Ramanova spektroskopija

Ramanova spektroskopija je molekularna spektroskopska tehnika koja koristi interakciju svjetlosti s materijom kako bi stekla uvid u sastav ili karakteristike materijala, poput FTIR-a. Informacije dobivene Ramanovom spektroskopijom rezultat su procesa disperzije svjetlosti, dok se IR spektroskopija oslanja na apsorpciju svjetlosti. Ramanova spektroskopija daje informacije o unutar- i međumolekularnim vibracijama i može pružiti dodatno razumijevanje reakcije. I Ramanova i FTIR spektroskopija pružaju spektar karakterističan za specifične vibracije molekule ("molekularni otisak prsta") i vrijedni su za identifikaciju tvari. Međutim, Ramanova spektroskopija može dati dodatne informacije o načinima rada niže frekvencije i vibracijama koje daju uvid u kristalnu rešetku i strukturu molekularne okosnice. 

Inline Ramanova spektroskopija koristi se za praćenje procesa kristalizacije i otkrivanje reakcijskih mehanizama i kinetike. U kombinaciji s alatima za analizu, ovi podaci omogućuju informirano razumijevanje i optimizaciju reakcije. 

Kada svjetlost stupi u interakciju s molekulama u plinu, tekućini ili krutini, velika većina fotona se raspršuje na istoj energiji kao i upadni fotoni. To se opisuje kao elastično ili Rayleighovo raspršenje. Mali broj ovih fotona, otprilike 1 foton na 10 milijuna, raspršit će se na različitoj frekvenciji od upadnog fotona. Taj se proces naziva neelastično raspršenje ili Raman efekt, nazvan po Sir C.V. Ramanu koji je to otkrio i za svoj rad dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1930. godine. Od tada se Raman koristi za širok spektar primjena, od medicinske dijagnostike do znanosti o materijalima i analize reakcija. Raman omogućuje korisniku prikupljanje vibracijskog potpisa molekule, dajući uvid u to kako je sastavljena, kao i kako komunicira s drugim molekulama oko sebe.

Saznajte više o Ramanovom raspršivanju.

Za razliku od FTIR spektroskopije koja promatra promjene u dipolnim momentima, Raman promatra promjene u polarizaciji molekularnih veza. Interakcija svjetlosti s molekulom može izazvati deformaciju njenog oblaka elektrona. Ova deformacija poznata je kao promjena polarizacije. Molekularne veze imaju specifične energetske prijelaze u kojima dolazi do promjene polarizacije, što dovodi do Ramanovih aktivnih modova.  Na primjer, molekule koje sadrže veze između homonuklearnih atoma kao što su veze ugljik-ugljik, sumpor-sumpor i dušik-dušik prolaze kroz promjenu polarizacije kada fotoni stupaju u interakciju s njima. Ovo su primjeri veza koje dovode do Ramanovih aktivnih spektralnih pojaseva, ali ih ne bi bilo vidjeti ili ih je teško vidjeti u FTIR-u.

Budući da je Raman sam po sebi slab učinak, optičke komponente Ramanovog spektrometra moraju biti dobro usklađene i optimizirane. Također, budući da organske molekule mogu imati veću tendenciju fluorescencije kada se koristi zračenje kraće valne duljine, obično se koriste monokromatski izvori pobude dulje valne duljine, kao što su laserske diode u čvrstom stanju koje proizvode svjetlost na 785 nm.

Ramanova spektroskopija koristi se u industriji za razne primjene, uključujući:

• Procesi kristalizacije 
• Identifikacija polimorfizma
• Reakcije polimerizacije
• Reakcije hidrogenacije
• Kemijska sinteza
• Biokataliza i enzimska kataliza
• Kemija protoka
• Praćenje bioprocesa
• Reakcije sinteze
• Kvaliteta po dizajnu

Iako Ramanova i FTIR spektroskopija daju besplatne informacije i često su međusobno zamjenjive, postoje neke praktične razlike koje utječu na to koja će biti optimalna za određeni eksperiment. Većina molekularne simetrije omogućit će i Ramanovu i IR aktivnost. Jedan poseban slučaj je ako molekula sadrži centar inverzije. U molekuli koja sadrži centar inverzije, Ramanove i IR trake međusobno se isključuju, tj. veza će ili biti Ramanova aktivna ili će biti IR aktivna, ali neće biti oboje. Jedno opće pravilo je da su funkcionalne skupine koje imaju velike promjene u dipolima jake u IR, dok će funkcionalne skupine koje imaju slabe promjene dipola ili imaju visok stupanj simetrije biti bolje vidljive u Ramanovim spektrima.

