Spektroskopia Ramana

Spektroskopia Ramana (inaczej: spektroskopia ramanowska) – technika spektroskopowa polegająca na pomiarze promieniowania rozproszenia Ramana, tj. nieelastycznego rozpraszania fotonów.

Symetria cząsteczki decyduje, które drgania są aktywne w widmie rozproszenia Ramana co wyraża się poprzez reguły wyboru określające prawdopodobieństwo zaobserwowania (intensywność) danego pasma. Zgodnie z regułą wyboru w widmie Ramana pojawią się tylko te drgania, w których zmienia się polaryzowalność w taki sposób, że nie ma ona ekstremum w położeniu równowagi.

Spektroskopia ramanowska wzajemnie uzupełnia się ze spektroskopią w podczerwieni. Istnieje tak zwane spektroskopowe kryterium polarności wiązania.

Rodzaje pasm obserwowanych w widmie Ramana

Diagram energii przejść w poszczególnych rodzajach rozpraszania

• Pasma Rayleigha – powstające na skutek oddziaływania fotonów padającego promieniowania o częstości ν₀, niepasujących do poziomów energetycznych cząsteczki. Gdy molekuła po oddziaływaniu z promieniowaniem powraca na ten sam poziom energetyczny, to zjawisko to sprowadza się do klasycznego rozproszenia Rayleigha.
• Pasma stokesowskie – gdy cząsteczka po oddziaływaniu z promieniowaniem przenosi się na wyższy poziom oscylacyjny i rozproszony foton ma energię mniejszą o różnicę energii poziomów oscylacyjnych hν. Nazwa Pasmo stokesowskie powstała przez analogię do obowiązującej we fluorescencji reguły Stokesa.
• Pasma antystokesowskie – jeśli przed oddziaływaniem z promieniowaniem molekuła znajdowała się na wzbudzonym poziomie oscylacyjnym, to oddziaływanie przenosi ją na podstawowy (zerowy) poziom oscylacyjny. Energia rozproszonego fotonu jest większa o różnicę energii poziomów oscylacyjnych hν. Pasmo antystokesowskie pojawia się w widmie Ramana po przeciwnej stronie co pasmo stokesowskie w stosunku do pasma Rayleigha. Pasmo to ma zwykle niższą intensywność niż pasma stokesowskie.

Intensywność rozproszenia ramanowskiego

Warunkiem pojawienia się pasma ramanowskiego jest zmiana polaryzowalności cząsteczki w czasie drgania normalnego w taki sposób, że nie ma ona ekstremum (minimum bądź maksimum) w położeniu równowagi. Polaryzowalność jest wielkością tensorową, jej obrazem jest elipsoida polaryzowalności. Ze względu na kształt elipsoidy polaryzowalności wyróżnia się:

• cząsteczki izotropowe – oddziaływanie pola elektrycznego wywołuje skutki jednakowe we wszystkich kierunkach, tensor ma tylko jednakowe składowe na przekątnej,
• cząsteczki anizotropowe – oddziaływanie pola elektrycznego wywołuje skutki zależne od kierunku, polaryzowalność jest tensorem i może być zobrazowana elipsoidą, molekuły takie mają średnią polaryzowalność.

Znaczne wzmocnienie intensywności widma Ramana zachodzi w przypadku adsorpcji badanej substancji na powierzchni niektórych metali (srebro, złoto, platyna) lub na odpowiednich zolach metalicznych. Wywodzi się z tego metoda spektroskopowa powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana (SERS).

Inną techniką pozwalającą na uzyskanie wzmocnienia intensywności sygnałów jest rezonansowa spektroskopia Ramana (RRS), w której promieniowanie wzbudzające spełnia warunki rezonansu dla wzbudzenia elektronowego.

Spektrometry ramanowskie

Ze względu na to, że częstotliwość linii widma ramanowskiego jest bliska częstotliwości promieniowania wzbudzającego, promieniowanie wzbudzające musi być monochromatyczne, aby można było zaobserwować nawet nieznaczne przesunięcia w widmie.

Do wzbudzania stosuje się bardzo silne źródła promieniowania. Obecnie stosuje się lasery, ponieważ w interakcje z cząsteczką wchodzi tylko jeden foton na około 10 milionów. Stosuje się lasery o działaniu ciągłym, gazowe lub barwnikowe, jonowy laser argonowy.

Intensywność rozproszenia jest proporcjonalna do czwartej potęgi częstotliwości promieniowania, dlatego często stosuje się ultrafiolet (UV Raman). Lasery o niższej częstotliwości pozwalają natomiast uniknąć fluorescencji zakłócającej pomiar widma Ramana. Ze względu na niewielką intensywność promieniowania rozproszonego, do detekcji potrzebne są bardzo czułe układy.

W spektroskopii Ramana powstaje widmo rozproszeniowe, dlatego też obserwacje prowadzi się pod kątem, 0, 90, 180°. Kuwety, w których umieszcza się badaną substancję, budowane są ze szkła lub kwarcu.

Metodyka spektroskopii Ramana

Jako wzorce stosuje się tetrachlorometan i cykloheksan.

W widmie Ramana intensywność promieniowania (I) wychodzącego z próbki jest liniową funkcją stężenia molowego i grubości warstwy, podczas gdy w widmie podczerwieni zależność ta jest wykładnicza.

W celu otrzymania dobrego widma Ramana badana substancja powinna być optycznie jednorodna, niemętna, bezbarwna, niefluoryzująca. Ilości substancji potrzebne do badań są rzędu jednego miligrama.

Nieliniowe spektroskopie Ramana

Zjawisko Ramana może zachodzić także w sposób nieliniowy (z udziałem więcej niż dwóch fotonów). Wykorzystuje się to w nieliniowych spektroskopiach Ramana, wśród których wyróżnia się, między innymi:

• Hyper Raman
• CARS – Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy