Princípios de espectroscopia Raman 5

Um dos aspectos mais demorados da microscopia Raman é a identificação de pontos de medição em uma amostra. Isto pode ser realizado facilmente para amostras que necessitam de análises de distribuição 2D e 3D, com medidas de intervalos fixos. No entanto, para amostras posicionadas de maneira aleatória, é necessário que haja uma busca e seleção de pontos de interesse pelo próprio operador.

A função Sample search no Spectra ManagerTM pode ser utilizada para amostras particuladas ou em pó, para automaticamente analisar a imagem do microscópio e identificar a posição baseada em tamanho, contraste e/ou cor do ponto de interesse, definido pelo usuário. É possível que as medições sejam realizadas em tempo real, permitindo rápida aquisição de espectros e análise qualitativa. Esta aplicação é especialmente interessante para avaliação de materiais desconhecidos em wafers de sílica ou filmes, componentes em forma de pó na indústria farmacêutica e microplásticos.

De maneira a garantir a segurança dos lasers, estes são classificados de acordo com especificações de “Padrões de Segurança para produtos com laser”. Classe 1 corresponde a um laser cuja potência é aproximadamente igual a 0,39 mW ou menos e é necessário para o “impedimento de observação contínua de feixe”. A Jasco utiliza um mecanismo de abertura e fechamento automático da câmara de amostra, bem como um mecanismo de trava. Desta maneira, não há possibilidade de contato visual com o laser, em concordância com os requerimentos de segurança classe 1.

Adicionalmente, a possibilidade de trabalho com amostras em uma câmara fechada evita dispersões de luz fluorescente e facilita a detecção de radiações Raman de menor intensidade.

Se a amostra produz um espalhamento Raman intenso o suficiente, pode-se realizar configurações e medições dentro de 1 minuto.

De maneira geral, é não destrutiva. No entanto, se o laser com alta potência for mantido em um ponto fixo, pode-se causar danos à amostra. Geralmente, recomenda-se que se utilize um atenuador de maneira a reduzir a quantidade de irradiação de laser à amostra e aumentar o tempo de exposição possível.

A resolução espacial depende do laser, lente objetiva e tamanho da abertura confocal. O tamanho de demarcação de um feixe de laser a 532 nm segue abaixo:

Lente objetiva x100: Aprox 1 µm

Lente objetiva x50: Aprox 2 µm

Lente objetiva x20: Aprox 5 µm

Mais detalhes podem ser encontrados na definição de resolução espacial, abordada anteriormente.

Microscópios de Raman a laser utilizam óticas confocais. Um pequeno buraco é posicionado conjugadamente ao ponto focal das lentes objetivas de modo a excluir a luz oriunda de outras regiões

Graças ao sistema ótico dos equipamentos de espectroscopia Raman acoplados a microscópio, bem como o sistema de filtro espacial duplo (DSF) e a alta resolução de 1 µm, é possível avaliar com clareza materiais como filmes plásticos com impurezas e outros tipos de materiais incorporados, sem problema algum.

Tudo depende da lente objetiva, como pode ser encontrado na tabela abaixo.

Tabela 2- distância de trabalho de lentes objetivas

Podemos definir três benefícios:

1. Redução de danos à amostra

2. Evitar a fluorescência. A fluorescência emitida por um laser de 532 nm pode ser eliminada empregando um laser de 785 nm (figura 19)

3. Aumento de sensibilidade através do efeito de ressonância Raman. A figura 20 mostra o espectro da gema de um ovo cozido. Neste caso alguns picos são fracamente observados em comprimentos de onda como 532 ou 633 nm, mas podem ser observados com o laser de 785 nm.

Isso pode ser necessário em trabalhos com lasers de 532 nm ou em situações de necessidade de aumento de resolução. Como demonstra a figura abaixo, os espectrofotômetros da Jasco permitem que até quatro grades diferentes sejam montadas e que possam ser facilmente intercambiáveis. Na figura 22, pode-se perceber o excelente desempenho de uma grade de 2400 gr/mm.

A Jasco utiliza o laser verde de 532 nm, considerando fatores como possibilidade dano à amostra, facilidade de operação, qualidade do laser, facilidade de alinhamento e durabilidade.

A Jasco utiliza o laser verde de 532 nm, considerando fatores como possibilidade dano à amostra, facilidade de operação, qualidade do laser, facilidade de alinhamento e durabilidade

Ao se trabalhar com um laser de 1064 nm, um detector InGaAs deve ser utilizado para que luz oriunda do espalhamento Raman seja detectado. A troca automática de lasers, grades e detectores permitem fácil e rápido manuseio do equipamento.

