Espectroscopia Raman

La espectroscopia Raman es una técnica espectroscópica molecular que usa la interacción de la luz con la materia para obtener información sobre la composición o las características de un material, como FTIR. La información proporcionada por la espectroscopia Raman es el resultado de un proceso de dispersión de la luz, mientras que la espectroscopia IR se basa en la absorción de la luz. La espectroscopia Raman proporciona información sobre las vibraciones intramoleculares e intermoleculares y puede proporcionar una comprensión adicional sobre una reacción. Tanto la espectroscopia FTIR como Raman proporcionan un espectro característico de las vibraciones específicas de una molécula (“huella molecular”) y son valiosas para identificar una sustancia. Sin embargo, la espectroscopia Raman puede proporcionar información adicional sobre los modos de frecuencia más baja y las vibraciones que permiten comprender la red cristalina y la estructura molecular de la columna vertebral. 

La espectroscopia Raman en línea se usa para monitorizar los procesos de cristalización y revelar los mecanismos de reacción y la cinética. Estos datos permiten, en combinación con herramientas de análisis, la comprensión y optimización de las reacciones bien fundadas. 

El proceso de dispersión Raman, como lo describe la mecánica cuántica, es cuando los fotones interactúan con una molécula y la molécula puede avanzarse a un estado virtual de mayor energía. Como consecuencia de este estado de mayor energía, puede haber algunos resultados diferentes. Uno de estos resultados sería que la molécula se relaja a un nivel de energía vibratoria que es diferente al de su estado inicial, con lo que se produce un fotón de energía diferente. La diferencia entre la energía del fotón incidente y la energía del fotón disperso es el llamado cambio Raman.

Cuando el cambio de energía del fotón disperso es menor que el del fotón incidente, la dispersión se conoce como dispersión Stokes. Algunas moléculas pueden comenzar en un estado de excitación vibratoria y cuando se avanzan al estado virtual de mayor energía, pueden relajarse hasta un estado de energía final que es más bajo que el del estado de excitación inicial. Esta dispersión se conoce como dispersión anti-Stokes. 

A diferencia de la espectroscopia FTIR que observa los cambios en los momentos dipolares, Raman observa los cambios en la polarización de los enlaces moleculares. La interacción de la luz con una molécula puede inducir una deformación de su nube de electrones. Esta deformación se conoce como un cambio en la polarización. Los enlaces moleculares tienen transiciones de energía específicas en las que se produce un cambio de polarización, dando lugar a los modos activos Raman.  Por ejemplo, las moléculas que contienen enlaces entre los átomos homonucleares, tales como carbono-carbono, sulfuro-sulfuro y nitrógeno-nitrógeno, sufren un cambio en la polarización cuando los fotones interactúan con ellos. Estos son ejemplos de bonos que dan lugar a bandas espectrales activas de Raman, pero que no se verían o serían difíciles de ver en FTIR.

Debido a que Raman es un efecto inherentemente débil, los componentes ópticos de un espectrómetro Raman deben estar bien adaptados y optimizados. Además, dado que las moléculas orgánicas pueden tener una mayor tendencia a ser fluorescentes cuando se utiliza radiación de longitud de onda más corta, se suelen utilizar fuentes de excitación monocromática de longitud de onda más larga, como los diodos láser de estado sólido que producen luz a 785 nm.  

La espectroscopia Raman se usa en la industria para una variedad de aplicaciones como:

• Procesos de cristalización 
• Identificación de polimorfos
• Reacciones de polimerización
• Reacciones de hidrogenación
• Síntesis química
• Biocatálisis y catálisis enzimática
• Química de flujo
• Control de bioprocesos
• Reacciones de síntesis

Aunque las espectroscopias FTIR y Raman ofrecen información complementaria y, a menudo, son intercambiables, existen algunas diferencias prácticas que influyen en cuál de ellas es la óptima para un experimento determinado. La mayor parte de la simetría molecular permitirá tanto la actividad de Raman como la de IR. Un caso especial es si la molécula contiene un centro de inversión. En una molécula que contiene un centro de inversión, las bandas Raman y las bandas IR son mutuamente excluyentes, es decir, el enlace será Raman activo o IR activo pero no ambos. Una regla general es que los grupos funcionales que tienen grandes cambios en los dipolos son fuertes en IR, mientras que aquellos que tienen cambios débiles en los dipolos o un alto grado de simetría, se verán mejor en los espectros de Raman.

Elija la espectroscopia Raman en estos casos:

• La investigación de los enlaces de carbono en anillos alifáticos y aromáticos es de interés primario
• Enlaces que son difíciles de ver en FTIR (es decir, 0-0, S-H, C=S, N=N, C=C, etc.)
• El examen de las partículas en solución es importante, por ejemplo, polimorfismo
• Los modos de frecuencia más baja son importantes (por ejemplo, óxidos inorgánicos) 
• Se investigan las reacciones en medios acuosos
• Reacciones en las que la observación a través de una ventana de reacción es más fácil y segura (por ejemplo, reacciones catalíticas de alta presión, polimerizaciones, etc.)
• La investigación de los modos de red de frecuencia más baja es de interés
• Investigación de la iniciación de la reacción, el punto final y la estabilidad del producto de reacciones bifásicas y coloidales

Elija la espectroscopia FTIR en estos casos:

