Raman-spektroskopi

Raman-spektroskopi är en molekylär spektroskopisk teknik som använder ljusets interaktion med materia för att få insikt i ett materials sammansättning eller egenskaper, som FTIR. Informationen som tillhandahålls av Raman-spektroskopi är resultatet av en ljusdispersionsprocess, medan IR-spektroskopi bygger på absorption av ljus. Raman-spektroskopi ger information om intra- och intermolekylära vibrationer och kan ge ytterligare förståelse för en reaktion. Både Raman- och FTIR-spektroskopi ger ett spektrum som är karakteristiskt för de specifika vibrationerna hos en molekyl ("molekylärt fingeravtryck") och är värdefulla för att identifiera ett ämne. Raman-spektroskopi kan dock ge ytterligare information om lägre frekvenslägen och vibrationer som ger insikt i kristallgitter och molekylär ryggradsstruktur. 

Inline Raman-spektroskopi används för att övervaka kristallisationsprocesser och avslöja reaktionsmekanismer och kinetik. I kombination med analysverktyg möjliggör dessa data informerad förståelse och optimering av reaktioner. 

När ljus interagerar med molekyler i en gas, vätska eller fast ämne, sprids den stora majoriteten av fotonerna med samma energi som de infallande fotonerna. Detta beskrivs som elastisk eller Rayleigh-spridning. Ett litet antal av dessa fotoner, ungefär 1 foton på 10 miljoner, kommer att spridas med en annan frekvens än den infallande fotonen. Denna process kallas inelastisk spridning, eller Raman-effekten, uppkallad efter Sir C.V. Raman som upptäckte detta och tilldelades 1930 års Nobelpris i fysik för sitt arbete. Sedan dess har Raman använts för ett brett spektrum av applikationer från medicinsk diagnostik till materialvetenskap och reaktionsanalys. Raman gör det möjligt för användaren att samla in den vibrationella signaturen hos en molekyl, vilket ger insikt i hur den är sammansatt, samt hur den interagerar med andra molekyler runt den.

Lär dig mer om Raman-spridning.

Till skillnad från FTIR-spektroskopi som tittar på förändringar i dipolmoment, tittar Raman på förändringar i polariserbarheten hos molekylära bindningar. Interaktion mellan ljus och en molekyl kan inducera en deformation av dess elektronmoln. Denna deformation är känd som en förändring i polariserbarheten. Molekylära bindningar har specifika energiövergångar där en förändring av polariserbarheten sker, vilket ger upphov till Raman-aktiva lägen.  Som ett exempel genomgår molekyler som innehåller bindningar mellan homonukleära atomer såsom kol-kol-, svavel-svavel och kväve-kvävebindningar en förändring i polariserbarhet när fotoner interagerar med dem. Dessa är exempel på bindningar som ger upphov till Raman-aktiva spektralband, men som inte skulle ses eller vara svåra att se i FTIR.

Eftersom Raman i sig är en svag effekt måste de optiska komponenterna i en Raman-spektrometer vara väl matchade och optimerade. Dessutom, eftersom organiska molekyler kan ha en större tendens att fluorescera när strålning med kortare våglängd används, används vanligtvis monokromatiska excitationskällor med längre våglängd, såsom halvledarlaserdioder som producerar ljus vid 785 nm.

Raman-spektroskopi används inom industrin för en mängd olika applikationer, inklusive:

• Kristallisationsprocesser 
• Identifiering av polymorfism
• Polymerisationsreaktioner
• Hydrogenerande reaktioner
• Kemisk syntes
• Biokatalys och enzymatisk katalys
• Flödeskemi
• Övervakning av bioprocesser
• Syntes Reaktioner
• Inbyggd kvalitet

Även om Raman- och FTIR-spektroskopi ger kompletterande information och ofta är utbytbara, finns det några praktiska skillnader som påverkar vilken som är optimal för ett givet experiment. De flesta molekylära symmetrier tillåter både Raman- och IR-aktivitet. Ett specialfall är om molekylen innehåller ett inversionscentrum. I en molekyl som innehåller ett inversionscentrum är Raman-band och IR-band ömsesidigt uteslutande, dvs bindningen kommer antingen att vara Raman-aktiv eller den kommer att vara IR-aktiv men den kommer inte att vara båda. En allmän regel är att funktionella grupper som har stora förändringar i dipoler är starka i IR, medan funktionella grupper som har svaga dipolförändringar eller har en hög grad av symmetri kommer att ses bättre i Raman-spektra.

