Ramanspectroscopie
Ramanspectroscopie is een spectroscopische techniek die gebruikt wordt in vele domeinen, waaronder de vastestoffysica en de scheikunde, om vibraties en rotaties in een systeem te bestuderen. Een alternatief voor Ramanspectroscopie wordt geboden door infraroodspectroscopie (IR) . Beide spectroscopische technieken geven een signaal waarmee de verschillen in energieniveaus van de vibraties en rotaties gemeten worden. Echter, daar waar IR-spectroscopie gebaseerd is op de absorptie van infraroodlicht, is Ramanspectroscopie gebaseerd op inelastische strooiing ofwel Raman-strooiing van monochromatisch licht. Doordat Raman- en infraroodspectroscopie gebaseerd zijn op verschillende effecten is de informatie complementair: sommige trillingen waarvoor de infraroodspectroscopie geen informatie kan geven vanwege symmetrie, kunnen in Ramanspectroscopie wel worden gezien, en andersom. Om de trillingswijzen van een ingewikkeld molecuul goed te begrijpen is het dus aan te bevelen beide technieken toe te passen en te vergelijken. Bij Ramanspectroscopie wordt een laser als lichtbron gebruikt in het zichtbaar licht, ultraviolet of nabij-infrarood.
Inelastische strooiing van licht vormt de basis van Ramanspectroscopie. Deze inelastische strooiing is een fysisch effect waarbij het licht een energieverschuiving ondergaat tijdens het strooiien. Dit effect noemt men het Ramaneffect, naar de ontdekker, de Indische wetenschapper Sir Chandrasekhara Venkata Raman. Mijnheer Raman ontdekte het effect in 1928 en won hiervoor de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 1930. Pas na de ontwikkeling van de laser werd Ramanspectroscopie populair.
De grootte-orde van de energieën die voor Ramanspectroscopie een rol spelen zijn gelijk aan deze die in de Infraroodspectroscopie worden gebruikt. Ook de eenheid reciproke centimeters of golfgetallen wordt in beide velden gebruikt om de energie aan a!te geven. Deze eenheid geeft het aantal golven weer en loopt van ongeveer 150 cm-1 tot 4000 cm-1, hoewel het gebied onder 1850 cm-1 het meest gebruikt wordt. De effectief gebruikte energieën verschillen van toestel tot toestel en soms zelfs van experiment tot experiment.
Inhoud |
[bewerk] Ramanspectroscopie op moleculaire schaal bekeken
Moleculen kunnen beschouwd worden als grote positieve kernen waaromheen zich een ijle en vervormbare elektronenwolk bevindt. De atomen binnen de moleculen zijn niet gebonden aan vaste posities en zullen vibreren, roteren en over elkaar schuiven. De vibraties en rotaties vervormen de elektronenwolk van het systeem en veroorzaken hierdoor tijdelijke microscopisch kleine ladingsverschillen of dipolen in de elektronenwolk. Licht is een vorm van elektromagnetische straling en bevat o.a. een elektrische component. Het licht dat invalt op een voorwerp zal verstrooid worden. Deze elektrische component van het ingestuurde laserlicht zal de elektronenwolk van de moleculen periodiek vervormen. Hierdoor kan het licht interageren met de moleculen, en kan het al dan niet energie uitwisselen. Wanneer er geen energie-uitwisseling optreedt en het uittredende licht dus dezelfde energie heeft als het invallende licht, spreekt men van Rayleigh strooiing. Als het molecuul een beetje energie opneemt t.o.v. de binnentredende bundel spreekt men van Stokesstrooiing, terwijl energieafgifte door de molecule anti-Stokesstrooiing genoemd wordt.
 |
Rayleighstraling is zeer intens; de Stokesstraling is intenser dan de anti-Stokesstraling. Deze energie-uitwisseling geeft informatie over de bindingen in de moleculen, net als infraroodspectroscopie.
Deze energieverschillen worden experimenteel gemeten door het verschil van de energie van het uitgezonden foton te meten met de energie van de ingestuurde fotonen. De waarde van het gemeten energieverschil is echter onafhankelijk van het feit of het gaat om opname of afgifte van de energie (enkel afhankelijk van de vibraties van de bestudeerde moleculen). Hierdoor zal het Ramanspectrum symmetrisch zijn ten opzichte van de Rayleighband. De intensiteiten van de banden zijn echter evenredig met het aantal bestraalde moleculen in de begintoestand. Uit de Boltzmanndistributie volgt dat er altijd meer moleculen zich in een lagere energietoestand bevinden dan in een hogere energietoestand (afwijkingen kunnen optreden als de ontaarding van de hogere energietoestand groter is, of bij populatie-inversie, zoals wordt gebruikt in lasers). Het gevolg is dat de intensiteit van het Stokesspectrum groter is (bekijk de energie van de vibratieniveaus bij het begin en einde):
|
De mate waarin men de elektronenwolk kan vervormen noemt men de polariseerbaarheid: hoe groter de polariseerbaarheid, hoe gemakkelijker interactie tussen de moleculen en licht optreedt en hoe sterker het Raman effect.