Odaberite Ramanovu spektroskopiju u sljedećim slučajevima:

• Istraživanje ugljikovih veza u alifatskim i aromatskim prstenovima od primarnog je interesa
• Veze koje je teško vidjeti u FTIR-u (tj. 0-0, S-H, C=S, N=N, C=C itd.)
• Važno je ispitivanje čestica u otopini, npr. polimorfizam
• Važni su načini niže frekvencije (npr. anorganski oksidi) 
• Istražuju se reakcije u vodenom mediju
• Reakcije u kojima je promatranje kroz reakcijski prozor lakše i sigurnije (npr. visokotlačne katalitičke reakcije, polimerizacije)
• Istraživanje načina rada rešetke niže frekvencije je od interesa
• Istraživanje inicijacije reakcije, krajnje točke i stabilnosti proizvoda dvofaznih i koloidnih reakcija

Odaberite FTIR spektroskopiju kada:

• Proučavanje reakcija u tekućoj fazi
• Reakcije u kojima reaktanti, reagensi, otapala i reakcijske vrste fluoresciraju
• Važne su veze sa snažnim promjenama dipola (npr. C=O, O-H, N=O)
• Reakcije u kojima su reagensi i reaktanti u niskoj koncentraciji
• Reakcije u kojima su trake otapala jake u Ramanu i mogu preplaviti signal ključnih vrsta
• Reakcije u kojima su intermedijeri koji nastaju IR aktivni

Ramanova spektroskopija nudi brojne prednosti. Budući da Ramanovi instrumenti koriste lasere u vidljivom području, fleksibilni kabeli od silicijevih vlakana mogu se koristiti za pobuđivanje uzorka i prikupljanje raspršenog zračenja, a ti kabeli mogu biti prilično dugi ako je potrebno. Budući da se koristi vidljiva svjetlost, staklo ili kvarc mogu se koristiti za držanje uzoraka. U proučavanju kemijskih reakcija, to znači da se Ramanova sonda može umetnuti u reakciju ili može prikupiti Ramanove spektre kroz prozor, na primjer u vanjskoj petlji uzorka reakcije ili protočnoj ćeliji. Potonji pristup eliminira mogućnost kontaminacije toka uzoraka. Mogućnost korištenja kvarca ili safira visokog stupnja kao materijala za prozore znači da se stanice visokog tlaka mogu koristiti za stjecanje Ramanovih spektara katalitičkih reakcija. U proučavanju katalizatora, operando spektroskopija pomoću Ramanovog efekta vrlo je korisna za proučavanje in situ, reakcija u stvarnom vremenu na katalitičkim površinama. Još jedna prednost Ramana je ta što hidroksilne veze nisu osobito aktivne, što Ramanovu spektroskopiju u vodenim medijima čini jednostavnom. Ramanova spektroskopija smatra se nedestruktivnom, iako neki uzorci mogu biti pod utjecajem laserskog zračenja. Jedno od razmatranja koje treba uzeti u obzir pri odabiru ove tehnike je koliko određeni uzorak može biti fluorescentan. Ramanovo raspršenje je slaba pojava, a fluorescencija može preplaviti signal što otežava prikupljanje kvalitetnih podataka. Ovaj se problem često može ublažiti korištenjem izvora pobude dulje valne duljine.

Što se tiče analize reakcija, Ramanova spektroskopija osjetljiva je na mnoge funkcionalne skupine, ali je iznimna pri dobivanju informacija o molekularnoj okosnici, pružajući vlastiti jedinstveni molekularni otisak prsta. Budući da Raman koristi polarizaciju veza i ima potencijal za mjerenje niže frekvencije, osjetljiv je na vibracije kristalne rešetke koje korisniku daju polimorfne informacije koje FTIR može biti teško dobiti. To omogućava da se Raman vrlo efikasno koristi za proučavanje kristalizacije i drugih složenih procesa. 

Suvremeni, kompaktni Ramanov spektrometar sastoji se od nekoliko osnovnih komponenti, uključujući laser koji služi kao izvor pobude za induciranje Ramanovog raspršenja. Obično se laseri u čvrstom stanju koriste u modernim Ramanovim instrumentima s popularnim valnim duljinama od 532 nm, 785 nm, 830 nm i 1064 nm. Laseri kraće valne duljine imaju veće presjeke Ramanovog raspršenja pa je rezultirajući signal veći, međutim učestalost fluorescencije također se povećava pri kraćim valnim duljinama. Iz tog razloga, mnogi Ramanovi sustavi imaju laser od 785 nm. Laserska energija se prenosi na uzorak i prikuplja iz njega optičkim kabelima. Urezni ili rubni filtar koristi se za uklanjanje Rayleighovog i anti-Stokesovog raspršenja, a preostala Stokesova raspršena svjetlost prenosi se na disperzijski element, obično holografsku rešetku. CCD detektor hvata svjetlost, što rezultira Ramanovim spektrom. Budući da Ramanovo raspršenje daje slab signal, najvažnije je da se u Ramanovom spektrometru koriste visokokvalitetne, optički dobro usklađene komponente.