Välj Raman-spektroskopi när:

• Att undersöka kolbindningar i alifatiska och aromatiska ringar är av primärt intresse
• Obligationer som är svåra att se i FTIR (dvs. 0-0, SH, C = S, N = N, C = C etc.)
• Undersökning av partiklar i lösning är viktig, t.ex. polymorfism
• Lågfrekvenslägen är viktiga (t.ex. oorganiska oxider) 
• Reaktioner i vattenhaltiga medier undersöks
• Reaktioner där observation genom ett reaktionsfönster är enklare och säkrare (t.ex. katalytiska reaktioner under högt tryck, polymerisationer)
• Att undersöka gittermoder med lägre frekvens är av intresse
• Undersökning av reaktionsinitiering, effektmått och produktstabilitet av bifasiska och kolloidala reaktioner

Välj FTIR-spektroskopi när:

• Studerar reaktioner i vätskefas
• Reaktioner där reaktanter, reagenser, lösningsmedel och reaktionsarter fluorescerar
• Bindningar med starka dipolförändringar är viktiga (t.ex. C = O, O-H, N = O)
• Reaktioner där reagenser och reaktanter har låg koncentration
• Reaktioner där lösningsmedelsband är starka i Raman och kan översvämma nyckelarter signal
• Reaktioner där intermediärer som bildas är IR-aktiva

Raman-spektroskopi erbjuder många fördelar. Eftersom Raman-instrument använder lasrar i det synliga området kan flexibla kiseldioxidfiberoptiska kablar användas för att excitera provet och samla in den dispergerade strålningen, och dessa kablar kan vara ganska långa om det behövs. Eftersom synligt ljus används kan glas eller kvarts användas för att hålla prover. I studiet av kemiska reaktioner innebär detta att Raman-sonden kan sättas in i en reaktion eller kan samla in Raman-spektra genom ett fönster, till exempel i en extern reaktionsprovslinga eller flödescell. Det senare tillvägagångssättet eliminerar risken för kontaminering av provströmmar. Möjligheten att använda kvarts eller höggradig safir som fönstermaterial innebär att högtrycksceller kan användas för att samla in Raman-spektra av katalytiska reaktioner. I studien av katalysatorer är operandospektroskopi med hjälp av Raman-effekten ganska användbar för att studera in situ-reaktioner i realtid på katalytiska ytor. En annan fördel med Raman är att hydroxylbindningar inte är särskilt Raman-aktiva, vilket gör Raman-spektroskopi i vattenhaltiga medier okomplicerad. Raman-spektroskopi anses vara icke-destruktiv, även om vissa prover kan påverkas av laserstrålningen. En faktor som måste tas hänsyn till när man väljer denna teknik är hur fluorescerande ett visst prov kan vara. Raman-spridning är ett svagt fenomen och fluorescens kan dränka signalen vilket gör det svårt att samla in kvalitetsdata. Detta problem kan ofta lindras genom att använda en excitationskälla med längre våglängd.

När det gäller reaktionsanalys är Raman-spektroskopi känslig för många funktionella grupper men är exceptionell när det gäller att erhålla molekylär ryggradsinformation, vilket ger sitt eget unika molekylära fingeravtryck. Eftersom Raman använder en bindnings polariserbarhet och har potential att mäta lägre frekvens, är den känslig för kristallgittervibrationer som ger användaren polymorf information som kan vara utmanande att erhålla med FTIR. Detta gör att Raman kan användas mycket effektivt för att studera kristallisation och andra komplexa processer. 

En modern, kompakt Raman-spektrometer består av flera grundläggande komponenter, inklusive en laser som fungerar som excitationskälla för att inducera Raman-spridningen. Vanligtvis används halvledarlasrar i moderna Raman-instrument med populära våglängder på 532 nm, 785 nm, 830 nm och 1064 nm. Lasrar med kortare våglängd har högre Raman-spridningstvärsnitt så den resulterande signalen är större, men förekomsten av fluorescens ökar också vid kortare våglängd. Av denna anledning har många Raman-system 785 nm-lasern. Laserenergin överförs till och samlas in från provet med fiberoptiska kablar. En skåra eller ett kantfilter används för att eliminera Rayleigh- och anti-Stokes-spridning och det återstående Stokes-spridningsljuset skickas vidare till ett dispersionselement, vanligtvis ett holografiskt gitter. En CCD-detektor fångar upp ljuset, vilket resulterar i Raman-spektrumet. Eftersom Raman-spridning ger en svag signal är det mycket viktigt att högkvalitativa, optiskt väl matchade komponenter används i Raman-spektrometern.

