Raman-spredning

Raman-spredning, almindeligvis omtalt som Raman-effekten, er et optisk fænomen, hvor interaktionen mellem indkommende excitationslys og en prøve genererer spredt lys. Energien af det spredte lys reduceres af vibrationstilstandene for de kemiske bindinger, der er til stede i prøven.

Når lys fra en laser (enkelt frekvens) kommer i kontakt med en prøve, ændrer det polarisationen af molekylets elektronsky, hvilket efterlader molekylet i en midlertidig, højere virtuel energitilstand. Denne virtuelle tilstand er kortvarig, og den genudsendte energi frigives som spredt lys.

Det spredte lys kan være:

• Elastisk (Rayleigh Scattering), den frigivne energi er på samme frekvens som den indfaldende stråling; eller 
• Uelastisk (Raman-spredning) er energifrigivelsen ved en højere eller lavere frekvens end den indfaldende stråling

Raman-spredningsprocessen, som beskrevet af kvantemekanikken, er, når fotoner interagerer med et molekyle, og molekylet kan bringes frem til en højere energi, virtuel tilstand. Fra denne højere energitilstand kan der være et par forskellige resultater. Et sådant resultat ville være, at molekylet slapper af til et vibrationsenerginiveau, der er anderledes end dets begyndelsestilstand, og producerer en foton med forskellig energi. Forskellen mellem energien fra den indfaldende foton og energien fra den spredte foton kaldes Raman-forskydningen.

Når energiændringen af den spredte foton er mindre end den indfaldende foton, kaldes spredningen Stokes-spredning. Nogle molekyler kan begynde i en vibrationsexciteret tilstand, og når de er avanceret til den højere energiske virtuelle tilstand, kan de slappe af til en endelig energitilstand, der er lavere end den oprindelige exciterede tilstand. Denne spredning kaldes anti-Stokes. 

Afhængigt af applikationen er der forskellige Raman-spredningsmetoder at vælge imellem. Hver metode har specifikke fordele og ulemper i forhold til andre. Derudover kan ikke alle disse Raman-spredningsmetoder udføres på et enkelt Raman-spektrometer. Disse metoder kræver en specifik opsætning, der spænder fra en relativt simpel instrumentkonfiguration til en moderat pris til ret kompliceret og dyrt udstyr. Men for at opnå realtids, in-situ reaktionsforståelse og procesoptimering kan en af følgende Raman-spredningsmetoder være den eneste måde at gøre det på:

• Stimuleret Raman-spredning (SRS)
• Overfladeforbedret Raman-spredning (SERS)
• Sammenhængende anti-Stokes Raman-spredning (CARS)

De fleste fotoner spredes elastisk, når de interagerer med et molekyle. En lille brøkdel (ca. 1 ud af 10 millioner fotoner) er uelastisk spredt med frekvenser, der adskiller sig fra og normalt har en lavere frekvens end de indfaldende fotoner. De elastisk spredte fotoner omtales som Rayleigh-spredning og har ingen analytisk værdi. De uelastisk spredte fotoner omtales som Raman-spredning.

C.V. Raman viste, at energien fra fotoner, der spredes uelastisk, fungerer som et 'fingeraftryk' for det stof, der spreder lyset. Som et resultat er Raman-spektroskopi nu almindeligt anvendt i kemiske laboratorier og processer til at identificere stort set ethvert materiale.

Et energiniveaudiagram i figuren illustrerer Raman-spredningen, hvor udgangstilstanden typisk er jordvibrationsniveautilstanden (v0) og den endelige tilstand (v1). Raman-spredning kræver to trin for et molekyle til Raman-spredning:

1. Fotonenergier, der exciterer molekylet til en virtuel energitilstand 
2. Molekylet slapper af (Raman spredes) til en forhøjet grundtilstand (f.eks. v1)

Rayleigh-spredning, også kaldet elastisk spredning, opstår, hvis excitationsfrekvensen er lig med den spredte stråling som vist i fig. 1 (E1=E2). Rayleigh-spredning giver ingen information om et molekyles kemiske sammensætning.

Stokes-spredning, også kendt som uelastisk spredning, opstår, hvis molekylet har en nettoændring i vibrationsenergi som vist på højre side af figuren (E1>E2). I modsætning til Rayleigh-spredning giver Stokes-spredning information om den kemiske sammensætning af et molekyle.

Krystalpolymorfi: Polymorfi opstår, når et molekyle er i stand til at eksistere i mere end én krystallinsk tilstand. Mange krystallinske materialer kan danne forskellige polymorfer for at minimere deres krystalgitterenergi under specifikke termodynamiske forhold. Mens den kemiske natur forbliver den samme, er fysiske egenskaber (opløselighed, opløsning, kimdannelse og vækstkinetik, biotilgængelighed, morfologi og isolationsegenskaber) kan variere mellem polymorfer. Raman-spektroskopi er ideel til at registrere forskellene i former og til at måle formerne, samtidig med at krystallisationsprocessen optimeres. 

