Sistema Raman in configurazione Backscattering

Abstract: in questo post descriviamo la costruzione di un sistema Raman DIY, in configurazione backscattering, basato su di un laser DPSS che emette a 532 nm e su di uno spetttrometro di surplus B&W Tek. Il sistema è equipaggiato con fibra ottica e filtri sharp-edge per il blocco della radiazione laser di eccitazione.

Introduzione

In una serie di articoli precedenti abbiamo descritto la nostra strumentazione Raman DIY ed alcune applicazioni significative (ad esempio vedi Sistema Raman DIY, Spettroscopia Raman di Molecole Organiche ed Inorganiche). Ora vogliamo ampliare la strumentazione adottando la classica configurazione a backscattering mostrata in figura 1. La prima strumentazione prevedeva il laser di eccitazione ed un notch filter con la raccolta della luce diffusa, a 90° rispetto alla direzione del fascio laser. Nella configurazione a backscattering il fascio laser viene indirizzato sul campione mediante uno specchio dicroico / beam splitter, il fascio laser viene poi focalizzato sul campione mediante una lente che ha anche il compito di raccogliere la luce diffusa dal campione. La luce diffusa passa attraverso lo specchio dicroico e viene filtrata dal filtro notch che ha il compito di eliminare la diffusione Rayleigh alla stessa λ della eccitazione. La radiazione luminosa viene così inviata allo spettrometro per essere analizzata.

Fig 1 – Schema di principio di uno Spettrometro Raman in configurazione backscattering

Apparato

Il laser è 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. Il laser è inserito nella cella porta-cuvette della Thunderoptics che viene utilizzata come sede per lo specchio dicroico / beam splitter. Su di un lato della cella è posizionato l’obiettivo per microscopio che focalizza il fascio laser sul campione da esaminare, mentre sul lato opposto è collocata l’ottica per raccogliere la diffusione Raman e convogliare la luce nella fibra ottica. La sonda Raman è mostrata in figura 2.

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. 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.

Lo specchio dicroico è stato ricavato da un equipaggiamento dismesso (fluorescence cube) ed è un Omega Optical 540DRLP Dichroic Mirror. In pratica, all’angolazione di 45° riflette le λ minori di 540 nm (il laser emette a 532 nm), mentre lascia passare le λ maggiori a 540 nm. Lo specchio dicroico permette, nella configurazione a backscattering, di separare agevolmente la sorgente di eccitazione dalla luce retro diffusa a λ maggiori.

L’obiettivo da microscopio è un un 20X con una apertura numerica di 0,4 e ha una distanza di lavoro di 2,4 mm, è un modello Infinity facilmente reperibile su eBay.


Fig 2 – Particolare della sonda Raman composta da laser, beam splitter, obiettivo e fibra di raccolta luce

La sonda Raman viene collocata su di una base in legno, sulla quale vengono fissati solidamente i vari componenti, in modo da mantenere l’allineamento ottico. La base di appoggio può essere posizionata verticalmente, come mostrato in figura 3, oppure orizzontalmente, come mostrato in figura 4. Per esaminare campioni liquidi contenuti in provette è conveniente utilizzare la configurazione orizzontale, mentre per analizzare campioni solidi, anche in forma granulare o in polvere, può essere conveniente la posizione verticale.

Fig 3 – La sonda Raman in posizione verticale

Fig 4 – La sonda Raman in posizione orizzontale

In figura 5 mostriamo come viene condotta l’analisi spettroscopica di un campione solido come un minerale. In questo caso si tratta di un cristallo di zolfo. Nella immagine non si vede ma durante l’analisi l’obiettivo ed il campione vanno coperti da uno schermo che ha lo scopo sia di limitare la luce di background captata dallo strumento sia di evitare riflessi laser pericolosi. E’ importante che l’operatore utilizzi sempre occhiali protettivi quando il laser è acceso.


