Sistema Raman DIY

Abstract: in questo post descriviamo la costruzione di un sistema Raman DIY, basato su di un laser DPSS che emette a 532 nm e su di uno spetttrometro di surplus B&W Tek. Per la raccolta della luce diffusa è stata scelta una configurazione a 90°, particolarmente adatta per l’analisi di campioni liquidi. Il sistema è equipaggiato con fibra ottica e filtri sharp-edge per il blocco della radiazione laser di eccitazione. Il sistema è stato utilizzato per l’acquisizione degli spettri Raman di numerose sostanze organiche ed inorganiche.

Introduzione

Nella spettroscopia Raman si utilizza tipicamente una luce laser nel campo visibile, oppure nel vicino infrarosso o nel vicino ultravioletto con lo scopo di eccitare i livelli energetici vibrazionali delle molecole. La radiazione diffusa dalle molecole ha una componente predominante che ha la stessa lunghezza d’onda della radiazione di eccitazione, questa componente è detta diffusione Rayleigh. L’altra componente, di intensità molto più debole rispetto alla prima, ha lunghezza d’onda maggiore perchè parte della energia incidente è stata assorbita dalla molecola ed è servita per eccitare livelli energetici vibrazionali, questa componente è detta diffusione Raman. La Fig. 1 mostra lo schema della interazione. L’intensità della diffusione Raman è molto inferiore alla diffusione Rayleigh: si calcola che solo un fotone su 106 fotoni incidenti subisca scattering Raman: da questo si capisce la difficoltà dello studio di questa radiazione che richiede sorgenti di eccitazione potenti e strumentazione molto sensibile.

Fig 1- Schema dello scattering Rayleigh e Raman (fonte Semrock)

La spettroscopia Raman è quindi una spettroscopia di scattering dove si fa incidere sul campione la radiazione elettromagnetica monocromatica di intensità e frequenza nota e viene misurata la radiazione diffusa tramite rivelatore posto a 90º o 180º rispetto al cammino ottico lungo il campione. La radiazione può essere diffusa in tre modi: Stokes, anti-Stokes e Rayleigh (che corrisponde allo scattering elastico). La radiazione Stokes possiede energia minore rispetto alla radiazione originaria incidente, visto che una parte di tale energia è utilizzata per promuovere una transizione roto-vibrazionale ad un livello energetico superiore. La radiazione anti-Stokes (normalmente di intensità molto più debole) riceve invece un contributo energetico dallo stato eccitato quando la molecola passa a un livello energetico inferiore, per cui è caratterizzata da maggiore energia. La radiazione Rayleigh risulta invece da scattering elastico e possiede la stessa energia e quindi la stessa lunghezza d’onda della radiazione incidente. La Fig. 2 mostra lo schema dei livelli energetici corrispondenti alle diverse transizioni. Si noti che si fa riferimento ad uno “stato eccitato virtuale” della molecola che non corrisponde ad uno stato reale ma solo ad una situazione transitoria corrispondente al momento della interazione del fotone incidente con la molecola.

Fig 2 – Schema dei livelli energetici coinvolti nello scattering

Lo schema base di uno spettrometro Raman con raccolta della luce diffusa a 90° rispetto alla direzione del fascio incidente è mostrato in Fig. 3. L’apparato è composto da un laser di eccitazione, un filtro di eccitazione che permette la trasmissione della sola lunghezza d’onda del laser, ed il campione che viene irradiato. La radiazione diffusa viene raccolta attraverso un filtro “sharp-edge” che può essere del tipo “long pass” oppure “notch-filter” che ha lo scopo di eliminare la radiazione Rayleigh diffusa dal campione (avente lunghezza d’onda pari a quella del laser) e trasmettere le componenti Stokes (ed eventualmente anche la componente anti-Stokes). Infine vi è lo spettrometro per l’analisi della luce diffusa.

