Ramanova spektroskopie

Ramanova spektroskopie je molekulová spektroskopická technika, která podobně jako FTIR využívá interakci světla s hmotou k získání poznatků o struktuře nebo vlastnostech materiálů. Informace poskytnuté Ramanovým spektroskopem jsou výsledkem rozptylu světla, zatímco infračervená spektroskopie se spoléhá na jeho absorpci. Ramanova spektroskopie poskytuje informace o vnitromolekulárních a mezimolekulárních vibracích a může přinést doplňující poznatky o reakci. Ramanova i FTIR spektroskopie poskytují spektrální charakteristiku specifických vibrací molekuly („molekulární otisk“), která představuje cennou informaci pro identifikaci látky. Nicméně Ramanova spektroskopie dokáže poskytnout navíc i doplňující informace o módech za nižších frekvencí a o vibracích, a tak získat i informace o krystalické mřížce a páteřní struktuře molekuly. 

In-line Ramanova spektroskopie se používá ke sledování krystalizačních procesů a odhaluje mechanismus i kinetiku reakce. Ve spojení s analytickými nástroji takto získaná data a informace umožňují pochopit a optimalizovat reakci. 

Při interakci světla s molekulami v plynu, kapalině či pevné látce se většina fotonů rozptýlí se stejnou energií jako dopadající fotony. Tento jev je popsán jako pružný neboli Rayleighův rozptyl. Malé množství těchto fotonů, přibližně 1 foton z 10 milionů, se rozptýlí při odlišné frekvenci, než je frekvence dopadajícího fotonu. Tento proces se nazývá neelastický rozptyl neboli Ramanův jev, pojmenovaný po Siru C. V. Ramanovi, který jej objevil a který za svoji práci získal v roce 1930 Nobelovu cenu za fyziku. Od té doby se Ramanův jev využívá pro v rozsáhlé škále aplikací, od lékařské diagnostiky po nauku o materiálech a reakční analýzu. Ramanův jev umožňuje získat vibrační signaturu molekuly, a tak poznat její strukturu a způsob její interakce s ostatními molekulami v okolí.

Proces Ramanova rozptylu, popsaný kvantovou mechanikou, spočívá v interakci fotonů s molekulou, přičemž molekula může přejít do vyššího energetického, virtuálního stavu. Tento vyšší energetický stav může mít několik různých výsledků. Jedním z nich může být uvolňování molekuly na energetickou vibrační hladinu odlišnou od jejího počátečního stavu, která je odlišná od jejího počátečního stavu a která vytváří fotony s odlišnou energií. Rozdíl mezi energií dopadajícího fotonu a energií rozptýleného fotonu se nazývá Ramanův posun.

Je-li změna energie rozptýleného fotonu nižší než u dopadajícího fotonu, rozptyl se označuje jako Stokesův rozptyl. Některé molekuly se ve vibračně excitovaném stavu a při přechodu na vyšší energetický virtuální stav mohou uvolňovat do konečného energetického stavu, který je nižší, než byl počáteční excitovaný stav. V takovém případě se jedná o anti-Stokesův rozptyl. 

Na rozdíl od FTIR spektroskopie, která sleduje změny dipólových momentů, Ramanova spektroskopie sleduje změny polarizovatelnosti molekulárních vazeb. Interakce světla s molekulou může způsobit deformaci jejího elektronového mraku. Tato deformace je známa jako změna polarizovatelnosti. Molekulární vazby disponují specifickými přenosy energie, při nichž dochází ke změně polarizovatelnosti, čímž vzniká Ramanův aktivní mód.  Například u molekul, které obsahují vazby mezi homonukleárními atomy, jako jsou například uhlík-uhlík, síra-síra a vazby dusík-dusík, nastává změna polarizovatelnosti při interakci molekul s fotony. Jedná se o příklady vazeb, které způsobují vytvoření Ramanových aktivních spektrálních pásem, která by při FTIR spektroskopii byla neviditelná nebo jen obtížně pozorovatelná.

Jelikož Ramanův jev je ze své podstaty velmi slabý, je třeba optické součásti Ramanova spektrometru velmi pečlivě nastavit a optimalizovat. Vzhledem k tomu, že organické molekuly mohou mít při použití záření s kratší vlnovou délkou větší tendenci k fluorescenci, používají se zpravidla monochromatické excitační zdroje s delší vlnovou délkou, jako jsou laserové diody v pevné fázi s vlnovou délkou 785 nm.  

