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
