¿Qué es un Microscopio Raman?
El microscopio Raman (o micro-Raman) es un instrumento de medición que combina un espectrómetro Raman con un microscopio óptico.
Permite el análisis no destructivo de información detallada sobre una sustancia, como su estructura química, interacciones intermoleculares y cristalinidad. Combinando un espectrómetro Raman con un microscopio, es posible observar el objeto bajo el microscopio y medir puntos seleccionados, u obtener una imagen que visualice la distribución de la composición.
Usos de los Microscopios Raman
Como la espectroscopia Raman se basa en los enlaces químicos, las mediciones proporcionan la siguiente información
- Estructura química
- Fase, polimorfismo
- Cepa
- Impurezas, contaminación
Como los espectros Raman son exclusivos de cada sustancia, pueden utilizarse para identificar rápidamente una sustancia o distinguirla de otras. Los microscopios Raman también pueden utilizarse para analizar muchas muestras diferentes. En general, no es adecuada para el análisis de metales y aleaciones, pero sí para el análisis de
- Sólidos, polvos, líquidos, geles, lodos y gases
- Materiales inorgánicos, orgánicos y biológicos
- Productos químicos puros, mezclas y soluciones
- Óxidos metálicos y corrosión
Algunos ejemplos típicos de uso de los microscopios Raman son:
- Caracterización de pigmentos, cerámicas y piedras preciosas en los campos del arte y la arqueología
- Evaluación de la estructura y pureza, defectos y desorden de nanotubos de material de carbono
- En química, control de la estructura, la pureza y las reacciones
- En las ciencias de la vida, células y tejidos individuales, interacciones de fármacos, diagnóstico de enfermedades
Estructura de los Microscopios Raman
El microscopio Raman es un instrumento de medición que combina un espectrómetro Raman y un microscopio y tiene la estructura que se muestra en el diagrama anterior.
La luz irradiada procedente de una fuente láser se guía hasta la muestra a través de la lente objetivo del microscopio y se irradia sobre la muestra. La luz dispersa generada por la muestra es enfocada por la lente del objetivo y sólo la luz dispersa Raman es detectada a través de un filtro de corte de luz Rayleigh.
Principios de los Microscopios Raman
Cuando se irradia luz sobre un material, se produce un fenómeno de dispersión. La mayor parte de la luz dispersa producida es luz dispersa Rayleigh con la misma longitud de onda que la luz irradiada, pero se incluye algo de luz dispersa con una longitud de onda ligeramente distinta de la de la luz irradiada, y esta luz dispersa se denomina luz dispersa Raman.
Hay dos tipos de luz Raman dispersa: la luz Stokes dispersa con una longitud de onda mayor que la de la luz irradiada, y la luz anti-Stokes dispersa con una longitud de onda menor.
La luz de dispersión Raman se produce como resultado de la interacción de la luz irradiada con una sustancia, y la diferencia de longitud de onda entre la luz de dispersión Rayleigh y Raman corresponde a la energía de la vibración molecular de la sustancia irradiada. Se sabe que las únicas vibraciones moleculares en las que se produce dispersión Raman son los modos vibracionales Raman-activos, y es posible inferir o simular modos vibracionales Raman-activos a partir de la estructura molecular.
Un instrumento analítico similar que utiliza las vibraciones moleculares es el espectrofotómetro de infrarrojos, pero existen diferencias en las vibraciones moleculares que pueden medirse, lo que lo convierte en un instrumento analítico complementario.
Diferentes tipos de moléculas y diferentes estados de enlace producen diferentes espectros Raman debido a las diferentes energías de las vibraciones moleculares. Las sustancias pueden identificarse comparando las posiciones de los picos y las intensidades relativas de los picos de los espectros Raman con sustancias conocidas. También se suele utilizar para el análisis cualitativo interpretando lo siguiente
- Posición de los picos
Información sobre enlaces químicos - Desplazamiento de los picos
Información sobre interacciones intermoleculares, tensión y deformación - Forma de onda espectral
Información sobre la estructura molecular, diferencias en la estructura cristalina - Anchura del valor medio
Diferencia entre cristalino y no cristalino
El análisis cuantitativo también es posible utilizando el hecho de que la intensidad espectral es proporcional a la concentración.
Otra Información sobre los Microscopios Raman
1. Precauciones de los Microscopios Raman
La luz dispersa Raman es más débil que la luz dispersa Rayleigh, por lo que se requiere una cierta intensidad de luz láser, pero la luz láser puede causar problemas. Si la longitud de onda de la luz láser se solapa con la región de absorción de la molécula que se va a medir, la molécula presentará fluorescencia, aumentando el bag-ground del espectro Raman y enterrando el espectro que se va a obtener.
Para evitarlo, es necesario tomar medidas como ajustar el tiempo de exposición y otras condiciones de medida, ajustar la profundidad de foco, estrechar la rendija espectral o utilizar un filtro confocal (DSF). También pueden tomarse otras medidas para suprimir la fluorescencia cambiando la fuente láser.
En el caso de los materiales orgánicos, a menudo se produce fluorescencia cuando se utiliza la luz láser común de 532 nm, por lo que a veces se elige una luz láser de longitud de onda más larga, como 785 nm. Sin embargo, hay que tener cuidado al cambiar a una luz láser de longitud de onda más larga, ya que la sensibilidad de algunos espectrómetros y detectores puede verse extremadamente reducida.
Si el objeto de medición es un material orgánico o de carbono, dependiendo de la intensidad y duración del rayo láser, el material medido puede “quemarse” y degradarse. La degradación del material medido puede evitarse ajustando las condiciones de medición, por ejemplo, reduciendo la intensidad del láser o acortando el tiempo de exposición.
Algunos materiales de carbono, por ejemplo, son fotorreactivos, lo que significa que reaccionan a la luz láser irradiada. Estos materiales pueden tratarse ajustando las condiciones de medición del mismo modo, o cambiando la longitud de onda de la luz láser para suprimir la fotorreacción.
2. Nueva Tecnología de Microscopios Raman
Se han desarrollado diversas técnicas para mejorar la sensibilidad y la resolución de los microscopios Raman.
El Raman de superficie mejorada (SERS), el Raman de punta mejorada (TERS) y otros utilizan el fenómeno de la resonancia plasmónica de superficie localizada que se produce en las superficies metálicas, lo que permite medir la intensidad de la luz Raman dispersada con mayor sensibilidad y resolución espacial.
La dispersión Raman coherente anti-Stokes (CARS) y la dispersión Raman inducida (SRS) son tipos de dispersión Raman no lineal en los que se utilizan simultáneamente dos longitudes de onda de luz diferentes para obtener espectros con intensidades de señal muchos órdenes de magnitud superiores.
También se han desarrollado otras técnicas que permiten obtener espectros Raman de forma lineal o planar con un solo pulso láser, utilizando divisores de haz u otros dispositivos, lo que agiliza la obtención de imágenes Raman.