Espectroscopia Raman y productos Monocrom

RESUMEN

Esta nota de aplicación ofrece una breve introducción a la espectroscopia Raman y sus aplicaciones. Ofrece una visión general de la física, los requisitos de la fuente láser y las propiedades del detector necesarias para detectar un espectro adecuado. Se discutirán las figuras de mérito más críticas y por último, pero no menos importante, sigue una presentación de los productos Monocrom que se pueden utilizar para servir a las aplicaciones de espectroscopia Raman.

1. ESPECTROSCOPIA RAMAN - UNA VISIÓN GENERAL

La espectroscopia Raman es una técnica de caracterización que consiste en irradiar una muestra con una fuente luminosa y analizar su luz dispersa, en particular los fotones que sufren dispersión inelástica (la dispersión elástica se conoce como dispersión de Rayleigh). Los fotones que sufren dispersión inelástica interactúan con la materia ganando o perdiendo energía en forma de fonones. La porción de fotones con una energía resultante inferior a la del haz incidente constituye la radiación Stokes, mientras que los fotones que ganan energía forman parte de la radiación Anti-Stokes. Las posibles transiciones de dispersión elástica e inelástica se ilustran en la parte superior de la Fig. 1.1. Ambas transiciones, Stokes y Anti-Stokes, tienen diferentes probabilidades. Esta última es bastante bruta, pero la señal puede mejorarse mediante excitación coherente.

De hecho, es el desplazamiento de frecuencia (expresado en números de onda, generalmente en unidades de cm^-1) lo que se mide en espectroscopia Raman, y su valor es independiente de la longitud de onda de excitación λ_in. Sin embargo, en la práctica hay varios factores que hacen que una u otra longitud de onda de excitación sea más o menos adecuada, entre ellos la propia muestra.

En principio, pueden analizarse las radiaciones Stokes y Anti-Stokes para medir el desplazamiento Raman. Sin embargo, Stokes muestra intrínsecamente una mayor intensidad, ya que la población térmica relativa de los niveles de energía viene definida por el factor de Boltzmann:

Figura 1.1: Ilustración del desplazamiento de energía que sufren los fotones dispersados inelásticamente cuando el fotón incidente excita el material (se absorbe un fonón) o lo desexcita (se libera un fonón). [1]

En la ecuación 1.1 n_i representa la población de un Estado concreto i, k_B es la constante de Boltzmann, h es la constante de Plank y junto con la frecuencia del fotón V_i = ^c_vac/λ_en da la energía de ese estado. La última variable que falta es Tla temperatura en grados Kelvin. Debido a la eficiencia cuántica intrínsecamente baja de esta interacción (1 en 10⁶ - 10⁸ eventos), es obligatoria una fuente de luz de alta luminosidad. Luminosidad H puede expresarse mediante:

 

Aquí P_las denota la potencia del láser y M_o² describen la calidad del haz en los ejes x e y, respectivamente. Las secciones transversales para la dispersión Raman alcanzan desde 10^-31cm^-2 -10^-25cm^-2que sigue siendo cinco órdenes de magnitud inferior a la dispersión Rayleigh [3]. Es fácil comprender entonces por qué, aunque el efecto Raman se observó por primera vez en 1928 [4, 5], el desarrollo de la espectroscopia Raman no fue posible de forma fiable hasta los años 60, cuando aparecieron los primeros láseres. Además, la intensidad de la luz Raman dispersada I_scat es proporcional a la intensidad del haz incidente I₀ y a la cuarta potencia de su longitud de onda λ_en [6]:

 

 

Figura 1.2: Relación entre los tres elementos principales que intervienen en la Espectroscopia Raman. El analito y la fuente láser están estrechamente interrelacionados. Además, el detector es principalmente una consecuencia de la longitud de onda, aunque el rango del detector desempeña un papel importante en la elección de la longitud de onda. El detector y el analito no se condicionan mutuamente de forma directa.

