Espectroscopia Raman

A espectroscopia Raman é uma técnica de espectroscopia molecular que utiliza a interação da luz com a matéria para determinar a constituição ou composição de um material, como a FTIR. As informações fornecidas pela espectroscopia Raman são resultado de um processo de difusão da luz, enquanto a espectroscopia IR se dá pela absorção da luz. A espectroscopia Raman resulta em informações sobre as vibrações intra e intermoleculares e possibilita um entendimento adicional sobre determinada reação. A espectroscopia Raman e a FTIR fornecem um espectro característico das vibrações específicas de uma molécula (“identidade molecular”) e são importantes para a identificação de uma substância. No entanto, a espectroscopia Raman pode fornecer informações adicionais sobre modos de baixa frequência e vibrações que aumentam a compreensão sobre a rede dos cristais e a estrutura molecular fundamental. 

A espectroscopia Raman Inline é utilizada para monitorar os processos de cristalização e revelar os mecanismos e a cinética de reação. Combinados com ferramentas de análise, esses dados permitem um entendimento embasado sobre reações e sua otimização. 

Quando a luz interage com as moléculas de um gás, líquido ou sólido, a maior parte dos fótons é dispersa ou propagada com a mesma energia que os fótons incidentes. Esse fenômeno é descrito como difusão elástica ou difusão Rayleigh. Uma pequena parte desses fótons, cerca de 1 fóton em 10 milhões, é propagada em uma frequência diferente da frequência do fóton incidente. Esse processo é chamado de difusão inelástica ou efeito Raman, em homenagem a Sir C.V. Raman, que descobriu o fenômeno e ganhou o Prêmio Nobel em Física em 1930 pelo seu trabalho. Desde aquela época, a espectroscopia Raman vem sendo utilizada para várias aplicações, de diagnósticos médicos à ciência dos materiais e análise de reações. A Raman permite que o usuário colete a assinatura vibracional de uma molécula, esclarecendo o modo como ela é formada, bem como a maneira em que interage com outras moléculas ao seu redor.

Ao contrário da Espectroscopia FTIR, que investiga mudanças nos momentos dipolares, a Raman investiga as mudanças na polarizabilidade das ligações moleculares. A interação da luz com uma molécula pode induzir à deformação de sua nuvem de elétrons. Sabe-se que essa deformação é uma mudança na polarizabilidade. As ligações moleculares têm transições de energia específicas nas quais ocorre uma mudança na polarizabilidade, dando origem aos modos ativos em Raman.  Como exemplo, as moléculas que contêm ligações entre átomos homonucleares, como as ligações carbono-carbono, enxofre-enxofre e nitrogênio-nitrogênio, sofrem uma mudança na polarizabilidade quando fótons interagem com elas. Esses são exemplos de ligações que dão origem às bandas espectrais ativas em Raman, mas que seriam difíceis de enxergar ou não seriam visíveis na FTIR.

Pelo fato de a Raman ser um efeito intrinsecamente fraco, os componentes ópticos de um Espectrômetro Raman deverão ser compatíveis e otimizados. Além disso, já que as moléculas orgânicas podem ter uma tendência maior de fluorescer quando uma radiação de comprimento de onda menor é utilizado, as fontes de excitação monocromática de comprimento de onda maior, como os diodos laser em estado sólido que produzem luz a 785 nm, são normalmente utilizadas.  

A espectroscopia Raman é utilizada na indústria para uma variedade de aplicações, incluindo:

• Processos deCristalização 
• Identificação de Polimorfos
• Reações de Polimerização
• Reações de Hidrogenação
• Síntese Química
• Biocatálise e Catálise Enzimática
• Química de Fluxo
• Monitoramento de Bioprocessos
• Reações de Síntese

Embora a Espectroscopia FTIR e a Raman forneçam informações complementares e sejam geralmente intercambiáveis, há algumas diferenças práticas que influenciam qual é a ideal para um experimento específico. A maior parte das simetrias moleculares possibilitam tanto a atividade Raman quanto a de infravermelho (IR). Um caso especial é quando a molécula contém um centro de inversão. Em uma molécula que contém um centro de inversão, as bandas Raman e IR se excluem mutuamente, isto é, ou a ligação é ativa em Raman ou ativa em IR, mas não em ambas. Uma regra geral é que grupos funcionais com grandes mudanças nos dipolos são fortes no IR, enquanto grupos funcionais com mudanças fracas de dipolo ou com um alto grau de simetria são melhor visualizadas no espectro Raman.

Opte pela Espectroscopia Raman quando:

• A investigação de ligações de carbono em anéis alifáticos e aromáticos forem de interesse primário
• Houver ligações que são difíceis de enxergar no FTIR (ou seja: 0-0, S-H, C=S, N=N, C=C etc.).
• A avaliação de partículas em solução for importante, como no polimorfismo
• Modos de baixa frequência forem importantes (como os óxidos inorgânicos) 
• Reações em meio aquoso forem investigadas
• Reações nas quais a observação por meio de uma janela de reação for mais fácil e mais segura (como reações catalíticas de alta pressão e polimerizações)
• A investigação dos modos de rede de baixa frequência for de interesse
• Na investigação da inicialização e do ponto final da reação e da estabilidade do produto de reações bifásicas e coloidais

Opte pela Espectroscopia FTIR quando:

• Estudar reações de fase líquida
• Nas reações em que os reactantes, reagentes, solventes e espécies da reação fluorescem
• Ligações com mudanças fortes de dipolo forem importantes (como C=O, O-H, N=O)
• Nas reações em que os reagentes e reactantes estão em concentrações baixas
• Nas reações em que as bandas de solvente são fortes em Raman e podem sobrecarregar o sinal de espécies fundamentais
• Nas reações em que os intermediários formados são ativos em IR

