Espectroscopia de Raman

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Espectroscopia RamanEspectroscopia Raman

Thiago JosThiago Joséé FatobeneFatobeneEspecialista de ProdutoEspecialista de ProdutoPerkinElmer do Brasil PerkinElmer do Brasil

IntroduIntroduçção Teão Teóóricarica

HistHistóóricorico

�� PrimeiroPrimeiro postuladopostulado porpor SmekalSmekalemem 19231923

�� Dr. Dr. ChandrasekharaChandrasekhara VenkataVenkataRamanRaman•• PrimeiroPrimeiro a a observarobservar o o

espalhamentoespalhamento Raman Raman emem1928 (1928 (juntojunto com K.S, com K.S, Krishnan)Krishnan)

•• Raman Raman ganhouganhou o o prpréémiomioNobel de Nobel de FFíísicasica emem 19301930

RamanRaman

Quando uma molécula é irradiada, a energia pode ser transmitida, absorvida, ou

espalhada. A espectroscopia Raman é baseada na detecção da luz espalhada.

No espalhamento Rayleigh (��), a interação da molécula com o fóton não

provoca mudanças nos níveis de energia vibracional e/ou rotacional da molécula.

Assim ��

O efeito Raman pode ser explicado pela colisão ��entre o fóton incidente e

a molécula. Isto muda os níveis das energias vibracional e/ou rotacional da molécula

por um incremento (±±±± ∆∆∆∆E). Pela lei de conservação de energia, isto significa que as

energias dos fótons incidente e espalhado serão diferentes, ou seja νννν�� ≠≠≠≠

νννν��. Se a molécula absorve energia, ∆∆∆∆E é positiva, ννννincidente > ννννespalhada., estas são

as ��do espectro (regra de Stokes de fluorescência, ννννincidente > ννννfluorescência).

Se a molécula perde energia, ∆∆∆∆E é negativa, ννννincidente < ννννespalhada, linhas ��do

espectro.

O O queque osos eletronseletrons fazemfazem

O O queque éé espalhamentoespalhamento Raman?Raman?

RamanRaman

• As linhas Stokes e anti-Stokes correspondem a vibração molecular da amostra em estudo

RamanRaman

• O espectro de Raman é plotado em cm-1, mas esta unidade não é um valor absoluto como no IR e as medidas não são feitas no MID-IR.

• O espectro Raman é o comprimento de onda da radiação espalhada em relação ao da radiação de excitação (laser).

• As leituras são feitas na região do visível e do NIR.

OBS: �laser = 785nm

1600cm1600cm--11898nm = 11139cm898nm = 11139cm--11

1000cm1000cm--11852nm = 11739cm852nm = 11739cm--11

0cm0cm--11785nm = 12739cm785nm = 12739cm--11

Espectro RamanEspectro RamanRadiaRadiaçção Detectadaão Detectada

LinhasLinhas Stokes e AntiStokes e Anti--Stokes Stokes –– EspectroEspectroRaman do Raman do CyclohexanoCyclohexano

PerdaPerda de de energiaenergia

GanhoGanho de de energiaenergia

SemSemmudanmudanççaa

de de energiaenergia

Energy Energy LossLoss

Energy Energy GainGain

NoNoEnergy Energy ChangeChange

EspectroEspectro RamanRaman

LinhasLinhas Stokes e AntiStokes e Anti--Stokes Stokes –– EspectroEspectroRaman do Raman do CyclohexanoCyclohexano

O O espalhamentoespalhamento dada luzluz estaesta aoao nossonosso redorredor …………....

O sol O sol éé a fonte de todos os comprimentos de onda da luz visa fonte de todos os comprimentos de onda da luz visíível.vel.

A luz azul A luz azul éé espalhada pelas molespalhada pelas molééculas da atmosfera mais que a luz vermelha, culas da atmosfera mais que a luz vermelha, porque essas molporque essas molééculas são menores que os comprimentos de onda da luz.culas são menores que os comprimentos de onda da luz.

Isso explique o porque o cIsso explique o porque o cééu u éé azul e que no por do sol vemos uma luz vermelha.azul e que no por do sol vemos uma luz vermelha.

HHáá partpartíículas grandes de culas grandes de áágua nas nuvens que promovem um espalhamento gua nas nuvens que promovem um espalhamento igual em todos os comprimentos de onda e com isso dando um efeitigual em todos os comprimentos de onda e com isso dando um efeito branco o branco a nuvem.a nuvem.

