Spettroscopia Raman
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
Nella spettroscopia Raman si utilizza tipicamente 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 ?J=0, ±2 per vibro-rotori lineari e ?J=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 ??=±1.
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.
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 (?J=-2), Q (?J=0, non sempre osservabile) ed S (?J=+2).
Microscopia Vibrazionale
Combinando un microscopio ottico con uno spettrometro Raman (o infrarosso) è possibile realizzare la microscopia vibrazionale (“microscopia Raman” o “microscopia infrarosso” rispettivamente). Il principio di funzionamento è semplice: una radiazione laser (o di sincrotrone) viene fatta incidere su una piccola area di campione e la luce diffusa, trasmessa o riflessa viene raccolta dal microscopio e quindi analizzata dallo spettrometro. Questa tecnica, con la quale si può arrivare a sondare aree fino a una dimensione sotto di 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 monumentali per lo studio dei pigmenti pittorici.
