Espectroscopia raman para análise química

Fonte: Laboratório do Dr. Ryoichi Ishihara — Delft University of Technology

A espectroscopia de Raman é uma técnica para analisar modos vibracionais e de baixa frequência em um sistema. Em química é usado para identificar moléculas por sua impressão digital Raman. Na física de estado sólido é usado para caracterizar materiais, e mais especificamente para investigar sua estrutura cristalina ou cristalina. Comparado com outras técnicas para investigar a estrutura cristalina (por exemplo, microscópio eletrônico de transmissão e difração de raios-X) a microespectroscopia de Raman não é destrutiva, geralmente não requer preparação de amostras, e pode ser realizada em pequenos volumes de amostra.

Para realizar a espectroscopia raman um laser monocromático é brilho em uma amostra. Se necessário, a amostra pode ser revestida por uma camada transparente que não é Raman ativa (por exemplo, SiO₂) ou colocada em água DI. A radiação eletromagnética (tipicamente na faixa infravermelha próxima, visível ou perto de ultravioleta) emitida a partir da amostra é coletada, o comprimento de onda laser é filtrado (por exemplo, por um entalhe ou filtro de bandpass), e a luz resultante é enviada através de um monocromador (por exemplo, uma grade) para um detector CCD. Usando isso, a luz dispersa inelástica, originária da dispersão de Raman, pode ser capturada e usada para construir o espectro Raman da amostra.

No caso da microespectroscopia raman, a luz passa por um microscópio antes de chegar à amostra, permitindo que ela seja focada em uma área tão pequena quanto 1 μm². Isso permite um mapeamento preciso de uma amostra, ou microscopia confocal, a fim de investigar pilhas de camadas. No entanto, é preciso ter cuidado para que o pequeno e intenso ponto laser não danifique a amostra.

Neste vídeo explicaremos brevemente o procedimento para a obtenção de um espectro raman, e um exemplo de um espectro Raman capturado a partir de nanotubos de carbono será dado.

A espectroscopia de Raman depende da dispersão de Raman, que é a dispersão inelástica de um fóton com modos de baixa frequência (por exemplo, modos vibracionais ou rotacionais) em um sistema de átomos ou dentro de moléculas. Isso contrasta com a espectroscopia de IR, que depende da absorção da luz IR por modos de baixa frequência em um sistema. Ambas as técnicas fornecem informações semelhantes, mas complementares. No entanto, isso não significa que as características vibracionais sejam raman e IR 'ativos', ou seja, eles aparecem quando sondados. Para moléculas, uma vibração é Raman ativa quando causa uma mudança na polarizabilidade, enquanto para espectroscopia de RI uma vibração é visível quando causa uma mudança no momento do dipolo. Isso significa que para a espectroscopia de Raman não é necessário nenhum momento de dipolo permanente. Para moléculas com um centro de simetria, ambos os métodos espectroscópicos são exclusivos mútuos. As ligações polares geralmente dão um sinal de Raman fraco, enquanto as ligações neutras geralmente são intensas por Raman, pois envolvem uma grande mudança na polarizabilidade durante as vibrações. Finalmente, dois draw-backs de espectroscopia de IR são que a água não pode ser usada como solvente e a preparação da amostra é mais complexa. Um espectroscópio Raman é, no entanto, mais caro.

O fóton emitido após a dispersão tem uma frequência menor ou maior do que o fóton incidente, que é chamado de dispersão de Stokes e anti-Stokes, respectivamente. As linhas Stokes e anti-Stokes têm a mesma mudança de energia, mas sua magnitude difere dependendo, por exemplo, da temperatura do substrato. Para moléculas, os fótons interagem com as ligações e vibrações em uma molécula que são sensíveis ao comprimento de onda laser usado. Isso faz com que a molécula seja saída para um estado de energia virtual por um curto período de tempo, após a qual ela inelasticamente emite um fóton. No caso de materiais de estado sólido, o fóton de entrada cria e o par de orifícios de elétrons, que pode se espalhar com um fônon na rede de cristal. Um fônon é uma quase-partícula, que descreve um movimento vibracional quantizado coletivo em uma rede de átomos ou moléculas em matéria condensada. Após este evento de dispersão, o buraco de elétrons se decomcai e emite um fóton com uma frequência deslocada.

