RAMANSKA SPEKTROSKOPIJA

-VIBRACIONA SPEKTROSKOPIJA-

Prof. dr Ljiljana Damjanović-VasilićE-mail: ljiljana@ffh.bg.ac.rs

Zašto je nebo plave boje?

41λ

∝I

Difuzno rasejanje sunčeve svetlosti na molekulima iz atmosfere –Rejlijevo (Rayleigh) rasejanje

Najviše se difuzno rasipa svetlost malih talasnih dužina (plavi deo vidljivog spektra) dajući nam plavu boju neba.

Kada se snop intenzivnog monohromatskog zračenja iz VID ili UV oblasti usmeri na uzorak koji je potpuno transparentan (νo zračenja ne odgovara nekom rezonantnom prelazu) najveći deo zračenja će biti propušten kroz uzorak u pravcu prostiranja, jedan njegov manji deo biće rasejan na molekulima sredine:1. elastično rasejanje (Rejlijev efekat) - rasejani fotoni imaju istu energiju, tj. talasnu dužinu kao upadni snop; 2. neelastično rasejanje (Ramanov efekat) – veoma mali deo svetlosti (oko 1 od 108 fotona) će imati manju ili veću talasnu dužinu u odnosu na upadni snop

4−∝ λI

• Efekat prvi uočio indijski fizičar Raman • Nobelova nagrada 1930. godine

• Ako je frekvencija upadnog snopa νo, a frekvencija ramanski rasejanog zračenja νi, razlika u talasnim dužinama biće:

∆ν = |νo - νi|i odgovara talasnim dužinama iz srednje IC oblasti.

• Ramanskom spektroskopijom se analiziraju vibracioni prelazi molekula.

Ramanski spektar CCl4 osvetljenog svetlošću talasne dužine λ = 488 nm

Ramanski pomeraj je nezavisan od talasne dužine upadnog snopa, ali zavisi od strukture molekulana kome se dešava rasejanje.

Stoksovi pomeraji se koriste za analizu

Shema mehanizma Rejlijevog i Ramanovog rasejanja

• Infracrveni spektar nastaje apsorpcijom infracrvenogzračenja od strane uzorka.

• Ramanski spektar nastaje rasejanjem svetlosti izVID i UV oblasti na molekulima uzorka.Rasejanje sejavlja ukoliko vibracija menja polarizabilnostmolekula.

• Infracrvenom spektroskopijom se detektujuasimetrične vibracije, a ramanskom spektroskopijomsimetrične vibracije u molekulima i zbog toga su ovedve metode komplementarne.

Infracrveni i ramanski spektri poliamida (Najlon 66)

IC

Raman

Infracrveni i ramanski spektri polistirenskog filma

• Intenziteti traka u ramanskim spektrima zavise od:1. polarizabilnosti molekula 2. intenziteta zračenja iz izvora 3. koncentracija aktivnih grupa.

• Najčešće se koristi za kvalitativnu analizu. Manje je pogodna metoda za kvantitavnu analizu.

Shema ramanskog spektrometraSpektri emisioni; Uzorak pod uglom od 90o u odnosu na upadni snop; Polarizator

Izvori zračenja:Laser λ/nm Tipična snaga/W Boja

Rubin 694,3 1-10 MW crvenaNd:YAG 1064,0 25 MW (8-9 ns)(bliska IC oblast)

Ar+ 476,5 2,5488,0 1,3 plava496,6 2,5514,4 1,7 zelena

Kr+ 558,2 3-5 žuta647,1 crvena

He-Ne 632,8 0,5 crvenaHe-Cd 441,6 0,05 plava

325,0 0,01

• Laseri:monohromatsko zračenje, veoma intenzivno i usmereno (prečnik snopa 1-3 mm), različite snage u zavisnosti od tipa lasera

