Často kladené otázky (FAQ) o Ramanově spektroskopii: Teorie a použití (Část 1)

Ramanova spektroskopie je nedestruktivní analytická technika založená na nepružném rozptylu fotonů souvisejících s různými vibračními módy molekul. Tento objev C. V. Ramana z roku 1928 vedl k jednoduché, ale účinné metodě určování struktury jednoduchých molekul, jejíž popularita mezi vědeckou komunitou stále roste.

Při interakci laseru spektrometru se vzorkem dochází k posunu energie zpětně rozptýleného světla, jehož výsledkem je Ramanovo spektrum, které poskytuje cenné informace o chemické struktuře. Tento článek se zabývá některými nejčastěji kladenými otázkami o Ramanově spektroskopii, které se týkají teorie a způsobů jejího využití v praxi.

1. Co je Ramanova spektroskopie?
2. Jaké druhy materiálů lze měřit pomocí Ramanovy spektroskopie?
3. Jaké informace lze získat z Ramanova spektra?
4. Jak číst Ramanovo spektrum?
5. Jaké jsou výhody použití Ramanovy spektroskopie?
6. Ramanovu spektroskopii lze použít k identifikaci neznámých látek i k ověření materiálu. Jaký je mezi nimi rozdíl?
7. Kdo by měl Ramanovu spektroskopii používat a kde, kdy, jak a proč?
8. Co je SERS a jak mi může pomoci?

1. Co je Ramanova spektroskopie?

Ramanova spektroskopie je forma molekulární spektroskopie, která se pozoruje jako nepružně rozptýlené světlo, když je vzorek excitován laserem. Zatímco většina rozptylu probíhá elasticky, přibližně 1 ze 106 rozptylových procesů interaguje s molekulou prostřednictvím roztahovacích a ohybových vibrací vazeb, což vede ke vzniku Ramanova rozptýleného světla. Posunuté těmito molekulárními interakcemi lze detekované Ramanovy fotony zpracovat do spektra, které se vztahuje k jedinečným vazbám v molekule, což uživateli poskytuje neocenitelný analytický nástroj pro molekulární fingerprinting. Tento "otisk prstu" se používá především k identifikaci materiálu a stále častěji i ke kvantifikaci.

Metrohm: Princip fungování Ramanovy spektroskopie

Poznámka: molekulární vibrační spektroskopie detekuje pouze dva nebo více atomů, které mezi sebou mají molekulární vazbu - soli, ionty a kovy vyžadují jiné analytické metody.

2. Jaké druhy materiálů lze měřit pomocí Ramanovy spektroskopie?

Ramanovu spektroskopii lze použít k identifikaci většiny materiálů, které jsou přítomny v dostatečném množství a čistotě a/nebo v jednoduchých směsích. Ramanovou spektroskopií lze identifikovat tisíce pevných a kapalných látek, včetně:

• léčiv
• surovin pro výrobu potravin a výrobků osobní péče
• kontrolovaných látek a souvisejících prekurzorů
• teroristických zbraní
• toxických i netoxických chemických látek
• rozpouštědel
• zemědělských přípravků (např. pesticidů, insekticidů)
• a mnoho dalších...

Metrohm: Očekávaná citlivost použití Ramanovy spektroskopie při analýze různých látek

Níže jsou uvedeny některé obecné principy:

• Většina molekul s kovalentními vazbami je Ramanovsky aktivní; povaha a intenzita jejich signálu se však může lišit
• Odhaduje se, že 80 % běžných aktivních farmaceutických složek (API) a pomocných látek je vhodných pro identifikaci surovin (RMID) pomocí Ramanovy spektroskopie
• Raman je ideální technikou pro vodné roztoky, protože signál vody neruší signál rozpuštěné látky
• Některé soli, iontové sloučeniny a kovy nejsou pro Ramanovu analýzu vhodné
• Fluorescence je pro Ramanovu analýzu jedním z největších problémů, protože může přehlušit signál z Ramanova rozptylu

Jak fluorescence ovlivňuje výsledky při měření Ramanovou metodou?

