A espectroscopia Raman é uma técnica fotônica de alta resolução que pode proporcionar, em poucos segundos, informação química e estrutural de quase qualquer material, composto orgânico ou inorgânico permitindo assim sua identificação. Esse fenômeno foi observado experimentalmente em 1928 por Chandrasekhara Venkata Raman, na Índia e, por esse motivo, foi chamado de efeito Raman.
Sua análise se baseia na luz, monocromática, colimada, coerente e de determinada frequência, espalhada ao incidir sobre o material a ser estudado, cuja maior parte da luz espalhada também apresenta a mesma frequência daquela incidente. Somente uma pequena porção da luz é espalhada inelasticamente frente as rápidas mudanças de frequência, devido à interação da luz com a matéria, e é uma característica intrínseca do material analisado e independe da frequência da luz incidente.
A luz que manteve a mesma frequência da incidente não revela qualquer informação sobre o material e é chamada de dispersão de Rayleigh, mas aquela que mudou revela a composição molecular deste mesmo e é conhecido como dispersão Raman.
Esta técnica é aplicada diretamente sobre a amostra em questão, não sendo necessário fazer uma preparação especial no material. Além do mais, não há alteração na superfície que se faz a análise.
Conceito
É uma técnica que usa uma fonte de laser, que ao atingir um objeto, é espalhada por ele, gerando luz de mesma energia ou de energia diferente da incidente. No primeiro caso, o espalhamento é chamado de elástico e não é de interesse, este é o chamado dispersão de Rayleigh. Entretanto, o mais importante é efeito inelástico (segundo caso), também conhecido como efeito Raman, que possibilita obter muitas informações importantes sobre a composição química do objeto em análise a partir dessa diferença de energia. Isto gera uma assinatura da composição química de cada material irradiada, também conhecido como impressão digital (fingerprint).
Na prática, um feixe de radiação laser de baixa potência é usado para iluminar pequenas áreas do objeto de interesse e ao incidir sobre a área definida, é espalhado em todas as direções, sendo que uma pequena parcela dessa radiação é espalhada inelasticamente, isto é, com frequência (ou comprimento de onda) diferente da incidente (E = hν ou E = h.c.λ-1). O espalhamento inelástico pode ser subdividido em dois tipos: Stokes e anti-Stokes. O efeito Stokes ocorre quando as moléculas recebem a energia no seu estado fundamental, e o anti-stoke a molécula já está em estado excitado. Efeito Raman também gera três modelos vibracionais nas moléculas: bend, symmetric or asymmetric strech; Sendo o número de modelos vibracionais traduzidos pelas seguintes fórmulas matemáticas: 3n-6 para moléculas não lineares, por exemplo: água (H2O) e 3n-5 para moléculas lineares, por exemplo gás carbônico (CO2), sendo n representa número de átomos da molécula.
A banda de deslocamento Raman, a diferença de energia entre a incidida e a espalhada, é tipicamente descrita como número de onda (wavenumber). A unidade mais usada é 1/cm, isso é equivalente a joule dividido por fator de conversão (hc), onde h é constante de Planck e c é a velocidade da luz.
Caso seja utilizado um microscópio óptico convencional no qual a objetiva tanto serve para focalizar o feixe incidente na amostra quanto para coletar a radiação que é espalhada por ela, tem-se a microscopia Raman, a qual permite o estudo de áreas de até 1 μm (10-6 m) de diâmetro. O interessante é que a diferença de energia entre a radiação incidente e a espalhada corresponde à energia com que átomos presentes na área estudada estão vibrando e essa frequência de vibração permite descobrir como os átomos estão ligados, ter informação sobre a geometria molecular, sobre como as espécies químicas presentes interagem entre si e com o ambiente, entre outras coisas. É por esse motivo que essa ferramenta é tão poderosa, permitindo inclusive a diferenciação de polimorfos, isto é, substâncias que tem diferentes estruturas e, portanto, diferentes propriedades, apesar de terem a mesma fórmula química, como o massicote e litargírio, ambos óxidos de chumbo (PbO) porém com diferentes estruturas cristalinas (ortorrômbica e tetraédrica, respectivamente).
Como não há somente um tipo de vibração, uma vez que geralmente as espécies químicas presentes são complexas, a radiação espalhada inelasticamente é constituída por um número muito grande de diferentes frequências (ou componentes espectrais) as quais precisam ser separadas e ter sua intensidade medida. Cada espécie química, seja um pigmento, corante, substrato, aglutinante, veículo ou verniz, fornece um espectro que é como sua impressão digital, permitindo sua identificação inequívoca ou, por exemplo, a detecção de alterações químicas decorrentes de sua interação com outras substâncias ou com a luz.
A análise por espectroscopia Raman é feita sem necessidade de preparações ou manipulações de qualquer natureza, como pulverização por exemplo. Quando a amostra é muito grande, ela pode ser examinada através de um sistema especial de lentes ou através de fibras ópticas. Atualmente são comercializados tanto microscópios Raman dedicados quanto equipamentos convencionais que podem ter o microscópio como acessório e em ambos os casos a utilização de fibras ópticas é um recurso essencial quando o objeto analisado é muito grande para caber no compartimento de amostras ou quando seu transporte até o laboratório não é possível. Um outro aspecto importante é a possibilidade de exploração de alguns efeitos especiais, como o efeito Raman ressonante e efeito SERS (Surface Enhanced Raman Scattering).
