Výběr z aplikací Ramanské spektrometrie
Ján Pásztor, Nicolet CZ s.r.o.
Chandrasekhara Venkata Raman
(7. listopadu 1888 – 21. listopadu 1970)
• Nobelovu cenu získal v roce 1930 za práce o
rozptylu světla, objev Ramanova jevu.
• Indický fyzik Chandrasekhara Venkata Raman se narodil roku 1888
v rodině učitele fyziky. Studoval na univerzitě v Madrásu, kde byl
promován se zlatou medailí jako nejlepší student fyziky. Po ukončení
studia pracoval jako úředník na ministerstvu financí, ale nadále se
věnoval vědecké práci a stal se členem Indické přírodovědné
společnosti v Kalkatě. V roce 1911 se stal vedoucím katedry fyziky na
univerzitě v Kalkatě a od roku 1947 byl ředitelem Ramanova
výzkumného ústavu v Bangaloře.
• Již během studií napsal svou první vědeckou práci z optiky a akustiky,
později zkoumal otázky molekulové fyziky, rozptyl světla v molekulách,
ohyb světla. Věnoval se také fyzice krystalů, problémům kmitání struny
a fyzice hudebních strunových nástrojů.
• V roce 1928 při výzkumu rozptylu světla objevil jev, který byl na jeho
počest pojmenován Ramanovým efektem. Tento jev vzniká při
průchodu monochromatického světla plynem, kapalinou nebo
průhlednou tuhou látkou a ve spektru takto rozptýleného světla lze
pozorovat nejen čáry původního světla, ale i čáry jiných, delších nebo
kratších vlnových délek – tzv. Ramanovo spektrum. Ramanův efekt je
významný tím, že umožňuje zkoumat i víceatomové molekuly, jejichž
spektra jsou komplikovaná a těžko analyzovatelná. Jeho objev se stal
přínosem pro výzkum chemických látek a pomohl získat nové poznatky
o jejich struktuře.
• Stejný objev, ve stejnou dobu se podařil L. I. Mandelštamovi a G. S.
Lansbergovi, kteří však stejně jako Ramanův spoluobjevitel Krišnan
Nobelovu cenu nezískali.
Nobel Lectures, Physics 1922-1941, Elsevier Publishing
2 Company, Amsterdam, 1965
Molekulová vibrační spektrometrie
• Polystyrenový film analyzovaný infračervenou a Ramanskou spektrometrií
Raman Intensity
%Transmittance
FT-IR Transmission Spectrum
80
60
40
20
4
Raman Spectrum
3
2
1
4000
3000
2000
Wavenumbers (cm-1)
3
1000
Porovnání metod vibrační spektrometrie
Infračervená
• Absorpce
• Citlivá na vibrace dipólu
O-H, N-H, C=O
• Obvykle nutná příprava
vzorku, požadována
krátká optická dráha
• Bezvodé roztoky
Raman
• Emise rozptýleného
laserového záření
• Citlivá na polarizovatelné
vibrace C=C, Aromáty
• Téměř žádná příprava
vzorku, měření přes
transparentní obaly a sklo
• Vodné roztoky
4
Ramanova Spektrosskopie
V=1
V=0
(odfiltrovat)
Ramanův rozptyl
(Stokesův posun)
2000
5
1800
1600
1400
1200 1000 800
Raman shift (cm-1)
600
400
200
Filtr primárního záření
Rayleighův rozptyl
V = virtual state
Raman scattering
Excitation frequency
LASER
Rayleigh scattering
~~~~~~~~~~~~~~~
0
Ramanova Spektroskopie:
Energetický diagram
Elektronová
hladina 1
Viditelná
Vi
ditelná Excita
Excitace
ce
& Fluorescence
NIR Excitace
Excitace
Elektronová
hladina 0
6
Ramanský posun
• Ramanovo spektrum je nezávislé na budícím laseru
• Výběr budícího laseru je dán vlastnostmi měřeného
vzorku
o
o
Ramanský posun
(relativní)
Laser 1
532 nm
7
Vlnová délka (absolutní)
Laser 2
1064 nm
Proč používat přednostně Ramanskou spektroskopii?
