Post on 27-Jun-2020
Maestría en Ciencias: Productos Naturales y Alimentos
Métodos Instrumentales Modernos
Espectroscopía RAMAN
Dr. Raúl Salas Coronado
Huajuapan de León, Oaxaca
1
Efecto Raman
Dispersión Raman o el denominado Efecto Raman es una
dispersión inelástica de un fotón. Cuando la luz es
dispersada de un átomo o molécula, la mayoría de los
fotones son dispersados elásticamente (Dispersión
Rayleigh). Los fotones dispersados tienen la misma energía
(frecuencia) y, por lo tanto, la misma longitud de onda que
los fotones incidentes. Sin embargo, una pequeña fracción
de la luz (aproximadamente 1 en 107 fotones) es dispersado
ópticamente a frecuencias diferentes, principalmente
inferiores, que la frecuencia de los fotones incidentes.
En un gas, la dispersión Raman suele ocurrir por un cambio
en los estados vibracionales, rotacionales o electrónicos de
una molécula.
2
Problemas con la espectroscopía Raman
Por ejemplo, una muestra típica para un experimento de absorción (10-3 M, = 1000 M-1cm-1) absorbe 90 % de la luz incidente en un camino de haz de 1 cm, pero solamente alrededor de 1 en 1010 fotones incidentes sufrirá dispersión Raman.
Un segundo problema es la fluorescencia debido a que se presenta una comptetencia.
3
4
Diferencia Dispersión de Rayleigh y de Stokes
El estado virtual es una distorsión de vida corta de la distribución de los electrones que
es inducida por el campo eléctrico de la luz incidente.
o = frecuencia del láser
v = número cuántico vibracional
5
Ejemplo de un cambio de polarizabilidad
6
Raman spectrum of room-temperature chloroform obtained with 514.5 nm light. Rayleigh
scattering at zero Raman shift is heavily attenuated by a band reject filter and is actually
several orders of magnitude more intense than the Raman scattering. The x axis is shown
in three different scales but is normally plotted as Raman shift in reciprocal centimeters
relative to the laser frequency (19,435 cm-1 in this case). Although the Stokes Raman to the
right is actually a negative frequency shift, convention assigns Stokes Raman shifts as
positive numbers.
7
8
Energy levels associated with 514.5 and 785 nm light incident on a fluorescent
sample. Energy and intensity scales are not to scale, and fluorescence intensity
is several orders of magnitude greater than Raman scattering. Raman shift axis
is relative to the incident laser frequency.
9
Espectros de dispersión Raman, IR de transmisión, and NIR de transmisión de polistireno,
graficado sobre una escala de energía simple. Las escalas de energía son muy diferentes, con la
obsorción NIR mucho más débil que la absorción IR. En éste caso, las concentraciones de
muestra para NIR y Raman (poliestireno sólido) fueron mucho mayores que para FTIR (polvos
diluidos en
KBr). 10
Espectroscopía Raman de Transformada de Fourier
Espectro de Rodamina 6G obtenido con un láser de 514.5 nm y un espectrómetro dispersivo
(trazo superior) o un espectrómetro Raman-FT y un láser de 1064 nm (trazo inferior). Las escalas
de intesidad difieren grandemente, en el espectro superior la intensidad es mucho mayor.
11
Quantitative analysis of quercetine using Raman spectroscopy
12
13
14
15
16
Spectra of solid glassy carbon obtained with a state-of-the-art spectrometer in 1985 (Spex 1403
double monochromator with photon counting PMT) and a multichannel/CCD spectrometer of
1996 (Chromex 250 spectrograph, hack thinned silicon CCD); 514.5 nm laser at 50 mW in both
cases; measurement times and signalhoke ratios (SNR) as shown. 17
Since Raman spectroscopy measures a
frequency shift, the laser wavelength can be
chosen to be compatible with fiber optics or
other optical components. Mid-IR light
necessary for FTIR absorption is difficult to
transmit through any existing optical fiber
for more than a few meters, but Raman
scattering can be conducted hundreds of
meters in readily available fibers.
18
Generic Raman spectrometer showing main components laser, collection optics,
wavelength analyzer, detector, computer Many variations of geometry and components
are in common use Laser rejection filter is often called a notch filter.
