Espectroscopia Raman

A ciência dos materiais é uma área interdisciplinar da ciência que busca estudar a estrutura, as ligações químicas e as propriedades dos materiais. Ela tem diversas aplicações em física, química, arqueologia, engenharia, ciência forense, entre outras. Dentro da ciência dos materiais existem diversas técnicas de análise de materiais, como: Espectroscopia de Infravermelho (IR), Difração de Raios X, Espectroscopia Raman, entre muitas outras, mas vamos nos concentrar na espectroscopia Raman.

A espectroscopia Raman é uma técnica espectroscópica que permite a análise de materiais através da interação da luz com as moléculas. Ela é baseada na detecção da luz espalhada inelasticamente por uma amostra quando ela é iluminada por uma fonte de luz monocromática. É um método de análise qualitativo e quantitativo capaz de identificar a composição química do material observado, tem um tempo de análise curto, é uma técnica não destrutiva, não invasiva e não requer complexas preparações de amostras, tornando-a uma técnica amplamente utilizada em diversas áreas, como química, biologia, ciência dos materiais, entre outras. Além disso, a espectroscopia Raman pode ser utilizada em amostras sólidas, líquidas ou gasosas, tornando-a uma técnica muito versátil.

Em 1928, o físico indiano Chandrasekhara Venkata Raman descobriu que a luz espalhada por um uma amostra é diferente da luz incidida e essa diferença depende da molécula atingida. A luz espalhada pela amostra apresenta uma variação de energia que depende das vibrações moleculares do material, essas vibrações podem ser rotacionais, translacionais, vibracionais e eletrônicas. Cada uma dessas vibrações acontece em regiões distintas do espectro eletromagnético , as transições eletrônicas ocorrem na região do ultravioleta e do visível. Rotações puras ocorrem na região de micro-ondas ou no infravermelho distante, enquanto as às transições vibracionais moleculares ocorrem na região do infravermelho médio do espectro (Figura 1). As transições vibracionais são mais interessantes para a espectroscopia Raman, pois elas estão relacionadas com as ligações químicas presentes nas moléculas.

Figura 1 - Espectro eletromagnético.

Fonte: https://www.infoescola.com/fisica/espectro-eletromagnetico/. acesso em: 27/04/2023.

Quando a luz incidente interage com as moléculas da amostra, parte dessa energia é absorvida e a outra parte é espalhada. A luz espalhada pode apresentar dois tipos de interesse: o tipo do espalhamento Rayleigh e o tipo do espalhamento Raman (espalhamento Stokes e anti-Stokes). O tipo do espalhamento Rayleigh é quando a luz espalhada possui a mesma energia da luz incidente, enquanto o tipo do espalhamento Raman é quando a luz espalhada possui uma energia diferente da luz incidente, que é o tipo de espalhamento de maior interesse da espectroscopia Raman (Figura 2).

Figura 2: Espalhamento Stokes, Rayleigh e Anti-stokes. Onde Ev é a energia h é a constante de Planck, Vo é a frequência de vibração fundamental, que depende da molécula incidida.

A energia da luz no espalhamento Raman depende das vibrações moleculares presentes na amostra. As moléculas podem absorver a energia da luz incidente e entrar em um estado excitado. Em seguida, as moléculas podem voltar para o seu estado fundamental, perdendo a energia absorvida. Nesse processo, a energia perdida é emitida na forma de fótons com uma energia diferente da energia da luz incidente. Essa diferença de energia é chamada de deslocamento Raman. O deslocamento Raman é medido em um espectro Raman, que é um gráfico que apresenta a intensidade da luz espalhada em função do deslocamento Raman. O espectro Raman fornece informações sobre as vibrações moleculares presentes na amostra, permitindo a identificação de moléculas e a caracterização de sua estrutura química.

Nos dias atuais, a principal fonte de luz monocromática é o laser, tendo diferentes tipos de laser para diferentes comprimentos de onda. Lasers de íons de argônio operam entre 457,9, 488 e 514,5 nm (correspondente ao azul e verde), íons de kriptônio entre 530,9, 657,1 e 676 nm (amarelo e vermelho), Hélio-neônio em 632,8 nm (também próximo ao vermelho), lasers de estado sólido de diodo em 785 e 830 nm (vermelho e infravermelho). Ainda é possível adicionar outros equipamentos ao espectrômetro dependendo das necessidades da amostra como um controle de temperatura ou microscópio tornando a análise mais completa, ela ainda pode ser feita em um ponto específico, ao longo de uma linha ou numa região através da técnica de mapeamento.

A espectroscopia Raman é um dos melhores métodos de caracterização de materiais porque não exige grandes manipulações nas amostras, por isso os resultados também são mais próximos da “realidade”. Além disso, os gráficos da espectroscopia são formados por picos bem definidos da intensidade da luz pelo comprimento de onda, simplificando o trabalho de analisar os dados das amostras.

Referências

[1] MAIA, LENIZE F.; OLIVEIRA, VANESSA E.; DE OLIVEIRA, LUIZ F.C. Espectroscopia Raman de polienos conjugados. In: FONTES, A.P.S. et al. (Orgs.) Química de substâncias bioativas- obtenção, planejamento e análise. 1ed. Juiz de Fora: Editora UFJF, 2017.

[2] SALA, O. Fundamentos da espectroscopia Raman e no infravermelho. São Paulo: UNESP, 1996.

[3] Espectroscopia Raman. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia_Raman> acesso em: 27/04/2023.