Ramanova spektroskopie (nebo Ramanova spektroskopie ) a Ramanovy mikrospektroskopie jsou metody nedestruktivní zjišťování a charakterizace molekulární složení a vnější struktury materiálu , který využívá fyzikální jev, který prostředí mírně změní frekvence světlo cirkulující tam. Tento frekvenční posun známý jako Ramanův efekt odpovídá výměně energie mezi světelným paprskem a médiem a poskytuje informace o samotném substrátu. Ramanova spektroskopie zahrnuje vysílání monochromatického světla na vzorek a analýzu rozptýleného světla. Informace získané měřením a analýzou tohoto posunu umožňují spektroskopii vrátit se k určitým vlastnostem média .
Koherentní Ramanův rozptyl nepoužívá pozorování světla rozptýleného spontánně během molekulárních kolizí, ale koherentní zesílení druhého paprsku s různou frekvencí a časově nekoherentního s paprskem budiče.
Tato technika je doplňkem infračervené spektroskopie . Oba umožňují studium vibračních režimů molekuly, ale pravidla výběru pro dvě spektroskopie se mohou lišit v závislosti na molekulární symetrii . U molekul se středem symetrie nelze pozorovat žádný vibrační režim v obou spektroskopiích současně. Některé režimy jsou aktivní pouze v Ramanově režimu a jiné pouze v infračerveném světle. Například oxid uhličitý , symetrická lineární molekula, má jediný vibrační pás pozorovaný v Ramanově kmitočtu 1388 cm -1, který odpovídá symetrickému (nebo fázovému) prodloužení dvou vazeb, a dva vibrační pásy v infračerveném pásmu při 2349 cm - 1 a 667 cm -1, což odpovídá protisměrnému (nebo fázovému) prodloužení a deformaci úhlu vazby.
Tato technika byla umožněna použitím Ramanova rozptylu , optického jevu objeveného v roce 1928 , fyziky Chandrashekhara Venkata Râman a Leonid Mandelstam (nezávisle na sobě).
Tato technika byla široce rozšířena v průmyslu a výzkumu s výskytem a snížením nákladů na lasery . Koherentní Ramanův efekt je ve spektroskopii široce používán, protože umožňuje analytické studium malého objemu. Paprsek budiče a excitovaný paprsek mohou mít stejnou geometrii, ale musí být časově nekonzistentní.
Nedestruktivní spektroskopie se používá k charakterizaci molekulárního složení a vnější struktury materiálu.
Monochromatický světelný paprsek je vyslán na studovaný vzorek a rozptýlené světlo je analyzováno poté, co bylo shromážděno jinou čočkou a odesláno do monochromátoru umožňujícího měření jeho intenzity pomocí detektoru (jednokanálový typu fotonásobiče nebo CPM , vícekanálový typ CCD ).
Když elektrické pole laserové excitace interaguje se studovaným médiem, dochází k přenosu energie z pole na molekulu a indukuje se dipólový moment P :
kde je polarizovatelnost, amplituda vibrací pole a frekvence laseru. Pokud vezmeme v úvahu malé jaderné posuny ( ), je možné vyvinout polarizovatelnost Taylorovy řady kolem rovnovážné polohy a můžeme tak předefinovat dipólový moment pomocí:
kde je rovnovážná poloha a frekvence vibrací fononu. První termín představuje Rayleighův rozptyl (dipólu osciluje na stejné frekvenci jako laser), zatímco druhý a třetí podmínky představují anti-Stokes ( ) a Stokes ( ) Ramanův rozptyl ( ), když je absorpce a emise z d. ‚Pro fonon .
Je možné použít několik difúzních geometrií. Obecně se světlo rozptýlené buď při 180 ° nebo 90 ° sbírá . Polarizaci dopadajících a rozptýlených paprsků lze také měnit .
Ramanova nebo mikro-Ramanova mikrospektroskopie je technika měření mikroskopie: zaostřením laserového paprsku na malou část média lze vlastnosti tohoto média zkoumat na objemu několika μm³, například k analýze formace a vývoj mikro praskliny v jaderné oblasti .
Jednou aplikací Ramanovy spektroskopie je měření frekvencí vibrací krystalové mřížky nebo molekuly ( fonony ). Vibrační režimy, které lze měřit Ramanovou spektroskopií, jsou:
Mezi aktivními režimy jsou navíc některé detekovatelné pouze v dané difúzní geometrii. Analýza symetrií krystalu nebo molekuly umožňuje předpovědět, které režimy vibrací budou detekovatelné.
Ramanova spektroskopie je také citlivá na spinové (nebo magnonové ) vlny .
Ramanova spektra ukazují energetický posun vibračních režimů vzhledem ke zdroji excitace. Toto posunutí je obvykle prezentováno v vlnových číslech , což jsou jednotky inverzní délky (cm -1 ). Abychom převedli nashromážděnou vlnovou délku na Ramanův posun, použijeme tento vzorec:
,
kde je Ramanův posun v cm -1 , λ 0 excitační vlnová délka (v nm) a λ 1 je Ramanovo spektrum vlnové délky (v nm).
V oblasti archeologie umožňují krystalografické studie Ramanovou spektroskopií nedestruktivní molekulární analýzy kompatibilní s ochranou a ochranou památek.
Takové analýzy provedené v roce 2013 na CNRS , na univerzitě Pierre-et-Marie-Curie v Paříži ukázaly, že modrá barva určitých uměleckých děl, připisovaná přítomnosti kobaltu , by byla raději směsí zbarvení obsahující kromě kobaltu lapis lazuli , který starší techniky nedokázaly detekovat.
S technologickým vývojem a miniaturizací studijních nástrojů se navíc stávají přenosnými a mobilními, což umožňuje provádět rychlejší měření na místě.
V oblasti geologie umožňují Ramanovy spektrometrické analýzy identifikovat minerály, které tvoří horninu. Vzorky lze studovat jako tenký plátek nebo jako naleštěné kousky horniny.
Za tímto účelem se získané spektrum porovnává s referenčním spektrem získaným z vědeckých článků nebo databází.
Tato technika například umožňuje rozlišit hlavní polymorfy hadího hada (lizardit, chrysotil nebo antigorit), což není možné pozorováním tohoto minerálu pouhým okem nebo optickým mikroskopem.
Ramanova spektroskopie byla poprvé použita v oblasti průzkumu vesmíru pomocí přístroje SuperCam instalovaného na roveru Perseverance americké vesmírné mise v březnu 2020 , který od počátku roku 2021 studuje oblast kráteru Jezero na planetě Mars . Ramanův spektrometr se používá ve spojení s dalšími spektrometrickými technikami ke vzdálenému určování mineralogického složení hornin a určování nejzajímavějších geologických lokalit.