Espectroscopía Raman

Historia de la técnica

Historia de Espectroscopía Raman

El físico C. V. Raman descubrió el efecto que lleva su nombre en 1928. En un proceso de colisión inelástico entre un fotón y moléculas pertenecientes a un sólido, el fotón pierde energía al excitar vibraciones típicas de las moléculas. La pérdida de energía de los fotones incidentes se analiza con un espectrómetro óptico. El espectro vibracional “Raman” es único para cada tipo de material y sirve como una “huella digital” para identificarlo.

El efecto Raman se mantuvo como una curiosidad científica hasta la invención de LASER (fuentes comerciales vendidas a principio de los setenta) y detectores CCD de estado sólido (comercialmente disponible a mediados de los ochenta).

La idea de acoplar Espectroscopía Raman y Microscopía óptica fue llevada a cabo simultáneamente en U.S.A. y Francia entre los años 1975 y 1983 (1,2).

En 1984 ya se lleva a cabo un diseño superior a la primera generación diseñada por Delhaye-Dhamelincourt (3) y es una variación del MOLE (Molecular Optical Laser Examiner). Con este tipo de instrumento se lleva a cabo un gran volumen de investigación en áreas industriales tan importantes como: producción de circuitos electrónicos, fabricación de fibras ópticas, cerámicas aisladoras, corrosión de metales, polímeros y catalizadores (4,5). Más recientemente aparecen también usos de esta técnica en la industria de alimentos (6) para determinar la presencia de macro-componentes tales como proteínas, lípidos, carbohidratos y agua.

La existencia de equipos comerciales que tengan esta capacidad analítica data desde 1984. Principalmente dos compañias fabricantes de instrumentos son capaces de proveer un micro-Raman. Ellas son Jobin Yvon-Horiba (ex Instruments S.A. representantes de Jobin Yvon-Spex, Longjumeau, France) y Renishaw, U.K.

REFERENCIAS

1. M. Delhaye and P. J. Dhamelicourt, J. Raman Spectrosc. 3, p.33 (1975).

2. G. J. Rosasco, Advances in Infrared and Raman Spectroscopy, V.7, R. J. H. Clark and R. J. Hester, eds. Heyden, London 1980.

3. F. Adar, Application of the MOLE-Raman Microprobe for Materials Characterization 31 th Sagamore Army Materials Research Conference, August 1984.

4. A. Wolkaun, A. Baiker, W. Fluhr, M. Meier and S. K. Miller, Raman Characterization of Catalysts, J. Vac. Sci. Technol B 3 (5) p.1397(1985).

5. F. D. Hardcastle and Israel E. Wachs, J. of Molecular Catalysis 46, 173 (1988).

6. E. C. Y. Li-Chan, The Application Of Raman Spectroscopy in Food Science, Trends in Food Science & Technology, Nov. 1996 V.7 p.361.

Equipamiento

MICRO-RAMAN- VISIBLE- INTEGRADO

Espectrómetro Raman de luz visible roja con microscopio, modelo es LabRam 010 con resolución de 1 mm y barrido. El equipo fue diseñado y construido por Instruments S. A.

Equipo para realizar espectroscopía Raman con luz visible tipo LASER que se compone de fuente LASER, analizador espectroscópico de luz visible, microscopio óptico x500 o x1000, detector de luz tipo CCD y computador tipo PC para adquisición de datos. Todo el sistema está integrado en una sola unidad a excepción del computador.

• He-Ne o Ar Laser con óptica de acoplado capaz de realizar barrido.
• Óptica de entrada.
• Microscopio óptico confocal con amplificación mayor que x500 y portamuestra con portamuestra con movimiento x-y.
• Cámara de TV color para microscopio.
• Espectrógrafo de luz visible con campo plano astigmático.
• Diodo Laser para iluminación CCD detector multicanal con buenas caracteristicas de señal/ruido y baja corriente oscura.
• Entrada independiente de fibra óptica pre-alineada para mediciones espectrométricas independientes.
• Set de filtros holográficos para mediciones cercanas a banda principal (frecuencias bajas).
• Computador tipo PC Pentium con todos los accesorios habituales.
• Programa de adquisición de datos que trabaja en ambiente Windows.