 

Así que, en principio, las longitudes de onda más bajas deberían ser la mejor opción. Sin embargo, las cosas nunca son tan fáciles, así que vamos a considerar esta idea con más detalle en los párrafos siguientes. Es importante tener en cuenta los tres elementos principales que intervienen en la Espectroscopia Raman:

- El analito

- La fuente láser

- El detector

La relación y la influencia mutua de estos tres elementos se ilustran en la Fig. 1.2.1.1 El analito La espectroscopia Raman es una técnica de caracterización de materiales que utiliza la interacción entre la luz láser y la estructura de niveles de energía rotacional-vibracional de los compuestos moleculares, como forma de proporcionar huellas dactilares de los mismos. Por tanto, la espectroscopia Raman representa esencialmente una herramienta para identificar determinados materiales y algunos aspectos relevantes de su estructura molecular y reticular, aunque también puede utilizarse para su cuantificación. Un buen ejemplo de la aplicación de la espectroscopia Raman es la identificación de materiales sólidos de carbono, que muestran características espectroscópicas distintivas en la dispersión Raman dependiendo de si los átomos están dispuestos formando diamante, grafito, carbono amorfo o incluso fullerenos, nanotubos de carbono o grafeno. El material objeto de caracterización puede estar en estado sólido, líquido o gaseoso, aunque, por razones obvias, las muestras gaseosas no se detectan fácilmente con las técnicas convencionales. Sin embargo, existen varias técnicas basadas en Raman que son capaces de obtener una respuesta de dispersión mejorada cuando se aplican estrategias complementarias. Es el caso de la espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS), en la que la muestra se coloca sobre un novedoso sustrato recubierto de metal (como plata u oro). De este modo, la señal detectada puede amplificarse en varios órdenes de magnitud, permitiendo incluso la detección de una sola molécula si la capa metálica es nanoestructurada [3, 6, 8]. Otra técnica bien establecida consiste en irradiar la muestra a una longitud de onda cercana a una de sus transiciones electrónicas, lo que provoca una verdadera absorción de fotones (en la dispersión Raman el fotón incidente no es realmente absorbido por la muestra) y una subsiguiente respuesta Raman altamente potenciada. Esto se denomina Espectroscopía Raman de Resonancia (RR) [6, 7]. También merece la pena mencionar la Espectroscopía Raman Coherente Anti-Stokes (CARS), que se basa en susceptibilidades de tercer orden. Para obtener una señal significativa, se requieren altas intensidades de láser para asegurar una absorción de dos fotones. En la literatura se pueden encontrar algunas técnicas más de mejora de la señal como -entre otras- la Espectroscopia Raman Stokes Coherente (CSRS), la Espectroscopia Raman Fotoacústica (PARS) o la Espectroscopia Raman de Ganancia Estimulada (SRGS) [9].

1.2 La fuente láser

Como se ha explicado anteriormente, debido a la baja eficiencia cuántica de la dispersión Raman, existen dos condiciones para que una fuente de luz adecuada promueva fotones Raman dispersos observables. Una es una luminosidad elevada H (véase la Ec. 1.2) -por lo que el láser es obviamente la mejor opción-, y la otra es una longitud de onda lo más baja posible (véase la Ec. 1.3). Los láseres UV y visibles en la región NUV-azul-verde son una buena opción para los compuestos inorgánicos [7]. Pero cuando se trata de materia orgánica y muestras biológicas, muchos compuestos muestran una fuerte fluorescencia en la región visible cuando se irradian con estas longitudes de onda. Por lo tanto, la señal Raman puede quedar fácilmente "enterrada" bajo un fondo de emisión fluorescente intenso y amplio (y ruido). Una forma rápida de evitarlo es desplazar la longitud de onda incidente elegida fuera de la región visible y NUV hacia la MUV o la NIR, pero entonces debemos considerar otros aspectos como la influencia del detector. Normalmente, el rango de desplazamiento Raman que va de 100 cm^-1 hasta 4000 cm^-1 cubre casi todo el conjunto de especies Raman activas [7, 9]. Sin embargo, cuando traducimos este rango a nanómetros, el rango observable resulta ser sólo una ventana espectral de 26 nm de ancho si λ_en = 248 nm, lo que supone un gran reto desde el punto de vista de la resolución de la rejilla y del detector (los detectores de silicio mejorados para UV son una solución, pero la sensibilidad sigue siendo baja). En el otro extremo, si λ_en = 1064 nm, la ventana de observación es de unos 700 nm, lo que significa que son necesarios detectores de germanio o InGaAs. La relación entre la longitud de onda de excitación y la anchura del espectro Raman es