Aplicações A espectroscopia de Raman é comumente utilizado em química, visto que a informação vibracional é específica para as ligações químicas e simetria de moléculas. Por conseguinte, proporciona uma impressão digital através da qual a molécula pode ser identificada. Por exemplo, as frequências de vibração de SiO, Si2O2 , e S3O3 foram identificadas e caracterizadas com base em análises de coordenadas normais utilizando espectros de infravermelho e Raman. A região de impressão digital de moléculas orgânicas é no ( número de onda ) variam 500-2000 cm -1 . Outra forma que a técnica é utilizada é a de estudar alterações nas ligações químicas, como quando um substrato é adicionado a uma enzima.
Este efeito vem sendo utilizado em várias áreas de interesse tais como: detecção de narcóticos e explosivos em aeroportos, caracterização de artefatos arqueológicos e análises mineralógica de solos arqueológicos, estudos de biochar, pesquisas sobre diagênese de fósseis, análise de fluídos corpóreos em investigações forenses e também como ferramenta de pesquisa de vida em Marte.
Área Química Na química de estado sólido e a indústria biofarmacêutica, a espectroscopia de Raman pode ser usada para identificar não só ingredientes farmacêuticos ativos (IFA), mas no caso de várias formas polimórficas, isto também pode ser utilizado para identificar a forma polimórfica do IFA. Por exemplo, existem quatro formas polimórficas diferentes da IFA (aztreonam) do Cayston, um medicamento para fibrose cística comercializado pela Gilead Sciences. Tanto a espectroscopia de infravermelho como de Raman podem ser utilizadas para identificar e caracterizar o IFA, que é usado na formulação de Cayston. Em formulações biofarmacêuticas, deve-se usar não só a molécula correta, mas a forma polimórfica correta, como diferentes formas polimórficas têm diferentes propriedades físicas, por exemplo, a solubilidade, ponto de fusão, espectros de Raman e infravermelhos.
Vários projetos de investigação demonstraram o uso da espectroscopia Raman como um meio para detectar explosivos usando feixes de laser a uma distância segura.
Área Física Em física do estado sólido ,espectroscopia Raman é usada para, entre outras coisas, caracterizar materiais, medir temperatura e encontrar a orientação cristalográfica de uma amostra. Tal como acontece com moléculas individuais, um determinado material sólido tem características fônons modos que podem ajudar um experimentador identificá-lo. Além disso, a espectroscopia de Raman pode ser utilizado para observar outras excitações de baixa frequência dos sólidos, tais como plasmons, magnons, e excitações no gap (hiato ótico) de supercondutor . O sinal de Raman dá informação sobre a população de um determinado modo de fonão da relação entre a intensidade de Stokes (deslocada para baixo) anti-Stokes (deslocada para cima).
Espalhamento Raman por uma anisotropia de cristal dá informações sobre a orientação de cristal. A polarização da luz difusa de Raman no que diz respeito ao cristal e a polarização da luz de laser pode ser utilizado para encontrar a orientação do cristal, se a estrutura do cristal é conhecida.
A espectroscopia de Raman é a base para a detecção de temperatura distribuída (DTS) ao longo de fibras ópticas, que utiliza o deslocamento da retrodifusão Raman de impulsos de laser para determinar a temperatura ao longo de fibras ópticas.
Fibras ativas sob Raman, tais como aramida e carbono, têm modos de vibração que mostram uma mudança na frequência Raman com tensão aplicada. Fibras de polipropileno também apresentam mudanças semelhantes. O modo de respiração radial é uma técnica utilizada para avaliar o diâmetro dos nanotubos de carbono. Em nanotecnologia, um microscópio de Raman pode ser utilizado para analisar os nanofios de compreender melhor a composição das estruturas.
Área Mineralógica A espectroscopia Raman é muito útil no trabalho de identificação e caracterização de espécies minerais. Como a técnica não é destrutiva, é possível investigar minerais raros que são preservados em museus ou amostras que são utilizadas em atividades didáticas. Atualmente, são mais de 5400 espécies minerais reconhecidas pela Associação Mineralógica Internacional (IMA) e muitas delas foram identificadas com o auxílio da espectroscopia Raman.
Área Biomédica Espectroscopia Raman espacialmente deslocamento (SORS), que é menos sensível do que a superfície camadas de Raman convencional, pode ser utilizado para descobrir fármacos falsificados sem abertura respectivas embalagens, e para monitorização não invasiva de tecido biológico.Ben Vogel (2008. "espectroscopia Raman pressagia bem para detecção de explosivos impasse" . Jane. Retirado 2015/05/27 espectroscopia de Raman pode ser utilizado para investigar a composição química de documentos históricos, como o Livro de Kells, e contribuir para o conhecimento das condições sociais e econômicas do momento da produção dos documentos.Misra, Anupam K .; Sharma, Shiv K .; Acosta, Tayro E .;Porter, John N. et al. (2012). "Single-Pulse Standoff Detecção Raman de Produtos Químicos de 120 m Distância durante o dia". Espectroscopia Aplicada 66 (11). Isto é especialmente útil porque espectroscopia Raman oferece um modo não-invasivo para determinar a melhor curso de preservação ou conservação de tratamento para tais materiais.
O espalhamento inelástico também pode ser utilizado na área bio-médica, pois permite caracterização dos componentes celulares normais e alterados, podendo identificar núcleos, nucléolos, organelas, e tecidos patológicos como: desorganização epitelial, tanto na sua arquitetura ou orientação celular bem como composição bioquímica, Portanto, é uma arma importante para diagnóstico de lesões neoplásicas, e atualmente as assinaturas bio-químicas de alguns tipos de câncer já foram estabelecidas e vêm sendo utilizadas na prática clínica, podemos citar: Câncer de pulmão, cervix uterino, colon retal, esôfago, tireóide, pele.
Analisadores de gases Raman tem muitas aplicações práticas. Por exemplo, eles são utilizados na medicina para a monitorização em tempo real de misturas de gases anestésicos respiratórios e durante a cirurgia.