Рамановская спектроскопия

В 1928 году Сэр Раман открыл явление неупругого рассеяния света. Излучение, рассеиваемое молекулами, содержит фотоны той же частоты, что и падающее излучение, а также некоторое количество фотонов с измененной или смещенной частотой. Спектроскопический процесс измерения этих смещенных фотонов был назван в честь Сэра Рамана, само изменение частоты известно как «эффект Рамана» (Рамановский эффект), а излучение со смещенными частотами называют «Рамановским излучением». К концу 1930х гг. Рамановская спектроскопия стала основным методом неразрушающего химического анализа.

ИК спектроскопия вытеснила Рамановскую спектроскопию после Второй Мировой войны, когда развитие чувствительных ИК детекторов и достижения в области электроники сделали ИК спектроскопию более простой в использовании. Измерения с помощью ИК спектроскопии стали рутинными, тогда как для Рамановской спектроскопии все еще требовалось сложное оборудование, квалифицированные операторы и наличие темной комнаты.
С развитием лазеров в 1960х гг. вновь возник интерес к рамановскому методу, но его применение ограничивалось исследовательскими лабораториями. Все еще требовались квалифицированные операторы для сбора простых спектров, а сам процесс был довольно трудоемким.

Последующие события, такие, как появление более дешевых и чувствительных CCD матриц (Charge Coupled Devices, CCD), голографических фильтров и рамановской спектроскопии с Фурье-преобразованием (FT-Raman), положили начало возрождению рамановской спектроскопии как рутинного лабораторного метода.

Сегодня, наиболее совершенные Раман-спектрометры представляют собой единые модули с компьютерным управлением, оснащенные автоматической блокировкой лазера, имеют автоматические процедуры калибровки и широкий набор спектральных библиотек. Эти преимущества делают процедуру получения и использования Раман-спектров рутинным процессом.

Спектроскопия комбинационного рассеяния (КР), или Рамановская спектроскопия – спектроскопический метод изучения колебательных, вращательных и иных низкочастотных мод исследуемого вещества в интервале приблизительно от 2 до 4000 см-1, основанный на явлении неупругого (комбинационного, Рамановского) рассеяния монохроматического света в видимом, ближнем УФ или ближнем ИК диапазонах (см. Теория метода КР).

Спектры КР очень чувствительны к природе химических связей – как в органических молекулах и полимерных материалах, так и в неорганических кристаллических решектах и кластерах. По этой причине каждое определенное вещество, каждый материал обладает своим собственным, индивидуальным КР спектром, который явдяется для него аналогом «отпечатка пальцев». Спектры КР органических материалов в основном состоят из линий, отвечающих деформационным и валентным колебаниям химических связей углерода (С) с другими элементами, как правило, водородом (H), кислородом (O) и азотом (N), а также характеристическим колебаниям различных функциональных групп (гидроксильной -OH, аминогруппы -NH2 и т.д.). Эти линии проявляются в диапазоне от 600 см-1 (валентные колебания одинарных С-С связей) до 3600 см-1 (колебания гидроксильной -OH группы). Кроме того, в спектрах ряда органических соединений в диапазоне 250-400 см-1 проявляются деформационные колебания алифатических цепочек.

Спектры КР кристаллических решеток содержат линии, соответствующие рассеянию излучения на коллективных возбужденных состояниях решетки, которые в физике твердого тела рассматриваются как квазичастицы. Наиболее распространены КР-активные переходы с участием оптических и акустических фононов, плазмонов и магнонов.

Спектры КР двухатомных газов состоят из линий, отвечающих вращательным и колебательно-вращательным переходам.

Основные преимущества метода КР:

— неразрушающий;

— бесконтактный;

— не требующий подготовки пробы;

— анализ твердых материалов и жидкостей, в определенных случаях – также газов;

— достаточно быстрый анализ (от секунд до минут);

— возможность удаленного бесконтактного анализа (для систем с оптическим волокном);

— возможность работы с водными растворами (нет наложения сигнала воды как в ИК спектрометрии);

— применяются недорогие кварцевые или стеклянные кюветы (не требуется солевая оптика как в ИК спектрометрии);

— возможность контроля температуры/давления/влажности в ячейках, криостатах;

— возможность картографирования образцов с высоким латеральным разрешением до 1 мкм (для Рамановких спектрометрах с конфокальным микроскопом);

— возможность сканирования по глубине образца, прозрачного в выбранном диапазоне, с проникновением вглубь от 0.1 до 10 мкм (в зависимости от частоты источника излучения);

— возможность одновременного получения спектров КР и фотолюминесценции;

— возможность комбинирования КР с ИК-Фурье, системой измерения времени жизни флуоресценции, сканирующим электронным микроскопом СЭМ/катодолюминесценцией, атомно-силовым микроскопом АСМ.