Fig 3 – Schema di principio di uno Spettrometro Raman (fonte Horiba)

Per ottenere spettri Raman di buona qualità è importante che il laser di eccitazione abbia una riga di emissione stretta (<1 nm) ed una buona stabilità di funzionamento. La diffusione Raman ha intensità molto bassa, in generale sarà quindi necessario utilizzare laser di eccitazione con elevate potenze di emissione (almeno 50-100 mW) e fare l’acquisizione della diffusione Raman per diversi secondi (noi abbiamo utilizzato tempi di integrazione di 10 secondi). E’ molto importante anche il filtro di blocco per la rimozione della componente Rayleigh e di eventuali riflessioni che potrebbero facilmente coprire il debole segnale Raman. La sensibilità e la risoluzione dello spettrometro devono essere adeguate alla acquisizione di luce a bassa intensità, è importante che il sensore abbia basso rumore e possa essere utilizzato per acquisizione con lunghi tempi di integrazione. Nella immagine di Fig. 4 mostriamo come appare la radiazione di scattering da parte del metanolo, senza filtro e con filtro. Nella immagine ripresa con il filtro si può vedere la traccia di colore arancione dovuta allo scattering Raman, mentre senza filtro risulta completamente coperta dalla diffusione Rayleigh.

Fig 4 – Dimostrazione dello Scattering Raman

Cenni di Teoria

Come ho detto più sopra la diffusione Raman ha luogo quando la luce interagisce con gli atomi delle molecole, facendoli vibrare. Questo fenomeno è simile alla spettroscopia infrarossa, ma segue regole diverse. Per ottenere l’effetto Raman è necessaria una variazione nella polarizzabilità della molecola durante la vibrazione. Data la differenza delle regole di selezione, lo spettro Raman può presentare righe di emissione non permesse nello spettro di assorbimento negli infrarossi e viceversa. Ad esempio, a differenza dell’assorbimento degli infrarossi, la spettroscopia Raman risulta molto utile nello studio degli atomi di carbonio che formano ad esempio la struttura del diamante. I risultati vengono riprodotti graficamente nella forma di spettri Raman. Il grafico mostra l’intensità della luce diffusa (sull’asse Y) in funzione dell’energia (frequenza) di emissione (sull’asse X). Solitamente, la frequenza viene misurata in unità definite numero d’onda (numero di onde per cm, cm-1). La formula che lega la frequenza di vibrazione della molecola alle lunghezze d’onda della radiazione incidente λ0 e della radiazione diffusa λ1 è la seguente:

{\displaystyle \Delta {\tilde {\nu }}({\text{cm}}^{-1})=\left({\frac {1}{\lambda _{0}({\text{nm}})}}-{\frac {1}{\lambda _{1}({\text{nm}})}}\right)\times {\frac {(10^{7}{\text{nm}})}{({\text{cm}})}}.}

Conosciamo λ0 e con lo spettrometro misuriamo λ1 e dalla relazione sopra ricaviamo Δν. Dalla equazione appare evidente, al fine di fare una misurazione precisa, l’importanza di avere una sorgente di eccitazione monocromatica e di disporre di uno spettrometro con elevata risoluzione.

Le vibrazioni molecolari possono essere di due tipi: stiramento del legame chimico (stretching) e deformazione dell’angolo di legame (bending). Lo stiramento consiste in una variazione periodica della distanza interatomica e può essere simmetrico se i due atomi si avvicinano o allontanano contemporaneamente (indicato con νs) o asimmetrico nel caso contrario (indicato con νa). Anche la deformazione può essere simmetrica o asimmetrica e può avvenire lungo il piano su cui giace l’angolo di legame o fuori da tale piano. La deformazione simmetrica nel piano è detta scissoring (apertura e chiusura di una forbice, indicata con δ), mentre quella asimmetrica è chiamata rocking (oscillazione, indicata con ρ); la deformazione asimmetrica fuori dal piano è detta twisting (torsione, indicata con τ) mentre quella simmetrica fuori dal piano è chiamata wagging (agitamento, indicata con la lettera w).

Considerando una molecola lineare formata da N atomi, in base all’orientamento lungo i tre assi cartesiani (x, y, z) sono possibili 3N-5 diversi modi vibrazionali; per una molecola non lineare tali modi sono 3N-6. Questo perché abbiamo 3N gradi di libertà meno 3 di traslazione e 3 di rotazione (quindi 3N-6) per le molecole non lineari e 3 di traslazione e 2 di rotazione (quindi 3N-5) per le molecole lineari. Ad esempio per la molecola dell’acqua H2O siamo in presenza di tre atomi disposti in modo non lineare, i modi saranno quindi 9-6=3. La molecola dell’acqua presenta infatti due modi vibrazionali di stretching del legame O-H, uno simmetrico e l’altro asimmetrico, ed un modo vibrazionale di scissoring del legame H-O-H.