A Espectroscopia Raman oferece inúmeras vantagens. Pelo fato de os instrumentos da Raman utilizarem lasers na região do visível, cabos ópticos flexíveis de fibra de sílica poderão ser usados para excitar a amostra e coletar a radiação propagada, e esses cabos poderão ser bem compridos, caso necessário. Já que é utilizada a luz visível, pode-se utilizar vidro ou quartzo para guardar as amostras. No estudo das reações químicas, isso significa que o sensor Raman pode ser inserido em uma reação ou pode coletar o espectro Raman por meio de uma janela, como por exemplo: em um ciclo de amostra externo de reação ou célula de fluxo. Essa última abordagem elimina a possibilidade de contaminação do fluxo da amostra. A possibilidade de usar quartzo ou Safira de Alto Grau como material de janela significa que células de alta pressão podem ser usadas para alcançar o espectro Raman das reações catalíticas. No estudo dos catalisadores, a operação da espectroscopia usando o efeito Raman é bem útil para estudar as reações in situ em tempo real em superfícies catalíticas. Outra vantagem da Raman é que ligações de hidroxila não são particularmente ativas em Raman, tornando simples a espectroscopia Raman em meio aquoso. A espectroscopia Raman é considerada não destrutiva, embora algumas amostras possam ser afetadas pela radiação a laser. Uma consideração que precisa ser feita ao escolher essa técnica é o quanto uma amostra específica pode ser fluorescente. A dispersão Raman é um fenômeno fraco e a fluorescência pode sobrecarregar o sinal, tornando difícil a coleta de dados de qualidade. Esse problema geralmente pode ser amenizado com o uso de uma fonte de excitação de tamanho maior de onda.

Com relação à análise da reação, a espectroscopia Raman é sensível a vários grupos funcionais, mas é excepcional na obtenção de informações fundamentais sobre as moléculas, fornecendo sua identidade molecular única. Pelo fato de a Raman usar uma polarizabilidade de ligações e ter o potencial de medir frequências menores, ela é sensível a vibrações da rede cristalina, dando ao usuário informações sobre polimorfismo que podem ser difíceis de obter por FTIR. Isso permite que a Raman seja usada com bastante eficiência no estudo da cristalização e outros processos complexos. 

Um espectrômetro de Raman moderno e compacto consiste de vários componentes básicos, incluindo um laser que serve como fonte de excitação para induzir a difusão Raman. Geralmente, lasers de estado sólido são usados em instrumentos modernos Raman, com tamanhos de ondas comuns de 532 nm, 785 nm, 830 nm e 1.064 nm. Os lasers de menor tamanho de onda têm uma maior difusão Raman entre as seções transversais, de modo que o sinal resultante é maior. Entretanto, a incidência de fluorescência também aumenta em comprimentos de onda menores. Por esse motivo, muitos sistemas Raman contêm o laser de 785 nm. A energia do laser é transmitida para a amostra e coletada da mesma por cabos de fibra óptica. Um entalhe ou filtro de extremidade é usado para eliminar as difusões Rayleigh e anti-Stokes, e a luz difusa de Stokes remanescente é passada em um elemento de dispersão, normalmente uma grade holográfica. Um detector CCD captura a luz, resultando no espectro Raman. Já que a difusão Raman resulta em um sinal fraco, é de vital importância que componentes de alta qualidade e adequação óptica sejam usados no espectrômetro de Raman. 

Quando o espectro é obtido de forma consistente ao longo de um experimento, ele pode revelar um “vídeo molecular” que fornece informações essenciais relacionadas à cinética, aos mecanismos e às mudanças de forma durante uma reação. Tradicionalmente, essa análise tem sido realizada por espectroscopistas com conhecimento especializado em descobrir áreas fundamentais de interesse e compor a tendência dos números de onda. No entanto, os avanços no software (como o recurso 'Find Trends' (Encontrar Tendências) no iC Raman 7) possibilitaram a automação desse conhecimento especializado de forma que especialistas e não especialistas possam extrair com facilidade e rapidez informações essenciais para a tomada de decisão rápida e confiável.

Desempenho Compacto. O ReactRaman combina desempenho de alto nível com um design flexível. O espectrômetro é pequeno, leve e termicamente estável, proporcionando resultados excelentes sempre que necessário.

Resultados Rápidos e Precisos. Otimizado para monitoramento in situ, o ReactRaman proporciona espectros precisos e sensíveis que podem ser facilmente convertidos em resultados com o One Click Analytics™ no iC Raman.

Plataforma Integrada. Combine com o Infravermelho Médio, com a Caracterização de Partículas e com Reatores Químicos Automatizados para entendimento e controle abrangentes.

Conhecimento Especializado Compartilhado. Com mais de 30 anos de conhecimento especializado em análise de reações, somos comprometidos com o desenvolvimento de soluções de alto desempenho para que os cientistas possam resolver problemas desafiadores em química.

A Espectroscopia ReactRaman faz parte de uma série integrada de produtos, que inclui:

• Espectroscopia FTIR ReactIR in situ
• Caracterização de partículas inline ParticleTrack e ParticleView
• Reatores de síntese química EasyMax, OptiMax e RX-10
• Amostragem Automatizada Inline EasySampler

Concebidas especificamente para o desenvolvimento de produtos químicos e de processos, essas ferramentas são combinadas na robusta plataforma de software iC, fornecendo um entendimento abrangente do processo.