O espectro desses fótons dispersos é o espectro Raman, que mostra a intensidade dos fótons dispersos versus a diferença de frequência (medida em números de ondas com unidades cm^-1) aos fótons incidentes. Os picos só aparecem no espectro Raman se os modos vibracionais no sistema forem sensíveis ao comprimento de onda laser usado, e sua intensidade e localização podem diferir entre comprimentos de onda laser. Normalmente, os picos caem dentro de uma faixa de 500-2.000 cm^-1, e picos de ordem mais altas podem ser encontrados em torno de múltiplos do número de ondas do pico raman de primeira ordem. A intensidade dos picos depende de muitos fatores, incluindo o poder do laser, foco, tempo de aquisição e a probabilidade de a dispersão ocorrer. Assim, as intensidades entre espectros não podem ser comparadas diretamente, e devem ser sempre convertidas em proporções de intensidade. A largura total ao meio máximo (FWHM) de um pico pode ser comparada diretamente entre diferentes medições.

1. Ligue o laser necessário e selecione a óptica correta para o comprimento de onda utilizado. Deixe o laser aquecer para obter uma emissão estável ao longo do tempo.
2. Realize a calibração necessária do espectroscópio Raman. Isso depende do instrumento, mas aqui uma amostra interna de referência Si é usada para calibrar a mudança de Raman para a posição conhecida do pico cristalino de Si Raman. Si é frequentemente usado, pois dá um forte pico acentuado em uma posição conhecida que é insensível ao comprimento de onda laser. Em primeiro lugar, o espectro Raman da amostra de referência é obtido usando uma energia e tempo de exposição adequados. O número de ondas do espectro obtido é comparado aos valores da literatura (no caso de Si um forte pico de 520,7±0,5 cm^-1 deve ser observado). Em caso de incompatibilidade, a posição do CCD em relação ao monocromático (muitas vezes uma grade) tem que ser alterada. A maioria das ferramentas Raman disponíveis comercialmente incluem rotinas de calibração para conseguir isso.
3. Coloque a amostra sob o microscópio e foque na camada que precisa ser investigada. Em geral, um gabinete escuro é usado para remover a luz perdida. Certifique-se de que o caminho do laser não está obstruído por absorção de luz ou camadas ativas de Raman, a fim de obter um espectro limpo. Na literatura, os espectros de Raman podem ser encontrados retirados de muitos materiais, que podem ser usados para determinar quais materiais podem influenciar o experimento. Se picos desconhecidos aparecem ao lado dos picos conhecidos por se originarem da amostra, eles podem por raios cósmicos (que geralmente são apenas alguns números de ondas de largura e muito intenso), ou outras camadas interferindo na medição. Se a camada for fina em comparação com o comprimento de atenuação do laser no material, é provável que o substrato por baixo também seja sondado.
4. Selecione a gama de números de ondas que devem ser escaneadas pelo monocromático. Isso é altamente dependente de amostras. Geralmente na literatura podem ser encontradas as regiões em que os picos de Raman interessados aparecerão. Para amostras completamente desconhecidas, pode ser realizada uma varredura de teste de ampla gama (por exemplo, de 100 a 2.000 cm^-1). No entanto, varreduras estendidas consumirão mais tempo. Selecione uma intensidade laser que produz sinal suficiente, mas que não danifique a rede cristalina do material sob investigação (por exemplo, se o Si amorfo é investigado um laser de alta intensidade pode cristalizar a amostra). Isso pode ser verificado por imagem do mesmo local duas vezes, se o espectro mudar danos pode ter ocorrido. Se o sinal estiver muito fraco, o tempo de exposição pode ser aumentado.
5. Adquira o espectro da amostra. Isso geralmente é feito automaticamente pelo instrumento enquanto digitaliza o monocromático e lê a saída ccd. Nenhuma varredura de fundo deve ser realizada se a amostra estiver em um gabinete completamente escuro, caso contrário, a luz perdida influenciará a medição.
6. Investigue os dados usando software apropriado e usando a literatura. Isso pode incluir a remoção de raios cósmicos, que aparecem como linhas muito nítidas e intensas no espectro e geralmente podem ser completamente removidos.. A interferência com o substrato ou contaminantes pode resultar em uma linha de base, que pode ser removida montagem de uma curva apropriada (por exemplo, linha linear ou linha spline) para as regiões do espectro que se espera que sejam planas (ou seja, não contêm picos de Raman originários da amostra). Para alguns materiais, os diferentes picos de Raman podem aparecer tão próximos entre si que o pico de desconvolução pode ser necessário, para este verificar a literatura sobre o material.

O espectro Raman retirado de nanotubos de carbono multi-paredes usando um laser de 514 nm é mostrado na Figura 1. A linha de base linear foi removida e os dados foram normalizados para a característica mais intensa em torno de 1.582 cm^-1.

Vários picos podem ser observados, que se originam de diferentes características cristalinas da amostra. O pico D a 1.350 cm^-1 origina-se formando duplo fônon elástico de ressonância dispersão com um defeito na rede de cristal. O pico G (1.582 cm^-1) está relacionado com a ligação C-C hibridizada sp² e pode ser encontrado em qualquer material gracótico. Este pico forte na verdade tem um ombro no lado direito do espectro, que é o pico D' em torno de 1.620 cm^-1. Este pico está novamente relacionado com defeitos.

Em números de ondas mais altas vários outros picos podem ser observados. O pico G' (ou 2D) em torno de 2.700 cm^-1 é o tom da banda D, e é causado por dois processos de dispersão de fônons inelásticos. Por causa disso, não precisa de defeitos e pode ser encontrado em amostras cristalinas altas. O mesmo acontece com a banda 2D em torno de 3.240 cm^-1, que é o tom da banda D. Finalmente, o D+G em torno de 2.930 cm^-1 é o tom combinado da banda D e G.

Figura 1. Espectro raman de nanotubos de carbono multi-paredes. O espectro foi obtido utilizando um laser de 514 nm, a linha de base linear foi removida mediante a montagem das áreas planas do espectro e o espectro é normalizado para o pico G.

A espectroscopia de Raman pode ser aplicada em uma ampla gama de campos, desde (bio)química até física de estado sólido. Em química, a espectroscopia de Raman pode ser usada para investigar mudanças em ligações químicas e identificar moléculas específicas (orgânicas ou inorgânicas) usando sua impressão digital raman. Isso pode ser feito na fase de gás, líquido ou estado sólido do material. Tem sido, por exemplo, usado na medicina para investigar os componentes ativos dos medicamentos, e os analisadores de gás Raman são usados para monitoramento em tempo real de gases respiratórios durante a cirurgia.

Na física de estado sólido, a espectroscopia de Raman é usada para caracterizar materiais e determinar sua orientação cristalina, composição, estresse, temperatura e cristalidade. Tem sido usado para identificar composições minerais, e pode ser usado em análises de evidências forenses. Também é possível observar plasmons, e outras excitações de baixa frequência do sólido usando espectroscopia de Raman. Especificamente para materiais gralíticos, tem sido usado para investigar a cristalinalidade, o diâmetro de nanotubos de parede única e dupla, e sua quiralidade. Para grafeno também pode ser usado para identificar o número de camadas de grafeno.

Uma grande vantagem da espectroscopia de Raman sobre outros métodos espectroscópicos é que normalmente não requer preparação de amostras se você pode se concentrar na amostra com um microscópio, pode analisar amostras de tamanho μm, não requer contato e não é destrutivo.