• Velmi rychlá analýza
• Bez přípravy vzorku
• Snadná identifikace
sloučenin
• Vzorkování přes sklo a
plasty
• Doplňková k FT-IR
• Vynikající mikroskopické
vlastnosti
• Snadný přístup do 100 cm-1
• Vodné roztoky
8
Forenzní a kriminalistické aplikace
Aplikace v soudní chemii
• Různorodost vzorků
– Zakázané drogy – Obvykle velká množství zadržených důkazů
• Pouliční drogy
• Hlídané substance
• Ředící látky
– Stopové důkazy – Malá množství, důkazy z místa činu
• Vlákna
• Úlomky barev
• Výbušniny, hořlaviny and katalyzátory
– Padělky výrobků a peněz
10
Analýza omamných látek pomocí Ramanské
mikroskopie – zadržené krystalky
•Spektrum z jednoho krystalu – Virginia Dept. of Forensic Science
5000
JC C07-14000 #1A NMP
4500
Int
4000
3500
3000
1800
**JC C07-14000 #1A NMP - Automated Fluorescence Correction on Polynomial order 5
1600
1400
1200
Int
1000
800
600
400
200
-0
3000
11
2500
2000
1500
Raman shift (cm-1)
1000
500
Analýza omamných látek pomocí Ramanské
mikroskopie – zadržené krystalky
• Porovnání s knihovnou spekter – vynikající shoda s
referenčním spektrem kokainu
12
Analýza omamných látek pomocí Ramanské
mikroskopie – ředící látky
Baking Soda 532nm
Int
150 0
100 0
500
150 0
Mannitol Lot # 742367 532nm
Int
100 0
500
Inositol Lot # 5655000 532nm
Int
100 0
500
300 0
250 0
200 0
150 0
R aman s h ift (c m-1 )
13
100 0
500
Soudní chemie – stopové důkazy
• Identifikace vláken
• Identifikace pigmentů ve vláknech
• Identifikace inkoustů a barev
• Identifikace zbytků výbušnin
14
Stopové důkazy - vlákna
Rozlišení podobných vláken – Nylon 6 a Nylon 6/6
15
Stopové důkazy - vlákna
Rozlišení podobných polyolefinů– Polyethylen vs. Polypropylen
16
Vzorky vláken – vliv pigmentů
• 785 nm laser
• 20 sekund měření
17
Rozdílové spektrum
18
Srovnání s extrahovaným pigmentem
19
Stopové důkazy a Ramanská mikroskopie
• Analýza vláken – Virginia Department of Forensic Science
White fiber- 532 8sec/8scan 1 min photobleach jac
900
850
800
750
700
650
Int
600
550
500
450
400
350
300
250
200
3000
20
2500
2000
Raman shift (cm-1)
1500
1000
500
Stopové důkazy a Ramanská mikroskopie
• Stopové důkazy a Ramanská mikroskopie - výsledek
porovnání s databází
Vzorek vlákna
Nylon 6
21
Vrstevnaté automobilové laky
22
Porovnání inkoustů
• 785 nm laser
• 10 s expoziční doba
• 2 průměrované expozice
23
Výbušniny
VzorekTNT
• 785 nm laser
• 10 sekund měření
24
Výbušniny – anorganické materiály
25
Výbušniny – anorganické materiály
26
Aplikace Ramanovy spektrometrie v
nanotechnologiích uhlíku
Formy uhlíku
• Diamant
– sp3 vázaný uhlík
• Grafit
– sp2 vázaný uhlík
– Vrstvy kruhů
• Fullereny
– Duté uhlíkové sféry
• Diamond-like Carbon (DLC)
– Amorfní uhlík
– Vlastnosti podobné diamantu
– Občas hydrogenovaný
28
Uhlíkaté nanomateriály
Graphene nanoribbons - GNR
Single walled carbon nanotubes – SW-CNT
Multi-walled carbon nanotubes – MW-CNT
• Grafen
– Jednovrstevné grafitové struktury
– Grafenové nanostuhy (GNR) se stáčejí do nanotrubic
• SW-CNT - jednostěnové
• MW-CNT - vícestěnové
• Carbon nanowalls
– Stěnovité grafenové struktury
29
Proč jsou uhlíkové nanomateriály tak důležité?
