Spettroscopia Raman

La spettroscopia Raman è una tecnica di spettroscopia molecolare che, come la spettroscopia FTIR, sfrutta l'interazione della luce con la materia per ottenere informazioni sulla struttura o sulle caratteristiche di un materiale. Le informazioni fornite dalla spettroscopia Raman si ottengono mediante un processo di diffusione (scattering) della luce, mentre la spettroscopia a infrarossi è basata sull'assorbimento della luce. La spettroscopia Raman fornisce informazioni sulle vibrazioni intra- e intermolecolari e può consentire di comprendere meglio una reazione. La spettroscopia Raman e la spettroscopia FTIR forniscono entrambe uno spettro caratteristico delle specifiche vibrazioni di una molecola (una sorta di "impronta digitale molecolare") e sono utili per identificare una sostanza. Tuttavia, la spettroscopia Raman può fornire ulteriori informazioni sui modi relativi a frequenze inferiori, e generare vibrazioni che consentono di comprendere meglio la struttura della catena dorsale molecolare e del reticolo cristallino. 

La spettroscopia Raman in linea viene utilizzata per monitorare i processi di cristallizzazione e individuarne i meccanismi di reazione e la cinetica. Questi dati, insieme agli strumenti di analisi, consentono di comprendere e ottimizzare le reazioni sulla base delle informazioni ricavate. 

Quando la luce interagisce con le molecole di un gas, di un liquido o di un solido, la maggior parte dei fotoni viene dispersa o diffusa mantenendo la stessa energia dei fotoni incidenti. Questo fenomeno è denominato diffusione elastica o diffusione di Rayleigh. Una quantità molto piccola di questi fotoni, circa 1 fotone su 10 milioni, dopo la diffusione ha una frequenza diversa da quella del fotone incidente. Questo processo è denominato diffusione anelastica, oppure effetto Raman, in onore di Sir C. V. Raman che lo scoprì e per il suo lavoro ricevette nel 1930 il premio Nobel per la fisica. Da allora, la diffusione Raman è stata utilizzata per una vasta gamma di applicazioni che vanno dalla diagnostica medica alla scienza dei materiali e all'analisi delle reazioni. La diffusione Raman consente all'utente di esaminare le caratteristiche vibrazionali specifiche di una molecola e fornisce quindi informazioni sulla sua struttura e su come essa interagisce con le molecole circostanti.

Il processo della diffusione Raman, descritto secondo la meccanica quantistica, consiste in un'interazione dei fotoni con una molecola che può provocare l'eccitazione della molecola stessa a un livello energetico virtuale superiore. Quando la molecola si trova in questo livello energetico superiore possono accadere diverse cose. Una possibilità è che la molecola ricada a un livello energetico vibrazionale diverso da quello iniziale, producendo un fotone con una diversa energia. La differenza tra l'energia del fotone incidente e l'energia del fotone diffuso è denominata Raman shift (o spostamento Raman).

Quando l'energia del fotone diffuso è minore di quella del fotone incidente, il fenomeno prende il nome di diffusione Stokes. Alcune molecole possono trovarsi un uno stato vibrazionale eccitato e, dopo essere salite a un livello energetico virtuale superiore, possono ricadere in un livello energetico finale inferiore a quello corrispondente allo stato eccitato iniziale. Questo tipo di diffusione è denominato anti-Stokes. 

A differenza della spettroscopia FTIR, che si basa sulle variazioni dei momenti di dipolo, la spettroscopia Raman si basa sulle variazioni nella polarizzabilità dei legami molecolari. L'interazione della luce con una molecola può indurre una deformazione della nube elettronica di quest'ultima. Questa deformazione si definisce come variazione della polarizzabilità. I legami molecolari sono caratterizzati da specifiche transizioni energetiche corrispondenti a una variazione della polarizzabilità che genera modi Raman attivi.  Ad esempio, le molecole che contengono legami omonucleari tra atomi, come i legami carbonio-carbonio, zolfo-zolfo e azoto-azoto, subiscono una variazione della polarizzabilità quando i fotoni interagiscono con esse. Questi sono esempi di legami che generano bande spettrali Raman attive, ma che sarebbero invisibili o difficili da vedere con la spettroscopia FTIR.