Fig 5 – Analisi spettroscopica Raman di un campione di Zolfo

Alcuni Spettri Raman

Rispetto al precedente strumento che prevedeva la raccolta della luce diffusa a 90° rispetto alla direzione del fascio laser, la configurazione in backscattering, con l’utilizzo dell’obiettivo che focalizza il fascio e raccoglie la luce retrodiffusa, permette di ottenere efficienze molto più elevate. Con la configurazione a 90° i tempi di integrazione dello spettrometro sono di almeno 10 secondi, mentre con il nuovo apparato solitamente bastano 500 ms per ottenere uno spettro con un buon rapporto segnale – rumore. In questo paragrafo riportiamo alcuni significativi spettri Raman.

Acqua

La prima verifica del nostro apparato è stata fatto con l’acqua. L’acqua è un diffusore Raman piuttosto debole e presente una banda ampia tra i 3000 ed i 3600 cm-1. Abbiamo già studiato lo spettro Raman dell’acqua in maniera abbastanza approfondita nel post Analisi della Molecola dell’Acqua con Spettroscopia Raman. Con lo strumento in configurazione backscattering abbiamo ripetuto le misurazioni con risultati molto convincenti. In figura 6 riportiamo lo spettro Raman, nel quale teniamo conto anche dello spettro di background provocato dalla cuvette. In figura 7 mostriamo lo spettro con la correzione di baseline, si vede bene la banda principale ed anche la banda secondaria a circa 1600 cm-1. In figura 8 mostriamo invece lo spettro Raman del ghiaccio.

Fig 6 – Spettro Raman dell’acqua

Fig 7 – Spettro Raman dell’acqua con correzione di baseline


Fig 8 – Spettro Raman del ghiaccio d’acqua

Paraffina

La paraffina è il nome corrente dato a una miscela di idrocarburi, in prevalenza alcani, le cui molecole presentano catene con più di 20 atomi di carbonio. È ricavata dal petrolio e si presenta come una massa cerosa, biancastra, insolubile in acqua e negli acidi. Abbiamo esaminato con lo spettrometro Raman un campione di paraffina solida. In Fig. 9 riportiamo lo spettro Raman, nel quale si notano i massimi Raman dovuti ai modi di vibrazione dei gruppi CH3, attorno ai 3000 cm-1, del gruppo CH2 e del legame C-C a frequenze compreso nell’intervallo 800 – 1500 cm-1.

Fig 9 – Spettro Raman della paraffina

Symclosene

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L’acido tricloroisocianurico, anche conosciuto come simclosene, TCCA o TCICA è un composto chimico usato principalmente come agente clorante per l’acqua delle piscine, ma anche come candeggiante e disinfettante. La sua formula chimica è C3Cl3N3O3 mentre la sua formula di struttura è mostrata a lato. I differenti legami chimici nella molecola trovano corrispondenza nei picchi presenti nello spettro Raman. In particolare il picco a circa 1700 cm-1 corrisponde al legame C=O, mente il picco a circa 700 cm-1 corrisponde al legame N-Cl.


Fig 10 – Spettro Raman del simclosene

Carbonio, Zolfo, Silicio

Il diamante è una delle tante forme allotropiche in cui può presentarsi il carbonio; in particolare il diamante è costituito da un reticolo cristallino di atomi di carbonio disposti secondo una struttura particolare detta tetraedrica. È interessante notare che questa è la forma termodinamicamente instabile del carbonio che, in teoria, per la seconda legge della termodinamica, dovrebbe trasformarsi interamente in grafite. Ciò non avviene perché c’è bisogno di una traslazione degli atomi di carbonio che, essendo legati gli uni agli altri in una struttura a tetraedro, è impedita cineticamente. Quindi il diamante è instabile dal punto di vista termodinamico ma stabile dal punto di vista cinetico. In altre parole, è un materiale metastabile. I diamanti hanno moltissime applicazioni, grazie alle loro eccezionali caratteristiche fisiche e chimiche. Le più rilevanti sono l’estrema durezza, l’elevato indice di dispersione ottica, l’altissima conducibilità termica, la grande resistenza agli agenti chimici e il bassissimo coefficiente di dilatazione termica. Anche lo spettro Raman è particolare, avendo un solo massimo, ben pronunciato, a 1333 cm-1, come si può vedere nella figura 11 in cui riportiamo lo spettro del diamante confrontato allo spettro della grafite amorfa. Questo picco Raman è dovuto all’unica vibrazione del reticolo cristallino compatibile con l’eccitazione Raman.

