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Espectroscopia RamanEspectroscopia Raman
Thiago JosThiago Jos FatobeneFatobeneEspecialista de ProdutoEspecialista de ProdutoPerkinElmer do Brasil PerkinElmer do Brasil
IntroduIntroduo Teo Tericarica
HistHistricorico
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 prprmiomioNobel de Nobel de FFsicasica emem 19301930
RamanRaman
Quando uma molcula irradiada, a energia pode ser transmitida, absorvida, ou espalhada. A espectroscopia Raman baseada na deteco da luz espalhada.
No espalhamento Rayleigh (), a interao da molcula com o fton no provoca mudanas nos nveis de energia vibracional e/ou rotacional da molcula. Assim
O efeito Raman pode ser explicado pela coliso entre o fton incidente e a molcula. Isto muda os nveis das energias vibracional e/ou rotacional da molcula por um incremento ( E). Pela lei de conservao de energia, isto significa que as energias dos ftons incidente e espalhado sero diferentes, ou seja . Se a molcula absorve energia, E positiva, incidente > espalhada., estas so as do espectro (regra de Stokes de fluorescncia, incidente > fluorescncia). Se a molcula perde energia, E negativa, incidente < espalhada, linhas do espectro.
O O queque osos eletronseletrons fazemfazem
O O queque espalhamentoespalhamento Raman?Raman?
RamanRaman
As linhas Stokes e anti-Stokes correspondem a vibrao molecular da amostra em estudo
RamanRaman
O espectro de Raman plotado em cm-1, mas esta unidade no um valor absoluto como no IR e as medidas no so feitas no MID-IR. O espectro Raman o comprimento de onda da radiao espalhada em relao ao da radiao de excitao (laser). As leituras so feitas na regio do visvel e do NIR.
OBS: laser = 785nm
1600cm1600cm--11898nm = 11139cm898nm = 11139cm--111000cm1000cm--11852nm = 11739cm852nm = 11739cm--11
0cm0cm--11785nm = 12739cm785nm = 12739cm--11Espectro RamanEspectro RamanRadiaRadiao Detectadao Detectada
LinhasLinhas Stokes e AntiStokes e Anti--Stokes Stokes EspectroEspectroRaman do Raman do CyclohexanoCyclohexano
PerdaPerda de de energiaenergia
GanhoGanho de de energiaenergia
SemSemmudanmudanaa
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 a fonte de todos os comprimentos de onda da luz visa fonte de todos os comprimentos de onda da luz visvel.vel.
A luz azul A luz azul espalhada pelas molespalhada pelas molculas da atmosfera mais que a luz vermelha, culas da atmosfera mais que a luz vermelha, porque essas molporque essas molculas so menores que os comprimentos de onda da luz.culas so menores que os comprimentos de onda da luz.
Isso explique o porque o cIsso explique o porque o cu u azul e que no por do sol vemos uma luz vermelha.azul e que no por do sol vemos uma luz vermelha.
HH partpartculas grandes de culas grandes de gua 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 umauma constanteconstante l l o o caminhocaminho pticoptico PolPol a a polarisabilidadepolarisabilidade dada molmolculacula e e nicanica parapara cadacada molmolculacula.. V V a a freqfreqnciancia dada radiaradiaoo incidenteincidente..
IssoIsso significasignifica queque o laser o laser azulazul dd 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 serser maismais forte forte queque o o espalhamentoespalhamento e e irir mascararmascarar o o espectroespectro Raman.Raman.
EsseEsse o o motivomotivo do do porqueporque algunsalguns laboratlaboratriosrios usamusam NIR FTNIR FT--Raman.Raman.
FluorescnciaFluorescncia
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 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) reduo ou sem efeito da fluorescnciao ou sem efeito da fluorescncia
Quando a fluorescncia Quando a fluorescncia um problema usaum problema usa--se o NIR laser se o NIR laser (1064nm).(1064nm).
a) pouco ou nenhum efeito de fluorescnciaa) pouco ou nenhum efeito de fluorescnciab) porb) porm, fraco espalhamento e detectores menos sensm, fraco espalhamento e detectores menos sensveis.veis.
