Maestría en Ciencias: Productos Naturales y Alimentos

Métodos Instrumentales Modernos

Espectroscopía RAMAN

Dr. Raúl Salas Coronado

Huajuapan de León, Oaxaca

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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.

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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.

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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

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Ejemplo de un cambio de polarizabilidad

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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.

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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.

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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.

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Quantitative analysis of quercetine using Raman spectroscopy

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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.

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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.

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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.

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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.

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Diagrama de bloques para espectrómetros

Raman multicanal y multiplex

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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).

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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)

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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

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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

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Generalizaciones de la longitud de onda del

laser

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Raman spectra (uncorrected) of a normal human breast biopsy specimen obtained

with lasers of various wavelength between 406 and 830 nm.

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Characteristic frequencies and Raman and infrared

intensities of groups in organic compounds

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Continued …

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Ejemplos de aplicaciones de Raman

dispersivo

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Ejemplos de aplicaciones de FT-Raman

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Ejemplos de aplicaciones de microscopía

Raman

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Láseres para espectroscopía Raman analítica

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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