Рамановская спектроскопия: принципы и применение¶

Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния света) — совокупность методов аналитической химии и физики, основанных на регистрации неупругого рассеяния монохроматического света, при котором частота (энергия) рассеянных фотонов изменяется на величину, соответствующую колебательным или вращательным переходам в молекулах исследуемого вещества. Метод назван в честь индийского физика Чандрасекхары Венкаты Рамана, открывшего эффект в 1928 году.

¶Физические основы метода

¶Эффект Рамана

При облучении образца лазерным излучением подавляющая часть фотонов рассеивается упруго (рэлеевское рассеяние) без изменения энергии. Однако незначительная доля фотонов (примерно 1 из 10⁶–10⁸) взаимодействует с колебательными и вращательными уровнями молекул, теряя или приобретая энергию. В спектре это проявляется появлением стоксовых (с меньшей энергией) и антистоксовых (с большей энергией) линий, смещённых относительно возбуждающей линии на величину, равную частоте колебания связи.

¶Классическая и квантовая трактовка

Классически эффект объясняется модуляцией поляризуемости молекулы при её колебаниях. Квантово-механическое описание рассматривает переходы между колебательными уровнями через виртуальные состояния. Интенсивность рамановского рассеяния пропорциональна четвёртой степени частоты возбуждающего излучения и квадрату производной поляризуемости по нормальной координате.

¶Отличие от ИК-спектроскопии

Рамановская спектроскопия комплементарна инфракрасной (ИК) абсорбционной спектроскопии. Для проявления активности в ИК-спектре необходимо изменение дипольного момента, в рамановском — изменение поляризуемости. Симметричные неполярные связи (C=C, S–S, C–C) дают сильные рамановские сигналы, но слабые ИК-полосы, и наоборот. Это делает методы взаимодополняющими при структурном анализе.

¶Аппаратура

¶Основные компоненты

Современный рамановский спектрометр включает:

• источник возбуждения (обычно лазер с длиной волны 532, 633 или 785 нм);
• систему фильтрации для подавления рэлеевского рассеяния (нотч-фильтры или дихроичные зеркала);
• спектрограф с дифракционной решёткой;
• детектор (ПЗС-матрица или InGaAs-фотодиоды для ближнего ИК-диапазона).

¶Конфокальная микроскопия

Сочетание рамановского спектрометра с оптическим микроскопом позволяет получать спектры с пространственным разрешением до 1 мкм. Конфокальная схема обеспечивает отсечение сигнала из внефокальной области, что даёт возможность проводить трёхмерное картирование распределения химических компонентов по поверхности и в объёме образца.

¶Усиление сигнала

Для слабых сигналов применяют методы усиления: поверхностно-усиленную рамановскую спектроскопию (SERS) на наноструктурированных металлических подложках (золото, серебро), усиление при резонансных условиях (резонансное рамановское рассеяние) и когерентные методы (CARS, SRS) с использованием фемтосекундных лазеров.

¶Применение

¶Химия и материаловедение

Метод широко используется для идентификации полиморфных модификаций веществ, контроля степени кристалличности полимеров, анализа углеродных материалов (графен, алмаз, углеродные нанотрубки). Рамановская спектроскопия позволяет различать изомеры и определять степень окисления ионов в неорганических соединениях.

¶Биология и медицина

В биомедицинских исследованиях метод применяется для изучения структуры белков, липидов и нуклеиновых кислот без меток и фиксации. В клинической практике ведутся разработки по неинвазивной диагностике онкологических заболеваний по спектральным различиям здоровых и опухолевых тканей, а также для анализа состава биологических жидкостей (сыворотка крови, моча).

¶Фармацевтика

Рамановская спектроскопия используется для контроля подлинности лекарственных препаратов, обнаружения фальсификатов, определения распределения активных веществ в таблетках и изучения стабильности лекарственных форм.

¶Криминалистика и искусствоведение

Метод позволяет неразрушающе идентифицировать красители, пигменты и наркотические вещества. В реставрации памятников культуры рамановская спектроскопия применяется для анализа состава красочного слоя и продуктов коррозии металлов.

¶Геология и минералогия

Определение минерального состава включений в породах, изучение флюидных включений и идентификация газовых гидратов выполняются с помощью рамановской спектроскопии. Метод особенно ценен для анализа образцов, доставленных с других планет (например, в рамках марсианских миссий).

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам метода относятся неразрушающий характер анализа, отсутствие специальной подготовки образца, возможность работы с водными растворами (вода слабо рассеивает свет), высокая информативность о молекулярной структуре. Ограничения связаны с малой интенсивностью эффекта, флуоресценцией примесей, перекрывающей слабые сигналы, и нагревом образца под действием лазерного излучения. Для преодоления флуоресценции используют возбуждение в ближнем ИК-диапазоне или математические методы коррекции базовой линии.

¶Источники

• Ландсберг Г. С., Мандельштам Л. И. Новое явление при рассеянии света // Журнал Русского физико-химического общества. — 1928.
• Raman C. V., Krishnan K. S. A New Type of Secondary Radiation // Nature. — 1928.
• Смит Е., Дент Дж. Практическая рамановская спектроскопия. — М.: Техносфера, 2012.
• Ferraro J. R., Nakamoto K., Brown C. W. Introductory Raman Spectroscopy. — Academic Press, 2003.