Prinsipper for Raman-spektroskopi

Spektroskopi er en analytisk teknikk som bruker UV-, synlig eller infrarødt lys til å måle kjemiske egenskaper. Den gir rask, merkefri, ikke-invasiv og ikke-destruktiv kjemisk analyse av et materiale. Fokusert stråle-refleksjonsmåling (FBRM), ultrafiolett/synlig (UV/Vis), nær-infrarød (NIR), infrarød (IR) og Raman er eksempler på spektroskopi som er mye brukt i industriell FoU eller prosessmiljøer.

Innenfor denne verktøykassen er vibrasjonsspektroskopiteknikker – inkludert NIR, IR og Raman – kraftige verktøy for å forstå sammensetning og molekylær struktur. NIR bruker nær-infrarød stråling, IR bruker infrarød stråling, og Raman bruker synlig eller nær-infrarød stråling til å måle kjemisk sammensetning og molekylær struktur.

Vibrasjonsspektroskopi er spesielt verdifullt fordi det gir spesifikk kjemisk informasjon uten å kreve omfattende prøveforberedelse. Raman-spektroskopi, en type vibrasjonsspektroskopi som gir et svært spesifikt molekylært fingeravtrykk, ligner på IR. Det er imidlertid forskjeller mellom Raman og IR som påvirker hvor de brukes i industrielle applikasjoner.

En viktig forskjell mellom infrarød og Raman-spektroskopi er hvordan vann påvirker spektrumet. Vann absorberer infrarødt lys sterkt, og skjuler ofte IR-signaler fra en prøve. I kontrast til dette har vann et svakt Raman-signal, noe som gjør Raman-spektroskopi bedre egnet for målinger i vandige løsninger. En annen forskjell ligger i bølgelengdene som brukes: Raman-spektroskopi bruker synlige eller nær-infrarøde bølgelengder, noe som gjør det mulig å bruke standard optiske fibre og detektorer. IR-spektroskopi krever imidlertid spesialfibre og detektorer på grunn av bruken av infrarøde bølgelengder. Dette gjør Raman-spektroskopi ideell for fjernovervåking og installasjoner der detektoren og sonden er adskilt av lengre avstander.

Når lys interagerer med et molekyl, kan det brytes, absorberes eller spres. Ved spredning interagerer de fleste fotoner ikke med molekylet, men «spretter» bare av det. Dette kalles Rayleigh- eller elastisk spredning. En liten del av lyset gjennomgår uelastisk spredning, hvor fotoner interagerer med molekylære vibrasjoner eller rotasjoner, noe som resulterer i energiforskjeller. Disse forskjellene danner et Raman-spektrum, som fungerer som et molekylært fingeravtrykk. De fleste Raman-spektroskopi-instrumenter måler disse molekylære vibrasjonene.

Raman-spredning
Raman-spredning ble oppdaget i 1928 av C.V. Raman og K.S. Krishnan, og beskriver hvordan en liten del av lyset som spres av et molekyl endrer frekvens på grunn av energioverføring med molekylære vibrasjoner. De første Raman-studiene ble utført ved hjelp av sollys som lyskilde og fotografisk utstyr. Den «overdrevne svakheten av effekten» ble erkjent i den opprinnelige artikkelen av Raman og Krishnan. Det var ikke uvanlig at forskere brukte timer eller til og med dager på å samle inn ett enkelt spektrum. Fremkomsten av lasere, følsomme detektorer og rask holografi-basert optikk har forbedret hastigheten, oppløsningen og følsomheten til Raman-spektroskopi. I dag kan et enkelt Raman-spektrum måles på få minutter eller til og med sekunder.

Spredningsprosessen
Når et foton interagerer med et molekyl, kan det eksitere et elektron til en virtuell energitilstand. Hvis elektronet går tilbake til et annet vibrasjonsnivå, har det spredte fotonet en annen energi, basert på den opprinnelige energien til molekylvibrasjonen.

• Stokes-spredning: Fotonet mister energi (vanligst)
• Anti-Stokes-spredning: Fotonet får energi (mindre intens)

Disse energiforskjellene er plottet som Raman-forskyvninger i bølgetall (cm⁻¹) i et spektrum. Fordi molekyler har mange vibrasjoner, hver med forskjellig energi, gir disse forskyvningene informasjon om ulike funksjonelle grupper i molekylet.