[bewerk] Instrumentatie
In een typisch experiment wordt een monster beschenen met een laser. Echter, elke optische component van de spectrometer heeft een Raman-spectrum (al worden deze bij de productie van de spectrometer zo gekozen dat de Raman-spectra van de optische componenten zo klein mogelijk zijn). Daarom wordt net voor de bestraling van het monster de gewenste lasergolflengte gefilterd van reeds opgetreden Raman-strooiing en van eventuele andere aanwezige lasergolflengten. Deze filtering wordt uitgevoerd met een speciale monochromator en meer recentelijk met zogenaamde notch filters.
Het licht dat vervolgens door het monster verstrooid wordt, wordt opgevangen met behulp van een grote lens. Het licht kan onder verschillende hoeken worden opgevangen, bijvoorbeeld onder een hoek van 90 graden of 180 graden (backscatteringgeometrie). Bij backscatteringgeometrie wordt het verstrooide licht opgevangen door dezelfde lens die het laserlicht op het monster focuseert. Via een speciale spiegel wordt het ingestuurde licht dan gescheiden van het verstrooide licht.
Het Raman effect is echter een inherent zwak effect. Slechts 1 op 106 tot 1 op 108 ingestuurde fotonen zal een energieverschuiving ondergaan. Hierdoor heeft het overgrote deel van het opgevangen licht nog steeds dezelfde energie als het ingestuurde licht en bevat dus geen informatie. Door deze grote hoeveelheid oninteressante fotonen bestaat het gevaar dat de detector reeds verzadigd wordt voordat een signaal gemeten kan worden. Daarom verwijdert een zogenaamde band-reject-filter de golflengten dicht bij de lasergolflengte, het signaal dat wordt veroorzaakt door elastische strooiing. De overgebleven golflengten (veel zwakkere signalen) worden via een tralie (ook rooster genoemd) gescheiden en op een detector opgevangen.
De scheiding van de oninteressante elastische en de veel zwakkere inelastische strooistraling was vroeger het grootste probleem van de Ramanspectroscopie. Dit speelt vooral wanneer men naar kleine verschuivingen van minder dan 200 cm-1 op zoek is. Vaak worden hiervoor holografische tralies gebruikt, en een aantal opeenvolgende dispersie-stappen. Men moest het licht niet éénmaal maar soms wel driemaal door een monochromator sturen en er voor zorgen dat het instrument zo is uitgelijnd dat de elastisch verstrooide Rayleigh-straling de uiterst gevoelige detector niet bereikt. Men kan dit probleem goed vergelijken met het observeren van de corona van de zon. Dat werkt het beste bij een totale zonsverduistering, wanneer het directe zonlicht dat vele malen sterker is dan dat van de corona, geblokkeerd wordt door de maan. Technologische vernieuwingen in rooster en detector zorgden ervoor dat een dergelijke optiek niet meer nodig blijkt, waardoor Raman spectrometers kleiner en handelbaarder werden. Een rooster scheidt het licht nu in de verschillende golflengte waaruit het bestaat die allen gezamenlijk op een CCD-detector opgevangen en geanalyseerd worden.
Net als bij IR-spectroscopie is het vaak niet nodig om alle details van het spectrum te begrijpen om toch van het spectrum nuttig gebruik te kunnen maken. Vaak gebruikt men het spectrum bijvoorbeeld om te identificeren wat voor soort functionele groepen de (onbekende) molecule bezit. Ramanspectroscopie wordt dan ook vaak voor dit soort analytische doeleinden toegepast.
[bewerk] Typische opzet
Tegenwoordig hebben veel Raman spectrometers een diodelaser en wordt het laserlicht via glasvezels getransporteerd. De toestellen zijn veelal modulair, maar in een typische opzet van het toestel volgt het licht een weg via:
- laser
- eventueel filter om verschillende niet gewenste modi te verwijderen (om enkel monochromatisch laserlicht over te houden als dit niet het geval was)
- koppeling van het licht in een glasvezel (excitatievezel)
- lenzensysteem met notch-filter om Raman strooing van excitatievezel te verwijderen
- lens om het licht te focussering met het monster
- interactie van het licht met het monster
- verstrooide licht wordt opgevangen door de spectrometer (dikwijl door dezelfde lens als degene die het licht op het monster bracht, =backscatteringgeometrie)
- band-reject-filter: verwijderen van de intense Rayleigh straling
- koppeling om het laserlicht via een glasvezel naar een glasvezel
- transport door collectievezel naar detector
- dispersie van het verstrooide licht, ontleden in de verschillende golflengten
- detectie van het licht (meestal CCD-detector)
[bewerk] Varianten van Ramanspectroscopie
Van Ramanspectroscopie zijn er verschillende varianten ontwikkeld. Deze technieken hebben alle hun eigen karakteristieken en werden ontworpen dan wel ontwikkeld met het oog op een hoger Ramansignaal ten opzichte van dispersieve Raman toestellen of FT-Raman (FT: Fourier transformatie) toestellen.