OutrasOutras ttcnicascnicas: RR, SERS and SERRS: RR, SERS and SERRS
RR: RR: ResonanceResonance RamanRamanOcorre quando a energia de um fOcorre quando a energia de um fton do laser coincide com o de ton do laser coincide com o de uma transiuma transio eletrnica de um grupo cromo eletrnica de um grupo cromforo do sistema em foro do sistema em estudo.estudo.
SERS: Surface Enhanced Raman SpectroscopyO espectro Raman de uma molcula que absorvida sobre umasuperfcie 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 cromforo da molcula em estudo.
SERS / SERRS podem aumentar o sinal em at bilhes de vezes.
1000 1200 1400 1600 1800
Raman Shift cm-11000 1200 1400 1600 1800
Raman Shift cm-1
80 fmol 0.8 fmol
Rhodamine labelled oligonucleotide (SERS)
Resonance RamanResonance Raman
Espectrmetros DispersivosEspectrmetros Dispersivos
CzernyCzerny--TurnerTurnerSistema requer cerca de 10s para 1s de aquisio do espectro. Diferentes partes do espectro so adquridas em diferentes tempos.Grande problema para anlise de sistemas dinmicos.
ExemploExemplo
EspectroEspectro Raman Raman adquiridoadquirido emem 7 7 etapasetapas..
EchelleEchelleAquisio do espectro instantaneamente. Todos os comprimentos de ondas analisados simultaneamente sem movimentao de nenhuma parte ptica..
3500 cm-1
1500
1000
500
95 cm-1500
1000
Espectrmetros DispersivosEspectrmetros Dispersivos
ExemploExemplo
3000 2500 2000 1500 1000 500 3000 2500 2000 1500 1000 500
NH
O SO
O
OH
N
NN
N
SH
FTFT--RamanRaman
Ocasionalmente a amostra pode apresentar fluorescncia.Ocasionalmente a amostra pode apresentar fluorescncia.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 at 20x menor que o de s20x menor que o de slica.lica.
Para compensar a baixa sensibilidade usaPara compensar a baixa sensibilidade usa--se lasers de 1 se lasers de 1 -- 2w de potncia.2w de potncia.PorPorm, devem, deve--se tomar cuidado para no queimar a amostra.se tomar cuidado para no queimar a amostra.
BenefBenefcioscios
A espectroscopia Raman A espectroscopia Raman uma tuma tcnica 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 identificaidentificao (o (fingerfinger printprint).). Fornece informaFornece informaes sobre vibraes sobre vibraes homo es homo -- nucleares simnucleares simtricas como tricas como os estiramentos os estiramentos --C=CC=C-- e e S=SS=S-- que so fracas ou inativas no infravermelho.que so fracas ou inativas no infravermelho. Os anOs anis aromis aromticos possuem bandas fortes.ticos possuem bandas fortes. As amostras precisam de pouca ou nenhuma preparaAs amostras precisam de pouca ou nenhuma preparao.o. uma tuma tcnica no destrutiva. Ancnica no destrutiva. Anlise lise in in situsitu.. O vidro O vidro um bom material para ser usado como janelas para medidas por um bom material para ser usado como janelas para medidas por Raman.Raman.
No requer acessNo requer acessrios especiaisrios especiais No hNo h interferncia de umidade.interferncia de umidade.
