Raman-spectroscopie

Wat is Raman-spectroscopie?

Raman-spectroscopie is een moleculaire spectroscopische methode die gebruikmaakt van de interactie van licht met materie om inzicht te verkrijgen in de samenstelling of kenmerken van een materiaal, net als FTIR. De informatie die Raman-spectroscopie levert, is het resultaat van een lichtverstrooiingsproces, terwijl IR-spectroscopie gebaseerd is op lichtabsorptie. Raman-spectroscopie levert informatie over intra- en intermoleculaire trillingen , zodat een reactie beter kan worden begrepen. Zowel Raman- als FTIR-spectroscopie leveren de spectrumkenmerken van de specifieke trillingen van een molecuul (‘moleculaire vingerafdruk’) die worden gebruikt om een stof te identificeren. Vaak biedt Raman-spectroscopie extra informatie over lagere frequentiestanden en trillingen die inzicht bieden in het kristalrooster en de moleculaire ruggengraatstructuur. 

Inline Raman-spectroscopie wordt gebruikt om de kristallisatieprocessen te controleren en de reactiemechanismen en kinetiek te ontdekken. In combinatie met analysetools biedt deze data meer inzicht in de reactie, zodat die kan worden geoptimaliseerd. 

De beginselen van Raman-spectroscopie

Wanneer het licht contact maakt met de moleculen in een gas, vloeistof of vaste stof, worden de meeste fotonen verspreid met dezelfde hoeveelheid energie als de invallende fotonen. Dit wordt ook wel de elastische verstrooiing of de Rayleigh-verstrooiing genoemd. Een klein aantal van deze fotonen, ongeveer 1 foton op 10 miljoen, verstrooit met een andere frequentie dan de invallende foton. Dit proces wordt de inelastische verstrooiing of het Raman-effect genoemd. Het is vernoemd naar Sir C. V. Raman die dit heeft ontdekt en in 1930 de Nobelprijs voor natuurkunde heeft gekregen. Sindsdien wordt Raman gebruikt voor allerlei verschillende toepassingen, van medische diagnostiek tot materiaalwetenschap en reactie-analyse. Raman stelt de gebruiker in staat om de trillingssignatuur van een molecuul te verzamelen, waardoor inzicht wordt verkregen in de interactie van het molecuul met andere, omliggende moleculen.

Raman-verstrooiingsproces

Het Raman-verstrooiingsproces zoals beschreven door de kwantummechanica, is een situatie waarbij fotonen interactie hebben met een molecuul, waarna het molecuul overgaat op een virtuele toestand met meer energie. Deze toestand met hogere energie kan verschillende gevolgen hebben. Eén daarvan is dat het molecuul relaxeert tot een trillingsenergieniveau dat verschilt van de begintoestand, zodat een foton met een andere energie wordt geproduceerd. Het verschil tussen de energie van de invallende foton en de energie van de verstrooide foton wordt de Raman-verschuiving genoemd.

Wanneer de energieverandering van de verstrooide foton kleiner is dan die van de invallende foton, dan wordt dit een Stokes-verstrooiing genoemd. Sommige moleculen beginnen in een hogere energetische trillingstoestand en wanneer ze een virtuele toestand met hogere energie bereiken, kunnen ze relaxeren tot ze een toestand hebben bereikt met een eindenergie die lager is dan die van de eerste energetische toestand. Deze verstrooiing wordt anti-Stokes genoemd. 

Basisbeginselen van Raman-spectroscopie

Hoe werkt Raman-spectroscopie?

In tegenstelling tot FTIR-spectroscopie die de veranderingen in dipoolmomenten bestudeert, bestudeert Raman de veranderingen van de polarisabiliteit van een moleculaire verbinding. De interactie van licht en een molecuul kan een vervorming van de elektronenwolk veroorzaken. Deze vervorming is de verandering van polarisabiliteit. Moleculaire verbindingen hebben specifieke energie-overgangen, waardoor de polarisabiliteit verandert en er actieve Raman-standen ontstaan.  Denk bijvoorbeeld aan moleculen met verbindingen tussen homonucleaire atomen, zoals een koolstof-koolstof-, zwavel-zwavel- of stikstof-stikstofverbinding. De polarisabiliteit van deze moleculen verandert door de interactie met fotonen. Dit zijn voorbeelden van verbindingen die Raman-actieve spectrale banden veroorzaken die niet of moeilijk te zien zijn in FTIR.