Od prikupljanja podataka do analize, ReactRaman™ s iC Ramanom™ donosi analizu sastava u svaki laboratorij. Automatizirani odabir parametara omogućuje točno prikupljanje podataka, omogućujući znanstvenicima da dobiju pouzdane rezultate. Prvi put, svaki put, u svakom procesu sa svakim korisnikom.

Kompaktne performanse
Vrhunske performanse u klasi s izvrsnom stabilnošću i osjetljivošću u kompaktnom pakiranju koje se može slagati. Implementacija može biti bilo gdje u laboratoriju za seriju ili tijek. Jedan robusni konektor pruža inherentnu sigurnost i osigurava poravnanje za bezbrižna mjerenja.

Eksperimentiranje bogato informacijama
Prikupljanje i analiza podataka brza je i jednostavna uz industrijski standardni iC softver za analizu reakcija. iC Software neprimjetno uključuje više ortogonalnih tokova podataka za povezivanje varijabli procesa koje potiču sveobuhvatno razumijevanje procesa.

Zajednička stručnost
Tisuće PAT instalacija diljem svijeta i četiri desetljeća iskustva ugrađeni su u ReactRaman 802L. Naš globalni tim za stručnu podršku predan je osiguravanju uspjeha korisnika kroz obuke i razvoj aplikacija, osobno ili virtualno, kad god je to potrebno.

Kada se spektar prikuplja dosljedno tijekom eksperimenta, može otkriti 'molekularni video' koji pruža ključne informacije o kinetici, mehanizmima i promjenama oblika tijekom reakcije.

Tradicionalno, ovu analizu provode spektroskopisti sa stručnim znanjem u pronalaženju ključnih područja interesa i trendiranju ovih valnih brojeva tijekom vremena. Međutim, napredak u softveru (kao što je značajka 'Pronađi trendove' u iC Raman 7) omogućio je automatizaciju ove stručnosti na način da stručnjaci i nestručnjaci mogu lako brzo izvući ključne informacije za brzo i pouzdano donošenje odluka.

Dow Toray Co., LTD, "Nova sinteza silikona precizno kontroliranom polimerizacijom", METTLER TOLEDO, 2020.

Za širok raspon industrija, različita svojstva silikona omogućuju tvrtkama da dizajniraju proizvode sa specifičnim karakteristikama koje odgovaraju svrsi. Ovi proizvodi iskorištavaju različita svojstva silikonskih guma kao što su čvrstoća, toplinska otpornost i stabilnost. Obično se silikon proizvodi hidrolizom klorosilana nakon čega slijedi dodatak terminalne funkcionalne skupine ili polikondenzacijom cikličkog siloksana. Svaka od ovih metoda su ravnotežne reakcije koje proizvode proizvode male molekularne težine sa širokim rasponom raspodjele molekularne mase.

Istraživači Dowa razvili su alternativni način proizvodnje silikona, temeljen na precizno kontroliranoj polimerizaciji, kako bi se dobio proizvod s ciljanim, ujednačenim duljinama lanca. U ovoj sintezi, reaktant na bazi litija služi za otvaranje cikličkog tri-siloksanskog prstena, nakon čega slijedi dodavanje drugog cikličkog siloksanskog reagensa, kako bi se dobio monodisperzirani silikonski polimer.

Ovu novu silikonsku polimerizaciju, koja rezultira monodisperziranim proizvodom s precizno kontroliranim duljinama lanca, prati ReactRaman, eliminirajući kašnjenja i nesigurnosti reakcije povezane s izvanmrežnom GC analizom. Inicijacija, napredak i kinetika reakcije lako se mjere Ramanovom metodom, pružajući kontinuiranu provjeru u stvarnom vremenu da se reakcija odvija prema očekivanjima.

ReactRaman spektroskopija dio je integrirane obitelji proizvoda koja uključuje:

• ReactIR in situ FTIR spektrometar
• ParticleTrack i ParticleView inline karakterizacija čestica
• Reaktori za kemijsku sintezu EasyMax, OptiMax i RX-10
• EasySampler Inline automatizirano uzorkovanje

Dizajnirani posebno za razvoj kemikalija i procesa, ovi se alati kombiniraju na moćnoj softverskoj platformi iC kako bi pružili sveobuhvatno razumijevanje procesa.