Raman-spektroskopia tai Raman -spektroskopia on spektroskopinen tutkimusmenetelmä, jota käytetään molekyylien värähtelymuotojen ja kiinteiden aineiden värähtelymuotojen määrittämiseen ja jolla voidaan määrittää myös järjestelmien pyörimis- ja muita matalataajuisia tiloja [1] . Raman-spektroskopiaa käytetään yleisesti kemiassa rakenteellisten "sormenjälkien" tuottamiseen, joiden avulla voidaan tunnistaa molekyylejä. Menetelmä on nimetty intialaisen fyysikon C. V. Ramanin mukaan .
Raman-spektroskopia perustuu fotonien joustamattomaan siroamiseen, joka tunnetaan nimellä Raman-sironta . Nykyaikaiset spektrometrit käyttävät monokromaattista valonlähdettä, yleensä laserista näkyvällä , lähi -infrapuna- tai lähes ultraviolettialueella , vaikka röntgensäteitä voidaan myös käyttää . Laservalo on vuorovaikutuksessa molekyyleissä olevien atomien värähtelyjen, fononien tai muiden järjestelmän viritteiden kanssa, minkä seurauksena laserfotonien energia siirtyy korkeiden tai alhaisten arvojen alueelle. Energiasiirtymä antaa tietoa järjestelmän värähtelytiloista. Infrapunaspektroskopia tarjoaa yleensä samanlaisia, mutta lisätietoja.
Spektriä mitattaessa näytettä valaistaan lasersäteellä. Valaistusta pisteestä tuleva sähkömagneettinen säteily kerätään linssillä ja johdetaan monokromaattorin läpi . Laserviivaa vastaavalla aallonpituudella ( Rayleigh-sironta ) oleva elastinen sironnut säteily suodatetaan pois joko lovisuodattimella , reunasuodattimella tai kaistanpäästösuodattimella, kun taas muu kerätty valo tulee ilmaisimeen.
Valon spontaani Raman-sironta on yleensä hyvin heikkoa; sen seurauksena useiden vuosien ajan suurin vaikeus Raman-spektrien mittaamisessa oli heikon joustamattoman sironneen valon erottaminen voimakkaasta Rayleigh-sironneesta laservalosta (niin sanottu "laservaimennus"). Historiallisesti Raman - spektrometrit ovat käyttäneet holografisia hilaa ja useita dispersioasteita saavuttaakseen korkean laservaimennusasteen. Aiemmin valomonistimia on käytetty ilmaisimina dispersiivisissä Raman-järjestelmissä, mikä on johtanut pitkiin kuvausaikoihin. Lovi- tai reunasuodattimia käytetään kuitenkin lähes yleisesti nykyaikaisissa instrumenteissa lasersäteilyn vaimentamiseen. Nykyään dispersiiviset yksivaiheiset spektrografit (aksiaalinen lähetys tai Czerny-Turner-monokromaattorit ), jotka on yhdistetty CCD-detektoreihin , ovat yleisimpiä, vaikka Fourier -muunnosspektrometrejä käytetään myös infrapunalaserien kanssa.
Nimi "Raman-spektroskopia" viittaa yleensä värähtelevään Raman-säteilyyn, jossa käytetään laseraallonpituuksia, joita näyte ei absorboi. Raman- spektroskopiasta on monia muita muunnelmia: pintatehostettu Raman-spektroskopia , resonanssi -Raman-spektroskopia , koherentti anti-Stokes-Raman-spektroskopia, kärjellä tehostettu Raman-spektroskopia, polarisoitu Raman, stimuloitu Raman , transmissio Raman, spatiaalinen Raman-siirtymä ja hyper-Raman- siirto .
Raman-sirontailmiön suuruus korreloi molekyylin elektronipilvien polarisoituvuuden kanssa. Se on joustamattoman valonsironta , jossa fotoni virittää näytteen, eli saattaa molekyylin hetkeksi virtuaaliseen energiatilaan ennen fotonin lähettämistä. Joustamaton sironta tarkoittaa, että emittoidun fotonin energia on joko pienempi tai suurempi kuin tulevan fotonin energia. Sirontatapahtuman jälkeen molekyyli on eri pyörimis- tai värähtelytilassa .
Jotta järjestelmän kokonaisenergia pysyisi vakiona molekyylin siirtyessä uuteen rovibroniseen (kierto-värähtely-elektroninen) tilaan, siroteltu fotoni muuttaa energiaansa ja siten taajuutta. Tämä energiaero vastaa molekyylin alkuperäisen ja lopullisen rovibronitilan välistä eroa. Jos lopputilassa on korkeampi energia kuin alkutilassa, niin sironnut fotoni siirtyy alhaisemman taajuuden tilaan (pienempi energia) niin, että kokonaisenergia pysyy samana. Tätä taajuusmuutosta kutsutaan Stokes-siirroksi tai taajuuden vähennykseksi. Jos lopullisessa tilassa on pienempi energia, niin sironnut fotoni siirtyy korkeamman taajuuden omaavaan tilaan, jota kutsutaan anti-Stokes-siirtymäksi tai taajuuden nousuksi.
