2.2.48. Рамановская спектрометрия (# спектрометрия комбинационного рассеяния)

Рамановская спектрометрия (неупругое рассеяние света) - это процесс рассеяния света, при котором исследуемый образец облучается интенсивным монохроматическим светом (обычно излучение лазера) и для света, рассеиваемого образцом, определяется сдвиг частоты.

Рамановская спектрометрия является дополнительным методом по отношению к ИК-спектрометрии, в том смысле, что оба этих метода основаны на молекулярных колебаниях частиц исследуемого вещества. Однако рамановская и ИК-спектрометрия отличаются по относительной чувствительности для различных функциональных групп. Рамановская спектрометрия особенно чувствительна к неполярным связям (например, одинарные или кратные связи C-C), тогда как вода, для которой характерно сильное поглощение в ИК-области, обладает слабым рамановским рассеянием и поэтому хорошо подходит на роль растворителя в рамановской спектрометрии.

Прибор. Спектрометры для получения рамановских спектров обычно состоят из следующих компонентов:

• источник монохроматического света, чаще всего лазер с длиной волны в ультрафиолетовой, видимой или ближней инфракрасной области,

• подходящая оптика (линзы, зеркала, световоды), которые направляют возбуждающее излучение на образец и собирают свет, рассеиваемый образцом,

• оптическое устройство (монохроматор или фильтр), которое пропускает сдвинутое по частоте рамановское рассеяние и препятствует попаданию на детектор интенсивного света, частота которого равна частоте возбуждающего света (рэлеевское рассеяние),

• диспергирующее устройство (дифракционная решётка или призма), соединённое со щелью, регулирующей длину волны, и детектором (обычно фотоумножитель),

или:

• диспергирующее устройство (дифракционная решётка или призма), соединённое с многоканальным детектором (обычно прибор с зарядовой связью (ПЗС, CCD)),

или:

• интерферометр, регистрирующий интенсивность рассеянного света во времени, и устройство обработки данных, которое с помощью фурье-преобразования преобразует данные в диапазон частот или волновых чисел.

ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦА

Рамановские спектры могут быть получены для твёрдых веществ, жидкостей и газов, причём как напрямую, так и помещенных в стеклянные контейнеры или трубки, как правило, без предварительной подготовки образца или растворения.

Основным ограничением рамановской спектрометрии является флуоресценция примесей, которая мешает детектору улавливать значительно более слабый рамановский сигнал. Флуоресценции можно избежать при использовании в качестве возбуждающего света лазерного излучения с большой длиной волны, например, находящейся в ближней инфракрасной области. Интенсивность некоторых рамановских линий может быть усилена несколькими способами, например, путём использования резонансной рамановской спектрометрии (RR) или усиленной поверхностью рамановской спектрометрии (SERS).

Из-за узости светового потока падающего лазерного излучения, для получения спектра необходимо всего лишь несколько микролитров образца. Тем не менее, следует учитывать неоднородность образца, если только его объём не увеличен, например, путём вращения образца.

ИДЕНТИФИКАЦИЯ И КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕЩЕСТВ СРАВНЕНИЯ

Исследуемое вещество и вещество сравнения подвергают одинаковой обработке и затем при одинаковых условиях получают их спектры. Максимумы в спектре исследуемого вещества совпадают по положению и интенсивности с соответствующими максимумами в спектре вещества сравнения (CRS).

Если спектры, полученные для твёрдых веществ, имеют различия в положениях максимумов, исследуемое вещество и вещество сравнения подвергают одинаковой обработке для того, чтобы они выкристаллизовались или образовались в одинаковой форме, либо поступают так, как описано в частной статье, и затем снимают спектры.

Поскольку закон Бера-Ламберта для рамановской спектроскопии не выполняется, интенсивность рамановского излучения прямо пропорциональна концентрации рассеивающих частиц. Как и в случае других спектроскопических методов количественное определение может быть проведено с использованием известных количеств или концентраций веществ сравнения. Вследствие небольшого пространственного разрешения метода следует обращать внимание на качество исследуемых образцов и образцов сравнения, например, необходимо быть уверенным в том, что они находятся в одном и том же физическом состоянии, либо использовать внутренний стандарт для жидких образцов.

