneissa tai minuuteissa
• Monipuolinen: Toimii vakiosäiliöissä (lasi, safiiri, polymeerit)
• Määrällinen: Signaalin voimakkuus on suhteessa molekyylipitoisuuteen

Koska Raman-spektroskopia käyttää näkyvää tai lähi-infrapunavaloa, se voidaan kytkeä moniin erityyppisiin mittalaitteisiin. Raman-spektrit voidaan mitata käyttämällä dispergoivia mittalaitteita mikroskoopilla kytkettynä, kädessä pidettävällä tai kannettavalla yksiköllä tai kuituoptisilla mitta-antureilla.

Raman-järjestelmä sisältää seuraavat:

• Laserin virityslähde
• Virityksen toteutusvaihtoehdot
• Näytteenottoliittymä (esim. mikroskooppiobjektiivi, upotusoptiikka, kosketukseton anturi, virtauskenno)
• Optiset kokoamisvälineet
• Aallonpituuden erotuslaite (esim. spektrografi)
• Tunnistin ja elektroniikka
• Tietojen hankkiminen ja analyysiohjelmisto

Raman-spektroskopia on monipuolinen analyyttinen työkalu, jota käytetään kiintoaineissa, nesteissä, kaasuissa ja monimutkaisissa väliaineissa. Se tukee monenlaista teollisuutta ja tutkimusaloja.

Aineen vaiheet
Raman-spektroskopia voidaan soveltaa moniin materiaaleihin, mukaan lukien seuraavat:

• Kiintoaineet: Hiukkaset, pelletit, kalvot, kuidut
• Nesteet: Liuokset, geelit, tahnat
• Kaasut
• Sekoitusvaiheinen väliaine: Suspensiot, lietteet, soluviljelmät

Teollisuussovellukset
Raman-spektroskopialla on tärkeä rooli monilla teollisuudenaloilla, mukaan lukien:

• Lääkkeet: API-reaktion monitorointi, kiinteän annoksen prosessointi, polymorfin tunnistaminen, valmisteen optimointi, PAT
• Bioprosessointi: Ylävirran soluviljelmän monitorointi ja ohjaus, korkeamman asteen rakenne, väliaineiden valmistelu, kohdeproteiinipitoisuus, tuotteen koostumus, PAT
• Teollisuuden rikostentutkinta: Viallisen materiaalin tunnistaminen, polymorfin tunnistaminen, aggregaatit, väärentäminen
• Puolijohteet: Jännitys- ja rasitusanalyysi, materiaalien ominaisuustiedot
• Polymeerit ja nanotekniikka: Reaktion monitorointi, rakenneanalyysi, laadun hallinta, kiteisyys
• Erikoiskemikaali: Ammoniakkisynteesi, metanolin tuotanto, hienon kemiallisen reaktion monitorointi, kiteytyminen, olefiinin tuotanto
• Ympäristö- ja geologiset tieteet: Hiilen talteenotto, käyttö ja varastointi
• Elintarvikkeet ja juomat: Ruokaöljyn laatu, suklaa, keinoliha, väärentäminen, käymisen monitorointi ja hallinta
• Öljy ja kaasu: Jalostaminen, amiinien makeuttaminen, maakaasun tuotanto

Rajojen laajentaminen
Nykyään vastaus kysymykseen, voiko mittausongelmaa mitata Raman-spektroskopialla, on yleensä "kyllä" Laitteiden luotettavuus, lukemattomat näytteen mittausmuodot, mallin siirrettävyys ja alhaiset käyttökustannukset tekevät Raman-spektroskopiasta houkuttelevan analyysityökalun. Kun Raman-spektroskopia kehittyy edelleen, instrumentoinnissa ja sovelluksissa uudet edistykset laajentavat sen vaikutuksia tutkimuksen, kliinisten ja laboratorioympäristöjen välillä. Kehittyvät käyttötarkoitukset sisältävät biolääketieteelliset alat, kuten kudosanalyysin ja sairauksien diagnosoinnin, samoin kuin taiteen konservoinnin pigmentin ja materiaalien tunnistamisen kautta.

1. Efremov, E.V.; Ariese, F.; Gooijer, C. Achievements in resonance Raman spectroscopy: Review of a technique with a distinct analytical chemistry potential, Analytica Chimica Acta, 2008.
2. Esmonde-White, K.; Kester, Michael. Making Industrial Raman Spectroscopy Practical, Spectroscopy Online, 2020.
3. Han, X.X.; Rodriguez, R. S.; Haynes, C. L.; Ozaki, Y; Zhao, B. Surface-enhanced Raman spectroscopy, Nature Reviews Methods Primers, 2022.
4. Kerker, M. et al. Surface Enhanced Raman Scattering, Plenum Press, 1982.
5. Lewis, I. R.; Edwards, H. Handbook of Raman Spectroscopy: From the Research Laboratory to the Process Line, CRC Press, 2001.
6. Morris, M.D. Applied Laser Spectroscopy, VCH Publishers, 1992.
7. Myers, A.B., Mathies, R.A. Biological Applications of Raman Spectroscopy, Wiley, 1987.
8. Schrader, B. Infrared and Raman Spectroscopy, VCH Publishers, 1995.