Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

Raman spektroszkópia

Raman spektroszkópia

Működési elv

A Raman-spektroszkópia – az infravörös spektroszkópiához hasonlóan – a rezgési (és forgási) spektroszkópiai módszerek csoportjába tartozik. A rezgési spektrum segítségével információt kapunk a molekulákban lévő funkciós csoportok típusa, helyzete, orientációja tekintetében. A rezgési spektroszkópia roncsolásmentes módszer, amellyel gázok, folyadékok, szilárd anyagok, határfelületek vizsgálhatók. Az infravörös és a Raman-spektroszkópia az analitikai jel előállításának módjában különbözik. Az infravörös spektrumokat elsősorban abszorpciós módban vesszük fel, a Raman-spektroszkópia a fényszóródás elvén alapul.

A Raman spektrum sávjainak eredete

A Raman-jelenség vizsgálata során monokromatikus fénnyel besugározzuk a mintát, és a beeső fény irányára merőleges irányban detektáljuk a szórt fényt. A szórt fény színképében legnagyobb intenzitással a Rayleigh-féle rugalmas szórásból eredő vonal jelenik meg, amelynek hullámhossza megegyezik a gerjesztő sugárzás hullámhosszával. Mellette azonban más frekvenciájú vonalak is megjelennek, amiatt, hogy a beeső fény fotonjai a közeg molekuláinak rezgési vagy forgási energiáját megváltoztatják. A foton energiájának rovására a molekula nagyobb energiájú rezgési vagy forgási állapotba kerül, de előfordulhat az is, hogy a fénnyel való kölcsönhatás alkalmával a már eleve gerjesztett állapotban levő molekula alacsonyabb rezgési, vagy forgási energiájú állapotba jut, s közben energiát ad át a fotonnak. A spektrumban megjelenő, Rayleigh frekvenciánál kisebb frekvenciájú sávokat Stokes sávoknak, a nagyobb frekvenciájúakat anti-Stokes sávoknak nevezzük. A molekulaszerkezetre utaló információt ezek a Stokes és anti-Stokes vonalak adják, melyek a központi vonal két oldalán szimmetrikusan helyezkednek el. A Raman-spektrumok abszcisszáján mindig a gerjesztő fény frekvenciájától (vagy hullámhosszúságától) mért különbséget (Raman-eltolódás, vagy Raman-shift) tüntetik fel.

A tapasztalat szerint azoknak a vegyületeknek van Raman-spektruma, amelyek polarizálhatósága megváltozik a gerjesztő sugárzás hatására.

A Raman-spektroszkópia módszerét az effektus egyik felfedezőjéről, az indiai Chandrasekhara Venkata Raman fizikusról nevezték el, aki ezen munkásságáért 1930-ban kapott Nobel-díjat.

Eszközök és módszerek

A Raman-spektrométerekben a mintát általában UV, látható vagy NIR tartományba eső monokromatikus fénnyel gerjesztik. A Raman-jel intenzitása a gerjesztő fény intenzitásával arányos, azonban általában nagyon gyenge jel (csak kb. minden egymilliomodik foton vált ki Raman-szórást), ezért az effektus a gyakorlatban csak fókuszált lézerfény és hosszú integrációs időre beállított detektor alkalmazásával figyelhető meg elfogadható jel/zaj viszony mellett. Ebből következően a Raman-spektrométerek fényforrása ma mindig lézer, mégpedig általában diódalézer vagy Nd:YAG lézer (gyakori gerjesztő hullámhosszak: 633 nm, 660 nm, 785 nm és 1064 nm). A Raman-spektrumban megjelenő csúcsok pozíciója (Raman-eltolódás) a gerjesztő fény hullámhosszúságától nem függ, de a csúcsok intenzitása a hullámhossz reciprokának negyedik hatványával arányos, ezért az analitikai jel nagysága szempontjából előnyösebb a rövidebb (pl. Vis-UV) hullámhosszúságú lézerek alkalmazása; ha azonban a mintában fluoroforok fordulnak elő (ez pl. biológiai mintáknál gyakori), akkor a zavaró fluoreszcenciás háttérjel nőni fog.

Raman-spektrométer felépítése

A fókuszált gerjesztő lézerfény kivételével a Raman-spektrométerek felépítése általában hasonlít a többi spektrométeréhez, kivéve azt a feladatot, hogy a keletkező (viszonylag gyenge) spektrumból ki kell szűrnie a rugalmas (Rayleigh) szórásból származó intenzív szórt jelet, ami a gerjesztési hullámhossz közvetlen közelében jelentkezik. A legtöbb, egyszerűbb Raman-spektrométer erre a feladatra egy interferencia szűrőt (notch filter) alkalmaz, ami a lézer emissziós vonalának kb. ± 100 cm-1 közelében blokkolja a foton analizátorba jutó sugárzást. Ebből következően ebben a tartományban nem is lehet detektálni a Raman-csúcsokat. A Rayleigh-szórás minimalizálása érdekében szükséges az oldatokat előzetesen megszűrni.

A Raman-spektroszkópiának számos módozata ismert, azonban ezek közül itt a műszerezettségi vonatkozásokra és elterjedtségükre való tekintettel kettőt érdemes kiemelni.

A Raman-spektrométer azon jellemzője, hogy fókuszált lézer fénysugárral dolgozik, lehetővé teszi a mikroszkóppal való kombinálását (Raman-mikroszkóp). A felület megfigyelését és a vizsgálandó mintafelület (kb. néhány μm átmérőjű folt) kijelölését ezekben a műszerekben fénymikroszkóp segítségével tehetjük meg. Ezen műszerekkel tehát nagy laterális felbontás érhető el, illetve felületen molekulák eloszlását lehet feltérképezni.

Egy Raman mikroszkóp vázlatos felépítése

A tapasztalat szerint a Raman-szórás (jel) sok nagyságrenddel erősebb lesz, ha a vizsgálandó anyagot kolloid részecskékkel borított fémfelületen adszorbeáltatjuk (felületerősített Raman-spektroszkópia; surface enhanced Raman spectroscopy, SERS). Leghatásosabban az ezüst és arany használható erre a célra. Az erősítés mértéke függ a fém optikai tulajdonságaitól és a lézer hullámhosszától. A SERS megvalósítható elektrokémiailag érdesített ezüst, fémgőz kondenzálás, fémkolloid-oldatok, maratott fémfelületek felhasználásával.

Analitikai teljesítőképesség

A jellegzetes Raman-spektrumuk alapján a vegyületek azonosíthatók. A Raman-spektrum komplementer információkat szolgáltat az infravörös spektroszkópiával; sok vegyület, amely IR spektroszkópiában nem vizsgálható (pl. homonukleáris diatomos molekulák), Raman-spektroszkópiával igen. A Raman-spektroszkópia kémiai kötések megváltozásának követésére is alkalmazható. Gyakran használják biológiai eredetű minták vizsgálatára. Mivel a víz Raman-szórása gyenge, fehérjék, peptidek, lipidek szerkezete, konformációs változásai vizes oldatból is meghatározhatók.

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Hogyan foglalható össze, mit jelent a Raman-effektus?

  2. Mit nevezünk Raman-mikroszkópnak?

  3. Mit nevezünk felüleleterősített Raman-spektroszkópiának (SERS)?