• Estudio de las reacciones en fase líquida
• Reacciones en las que los reactantes, reactivos, disolventes y especies de reacción presentan fluorescencia
• Los enlaces con fuertes cambios en los dipolos son importantes, por ejemplo, C=O, O-H, N=O
• Reacciones en las que los reactivos y reactantes se encuentran con un nivel de concentración bajo
• Reacciones en las que las bandas de disolventes son fuertes en Raman y pueden inundar la señal de especies clave
• Reacciones en las que los productos intermedios de esa forma son IR activos

La espectroscopia Raman ofrece numerosas ventajas. Dado que los instrumentos Raman usan láseres en la región visible, se pueden emplear cables flexibles de fibra óptica de sílice para excitar la muestra y recoger la radiación dispersa. Además, si fuera necesario, estos cables pueden ser bastante largos. Dado que se emplea luz visible, se puede usar vidrio o cuarzo para retener las muestras. En el estudio de las reacciones químicas, esto significa que el sensor Raman puede insertarse en una reacción o puede recoger espectros Raman a través de una ventana, por ejemplo, en un ciclo de muestras de reacción externa o en una celda de flujo. Este último enfoque elimina la posibilidad de contaminación del flujo de la muestra. La capacidad de usar cuarzo o zafiro de alta calidad como material de la ventana significa que las células de alta presión pueden emplearse para adquirir el espectro Raman de las reacciones catalíticas. En el estudio de los catalizadores, la espectroscopia operando que usa el efecto Raman es muy útil para estudiar reacciones in situ en tiempo real sobre superficies catalíticas. Otra ventaja de Raman es que los enlaces hidroxilos no son particularmente activos, lo que hace que la espectroscopia Raman en medios acuosos sea sencilla. La espectroscopia Raman se considera no destructiva, aunque algunas muestras pueden verse afectadas por la radiación láser. Una consideración que debe tenerse en cuenta al elegir esta técnica es el grado de fluorescencia de una muestra en particular. La dispersión Raman es un fenómeno débil y la fluorescencia puede inundar la señal, lo que dificulta la recogida de datos de calidad. Este problema a menudo se alivia usando una fuente de excitación de longitud de onda más larga.

Con respecto al análisis de reacción, la espectroscopia Raman es sensible a muchos grupos funcionales, pero es excepcional a la hora de obtener información molecular de la columna vertebral, proporcionando su propia huella molecular única. Dado que Raman usa una polarización de enlaces y tiene el potencial de medir frecuencias más bajas, es sensible a las vibraciones de la red cristalina, ofreciendo al usuario información polimórfica que puede ser difícil de obtener por parte de FTIR. Esto permite que Raman se use, de manera muy efectiva, para estudiar la cristalización y otros procesos complejos. 

Un espectrómetro Raman moderno y compacto consta de varios componentes básicos, incluido un láser que sirva como fuente de la excitación para inducir la dispersión Raman. Normalmente, los láseres de estado sólido se utilizan en los instrumentos modernos Raman con longitudes de onda populares de 532 nm, 785 nm, 830 nm y 1064 nm. Los láseres de longitud de onda más corta tienen secciones transversales de dispersión Raman más altas, por lo que la señal resultante es mayor; sin embargo, la incidencia de fluorescencia también aumenta a una longitud de onda más corta. Por esta razón, muchos sistemas Raman cuentan con el láser de 785 nm. La energía del láser se transmite a la muestra y se recoge de ella mediante cables de fibra óptica. Se utiliza un filtro de hendidura o de borde para eliminar la dispersión de Rayleigh y anti-Stokes y la luz dispersa restante de Stokes se transmite a un elemento de dispersión, normalmente una rejilla holográfica. Un detector CCD captura la luz, lo que da lugar al espectro Raman. Dado que la dispersión Raman produce una señal débil, es muy importante que en el espectrómetro Raman se usen componentes de alta calidad, ópticamente bien adaptados. 

Cuando el espectro se recoge de forma constante durante el transcurso de un experimento, puede revelar un “video molecular” que proporciona información clave sobre la cinética, los mecanismos y los cambios de forma durante una reacción. Normalmente, este análisis se ha realizado por espectroscopistas con conocimientos expertos en la búsqueda de áreas clave de interés y en la tendencia de estos números de onda a lo largo del tiempo. Sin embargo, los avances en software (como la función para encontrar tendencias o “Find Trends” de iC Raman 7) han permitido automatizar esta experiencia de manera que tanto los expertos como los no expertos puedan extraer información clave de forma rápida y fácil para tomar decisiones con rapidez y seguridad.

Rendimiento sólido. ReactRaman combina unas prestaciones inmejorables con un diseño flexible. El espectrómetro es pequeño, ligero y térmicamente estable, lo que ofrece resultados excepcionales dondequiera que se necesite.

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Experiencia compartida. Con más de 30 años de experiencia en el análisis de reacciones, nos comprometemos a desarrollar soluciones de alto rendimiento para que los científicos puedan resolver problemas químicos difíciles.

La espectroscopia de ReactRaman forma parte de una familia de productos integrada que incluye:

• Espectroscopia FTIR in situ de ReactIR
• Caracterización de partículas en línea ParticleTrack y ParticleView
• Reactores de síntesis química EasyMax, OptiMax y RX-10
• Muestreo automatizado en línea EasySampler

Estas herramientas, que están diseñadas específicamente para el desarrollo de procesos y productos químicos, se combinan en la potente plataforma de software iC para proporcionar una comprensión y un control exhaustivos del proceso.