Fig 11 – Spettro Raman del diamante e della grafite

Anche lo zolfo, in forma cristallina, presenta uno spettro Raman caratteristico con due picchi pronunciati a 470 cm-1 e a 225 cm-1, come si vede in figura 12.

Fig 12 – Spettro Raman di un cristallo di zolfo

Il silicio adotta la stessa struttura cristallina del diamante ed infatti anch’esso presenta un unico picco pronunciato a circa 520 cm-1. In figura 13 riportiamo lo spettro Raman del campione di silicio che abbiamo analizzato con il nostro spettrometro a 532 nm. E’ presente il massimo che ci aspettiamo, però sovrapposto ad un continuo probabilmente dovuto al contributo della matrice policristallina.


Fig 13 – Spettro Raman di un campione di Silicio

Esempi di Medicinali

La spettroscopia Raman trova applicazioni anche nel settore farmaceutico, allo scopo di identificare, in maniera non distruttiva, e senza contatto, i principi attivi presenti nel farmaco. A titolo di esempio riportiamo, nella figura 14 gli spettri Raman di due sostanze comunemente utilizzate in molti farmaci: si tratta del paracetamolo e dell’acido acetilsalicilico di cui riportiamo sotto le formule di struttura.


La struttura delle due sostanze è simile ed infatti anche gli spettri Raman presentano alcuni punti in comune, in particolare i picchi attorno ai 3000 cm-1 dovuti allo stretching dei legami CH. La parte dello spettro cosiddetta del “finger print”, tra 500 e 1600 cm-1, presenta invece alcune differenze che permettono di distinguere le due molecole. In figura 15 riportiamo lo spettro Raman di una medicina, la nisidina, che contiene sia il paracetamolo che l’acido acetilsalicilico: si vede che lo spettro è la somma delle due componenti.


Fig 14 – Spettri Raman del paracetamolo e dell’acido acetilsalicilico


Fig 15 – Spettro Raman del medicinale nisidina che contiene paracetamolo ed acido acetilsalicilico

Esempi di sostanze biologiche

La spettroscopia Raman viene molto spesso applicata nello studio degli alimenti, ad esempio nella ricerca delle frodi alimentari oppure per verificare il grado di maturazione di un frutto o di un vegetale. Una delle sostanze che danno una forte emissione Raman è il β-carotene, o beta-carotene, potente antiossidante contenuto in molti vegetali, a cominciare dalle carote. Il beta-carotene è un composto organico del gruppo dei caroteni, provitamine terpeniche (isoprenoidi), sintetizzati biochimicamente da otto unità di isoprene e quindi aventi 40 atomi di carbonio. Tra i caroteni, il β-carotene si distingue per avere un anello cicloesenico in entrambe le estremità della molecola. È privo di gruppi funzionali nonché molto lipofilo. Il β-carotene è la forma più comune di carotene nelle piante, è un pigmento organico rosso-arancio abbondante nei frutti. Con il nostro spettrometro abbiamo esaminato alcuni vegetali allo scopo di valutarne il contenuto in beta-carotene. In figura 16 riportiamo lo spettro Raman ricavato da un pezzo di carota mentre in figura 17 lo spettro ottenuto dal peperone giallo e dal peperone rosso. In entrambi gli spettri si notano i massimi caratteristici corrispondenti ai legami C-C (1150 cm-1) e C=C (1500 cm-1).

Fig 16 – Spettro Raman della carota


Fig 17 – Spettro Raman del peperone rosso e del peperone giallo

Conclusioni

In questo progetto abbiamo dimostrato come sia possibile realizzare un spettrometro Raman in configurazione backscattering 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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Abstract: in this article we describe the construction of a DIY Raman system, based on a 532 nm DPSS laser and a B&W Tek surplus spectrometer. A 90° configuration was chosen for the collection of scattered light, particularly suitable for the analysis of liquid samples. The system is equipped with optical fiber and sharp-edge filters for blocking the radiation from excitation laser. The system has been used for acquisition of the Raman spectra of numerous organic and inorganic substances.