– Nabízejí různé elektrické chování (izolační (DLC), polovodivé, nebo
kovové vodivé)
– nejtužší vlákna dosud známé lidstvu
– 100 x sinější než ocel
– vedou teplo jako diamant
• Applikace
– pořád nové a nové –obrovský rozvoj průmyslu
– nová generace polovodičů
– ve vývoji:
•
•
•
•
•
30
biologické vědy a diagnostika
špičkové polymery a nanokompozita
senzory
Ložisko z uhlíkových nanotrubic
skladování vodíku
mechanizmus cíleného přenosu léků v organizmech
• Velmi dobrá charakterizace
1500
Amorphous
Amorphous
Int
1000
500
Int
10000
Gla phite
Graphite
5000
Dia mond
Diamond
Int
1.0
10
15000
Int
5
Co na to Raman?
Single CNT
Single-wall carbon nanotube
10000
5000
4000
3500
3000
2500
2000
Raman shif t (cm-1)
1500
G Band
31
D Band
1000
500
RBM
Co na to Raman?
• RBM bands (Radial Breathing Modes) – spektrální pásy
– používají se k určení poloměru nanotrubic
– nepřímý indikátor indexu chirality a elektrických vlastností
– citlivé na vlnovou délku exitačního laseru (rezonance)
– nejsou přítomny v MW-CNT
3200
3000
2800
2600
2400
2200
Int
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
400
32
350
300
250
Ram an s hift (c m-1)
200
150
Co na to Raman?
• G pásy ( grafitové)
– maximum okolo 1580 cm-1
– C-C valenční vibrace
– určení elektrických vlastností (kovových a polovodivých)
• rozšíření pásů indikuje přítomnost kovové vodivosti
G
16000
14000
12000
Int
10000
8000
6000
D
4000
2000
1700
33
1600
1500
Ram an s hift (c m-1)
1400
1300
Co na to Raman?
• D pásy (diamantové nebo defekty )
– maximum okolo 1335 cm-1
– indikují defekty v SW-CNT
– významný v MW-CNT
16000
G
14000
12000
Int
10000
8000
6000
D
4000
2000
1700
34
1600
1500
Ram an s hift (c m-1)
1400
1300
Specifické aplikace – vlastnosti nanotrubic
• Ramanská spektrometrie poskytuje informace pro porovnání a
odlišení nanotrubic při jemném ladění jejich syntézy
30000
28000
26000
24000
22000
20000
Int
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
1500
35
1000
Ram an s hift (c m-1)
500
31 3.51
Specifické aplikace – distribuce nanotrubic
Distribuce SW-CNT
v matici MW-CNT
Sm
Single-wall CNT with a peak near 276cm-1
24 7.76
27 6.68
Single-wall CNT with a peak near 313cm-1
Diameter
23 9.20
Fotografie vzorku zvětšení 1000x
Single-wall CNT with a peak near 247cm-1
Laser frevkence:
Laser výkon :
Trvání analýzy:
532 nm
0.1 mW
60 s
Lg
Single-wall CNT with a peak near 239cm-1
36
350
300
250
200
Raman shift (cm-1)
150
100
Specifické aplikace – testování osamocených
nanotrubic
• Spektrum osamocené CNT na Si po odečtení Si
– Demonstruje vyjímečnou citlivost metody
14000
12000
10000
Int
8000
6000
4000
2000
0
3000
37
2000
Ram an s hift (c m-1)
1000
Specifické aplikace – funkcionalizace nanotrubic
• Další krok v zesíťování CNT
38
Specifické aplikace – funkcionalizace nanotrubic
• Raman ověřuje, zda nedochází k degradaci skeletů
• Raman charkterizuje přidané funkční skupiny anebo
zabudované malé molekuly
39
Drahokamy a věda o nich
Drahé kameny
• Syntetický nebo přírodníé diamnat
• Identifikace barevných a barvených kamínků
• Detekce chemických úprav a plniv
• Characterizace přírodních inkluzí za účelem odhalené
jejich původu
41
Přírodní nebo syntetický diamant?
42
Přírodní nebo syntetický diamant?
• Určováno fotoluminiscencí za teploty kapalného dusíku
43
Přírodní nebo syntetický diamant?