Aangezien Raman een inherent zwak effect is, moeten de optische componenten van een Raman-spectrometer goed op elkaar afgestemd en geoptimaliseerd zijn. Aangezien organische moleculen vaker fluoresceren wanneer straling met een kortere golflengte wordt gebruikt, worden gewoonlijk monochromatische opwekkingsbronnen met een langere golflengte gebruikt, zoals vaste laserdiodes die licht van 785 nm produceren.  

Belangrijke toepassingen voor Raman-spectroscopie

Raman-spectroscopie wordt in de industrie voor allerlei toepassingen gebruikt, zoals:

• Kristallisatieprocessen 
• Identificatie van polymorfen
• Polymerisatiereacties
• Hydrogenatiereacties
• Chemische synthese
• Enzymatische en biokatalyse
• Flow chemie
• Bewaking van bioprocessen
• Synthesereacties

Raman- of FTIR-spectroscopie

Een vergelijking

Ook al leveren Raman- en FTIR-spectroscopie aanvullende informatie en zijn deze methodes vaak onderling verwisselbaar, toch bestaan er enkele praktische verschillen waardoor de ene methode optimaal is voor een specifiek experiment. De meeste moleculaire symmetrie is geschikt voor zowel Raman- als IR-activiteiten. Als het molecuul een centrum van inversie bevat, is de situatie anders. In een molecuul met een centrum van inversie sluiten de Raman-banden en IR-banden elkaar uit. Dit betekent dat de verbinding ofwel Raman-actief of IR-actief, maar niet allebei. Als regel geldt dat functionele groepen met grote dipoolveranderingen goed zichtbaar zijn het IR-spectrum, terwijl functionele groepen met zwakke dipoolveranderingen of een hoge mate van symmetrie beter zichtbaar zijn in Raman-spectra.

Kies voor Raman-spectroscopie in de volgende situaties:

• Onderzoek naar koolstofverbindingen in alifatische en aromatische ringen
• Onderzoek naar verbindingen die moeilijk te zien zijn in FTIR (bijv. 0-0, S-H, C=S, N=N, C=C, enz.)
• Onderzoek naar deeltjes in een oplossing, bijv. polymorfisme
• Onderzoek bij lagere frequentiestanden (bijv. anorganische oxiden) 
• Onderzoek naar reacties in waterige media
• Reacties waarbij de observatie via een venster eenvoudiger en veiliger is (bijv. katalytische reacties onder hoge druk, polymerisaties)
• Onderzoek naar kristalroosters met lage frequentie
• Onderzoek naar het beginpunt en het eindpunt van reacties en de productstabiliteit van bifase en colloïdale reacties

Kies voor FTIR-spectroscopie in de volgende situaties:

• Onderzoek naar reacties in de vloeibare fase
• Reacties waarin reactanten, reagentia, oplosmiddelen en reacties fluoresceren
• Verbindingen met krachtige dipoolveranderingen, bijv. C=O, O-H, N=O.
• Reacties met reagentia en reactanten in lage concentraties
• Reacties waarin de oplosmiddelbanden krachtig zijn in Raman en belangrijke signalen kunnen overstemmen
• Reacties waarin tussenproducten worden geproduceerd die IR-actief zijn

Voordelen van inline Raman-spectroscopie

Raman-spectroscopie biedt talrijke voordelen. Aangezien Raman-instrumenten lasers in het zichtbare spectrum gebruiken, kunnen flexibele silica glasvezelkabels worden gebruikt om het monster op te wekken en de verstrooide straling te verzamelen. Zo nodig kunnen deze kabels lang zijn. Aangezien het zichtbare licht wordt gebruikt, kunnen de monsters in glas of kwarts worden bewaard. Bij onderzoek naar chemische reacties betekent dit dat de Raman-sensor in een reactie kan worden gestoken of Raman-spectra door een venster kan verzamelen, bijvoorbeeld in een externe reactiemonsterlus of flow cell. Deze laatste aanpak elimineert het risico op sample stream verontreiniging. Aangezien kwarts of hoogwaardig saffier als venstermateriaal kan worden gebruikt, kunnen de Raman-spectra of katalytische reacties met hogedrukcellen worden verzameld. Bij het onderzoek naar katalysatoren is het gebruik van operando spectroscopie met gebruik van het Raman-effect erg handig voor onderzoek naar in situ, realtime reacties op katalytische oppervlakken. Een ander voordeel van Raman is dat hydroxylverbindingen niet bijzonder Raman-actief zijn, waardoor Raman-spectroscopie in waterige media eenvoudig is. Raman-spectroscopie wordt als niet-destructief beschouwd, ook al is het mogelijk dat sommige monsters aangetast worden door de laserstraling. Een overweging bij de selectie van deze methode is hoe fluorescerend een specifiek monster is. Raman-verstrooiing is een zwak verschijnsel en fluorescentie kan het signaal overstemmen, waardoor het moeilijk wordt om data van goede kwaliteit te verzamelen. Dit probleem kan vaak worden verholpen door een opwekkingsbron met een langere golflengte te gebruiken.