Jotta molekyyli voisi osoittaa Raman-sirontavaikutuksen, on välttämätöntä muuttaa sen dipoli-dipolipolarisoituvuutta suhteessa muuttuvaan koordinaattiin, joka vastaa rovibronitilaa. Valon Raman-sironta on verrannollinen tähän polarisoituvuuden muutokseen. Näin ollen Raman-spektri (sirontaintensiteetti taajuussiirtymien funktiona) riippuu molekyylin rovibronitiloista.
Raman-sirontailmiö perustuu näytteen elektronipilven ja monokromaattisen valon ulkoisen sähkökentän väliseen vuorovaikutukseen, joka voi luoda indusoituneen dipolimomentin molekyylin sisällä sen polarisoituvuuden perusteella. Koska laservalo ei viritä molekyyliä, energiatasojen välillä ei ole todellista siirtymää [2] . Raman-sirontailmiötä ei pidä sekoittaa säteilyyn ( fluoresenssi tai fosforesenssi ), jossa virittyneessä elektronisessa tilassa oleva molekyyli lähettää fotonin ja palaa peruselektroniikkaan, monissa tapauksissa värähtelevästi viritetystä tilasta vakion pintaan. sähköisen maatilan potentiaalienergia. Raman-sironta eroaa myös infrapuna-absorptiosta (IR), jossa absorboituneen fotonin energia vastaa rovibronin alku- ja lopputilan välistä energiaeroa. Raman-sironnan riippuvuus dipoli-dipolipolarisoituvuuden derivaatta poikkeaa myös IR-spektroskopiasta, joka riippuu sähköisen dipolimomentin derivaatta, atomipolarisaatiotensorista. Tämä kontrastiominaisuus mahdollistaa rovibronisten siirtymien analysoinnin, jotka eivät ehkä ole aktiivisia IR-alueella, käyttämällä Raman-spektroskopiaa, kuten keskinäisen poissulkemissääntö osoittaa sentrosymmetristen molekyylien tapauksessa . Siirtymillä, joilla on korkea Raman-intensiteetti, on usein heikko IR-intensiteetti ja päinvastoin. Jos sidos on erittäin polarisoitunut, värähtelyn aikana tapahtuvalla pienellä sidoksen pituuden muutoksella on vain pieni vaikutus polarisaatioon. Polaarisia sidoksia (esim. CO, NO, OH) sisältävät värähtelyt ovat siksi suhteellisen heikkoja Raman-sirottajia. Tällaiset polarisoidut sidokset kuitenkin kuljettavat sähkövarauksensa värähtelyliikkeen aikana (elleivät symmetriatekijät kumoa sitä), ja tämä johtaa suurempaan muutokseen nettodipolimomentissa värähtelyn aikana, mikä luo vahvan IR-absorptiokaistan. Toisaalta suhteellisen neutraalit sidokset (esim. CC, CH, C=C) kokevat suuria muutoksia polarisaatiossa tärinän aikana. Dipolimomentti ei kuitenkaan vaikuta samalla tavalla, joten vaikka värähtelyt, joihin liittyy pääasiassa tämän tyyppinen kytkentä, ovat voimakkaita Raman-sirottajia, ne ovat heikkoja IR-alueella. Kolmatta värähtelyspektroskopiamenetelmää, joustamatonta epäkoherenttia neutronien sirontaa (IINS), voidaan käyttää värähtelytaajuuksien määrittämiseen erittäin symmetrisissä molekyyleissä, jotka voivat olla inaktiivisia sekä infrapuna- että Raman-säteilyssä. IINS-valintasäännöt tai sallitut siirtymät eroavat IR- ja Raman-säännöistä, joten nämä kolme menetelmää täydentävät toisiaan. Ne kaikki antavat saman taajuuden tietylle värähtelysiirtymälle, mutta suhteelliset intensiteetit antavat erilaista tietoa johtuen erityyppisistä vuorovaikutuksista molekyylin ja kohtaavien hiukkasten välillä, fotoneista IR- ja Raman-sironnalle ja neutroneista IINS:lle.
Vaikka Adolf Smekal ennusti joustamattoman valon sironnan vuonna 1923 [4] , se havaittiin käytännössä vasta vuonna 1928. Raman-ilmiö on nimetty yhden sen löytäjistä, intialaisen tiedemiehen C. V. Ramanin mukaan, joka havaitsi tämän vaikutuksen orgaanisissa nesteissä vuonna 1928 yhdessä opiskelijansa K. S. Krishnanin kanssa sekä itsenäisesti Neuvostoliitossa Grigory Landsbergin ja Leonid Mandelstamin epäorgaanisissa kiteissä [ 1] . Raman sai Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1930 tästä löydöstä. Ensimmäiset Raman-spektrit kaasuissa teki vuonna 1929 Franco Rasetti [5] .