Poiché l'effetto Raman è intrinsecamente debole, i componenti ottici di uno spettrometro Raman devono essere ben ottimizzati e combinati tra loro. Inoltre, dal momento che le molecole possono avere una maggiore tendenza alla fluorescenza se si utilizzano radiazioni di lunghezza d'onda minori, generalmente si utilizzano sorgenti di eccitazione monocromatiche con lunghezze d'onda maggiori, per esempio diodi laser a stato solido che producono luce con lunghezza d'onda di 785 nm.  

La spettroscopia Raman viene utilizzata a livello industriale per una grande varietà di applicazioni, che comprende:

• Processi di cristallizzazione
• Identificazione di polimorfismi
• Reazioni di polimerizzazione
• Reazioni di idrogenazione
• Sintesi chimica
• Biocatalisi e catalisi enzimatica
• Chimica a flusso
• Monitoraggio di bioprocessi
• Reazioni di sintesi

Nonostante la spettroscopia Raman e la spettroscopia FTIR forniscano informazioni complementari e siano spesso intercambiabili, esistono alcune differenze di carattere pratico che fanno sì che per uno specifico esperimento una delle due possa rappresentare la scelta ottimale. La maggior parte delle simmetrie molecolari genera un'attività sia con Raman che con infrarossi (IR). Un caso particolare è quello di una molecola che contiene un centro di inversione: le bande Raman e le bande IR si escludono a vicenda, ovvero il legame sarà Raman attivo oppure IR attivo, ma non potrà essere attivo per entrambe le tecniche. Una regola generale è questa: i gruppi funzionali con grandi variazioni nei dipoli sono ben visibili con la spettroscopia IR, mentre i gruppi funzionali con variazioni dei dipoli deboli o con un grado di simmetria elevato sono più visibili con la spettroscopia Raman.

È bene scegliere la spettroscopia Raman se:

• L'obiettivo principale è studiare i legami del carbonio in anelli aromatici e alifatici
• Sono presenti legami difficili da vedere con la spettroscopia FTIR (ad esempio O-O, S-H, C=S, N=N, C=C ecc.)
• È importante esaminare le particelle in soluzione, ad esempio polimorfismo
• Sono importanti i modi a frequenze inferiori (ad esempio ossidi inorganici) 
• Si desidera studiare reazioni in mezzi acquosi
• Si studiano reazioni che possono essere studiate in modo più semplice e sicuro utilizzando una finestra di reazione (ad esempio reazioni catalitiche ad alta pressione, polimerizzazioni)
• Si desidera studiare i modi di reticolo a frequenze inferiori
• Si studiano l'innesco, il punto finale e la stabilità dei prodotti di reazioni bifasiche e colloidali

È bene scegliere la spettroscopia FTIR se:

• Si studiano reazioni in fase liquida
• Si studiano reazioni con reattanti, reagenti, solventi e specie reattive fluorescenti
• Sono importanti i legami con variazioni di dipolo significative (ad esempio C=O, O-H, N=O)
• Si studiano reazioni in cui i reagenti e i reattanti sono a basse concentrazioni
• Si studiano reazioni in cui le bande del solvente sono ben visibili con la spettroscopia Raman e possono impedire di vedere il segnale delle specie rilevanti
• Si studiano reazioni in cui si formano intermedi IR attivi

