Nowoczesne metody badawcze

Spektrometria ramanowska

Odkrycie przez hinduskiego uczonego Ch.V.Ramana (o którego życiu piszemy) pewnego szczególnego efektu związanego z rozpraszaniem promieniowania elektromagnetycznego przez molekuły dało podstawę do rozwoju nowej metody analitycznej. Spektrometria ramanowska, bo o niej właśnie mowa, rozwinęła się znacznie później niż inne metody optyczne oparte np. na zjawiskach emisji czy absorpcji promieniowania. Związane to było zarówno z trudnościami w zakresie teoretycznego wytłumaczenia zjawiska jak i możliwościami technologicznymi ograniczającymi budowę odpowiedniej aparatury.


Rys. 1	Rozpraszanie światła padającego na układ molekuł

Warto zatem dokładniej przyjrzeć się, w czym tkwi istota odkrycia hinduskiego fizyka. Zacznijmy od prostego spostrzeżenia, że jeśli zbiór molekuł poddamy działaniu promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości v_o to ulegnie ono na tych molekułach rozproszeniu, a częstotliwość jego będzie nadal wynosić v_o. Sytuacja taka ma miejsce wtedy, gdy molekuły pochłaniają padające promieniowanie i po pewnym bardzo krótkim czasie wracają do swoich podstawowych stanów energetycznych emitując nadmiar zaabsorbowanej uprzednio energii w postaci fotonów. Sedno zjawiska rozproszenia tkwi w fakcie, że wiązka promieniowania pada na rozpatrywany układ molekuł z jednego określonego kierunku, natomiast emisja fotonów może nastąpić w dowolnym kierunku przestrzeni (rys). Ten rodzaj rozproszenia, w którym (mierzona w s^-1) częstotliwość v_o promieniowania padającego jest równa częstości promieniowania rozproszonego nazywamy rozproszeniem Rayleigha. Nie ulega przy tym zmianie również energia promieniowania, gdyż E=hv (h - stała Plancka, 6,63*10^-34 Js) ani tez częstotliwość promieniowania (wyrażona zwyczajowo w cm^-1), bo v=v/c (c - prędkość światła) lub długość jego fali lambda=1/v=c/v

Opierając się tylko na zjawisku rozpraszania Rayleigha nie można jednak stworzyć metody, która umożliwiałaby analizę jakościową poszczególnych substancji, gdyż niezależnie od rodzaju molekuł zawsze otrzymamy ten sam efekt końcowy w postaci rozpraszania światła bez zmiany częstości. Zastosowanie analityczne zjawiska rozpraszania umożliwiło dopiero odkrycie Ramana, który doświadczalnie wykazał, zgodnie z wcześniejszymi przewidywaniami teoretycznymi, że w promieniowaniu rozproszonym obok fotonów o częstotliwościach v_o są również fotony o v_o=-v_x. W trakcie dalszych badań okazało się, że wartość v_x jest ściśle zależna od rodzaju rozpraszających cząsteczek.


Rys. 2.	Poziomy energetyczne cząsteczki i przejścia między nimi następuje w trakcie rozpraszania światła oraz odpowiadające im widmo ramanowskie

Wytłumaczenie tego zjawiska tkwi w budowie cząsteczek, a dokładniej mówiąc ma związek z ich poziomami energetycznymi. Jak już wiemy, jeżeli molekuła po oddziaływaniu z promieniowaniem pozostaje na tym samym poziomie energetycznym mamy do czynienia z rozproszeniem Rayleigha, w którym częstość, częstotliwość, długość fali i energia fotonu padającego pozostaje niezmieniona. Zdarza się jednak, że po oddziaływaniu z promieniowaniem molekuła wzbudza się na wyższy poziom energetyczny (wzbudzenia związane są z drganiami cząsteczki), a rozproszony foton ma energię pomniejszoną o różnicę poziomów energetycznych molekuły. Możliwa, ale znacznie mniej prawdopodobna jest też sytuacja, w której molekuła już przed oddziaływaniem z promieniowaniem znajdowała się na poziomie o podwyższonej energii (w tzw. stanie wzbudzonym) i w wyniku tegoż oddziaływania powróci do poziomu o najniższej energii (do tzw. stanu podstawowego). W takim przypadku rozproszony foton będzie miał energię odpowiednio zwiększoną o różnicę między dwoma wspomnianymi poziomami energetycznymi molekuły. Wszystkim wymienionym różnicom energii odpowiadają różnice częstości fotonów promieniowania rozproszonego. Dlatego pojawienie się w promieniowaniu rozproszonym fotonów o określonej częstości świadczy o występowaniu konkretnych związków, a dokładniej mówiąc konkretnych ugrupowań atomów w obrębie danej cząsteczki.


Rys. 3.	Uproszczony schemat spektrometru ramanowskiego: A) laser He-NE, B) naczynie z badaną substancją, C) układ optyczny, D) detektor, E) rejestrator (komputer)

W tym miejscu, gdy mamy już trochę podstaw teoretycznych, zastanówmy się, jak możemy wykorzystać opisane zjawiska do celów praktycznych. Obecnie służą do tego specjalne przyrządy nazywane spektrometrami ramanowskimi Wyposażone są one w silne źródło promieniowania monochromatycznego (czyli o jednej, stałej długości fali - a zatem i o stałej częstości bo v=1/lambda). Obecnie są to najczęściej lasery helowo-neonowe dające monochromatyczne promieniowanie o długości fali lambda=632,8nm. Obserwacje promieniowania rozproszonego prowadzi się pod kątem prostym do kierunku promieniowania padającego. Ponieważ w praktyce dość trudno byłoby zmierzyć różnice energii, o których była mowa wyżej - za pomocą spektrometrów ramanowskich mierzy się różnice w częstościach pasm ramanowskich. Otrzymuje się w ten sposób tzw. widma ramanowskie będące wykresami zależności natężenia promieniowania rozproszonego od częstości tegoż promieniowania

Każda substancja daje inne, swoiste widmo ramanowskie, zależnie od jej budowy. Widma ramanowskie umożliwiają nie tylko identyfikację poszczególnych substancji ale przede wszystkim dostarczają bardzo wielu cennych informacji o budowie cząsteczek rożnych związków chemicznych.

Piotr Ostrega, UW KCh (2/92)