O laser de 1064 nm pode ser empregado para evitar interferência de amostras que apresentam fluorescência em operações com lasers de menor comprimento de ondas como 532, 633 e 785 nm, como demonstra a figura 23.

As configurações de lasers, grades de difração e lentes objetivas são trocados automaticamente através de comandos do software.

Dependendo do alcance programado pelo equipamento, pode-se chegar a dimensões máximas de 75 mm (comprimento) x 50 mm (largura) x 30 mm (altura). Com a remoção do suporte, pode-se aumentar a altura para 80 mm.

Aquecimento e resfriamento de amostras podem ser realizados através do emprego de um suporte de controle de temperatura. A figura 25 apresenta a medição de trealose em temperatura constante de 80 ºC em intervalos de 1 minuto. O perfil do espectro abaixo de 500 cm-1 indica uma transição de fase entre estruturas amorfa e cristalina.

Amostras líquidas podem ser analisadas de dentro de frascos ou capilares. Se o recipiente ou bolsa plástica são transparentes em relação ao comprimento de ondas, há possibilidade de medição.

Como há a possibilidade de observação de espalhamento Raman e fluorescência ao mesmo tempo, recomenda-se a utilização de radiações de baixa intensidade.

É possível que macromedições sejam realizadas com o sistema de medição apresentado na figura 27.

No caso de soluções convencionais, a concentração de detecção padrão é 1%. No entanto, tudo depende da amostra. Se a amostra contém um componente que apresenta espalhamento de ressonância Raman ou alta intensidade a detecção, pode ser realizada com uma concentração de 0,1% ou até menos.

É possível conectar uma sonda ao equipamento, de modo que diversas aplicações como análise de reagentes em equipamentos ou de compostos químicos em garrafas possam ser realizadas.

Mapeamentos de amostras podem ser realizados em comprimidos, superfícies de eletrodos, filmes finos e cristais. Como exemplo, na figura 28 pode-se observar a distribuição de ingredientes farmacêuticos em um comprimido. O Imageamento de estágio automático (QRI), instalado nos NRS-5000/7000 possibilita uma ampla faixa de medições, como a distribuição de ingredientes farmacêuticos ativos em medicamentos.

Para amostras convencionais considera-se 1 µm, porém para grafite e filmes DLC (do inglês diamond-like carbon) com espalhamento Raman de alta intensidade, pode-se trabalhar com espessuras de até 10 nm.

Se a amostra pode ser observada em um microscópio ótico, sim. É importante informar que a qualidade da medição depende de fatores como quantidade de material externo e superfície do material (uniformidade e rugosidade).

Na figura 30 é possível observar um material multicamadas com vidro, material adesivo e um filme transparente. Não é possível realizar corte transversal e qualquer tentativa de retirada de impureza para análises gera separação das outras camadas. Neste caso aplica-se a técnica de Raman com a capacidade de análise em profundidade, de modo a coletar informações adquiridas por camada.

A banda G (de grafite) apresenta número de onda igual a 1580 cm-1 e corresponda a uma vibração “em plano” da estrutura de grafite. A banda D (de desordem), cujo número de onda é de 1350 cm-1 é um sinal que reflete defeitos na estrutura do grafite. A razão entre intensidades de bandas G e D é utilizada para a determinação de cristalinidade de materiais à base de carbono.

Materiais típicos que emitem fluorescência incluem materiais coloridos como poliimida e resina epóxi. Alguns materiais escuros podem apresentar fluorescência e inclusive apresentar dano térmico após a utilização do laser.

Materiais transparentes geralmente apresentam resposta menos intensa em relação à incidência do laser. No entanto, quando misturado com amostras coloridas pode apresentar um sinal maior.

O QRI é um método de imageamento baseado em escaneamento em estágios. O número de pontos depende da área de amostra a ser medida. Por exemplo, um comprimido de 10 mm pode ser analisado com uma excitação de 785 nm e por volta de 32000 pontos em 16 minutos.

Correção automática de fluorescência, correção de sensibilidade e filtro digital podem ser utilizados.

Um exemplo de correção de fluorescência é encontrado na figura 37. Percebe-se que a linha de base “não corrigida” é alta, impossibilitando a leitura correta de amostra.

O uso de filtro digital pode eliminar a possibilidade de interferência de raios cósmicos e outros ruídos.

Ao se utilizar o suporte compartilhado e realizando medições de FTIR e Raman, pode-se facilmente obter-se medições da mesma amostra na mesma posição.

As figuras 38 e 39 apresentam imagens e dados espectrais de um filme multicamadas, empregando FTIR e Raman. No espectro IV, picos de celulose são claramente observáveis. No espectro de Raman, observam-se picos de TiO2.