Vibrasjonsenergier
Vibrasjonsenergi avhenger av flere molekylære egenskaper:

• Atommasse
• Bindingsorden
• Molekylær geometri
• Hydrogenbinding

Raman-spektroskopi kan måle ulike komposisjons- og strukturelle aspekter av et molekyl, inkludert både ryggrad og sidekjeder, noe som gjør det verdifullt innen felt som materialvitenskap, polymerer, spiselige oljer og biokjemi.

Utvelgelsesregler
En vibrasjon er Raman-aktiv hvis den forårsaker en endring i polariserbarhet. Vanligvis er symmetriske strekk eller vibrasjoner Raman-aktive. Denne mekanismen utfyller IR-spektroskopi, hvor en vibrasjon må endre dipolmomentet og vanligvis involverer asymmetriske vibrasjoner.

• Sterke Raman-spredere: Molekyler med delokaliserte elektroner (f.eks. C=C-bindinger)
• Svake spredere: Svært polare bindinger (f.eks. O–H)

Variasjoner av Raman-spektroskopi utvikles fortsatt for å forbedre Raman-signalet eller redusere fluorescensinterferens. To viktige forbedringsmetoder er resonans-Raman og overflateforsterket Raman-spredning. 

Resonans-Raman (RR)
Når eksitasjonslaseren samsvarer med en elektronisk overgang, forsterkes visse vibrasjonsmoduser resonant – med faktorer på 10² til 10⁴. Denne teknikken er nyttig for å studere kromoforer og aromatiske forbindelser.

Overflateforsterket Raman-spredning (SERS)
SERS forsterker Raman-signaler med 10³–10⁶× når molekyler adsorberes på nanostrukturerte metalloverflater (f.eks. sølv, gull). Det muliggjør deteksjon av mikromolare konsentrasjoner, selv om bruken er begrenset av overflatekjemi og adsorpsjonskinetikk.

Historisk sett ble Raman brukt til kvalitativ analyse – identifisering av kjemiske stoffer ved hjelp av deres spektrale fingeravtrykk. Imidlertid har fremskritt innen holografisk teknologi, analysatorer med høy gjennomstrømning og multivariat dataanalyse gjort kvantitativ Raman-spektroskopi mulig.

• Kvalitativ: Identifiserer forbindelser
• Kvantitativ: Måler konsentrasjoner i sanntid

Siden introduksjonen i industrielle miljøer på midten av 1990-tallet har Raman-spektroskopi basert på moderne dispersive instrumenter blitt brukt til å løse utfordringer innen identifisering, kvantifisering og prosessovervåking. De tidlige anvendelsene var nært knyttet til de som allerede var analysert ved hjelp av Fourier-transform infrarød spektroskopi (FTIR) eller FT-Raman, da Raman gir lignende informasjon om sammensetning og molekylær strukturing og molekylær struktur.

I mange av disse tidlige rapportene ble Raman først testet etter at implementeringsbegrensningene til FTIR eller FT-Raman – som forurensning av prøvesonden, høy lasereffekt eller inkompatibilitet med vandige systemer – ble tydelige. Etter de første suksessene økte industriens tillit til Raman-teknikken og robustheten til maskinvaren, noe som førte til bredere bruk av Raman-basert produkt- eller prosessforståelse.

I dag er det bevist at Raman-spektroskopi gir FTIRs spesifisitet med NIR-spektroskopiens målekomfort. Et moderne perspektiv ser på Raman som et førstevalg for Process Analytical Technology (PAT), snarere enn en PAT som siste utvei.

Raman har flere viktige fordeler:

• Spesifisitet: Skarpe, ikke-overlappende bånd muliggjør presis identifisering.
• Vannkompatibilitet: Minimal forstyrrelse fra vannbånd.
• Bredt konsentrasjonsområde: Fra <1 % til 100 % uten fortynning.
• Ingen prøveforberedelse: Berøringsfri, ikke-destruktiv analyse.
• Rask: Spektra oppnås på sekunder til minutter.
• Allsidig: Fungerer med standardbeholdere (glass, safir, polymerer)
• Kvantitativ: Signalintensiteten er proporsjonal med molekylkonsentrasjonen

Fordi Raman-spektroskopi bruker synlig eller nær-infrarødt lys, kan den kobles til mange forskjellige typer instrumenter. Raman-spektra kan måles ved hjelp av dispersive instrumenter koblet til et mikroskop, en håndholdt eller bærbar enhet eller fiberoptiske målesonder.