• Monohromator:uglavnom dve rešetke sa 1200 ili 1800ureza/mmRazlaganje (u cm-1) zavisi od širine razreza w i recipročne disperzije Dr prema relaciji: R = wDrtipično oko 0,2 cm-1

• Detektori:- ranije fotografska ploča

- fotomultiplikatorske cevi (najčešće Ga-As sa fotokatodom)

- CCD (charge-coupled device) detektori

dvodimenzionalna površina koju čine Si fotosenzori (svakifotosenzor se zove piksel). Kada zračenje padne na pikselproizvode se fotoelektroni čiji je broj proporcionalan intenzitetuupadnog zračenja. Tipično oko 2000 kolona i 800 gredicapiksela, svaki piksel površine oko 10 µm – 10 µm.

Poređenje rada fotomultiplikatorske cevi i CCD kamere pri sličnim eksperimentalnim uslovima

Notch filtar

DXR ramanski spektrometar (Thermo Scientific)

Fluorescencija

• Glavni nedostatak metode - fluorescencija.

• Fluorescencija je jak pozadinski efekat i može skoro potpuno prekriti signal uzorka zbog relativno male efikasnosti ramanskog rasejanja u poređenju sa efikasnošću fluorescencije.

• Potiče najčešće od nečistoća.

Ramanski spektar antracena snimljen:A) klasičnim instrumentom, 514,4 nm ekscitatorska linija;

B) FT instrumentom, 1064,0 nm ekscitatorska linija

Prednosti ramanske spektroskopije u odnosu na komplementarnu IC spektroskopiju:

• Nema pripreme uzoraka ili je vrlo jednostavna i kratka• Voda slabo rasejava – uspešno ispitivanje vodenih rastvora• Vodena para i CO2 veoma slabo rasejavaju svetlost – nije potrebno

produvavanje drugim gasovima• Mogu se koristiti ćelije od stakla; nisu neophodni prozori od

specijalnih materijala: KBr, NaCl i dr. kao u IC spektroskopiji• Kako se ispituju normalne vibracije može se odrediti struktura

analita na osnovu ramanskih spektara• Trake u spektru uže, a viši tonovi i frekvencije zbira i razlike su

uglavnom slabog intenziteta• Koristi se u oblasti od 10 – 4000 cm-1 pa se mogu analizirati i

neorganski i organski uzorci• Mogu se ispitivati simetrične veze koje su neaktivne u IC spektrima

Negativni aspekti• Slab efekat ramanskog rasejanja (10-8 · Io)• Preklapanje sa rejlijevskim linijama

(multipletnost pobuđivačkih linija)• Duga ekspozicija (FT Raman)• Fluorescencija uzorka/nečistoća• Fotohemijski procesi• Apsorpcija zračenja (obojene supstance)• Manje pogodna za kvantitativan rad

Mikro – ramanska spektroskopija

Slika mešavine pigmenata uvećana 100 puta

Minijatura Elizabeta I,naslikao Nicholas Hilliard

Ramanski spektrometar povezan samikroskopom i izvorom bele svetlostikoji omogućava da se lokalizuje mala površina uzorka, tj. napravi prostornarezolucija uzroka, a zatim snimi spektar.

Takođe, mogućnost izbora “čistih” čestica da bi se izbegla fluorescencija koja potiče od nečistoća organskog porekla koje mogu biti prisutne.

• Metoda je nedestruktivna i bezkontaktna• Nije potrebna priprema uzoraka• Izbegava se fluorescencija izborom čestica koje su

“čiste”• Potrebno hlađenje držača da bi se izbeglo razaranje

uzorka ili fotohemijske reakcije u uzorku• Mogu se ispitivati

– vodeni rastvori– umetnički predmeti– biološki materijali– živi objekti

• Kao i:- mikrostruktura- defekti u čvrstim materijalima- analiza čestica prašine, polutanata- inkluzija gasova i tečnosti u mineralima i geološkim uzorcima- analiza emulzija

Lapis lazuli Na8[Al

6Si

6O

24]S

n

Azurit 2CuCO3

·Cu(OH)2

a) svetlo plava: Prusko plavo (Fe4[Fe(CN)

6]3)

b) tamno plava: Ultramarin (Na8-10

Al6Si

6O

24S

2-4)

c) crvena: Cinober (HgS)

d) žuta:Hrom žuto (PbCrO4)

e) bela: Olovo belo (2PbCO3

· Pb(OH)2

Studentska pozivnica za maskenbal, 1843. god.