Fluorescence je tradičně největším omezením pro Ramanovu metodu. Jedná se o mnohem účinnější emisní proces, který způsobuje ohromující šum pozadí v Ramanově spektru a zastírá Ramanovy píky. Měření přírodních látek (např. rostlinná vlákna), silně zbarvených materiálů a látek s fluorescenčními příměsemi tak může při použití Ramanovy spektroskopie přinášet určité problémy. Naštěstí toto omezení není nepřekonatelné.

Běžným řešením bylo posunutí vlnové délky excitačního laseru od absorpční vlnové délky materiálu - obvykle 532, 638 nebo 785 nm. Nejčastější volbou vlnové délky pro snížení fluorescenčních efektů je 1064 nm.

Jak zjistíte, která vlnová délka je nejvhodnější?

• Aplikační poznámka: Výběr nejvhodnější vlnové délky laseru pro vaši Ramanovu aplikaci

Metrohm používá ve svém osvědčeném ručním Raman spektrometru s vlnovou délkou 785 nm MIRA XTR DS, který je vybaven funkcí potlačení fluorescence, vlastní patentovanou metodu. Více informací o tomto jedinečném řešení najdete v našem technickém článku.

• Technický článek: Identifikace materiálu bez fluorescence na vlnové délce 785 nm s přístrojem MIRA XTR DS

3. Jaké informace lze získat z Ramanova spektra?

Píky v Ramanově spektru jsou velmi úzké, což zvyšuje specifičnost a selektivitu. Proto může rozlišit velmi podobné materiály nebo identifikovat cílové analyty ve směsích. Ramanovo spektrum je skvělé pro objasnění struktury molekul, včetně vazeb a nasycení. Jedinečné píky otisku prstu v Ramanově spektru lze použít k rozlišení velmi podobných druhů látek, jako jsou izomery a látky, které se liší jedinou funkční skupinou.

Metrohm: Jedinečné píky otisku prstu lze použít k rozlišení velmi podobných druhů, jako jsou látky, které se liší jedinou funkční skupinou

Ramanova spektroskopie může uživatelům pomoci pozorovat průběh chemické reakce, rozdíly v krystalinitě mezi polymorfy a změny vazebných energií, které vznikají v důsledku působení napětí na materiál.

• Aplikační poznámka: Přenosná Ramanova spektroskopie pro studium polymorfů a sledování polymorfních přechodů

Intenzita v Ramanově spektru je přímo úměrná koncentraci vzorku a lze ji použít i pro kvantitativní analýzu.

• Aplikační poznámka: Kvantitativní analýza polymeru rozpustného ve vodě pomocí spektrometru i-Raman EX

4. Jak číst Ramanovo spektrum?

Ačkoli má Ramanovo spektrum potenciální rozsah 0 - 4000 cm⁻¹, většina aplikací si vystačí s užším spektrálním rozsahem. Oblast otisků prstů 400-1800 cm⁻¹ do značné míry odhaluje molekulární prostředí atomů. To je dostačující pro identifikaci neznámých a ověřování materiálů (viz obrázek níže), přičemž obě tyto činnosti jsou závislé na identitě molekulární struktury.

Metrohm: Oblast otisků prstů do značné míry odhaluje molekulární prostředí atomů

Mimo oblast otisků prstů přispívají jednoduché uhlíkové řetězce a vodíkové vazby k identifikaci materiálu jen málo. Oblast vysokých vlnových délek je však aktivně zkoumána v lékařství pro výzkum rakoviny, problematiku lidského chrupu a biopaliv. Nišové aplikace, jako je krystalová struktura minerálů, gemologie, organokovové materiály a polovodiče, vyžadují informace pod 400 cm⁻¹.