Tšekkoslovakialainen fyysikko George Placzek kehitti systemaattisen, innovatiivisen teorian Raman- ilmiöstä vuosina 1930-1934 [6] . Aluksi päävalonlähteenä käytettiin elohopeakaaria , ja spektrin tallentamiseen käytettiin valokuvausta ja myöhemmin spektrofotometrisiä menetelmiä.
Vuosia löydön jälkeen Raman-spektroskopiaa käytettiin ensimmäisen molekyylivärähtelytaajuuksien luettelon saamiseksi. Tyypillisesti näyte asetettiin pitkään putkeen ja valaistiin koko pituudeltaan kaasupurkauslampun tuottaman suodatetun monokromaattisen valonsäteen avulla . Näytteen hajottamat fotonit kerättiin interferometrin läpi putken pään pinnan muodon ja puhtauden kontrolloimiseksi . Herkkyyden maksimoimiseksi näyte oli erittäin konsentroitu (1 M tai enemmän) ja käytettiin suhteellisen suuria tilavuuksia (5 ml tai enemmän).
Raman-siirtymät ilmaistaan yleensä aaltolukuina , joilla on käänteispituus, koska tämä arvo liittyy suoraan energiaan. Raman-spektrin spektraalisen aallonpituuden ja siirtymän aaltolukujen muuntamiseen voidaan käyttää seuraavaa kaavaa:
missä Δν̃ on Raman-siirtymä aaltolukuna ilmaistuna, λ 0 on virityksen aallonpituus ja λ 1 on Raman-spektrin aallonpituus. Yleisin Raman-spektreissä aaltoluvun ilmaisemiseen valittu mittayksikkö on käänteinen senttimetri (cm −1 ). Koska aallonpituus ilmaistaan usein nanometreinä (nm), yllä oleva kaava voidaan kirjoittaa uudelleen näille yksiköille.
Nykyaikainen Raman-spektroskopia käyttää lähes aina lasereita valonlähteenä. Koska lasereita ei ollut saatavilla yli kolmeen vuosikymmeneen vaikutuksen havaitsemisen jälkeen, Raman ja Krishnan käyttivät elohopealamppua ja valokuvalevyjä spektrien tallentamiseen. Varhaisten spektrien hankkiminen kesti tunteja tai jopa päiviä johtuen valonlähteiden alhaisesta intensiteetistä, ilmaisimien heikosta herkkyydestä ja useimpien materiaalien pienistä Raman-poikkileikkauksista. Erilaisia värillisiä suodattimia ja kemiallisia liuoksia käytettiin valitsemaan tiettyjä aallonpituusalueita virittämistä ja ilmaisua varten, mutta leveä keskiviiva, joka vastaa virityslähteen Rayleigh-sirontaa [9] , hallitsi silti valokuvaspektrejä .
Teknologinen kehitys on tehnyt Raman-spektroskopiasta paljon herkemmän, etenkin 1980-luvulta lähtien. Yleisimmät nykyaikaiset ilmaisimet ovat latauskytketyt laitteet (CCD). Valodiodiryhmiä ja valomonistimia käytettiin ennen CCD-ryhmien käyttöönottoa. Myös luotettavien, vakaiden ja halpojen lasereiden ilmaantuminen kapealla kaistanleveydellä on vaikuttanut [10] .
Raman-spektroskopia vaatii valonlähteen, kuten laserin. Spektrin resoluutio riippuu käytetyn laserlähteen kaistanleveydestä [11] . Yleensä lyhyemmän aallonpituuden laserit tuottavat voimakkaamman Raman-sironta ν 4 Raman -poikkileikkausten taajuusriippuvuuden vuoksi , mutta näytteen hajoamisessa tai fluoresenssissa voi esiintyä ongelmia [10] .
Normaalissa Raman-spektroskopiassa vallitsevat CW -laserit, mutta myös pulssilasereita voidaan käyttää . Niillä on usein laajempi kaistanleveys kuin jatkuvassa tilassa toimivilla, mutta ne ovat erittäin hyödyllisiä muissa Raman-spektroskopian muodoissa, kuten ei-stationaarisessa, temporaalisessa ja resonanssi-Raman-spektroskopiassa [11] [12] .
Raman-sirontavalo yleensä kerätään ja joko sirotetaan spektrografilla tai käytetään yhdessä interferometrin kanssa havaitsemiseen Fourier-muunnosmenetelmillä (FT). Monissa tapauksissa kaupallisesti saatavilla olevia Fourier IR -spektrometrejä voidaan muokata käyttämään Fourier Ramania [10] .