 

 

Figura 1.3: Líneas láser de excitación Raman populares y su correspondiente ventana de observación espectral para la dispersión Raman (radiación Stokes). La longitud horizontal de los rectángulos laterales representa el rango espectral en nanómetros correspondiente a un desplazamiento Raman que va desde 100 cm^-1 a 4000 cm^-1mientras que la altura ilustra la intensidad de dispersión relativa en función de la longitud de onda de excitación (obsérvese que el eje vertical izquierdo está en escala logarítmica). Además, se superponen las respuestas espectrales relativas de las tecnologías de detección tradicionales para ilustrar el vínculo entre la fuente láser y el detector.

que se muestra en la Fig. 1.3. Además, las longitudes de onda MUV pueden inducir cambios no deseados en muchas muestras (ionización, polimerización o transiciones de ruptura de enlaces) [6].

1.3 El detector

Las cámaras CCD con detectores basados en Si muestran una excelente sensibilidad, especialmente en la región roja-NIR, por lo que la combinación óptima parece ser una fuente láser en el rango de 400 - 550 nm con una cámara CCD normal a temperatura ambiente. Pero teniendo en cuenta la fluorescencia, el uso de láseres MUV presenta dos inconvenientes principales: todavía no hay opciones baratas y ampliamente disponibles en la industria del láser por debajo de 300 nm, y la sensibilidad de las cámaras CCD en el NUV-violeta no es tan buena. Si decidimos avanzar hacia los láseres NIR, la radiación Raman dispersa mostrará una intensidad cada vez menor a medida que aumente la longitud de onda de irradiación. Además, los detectores basados en Si ya no son una buena opción cuando la luz Raman dispersada es superior a 1 micra, por lo que en su lugar deben utilizarse otro tipo de detectores (como los basados en InGaAs). En definitiva, se trata de encontrar la mejor solución de compromiso. En este sentido, la progresiva adopción de la espectroscopia Raman por parte de la industria ha convergido hacia la "feliz" combinación de 785 nm más cámaras CCD, siendo hoy en día el patrón oro. Esto ha permitido, por ejemplo, la creación de asequibles espectrómetros Raman portátiles o incluso de mano, que contrastan con los antiguos, voluminosos y caros equipos de laboratorio de los años 80. Los láseres de 785 nm pueden basarse en diodos (muy eficientes, compactos, con excelentes características de emisión, baratos y ampliamente disponibles), mientras que la fotosensibilidad del silicio se mantiene dentro de niveles aceptables (desplazamientos Raman superiores a 3000 cm^-1 siguen siendo detectables en estas condiciones) y la fluorescencia se supera en muchos casos. No obstante, muchos casos siguen requiriendo longitudes de onda y detectores diferentes.

