Рамановская спектроскопия

Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния) — это метод молекулярной спектроскопии, основанный на взаимодействии света с веществом. Он позволяет получить представление о структуре материала или его характеристиках, и в этом отношении схож с методом ИК-Фурье спектроскопии (FTIR). Рамановская спектроскопия основана на изучении рассеянного света, тогда как ИК-спектроскопия основана на поглощении света. Рамановская спектроскопия дает информацию о внутримолекулярных и межмолекулярных колебаниях и помогает составить более полное представление о реакции. Как рамановская, так и ИК-Фурье спектроскопия дают спектральную характеристику колебаний молекул («молекулярный отпечаток») и применяются для идентификации веществ. При этом рамановская спектроскопия может дать дополнительную информацию о низкочастотных модах и колебаниях, которые указывают на особенности кристаллической решетки и молекулярной структуры. 

Поточная рамановская спектроскопия используется для мониторинга процессов кристаллизации, выявления механизмов и кинетики реакции. В сочетании с аналитическими инструментами эти данные позволяют глубже понять и оптимизировать реакцию. 

Когда свет взаимодействует с молекулами в газе, жидкости или твердом теле, подавляющее большинство фотонов рассеивается, имея ту же энергию, что и падающие фотоны. Этот процесс называется упругим или рэлеевским рассеянием. Некоторые фотоны — примерно один из 10 миллионов — после рассеяния приобретают частоту, отличную от частоты падающего фотона. Этот процесс называется неупругим рассеянием или эффектом Рамана, названным так в честь сэра Чандрасекхара Венката Рамана, который открыл его и в 1930 году был удостоен Нобелевской премии по физике. С тех пор эффект Рамана широко применяется в различных областях — от диагностики в медицине до материаловедения и анализа реакций. Эффект Рамана позволяет узнать колебательную характеристику молекулы, дающую представление о том, как она устроена и как взаимодействует с другими молекулами.

С точки зрения квантовой механики процесс рамановского (комбинационного) рассеяния заключается в том, что при взаимодействии фотонов с молекулой та может перейти в виртуальное состояние с более высокой энергией. Существует несколько вероятных сценариев выхода молекулы из этого состояния. В одном из них молекула может перейти в состояние с уровнем колебательной энергии, который отличается от начального уровня, испустив при этом фотон с другой энергией. Разница между энергией падающего фотона и энергией рассеянного фотона называется рамановским сдвигом.

Если энергия рассеянного света уменьшается, такое рассеяние называют стоксовым. Некоторые молекулы изначально находятся в возбужденном колебательном состоянии, и тогда после перехода в виртуальное состояние с более высокой энергией они могут перейти в конечное состояние с энергией ниже, чем у исходного возбужденного состояния. Такое рассеяние называется антистоксовым. 

В отличие от ИК-Фурье спектроскопии, которая показывает изменения дипольных моментов, рамановская спектроскопия показывает изменения поляризуемости молекулярных связей. Взаимодействие света с молекулой может вызвать деформацию ее электронного облака. Эта деформация называется изменением поляризуемости. При определенных энергетических переходах, сопровождаемых изменениями в поляризуемости молекулярных связей, возникают активные рамановские моды.  Например, изменения в поляризуемости при взаимодействии с фотонами происходят в молекулах, имеющих гомоядерные связи: углерод — углерод, сера — сера или азот — азот. Все эти связи порождают активные полосы в рамановском спектре, но в ИК-спектрах они не будут проявляться либо будут проявляться слабо.

Поскольку рамановский эффект слабый, оптические компоненты рамановского спектрометра должны быть специальным образом оптимизированы и хорошо отъюстированы. Кроме того, поскольку органические молекулы могут быть склонны к флуоресценции под воздействием коротковолнового излучения, обычно используются монохроматические источники с большой длиной волны, например твердотельные диодные лазеры, которые излучают свет с длиной волны 785 нм.  