Ilmaisimet dispersiiviseen Raman-sirontaanUseimmissa tapauksissa nykyaikaiset Raman-spektrometrit käyttävät ryhmäilmaisimia, kuten CCD:itä. On olemassa erilaisia CCD:itä, jotka on optimoitu eri aallonpituusalueille. Kantaman parannettuja CCD :itä käytetään erittäin heikoille signaaleille ja pulssilasereille [10] [13] . Spektrialue riippuu CCD:n koosta ja käytetyn spektrografin polttovälistä [14] .
Aikaisemmin käytettiin usein monokromaattoreita , jotka oli kytketty valomonistimiin. Tässä tapauksessa monokromaattoria oli siirrettävä, jotta se pystyi skannaamaan koko kiinnostavan spektrialueen [10] .
Fourier-spektrometridetektoritFourier Raman -spektrometrejä käytetään lähes aina lähi-infrapunalaserien kanssa ja viritysaallonpituudesta riippuen sopivia ilmaisimia. Yleisesti käytetyt germaniumiin tai indiumgalliumiin (InGaAs) perustuvat ilmaisimet [10] .
Raman-sironneen valon erottamiseksi Rayleigh-signaalista ja heijastuneesta lasersignaalista ja korkealaatuisten Raman-spektrien saamiseksi käytetään lovi- tai alipäästösuodattimia . Ennen holografisten suodattimien tuloa oli tapana käyttää monokromaattoria, jossa oli kolminkertainen diffraktiohila vähennystilassa hyödyllisen signaalin eristämiseen [10] . Tällä tekniikalla voidaan silti tallentaa hyvin pieniä Raman-siirtymiä, koska holografiset suodattimet heijastavat tyypillisesti joitain matalia taajuuskaistoja siirtämättömän laservalon lisäksi. Tilavuushologrammeihin perustuvat suodattimet ovat kuitenkin yleistymässä, koska ne mahdollistavat jopa 5 cm −1 :n siirtymien havaitsemisen [15] [16] [17] .
Raman-spektroskopiaa käytetään kemiassa molekyylien tunnistamiseen ja kemiallisten sidosten ja molekyylin sisäisten sidosten tutkimiseen. Koska värähtelytaajuudet riippuvat molekyylin kemiallisista sidoksista ja symmetriasta (orgaanisten molekyylien määritelmäalue on aaltolukujen alueella 500–1500 cm – 1 ) [18] , Raman mahdollistaa molekyylien tunnistamisen. Esimerkiksi Raman-spektrejä ja IR-spektrejä käytettiin määrittämään SiO:n, Si 2 O 2 :n ja Si 3 O 3 :n värähtelytaajuudet normaalikoordinaattien analyysin perusteella [19] . Ramania käytetään myös entsyymin substraattilisäysten tutkimiseen.
Kiinteän olomuodon fysiikassa Raman - spektroskopiaa käytetään materiaalien karakterisoimiseen, lämpötilan mittaamiseen ja näytteen kristallografisen orientaation määrittämiseen. Kuten yksittäiset molekyylit, kiinteä materiaali voidaan tunnistaa sille ominaisten fononimoodien perusteella . Tiedot fononimoodin populaatiosta saadaan spontaanin Raman-signaalin Stokes- ja anti-Stokes-intensiteettien suhteesta. Raman-spektroskopiaa voidaan käyttää myös muiden matalataajuisten kiinteän olomuodon viritteiden, kuten plasmonien , magnonien ja suprajohtavien aukkoviritysten, tarkkailuun . Kuituoptisen lämpötilan mittaus käyttää laserpulssien Raman-takaisinsirontaa lämpötilan jakautumisen määrittämiseen optisia kuituja pitkin. Anisotrooppisen kiteen orientaatio voidaan määrittää Raman-valon polarisaatiosta kiteen suhteen ja laservalon polarisaatiosta, jos kiderakenteen pisteryhmä tunnetaan.
Nanoteknologiassa Raman-mikroskoopilla voidaan analysoida nanolankoja niiden rakenteen ymmärtämiseksi paremmin, ja hiilinanoputkien radiaalista värähtelytilaa käytetään yleisesti arvioitaessa niiden halkaisijaa.
Raman-aktiivisilla kuiduilla, kuten aramidilla ja hiilellä, on värähtelymuotoja, jotka osoittavat muutosta Raman-taajuudessa käytetyn jännitteen alaisena. Polypropeenikuidut osoittavat samanlaisia siirtymiä.
Kiinteän olomuodon kemiassa ja biolääketeollisuudessa Raman-spektroskopiaa voidaan käyttää paitsi vaikuttavien farmaseuttisten aineosien (API:iden) tunnistamiseen, myös niiden polymorfisten muotojen tunnistamiseen. Esimerkiksi lääke Cayston ( atstreonaami ), jota Gilead Sciences markkinoi kystisen fibroosin hoitoon [20] , voidaan tunnistaa ja karakterisoida käyttämällä IR- ja Raman-spektroskopiaa. Oikean polymorfisen muodon käyttäminen biofarmaseuttisissa valmisteissa on kriittistä, koska eri muodoilla on erilaiset fysikaaliset ominaisuudet, kuten liukoisuus ja sulamispiste.