Las cámaras CCD con detectores basados en Si muestran una excelente sensibilidad, especialmente en la región roja-NIR, por lo que la combinación óptima parece ser una fuente láser en el rango de 400 - 550 nm con una cámara CCD normal a temperatura ambiente. Pero teniendo en cuenta la fluorescencia, el uso de láseres MUV presenta dos inconvenientes principales: todavía no hay opciones baratas y ampliamente disponibles en la industria del láser por debajo de 300 nm, y la sensibilidad de las cámaras CCD en el NUV-violeta no es tan buena. Si decidimos avanzar hacia los láseres NIR, la radiación Raman dispersa mostrará una intensidad cada vez menor a medida que aumente la longitud de onda de irradiación. Además, los detectores basados en Si ya no son una buena opción cuando la luz Raman dispersada es superior a 1 micra, por lo que en su lugar deben utilizarse otro tipo de detectores (como los basados en InGaAs). En definitiva, se trata de encontrar la mejor solución de compromiso. En este sentido, la progresiva adopción de la espectroscopia Raman por parte de la industria ha convergido hacia la "feliz" combinación de 785 nm más cámaras CCD, siendo hoy en día el patrón oro. Esto ha permitido, por ejemplo, la creación de asequibles espectrómetros Raman portátiles o incluso de mano, que contrastan con los antiguos, voluminosos y caros equipos de laboratorio de los años 80. Los láseres de 785 nm pueden basarse en diodos (muy eficientes, compactos, con excelentes características de emisión, baratos y ampliamente disponibles), mientras que la fotosensibilidad del silicio se mantiene dentro de niveles aceptables (desplazamientos Raman superiores a 3000 cm^-1 siguen siendo detectables en estas condiciones) y la fluorescencia se supera en muchos casos. No obstante, muchos casos siguen requiriendo longitudes de onda y detectores diferentes.

1.4 Figuras de mérito de los láseres relativos a la espectroscopia Raman

Aparte de la longitud de onda de la fuente láser, hay otras cifras importantes a tener en cuenta desde la perspectiva conjunta del fabricante del láser y el integrador del equipo Raman, que se enumeran a continuación:

- Calidad del haz: Para las muestras en las que se analiza la composición o la distribución espacial de la estructura, TEM₀₀ maximizan la resolución espacial.

- Polarización: El rayo láser debe estar polarizado linealmente en ciertas ramas de la Espectroscopía Raman donde se investiga el grado de polarización de las moléculas.

- Ancho de línea espectral: se requiere alrededor de 10pm o menos para garantizar una resolución aceptable de los espectros Raman (la menor diferencia en cm^-1 entre las características Raman que pueden resolverse)

- Pureza espectral: Los modos laterales relativos a la longitud de onda de excitación deben suprimirse, por lo que el pico principal debe prevalecer sobre ellos a un nivel > 60dB. Este nivel de pureza suele ser aceptable a 1 - 2nm alrededor del pico principal, aunque esta distancia se reduce a medida que el desplazamiento Raman se adentra en los sub - 100 cm.^-1 nivel.

- Estabilidad de frecuencia: Dado que el tiempo de adquisición suele ser del orden de segundos o decenas de segundos, es importante mantener la longitud de onda de excitación lo suficientemente quieta (< 10pm de deriva con el tiempo y la temperatura de funcionamiento).

- Estabilidad de la potencia de salida: El rango típico de potencia va de 10 a 1000mW, dependiendo del analito y de la longitud de onda de excitación como se ha mencionado anteriormente. La estabilidad de la potencia es importante principalmente a efectos de cuantificación y está vinculada al tiempo de integración necesario para obtener un espectro.

- Aislamiento contra la retrodispersión óptica: En el caso particular de las configuraciones de microscopía confocal (haces de excitación y retrodispersión sobreacoplados), incluso una pequeña porción de luz retrodispersada en la fuente láser puede causar inestabilidades de potencia o incluso la degradación del láser. Es necesario utilizar aisladores ópticos.

