Espectro Raman

1. Principios básicos de la espectroscopia Raman

Cuando una muestra transparente se irradia con luz monocromática, la mayor parte de la luz se transmite en la dirección de la luz incidente, y parte de ella se transmite en la dirección de la luz incidente. absorbidos Algunos están dispersos. Utilice un espectrómetro para medir el espectro de la luz dispersada y descubra que hay dos fenómenos de dispersión diferentes, uno se llama dispersión de Rayleigh y el otro se llama dispersión Raman.

1. Dispersión de Rayleigh

La dispersión es el resultado de la colisión entre fotones y moléculas materiales. Si un fotón choca elásticamente con una molécula de muestra, es decir, no hay intercambio de energía entre el fotón y la molécula, la energía del fotón permanece sin cambios, la frecuencia de la luz dispersada es igual a la frecuencia de la luz incidente, pero la dirección de propagación del fotón cambia. Esta dispersión es dispersión elástica.

2. Dispersión Raman

Figura 13-6-1 Diagrama esquemático de la dispersión Raman y la dispersión de Rayleigh

Cuando los fotones chocan de forma inelástica con las moléculas, se produce un intercambio de energía entre ellas. fotones y moléculas. Los fotones ceden parte de la energía a las moléculas, u obtienen parte de la energía de las moléculas. La energía de los fotones disminuirá o aumentará. Se puede observar una serie de líneas dispersas inferiores o superiores a la frecuencia de la luz incidente a ambos lados de la línea de dispersión de Rayleigh, que es la dispersión Raman. La Figura 13-6-1 muestra el diagrama esquemático de la dispersión Raman y la dispersión Rayleigh.

La teoría y la práctica han demostrado que la diferencia entre la frecuencia de la luz dispersa de dispersión Raman y la frecuencia de la luz incidente (v) es igual a una cierta frecuencia de vibración normal vi de la molécula, es decir, la frecuencia de la luz dispersa. v′=v±vi, si incide Si la luz es una luz monocromática (la fuente de luz es un láser), entonces en el espectro de dispersión, la línea espectral Raman de v-vi se llama línea de Stokes y línea espectral Raman de v+vi se llama línea anti-Stokes. Las probabilidades de transición de las líneas de Stokes y las líneas anti-Stokes son iguales. Sin embargo, en circunstancias normales, las moléculas se encuentran principalmente en el estado fundamental, por lo que las líneas de Stokes son mucho más fuertes que las líneas anti-Stokes. El análisis espectral a menudo utiliza líneas de Stokes.

El espectro Raman es un espectro de vibración molecular, y es un espectro hermano complementario del espectro infrarrojo. La diferencia es que puede proporcionar más información que el espectro infrarrojo. Además, en el espectro infrarrojo, si un determinado tipo de vibración es activo en infrarrojos depende de si el momento dipolar cambia durante la vibración, mientras que la actividad Raman depende de si la polarizabilidad cambia durante la vibración.

2. Espectrómetro Raman

Hay tres tipos principales de espectrómetros Raman modernos. El primer tipo es el espectrómetro Raman, que tiene alta resolución. tienen resolución media; el tercer tipo se llama sondas Raman, que son sondas Raman microscópicas ensambladas a partir de un espectrómetro Raman y un microscopio, como se muestra en la Figura 13-6-2.

Figura 13-6-2 Diagrama esquemático del sistema de espectrómetro micro-Raman

No solo tiene las funciones de un espectrómetro y un espectrógrafo, sino que también da rienda suelta a la alta directividad de la fuente de luz láser. Las características de alta intensidad y alta monocromaticidad crean una tecnología de sonda molecular única basada en el espectro de dispersión Raman de vibración-rotación molecular. Puede utilizarse para identificar los tipos y cantidades relativas de moléculas en micropartículas, microrregiones y microestructuras de muestras. La capacidad de resolución espacial alcanza 1 μm2 y el límite de detección es de 10-9 ~ 10-12 g. Por lo tanto, no sólo puede identificar minerales a nivel de micras en secciones delgadas, sino que también es un buen método para la detección de muestras a nivel de gemas.