19
Espectrógrafos
Los espectrómetros Raman modernos están basados en una detección policromática. En
este caso no se requiere una rendija de salida debido a que el espectro se focaliza
“completo” al detector. Las cámaras CCD hoy en día son las más empleadas para
espectroscopía Raman. Las CCD presentan un rendimiento cuántico alto y una
corriente oscura baja.
20
Para un espectrómetro con una
longitud focal de 1 m y una red de
1800 líneas mm-1, la dispersión lateral
es de aprox. 0.48 mm-1.
Diseño óptico de un espectrógrafo de etapa simple.
La luz se dispersa a un arreglo fotoactivo que se
posiciona en el plano focal del espectrógrafo.
Espectrómetro confocal
Debido a la inherente baja sensibilidad de la espectroscopía Raman, se tiene que
considerar transferir la luz dispersada de manera eficiente desde la muestra al
espectrómetro. Este problema es elegantemente resuelto microscopía Raman confocal,
en el cual el haz de luz se focaliza a la muestra vía un objetivo del microscopio, el cual
sirve de manera simultánea para colectar la luz dispersada en una configuración de
retrodispersión.
21
Diagrama de bloques para espectrómetros
Raman multicanal y multiplex
22
Esquema de la operación de un espectrómetro
Raman multicanal dispersivo
Cada elemento detector, detecta fotones de un desplazamiento Raman diferente, y el espectro se
lee en términos de la intensidad (número de fotones) vs la posición del detector (desplazamiento
Raman).
23
Esquema de un espectrómetro FT-Raman no
dispersivo
Un solo detector monitorea fotones con todos los desplazamientos Raman, después de que
cada uno ha sido modulado por un interferómetro. El espectro Raman se obtiene por
transformación de Fourier de los datos que salen del detector (interferograma)
24
Láseres de diodos
El láser Nd:YAG es un láser de bombeo
óptico que se asemeja, en muchos
aspectos, el láser de rubí. La barra en sí
es un tipo especial de cristal (granate de
itrio y aluminio) dopado con neodimio.
= 1064 nm
25
26
Criterios para la selección de un espectrómetro
Raman
1. Longitud de onda y potencia del láser
a. ¿La fluorescencia de fondo es un problema mayor?
b. ¿Se requieren límites de detección bajos?
c. ¿Son importantes los requerimientos de enfriamiento y eléctricos?
2. Analizador de longitud de onda dispersivo vs no-dispersivo
a. ¿Qué tan importante son la covertura espectral y la resolución?
b. ¿La aplicación re quiere alta sensibilidad?
c. ¿La aplicación requiere tolerancia a las vibraciones o variación de temperatura?
3. Modo de muestreo
a. ¿Las muestras son polvos, líquidos en viales
b. ¿Tiene la muestra una microheterogeneidad importante?
c. ¿La muestra está en un ambiente severo o peligroso o remoto desde el espectrómetro (o ambos)?
4. Análisis de datos
a. ¿Es un análisis de datos primario cualitativo, tal como identificación de compuestos?
b. ¿Es un análisis de datos primario cuantitativo de un componente?
c. ¿Es un análisis de datos primario cuantitativo de múltiples componentes?
5. Capital y costo de operación
a. Precio del espectrómetro y láser
b. Instalación, incluyendo agua de enfriamiento (posiblemente) y potencia
c. Utilidad y mantenimiento
d. Muestras/hora de operación
27
Generalizaciones de la longitud de onda del
laser
28
Raman spectra (uncorrected) of a normal human breast biopsy specimen obtained
with lasers of various wavelength between 406 and 830 nm.
29
Characteristic frequencies and Raman and infrared
intensities of groups in organic compounds
30
31
Continued …
32
Ejemplos de aplicaciones de Raman
dispersivo
33
Ejemplos de aplicaciones de FT-Raman
34
Ejemplos de aplicaciones de microscopía
Raman
35
Láseres para espectroscopía Raman analítica
36
37
38
39
40
Longitud de onda corta Longitud de onda larag
Sección transversal grande Sección transversal pequeña
Ruido bajo en el detector
Espectrómetro dispersivo
Ruido de fondo alto