Från datainsamling till analys, ReactRaman™ med iC Raman™ ger sammansättningsanalys till varje labb. Automatiserat parameterval ger korrekt datainsamling, vilket gör det möjligt för forskare att få säkra resultat. Rätt första gången, varje gång, i varje process med varje användare.

Kompakt prestanda
Klassledande prestanda med utmärkt stabilitet och känslighet i ett kompakt, stapelbart paket. Distributionen kan vara var som helst i labbet för batch eller flöde. En enda robust kontakt ger inbyggd säkerhet och säkerställer inriktning för bekymmersfria mätningar.

Informationsrika experiment
Datainsamling och analys går snabbt och enkelt med branschstandarden iC Software för reaktionsanalys. iC Software integrerar sömlöst flera ortogonala dataströmmar för att länka processvariabler som driver en omfattande processförståelse.

Delad expertis
Tusentals PAT-installationer runt om i världen och fyra decennier av erfarenhet är inbyggda i ReactRaman 802L. Vårt globala expertsupportteam är engagerat i att säkerställa användarnas framgång genom utbildning och applikationsutveckling, personligen eller virtuellt, när det behövs.

När spektrum samlas in konsekvent under ett experiment kan det avslöja en "molekylär video" som ger viktig information om kinetik, mekanismer och formförändringar under en reaktion.

Traditionellt har denna analys utförts av spektroskopister med expertkunskap för att hitta viktiga intresseområden och trenda dessa vågtal över tid. Framsteg inom programvara (som funktionen "Hitta trender" i iC Raman 7) har dock gjort det möjligt att automatisera denna expertis på ett sätt som gör att både experter och icke-experter enkelt kan extrahera viktig information snabbt för snabbt och säkert beslutsfattande.

Dow Toray Co., LTD, "Novel Silicone Synthesis via Precisely Controlled Polymerization", METTLER TOLEDO, 2020.

För ett brett spektrum av branscher gör silikonets olika egenskaper det möjligt för företag att designa produkter med specifika, ändamålsenliga egenskaper. Dessa produkter utnyttjar de olika egenskaperna hos silikongummi såsom styrka, termisk resistivitet och stabilitet. Vanligtvis produceras silikon genom hydrolys av en klorsilan följt av en terminal funktionell grupptillsats, eller genom polykondensation av en cyklisk siloxan. Var och en av dessa metoder är jämviktsreaktioner som producerar produkter med låg molekylvikt med ett brett spektrum av molekylviktsfördelning.

Dows forskare har utvecklat ett alternativt sätt att producera silikon, baserat på en exakt kontrollerad polymerisation, för att ge en produkt med riktade, enhetliga kedjelängder. I denna syntes tjänar en litiumbaserad reaktant till att öppna en cyklisk tri-siloxanring, följt av tillsats av ett annat cykliskt siloxanreagens, för att ge en monodispergerad silikonpolymer.

Denna nya silikonpolymerisation, som resulterar i en monodispergerad produkt med exakt kontrollerade kedjelängder, spåras av ReactRaman, vilket eliminerar de förseningar och reaktionsosäkerheter som är förknippade med offline GC-analys. Reaktionsinitiering, framsteg och kinetik kan enkelt mätas med Raman-metoden, vilket ger kontinuerlig verifiering i realtid av att reaktionen fortskrider som förväntat.

ReactRaman-spektroskopi är en del av en integrerad produktfamilj, som inkluderar:

• ReactIR in situ FTIR-spektrometer
• ParticleTrack och ParticleView infogad partikelkarakterisering
• EasyMax, OptiMax och RX-10 kemiska syntesreaktorer
• EasySampler Inline Automatiserad Provtagning

Dessa verktyg är särskilt utformade för kemi- och processutveckling och kombineras i den kraftfulla iC-programvaruplattformen för att ge omfattande processförståelse.