Et Raman-system inkluderer:

• Laser-eksitasjonskilde
• Eksitasjonsleveringsalternativer
• Prøvegrensesnitt (f.eks. mikroskopobjektiv, immersjonsoptikk, berøringsfri sonde, strømningscelle)
• Innsamlingsoptikk
• Bølgelengdeseparasjonsenhet (f.eks. spektrograf)
• Detektor og elektronikk
• Programvare for datainnsamling og analyse

Raman-spektroskopi er et allsidig analyseverktøy som brukes på tvers av faste stoffer, væsker, gasser og komplekse medier, og støtter et bredt spekter av bransjer og forskningsfelt.

Materialefaser
Raman-spektroskopi kan brukes på et bredt spekter av materialer, inkludert:

• Faste stoffer: Partikler, pellets, filmer, fibre
• Væsker: Løsninger, geler, pastaer
• Gasser
• Blandingsfasemedier: Suspensjoner, slam, cellekulturer

Industrielle anvendelser
Raman-spektroskopi spiller en avgjørende rolle i en rekke industrisektorer, inkludert:

• Legemidler og farmasi: API-reaksjonsovervåking, behandling av faste doser, identifisering av polymorfe former, optimalisering av formuleringer, PAT.
• Bioprocessing: Overvåking og kontroll av oppstrøms cellekultur, høyere ordens struktur, medieforberedelse, målproteinkonsentrasjon, produktformulering, PAT.
• Industriell rettsmedisin: Identifisering av defekt materiale, identifisering av polymorfe former, aggregater, forfalskning.
• Halvledere: Stress-/spenningsanalyse, materialkarakterisering.
• Polymerer og nanoteknologi: Reaksjonsovervåking, strukturanalyse, kvalitetskontroll, krystallinitet
• Spesialkjemikalier: Ammoniakksyntese, metanolproduksjon, overvåking av fine kjemiske reaksjoner, krystallisering, olefinproduksjon
• Miljø- og geologiske vitenskaper: Karbonfangst, -utnyttelse og -lagring
• Mat og drikke: Kvalitet på spiselige oljer, sjokolade, dyrket kjøtt, forfalskning, overvåking og kontroll av gjæring
• Olje og gass: Raffinering, aminsøtning, naturgassproduksjon

Utvidende grenser
I dag er svaret på spørsmålet om et måleproblem kan være godt egnet for Raman-spektroskopi generelt «ja». Maskinvarens pålitelighet, en rekke målemetoder for prøver, modelloverførbarhet og lave driftskostnader gjør Raman-spektroskopi til et attraktivt analyseverktøy. Etter hvert som Raman-spektroskopi fortsetter å utvikle seg, utvider nye fremskritt innen instrumentering og anvendelser dens innvirkning på forskning, kliniske miljøer og laboratorier. Nye bruksområder inkluderer biomedisinske felt som vevsanalyse og sykdomsdiagnostikk, samt kunstkonservering gjennom identifisering av pigmenter og materialer.

1. Efremov, E.V.; Ariese, F.; Gooijer, C. Achievements in resonance Raman spectroscopy: Review of a technique with a distinct analytical chemistry potential, Analytica Chimica Acta, 2008.
2. Esmonde-White, K.; Kester, Michael. Making Industrial Raman Spectroscopy Practical, Spectroscopy Online, 2020.
3. Han, X.X.; Rodriguez, R. S.; Haynes, C. L.; Ozaki, Y; Zhao, B. Surface-enhanced Raman spectroscopy, Nature Reviews Methods Primers, 2022.
4. Kerker, M. et al. Surface Enhanced Raman Scattering, Plenum Press, 1982.
5. Lewis, I. R.; Edwards, H. Handbook of Raman Spectroscopy: From the Research Laboratory to the Process Line, CRC Press, 2001.
6. Morris, M.D. Applied Laser Spectroscopy, VCH Publishers, 1992.
7. Myers, A.B., Mathies, R.A. Biological Applications of Raman Spectroscopy, Wiley, 1987.
8. Schrader, B. Infrared and Raman Spectroscopy, VCH Publishers, 1995.