Raman-spektroskopiaa käytetään laajasti biologiassa ja lääketieteessä. Se auttoi vahvistamaan matalataajuisten fononien [21] olemassaolon proteiineissa ja DNA:ssa [22] [23] [24] [25] , mikä auttoi proteiinien ja DNA:n matalataajuisen kollektiivisen liikkeen ja niiden biologisten toimintojen tutkimista [26] . ] [27] . Reportterimolekyylejä Raman-sirontaa varten olefiini- tai alkyyniosien kanssa kehitetään kudoskuvausta varten SERS-leimatuilla vasta- aineilla [28] . Raman-spektroskopiaa on käytetty myös ei-invasiivisena menetelmänä haavojen biokemialliseen karakterisointiin in situ reaaliajassa. Raman-spektrien monimuuttuja-analyysi mahdollisti haavan paranemisen kvantitatiivisen mittauksen arvioimisen [29] . Spatially shifted Raman -spektroskopiaa (SORS), joka on vähemmän herkkä pintakerroksille kuin perinteinen Raman-spektroskopia, voidaan käyttää väärennettyjen lääkkeiden havaitsemiseen niiden pakkausta avaamatta sekä biologisten kudosten non-invasiiviseen tutkimiseen [30] . Valtava syy siihen, miksi Raman-spektroskopia on niin hyödyllinen biologisissa sovelluksissa, on se, että vesimolekyylit eivät useinkaan vaikuta sen tuloksiin, koska niillä on pysyviä dipolimomentteja, ja tämän seurauksena Raman-sirontaa ei voida mitata. Tämä on suuri etu erityisesti biologisissa sovelluksissa [31] . Raman-spektroskopiaa käytetään laajalti myös biomineraalien tutkimiseen [32] . Lopuksi Raman-kaasuanalysaattoreilla on monia käytännön sovelluksia, mukaan lukien anestesia- ja hengityskaasuseosten reaaliaikainen seuranta leikkauksen aikana.
Raman-spektroskopiaa on käytetty useissa tutkimusprojekteissa keinona havaita räjähteitä turvalliselta etäisyydeltä lasersäteiden avulla [33] [34] [35] .
Raman-spektroskopiaa kehitetään edelleen, jotta sitä voidaan käyttää kliinisissä olosuhteissa. Raman4Clinic on eurooppalainen organisaatio, joka pyrkii tuomaan Raman-spektroskopian lääketieteen alalle. He työskentelevät eri projekteissa, joista yksi on syövän seuranta helposti saatavilla olevilla ruumiinnesteillä, kuten virtsa- ja verinäytteitä. Tämä menetelmä olisi vähemmän stressaavaa potilaille kuin joutuisi ottamaan jatkuvasti biopsioita, jotka eivät aina ole turvallisia [36] .
Raman-spektroskopia on tehokas ja tuhoamaton tapa tutkia taide- ja kulttuuriperinnön esineitä osittain siksi, että se on ei-invasiivinen prosessi, jota voidaan soveltaa in situ [37] . Sitä voidaan käyttää korroosiotuotteiden analysointiin esineiden (patsaat, keramiikka jne.) pinnalla, mikä voi antaa käsityksen syövyttävästä ympäristöstä, jossa esineet sijaitsevat. Saatuja spektrejä voidaan myös verrata puhdistettujen tai tarkoituksella syöpyneiden pintojen spektreihin, mikä voi auttaa määrittämään arvokkaiden historiallisten esineiden aitouden [38] .
Menetelmällä voidaan tunnistaa maalausten yksittäisiä pigmenttejä ja niiden hajoamistuotteita, mikä voi antaa kuvan taiteilijan työtyylistä sen lisäksi, että se auttaa maalausten todentamisessa [39] . Se antaa myös tietoa maalauksen alkuperäisestä tilasta tapauksissa, joissa pigmentit ovat haalistuneet iän myötä [40] . Pigmenttien tunnistamisen lisäksi laajan Raman-mikroskopian on osoitettu mahdollistavan pääsyn moniin varhaisen keskiaikaisen Egyptin sinisen pigmentin (ceruleumin) hivenaineisiin, mikä mahdollistaa yksilön väriaineen "elämäkerran" rekonstruoinnin, mukaan lukien tiedot väriaineesta. väriaineen tyyppi ja alkuperä. raaka-aineet, pigmentin synteesi ja levitys, maalikerroksen vanheneminen [41] .
Maalausten ja esineiden lisäksi Raman-spektroskopiaa voidaan käyttää historiallisten asiakirjojen (kuten Book of Kellsin ) kemiallisen koostumuksen tutkimiseen, mikä voi antaa käsityksen niiden luomisen sosiaalisista ja taloudellisista olosuhteista [42] . Se tarjoaa myös ei-invasiivisen tavan määrittää paras menetelmä tällaisten kulttuuriperinnön esineiden säilyttämiseksi tai säilyttämiseksi , mikä mahdollistaa huononemisen syiden ymmärtämisen [43] .