1.5 Aplicaciones candentes de la Espectroscopia Raman

La espectroscopia Raman está ganando presencia en la biociencia dada su naturaleza no invasiva. Los láseres para espectroscopia Raman pueden abarcar muchas longitudes de onda, pero normalmente se encuentran en la parte UV-VIS-NIR del espectro electromagnético. Además, la identificación a distancia de explosivos puede llevarse a cabo con láseres Q-Switched utilizando láseres de estado sólido bombeados por diodos con longitudes de onda de 2ª, 3ª o 4ª generación armónica. La espectroscopia Raman puede encontrarse, por ejemplo, en:

- Arte y arqueología

- Biociencia y diagnóstico médico

- Polímeros y procesos químicos

- Industria solar y de semiconductores

- Geología y mineralogía

- Industria farmacéutica

- Ciencias medioambientales

- Microscopía Raman

- Análisis forense

- Enseñanza de Gemología

- Control de calidad e investigación general

1.5.1 Profundizar en la seguridad alimentaria

Basándose en técnicas de mejora de la señal como el SERS es posible diseñar sistemas de monitorización en línea para la seguridad alimentaria y el control de la calidad de los alimentos. En las últimas décadas, dado que la industria alimentaria está cada vez más orientada al beneficio y la globalización del mercado avanza, los consumidores están cada vez más preocupados por la calidad de los alimentos producidos en masa [10]. Estas preocupaciones se basan en pruebas reales que demuestran la relación entre los alimentos nocivos y las enfermedades. Algunas de ellas han sido analizadas y nombradas por [12, 13]. La relación entre la salud y la calidad de los alimentos funciona en ambas direcciones: los alimentos nocivos pueden causar enfermedades y los alimentos sanos pueden mejorar la fortaleza física y mental [10, 11]. Estos ejemplos pueden servir de motivación para garantizar productos alimentarios de alta calidad. Gracias a la espectroscopia Raman (especialmente el método SERS) y a otros métodos espectroscópicos, se puede implantar fácilmente un control de calidad fiable en el proceso de producción. En [14, 16] se ofrece una visión general de la seguridad alimentaria y el control de calidad, y en [15] se describe, por ejemplo, cómo detectar pesticidas en la superficie de la fruta.

 

 

Figura 2.1: Imagen de la versión de fibra acoplada del paquete de la serie S. También disponible en versión de espacio libre. Monocrom ofrece una amplia variedad de combinaciones de longitud de onda y potencia de salida.

2. PRODUCTOS MONOCROM QUE SIRVEN PARA APLICACIONES DE ESPECTROSCOPIA RAMAN

2.1 Láser de diodo de baja potencia y frecuencia única

Nuestra serie S (representada en la Fig. 2.1) es ideal para las configuraciones de espectroscopia Raman más comunes. Está disponible con salida de espacio libre o de fibra SM. Monocrom ofrece un amplio espectro de combinaciones de longitud de onda y potencia de salida. Las versiones de frecuencia única están disponibles con un ancho de línea tan bajo como unas pocas decenas de MHz y una alta relación de supresión de modo lateral (SMSR) de típicamente 50 dB. Por otro lado, las capacidades de acoplamiento de fibra SM proporcionan una calidad de haz excelente, que es obligatoria para un alto brillo. H (véase la Ecuación 1.2) y una alta resolución espacial. Esto último es importante en las aplicaciones de microscopía Raman. Además, abre la posibilidad de utilizar fibras PM para espectroscopia Raman dependiente de la polarización. Dado que la mayoría de las aplicaciones de espectroscopia Raman necesitan una potencia de salida estable P_las y una longitud de onda estable  λ_en durante el tiempo de integración necesario para adquirir un espectro completo, la serie S se suministra con un refrigerador termoeléctrico (TEC). El tamaño del paquete estándar es de 100×100 mm.² pero se pueden fabricar otros envases bajo pedido.

