Ramanova spektroskopija

Ramanova spektroskopija je molekularna spektroskopska tehnika, ki uporablja interakcijo svetlobe s snovjo za vpogled v sestavo ali značilnosti materiala, kot je FTIR. Informacije, ki jih zagotavlja Ramanova spektroskopija, so rezultat procesa disperzije svetlobe, medtem ko se IR spektroskopija opira na absorpcijo svetlobe. Ramanova spektroskopija daje informacije o intra- in medmolekularnih vibracijah in lahko zagotovi dodatno razumevanje reakcije. Ramanova in FTIR spektroskopija zagotavljata spekter, značilen za specifične vibracije molekule ("molekularni prstni odtis") in sta dragoceni za identifikacijo snovi. Vendar pa lahko Ramanova spektroskopija zagotovi dodatne informacije o nižjih frekvenčnih načinih in vibracijah, ki dajejo vpogled v kristalno mrežo in strukturo molekularne hrbtenice. 

Inline Ramanova spektroskopija se uporablja za spremljanje procesov kristalizacije in razkrivanje reakcijskih mehanizmov in kinetike. V kombinaciji z orodji za analizo ti podatki omogočajo informirano razumevanje in optimizacijo reakcij.

Ko svetloba medsebojno deluje z molekulami v plinu, tekočini ali trdni snovi, se velika večina fotonov razprši z enako energijo kot vpadni fotoni. To je opisano kot elastično ali Rayleighovo sipanje. Majhno število teh fotonov, približno 1 foton od 10 milijonov, se bo razpršilo z drugačno frekvenco kot vpadni foton. Ta proces se imenuje neelastično sipanje ali Ramanov učinek, poimenovan po siru C.V. Ramanu, ki je to odkril in leta 1930 prejel Nobelovo nagrado za fiziko za svoje delo. Od takrat se Raman uporablja za široko paleto aplikacij, od medicinske diagnostike do znanosti o materialih in analize reakcij. Raman omogoča uporabniku, da zbere vibracijski podpis molekule, kar daje vpogled v to, kako je sestavljena, pa tudi, kako komunicira z drugimi molekulami okoli nje.

Preberite več o Ramanovem sipanju.

Za razliko od FTIR spektroskopije, ki preučuje spremembe v dipolnih momentih, Raman gleda na spremembe v polarizaciji molekularnih vezi. Interakcija svetlobe z molekulo lahko povzroči deformacijo njenega elektronskega oblaka. Ta deformacija je znana kot sprememba polarizacije. Molekularne vezi imajo specifične energijske prehode, v katerih pride do spremembe polarizacije, kar povzroči Ramanove aktivne načine.  Na primer, molekule, ki vsebujejo vezi med homonuklearnimi atomi, kot so vezi ogljik-ogljik, žveplo-žveplo in dušik-dušik, se spremenijo polarizacijske, ko fotoni medsebojno delujejo z njimi. To so primeri vezi, ki povzročajo Ramanove aktivne spektralne pasove, vendar jih v FTIR ne bi bilo mogoče videti ali jih je težko videti.

Ker je Raman sam po sebi šibek učinek, morajo biti optične komponente Ramanovega spektrometra dobro usklajene in optimizirane. Ker imajo lahko organske molekule večjo nagnjenost k fluorescaciji, ko se uporablja sevanje krajše valovne dolžine, se običajno uporabljajo monokromatski viri vzbujanja z daljšo valovno dolžino, kot so trdne laserske diode, ki proizvajajo svetlobo pri 785 nm.

Ramanova spektroskopija se uporablja v industriji za različne aplikacije, vključno z:

• Procesi kristalizacije 
• Identifikacija polimorfizma
• Reakcije polimerizacije
• Reakcije hidrogeniranja
• Kemična sinteza
• Biokataliza in encimska kataliza
• Kemija pretoka
• Spremljanje bioprocesov
• Sintezne reakcije
• Kakovost po zasnovi

Čeprav Ramanova in FTIR spektroskopija dajeta dodatne informacije in sta pogosto medsebojno zamenljiva, obstajajo nekatere praktične razlike, ki vplivajo na to, katera bo optimalna za določen poskus. Večina molekularne simetrije bo omogočila tako Ramanovo kot IR aktivnost. Poseben primer je, če molekula vsebuje središče inverzije. V molekuli, ki vsebuje središče inverzije, se Ramanovi pasovi in IR pasovi medsebojno izključujejo, kar pomeni, da bo vez bodisi Ramanova aktivna ali pa bo IR aktivna, vendar ne bo oboje. Splošno pravilo je, da so funkcionalne skupine, ki imajo velike spremembe v dipolih, močne v IR, medtem ko bodo funkcionalne skupine, ki imajo šibke dipolne spremembe ali imajo visoko stopnjo simetrije, bolje vidne v Ramanovih spektrih.