La spettroscopia Raman offre numerosi vantaggi. Poiché gli strumenti per spettroscopia Raman utilizzano laser nella regione del visibile, è possibile utilizzare cavi flessibili in fibra ottica al silicio per eccitare il campione e raccogliere la radiazione diffusa: se necessario questi cavi possono essere decisamente lunghi. Dal momento che si utilizza la luce visibile, si possono collocare i campioni su supporti di vetro o quarzo. Questo significa che, quando si studiano le reazioni chimiche, è possibile inserire la sonda dello spettrometro Raman in una reazione oppure acquisire gli spettri di diffusione Raman attraverso una finestra, ad esempio in un loop di campioni di reazione o in una cella di flusso esterni. Quest'ultimo approccio elimina la possibilità di una contaminazione del flusso di campione. La possibilità di utilizzare finestre in quarzo o zaffiro di alta qualità consente di acquisire gli spettri della diffusione Raman di reazioni catalitiche utilizzando celle ad alta pressione. Nello studio dei catalizzatori, utilizzare una tecnica spettroscopica basata sull'effetto Raman è piuttosto utile per studiare in situ reazioni su superfici catalitiche in tempo reale. Un altro vantaggio offerto dalla spettroscopia Raman è dato dal fatto che i legami del gruppo idrossile non sono particolarmente Raman attivi: l'analisi mediante spettroscopia Raman in mezzi acquosi è quindi più semplice. La spettroscopia Raman è considerata non distruttiva, anche se alcuni campioni possono subire gli effetti della radiazione laser. Quando si sceglie la tecnica da utilizzare è necessario tenere conto dell'eventuale grado di fluorescenza del campione specifico. La diffusione Raman è un fenomeno debole e la fluorescenza può sovrastare il segnale complicando la raccolta di dati di buona qualità. Spesso è possibile attenuare questo problema utilizzando una sorgente di eccitazione con lunghezza d'onda maggiore.

Per quanto riguarda l'analisi delle reazioni, la spettroscopia Raman è sensibile a molti gruppi funzionali ma è straordinaria per ottenere informazioni sulla catena dorsale molecolare, poiché è in grado di fornire una vera e propria impronta digitale della molecola. Siccome la spettroscopia Raman utilizza la polarizzabilità dei legami ed è in grado di misurare le frequenze inferiori, è sensibile alle vibrazioni del reticolo cristallino e può fornire all'utente informazioni sul polimorfismo che è difficile ottenere mediante la spettroscopia FTIR. Grazie a questa caratteristica la spettroscopia Raman è efficace per studiare la cristallizzazione e altri processi complessi. 

Uno spettrometro Raman compatto e moderno è costituito da diversi componenti fondamentali, tra i quali un laser utilizzato come sorgente di eccitazione per provocare la diffusione Raman. Tipicamente, negli strumenti per spettroscopia Raman moderni si utilizzano laser a stato solido, le cui lunghezze d'onda più popolari sono 532 nm, 785 nm, 830 nm e 1064 nm. I laser con lunghezze d'onda inferiori hanno sezioni d'urto maggiori per la diffusione Raman, quindi danno luogo a segnali più elevati, tuttavia utilizzando lunghezze d'onda inferiori aumenta anche l'insorgenza della fluorescenza. Per questo motivo molti sistemi per spettroscopia Raman utilizzano laser da 785 nm. L'energia del laser viene trasmessa al campione e raccolta mediante cavi in fibra ottica. Per eliminare la diffusione Rayleigh e anti-Stokes si utilizza un filtro edge o un filtro elimina banda (notch), la luce restante, che ha subito diffusione Stokes, viene fatta passare attraverso un elemento di dispersione, in genere un reticolo olografico. Un rilevatore CCD (ad accoppiamento di carica) cattura quindi la luce, producendo lo spettro della diffusione Raman. Poiché la diffusione Raman fornisce un segnale debole, è fondamentale che i componenti dello spettrometro Raman siano di qualità elevata e ben combinati tra loro dal punto di vista dell'ottica. 

Quando lo spettro viene acquisito in modo costante nel corso di un esperimento può essere esaminato come un “filmato molecolare” che fornisce informazioni fondamentali sulla cinetica, sui meccanismi e sulle variazioni della forma che caratterizzano una reazione. In passato questa analisi veniva eseguita da spettroscopisti esperti nell'individuazione delle aree di interesse fondamentali e nella creazione dei trend temporali di questi numeri d'onda. I progressi in ambito informatico (come la funzione “Find Trends” presente nel software iC Raman 7) hanno tuttavia permesso di automatizzare queste competenze per consentire sia agli esperti sia ai meno esperti di estrarre facilmente e velocemente le informazioni fondamentali per prendere decisioni con sicurezza e rapidità.

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