RamanRaman
EspectroEspectro de IR e Raman do de IR e Raman do cidocido BenzBenzicoico
IRIR
RamanRaman
ComparaComparaoo Raman, Mid IR, e Near IRRaman, Mid IR, e Near IR
!!!" #!!! $%%
&'' (
RamanRaman
RamanRaman
RamanRaman
RamanRaman
Touch Button Compartimento
para vrios tipos de amostras
RamanRaman
RamanRaman
RamanRaman
RamanRaman
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
200m
100m
20m
10m
Spot Size
600m5x
250m20x
40m50x
20m100x
Depth of FieldObjective
5X5X10X10X
40X40X 100X100X
50 Micron Pinhole
Laser Spot
ComparaComparaoo de de ResoluResoluoo
10cm10cm--11
4cm4cm--11
ComparaComparaoo de de resoluresoluoo
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
Objective Lens
DentroDentro do do RamanStationRamanStation 400F400F
AplicaAplicaoo
Auto subtrao do espectro do frasco
AnAnliselise 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 QuQumicamica
3000 2500 2000 1500 1000 500 3000 2500 2000 1500 1000 500
As cores representam a composio qumica
Acetoaminophen
Caffeine
Aspirin
ImagemImagem QuQumicamica e e MapeamentoMapeamento
RamanStationRamanStation 400 400 ouou MicroRamanMicroRaman
Opes 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
Identificao de narcticos e substncias de abuso
RamanRaman
RamanRaman
AmphetamineMethamphetamine
Cocaine Heroin
RamanRaman
RamanRaman
Anlise de leos e gorduras
PolimorfismoPolimorfismo
Polimorfismo so diferentes formas cristalinas para uma mesma substncia.O espectro Raman espcies de polimorfismo so similares, mas diferenas 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
*23.
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
DiferenDiferenasas
CancerosoCanceroso
TecidoTecido saudsaudvelvel
AlimentosAlimentos
Sem interferncia da Sem interferncia da guagua
Raman de PolRaman de Polmerosmeros
PVC PEAD
Nylon 11PET
Hidrogenao do Fenil Acetileno
A hidrogenao do Fenil Acetileno para a formao do Estireno e do Etil Benzeno um reao que envolve altas presses e altas temperaturas.
A tcnica tradicional de anlise por CG. O que necessrio uma amostragem de tempos em tempos provocando uma alterao da presso e uma alterao do equilbrio da reao.
Com Raman isso no ocorre, uma vez que a reao monitorada atravs de uma probe.
RamanRaman
O reator consiste de:
Uma roda de ao inoxidvel impregnada de catalisador Uma soluo de reao: Heptano (solvente) e Fenil Acetileno Alta presso de H2
RamanRaman
A cada 10 minutos foi coletado um espectro Raman Mais de 50 espectros foram coletados durante todo o experimento Atravs dos espectros visvel o consumo de Fenil Acetileno atravs
da queda da tripla ligao em 2115 cm-1
RamanRaman
CC C=C
Hidrogenao
RamanRaman
Starting Material CCDesired Product C=CReaction Overshoot C-C
CorrelaCorrelaoo entreentre Raman e CGRaman e CG
0 10 20 30 40 50 60 70 80Time / mins
0
20
40
60
80
100%
C
o
m
p
o
s
i
t
i
o
n
Solido - CG Sem preenchimento - Raman
RamanRaman
Estudo da cristalinidade de polmeros
A rigidez e a resistncia ao impacto de um polmero esta diretamente associada ao seu grau de cristalinidade. Um melhor entendimento do processo de cristalizao do polmero pode resultar em frascos de menor espessura e de mesma resistncia. Menos material mais economia e menor o impacto sobre o meio ambiente.
RamanRaman
Estudo da cristalinidade de polmeros
Amostras cristalinas apresentam um pico em 1096 cm-1. Material amorfo apresenta apenas um ombro em 1119 cm-1.
RamanRaman
Estudo da cristalinidade de polmeros
Amostras cristalinas apresentam um pico estreito em 1730 cm-1.
RamanRaman
Estudo da cristalinidade de polmeros
O grfico abaixo mostra a variao da cristalinidade (1096/1119) em funo do comprimento do frasco. O material essencialmente amorfo no topo e na base do frasco e apresenta uma certa cristalinidade no resto do frasco.
PerkinElmer do Brasil Ltda. PerkinElmer do Brasil Ltda.
Obrigado pela atenObrigado pela ateno!o!
Thiago FatobeneEspecialista de Aplicao
PerkinElmerPerkinElmer do Brasildo BrasilPerdizes Perdizes -- So PauloSo Paulo