Рамановская спектроскопия используется в промышленности для решения различных задач, в том числе:

• Изучение процессов кристаллизации
• Идентификация полиморфных форм
• Изучение реакций полимеризации
• Изучение реакций гидрогенизации
• Химический синтез
• Биокатализ и ферментативный катализ
• Химические процессы в потоке
• Мониторинг биологических процессов
• Изучение реакций синтеза

Хотя методы ИК-Фурье и рамановской спектроскопии во многих случаях взаимозаменяемы и хорошо дополняют друг друга, существуют различия, которые следует учитывать при выборе того или иного метода на практике. Большинство молекул, обладающих симметрией, проявляют себя и в инфракрасном, и в рамановском спектрах. Особый случай представляют молекулы с центром инверсии. Если молекула обладает центром инверсии, то полосы рамановского рассеяния и ИК-полосы будут взаимоисключающими, то есть связь будет активна либо в рамановском, либо в ИК-спектре. Существует общее правило: функциональные группы с сильными изменениями дипольного момента хорошо заметны в ИК-спектре, тогда как функциональные группы со слабыми изменениями или с высокой степенью симметрии лучше видны в рамановских спектрах.

Рамановскую спектроскопию рекомендуется выбирать в следующих случаях:

• если требуется исследовать углеродные связи в алифатических и ароматических кольцах;
• если необходимо выявить связи, которые трудно увидеть в ИК-спектрах (например, O–O, S–H, C=S, N=N, C=C и т. д.);
• если проводится исследование частиц в растворе, например при изучении полиморфизма;
• если изучаются низкочастотные моды (например, в неорганических оксидах); 
• для изучения реакций в водных средах;
• если наблюдение за ходом реакции проще и безопаснее осуществлять через смотровое окно (например, каталитические реакции при высоком давлении, полимеризация);
• для исследования низкочастотных колебаний кристаллической решетки;
• для определения точек начала и конца реакции, исследования стабильности продукта в двухфазных и коллоидных реакциях.

ИК-Фурье спектроскопию рекомендуется выбирать в следующих случаях:

• для исследования жидкофазных реакций;
• если реактанты, реагенты, растворители и прочие компоненты, участвующие в реакции, флуоресцируют;
• если важны связи с сильным изменением дипольного момента (например, C=O, O–H, N=O);
• если реагенты и реактанты имеют низкую концентрацию;
• если полосы растворителя сильно проявляются в рамановском спектре и могут заглушить сигнал основных компонентов;
• если промежуточные продукты реакции активны в ИК-спектре.

Рамановская спектроскопия обладает множеством преимуществ. Поскольку в рамановских спектрометрах используются лазеры видимого диапазона, для возбуждения образца и сбора рассеянного излучения могут использоваться гибкие оптоволоконные кабели из кварцевого стекловолокна. При необходимости эти кабели можно сделать довольно длинными. Поскольку используется видимый свет, образцы можно поместить в стеклянную или кварцевую посуду. Следовательно, при изучении химических реакций зонд рамановского спектрометра можно ввести в реакционную среду или регистрировать спектры рамановского рассеяния через окно, например, во внешнем пробоотборном контуре или в проточной ячейке. Последний метод исключает возможность загрязнения образца. Поскольку в качестве материала для окна можно использовать кварц или высококачественный сапфир, рамановские спектры каталитических реакций можно наблюдать в ячейках высокого давления. При исследовании катализаторов оперативная спектроскопия с использованием эффекта Рамана полезна для изучения реакций на каталитических поверхностях in situ в режиме реального времени. Еще одно преимущество рамановской спектроскопии заключается в том, что гидроксильные связи не очень активны в рамановском спектре, и поэтому данный метод подходит для водных сред. Рамановская спектроскопия считается неразрушающей, хотя лазерное излучение может повлиять на некоторые образцы. При выборе этого метода необходимо учитывать, насколько конкретный образец может быть склонен к флуоресценции. Рамановское рассеяние — слабый эффект, и флуоресценция может заглушить сигнал, затрудняя получение качественных данных. Эту проблему зачастую можно решить, используя источник возбуждения с большей длиной волны.

