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Lo que la espectroscopia Raman puede ofrecerle

La espectroscopia Raman muestra los modos de vibración en una molécula o cristal. Es posible utilizar espectros Raman para caracterización química o estructural.

Puede interpretar los espectros Raman para identificar sustancias químicas y obtener información estructural. Resultados de dispersión Raman de la interacción de la luz con vibraciones moleculares. Estas vibraciones son muy sensibles a los cambios químicos y estructurales, de manera que pueden detectarse sutiles diferencias en el entorno molecular. Generalmente, todos los materiales producen espectros Raman, a excepción de los metales puros.

¿Qué es un espectro Raman?

Los resultados de la medición de espectroscopia Raman se muestran gráficamente como espectros Raman. El eje y representa la intensidad de la luz dispersada, y el eje x, representa su energía (frecuencia). Nos interesa la desviación de la frecuencia de la luz dispersada Raman, por lo que se dibujan las frecuencias del eje x relativas a las del láser. Se etiqueta el eje x de la desviación Raman (mostrada por unidades cm-1).

¿Qué información se puede obtener de la espectroscopia Raman?

En resumen, usamos las funciones del espectro Raman de la forma siguiente:

  • Los desplazamientos Raman y las intensidades relativas de todas las bandas Raman de la muestra
    Podemos identificar la muestra mediante la huella digital espectral.
  • Los cambios de los espectros Raman cuando cambia la orientación o la polarización
    Las intensidades y posiciones de las bandas Raman pueden cambiar con la orientación relativa de la muestra. Para mostrarlo, se gira la polarización o la excitación del láser y la luz Raman obtenida. Mediante la espectroscopia Raman polarizada, puede revelar la simetría y la orientación de materiales anisotrópicos.
  • Cambios de banda individuales
    Una banda Raman puede desplazarse (posición), estrecharse o ensancharse (anchura) o variar su intensidad (altura). Estos cambios pueden revelar información sobre tensiones presentes en la muestra, variaciones en su cristalinidad y en la cantidad de material.
  • Variaciones de los espectros en distintas posiciones de la muestra
    Estas pueden revelar falta de uniformidad (heterogeneidad) del material. Se pueden analizar varios puntos arbitrarios o medir sistemáticamente una serie de ellos (lo que permite generar imágenes Raman de la composición de las muestras, las tensiones, su cristalinidad, etc.)

Un espectro Raman, por tanto, está formado por una serie de bandas, cada una de ellas asociada con un modo de vibración. El espectro es único para cada material y permite identificarlo. Determinadas investigaciones tratan de entender totalmente cada banda Raman y su relación con los modos de vibración. No obstante, la mayoría de los analistas se limitan a identificar las muestras en una biblioteca espectral.

Principales características de un espectro Raman

Principales características de un espectro Raman

Interpretación de un espectro Raman

Una forma de entender un espectro Raman es tratar los grupos funcionales moleculares como unidades diferenciadas. Es fácil comprender el espectro Raman de cristales con una disposición regular de átomos idénticos, todos en la misma configuración. Por ejemplo, los átomos de carbono en el diamante en una red tetraédrica regular. En estos casos, a menudo se ve sólo una banda Raman dominante porque sólo hay un entorno molecular del cristal.

Por el contrario, el espectro Raman del poliestireno es más complejo. La molécula es menos simétrica y tiene átomos de hidrógeno además de átomos de carbono. Además, hay diferentes tipos de enlaces conectando los átomos.

Espectros Raman de diamante y poliestireno


Espectros Raman de diamante y poliestireno El espectro Raman de poliestireno es más complejo que el de diamante, debido a distintos tipos de enlaces.

Frecuencias de vibración características de enlaces químicos
Las frecuencias de vibración dependen de las masas de los átomos involucrados y de la fuerza de los enlaces entre ellos. Los átomos pesados y los enlaces débiles presentan bajos desplazamientos Raman. Los átomos ligeros y los enlaces fuertes presentan altos desplazamientos Raman.

En el espectro del poliestireno, se observan vibraciones de alta frecuencia de carbono-hidrógeno (C–H), alrededor de los 3000 cm-1. Las vibraciones de baja frecuencia del enlace carbono-carbono (C–C) están alrededor de los 800 cm-1. Las vibraciones del enlace C–H tienen una frecuencia más alta que las vibraciones del C–C, porque el hidrógeno es más ligero que el carbono.