ИДЕНТИФИКАЦИЯ И КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

СПЕКТРАЛЬНЫХ БИБЛИОТЕК И СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КЛАССИФИКАЦИИ И ГРАДУИРОВКИ

Контроль за работой прибора. При использовании прибора следуют инструкциям производителя; регулярно, в зависимости от применения прибора и исследуемых веществ, проводят предписанные градуировки и испытания работы системы. При использовании рамановской спектрометрии для количественных определений либо при создании спектральных библиотек сравнения для (хемометрической) классификации или градуировки необходимо обращать особое внимание на то, чтобы были сделаны все поправки в измерения либо предприняты меры для контроля за изменяемостью величин волновых чисел и интенсивности сигнала прибора.

Подтверждение шкалы волновых чисел. Шкалу волновых чисел рамановских сдвигов (обычно выражаемую в обратных сантиметрах) подтверждают с помощью подходящих стадартов, которые имеют характерные максимумы при исследуемых величинах волновых чисел, например, органическое вещество, неоновая лампа или линии Ar⁺ плазмы из аргон-ионного лазера.

Гоадуировка прибора должна соответствовать типу образца, т.е. для твёрдых исследуемых образцов следует использовать твёрдые образцы сравнения, а для жидких - жидкие. Выбирают подходящее вещество (например, инден, циклогексан или нафталин), для которого установлены точные значения сдвигов волновых чисел. Образец индена, для предотвращения его разрушения, помещают в пробирку для ЯМР, вакуумируют и затем хранят в атмосфере инертного газа, в прохладном и тёмном месте.

Сдвиги волновых чисел (и допустимые отклонения) для циклогексана, индена и нафталина.

^A Standard guide for Raman shift standards for spectrometer calibration (American Society for Testing and Materials ASTM E 1840).

^B D. A. Carter, W. R. Thompson, C. E. Taylor and J. E. Pemberton, Applied Spectroscopy, 1995, 49 (11), 1561-1576.

Подтверждение шкалы интенсивностей. На абсолютную и относительную интенсивность рамановских полос могут оказывать влияние следующие факторы:

• состояние поляризации падающего света,

• состояние поляризации собирающей оптики,

• интенсивность падающего света,

• различия в отклике прибора,

• различия в фокусе и геометрии образца,

• различия в насыпной плотности для твёрдых образцов.

Подходящие критерии приемлемости могут изменяться в зависимости от применения, но в большинстве случаев допустимы колебания в относительных интенсивностях полос ±10%.

Создание спектральных библиотек сравнения. Снимают спектры подходящего числа полностью исследованных (например, так как описано в монографии) материалов, которые имеют отличия в производителе, серии, кристаллической модификации, размерах частиц и т.д., типичные для анализируемого материала. Набор спектров даёт информацию, которая определяет границы подобия или количественного определения, которые могут быть использованы для того, чтобы, например, идентифицировать вещество или проконтролировать его количество, образовавшееся в процессе производства. Число веществ в базе данных зависит от особенностей её применения. Коллекция спектров в базе данных может быть представлена различными способами, определяемыми математической методикой, используемой для классификации или количественного определения.

Селективность базы данных, которая позволяет положительно идентифицировать данный материал либо достоверно отличить его от других материалов, содержащихся в базе данных, должна быть установлена во время процедуры валидации. Для уверенности в пригодности базы данных эта селективность должна регулярно проверяться; в особенности это необходимо делать после любых значительных изменений, произошедших с веществом (например, изменение поставщика или производственного процесса), либо при настройке прибора для рамановской спектрометрии (например, при подтверждении шкалы волновых чисел или воспроизводимости отклика спектрометра)

База данных пригодна только для исходного прибора, либо для подобного прибора при условии определения того, что перенесенная на прибор база данных остаётся пригодной.

Метод. Подготовку и исследование образца проводят таким же образом, как и при создании базы данных. Для облегчения сравнения спектров и количественных расчётов могут быть использованы подходящие математические преобразования рамановских спектров.

Сравнение или преобразования спектров, количественный прогноз свойств веществ, находящихся в исследуемом материале, могут проводиться с использованием подходящих методов хемометрики, статистической классификации и градуировки.