Spettroscopia Raman

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Spettro Raman del paracetamolo.

La spettroscopia Raman è una tecnica spettroscopica basata sull'effetto Raman. Per le sue caratteristiche, è considerata complementare alla spettroscopia infrarossa e rappresenta una tecnica comunemente utilizzata in analisi chimica e in studi sulla struttura dei composti chimici. In questo modo è possibile indagare anche molecole quali N2, inattive all'infrarosso.

Teoria[modifica | modifica wikitesto]

Diagramma dei differenti livelli energetici implicati nelle transizioni studiate dalla spettroscopia Raman. Notare come la radiazione Stokes possieda minore energia rispetto alla radiazione incidente, mentre quella anti-Stokes ha un maggiore contenuto energetico.

Nella spettroscopia Raman si utilizza normalmente una luce laser nel campo visibile, nel vicino infrarosso o nel vicino ultravioletto. In questo modo è possibile eccitare i livelli energetici vibro-rotazionali delle molecole, osservando, nel relativo spettro, transizioni che sottostanno alla regola di selezione ΔJ=0, ±2 per vibro-rotori lineari e ΔJ=0, ±1, ±2 per vibro-rotori simmetrici. Devono essere soddisfatte le regole di Pauli: non tutte le rotazioni saranno permesse dal momento che i bosoni devono mantenere invariato il segno della loro funzione d'onda durante la rotazione e i fermioni devono cambiarla. Affinché si abbia l'eccitazione dei livelli vibrazionali la regola di selezione implica Δν=±1.

La spettroscopia Raman è una spettroscopia di scattering dove si fa incidere sul campione la radiazione elettromagnetica monocromatica iniziale 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 (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 a un livello superiore. La radiazione anti-Stokes riceve invece un contributo energetico dallo stato eccitato quando passa a un livello inferiore, per cui è caratterizzata da maggiore energia. La radiazione Rayleigh risulta invece da scattering elastico e possiede la stessa energia della radiazione incidente.

La condizione necessaria affinché si verifichi la risonanza con la radiazione elettromagnetica è che la molecola sia anisotropicamente polarizzabile nel caso di transizione rotazionale, ovvero la vibrazione deve implicare una variazione della polarizzabilità nel caso di transizione vibrazionale. La cosiddetta "regola di esclusione" stabilisce che se una molecola possiede un centro di simmetria nessun modo vibrazionale può essere contemporaneamente Raman-attivo e attivo all'infrarosso: ad esempio, nel caso della molecola CO2 le transizioni Raman sono legate allo stretching simmetrico del legame C-O, mentre tale modo, non producendo variazione del momento di dipolo molecolare, non è invece attivo all'infrarosso. Per le altre molecole in generale è necessario ricorrere alla teoria dei gruppi per effettuare tale differenziazione dell'attività dei modi vibrazionali.

Per molecole allo stato gassoso, analogamente al caso degli spettri infrarossi, è possibile ottenere uno spettro vibrorotazionale caratterizzato da tre rami spettrali: O (ΔJ=-2), Q (ΔJ=0, non sempre osservabile) ed S (ΔJ=+2).

Analizzando, con l'ausilio di un filtro polarizzante, l'intensità della polarizzazione delle linee Raman ottenute è possibile risalire agevolmente al livello di simmetria dei modi vibrazionali implicati. La misura quantitativa dello stato di polarizzazione viene espressa tramite il rapporto di depolarizzazione, ρ, definito dalla relazione

\rho = \frac {I_{\perp}}{I_{\|}}

dove I_{\perp} e I_{\|} sono rispettivamente le intensità della luce Raman polarizzata perpendicolarmente e parallelamente. Se tale rapporto risulta inferiore a 0,75 la linea viene classificata come polarizzata; mentre le vibrazioni totalmente simmetriche mantengono lo stato di polarizzazione originario del fascio incidente, quelle che presentano un certo grado di asimmetria danno origine a linee depolarizzate in quanto la radiazione incidente produce anche una componente perpendicolare.

Spettroscopia Raman di risonanza[modifica | modifica wikitesto]

Utilizzando una luce incidente di energia pari a quella necessaria per promuovere una transizione elettronica si ottiene una tecnica chiamata spettroscopia Raman di risonanza. La caratteristica principale consiste in una maggiore intensità della luce diffusa e in una semplificazione dello spettro dovuta al fatto che i modi vibrazionali che contribuiscono a uno scattering più intenso sono spesso pochi. Questa tecnica trova utilizzo nello studio di biomolecole che presentano un forte assorbimento nel visibile e nell'ultravioletto: ad esempio, è possibile studiare i pigmenti β-carotene e clorofilla avvantaggiandosi del fatto che altre molecole presenti (acqua, residui di amminoacidi, legame peptidico) non assorbono energia alla frequenza laser selettiva utilizzata.

Spettroscopia a diffusione Raman anti-Stokes coerente[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Spettroscopia Raman Coerente anti-Stokes.

La spettrocopia a diffusione Raman anti-Stokes coerente (CARS, Coherent anti-Stokes Raman Scattering) sfrutta l'interazione tra due fasci laser a diversa frequenza. Lo spettro è ottenuto dall'emissione coerente derivante dalle transizioni anti-Stokes che originano da stati eccitati e presenta il vantaggio di generare un segnale di natura coerente e con un'intensità di diversi ordini maggiore rispetto alla diffusione Raman spontanea. Questa tecnica è convenientemente utilizzata per effettuare indagini in fiamma, o in microscopia, come tecnica avanzata per visualizzare composti chimici anche ad alta risoluzione spaziale (sub-micrometrica), senza l'ausilio di marcatori fluorescenti esogeni.

Spettroscopia Raman amplificata da superfici[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Spettroscopia Raman amplificata da superfici.

La spettroscopia Raman amplificata da superfici (SERS, Surface-Enhanced Raman Spectroscopy) sfrutta l'aumento dell'intensità dell'effetto Raman dovuto alla presenza di atomi o molecole legate a un substrato. Ciò è dovuto all'accumulo localizzato di densità elettronica, il che comporta un maggiore campo elettrico localizzato.

Microscopia vibrazionale[modifica | modifica wikitesto]

Combinando un microscopio ottico con uno spettrometro Raman è possibile realizzare la microscopia vibrazionale ("microscopia Raman"). Il principio di funzionamento è semplice: una radiazione laser viene fatta incidere su una piccola area di campione e la luce diffusa viene raccolta dal microscopio e quindi analizzata dallo spettrometro. Questa tecnica, con la quale si può arrivare a sondare superfici con risoluzione inferiore ad 1 μm, trova utilizzo in ambito biochimico (ad esempio nello studio del ciclo vitale della cellula), biomedico (come nella differenziazione tra tessuto sano e malato) e farmacologico. Importante è anche il suo utilizzo applicato ai beni culturali per lo studio dei pigmenti pittorici.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • Peter Atkins, Julio De Paula, Chimica Fisica, 4ª ed., Bologna, Zanichelli, settembre 2004, ISBN 88-08-09649-1.

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]