EfeitoEfeito dos dos comprimentoscomprimentos de de ondaonda

IntensidadeIntensidade de de espalhamantoespalhamanto = Kl(Pol)= Kl(Pol)22vv44

•• K K éé umauma constanteconstante•• l l éé o o caminhocaminho óópticoptico•• PolPol éé a a polarisabilidadepolarisabilidade dada molmolééculacula e e éé úúnicanica parapara cadacada molmolééculacula..•• V V éé a a freqfreqüüênciaência dada radiaradiaççãoão incidenteincidente..

IssoIsso significasignifica queque o laser o laser azulazul ddáá um um sinalsinal maismais intensointenso queque o o vermelhovermelhoouou NIR.NIR.

No No entantoentanto, a , a fluorescenciafluorescencia compete com o compete com o espalhamentoespalhamento e se e se estiverestiverpresentepresente serseráá maismais forte forte queque o o espalhamentoespalhamento e e iriráá mascararmascarar o o espectroespectro Raman.Raman.

EsseEsse éé o o motivomotivo do do porqueporque algunsalguns laboratlaboratóóriosrios usamusam NIR FTNIR FT--Raman.Raman.

FluorescênciaFluorescência

Red laserGreen laser

785nm laser

EspectroEspectro de de umauma tampatampa de de canetacaneta

532 nm532 nm

785 nm785 nm

1064 nm1064 nm

Lasers Lasers usadosusados pelapela PEPE

O laser de 785nm O laser de 785nm éé aceito como o melhor, porque:aceito como o melhor, porque:a) bom espalhamento Ramana) bom espalhamento Ramanb) alta sensibilidade com o detector CCDb) alta sensibilidade com o detector CCDc) reduc) reduçção ou sem efeito da fluorescênciaão ou sem efeito da fluorescência

Quando a fluorescência Quando a fluorescência éé um problema usaum problema usa--se o NIR laser se o NIR laser (1064nm).(1064nm).

a) pouco ou nenhum efeito de fluorescênciaa) pouco ou nenhum efeito de fluorescênciab) porb) poréém, fraco espalhamento e detectores menos sensm, fraco espalhamento e detectores menos sensííveis.veis.

OutrasOutras ttéécnicascnicas: RR, SERS and SERRS: RR, SERS and SERRS

RR: RR: ResonanceResonance RamanRamanOcorre quando a energia de um fOcorre quando a energia de um fóóton do laser coincide com o de ton do laser coincide com o de uma transiuma transiçção eletrônica de um grupo cromão eletrônica de um grupo cromóóforo do sistema em foro do sistema em estudo.estudo.

SERS: Surface Enhanced Raman SpectroscopyO espectro Raman de uma molécula que é absorvida sobre umasuperfície de ouro ou prata pode ter o sinal significamenteaumentado.

SERRS: Surface Enhanced Resonance Raman SpectroscopySimilar ao SERS, mas usa um laser com energia que coincide com o grupo cromóforo da molécula em estudo.

SERS / SERRS podem aumentar o sinal em até bilhões de vezes.

1000 1200 1400 1600 1800

Raman Shift cm-1

1000 1200 1400 1600 1800

Raman Shift cm-1

80 fmol 0.8 fmol

Rhodamine labelled oligonucleotide (SERS)

Resonance RamanResonance Raman

Espectrômetros DispersivosEspectrômetros Dispersivos

��CzernyCzerny--TurnerTurnerSistema requer cerca de 10s para 1s de aquisição do espectro. Diferentes partes do espectro são adquridas em diferentes tempos.Grande problema para análise de sistemas dinâmicos.

ExemploExemplo

EspectroEspectro Raman Raman adquiridoadquirido emem 7 7 etapasetapas..

��EchelleEchelleAquisição do espectro instantaneamente. Todos os comprimentos de ondas analisados simultaneamente sem movimentação de nenhuma parte óptica..

3500 cm-1

1500

1000

500

95 cm-1500

1000

��

Espectrômetros DispersivosEspectrômetros Dispersivos

ExemploExemplo

3000 2500 2000 1500 1000 500 3000 2500 2000 1500 1000 500

O SO

FTFT--RamanRaman

Ocasionalmente a amostra pode apresentar fluorescência.Ocasionalmente a amostra pode apresentar fluorescência.Neste caso, para um espectro limpo usaNeste caso, para um espectro limpo usa--se um laser se um laser NdNd:YAG (NIR :YAG (NIR ––1064nm).1064nm).