Le frequenze di vibrazione dipendono dalle masse degli atomi e dalla forza dei legami. Atomi pesanti con legami deboli vibrano a frequenze basse e quindi mostrano un piccolo Raman shift. Atomi leggeri con legami forti vibrano a frequenze più elevate e quindi producono un Raman shift più grande. Questo osservazioni intuitive sono dimostrate anche dalla teoria classica dell’oscillatore armonico che permette di calcolare la frequenza di vibrazione con la relazione:

ω = (k/m)½

Dove ω è la pulsazione della vibrazione (ω=2πf), k è la costante che descrive la forza di legame ed m è la massa ridotta del sistema. Legami chimici più forti provocano vibrazioni a frequenze più alte mentre masse maggiori provocano vibrazioni a frequenze più basse.

Lo spettro Raman è unico per uno specifico materiale e quindi la spettroscopia Raman è una tecnica eccellente per l’identificazione dei composti. Uno spettro Raman è costituito da una serie di massimi, ciascuno associato ad una modo vibrazionale. Ogni tipo di legame (ad es. C-H, C-C, C=C) ha modalità uniche di vibrazione, che portano a interazioni specifiche con la radiazione luminosa e quindi producono Raman Shift distinti (vedi Tabella seguente per alcuni esempi). Queste informazioni possono essere utilizzate per identificare le molecole e studiare i legami chimici.

Gruppo Funzionale Banda Vibrazione Intensità
C-C ∼ 600-1300 cm-1 Variabile
C=C ∼ 1600 cm-1 Variabile
C≡C ∼ 2100-2300 cm-1 Variabile
C-H ∼ 2700-3100 cm-1 Forte
O-H ∼ 3200-3400 cm-1 Variabile
C=O ∼ 1700-1750 cm-1 Forte
C≡N ∼ 2200-2300 cm-1 Variabile
N-H ∼ 3300-3500 cm-1 Media

Tab 1 – Alcuni esempi di gruppi funzionali con la relativa banda delle frequenze vibrazionali di stretching

Apparato

Il nostro apparato, mostrato in Fig. 5, è essenzialmente composto da una sorgente laser DPSS a 532 nm (laser verde) di potenza pari a 100 mW, dotata di raffreddamento TEC. Il fascio laser viene diretto verso la finestra d’ingresso del porta campioni (cuvette holder). Sulla finestra di ingresso è posto un filtro passa banda con ampiezza di banda di circa 15 nm centrato su 532 nm al fine di permettere il passaggio del solo fascio di eccitazione a 532 nm. Il campione liquido è inserito in una cuvette di quarzo. La luce diffusa dal campione viene raccolta, in una geometria a 90°, da una lente che la focalizza su di una fibra ottica, la quale la porta allo spettrometro. La luce raccolta dalla fibra viene filtrata con un filtro long-pass di tipo sharp-edge che blocca le lunghezze d’onda inferiori a 540 nm e trasmette quelle superiori. In questo modo si evita di raccogliere la diffusione Rayleigh, che ha la stessa lunghezza d’onda della eccitazione, ed anche eventuali riflessioni spurie che renderebbero più confuso lo spettro acquisito dallo strumento.

Fig 5 – Il nostro Apparato Raman

L’immagine di Fig. 6 mostra il laser che abbiamo utilizzato come sorgente di luce di eccitazione Raman. Si tratta di un laser DPSS che emette a 532 nm. E’ il modello PGL-H-532nm da 100 mW del produttore CNI Laser. Si tratta di una sorgente con buona monocromaticità con una larghezza di riga <0,2 nm ed una divergenza <1,5 mrad. Il laser viene alimentato da una tensione di 3 V ed assorbe circa 0,3 A. Il laser è equipaggiato da un discreto scambiatore di calore in alluminio di forma cilindrica a sua volta mantenuto freddo da un dispositivo TEC. Il laser va comunque fatto “riscaldare” un paio di minuti prima di essere utilizzato come sorgente di eccitazione Raman.

Fig 6 – Dettaglio sul Laser e sulla cella porta campioni

In Fig. 7 mostriamo lo spettro di emissione della sorgente, anche in alta risoluzione, centrato a 532 nm.