[bewerk] Resonantie Ramanspectroscopie
Anders dan bij IR is de bron in het algemeen monochromatisch, namelijk een laser bundel met een vaste golflengte. Dat betekent dat men deze golflengte tot op zekere hoogte kan kiezen. Een andere laser geeft een andere (vaste) golflengte. Echter, kwaliteitsvolle, degelijke en betrouwbare lasers met met een willekeurig instelbare golflengte bestaan nog niet. Lasers met een regelbare golflengte bestaan wel, zoals kleurstoflasers en OPO/OPA systemen maar zij zijn vaak erg onderhoudsintensief, en/of hebben een lage, dikwijls instabiele, lichtopbrengst.
De keuze van een andere golflengte kan tot drastische verandering in het Raman spectrum leiden, vooral als men een golflengte kiest die geabsorbeerd wordt door het monster. Dit is het geval wanneer de energie van de invallende lichtbundel ongeveer overeenkomt met het energieverschil tussen twee elektronische energieniveaus in de bestraalde molecule. Men spreekt dan van Resonantie Ramanspectroscopie. In deze techniek worden een beperkt aantal trillingswijzen veel intenser in het spectrum, vooral als zij van atomen komen die ook bij het absorptieproces betrokken zijn.
[bewerk] SERS (Surface Enhanced Raman Scattering)
In de jaren 1970 is min of meer bij toeval ontdekt dat wanneer moleculen geadsorbeerd worden op een ruwe drager van zilver of goud (enige andere metalen vertonen dit effect in mindere mate), er een enorme versterking van het Raman signaal plaats vindt. Dit betekent dat de gevoeligheid van de techniek een grote stap voorwaarts maakte, maar tegenwoordig is het nog steeds niet duidelijk hoe het 'magische' zilvereffect precies werkt. Wel is duidelijk dat er waarschijnlijk twee factoren zijn. Ten eerste hebben zilver en goud iets gemeen: zij zijn bijzonder goede geleiders die een plasmonfrequentie hebben in het nabij ultraviolette of zichtbare gebied. De voornaamste bijdrage tot de versterking komt waarschijnlijk van een (dankzij de ruwheid) gelokaliseerde plasmonresonantie, waardoor als het ware het foton enige tijd opgebotteld wordt. Voor een molecuul in die bottel wordt de kans tot het ondergaan van een Ramanproces daardoor vele malen groter. Een tweede bijdrage komt mogelijk van de chemisorptie van een molecule aan het zilver oppervlak waardoor de elektronentoestanden van de molecule zich vermengen met die van het zilver. SERS kan ook gecombineerd worden met het effect van resonantie, en hiermee ontstaat SERRS (Surface Enhanced Resonance Raman Scattering). Indien de intensiteitsverhogende effecten van beide technieken worden gecombineerd, is hiermee zelfs detectie van één enkele molecule met behulp van Ramanspectroscopie mogelijk geworden.
[bewerk] Historisch overzicht
Het Ramaneffect werd door Smekal in 1923 voorspeld en voor het eerst in de praktijk waargenomen door de Indische wetenschapper Sir Chandrasekhara Venkata Raman in 1928. Hij deed deze ontdekking met hulp van gefilterd zonlicht, dit omdat er in de jaren 1920 nog geen monochromatische lichtbronnen bestonden. Raman gebruikte daarom een gekleurde filter als monochromator, en het menselijk oog als detector. De eerste experimenten werden uitgevoerd door visuele observatie van gefocusseerd zonlicht. Veel later werden Raman spectra bekomen met een kwikboog als lichtbron en geregistreerd op fotografische film. Door de atoomemissielijnen van kwik te gebruiken werd voor het eerst gebruikgemaakt van echt monochromatisch licht en was dan ook een veel beter signaal meetbaar.