Ramanova spektroskopie se v průmyslu uplatňuje v mnoha různých aplikacích, mezi které se například řadí:

• krystalizační procesy,
• identifikace polymorfismu,
• polymerační reakce,
• hydrogenační reakce,
• chemická syntéza,
• biokatalýza a enzymatická katalýza,
• chemie toku,
• sledování biologických procesů,
• reakce s využitím syntézy.

Ačkoli se Ramanova a FTIR spektroskopie vzájemně doplňují a lze je často i zaměnit, existuje několik praktických rozdílů, které ovlivňují rozhodnutí, která z těchto technik bude vhodnější z hlediska požadavků konkrétního experimentu. Většina symetrií molekul umožňuje Ramanovu i IČ aktivitu. Zvláštním případem je situace, kdy molekula obsahuje střed inverze. V molekule, která obsahuje střed inverze, se Ramanova a infračervená pásma vzájemně vylučují, což znamená, že vazba bude buď Raman aktivní, nebo IR aktivní, ale nikdy obojí současně. Obecně platí, že funkční skupiny s velkými změnami v dipólech se silně projeví v IČ spektru, zatímco skupiny se slabými změnami dipólu nebo skupiny, které vykazují vysoký stupeň symetrie, budou lépe viditelné v Ramanově spektru.

Ramanovu spektroskopii zvolte v těchto případech:

• je-li primárním zájmem zkoumání vazeb uhlíku v alifatických a aromatických kruzích,
• jsou-li vazby obtížně pozorovatelné pomocí FTIR spektrometru (tj. 0-0, S-H, C=S, N=N, C=C apod.),
• je-li důležité zkoumání částic v roztoku, například polymorfismus,
• jsou-li důležité nižší frekvenční módy (např. oxidy anorganických látek), 
• zkoumáte-li reakce ve vodných médiích,
• reakce, u kterých je pozorování průzorem snazší a bezpečnější (např. katalytické reakce při vysokém tlaku, polymerizace),
• je-li předmětem zájmu zkoumání módů mřížky při nižších frekvencích,
• zkoumání zahájení reakce a koncového bodu reakce, jakož i stability produktu v bifázových a koloidních reakcích.

FTIR spektroskopii zvolte v těchto případech:

• zkoumání reakcí v kapalné fázi,
• reakce, při kterých reaktanty, reagenty, rozpouštědla a reakční složky fluoreskují,
• jsou-li důležité vazby se silnými změnami dipólu (např. C=O, O-H, N=O),
• reakce, při nichž se reagenty a reaktanty vyznačují nízkou koncentrací,
• reakce, při nichž se v Ramanově spektru vyskytují silná pásma rozpouštědel, jež mohou pohltit signál klíčových složek,
• reakce, při nichž jsou vznikající meziprodukty aktivní v IČ spektru.

Ramanova spektroskopie nabízí četné výhody. Ramanovy přístroje používají lasery v oblasti viditelného spektra, takže k excitaci vzorku a sběru světla rozptýleného záření lze použít ohebné kabely s křemenným optickým vláknem, které mohou být v případě potřeby i značně dlouhé. Jelikož se při měření používá viditelné světlo, lze k uložení vzorků použít kyvety ze skla nebo křemenného skla. To znamená, že při zkoumání chemických reakcí lze Ramanovu sondu vsunout přímo do reakce nebo lze Ramanova spektra získávat přes průzor, např. v externí reakční vzorkovací smyčce nebo průtočné cele. Tento druhý přístup vylučuje možnost kontaminace proudu vzorku. Možnost použití křemenného nebo vysoce jakostního safírového skla na průzor znamená, že pro získání Ramanova spektra katalytických reakcí lze použít vysokotlaké cely. Při studiu katalyzátorů je operando spektroskopie využívající Ramanův jev užitečná při in-situ zkoumání reakcí na katalytickém povrchu v reálném čase. Další výhoda Ramanovy metody spočívá ve skutečnosti, že hydroxylové vazby nejsou obzvláště Raman aktivní, takže použití Ramanovy spektroskopie ve vodných médiích je velmi přímočaré. Ramanova spektroskopie je považována za nedestruktivní metodu, ačkoli některé vzorky mohou být ovlivněny laserovým zářením. Jedním z hledisek, která je třeba při volbě této techniky zvážit, je míra fluorescence konkrétního vzorku. Ramanův rozptyl je slabý jev a fluorescence může signál pohltit, což znesnadňuje shromažďování kvalitních dat. Tento nedostatek lze často zmírnit použitím excitačního zdroje s delší vlnovou délkou.