Wat de reactie-analyse betreft, is Raman-spectroscopie gevoelig voor veel functionele groepen, maar vooral voor het verkrijgen van moleculaire backbone informatie over een eigen, unieke, moleculaire vingerafdruk. Aangezien Raman gebruik maakt van de polariseerbaarheid van een verbinding en lagere frequenties kan meten, is deze methode gevoelig voor kristalroostertrillingen die de gebruiker informatie over polymorfie leveren die met FTIR veel moeilijker te verkrijgen is. Hierdoor kan Raman op zeer effectieve wijze worden gebruikt om kristallisatie en andere complexe processen te bestuderen. 

Een moderne, compacte Raman-spectrometer bestaat uit diverse basisonderdelen, waaronder een laser die dienst doet als opwekkingsbron voor de Raman-verstrooiing. Vaste lasers worden doorgaans in moderne Raman-instrumenten gebruikt, vaak met golflengtes van 532, 785, 830 of 1064 nm. De lasers met kortere golflengtes hebben doorsneden met een hogere Raman-verstrooiing, zodat het resulterende signaal groter is. De fluorescentie wordt bij een kortere golflengte echter ook sterker. Daarom gebruiken veel Raman-systemen een laser van 785 nm. De laserenergie wordt via glasvezelkabels naar het monster gestuurd en weer van het monster verzameld. Een notch- of edgefilter wordt gebruikt om de Rayleigh- en anti-Stokes-verstrooiing te elimineren. Het resterende Stokes-verstrooide licht wordt aan een dispersie-element doorgegeven, gewoonlijk een holografisch rooster. Een CCD-detector vangt het licht op en dit resulteert in het Raman-spectrum. Aangezien Raman-verstrooiing een zwak signaal oplevert, is het heel belangrijk dat hoogwaardige en optisch goed op elkaar afgestemde onderdelen voor de Raman-spectrometer worden gebruikt. 

Analytische software voor Raman-spectroscopie

Wanneer het spectrum op consistente wijze gedurende het verloop van het experiment wordt verzameld, kan een ‘moleculaire video’ worden opgenomen met belangrijke informatie over de kinetiek, mechanismen en vormveranderingen gedurende een reactie. Deze analyse werd in het verleden uitgevoerd door een spectroscopist die op deskundige wijze nieuwe ontdekkingen kon maken en de golfnummers over tijd grafisch kon uitzetten. De nieuwste softwareontwikkelingen (zoals de functie ‘Trends zoeken’ van iC Raman 7) hebben deze expertise geautomatiseerd, zodat alle laboranten, deskundig of niet, nu op eenvoudige wijze belangrijke informatie kunnen verzamelen voor snelle en weloverwogen beslissingen.

Even voorstellen: ReactRaman 785

met iC Raman-software

Compacte prestaties. ReactRaman combineert de beste prestaties met een flexibel ontwerp. De spectrometer is klein, licht en thermisch stabiel, en levert overal en altijd uitstekende resultaten.

Snelle, nauwkeurige resultaten. ReactRaman is geoptimaliseerd voor in situ controle en levert nauwkeurige, gevoelige spectra die met One Click Analytics™ van iC Raman 7 eenvoudig in resultaten worden omgezet.

Geïntegreerd platform. Combineer dit met Mid-IR, deeltjeskarakterisering en geautomatiseerde reactievaten voor uitgebreide informatie en controle.

Gedeelde expertise. Op basis van onze ruim 30 jaar ervaring in reactie-analyse, zetten we ons in voor de ontwikkeling van oplossingen met een hoog prestatievermogen, zodat wetenschappers uitdagende chemische problemen kunnen oplossen.

Een uniek inzicht in processen

Het reactie-analyse werkstation

ReactRaman-spectroscopie maakt deel uit van een geïntegreerd productassortiment:

• ReactIR in situ FTIR-spectroscopie
• ParticleTrack en ParticleView inline deeltjeskarakterisering
• EasyMax, OptiMax en RX-10 reactors voor chemische synthese
• EasySampler inline geautomatiseerde bemonstering

Deze hulpmiddelen zijn speciaal ontworpen voor chemische procesontwikkeling en worden gecombineerd met de krachtige iC software voor de levering van uitgebreide procesinformatie.