IRUG (Infrapuna- ja Raman Users Group) -spektritietokanta on tiukasti vertaisarvioitu online-tietokanta infrapuna- ja Raman-viitespektreistä kulttuuriperintömateriaalille, kuten taiteelle, arkkitehtuurille ja arkeologisille esineille. Tietokanta on avoin suurelle yleisölle, ja se sisältää interaktiivisia spektrejä yli sadalle erilaiselle pigmentille ja maalille [44] .
Raman-spektroskopia tarjoaa useita etuja mikroskooppiseen analyysiin. Koska tämä menetelmä perustuu valonsirontaan, näytteitä ei tarvitse kiinnittää tai leikata. Raman-spektrit kerätään hyvin pienestä tilavuudesta (halkaisija < 1 um, syvyys < 10 um); näiden spektrien avulla voidaan tunnistaa tässä tilavuudessa olevat yhdisteet [45] . Vesi ei yleensä häiritse Raman-spektrianalyysiä. Siksi Raman-spektroskopia soveltuu mineraalien , materiaalien, kuten polymeerien ja keramiikan, solujen , proteiinien ja oikeuslääketieteellisten näytteiden mikroskooppiseen tutkimiseen. Raman-mikroskooppi koostuu tavallisesta optisesta mikroskoopista ja virityslaserista, monokromaattorista tai polykromaattorista ja herkästä detektorista (kuten varauskytketystä laitteesta (CCD) tai valomonistinputkesta (PMT)). Raman Fourier -spektroskopiaa käytetään myös mikroskooppien kanssa, yleensä yhdessä lähi-infrapuna (NIR) laservirityksen kanssa. Ultraviolettimikroskooppia ja UV-parannettua optiikkaa tulee käyttää, kun UV-laserlähdettä käytetään Raman-spektroskopiassa.
Suorassa kuvantamisessa (kutsutaan myös globaaliksi kuvantamiseksi [46] tai laajakenttävalaistukseksi ) koko näkökenttää tutkitaan valonsironta integroituna pienelle aaltolukualueelle (Raman-siirtymät) [47] . Esimerkiksi kolesterolille ominaista aaltolukua voidaan käyttää kirjaamaan kolesterolin jakautuminen soluviljelmässä. Tällä menetelmällä karakterisoidaan suuria laitteita, kartoitetaan erilaisia yhteyksiä ja tutkitaan dynamiikkaa. Sitä on jo käytetty karakterisoimaan grafeenikerroksia [48] , hiilinanoputkien sisällä olevia J-aggregoituja väriaineita [49] ja monia muita kaksiulotteisia materiaaleja, kuten MoS 2 ja WSe 2 . Koska virityssäde on hajallaan koko näkökentällä, nämä mittaukset voidaan tehdä näytettä vahingoittamatta.
Yleisin lähestymistapa on hyperspektrikuvaus tai kemiallinen kuvantaminen , jossa tuhansia Raman-spektrejä saadaan koko näkökentästä esimerkiksi rasteriskannaamalla näyte fokusoidulla lasersäteellä [47] . Tiedon avulla voidaan luoda kuvia, joissa näkyy eri komponenttien sijainti ja lukumäärä. Täydellisen spektroskooppisen tiedon saatavilla jokaisessa mittauspisteessä on se etu, että useita komponentteja voidaan kartoittaa samanaikaisesti, mukaan lukien kemiallisesti samanlaiset ja jopa polymorfiset muodot, joita ei voida erottaa pelkällä aaltoluvun mittauksella. Lisäksi hyperspektrikarttojen avulla voidaan määrittää materiaalin ominaisuuksia, kuten jännitystä ja jännitystä , kiteen suuntausta , kiteisyyttä ja vieraiden ionien liittymistä kidehilaan (esimerkiksi seostus , sarja kiinteitä liuoksia ) [8] . Käyttämällä esimerkkinä soluviljelmää, hyperspektrikuvaus voi näyttää kolesterolin sekä proteiinien, nukleiinihappojen ja rasvahappojen jakautumisen. Kehittyneet signaali- ja kuvankäsittelytekniikat mahdollistavat veden, ravinteiden, puskuriliuosten ja muiden häiriöiden läsnäolon huomioimatta jättämisen.
