Biologia, Eletrônica, Luz, Materiais, Mecânica quântica

O que é espectroscopia Raman?

O assunto de hoje é a espectroscopia Raman. Uma técnica muito utilizada na física, química e biologia para analisar a estrutura molecular dos materiais.

O princípio físico por trás da espectroscopia Raman

Quando uma luz monocromática interage com uma molécula, os fótons (partículas elementares da luz) são dispersos. A maioria dos fótons dispersos têm o mesmo comprimento de onda \lambda da luz incidente, é o chamado espalhamento de Rayleigh, ou elástico. Uma minoria dos fótons é espalhada em comprimentos de onda diferentes, este fenômeno é chamado de espalhamento (Scattering) ou desvio Raman.

dispersão Raman
Aproximadamente, 1 a cada 10 milhões de fótons é emitido com uma frequência diferente da luz incidente sobre a molécula. Fonte: Edinburgh Instruments.

Como as moléculas dispersam a luz? Quando um elétron interage com um fóton incidente, o elétron ganha energia e passa para um estado virtual de maior energia. Este estado virtual é instável, um fóton é emitido e o elétron volta para o estado energético anterior. Esta é a dispersão Rayleigh. Uma minoria dos elétrons não volta ao nível anterior ao emitir um fóton, ficam em um estado de vibração. Se a luz na saída tiver uma frequência menor, o desvio é chamado de Stokes. Se a frequência for maior, o desvio é anti-Stokes.

níveis de energia da dispersão Raman
A) níveis de energia da dispersão Raman. Stokes fica em um nível maior que o anterior e o anti-Stokes em um nível menor. B) saltos de energia vistos por um analisador de espectro. Fonte: (Vlasov et al., 2020).

A energia absorvida e emitida E pelo elétron segue a seguinte equação:

E=h\cdot \nu

Onde \nu é a frequência em Hz e h é a constante de Plack, cujo valor é 6,6261\cdot 10^{-34}J\cdot s.

fórmula do desvio Raman.
Esta figura mostra a fórmula do desvio Raman (Raman Shift), para ambos os lados. Fonte: Edinburgh Instruments.

O microscópio Raman

microscópio Raman
Fonte: UCAP.

É o instrumento usado para identificar o material. Todo microscópio Raman possui um laser de estado sólido de alta intensidade (Excitation Light), geralmente, os comprimentos de onda dos lasers são de 532, 785 e 1064 nm. Esta luz passa por uma lente objetiva (Objective Lens) antes de chegar na amostra (Sample).

espectroscopia Raman
Fonte: Mr. Barry.

O feixe monocromático é espalhado pela amostra, a luz com dispersão elástica (Elastic Scattered Light) é filtrada (Notch Filter), enquanto a luz com espalhamento inelástico é difratada (Grating). Uma matriz de sensores CCD detecta e amplifica a luz, transmitindo o sinal para ser analisado por um software em um computador.

Polarizabilidade

Cada molécula tem um desvio Raman diferente, como uma assinatura. A dispersão depende da polarizabilidade, que é a medida da distorção da nuvem de elétrons da molécula na presença de um campo elétrico.

fóton
O fóton possui campos elétrico e magnético que variam em uma frequência.

Desvantagens e limitações

  • Não pode ser usada em metais ou ligas.
  • O desvio Raman é fraco, portanto tem baixa sensibilidade. Pode ser corrigido com algumas técnicas.
  • Não pode ser usada em materiais fluorescentes, pois interferem na luz detectada. 
  • Amostras que absorvem muita luz aumentam a temperatura, podendo causar mudanças na estrutura molecular e entrar em combustão.

Existe um outro método de espectroscopia chamado FTIR, mas será assunto para um outro post.

Algumas aplicações práticas

espectrômetro portátil
Um espectrômetro Raman portátil pode detectar medicamentos falsificados ou analisar líquidos sem abrir o recipiente. Fonte: UCAP.
espectro das reações
Monitoramento de reações químicas. Fonte: Anton Paar.
explosivos
Detectar explosivos e substâncias perigosas. Estas são assinaturas Raman de alguns explosivos. Fonte: News Medical Life Sciences.
sherloc
Analisar o solo de outros planetas para investigar se há, ou houve, vida. Fonte: Astrowatch.
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