Рамановские спектрометры и микроскопы находят широкое применение:

— в материаловедении для исследования любых типов неорганических и органических материалов, включая полупроводниковые элементы;

— в нанотехнологиях для исследования любых типов наноструктур;

— в геммологии, минералогии для изучения драгоценных камней, минералов;

— в органической химии для изучения механизмов реакций и характеризации продуктов синтеза;

— при разработке и контроле различных производственных процессов;

— при проведении криминалистической и таможенной экспертиз;

— в фармацевтике при разработке и контроле производства таблетированных форм и кремов;

— в косметологии для оценки эффективности косметических средств;

— в биологии для изучения культур микроорганизмов, клеточных культур, тканей и природных волокон.

Рамановская спектроскопия является одним из наиболее мощных аналитических методов, применяемых при исcледовании и разработке новых материалов: композитных, полупроводниковых, сверхпроводниковых, наноструктурных. Рамановский микроскоп позволяет наблюдать самые тонкие молекулярные эффекты непосредственно, визуально, соотнося изображение оптического или электронного микроскопа с двумерной или трехмерной картой, построенной по линиям в спектре КР.

Типовые приложения Рамановской спектроскопии в области материаловедения и нанотехнологий:

— изучении эффектов легирования полупроводников;

— получении распределений напряжений на субмикронном уровне;

— определении дефектов решетки;

— определении степени структурного беспорядка;

— изучении сверхпроводниковых свойств;

— определении среднего размера кластеров;

— определении размера и хиральности нанотрубок;

— изучении фотолюминесценции и катодолюминесценции;

— идентификации и исследовании структуры различных материалов, пленок, волокон;

— изучении процессов коррозии.

Одним из направлений в современных нанотехнологиях является синтез, модифицирование и практическое использование углеродных наноматериалов, в том числе нанотрубок (НТ). Спектр КР сильно зависят от диаметра, хиральности НТ и длины волны источника изучения. Сдвиг КР, особенно радиальной дышащей моды (РДМ), которая отсутствует в графитовых материалах, соотносится с диаметром НТ и шириной запрещенной зоны. Спектр фотолюминесценции нанотрубок также сильно зависит от их диаметра и хиральности. На рисунке показаны основные колебательные моды НТ.

Основные приложения Рамановской спектроскопии в минералогии:

— идентификация минералов;

— определение их фазового состава;

— характеризация драгоценных камней;

— изучение жидких и газообразных включений в драгоценных камнях.

В искусстве и археологии КР применяется для неразрушающей идентификации пигментов (в картинах, манускриптах, фресках), грунтовок (в картинах), керамики, материалов, применявшихся при строительстве и т.д.

Поскольку Рамановская спектроскопия обеспечивает проведение бесконтактных и удаленных определений, и при этом полностью совместима с анализом водных образцов, данный метод оптимален для контроля состава:

— растворов и реакционных смесей;

— эмульсий;

— паст и суспензий;

— парогазовых смесей в реакторах и над твердыми веществами;

— сливных жидкостей, жидких отходов.

КР может применяться при контроле различных технологических процессов. Метод также широко применяется в органической химии и химии полимеров для:

— on-line слежения за протеканием реакций органического синтеза и полимеризации в режиме реального времени;

— в комбинаторной химии;

— для исследования новых покрытий и контроля процесса их нанесения;

— для определения степени кристалличности и ориентации в полимерных пленках;

— для исследования структуры композиционных полимерных материалов, многослойных полимерных пленок;

— для измерения распределения напряжений в искусственных волокнах и пленках;

— для профилирования полимерных покрытий по глубине;

— исследования кинетики высыхания (набухания) полимерных пленок.

Спектры КР полимеров дают также информацию об ориентации заместителей в бензольном кольце, что может применяться для исследования процессов сшивки в полистиролах, полиэтилентерефталатах и т.д.

В криминалистике Рамановская спектроскопия может применяться для идентификации:

— красок, чернил (авария автомобилей, идентификация рисунка);

— полимерных пленок, различных волокон, твердых включений, стекол;

— взрывчатых, наркотических, отравляющих веществ;

— состава взрывчатых смесей, порохов.

Рамановская спектроскопия является идеальным инструментом in-vivo исследований биологических образцов, поскольку является методом:

— неразрушающим;

— не требующим подготовки пробы;

— совместимым с применением водных буферных растворов;

— при применении ИК источников возбуждения – обеспечивающим отсутствие флуоресценции.

В частности, приложения КР в биологии включают исследование культур микроорганизмов, клеточных культур, тканей (в том числе кожи), природных волокон, изучение процессов взаимодействия лекарственных средств с живой клеткой, изучения раковых опухолей и т.д.