U slučajevima kada se umetnički predmeti ne mogu iznositi iz muzeja koriste se prenosivi ramanski spektrometri.

Prenosivi ramanski spektrometri

Prenosivi ramanski spektrometri

Proizvođač: Rigaku analytical devices

Spektroskopsko ispitivanje slike na platnu “Inspiracijapesnika”, slikara Mila Milunovića

Slika je nastala 1926/27. godine u Luvru gde je umetnik slikao kopiju Pusenove slike “Inspiracija pesnika”.

Slika je urađena tehnikom ulje na platnu i dimenzija je 218 x 180 cm.

MM-1

MM-2

MM-3

MM-4 MM-5

MM-6

Uzorak MM-4 je malih dimenzija – manji od 1 mm.

Na slici 1. prikazana je fotografija uzorka MM-4 odmah nakon uzimanja sa slike, pri uvećanju 60x.

Slika. 1

Da bi se utvrdio redosled nanošenja slojeva boje, kao i broj slojeva, vrši se snimanje poprečnog preseka uzorkaoptičkim mikroskopom.

Poprečni presek uzorka MM-4 pri uvećanju100x; jasno se vidi sloj preparature (beo sloj) itri slojaboje: tanki crveni i dva plava.

tamnoplava nit

1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

0

100

200

300

400

500

Talasni broj / cm-1

UltramarinUzorak MM - 4

Inte

nzite

t / r.

j.

Ramanski spektri uzorka MM-4 ičistog pigmenta ultramarina.

Očigledno preklapanje najintenzivnijihsignala (traka) u spektrima, potvrđuje daje ultramarin korišćen na ovom delu slike.

MM-3 MM-4

1050 cm-1 -> olovo bela

Ramanski spektri tankog sloja crvene boje nanesenog na podlogu ispod bojenog sloja (podslik)

144 cm-1 -> anataz550 cm-1 -> minijum

393 i 298 cm-1 -> getit

144 cm-1 -> anataz

220, 240, 290, 403 i 605 cm-1-> hematit

Fotografija uzorka MM-6 dobijena optičkim mikroskopomodmah nakon uzimanja sa slike, uvećanje 60x. Uzoraksvetlo plave boje i bez primesa vlakana platna.

Poprečni presek uzorka MM-6 pri uvećanju 200x.

800 600 400 200 020

40

60

80

100

Kobalt plava

Uzorak MM - 6

Inte

nzite

t / r.

j.

Talasni broj / cm-1

Ramanski spektri uzorka MM-6 i čiste kobaltplave boje

Poređenjem snimljenog spektra sa spektrom komercijalno dostupne kobalt plave vidi se jasno poklapanje signala, što je dokaz da je korišćena boja kobalt plava.

Identifikacija vlakana nađenih na mestu nesreće

• Vlakna koja se pronađu na mestu nesreće predstavljajuveoma značajan dokazni materijal i vrlo je bitno da se prianalizi ne unište. Vlakna se razlikuju po svom hemijskomsastavu, što je osnov za njihovo razlikovanje i identifikaciju.

• Mikro-ramanska spektrometrija omogućava da se odredi sastav vlakna poređenjem spektra datog vlakna sa spektrima iz baze podataka.

• Tako se može izvršiti poređenje sastava vlakana sa različitih mesta i doći do zaključka da li ta vlakna potiču od istog materijala ili ne, što je vrlo bitno kod povezivanja različitih zločina.