Ramanské spektrum of syntetického diamantu při teplotě kapalného dusíku
44
Identifikace drahých kamenů
• Barevné kamínky
45
Umění a archeologie
Umění a archeologie – identifikace barev a
pigmentů
• Charakterizace pigmentů
– restaurování úrředmětů
– určení pravosti authenticity
• FT-Raman – obtížné měření barevných pigmentů
– zahřívání vzorku
• Disperzní Raman – vhodněhší
– zahřívání vzorku méně časté
• používá se nižší výkon laseru
– vysoká citlivost
– charakterizace menších částic
47
Vzorky barev
48
Umění a archeologie – větší vzorky
• Větší vzorky – problém pro mikroskop
• Využití velkých vzorkových prostorů
• Využití optických vláken
49
Farmaceutika
Výhody Ramanské spektrometrie ve farmacii
• Přímé vzorkování
– potvrzuje totožnost surovin bez rozbalení (např. fenol)
• Ostré spektrální pásy
• Spektrální odečítání poskytuje spektra čistých složek
• Vynikající shoda s referenčními materiály
4-Acetamidophenol
Acetylsalicylic Acid
Caffeine
3500
51
3000
2500
2000
Raman shift (cm-1)
1500
1000
500
Potvrzení specifické formy aktivních substancí
• Efedrine.HCl vs. Efedrin
HO
– méně než 1 mg, 5 sekund měření
– bez přípravy a kontaktu se vzorkem
N
H
H
Cl
OH
Raman Intensity
HN
Ephedrine HCL
Ephedrine free base
1500
1000
Raman shift (cm-1)
52
500
Ramanská mikroskopie
• Měření jednotlivých částic/bodů vzorku
– analýza nečistot
– zákalú a sraženin v injekčních ampulích
– náhodné vzorkování hotových tablet s kontrolou
polymorfních modifikací
• Lineální nebo hloubkové mapování
– potvrzení složení vícevrstavných vzorků
– charakterizace inkluzí
• Plošné mapování
– homogenita tablet
– analýza zorků s postupným uvolňováním substance
53
Ramanské mapování
• Lineární mapování: postupné uvolňování
– X-Y složení vrstev
– vrstevnicové mapy ukazují relativní intenzity
– rozlošení jednotlivých složek
1.00
0.99
0.98
0.97
0.96
0.95
0.94
Inten s ity
0.93
0.92
0.91
0.90
0.89
0.88
0.87
0.86
0.85
0
50
100
150
200
250
0.1 µ m
54
300
350
400
Distribuce komponent analgetika
Acetaminophen
Aspirin
Caffeine
TiO 2
Coating?
55
Stabilita léčiv… přímo v obalech!
• Ramanova spectroskopie umožňuje studium hotových
výrobků přímo přes plastový obal – blistr
• Nedestruktivní analýza
• Opakování analýz stejného vzorku
• Stabilitní studie
56
Stabilita léčiv
35
Aulin Tablet in Blister
30
Int
25
20
15
?
?
10
?
5
40
Aulin Tablet “as is”
35
30
Int
25
20
15
10
5
1800
57
1600
1400
1200
1000
Raman shift (cm-1)
800
600
400
200
Stabilita léčiv
35
Aulin Tablet in Blister
30
Int
25
20
15
10
5
8
Blister
7
6
Int
5
4
3
2
1
1800
58
1600
1400
1200
1000
Raman shift (cm-1)
800
600
400
200
Stabilita léčiv
• Studie: Theophylline – vliv vlhkosti
– Respirační stimulans
– Monitorování změn
vlivem vlhkosti
– Částečná konverze
na hydratovanou formu
Taylor, L.S. Am. Pharm. Rev., 4, 60, 2001
59
Ramanské spektrometry
Technologie
• FT-Raman
– Interferometer
– NIR laser
– Detektor InGaAs (pracuje při pokojové teplotě) nebo Germanium
(chlazený kapalným dusíkem)
• Disperzní Raman
– Mřížkový spektrograf
– Viditelné lasery
– Křemíkové CCD detektorové pole
61
Lasery a rozsahy vlnových délek
244
266
325
0 to +3300 cm-1 ranges
for selected Raman lasers
458
473
488
514
532
633
785
830
1064
200
62
400
600
800
1000
1200
Wavelength (nm)
1400
1600
1800
Porovnání excitačních laserů
532 nm laser
785 nm laser
Omezená fluorescence je
hlavní předností
FT-Ramanských přístrojů
FT-Raman, 1064 nm laser
3500
63
3000
2500
2000
1500
1000
500
FT-Ramanova Spektrometrie
• NIR laser
– 1064 nm
• Potlačuje vliv fluorescence
• Výhody
– Zabudovaná vnitřní
kalibrace vlnových délek