Izberite Ramanovo spektroskopijo, ko:

• Raziskovanje ogljikovih vezi v alifatskih in aromatskih obročeh je primarnega interesa
• Vezi, ki jih je težko videti v FTIR (npr. 0-0, S-H, C=S, N=N, C=C itd.)
• Pomembno je preučevanje delcev v raztopini, npr. polimorfizem
• Pomembni so nižji frekvenčni načini (npr. anorganski oksidi) 
• Raziskujejo se reakcije v vodnem mediju
• Reakcije, pri katerih je opazovanje skozi reakcijsko okno lažje in varnejše (npr. visokotlačne katalitske reakcije, polimerizacije)
• Zanimivo je raziskovanje načinov nižje frekvenčne mreže
• Preučevanje začetka reakcije, končne točke in stabilnosti zdravila dvofaznih in koloidnih reakcij

FTIR spektroskopijo izberite, če:

• Proučevanje reakcij v tekoči fazi
• Reakcije, pri katerih reaktanti, reagenti, topila in reakcijske vrste fluorescirajo
• Pomembne so vezi z močnimi dipolnimi spremembami (npr. C = O, O-H, N = O)
• Reakcije, pri katerih so reagenti in reaktanti v nizki koncentraciji
• Reakcije, pri katerih so topila v Ramanu močni in lahko preplavijo signal ključnih vrst
• Reakcije, pri katerih so intermediati, ki nastanejo, IR aktivni

Ramanova spektroskopija ponuja številne prednosti. Ker Ramanovi instrumenti uporabljajo laserje v vidnem območju, se lahko za vzbujanje vzorca in zbiranje razpršenega sevanja uporabijo fleksibilni kabli iz silicijevih optičnih vlaken, ti kabli pa so lahko po potrebi precej dolgi. Ker se uporablja vidna svetloba, se lahko za shranjevanje vzorcev uporabi steklo ali kremen. Pri preučevanju kemijskih reakcij to pomeni, da se lahko Ramanova sonda vstavi v reakcijo ali pa lahko zbira Ramanove spektre skozi okno, na primer v zanki vzorca zunanje reakcije ali pretočni celici. Slednji pristop odpravlja možnost kontaminacije toka vzorcev. Sposobnost uporabe kremena ali visokokakovostnega safirja kot okenskega materiala pomeni, da se lahko visokotlačne celice uporabijo za pridobivanje Ramanovih spektrov katalitičnih reakcij. Pri preučevanju katalizatorjev je operando spektroskopija z uporabo Ramanovega učinka zelo uporabna za preučevanje reakcij in situ v realnem času na katalitičnih površinah. Druga prednost Ramana je, da hidroksilne vezi niso posebej Ramanove aktivne, zaradi česar je Ramanova spektroskopija v vodnih medijih enostavna. Ramanova spektroskopija se šteje za neuničujočo, čeprav lahko nekatere vzorce povzroči lasersko sevanje. Pri izbiri te tehnike je treba upoštevati, kako fluorescenten je lahko določen vzorec. Ramanovo sipanje je šibek pojav in fluorescenca lahko preplavi signal, kar otežuje zbiranje kakovostnih podatkov. To težavo je pogosto mogoče ublažiti z uporabo vira vzbujanja z daljšo valovno dolžino.

Kar zadeva reakcijsko analizo, je Ramanova spektroskopija občutljiva na številne funkcionalne skupine, vendar je izjemna pri pridobivanju informacij o molekularni hrbtenici, ki zagotavlja svoj edinstven molekularni prstni odtis. Ker Raman uporablja polarizacijo vezi in ima potencial za merjenje nižje frekvence, je občutljiv na vibracije kristalne mreže, ki uporabniku dajejo polimorfne informacije, ki jih je FTIR težko pridobiti. To omogoča, da se Raman zelo učinkovito uporablja za preučevanje kristalizacije in drugih kompleksnih procesov. 

Sodoben, kompakten Ramanov spektrometer je sestavljen iz več osnovnih komponent, vključno z laserjem, ki služi kot vir vzbujanja za induciranje Ramanovega sipanja. Značilno je, da se trdni laserji uporabljajo v sodobnih Ramanovih instrumentih s priljubljenimi valovnimi dolžinami 532 nm, 785 nm, 830 nm in 1064 nm. Laserji s krajšo valovno dolžino imajo večje prereze Ramanovega sipanja, zato je nastali signal večji, vendar se pojavnost fluorescence poveča tudi pri krajši valovni dolžini. Zaradi tega imajo številni Ramanovi sistemi 785 nm laser. Laserska energija se prenaša in zbira iz vzorca s kabli iz optičnih vlaken. Zareza ali robni filter se uporablja za odpravo Rayleighovega in anti-Stokesovega sipanja, preostala Stokesova razpršena svetloba pa se prenese na disperzijski element, običajno holografsko rešetko. CCD detektor zajame svetlobo, kar ima za posledico Raman spekter. Ker Ramanovo sipanje daje šibek signal, je najpomembnejše, da se v Ramanovem spektrometru uporabljajo visokokakovostne, optično dobro usklajene komponente.