Fig 7 – Riga di emissione del Laser DPSS

Cuvette Holder, collimatore e filtro Raman “sharp-edge” provengono dal produttore Thunder Optics, che fornisce anche spettrometri e sistemi Raman completi. In Fig. 8 riportiamo lo spettro di trasmissione del filtro Raman che è centrato sui 540 nm: al di sotto di questa lunghezza d’onda la trasmissione è praticamente nulla, mentre al di sopra la trasmissione è vicina al 100%. Il filtro viene posto all’ingresso del collimatore della fibra ottica che porta il segnale verso lo spettrometro. Come già detto più sopra lo scopo del filtro è quello di fare in modo che la radiazione Rayleigh – molto più intensa della diffusione Raman – non raggiunga lo spettrometro dove potrebbe causare problemi alla rilevazione delle bande Raman con più basso Raman shift, cioè più vicine alla lunghezza d’onda di eccitazione.

Fig 8 – Trasmissione del filtro “Sharp-Edge”

Spettrometro

Lo spettrometro è un modello B&W Tek che si può trovare nel mercato del surplus ad un prezzo ragionevole (Link eBay). Si tratta di uno spettrometro CCD compatto accoppiato a fibra ottica con connettore SMA-905 e alimentato a 5 Vdc. È basato su schema Czerny-Turner incrociato, come rilevatore utilizza un CCD lineare Sony ILX511 con una fenditura da 100 µm. Il reticolo di diffrazione è da 1800 l/mm, l’intervallo di lunghezza d’onda coperto è di 250 nm ed è normalmente compreso tra 400 nm e 650 nm. In Fig. 9 mostriamo lo strumento inserito in un box metallico. Una valida alternativa è anche lo strumento R-Spectrometer sempre della Thunder Optics

Fig 9 – Lo Spettrometro B&W Tek

Le ottiche dello strumento B&W Tek vanno controllate secondo quanto descritto nei documenti che si trovano nel sito Science-Surplus. In particolare va verificata la presenza o meno di un filtro sulla fenditura di ingresso. Lo strumento era in origine pensato come spettrometro Raman alla lunghezza d’onda di eccitazione di 473 nm, per questo motivo vi può essere un filtro long-pass a 480 nm sulla fenditura di ingresso. Usando lo strumento  con una eccitazione di 532 nm il filtro va rimosso. Il reticolo di diffrazione va inoltre ruotato in modo da centrare sul sensore CCD la gamma di lunghezze d’onda di interesse. Gli specchi dovrebbero già essere allineati, in caso contrario è necessario seguire la procedura descritta nel sito Science-Surplus. In Fig. 10 e Fig. 11 mostriamo l’interno dello strumento.

Fig 10 – Configurazione Czerny-Turner dello Spettrometro

Fig 11 – Dettaglio del banco ottico dello Spettrometro

Alcuni Spettri Raman

Gli spettri possono essere acquisiti ad esempio con il software Spectrum-Studio scaricabile dal sito Science-Surplus. Gli spettri possono essere salvati in formato csv e successivamente elaborati con excel per il calcolo del Raman Shift utilizzando la formula descritta nel paragrafo realtivo alla teoria. E’ necessario misurare accuratamente la lunghezza d’onda della radiazione di eccitazione, dovrebbe essere di 532 nm però lo spettrometro, in funzione della accuratezza della sua calibrazione potrebbe dare una misura leggermente differente. La radiazione di diffusione Raman è molto debole per cui è necessario fare acquisizioni con tempi di integrazione di almeno 10 secondi. Con questi tempi lunghi lo spettro che si ottiene è molto disturbato, per cui è necessario acquisire preventivamente uno spettro di background e successivamente, in fase di elaborazione, sottrarre il background dallo spettro Raman. Dopo questi passaggi elaborativi, che possono essere automatizzati, si ottengono spettri Raman piuttosto buoni che mettono in evidenza i massimi principali che corrispondono ai livelli vibrazionali della molecola. Nei grafici seguenti mostriamo gli spettri Raman di alcune molecole.

Fig 12 – Spettro Raman del Dimetil Solfossido

Fig 13 – Spettro Raman dell’Acqua

Fig 14 – Spettro Raman del Metanolo

Fig 15 – Spettro Raman dell’Acido Nitrico

Conclusioni

In questo progetto abbiamo dimostrato come sia possibile realizzare un spettrometro Raman senza spendere cifre astronomiche. La “chiave” del progetto è lo spettrometro di “seconda mano” B&W Tek: non è uno strumento nuovissimo ma fa il suo lavoro egregiamente. Fondamentale è poi una buona sorgente laser ed un filtro sharp-edge di buona qualità. Sia il laser che il filtro si possono reperire sul mercato online per cifre abbordabili. Nei prossimi articoli mostreremo in maggiore dettaglio le applicazioni del nostro apparato Raman DIY.

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