Publicado en marzo 2021
Es una técnica analítica basada la dispersión inelástica, o dispersión Raman, de la luz monocromática. La luz interactúa con fonones u otras excitaciones en el sistema, provocando que la energía de los fotones experimente un desplazamiento de longitud de onda hacia arriba o hacia abajo. El desplazamiento da información sobre los modos vibracionales en el sistema. Generalmente la muestra es iluminada con un rayo láser. La luz del punto iluminado es recogida con un lente y es enviada a un espectrómetro.
Aquí podéis encontrar una descripción mas detallada. https://en.wikipedia.org/wiki/Raman_spectroscopy
Andaba en esto desde hace tiempo, pero los obstáculos que encontraba eran muy grandes hasta que hace unos días sonó la flauta. En Ebay https://www.ebay.com/itm/BW-Tek-473nm-R … Sw05Ve-2tC están ofreciendo unos equipos que tiene casi todo. Un laser de gran pureza espectral de 473 nm, un beam splitter y un espectrofotómetro basado en CCD todo lo necesario para un Raman.
Hace unos días recibí el aparato, esta vez vino en la maleta de un amigo, y ya llevo unos días cacharreando con el. Ya he encendido el laser he encontrado mucha información en foros americanos y un software que posiblemente controle el espectrómetro directamente http://www.science-surplus.com/products … -resources. Si alguien tenia algo similar en mente es la forma de empezar más sencilla que he encontrado.
Tiene un laser de 473 nm, pero no es el típico laser de diodo azul. Es mucho mas complejo.
Un diodo laser infrarrojo genera (pienso) 946 nm, y despues una cavidad resonante con un material de optica no lineal ( KTP?) dobla la frecuencia hasta los 473 nm. Tanto en diodo como la cavidad estan controlados en temperatura mediante celdas Peltier y sensores NTC. Supongo que todo esto es para conseguir una buena pureza espectral y estabilidad de salida.
No ha costado mucho poner un par de puentes y hacer que el laser se encienda mediante un interruptor externo.
Con el Laser anterior de 473 nm, la dispersión Raman se sitúa en longitudes de onda que van de 485 a 525 nm. tengo el espectrómetro funcionando y consigo ver el espectro raman de muchas sustancias, pero tengo problemas para calibrarlo.
Aqui podeis ver el espectro Raman del Nitrobenceno.
He calibrado otros espectrómetros, a veces empleando láseres el rojo de 650 nm, laser verdes de 532, o violetas de 445, aunque es mucho mas preciso empleando una lámpara de vapor de mercurio en que las líneas son mucho más estrechas que los láseres de diodo, pero da la puñetera casualidad que entre 485 y 525 nm el mercurio no tiene ninguna raya, las mas cercanas son 436 y 546, que se salen de la zona Raman.
Lineas del Mercurio: http://zeiss-campus.magnet.fsu.edu/arti … ryarc.html
He comprado un láser barato de 520 nm, y me entra en la zona, pero no me fio de que sea exactamente 520, porque he visto que en los laser chinos hay bastante dispersión de longitud de onda y no puedo permitirme un error superior a 0,5 nm. Buscando entre los trastos encontré un lámpara de Cadmio que genera rayas en 480.0 y 508.6 nm , las cuales me vendrian magníficamente para calibrar, pero he intentado poner la lampara en funcionamiento y no lo he conseguido, asi que ando vueltas para solucionar este problema.
Dispersión de la luz.
Esto se puede aplicar a todas las radiaciones electromagnéticas, pero aquí nos centraremos en las longitudes del espectro que consideramos lumínicas, de 200 nm a 10.000 nm o sea del infrarrojo al ultravioleta. La dispersión es la desviación de la dirección de la luz de su dirección original de incidencia porque las ondas electromagnéticas interaccionan con los electrones de la sustancia. Esto lleva a tener nuevas fuentes emisoras de radiación, es decir, fuentes que reemiten radiación en todas las direcciones (la luz dispersada).
Existen dos tipos básicos de dispersión:
Elástica.
Misma frecuencia (longitud de onda) que la luz incidente. La dispersión Rayleigh o elástica es la más común y los objetos se pueden ver debido a este efecto. Se ha demostrado que la de dispersión es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. La luz del sol está compuesta por diferentes longitudes de onda y como la longitud de onda de la luz azul es menor que la de la luz roja, se dispersa más que esta última, por lo que normalmente vemos el cielo azul. Al mirar directamente hacia un amanecer o un atardecer, la luz que recibimos es la que ha sufrido menor dispersión, lo cual percibimos de coloración rojiza. La intensidad depende de la posición desde la cual se observe este fenómeno.
Inelástica.
La dispersión inelástica o Raman surge por la interacción de la luz con los electrones de una molécula.
Dentro de la inelástica existen dos tipos, una que tiene frecuencia más baja (longitud de onda mayor) a la que se llama dispersión Raman Stokes y la que tiene frecuencia más alta (longitud de onda más corta) que la luz incidente que se llama Raman anti-Stokes. En la dispersión Raman la energía de la luz incidente no es suficiente para excitar la molécula a un nivel electrónico de mayor energía. Así el resultado de la dispersión Raman es cambiar el estado vibracional de la molécula.