Ramanspectroscopie werd een gespecialiseerde nichetechniek in de jaren 1940. Infraroodspectroscopie, dat vergelijkbare informatie oplevert, was toen veel toegankelijker (en goedkoper). De uitvinding van fotonenvermenigvuldigers zorgde daarentegen voor een verbeterde accuratesse en gebruiksgemak van Ramanspectrometers. Daarna werden de eerste commerciële Ramanspectrometers geïntroduceerd in 1953. Lasers die een veel betere performantie hadden, vervingen de kwikboog als lichtbron in de jaren 1960. In de jaren 1970 werd Ramanmicroscopie geïntroduceerd. Bij deze techniek wordt het laserlicht op een speciale manier door een microscoop geleid en kan men via de objectieven van de microscoop visueel zien welk oppervlak men bemonstert. Door gebruik te maken van een confocaal lenzensysteem werd het mogelijk om oppervlakken kleiner dan 1 μm² en volumes kleiner dan 1 μm³ te analyseren. Halfweg de jaren 1980 traden er enkele onafhankelijke ontwikkelingen op die de productie en kwaliteit van de componenten van Ramanspectrometers ten goede kwamen. Door de enorme instrumentele vooruitgang sinds halfweg de jaren 1980, kunnen Ramanspectra veel sneller gecollecteerd worden en zijn de toestellen tevens compacter en nauwkeuriger geworden. Hierdoor zijn meer veeleisende toepassingen mogelijk geworden.
[bewerk] Toepassingen
Ramanspectroscopie kan gebruikt worden om de structuur van moleculen op te helderen of de samenstelling van een mengsel te achterhalen. Verder wordt de techniek in de scheikunde veel gebruikt als aanvulling op en volwaardig alternatief van Infraroodspectroscopie voor de analyse van mengsels. Zeker in combinatie met chemometrie wordt Ramanspectroscopie een krachtige techniek voor productherkenning en analyse van de samenstelling.
[bewerk] Toepassingen in het onderzoek
Sinds begin de jaren 1980 is er enorme vooruitgang in de instrumentatie. Er wordt dan ook steeds meer onderzoek gedaan om Ramanspectroscopie te gebruiken bij de herkomstherkenning van kunstvoorwerpen en als snelle analysemethode voor biologische materialen in de farmacie en microbiologie. Typische voorbeelden van dergelijke recente onderzoeksprojecten zijn de herkenning van bijvoorbeeld prostaatkanker (Urology, 2005; 65(6):1126-1130) of soortherkenning van micro-organismen.
In de vastestoffysica wordt Ramanspectroscopie gebruikt om materialen te karakteriseren. Bovendien kan men er ook de temperatuur van een monster of de oriëntatie te bepalen.
Net zoals in losse moleculen, zijn er in vaste stoffen karakteristieke fononen die het monster kunnen helpen identificeren. Ook kan met behulp van Ramanspectroscopie een beeld worden gevormd van andere laagfrequente modes in de vaste stof, zoals plasmonen, magnonen en aangeslagen supergeleidende toestanden.
Ramanstrooiing door een kristal geeft informatie over de oriëntatie van het kristal. De richting van de polarisatie van de Ramanstrooiing kan samen met de kristalstructuur worden gebruikt om de richting van het kristal vast te leggen.
Ramanspectroscopie wordt gebruikt voor de eiwitanalyse omdat de frequentie van de amide-banden informatie geeft over aanwezigheid en hoeveelheid van structurele elementen zoals de α-helix en β-plaat.
[bewerk] Toepassingen in de industrie
De grote doorbraak in onderzoekstoepassingen trad zo'n 10 à 15 jaar geleden op. Vermits de ontwikkeling van een theoretisch onderzoek in een commerciële toepassing gemiddeld zo'n 15 jaar duurt, begint men recentelijk Ramanspectroscopie industrieel te gebruiken in niet meer verwaarloosbare proporties. Zo wordt Ramanspectroscopie bijvoorbeeld gebruikt bij de industriële scheiding van plastic. Dit is immers noodzakelijk voor eventuele hergebruik.
Verder maakt men in de industrie gebruik van de backscatteringgeometrie om via een transparant venster reacties te volgen in een reactorvat. Zo kunnen gevaarlijke bereidingen toch in een gesloten ruimte plaatsvinden, terwijl men via Ramanspectroscopie de reacties volgt en kan bijsturen (door verwarming, afkoeling, roeren, ... ).
Bovendien werd zeer recentelijk door het bedrijf Thermo Electron beschreven hoe men droge stof en vetgehalte bepaalt in kaas. Vroeger was deze analyse niet alleen tijdrovend, maar waren ook verscheidene chemicaliën, waaronder zwavelzuur nodig.
Uit het bovenstaande volgt dan ook dat Ramanspectroscopie niet alleen kan zorgen voor toenemende productkwaliteit en snelheid, maar ook voor een daling in chemicaliëngebruik. De industriële toepassing van Ramanspectroscopie draagt op dergelijke wijze bij tot een verbetering van het milieu.
[bewerk] Zie ook
- Structuuranalyse en vibratiespectroscopie
- Vergelijking tussen IR en Ramanspectroscopie
- Vibratiespectroscopie