Ramanski spektri akrilnog vlakna, najlona i poliestera

Na slici su prikazani ramanski spektri tri različita vlakna i jasno se vidi da se vlakna mogu jednostavno razlikovati jer se karakteristične trake javljaju na različitim položajima i sa različitim intenzitetima.

Otkrivanje tragova droga u otiscima prstiju

• Otisci prstiju nastaju kao posledica prenosa materijala sa kože prstiju na neku površinu prilikom dodira.

• Uglavnom se sastoje od znoja i sebuma (masna supstanca koju luče žlezde a služi za vlaženje kože i kose), ali se mogu naći i tragovi šminke, hrane, odnosno svega što je osoba dotakla a dovoljno je sitno da može da se raznese.

• Ukoliko je osoba dodirivala drogu prstima, na njenim otiscima prstiju će biti moguće naći tragove droge stare i sedam dana, bez obzira na pranje ruku.

a) Ramanski spektar čestice sa otiska prsta, b) Ramanski spektar standarda kokain hlorida

Spektri su identični

a) Ramanski spektar čestice sa otiska prsta, b) Ramanski spektar nakon oduzimanja spektra sebuma c) Ramanski spektar standarda brašna

Identifikovano je da je čestica sa otiska prsta zapravo čestica brašna

Ukoliko otisak prsta ima veće količine sebuma, ramanski spektri čvrstih čestica su manjeg kvaliteta i pokazuju većufluorescenciju. U tom slučaju se čestica izlaže zračenju da bi se smanjila fluorescencija. Pri izlaganju svetlosti fluorofora gubisposobnost da fluorescencira zbog fotonom indukovane modifikacije kovalentne veze. Identifikaciji nepoznate supstance uovom slučaju pomaže oduzimanje spektra sebuma od osnovnog spektra.

Ramanski spektar heroin hidrohlorida Ramanski spektar kokain hidrohlorida

Ramanski spektar smeše kokaina,kofeina i glukoze

Spektar smeše kokaina, kofeina i glukoze pokazuje da je intenzitet karakterističnih traka kokaina znatno oslabljen mešanjem sadrugim komponentama, ali ipak dovoljan za njegovu identifikaciju u uzorku smeše.

Primena ramanske spektroskopije u analizi narkotikaRamanska spektroskopija se u kriminalistici može primeniti za identifikaciju narkotika u nepoznatom uzorku naosnovu njihovih karakterističnih spektara.Ako posmatramo spektre heroina i kokaina kao najčešće korišćenih narkotika vidimo da oni sadrže karakterističnetrake na osnovu kojih mogu biti identifikovani čak i u smešama

Identifikacija kokaina u alkoholnom piću

Krijumčarenje narkotika se vrši i rastvaranjem u alkoholnim pićima.

U ramanskom spektru ruma dominiraju trake karakteristične za etanol, dok je druga komponenta (voda) slabo izražena(voda slabo rasejava svetlost).

Primena ramanske spektroskopije za identifikaciju kokaina (droga) u plastičnim kesama

Isključena je svaka mogućnost kontaminacije dokaza

Ramanski spektra kokaina u plastičnoj kesi (crveni spektar)Spektar plastične kese (crni spektar)

Identifikacija boja mikro - ramanskom spektroskopijom u automobilskim nesrećama

a) Tragovi farbe na pantalonama žrtveb) Referentna boja sa sumnjivog automobilac) Poređenje ramanskih spektara dobijenih sa pantalona žrtve i boje automobila

Slučaj – auto je udario pešaka i vozač je pobegao.Svedok je video plava kola koja su pobegla sa mesta nesreće i registarske tablice.

Plavi pigment sa odela žrtve i pigment boje sa osumnjičenih kola pokazuju poklapanje

Utvrđivanje razlika između kozmetičkih proizvoda – ruž i sjaj za usne

Uspešno razlikovanje različitih nijasni braon boje ružarazličitih proizvođača

Ramanski spektri (a) i (c) se ne mogu razlikovati iako se radio različitim proizvođačima narandžaste boje ruža.