Del mismo modo, se observan vibraciones de dos átomos de carbono unidos por fuertes enlaces dobles (C=C) en torno a los 1600 cm-1. Esto se produce a una frecuencia mayor que para dos átomos de carbono unidos por un enlace simple más débil (C–C, 800 cm-1).

Puede utilizar estas reglas simples para explicar muchas de las características de los espectros Raman.

Los desplazamientos Raman son sensibles a enlaces cercanos
Pueden observarse efectos más sutiles si se inspeccionan los espectros Raman más de cerca Por ejemplo, las vibraciones del enlace C–H del poliestireno aparecen en dos bandas, aproximadamente a 2900 cm-1y 3050 cm-1. Los átomos de carbono en la primera banda forman cadenas de carbono alifático, mientras que los átomos de carbono en la segunda banda forman anillos de carbono aromáticos.

Se puede considerar que las vibraciones de una molécula compleja son consecuencia, en parte, de muchas vibraciones diatómicas simples. No obstante, debe tener en cuenta las vibraciones de los grupos más grandes de átomos para entender completamente el espectro Raman. Por ejemplo, el espectro Raman de poliestireno tiene una banda de 1000 cm-1. Esto es debido al "modo respiratorio" de expansión y contracción del anillo de carbono aromático del poliestireno.

Bandas Raman de baja frecuencia
También puede estudiar los modos de vibración y rotación molecular con desplazamientos Raman de baja frecuencia, menos de 100 cm-1. Estos se originan a partir de átomos muy pesados o de vibraciones a gran escala, como la vibración de toda la red cristalina. Los instrumentos Raman de Renishaw permiten estudiar estos modos. Puede estudiar estos modos y explorar una amplia gama de materiales y cristales, y distinguir entre diferentes formas cristalinas (polimorfos) y estructuras de capas.

¿Cómo puede identificar materiales la espectroscopia Raman?

Podemos identificar materiales desconocidos a partir de sus huellas espectrales únicas Raman, normalmente, mediante búsquedas de bibliotecas en el software. Las bandas Raman se utilizan en la región de huella (de 300 cm-1a 1900 cm-1) para identificar moléculas.

Lo ideal sería utilizar un instrumento Raman con alta resolución espectral en todo el rango Raman. Esto le da una mejor especificidad química. Esto le permite, por tanto, identificar, diferenciar e investigar una más amplia gama de materiales.

Espectros Raman mostrando algunas de las especies presentes dentro de un comprimido para la disfunción eréctil presuntamente falsificado.
Espectros Raman mostrando algunas de las especies químicas presentes de un comprimido para presuntamente falsificado. Identificamos el espectro rojo como CaSO4 en una búsqueda en la biblioteca de materiales y minerales inorgánicos de Renishaw.
 

Explicación de la espectroscopia Raman

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Más información sobre cristalinidad y polimorfismo con espectroscopia Raman

Puede comparar los espectros Raman para estudiar las diferencias de la estructura de materiales. Puede cuantificar el grado de cristalinidad y distinguir formas de cristal similares (polimorfismo) de la misma sustancia química. Para ello, necesita un espectrómetro Raman con alta resolución espectral, como el microscopio Raman confocal inVia™

Espectros Raman de dos muestras de polietileno que presentan una diferencia en su cristalinidad

Espectros Raman de dos muestras de polietileno que muestran diferencias de intensidad en anchos de banda. Estas diferencias espectrales se deben a los niveles de variación de cristalinidad.


Espectros de tres politipos diferentes de SiC

Diagrama de células antiguas de politipos importantes de carburo de silicio (SiC).


Izquierda: Espectros de tres polimorfos distintos de carburo de silicio (SiC), un material semiconductor importante.

Derecha: Estructura de cristal de polimorfos de SiC: 4H-SiC; 6H-SiC y 15R-SiC.

La espectroscopia Raman puede distinguir fácilmente entre los polimorfos 4H, 6H y 15R de SiC. La fabricación controlada de polimorfos de SiC es importante para aplicaciones de semiconductores industriales.

¿Qué es la espectroscopia Raman?

Continúe la exploración de espectroscopia Raman y fotoluminiscencia (PL). Respondemos a sus preguntas sobre microscopia Raman, imágenes rápidas Raman, análisis de datos, y técnicas de análisis de fluorescencia y complementaria.

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