Al mismo tiempo, cabe señalar que la llegada de las fuentes de luz láser ha desempeñado un papel muy importante en la promoción del desarrollo de la tecnología de análisis de espectroscopia Raman. Dado que todo el efecto de dispersión Raman es muy débil, la intensidad de la luz dispersada Raman observada sólo representa unas pocas milésimas de la intensidad de la luz incidente (la intensidad de la dispersión de Rayleigh suele ser aproximadamente unas pocas milésimas de la intensidad de la radiación de excitación incidente). produce luz dispersa suficientemente fuerte, el láser es la fuente de luz más ideal. El láser se produce mediante radiación estimulada de átomos o moléculas. En comparación con las fuentes de luz ordinarias, el láser tiene varias características sobresalientes: ① Tiene una excelente monocromaticidad. Por ejemplo, la luz roja 6328 emitida por el láser de helio-neón tiene un ancho de frecuencia de solo. 9 ×10-2 Hz; ② Tiene una directividad excelente y el láser es casi un haz de luz paralelo; ③ El láser es una fuente de luz muy potente. Debido a que el láser tiene una direccionalidad excelente, la energía del láser se concentra en una. rango muy estrecho Dentro, es decir, la intensidad del láser por unidad de área es mucho mayor que la de las fuentes de luz ordinarias.

3. Aplicación de la espectroscopia Raman en gemología

Dado que la tecnología de análisis de espectroscopia Raman es un método de prueba no destructivo, se utiliza ampliamente en el campo de la gemología. Y debido a que la espectroscopia Raman puede realizar análisis no destructivos, análisis in situ y análisis de profundidad, proporciona un medio experimental importante para determinar con precisión la composición de fases de las inclusiones.

Es un medio eficaz para identificar minerales de piedras preciosas y distinguir piedras preciosas naturales, piedras preciosas sintéticas (artificiales), piedras preciosas modificadas e imitaciones. Puede identificar especies minerales de piedras preciosas y polimorfismos homogéneos; distinguir materiales de piedras preciosas cristalinas y amorfas; realizar investigaciones de inclusión; detectar diversos componentes de teñido, lubricación y perfusión en el procesamiento de mejora de piedras preciosas, etc.

1. Diferencias entre piedras preciosas similares

Por ejemplo, el diamante y el carburo de silicio son muy similares, pero el diamante solo tiene un espectro Raman en 1333 cm-1 (Figura 13-6-3a) carburo de silicio El pico principal del espectro Raman se encuentra a 797 cm-1 y está polarizado. Los picos del espectro Raman son paralelos al eje c del cristal (Figura 13-6-3c) y perpendiculares al. Eje c del cristal (Figura 13-6-3b). Hay una gran diferencia en número y ubicación.

Figura 13-6-3 Espectros Raman de diamante y carburo de silicio

2. Análisis no destructivo de microáreas in situ

El láser enfocado ( si es 1 μm) se puede inyectar en la superficie o el interior de las piedras preciosas para realizar análisis de microcomponentes y microestructuras. Por lo tanto, es muy propicio para el análisis de microáreas. Si el láser se enfoca en la unión de dos fases físicas, los espectros de dispersión Raman de las dos fases físicas se producirán simultáneamente. Como se muestra en la Figura 13-6-4 (abajo), el espectro Raman de la circona cúbica; (centro), el espectro Raman del diamante 1332cm-1 (arriba), el diamante 1332cm-1, se superpone al espectro Raman de los picos propios de Raman de la circona cúbica; .

Figura 13-6-4 Espectro Raman de una película de diamante en la superficie de circonio cúbico

Figura 13-6-5 Espectro Raman de inclusiones de circonio en espectroscopia Raman de zafiro (arriba)

3. Análisis de profundidad in situ

La espectroscopia Raman puede analizar sistemas de materiales dentro de un cierto rango de profundidad. Es adecuada para fases gaseosas, líquidas y sólidas dentro de minerales de gemas. . Como se muestra en la Figura 13-6-5 (arriba), las características del espectro Raman muestran que las inclusiones dentro del zafiro son circones. Esto es insustituible por otros métodos de prueba.

4. Análisis de orientación y análisis de polarización

Una vez polarizada la radiación electromagnética incidente del espectro Raman, se puede realizar el análisis de polarización del sistema material. Como se muestra en la Figura 13-6-3, el espectro Raman polarizado del carburo de silicio.