Koska Raman-mikroskooppi on diffraktiorajoitettu järjestelmä , sen avaruudellinen resoluutio riippuu valon aallonpituudesta, fokusoivan elementin numeerisesta aukosta ja – konfokaalimikroskopian tapauksessa – konfokaalisen aukon halkaisijasta. Kun Raman-mikroskooppi toimii näkyvästä lähiinfrapuna-alueelle, se voi saavuttaa noin 1 µm - 250 nm:n lateraaliresoluution objektiivin aallonpituudesta ja tyypistä riippuen (esim. ilma-, vesi- tai öljyimmersiolinssit). Syvyysresoluutio (ellei sitä rajoita optinen tunkeutuminen näytteeseen) voi vaihdella välillä 1-6 µm pienimmän konfokaalireiän aukolla 10 µm:iin käytettäessä ilman konfokaalireikää [50] [51] [52] [45] . Näytteestä riippuen mikroskooppisesta fokusoinnista johtuvalla suurella lasertehon tiheydellä voi olla se etu, että häiritsevää fluoresenssia lähettävien molekyylien valovalkaisu paranee. Laserin aallonpituus ja laserteho on kuitenkin valittava huolellisesti kullekin näytetyypille vaurioiden tai huonontumisen välttämiseksi.
Raman-kuvantamisen laajuus vaihtelee materiaalitieteestä biologiseen tutkimukseen [45] [53] . Jokaisen näytetyypin mittausparametrit on optimoitava yksilöllisesti. Tästä syystä nykyaikaiset Raman-mikroskoopit on usein varustettu useilla eri aallonpituuksilla olevilla lasereilla, joukolla objektiiveja ja neutraalitiheyssuodattimia näytteen saavuttavan laserin tehon säätämiseksi. Laseraallonpituuden valinta riippuu pääasiassa näytteen optisista ominaisuuksista ja tutkimuksen tarkoituksesta [54] . Esimerkiksi biologisten ja lääketieteellisten näytteiden Raman-mikroskopia suoritetaan usein punaisesta lähelle infrapunaviritykseen (esim. 785 nm tai 1064 nm aallonpituus). Koska biologisten näytteiden absorbanssi on yleensä alhainen tällä spektrialueella, näytevaurioiden riski pienenee, samoin kuin autofluoresenssiemissio , ja voidaan saavuttaa suuria kudosten tunkeutumissyvyyksiä [55] [56] [57] [58] . Raman-sironnan intensiteetti pitkillä aallonpituuksilla on kuitenkin alhainen (johtuen Raman-intensiteetin riippuvuudesta taajuudesta ω 4 ), mikä johtaa pitkään hankinta-aikaan. Toisaalta yksisoluisten levien resonoiva Raman -kuvaus aallonpituudella 532 nm (vihreä valo) voi spesifisesti tutkia karotenoidien jakautumista solussa pienitehoisella ~ 5 μW laserilla, joka on vain 100 ms [59] .
Raman-sironta, erityisesti kärjellä tehostettu Raman-spektroskopia, tarjoaa korkearesoluutioisia hyperspektrikuvia yksittäisistä molekyyleistä [60] , atomeista [61] ja DNA:sta [62] .
Raman-sironta on herkkä polarisaatiolle ja voi tarjota yksityiskohtaista tietoa aktiivisten Raman-tilojen symmetriasta. Vaikka perinteinen Raman-spektroskopia määrittää kemiallisen koostumuksen, Raman-spektrien polarisaatiovaikutukset antavat tietoa molekyylien orientaatiosta yksittäiskiteissä ja anisotrooppisissa materiaaleissa, kuten venytetyissä muovilevyissä, sekä värähtelymuotojen symmetriasta.
Polarisaatiosta riippuvainen Raman-spektroskopia käyttää (tasaista) polarisoitua lasersäteilyä, joka lähetetään polarisaattorin kautta . Kerätty Raman-sirontavalo kulkee toisen polarisaattorin (kutsutaan analysaattoriksi) läpi ennen kuin se menee ilmaisimeen. Analysaattori on suunnattu joko yhdensuuntaisesti tai kohtisuoraan laserpolarisaatioon nähden. Depolarisaatiokertoimen laskemiseen voidaan käyttää spektrejä, jotka saadaan, kun analysaattori on asennettu joko kohtisuoraan tai yhdensuuntaisesti viritystason kanssa . Tyypillisesti analysaattorin ja ilmaisimen väliin sijoitetaan myös polarisoiva sekoituslaite . Polarisoidussa Raman-spektroskopiassa on kätevää kuvata etenemis- ja polarisaatiosuunnat Porton merkinnällä [63] , joka on kuvattu ja nimetty brasilialaisen fyysikon Sergio Pereira da Silva Porton mukaan .
Isotrooppisissa liuoksissa Raman-sironta kustakin moodista joko säilyttää laserin polarisaation tai depolarisoi sen osittain tai kokonaan. Jos Raman-sirontaprosessiin liittyvä värähtelymuoto on täysin symmetrinen, Raman-sirontapolarisaatio on sama kuin tulevan lasersäteen polarisaatio. Siinä tapauksessa, että värähtelytila ei ole täysin symmetrinen, polarisaatio häviää osittain tai kokonaan (sekoitettu), jota kutsutaan depolarisaatioksi. Siksi polarisoitu Raman-spektroskopia voi tarjota yksityiskohtaista tietoa värähtelymuodon symmetriamerkeistä.