– Snadné použití
64
Kvantitativní analýza
• Ramanská data jsou rovněž vhodná pro
kvantitativní analýzu
• Matetické modely
– Lambertův-Beerův zákon, PLS, CLS, SMLR
65
FT-Raman gelové kapsle
• Ramanská spektra měřena přímo přes stěnu kapslehe capsule
• Běžná kalibrace navážením standardů
24
22
Gel-Caps with Ketoprofen active ingredient
Pure Drug
spectrum
Raman intensity
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
3500
3000
2500
2000
1500
Raman shift (cm-1)
66
1000
500
Predicted % Ketoprofen
Kalibrační křivka
8
R = 0.9993
RMSEC = 0.0310
SMLR at 999 cm-1
6
Calibration
Prediction
4
2
0
0
2
4
6
Actual % Ketoprofen
67
8
10
Disperzní Ramanské spektrometry
• Viditelné lasery
– Silný Ramanský signál
– Intenzita nepřímo úměrná čtvrté
mocnině vlnové dély
– Nejběžnější 780, 633, 532, 473 nm
• Vysoká citlivost
– Si CCD detektor
• Vynikající pro mikroskopii
– 1 m prostorové rozlišení
– konfokalita s 2 m hloubkovým
rozlišením
• Automatizace
68
Ramanská mikroskopie
• Charakterizuje specifické domény v heterogenních
materiálech
• FT-Ramanská microskopie má praktický limit 50 m,
ovšem bez fluorescence
• Disperzní Raman má výjimečnou citlivost a prostorové
rozlišení - 1 m
• Dispersive Ramanské microskopy mají konfokální
design
– Hloubkové profilování s rozlišením okolo 2 m
• Automatické mapování
69
Krystaly pod FT-Ramanským mikroskopem
3 mm zorné pole
~ 20x zvětšení
100 mikronů velký krystal
Raman intensity
Stopa laseru
1800
70
1600
1400
1200
1000
Raman shift (cm-1)
800
600
FT-Ramanská mapa glazury
800 x 1500 – 100 micron steps
Extracted Line Map
“Waterfall” Plot
71
Disperzní Raman - mapování
• Šumivá tableta
– Velká plocha – mozaika z jednotlivých zorných polí
– Krok X a Y 25 mikronů, 785 nm laser, měření v každém bodě po
dobu 20 sekund
350 Microns
– analgetikum
– antacid
– barvivo
72
350 Microns
• Sledování distribuce složek
Ramanské mapování
• Jednotlivé složky identifikovány pomocí knihovny
• Mapa rozložení složek v tabletě
Point 1, 4-Acetamidophenol
Point 42, Sodium Bicarbonate
Point 171, FD&C Yellow #6 Powder
1800
1600
1400
1200
1000
800
Raman shift (cm-1)
73
600
400
Konfokální Ramanská mikroskopie
• Silnější Ramanský signál z fokusovaného laseru
• Slabý signál z míst mimo ohnisko
• Nedestruktivní hloubková analýza
– Vliv velikosti clony a vliv objektivu
– Hloubka měření volena Z-ovou osou mikroskopického stolku
Detector
Objective
Sample
74
Adjust z-axis
with scope focus knob
Folie na balení potravin
• Pětivrstevný polymer
• Konfokální Raman umožňuje nedestruktivní hloubkové
profilování
polypropylen
polypropylen
75
Rozdílová spektra
76
Inkluze v minerálech
• Konfokalita umožňuje výzkum uvnitř objektů
Large Inclusion in Calcite, Water
Fokus ~ 10 mikronů pod povrchem
2 micron wide inclusions, Organic, Water, and Rock grain peaks
4000
3500
3000
2500
2000
Raman shift (cm-1)
77
1500
1000
Ramanské polovodičové aplikace
• Přehled defektů na polovodičích
– Identifikace defektů a nečistot na Si deskách
– Rychlá navigace a mapa defektů
Defective Contact
3500
78
3000
2500
2000
Raman shift (cm-1)
1500
1000
500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
Raman shift (cm-1)
1000
500
Krystalizace farmaceutických substancí
• Studium polymorfních modifikací
• Automatizované měření na mikrotitračních destičkách
– Typicky 96, 384 nebo 1536 pozic
– Automatická aplikace databází a kvantitativních metod
• Možnost depolarizace laseru omezuje vliv
přednostní orientace krystalů
Reanalysis
Parameters
Template Map
Review Window
Pass data to
OMNIC Windows
79
Download

Výběr z aplikací Ramanské spektrometrie