Od zbiranja podatkov do analize, ReactRaman™ z iC Raman™ prinaša analizo sestave v vsak laboratorij. Avtomatizirana izbira parametrov zagotavlja natančno zbiranje podatkov, kar znanstvenikom omogoča, da dobijo zanesljive rezultate. Prav prvič, vsakič, v vsakem procesu z vsakim uporabnikom.

Kompaktna zmogljivost
Vodilna zmogljivost v razredu z odlično stabilnostjo in občutljivostjo v kompaktnem paketu, ki ga je mogoče zložiti. Uvajanje je lahko kjerkoli v laboratoriju za paket ali tok. En sam robusten priključek zagotavlja lastno varnost in zagotavlja poravnavo za brezskrbne meritve.

Eksperimentiranje, bogato z informacijami
Pridobivanje in analiza podatkov je hitra in enostavna s standardno programsko opremo iC za analizo reakcij. Programska oprema iC brezhibno vključuje več ortogonalnih podatkovnih tokov za povezovanje procesnih spremenljivk, ki spodbujajo celovito razumevanje procesa.

Skupno strokovno znanje
Na tisoče PAT instalacij po vsem svetu in štiri desetletja izkušenj je vgrajenih v ReactRaman 802L. Naša globalna strokovna ekipa za podporo je zavezana zagotavljanju uspeha uporabnikov z usposabljanji in razvojem aplikacij, osebno ali virtualno, kadar koli je to potrebno.

Ko se spekter dosledno zbira med poskusom, lahko razkrije "molekularni video", ki zagotavlja ključne informacije o kinetiki, mehanizmih in spremembah oblike med reakcijo.

Tradicionalno so to analizo izvajali spektroskopisti s strokovnim znanjem pri iskanju ključnih področij zanimanja in trendu teh valovnih števil skozi čas. Vendar pa je napredek v programski opremi (kot je funkcija »Poišči trende« v iC Raman 7) omogočil avtomatizacijo tega strokovnega znanja na način, da lahko strokovnjaki in nestrokovnjaki zlahka hitro izvlečejo ključne informacije za hitro in samozavestno odločanje.

Dow Toray Co., LTD, "Nova sinteza silikona z natančno nadzorovano polimerizacijo", METTLER TOLEDO, 2020.

Za široko paleto industrij različne lastnosti silikona omogočajo podjetjem, da oblikujejo izdelke s posebnimi, primernimi lastnostmi. Ti izdelki izkoriščajo različne lastnosti silikonskih gum, kot so trdnost, toplotna upornost in stabilnost. Običajno se silikon proizvaja s hidrolizo klorosilana, ki mu sledi dodatek končne funkcionalne skupine ali s polikondenzacijo cikličnega siloksana. Vsaka od teh metod so ravnotežne reakcije, ki proizvajajo produkte z nizko molekularno maso s široko porazdelitvijo molekulske mase.

Raziskovalci Dow so razvili alternativno sredstvo za proizvodnjo silikona, ki temelji na natančno nadzorovani polimerizaciji, da bi dobili izdelek s ciljnimi, enakomernimi dolžinami verige. V tej sintezi reaktant na osnovi litija služi za odpiranje cikličnega tri-siloksanskega obroča, čemur sledi dodajanje drugega cikličnega siloksanskega reagenta, da se dobi monodisperzni silikonski polimer.

To novo silikonsko polimerizacijo, ki ima za posledico monodisperzni izdelek z natančno nadzorovanimi dolžinami verige, spremlja ReactRaman, kar odpravlja zamude in reakcijske negotovosti, povezane z GC analizo brez povezave. Začetek reakcije, napredek in kinetika se zlahka merijo z Ramanovo metodo, kar zagotavlja neprekinjeno preverjanje v realnem času, da reakcija poteka po pričakovanjih.

Spektroskopija ReactRaman je del integrirane družine izdelkov, ki vključuje:

• ReactIR in situ FTIR spektrometer
• Karakterizacija delcev ParticleTrack in ParticleView
• Reaktorji za kemično sintezo EasyMax, OptiMax in RX-10
• EasySampler Inline avtomatizirano vzorčenje

Ta orodja, zasnovana posebej za razvoj kemikalij in procesov, so združena v zmogljivi programski platformi iC, da zagotovijo celovito razumevanje procesov.