Para sistemas YAG usaPara sistemas YAG usa--se detectores se detectores InGaAsInGaAs ou ou GermanioGermanio. Estes . Estes possuem uma sensibilidade de atpossuem uma sensibilidade de atéé 20x menor que o de s20x menor que o de síílica.lica.

Para compensar a baixa sensibilidade usaPara compensar a baixa sensibilidade usa--se lasers de 1 se lasers de 1 -- 2w de potência.2w de potência.PorPoréém, devem, deve--se tomar cuidado para não queimar a amostra.se tomar cuidado para não queimar a amostra.

BenefBenefíícioscios

•• A espectroscopia Raman A espectroscopia Raman éé uma tuma téécnica complementar ao Infravermelho.cnica complementar ao Infravermelho.

•• Assim como o infravermelho, o espectro Raman pode ser usado parAssim como o infravermelho, o espectro Raman pode ser usado para a

identificaidentificaçção (ão (fingerfinger printprint).).

•• Fornece informaFornece informaçções sobre vibraões sobre vibraçções homo ões homo -- nucleares simnucleares siméétricas como tricas como

os estiramentos os estiramentos --C=CC=C-- e e ––S=SS=S-- que são fracas ou inativas no infravermelho.que são fracas ou inativas no infravermelho.

•• Os anOs anééis aromis aromááticos possuem bandas fortes.ticos possuem bandas fortes.

•• As amostras precisam de pouca ou nenhuma preparaAs amostras precisam de pouca ou nenhuma preparaçção.ão.

•• ÉÉ uma tuma téécnica não destrutiva. Ancnica não destrutiva. Anáálise lise ““in in situsitu””..

•• O vidro O vidro éé um bom material para ser usado como janelas para medidas por um bom material para ser usado como janelas para medidas por

Raman.Raman.

•• Não requer acessNão requer acessóórios especiaisrios especiais

•• Não hNão háá interferência de umidade.interferência de umidade.

RamanRaman

EspectroEspectro de IR e Raman do de IR e Raman do ÁÁcidocido BenzBenzóóicoico

IRIR

RamanRaman

��

ComparaComparaççãoão Raman, Mid IR, e Near IRRaman, Mid IR, e Near IR

��

�� !!!�" #!!! $��%%

�&�''�� (

RamanRaman

� Touch Button� Compartimento

para vários tipos de amostras

RamanRaman

RamanMicroRamanMicro 200200

•• 785nm laser785nm laser•• 95 95 –– 3200 cm3200 cm--11 rangerange•• 10cm10cm--11 FWHM resolution, 3cmFWHM resolution, 3cm--11 pixel resolution.pixel resolution.•• 10 micron spot10 micron spot•• CTCT

RamanMicro 200RamanMicro 200……

Raman Optical Head

Spectrometer

Raman / Visible Image selector

100W Halogen Lamp

Fiber Optic Connectors

RamanMicroRamanMicro 200200

Sample HolderSample Holder

RamanMicro 200 Laser Spot SizeRamanMicro 200 Laser Spot Size

200µµµµm

100µµµµm

20µµµµm

10µµµµm

Spot Size

600µµµµm5x

250µµµµm20x

40µµµµm50x

20µµµµm100x

Depth of FieldObjective

5X5X10X10X

40X40X 100X100X

50 Micron Pinhole

Laser Spot

ComparaComparaççãoão de de ResoluResoluççãoão

10cm10cm--11

4cm4cm--11

ComparaComparaççãoão de de resoluresoluççãoão

10cm10cm--11

4cm4cm--11

RamanMicroRamanMicro 400400

•• 785nm laser785nm laser•• 95 95 –– 3200 cm3200 cm--11 rangerange•• 4cm4cm--11 FWHM resolution, 1cmFWHM resolution, 1cm--11 pixel resolution.pixel resolution.•• 10 micron spot10 micron spot•• ECHELLEECHELLE