Kiinteässä tilassa polarisoitu Raman-spektroskopia voi olla hyödyllinen suuntautuneiden näytteiden, kuten yksittäisten kiteiden, tutkimiseen. Värähtelymoodin polarisoituvuus ei ole sama pitkin ja poikki sidosta. Siksi Raman-sirontaintensiteetti on erilainen, kun laserpolarisaatio on suunnattu pitkin määritettyä kytkentäakselia ja kohtisuorasti siihen. Tämä vaikutus voi antaa tietoa yksittäisen kiteen tai materiaalin molekyylien orientaatiosta. Tästä analyysistä saatuja spektritietoja käytetään usein makromolekyylien orientaation ymmärtämiseen kidehiloissa, nestekiteissä tai polymeerinäytteissä [64] .
Polarisaatiomenetelmä on hyödyllinen molekyylisymmetrian , Raman-aktiivisuuden ja vastaavien Raman-spektrien huippujen välisen suhteen ymmärtämisessä [65] . Polarisoitu valo yhteen suuntaan antaa pääsyn vain joihinkin Raman-aktiivisiin tiloihin, mutta polarisaatiokierto antaa pääsyn myös muihin tiloihin. Jokainen moodi on jaettu symmetriansa mukaan [66] .
Värähtelymoodin symmetria johdetaan depolarisaatiokertoimesta ρ, joka on Raman-sironta, jonka polarisaatio on ortogonaalinen tulevaan laseriin ja Raman-sironta samalla polarisaatiolla kuin tuleva lasersäteily: Tässä on Raman-intensiteetti, kun analysaattoria kierretään 90 astetta tulevan valon polarisaatioakseliin ja Raman-sironnan intensiteettiin nähden, kun analysaattori on kohdistettu tulevan laserin polarisaatioon [67] . Kun polarisoitu valo on vuorovaikutuksessa molekyylin kanssa, se vääristää molekyyliä, mikä aiheuttaa tasaisen ja päinvastaisen vaikutuksen tasoaaltossa, jolloin se pyörii molekyylin orientaation ja valoaallon polarisaatiokulman välisen eron vuoksi. Jos p ≥ , värähtelyt tällä taajuudella ovat depolarisoituneita ; eli ne eivät ole täysin symmetrisiä [68] [67] .
Ainakin 25 Raman-spektroskopiatyyppiä on kehitetty [9] . Yleinen tavoite on lisätä herkkyyttä (esim. pintatehostettu Raman-sironta), parantaa spatiaalista resoluutiota (Raman-mikroskopia) tai saada hyvin spesifistä tietoa (resonoiva Raman-sironta).
Termit, kuten spontaani Raman-spektroskopia tai normaali Raman-spektroskopia , yleistävät Raman-spektroskopiatekniikat, jotka perustuvat Raman-sirontaan käyttämällä tavanomaista kaukokenttäoptiikkaa , kuten edellä on kuvattu. Normaalista Raman-spektroskopiasta on olemassa muunnelmia viritys-ilmaisugeometrian, yhdistelmän muiden menetelmien kanssa, erityisen (polarisoidun) optiikan käytön ja tietyn viritysaallonpituuksien valinnan suhteen resonanssin parantamiseksi.
Raman-sironnan tehostaminen saavutetaan sähkökentän paikallisella vahvistuksella lähikentän optisten vaikutusten ( esimerkiksi paikallisten pintaplasmonien ) vuoksi.
Raman-signaalin vahvistus saadaan aikaan epälineaarisilla optisilla efekteillä, jotka yleensä toteutetaan sekoittamalla kaksi tai useampia spatiaalisesti ja ajallisesti synkronoitujen pulssilaserien lähettämiä aallonpituuksia.
Morfologisesti ohjattu Raman-spektroskopia (MDRS) yhdistää automatisoidun hiukkaskuvauksen ja Raman-mikrospektroskopian yhdeksi integroiduksi alustaksi hiukkasten koon, muodon ja kemiallisen tunnistamisen [99] [100] . Automaattinen hiukkaskuvaus määrittää yksittäisten hiukkasten kuvista sekanäytteen komponenttien hiukkaskoon ja muotojakauman [101] [100] . Automatisoidusta hiukkaskuvauksesta saatua tietoa käytetään sitten Raman-spektroskooppisen analyysin ohjaamiseen [99] . Raman-spektroskopian analyysiprosessi suoritetaan satunnaisesti valitulle osajoukolle hiukkasia, mikä mahdollistaa useiden näytekomponenttien kemiallisen tunnistamisen [99] . Kymmeniä tuhansia hiukkasia voidaan kuvata minuuteissa MDRS-tekniikalla, mikä tekee tästä prosessista ihanteellisen oikeuslääketieteellisiin ja lääkeväärennöksiin liittyviin tutkimuksiin ja sitä seuraaviin oikeudenkäynteihin [101] [100] .