Ventajas

Ventajas de Raman sobre otras técnicas

La técnica Micro-Raman puede ser usada en aplicaciones tales como: procesamiento de alimentos, tratamiento de celulosa y fabricación de plásticos, entre otros.

La técnica Micro-Raman tiene la ventaja de la simplicidad de preparación de muestras a inspeccionar comparadas con otras técnicas de caracterización Micro-Raman no tiene competidor: con esta técnica se puede analizar la composición química de compuestos orgánicos e inorgánicos sin destruir las muestras y sin preparación especial. Se pueden analizar sólidos y líquidos de igual manera.

• Técnicas de caracterización como difracción de rayos-x (XRD) solo permiten determinar la composición de cristales y aleaciones inorgánicas muy bien ordenados (a nivel atómico).
• Se pueden caracterizar compuestos orgánicos sólidos y ordenados.
• Espectroscopía de fotoelectrones (XPS) permite solo la identificación de compuestos sólidos superficiales y necesita de ultra vacío.
• Espectroscopía de infrarojo (FTIR) permite analizar composición química de sólidos orgánicos e inorgánicos pero requiere la preparación de muestras muy delgadas para que sean transparentes al IR.
• Fluorescencia de rayos-X permite solo un análisis por elemento de sólidos, requiere de vacío y protección para el operario (debido a los rayos-x).

Todas estas técnicas mencionadas aquí tienen un valor de equipos similar o superior a Espectroscopía Micro-Raman y esta última tiene las ventajas ya mencionadas.

Aplicaciones en la industria

Aplicaciones de Micro-Raman en la industria

• Aparatos electrónicos-semiconductores

Esta técnica es por excelencia usada en la fabricación de diamante sintético ya que no hay otra técnica capaz de identificarlo. Como es una técnica que posee una resolución espacial de 1 micrómetro es ideal para determinar contaminación de contactos eléctricos en circuitos impresos. Se usa tambien para determinar la composición de cerámicas aisladoras usadas como diversos componentes de circuitos impresos.

Espectro Raman de Silicio tipo n.

• Industria petroquímica

La espectroscopía Raman fue introducida en esta industria hace mas de 20 años para resolver problemas de control de calidad en polímeros y emulsiones. También ayuda a resolver problemas de desactivación de catalizadores o su contaminación.

Espectro Raman de un pedazo de plato plástico de espuma.

• Aplicaciones biomédicas

El uso de la técnica se ha destacado en el estudio de proteínas y estructuras polipépticas en su estado fisiológico natural. Variaciones de esta técnica han sido exitosamente usadas en la determinación de colesterol, lípidos, inmunoglobulina, oligosacáridos y otras moléculas biológicamente activas.

• Medio ambiente

La espectroscopía Raman ha sido usada para analizar compuestos orgánicos o inorgánicos en suelos y aguas. Determinar su contaminación por complejos metálicos, fenoles, ácidos poliorgánicos e hidrocarbones.

Espectro Raman de polvo de titanato de bario.

• Industria de alimentos

Esta técnica se ha usado en la industria de alimentos (6) para determinar la presencia de macro-componentes tales como proteínas, lípidos, carbohidratos y agua.

Espectro Raman de una fibra de servilleta de papel (típica de celulosa).

Si Ud. encuentra alguno de estos ejemplos similares a un problema específico de su actividad acádemica o industrial, comuníquese con el Prof. Alejandro Cabrera al correo acabrera@fis.puc.cl 

Imágenes

Equipo Raman con portamuestra Linkam para control de temperatura entre -190 C y 600 C.

Microscopio Olimpus enfocando LASER sobre muestra (vista en cámara de video al fondo).

Otra vista de portamuestra Linkam.