Что касается анализа реакций, рамановская спектроскопия чувствительна ко многим функциональным группам, но особенно эффективна при получении информации о молекулярной структуре. Рамановский спектр уникальным образом характеризует молекулы. Поскольку рамановская спектрометрия опирается на поляризуемость связей и способна измерять низкие частоты, она чувствительна к колебаниям кристаллической решетки, дающим информацию о полиморфизме. ИК-Фурье спектроскопия в этом отношении менее информативна. Это позволяет с большой эффективностью использовать рамановскую спектроскопию при изучении кристаллизации и других сложных процессов. 

Современный компактный рамановский спектрометр состоит из нескольких основных компонентов, включая лазер, служащий источником возбуждения молекул для индуцирования рамановского (комбинационного) рассеяния. Обычно в современный рамановских спектрометрах используются твердотельные лазеры с длинами волн 532, 785, 830 и 1064 нм. Лазеры с более короткими длинами волн имеют большую площадь рассеяния, поэтому сигнал в итоге получается более мощным, однако на таких длинах чаще возникает флуоресценция. Чтобы ее избежать, многие рамановские спектрометры оснащаются лазером с длиной волны 785 нм. Для передачи энергии лазера используются волоконно-оптические кабели. Для устранения рэлеевского и антистоксового рассеяния используются полосовые или краевые фильтры, а оставшийся свет, подвергшийся стоксовому рассеянию, передается на дисперсионный элемент — обычно это голографическая решетка. Свет попадает на ПЗС-детектор, после чего строится спектр рамановского рассеяния. Поскольку рамановское рассеяние дает слабый сигнал, очень важно, чтобы в рамановском спектрометре использовались высококачественные и хорошо отъюстированные компоненты. 

Если спектр регистрируется в ходе эксперимента непрерывно, можно получить своеобразное «молекулярное видео», которое даст важную информацию о кинетике, механизмах реакции и изменениях форм вещества. Обычно такой анализ выполняется опытными специалистами, умеющими выделять самые важные области спектра и отслеживать изменения волновых чисел. Однако новые технологии программной обработки (например, функция выявления тенденций в ПО iC Raman 7) позволили автоматизировать эту процедуру. Теперь исследователи с любым уровнем подготовки могут легко извлечь из данных важную информацию, необходимую для быстрого и уверенного принятия решений.

Компактные и точные. Системы ReactRaman — это приборы с универсальной конструкцией и лучшими в своем классе характеристиками. Спектрометр обладает небольшими размерами, малым весом и высокой температурной стабильностью, что позволяет выполнять точные измерения в разных условиях.

Быстрое получение точных результатов. ReactRaman разработан для мониторинга in situ и позволяет с большой точностью и чувствительностью регистрировать спектры, которые затем легко проанализировать с помощью функции One Click Analytics™ в ПО iC Raman 7.

Интегрированная платформа. Систему ReactRaman возможно совместить с ИК-Фурье, системой характеризации частиц и автоматизированными лабораторными реакторами для глубокого изучения и контроля процесса.

Коллективный опыт. Обладая более чем 30-летним опытом в области анализа реакций, МЕТТЛЕР ТОЛЕДО разрабатывает высокопроизводительные системы для сложных химических исследований.

Рамановский спектрометр ReactRaman входит в семейство продуктов, которое включает в себя:

• погружные зондовые ИК-Фурье спектрометры ReactIR для исследований in situ;
• ParticleTrack и ParticleView — приборы для характеризации частиц в потоке;
• реакторы химического синтеза EasyMax, OptiMax и RX-10;
• автоматизированную пробоотборную систему EasySampler.

Созданные специально для применения в разработке химических процессов, эти инструменты в сочетании с мощной программной платформой iC обеспечивают глубокое понимание и контроль процессов.