Utvrđivanje razlika između kozmetičkih proizvoda – ruž i sjaj za usne

Ruževe crvene boje je posebno teško razlikovati.

Nema dokaza da se ramanski spektri ruževa menjaju sa vremenom tako da je moguće analizirati i stare tragove ruža.

Površinski pojačana ramanska spektroskopija

(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy ≡ SERS)

• Omogućava detekciju i veoma malih koncentracija supstanci prisutnih uanalizi, pojačavanjem njihovog signala. Nije nedestruktvina metoda jerse uzorak nanosi na odgovarajući supstrat.

• Detekcioni limit u opsegu 10-9 – 10-12 mol/dm3

• Faktor povećanja intenziteta određenih linija 103-107

Primena SERS-a u analizi eksploziva

• Ramanska spektroskopija se može koristiti u kriminalistici za identifikaciju opasnihmaterijala u nepoznatom uzorku .

• Prednost ove metode je u tome što se identifikacija uzorka može izvršiti krozplastične i staklene kontejnere, što je važno jer pruža dodatnu sigurnost priizvođenju ovakvih analiza.

U jednoj od proučavanih studija analizirani su sastojcinepoznatog uzorka na osnovu dobijenih ramanskihspektara i HMRU Spektralne baze podataka koja sadržispektre od oko 200 opasnih materija.

Na osnovu sličnosti dobijenog spektra i dostupnih podatakakao jedan od sastojaka nepoznatog uzorka identifikovanje exploziv C-4.

Ramanski spektar exploziva C-4

Primena SERS-a u analizi mikrotragova

Mogu se detektovati i koncentracije od 30 ng/mL. To su tipične fiziološke koncentracijedroga u telesnim tečnostima. Slični rezultati su dobijeni i sa drugim drogama kao sto suamfetamini, ekstazi i heroin.

kokain

RAMANSKA SPEKTROSKOPIJA��-VIBRACIONA SPEKTROSKOPIJA-Zašto je nebo plave boje?Slide Number 3Slide Number 4Ramanski spektar CCl4 osvetljenog svetlošću talasne dužine l = 488 nmShema mehanizma Rejlijevog i �Ramanovog rasejanjaSlide Number 7Infracrveni i ramanski spektri poliamida (Najlon 66)Infracrveni i ramanski spektri polistirenskog filmaSlide Number 10Shema ramanskog spektrometraIzvori zračenja:Slide Number 13Slide Number 14Slide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19FluorescencijaRamanski spektar antracena snimljen:� A) klasičnim instrumentom, 514,4 nm ekscitatorska linija; �B) FT instrumentom, 1064,0 nm ekscitatorska linijaPrednosti ramanske spektroskopije u odnosu na komplementarnu IC spektroskopiju:Negativni aspektiMikro – ramanska spektroskopijaSlide Number 25Slide Number 26Slide Number 27Prenosivi ramanski spektrometriPrenosivi ramanski spektrometriSlide Number 30Slide Number 31Slide Number 32Slide Number 33Slide Number 34Slide Number 35Identifikacija vlakana nađenih na mestu nesreće Slide Number 37Otkrivanje tragova droga u otiscima prstiju Slide Number 39Slide Number 40Slide Number 41Slide Number 42Primena ramanske spektroskopije za identifikaciju kokaina (droga) u plastičnim kesama��Isključena je svaka mogućnost kontaminacije dokazaSlide Number 44Utvrđivanje razlika između kozmetičkih proizvoda – ruž i sjaj za usneUtvrđivanje razlika između kozmetičkih proizvoda – ruž i sjaj za usnePovršinski pojačana ramanska spektroskopija� (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy ≡ SERS)�Primena SERS-a u analizi eksploziva Primena SERS-a u analizi mikrotragova