Sólo una pequeña parte de los fotones es dispersada inelásticamente, así que las líneas Raman son muy débiles (solamente 10−6 de la intensidad de la línea Rayleigh). Como la mayor parte de la luz dispersada tiene la misma frecuencia que la de la luz incidente original hace que la observación del efecto sea relativamente difícil.
Una característica muy importante es que la diferencia de frecuencia entre la luz dispersada y la incidente es independiente de la longitud de onda de la luz incidente. Así, si se excita una molécula con luz verde (514.5 nm o 19436 cm-1) o luz azul (488.0 nm o 20492 cm-1), se obtendrá una línea Raman exactamente a la misma diferencia de números de onda. Por esta razón es mucho más útil emplear números de onda en vez de longitud de onda en los espectros Raman.
Sin embargo la intensidad de la dispersión Raman depende de la longitud de onda de la luz incidente y es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. Es decir que la dispersión Raman de con 500 nm es 16 veces mayor que con 1000 nm. Parece por tanto que para obtener un espectro Raman es más conveniente emplear emplear una longitud de onda lo más pequeña posible. Esto no siempre puede aplicarse ya que es bien conocido que muchas sustancias al ser iluminadas por luz ultravioleta se tornan fluorescentes y no podemos confundir el efecto Raman con la fluorescencia.
La fluorescencia se produce porque la radiación incidente tiene suficiente energía para llevar electrones de la sustancia a un nivel de energía excitado, y que al volver a su situación de equilibrio emite fotones de otra longitud de onda más larga. Este efecto es perjudicial para obtener el espectro Raman, por lo que debemos emplear longitudes de onda más largas para evitarla. Por eso es muy normal que se obtengan espectros Raman en 1000 nm a pesar de que la respuesta es mucho menor que en frecuencias visibles.
Un pequeño gran avance en la calibración.
Como decía anteriormente tenía problemas para generar longitudes de onda para calibrar el espectrómetro ( 490… 525 nm). La lámpara de cadmio que podría generar estas frecuencias no me funciona. Parece que está roto el sellado. Pero hay un truco muy elemental para hacerlo. Resulta que el diamante tiene un espectro Raman muy claro y preciso, con una única línea en 1332 líneas/ cm de desplazamiento Raman.
Aqui teneis un espectro raman del diamante:
Como se puede ver no se especifica la longitud de onda porque el desplazamiento Raman en líneas/cm es independiente de la longitud de onda de exploración. Pues partiendo de 1332 l/cm y sabiendo que el láser es de 473 nm resulta que la raya del diamante me debería salir en 504,9 nm.
Para calcularla empleo la fórmula que podéis encontrar en la wikihttps://es.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia_Raman.
tengo unos diamantes cúbicos comprados en un mercadillo de minerales.
Pues al obtener el espectro raman me ha salido esto
Como se puede ver el pico del diamante me ha salido en 502,5 nm. Desplazado 2, 4 nm. No esta mal del todo…..
Sigo progresando en la calibración Y comprendiendo mejor la técnica y los procedimientos. Mientras tanto pongo una imagen de un componente esencial del aparato:
El laser de 473 nm entra a través de una fibra óptica por la izquierda. El semiespejo lo dirige hacia abajo. La óptica que lleva en la imagen la he retirado y en su lugar he colocado un objetivo de microscopio x10 de Zeiss. para ello he tenido que hacer un acoplamiento entre dos roscas bastante diferentes. Mediante el objetivo se focaliza el láser en la superficie de la muestra. La luz Raman dispersada pasa por el espejo y se concentra en la fibra óptica superior.
Hay equipos profesionales, muy caros ( 60…120000€), que usan varios láseres, espectrometría mediante transformada de Fourier y bases de datos de productos químicos que pueden identificar el componente. Los mortales como yo nos buscamos la vida por la RED. Merece la pena mencionar RUFF https://rruff.info/ una base de datos de acceso libre de espectros Raman de todos los minerales.
He empleado un soporte de los que vende amazon para posicionar la sonda. Aquí la veis con el objetivo ya colocado.
Poco a poco voy mejorando el sistema. He avanzado bastante en la calibración. Buscando entre los productos químicos que tenia he encontrado que el peróxido de benzoilo tiene un espectro Raman muy apropiado con líneas muy marcadas tres de las cuales me entran en mi rango de longitudes de onda.
Las tres líneas traducidas a longitudes de onda respecto a 473 nm de excitación son:
1234——- 502,34 nm
1603——–511,8 nm
1777——–516,36 nm
lo cual me ha permitidos afinar bastante mas en la calibracion, como se puede ver
La cosa está bastante bien, pero……. el sistema actual no me permite explorar más que longitudes de onda entre 500 y 525 nm que corresponde a los números de onda entre 1180 que corresponde a 500 nm y 2090 que corresponde a 525 nm. Esto significa que pierdo mucha de la información Raman. Se ve ahí que el peróxido de benzoilo tiene líneas en 619, 848 y 1001 que yo no veo. otros compuestos tienen líneas que llegan hasta las 4000 que tampoco puedo ver por la limitación de mi espectrómetro. Ahora tengo por tanto el reto de ampliar el rango de exploración.