Co se týče reakční analýzy, Ramanova spektroskopie je citlivá vůči mnoha funkčním skupinám, avšak je zcela výjimečná při získávání informací o páteřní struktuře molekul tím, že poskytuje jedinečný „otisk prstu“ každé molekuly. Ramanova technika používá polarizovatelnost vazeb a dokáže měřit nízké frekvence, a je tudíž citlivá na vibrace krystalové mřížky a poskytuje informace o polymorfismu, které lze metodou FTIR získat jen obtížně. To umožňuje velmi účinné využití Ramanovy spektroskopie ke zkoumání krystalizace a dalších komplexních procesů. 

Moderní a kompaktní Ramanův spektrometr se skládá z několika základních součástí, mimo jiné i laseru, který slouží jako excitační zdroj k vyvolání Ramanova rozptylu. V moderních Ramanových spektrometrech se zpravidla používají lasery v pevné fázi s obvyklými vlnovými délkami 532 nm, 785 nm, 830 nm a 1 064 nm. Lasery s kratší vlnovou délkou se vyznačují vyšším průřezem Ramanova rozptylu, takže výsledný signál je větší, ovšem současně se zvyšuje i výskyt fluorescence v kratších vlnových délkách. Proto je mnoho Ramanových systémů vybaveno laserem s vlnovou délkou 785 nm. Energie laseru se přenáší na vzorek a ze vzorku je odebírána optickými kabely. K odstranění Rayleighova a anti-Stokesova rozptylu se používá pásmová zádrž nebo hranový filtr a zbývající Stokesovo rozptýlené světlo se přenáší na rozptylový prvek, kterým je zpravidla holografická mřížka. CCD detektor zachytí světlo a výsledkem je Ramanovo spektrum. Jelikož Ramanův rozptyl přináší pouze slabý signál, je mimořádně důležité, aby v Ramanově spektrometru byly použity vysoce kvalitní a opticky dobře sestavené součásti. 

Při nepřetržitém shromažďování dat spektra během experimentu dokáže vytvořit „molekulovou videosekvenci“, která poskytuje klíčové informace o kinetice, mechanismu a změnách forem v průběhu reakce. Tuto na spektroskopech dříve prováděli laboranti s odbornými znalostmi z hledání klíčových zájmových oblastí a zpracování trendů těchto vlnových čísel v průběhu času. Pokrok v programování softwaru (jako je například funkce „Najít trendy“ v softwaru iC Raman 7) nyní umožňuje celý proces automatizovat tak, aby získat klíčové informace pro účely rychlého a jistého rozhodování dokázali odborníci i laici.

Výkon v kompaktním provedení. Spektroskop ReactRaman představuje spojení nejvyššího výkonu ve své třídě a flexibilní konstrukce. Spektrometr je kompaktní, lehký a termostabilní a poskytuje špičkové výsledky právě tam, kde potřebujete.

Rychlé a přesné výsledky. Díky optimalizaci pro in situ monitoring dokáže spektrometr ReactRaman poskytovat přesná a citlivá spektra, která lze snadno převést na výsledky prostřednictvím funkce One Click Analytics™ v softwaru iC Raman 7.

Integrovaná platforma. Možnost propojení s Mid-IR, charakterizací částic a automatickými chemickými reaktory pro komplexní pochopení a kontrolu.

Sdílení odborných znalostí. Díky více než 30 letům zkušeností v oblasti reakční analýzy můžeme vyvíjet vysoce výkonná řešení, aby vědci mohli řešit složité otázky v oboru chemie.

ReactRaman spektroskopie je součástí skupiny integrovaných produktů, mezi které se řadí:

• ReactIR in situ FTIR spektrometr,
• systémy ParticleTrack a ParticleView pro in-line charakterizaci částic,
• reaktory pro chemickou syntézu EasyMax, OptiMax a RX-10,
• Automatický podavač EasySampler pro automatický in-line odběr vzorků.

Tyto přístroje jsou navrženy se zvláštním ohledem na potřeby vývoje chemických procesů. Plně spolupracují se softwarovou platformou iC a umožňují komplexně pochopit a kontrolovat chemické procesy.