…… Raman MicroscopeRaman Microscope

Laser

Spectrograph

High Performance

TE cooled CCD Detector

Optical Head, detailed block diagram below

Objective Lens

DentroDentro do do RamanMicroRamanMicro 200 & 400200 & 400

Objective Lens

RamanMicro 200F e 400F com Fibre ProbeRamanMicro 200F e 400F com Fibre Probe

Laser

Spectrograph

Laser Switch

Optical Head, detailed block diagram below

Objective Lens

Optical Head, detailed block diagram below

Objective Lens

RamanMicro 200F e 400F com Fibre ProbeRamanMicro 200F e 400F com Fibre Probe

Laser

Spectrograph

Laser Switch

Objective Lens

Laser

Optical Head

Motorized XYZ Stage

Video Head

Spectrograph

Laser Switch

Optical Probe Head, detailed block diagram below

Objective Lens

DentroDentro do do RamanStationRamanStation 400F400F

AplicaAplicaççãoão

Auto subtração do espectro do frasco

AnAnááliselise num num frascofrasco ambarambar de 4Lde 4L

Spectrum of Bottle

Raw Material(Liquid)

Spectrum with glass removed

Micro Raman Micro Raman

Mapeamento

� Mapeamento de um comprimido de 18mm x 8mm.

RamanRaman

ImagemImagem QuQuíímicamica

3000 2500 2000 1500 1000 500 3000 2500 2000 1500 1000 500

As cores representam a composição química

Acetoaminophen

Caffeine

Aspirin

ImagemImagem QuQuíímicamica e e MapeamentoMapeamento

RamanStationRamanStation 400 400 ouou MicroRamanMicroRaman

Op�ões de amostragem: ) 1. Single point, ) 2. Super-Macro (large spot), ) 3. Grid sampling, ) 4. Line scan, ) 5. Depth profile.

� � � !

PassoPasso dada XYZ stage < 1micronXYZ stage < 1micron

TintasTintas de de umauma brochurabrochura comercialcomercial

Identificação de narcóticos e substâncias de abuso

RamanRaman

Amphetamine

Methamphetamine

Cocaine Heroin

RamanRaman

Análise de óleos e gorduras

PolimorfismoPolimorfismo

Polimorfismo são diferentes formas cristalinas para uma mesma substância.

O espectro Raman espécies de polimorfismo são similares, mas diferenças pode ser observadas.

Form A

Form B

RamanRaman

3000 2500 2000 1500 1000 500 3000 2500 2000 1500 1000 500

�

*+��,-�� .

3000 2500 2000 1500 1000 500 3000 2500 2000 1500 1000 500

��

*/��0��.

3000 2500 2000 1500 1000 500 3000 2500 2000 1500 1000 500

��(��1��

*2 ��3 ��.

3000 2500 2000 1500 1000 500 3000 2500 2000 1500 1000 500

&1&

*�� .

Raman de Tecido CancerosoRaman de Tecido Canceroso

3000 2500 2000 1500 1000 500 3000 2500 2000 1500 1000 500

DiferenDiferenççasas

CancerosoCanceroso

TecidoTecido saudsaudáávelvel

AlimentosAlimentos

Sem interferência da Sem interferência da ááguagua

Raman de PolRaman de Políímerosmeros

PVC PEAD

Nylon 11PET

Hidrogenação do Fenil Acetileno

� A hidrogenação do Fenil Acetileno para a formação do Estireno e do Etil Benzeno é um reação que envolve altas pressões e altas temperaturas.

� A técnica tradicional de análise é por CG. O que é necessário uma amostragem de tempos em tempos provocando uma alteração da pressão e uma alteração do equilíbrio da reação.

� Com Raman isso não ocorre, uma vez que a reação émonitorada através de uma probe.

RamanRaman

O reator consiste de:

� Uma roda de aço inoxidável impregnada de catalisador� Uma solução de reação: Heptano (solvente) e Fenil Acetileno� Alta pressão de H2

RamanRaman

� A cada 10 minutos foi coletado um espectro Raman� Mais de 50 espectros foram coletados durante todo o experimento� Através dos espectros é visível o consumo de Fenil Acetileno através

da queda da tripla ligação em 2115 cm-1

RamanRaman

C≡C C=C

Hidrogenação

RamanRaman

Starting Material C≡CDesired Product C=CReaction Overshoot C-C

CorrelaCorrelaççãoão entreentre Raman e CGRaman e CG

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Time / mins

100%

Com

posi