В фармацевтике и косметике Рамановская спектроскопия применяется:

— для определения распределения компонентов в таблетированных формах и кремах при контроле процесса их изготовления;

— при подтверждении идентичности исходного сырья;

— в различных in-vivo исследованиях, к примеру, при изучении распределения лекарственных соединений по глубине кожи.

 

компания «Аптека-95 Фармацевтическая фирма» предлагает портативный рамановский спектрометр Delta Nu Pharma ID.

Прибор позволяет проводить качественный и количественный анализ жидкостей, порошков, твердых веществ, гелей, не разрушая и не изменяя структуру анализируемого образца,  исключает риск контаминации. Позволяет определять степень соответствия активных фармацевтических ингредиентов, субстанций стандартам, проводить маркировку каждой единицы по номеру партии и упаковки.

Преимуществами прибора так же являются скорость получения результата измерения (1-2 сек.), точность и избирательность анализа, т.к. анализируется молекулярная структура образца, результат измерения не зависит от наличия примесей и растворителей.

 

Преимущества:

идентификация сырья не зависимо от схемы получения и наличия в ней примесей, солей, промежуточных продуктов и готовой продукции без вскрытия первичной упаковки;

отсутствие пробоподготовки;

экономия времени на проведение анализа;

возможность проведения анализа в любом месте локализации сырья;

существенная экономия средств предприятия за счет отсутствия потерь сырья для отбора проб;

контроль качества и защита от контрафакта;

Выбор метода анализа при помощи модуля DeltaNu/CAMO;

Сертифицированная по USP библиотека спектров фармацевтических субстанций;

Простая процедура усовершенствования методик;

Портативность и легкость прибора (вес прибора 312 г);

Быстрое получение результатов измерения (1-2 сек.)

Соответствие стандартам:

Соответствует требованиям ГФУ,  п. 2.2.48 – «Рамановская Спектроскопия».

Программное обеспечение соответствует требованиям FDA 21 CFR Часть 11.

Соответствует USP 1120, EP 2.2.48, EMEA

 SOP и IQ/OQ процедуры для валидации и тестирования оборудования.

 Класс пробоотбора 1 для анализа в пробирке.

Класс пробоотбора 3В для контактного анализа.

Технические характеристики

Характеристика Значение
Принцип измерения Комбинационное рассеяние (колебательная молекулярная спектроскопия)
Диапазон спектра от 300 см-1 до 2400 см-1
Разрешение по спектру от 10 см-1 до 12 см-1 (ширина пика на половине амплитуды)
Длина волны излучения возбуждения 785 nm
Дисплей OLED (цветной)
Система управления Мембранная клавиатура, программирование через ПК
Характеристики батареи Перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор
Работа от батареи Аккумуляторные, обеспечивают более  4 часов непрерывной работы. Система энергосбережения в «спящем режиме».
Корпус влагонепроницаемый, пыленепроницаемый пластиковый корпус
Компьютерный интерфейс USB 2.0, Bluetooth, Micro-SD
Электропитание  Внешний USB
Программное обеспечение: PharmaID Raman: фармацевтическая библиотека рамановских спектров (в стандартной комплектации). Встроенное программное обеспечение соответствующее требованиям CFR21 Часть 11. Позволяет использовать учетные записи пользователей, защищенные паролем, PIN коды, идентификатор серии  и проводить сканирование штрихкода в системе;

Модуль DeltaNu Unscrambler X стандартное приложение ПО обработки информации,1600 наименований, (в стандартной комплектации);

DeltaNu Library Development Software: модуль для создания собственной библиотеки спектров. (в стандартной комплектации);

NuSpecТМ: , библиотеки Рамановских спектров, функции получения и первичной обработки данных. Дополнительные возможности: просмотр спектра, сравнение спектров на экране и отображение показателя корреляции. Функция  опорного сигнала и учета базовой линии используются для учета влияния внешних засветок и фоновой флуоресценции соответственно;

DeltaNu по управлению библиотеками: позволяет создавать библиотеки рамановских спектров и управлять ими. Возможен импорт файлов формата .spc  и конвертация их в формат библиотек DeltaNu.

Калибровка Полистироловый стандартный образец – эталон, (в комплекте).
Аксессуары — Micro-SD карта

— защитные очки оператора

— кейс для транспортировки прибора

— Bluetooth сканер штрихкода

— насадка с настраиваемой глубиной фокусировки

— насадка с уклоном вправо с настраиваемой глубиной фокусировки

— Держатель стеклянных пробирок и пробирки

Масса 312 г
Габариты 13,5 см х 6,5 см х 4 см
Температура окружающей среды от -20°С до 40°С
   

Запись опубликована в рубрике Лабораторное оборудование. Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s