2.2 Láser de estado sólido de alta energía con/sin conversión de frecuencia

Nuestro láser de estado sólido bombeado por diodos de alta energía (HESSL), que puede verse en la Fig. 2.2, abre la posibilidad de entrar en todas las aplicaciones de espectroscopia Raman coherente, así como en la espectroscopia Raman remota. El ancho de línea ( λ_en < 0,1 nm) de la longitud de onda fundamental ( λ_en = 1064nm) se transforma en < 1,77 cm^-1- suficientemente estrecho para la mayoría de los requisitos. El sistema láser está disponible en velocidades de repetición de 1 < V_{representante} < 500 Hz alcanzando hasta E_pulso = 1 J. Debido a la alta potencia de salida disponible, el láser es adecuado para la espectroscopia Raman remota. Nuestro láser de estado sólido de alta energía proporciona una alta potencia (< 2%@8 h) así como estabilidad pulso a pulso (< 1%rms). Dependiendo de la aplicación deseada, la anchura del pulso puede elegirse entre 4 ns < τ_pulso < 25 ns. Hay que tener en cuenta que τ_pulso influye E_pulso y viceversa. Gracias a la elevada energía de impulso fundamental, la conversión de frecuencia al 2º, 3º o 4º armónico es posible fácilmente con una elevada E_pulsodaño. El tamaño del sistema láser es de 900 × 500 mm.² y puede adaptarse a las necesidades del cliente.

 

 

 

Figura 2.2: Imagen de los láseres de estado sólido de alta energía

Referencias

[1] J. Heath, N. Taylor: "Raman Microscopy", John Wiley & Sons Ltd, 2017.

[2] E Smith, G. Dent: "Modern Raman Spectroscopy - A practical Approach", John Wiley & Sons Ltd, 2005

[3] X. Liu: "Organic Semiconductor Lasers and Tailored Nanostructures for Raman Spectroscopy", Disertación, Instituto de Tecnología de Karlsruher, 2015.

[4] C. Raman, K. Krishnan: "Un nuevo tipo de radiación secundaria", Nature, Vol. 121, 501-502, 1928

[5] G. Landberg, L. Mandelstam: "Eine neue Erscheinung bei der Lichtzerstreuung in Kristallen", Naturwissenschaften, Vol. 16, 557-558, 1928

[6] P. Vandenabeele: "Practical Raman Spectroscopy", John Wiley & Sons Ltd, 2013.

[7] E. Smith y G. Dent: "Modern Raman spectroscopy: a practical approach", John Wiley & Sons Ltd, 2005.

[8] K. Kneipp: "Surface-enhanced Raman scattering", Physics Today, Vol. 60, 40-46, 2007

[9] P. J. Larkin: "IR and Raman Spectroscopy - Principles and Spectral Interpretation", Elsevier, 2011.

[10] Z. You: "Application of Infrared Raman Spectroscopy in Analysis of Food Agricultural Products", AIDIC Servizi S.r.l., Chemical Engineering Transactions, Vol. 59, 763-768, 2017 [11] J. Depciuch et al.: "Aplicación de la espectroscopia Raman y la espectroscopia infrarroja en la identificación del cáncer de mama", Applied Spectroscopy, Vol. 70(2), 251-263, 2016.

[12] A. A. Kadik y otros: "Application of IR and Raman spectroscopy for the determination of the role of oxygen fugacity in the formation of n-Ñ-Î-Í molecules and complexes in the iron-bearing silicate melts at high pressures", Geochemistry International, Vol. 54(13), 1175-1186, 2016.

[13] J. Yu et al: "Recent applications of infrared and Raman spectroscopy in art forensics: a brief overview", Applied Spectroscopy Reviews, Vol. 50(2), 152-157, 2015.

[14] Z. Zhang: "Raman Spectroscopic Sensing in Food Safety and Quality Analysis", Universidad de Nebraska-Lincoln, 2017.

[15] J. Chen, D. Dong, S. Ye: "Detección de la distribución de residuos de plaguicidas en superficies de frutas utilizando imágenes de espectroscopia Raman mejorada en superficie", The Royal Society of Chemistry, Vol. 8, 4726-4730, 2018.

[16] Y. S. Li, J. S. Church: "Raman spectroscopy in the analysis of food and pharmaceutical nanomaterials", Elsevier, Journal of food and drug analyzes, Vol. 22, 29-48, 2014.