El laser que estoy empleando es de 473 nm y supongo que el espectrómetro tiene un filtro paso bajo en 500 nm. debo sustituir este filtro por otro de corte mas próximo a los 473 nm. Buscado he visto filtros de 490 nm y de 480 a precios accesibles. Con 490 nm llegaría a ver hasta 733 l/cm, que estaría bien, pero con 480 llegaría hasta la 389 l/cm esto ya seria un rango bastante bueno. Por la parte alta si consiguiera llegar la 3200 l/cm o 560 nm me debería sentir muy satisfecho.
El problema está más por la parte baja que por la alta. Un mal filtro paso bajo puede hacer que se cuele el laser de 473 y me deslumbre el espectrómetro. Pero lo primero de todo desarmar el espectrómetro y ver que puedo hacer.
Aqui esta el espectrómetro con la tapa abierta. A la derecha el conector de fibra óptica. Arriba el CCD, CON UNAS LÁMINAS QUE HACEN DE PARASOL Y LIMITAN EL ESPECTRO. No me creo que la cosa vaya a ser tan sencilla como quitar estos parasoles, pero me pongo en ello…
Ya he quitados los parasoles.
Ha sido bastante facil, iban pegados ligeramente. He dejado unas marcas por si tengo que ponerlos de nuevo.
Algo ha cambiado pero no tanto como esperaba….. Los 500 nm de corte inferior se han quedado como estaban, el corte en 525 nm ha pasado a 535 nm con lo que he mejorado un poco. Los 10 nm de más me permiten ver hasta la línea 2500.
De estos resultados tengo que suponer que también hay un filtro paso bajo que tendré que sustituir si quiero ampliar el rango.
Decía que el rango del espectrómetro parecía limitado por un filtro y es cierto.
En la imagen se ve a la derecha un cilindro negro, en realidad es un tubo y en su interior está el filtro.
Al retirarlo ha quedado visible la rendija por donde entra la luz a analizar. Por lo que he podido saber es de 50 micras de ancha la cual se puede ver en la imagen siguiente.
He tenido que sustituir el tubo con los filtros por un tubo sin ellos porque me aparecian artefactos, pero después de hacerlo el rango se ha ampliado ostensiblemente de algo menos de 400 nm a 625 nm. Salvo que se queda un poco corto del rojo al infrarrojo queda cubierto prácticamente todo el espectro visible.
Después de un buen rato para calibrarlo, este es el espectro de una lámpara germicida TV6 de Philips, una lampara que lleva conmigo la friolera de 43 años….. Es una lampara de mercurio a baja presión con un poco de neón para facilitar el encendido. Las líneas mas fuertes del mercurio son 253, 407, 435, 546, 577 y 579 nm, y el neón me da líneas 585 y 614 nm. Como se puede ver salen todas las líneas en su sitio SALVO una fuerte y amplia línea en 508 nm que de primeras no puedo identificar.
Coloqué un porta de microscopio entre la lampara y la entrada del espectrómetro y este es el espectro que obtuve.
Como se puede ver perfectamente la raya de 508 nm desaparece completamente mientras que el resto queda intacto…
La solución: Un vidrio transparente permite pasar las radiación excepto el infrarrojo lejano y el ULTRAVIOLETA C. Las lámparas germicidas son fuentes de ultravioleta en 252 nm. Las redes de difraccion los hacen en varios ordenes con ángulos múltiplos, por esa razón los 252 nm salen como 504. Para evitar este problema en los espectrómetros los filtros eliminan las longitudes de onda que pueden interferir. En mi caso basta con un vidrio para eliminar el UV.
Ese tipo de sensor es un CCD lineal. Funcionan como los CCD de imagen pero con una sola línea de pixeles.
https://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet … D132D.html
Suelen tener entre 512 y 4096 píxeles en un espacio de 10 a 25mm..
Los hay de color y monocromo, los más comunes en los escáneres son de color, que tienen 3 filas de píxeles, cada fila con un filtro de color distinto (normalmente filtros RGB). Tienen 3 salidas simultáneas, una para cada color.
Los monocromo tienen una sola línea y una sola salida y son más sensibles por no tener filtros. Los destinados a escáner suelen ser sensibles a longitudes de onda entre 400nm y 700nm, con un 20% de variación. Los destinados a espectrómetros suelen tener mucha más sensibilidad y cubren más espectro, entre 200nm y 1000nm, cubriendo parte de UV C y algo de infrarrojo…
Siempre hay que calibrarlos, porque tienen una variación de más del 20% de sensibilidad entre unas longitudes de onda y otras…
Se pueden hacer cosas chulas con estos chismes… https://www.element14.com/community/com … age-sensor
Los escáneres modernos ya no usan CCD, ahora usan CIS (http://heli.xbot.es/?p=601) que son poco útiles para fabricar espectrómetros…