Polymerisation:  Raman-spektroskopi har en tendens til at give et stærkere signal (end IR) fra den molekylære rygrad, især dobbelte og tredobbelte kulstofbindinger.Af  denne grund kan Raman være et bedre valg til at identificere polymerer og overvåge polymerisationsreaktioner. Ekstruderingskemi, mikrostrukturanalyse under polymerisation og beregninger af polyethylendensitet (LDPE/HDPE) er blot nogle få praktiske anvendelser, hvor Raman-spektroskopi anvendes.

Kemisk syntese: In-situ Raman-spektroskopi er en nyttig teknik til at overvåge vigtige reaktionsvariabler for kemiske synteser, hvor infrarød spektroskopi muligvis ikke er så følsom (f.eks. silikone, thiol, disulfid osv.). Nøglereaktionsvariabler såsom initiering, endepunkt, kinetik, forbigående mellemprodukter og mekanistisk information er vitale aspekter at kende og fuldt ud karakterisere for at sikre en sikker og robust procesudviklingsmetode.

Raman-spektroskopi er en spredningsform for molekylær spektroskopi og sammenlignes ofte med IR-spektroskopi, fordi begge giver information om molekylers struktur og egenskaber fra deres vibrationsovergange. I modsætning til Raman er IR-spektroskopi en absorptionsteknik, der opstår, når frekvensen af indkommende lys er lig med vibrationsfrekvensen af en bestemt vibrationstilstand af molekylet, som gør det muligt for fotonen at blive absorberet (ikke spredt). Dette er en enkelt fotonbegivenhed i forhold til molekylets dipolmoment.

Disse molekylær-specifikke overgange, for både IR og Raman, når de plottes som et spektrum , giver et unikt mønster eller fingeraftryk for den forbindelse , der undersøges . På grund af et molekyles symmetriegenskaber kan vibrationer, der ses i Raman-spektret, muligvis ikke ses (eller svagt observeres) i IR-spektret  og omvendt, når man forhører asymmetriske molekyler. Denne adfærd er opsummeret i de udvælgelsesregler, der styrer disse typer interaktioner.Baseret på den lignende, men unikke, molekylære information opnået ved hjælp af disse teknikker anses Raman og IR for at være komplementære teknologier.

En laser fungerer som excitationskilden til at forårsage Raman-spredningen i et moderne Raman-spektrometer, som har flere grundlæggende dele. Fiberoptiske kabler bruges til både at sende og modtage laserenergien fra prøven. Rayleigh- og anti-Stokes-spredning fjernes med et hak eller kantfilter, og det lys, der stadig spredes af Stokes, sendes derefter til et spredningselement, normalt et holografisk gitter. Lyset fanges derefter af en CCD-detektor, som producerer Raman-spektret. Det er afgørende , at højkvalitets, optisk velafstemte komponenter anvendes i Raman-spektrometeret , da Raman-spredning producerer et svagt signal.

Succesen med Raman-spektroskopi kommer fra følgende:

• Brugen af meget kompakte og stabile diodelasere til excitation

• Miniaturiserede spektrometre med lavt strølys

• Fremskridt inden for design og fremstilling af effektive og præcise optiske filtre til at vælge og isolere Raman-spredningen fra laserbølgelængden (Rayleigh-spredning )

• Højtydende CCD-arrays til at detektere og behandle det svage Raman-spredte signal.  

Disse funktioner bidrager til den instrumentering, der har bragt Raman til bred accept i analytiske og procesudviklingslaboratorier.

Et Raman-spektrometer kan kombineres med en automatiseret laboratoriereaktor for at give en unik og automatiseret arbejdsstation til krystalliserings - og polymorfe-undersøgelser, hvilket sparer værdifuld tid og ressourcer. Datadeling mellem systemerne giver et omfattende overblik og rapport om væsentlige hændelser (såsom dosering, termiske ændringer, begyndelsen af polymorf overgang, afslutning af overgangen osv.) alt sammen i et enkelt eksperiment.

Fra dataindsamling til analyse bringer ReactRaman™ med iC Raman™ kompositionsanalyse til hvert laboratorium. Automatiseret parametervalg giver nøjagtig dataindsamling , hvilket gør det muligt for forskere at få sikre resultater. Rigtigt første gang, hver gang, i enhver proces med hver bruger.

Kompakt ydeevne
Klassens førende ydeevne med fremragende stabilitet og følsomhed i en kompakt, stabelbar pakke. Udrulning kan være hvor som helst i laboratoriet til batch eller flow. Et enkelt robust stik giver indbygget sikkerhed og sikrer justering for bekymringsfri målinger.

Eksperimenter med mange oplysninger
Dataindsamling og -analyse er hurtig og nem med branchestandarden iC Software til reaktionsanalyse. iC Software inkorporerer problemfrit flere ortogonale datastrømme for at forbinde procesvariabler, der driver en omfattende procesforståelse.

Delt ekspertise
Tusindvis af PAT-installationer rundt om i verden og fire årtiers erfaring er indbygget i ReactRaman 802L. Vores globale ekspertsupportteam er forpligtet til at sikre brugernes succes gennem træning og applikationsudvikling, personligt eller virtuelt, når det er nødvendigt.