CAP 9 ESPECTROSCOPIA RAMAN

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UERJ – IQ – DQA
Análise Instrumental
Cap. 9: Espectroscopia Raman
Espectroscopia Vibracional
Histórico do Espalhamento Raman
• 1923 – Espalhamento de radiação inelástico predito por A. 
Smekel
• 1928 – Landsberg e Mandelstam observaram deslocamentos de 
frequência inesperados no espalhamento de radiação no quartzo
• 1928 – C.V. Raman e K.S. Krishnan observaram uma“fluorescência
débil” em solventes puros
• 1930 – C.V. Raman ganhou o Prêmio Nobel
• http://www.aps.org/publications/apsnews/200902/physicshistory.cfm
C. V. Raman 
http://bwtek.com/raman-theory-of-raman-scattering/
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Espectroscopia Raman
Uma técnica espectroscopica usada para observar modos vibracionais, rotacionais e outros
de baixa frequência de um sistema.
O Espectro Raman é similar ao espectro de infravermelho .
Utilizado para a detecção de grupos funcionais. A região das impressões digitais permite a
identificação de substâncias específicas.
Vantagens: pequena quantidade de amostra, sensibilidade mínima em relação à
interferência por água e alta sensibilidade conformacional e ambiental.
• http://www.inphotonics.com/raman.htm
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Espectroscopia Raman
• Espectros IR e Raman são úteis na região das impressões digitais
• A simetria molecular determina quais são as moléculas ativas no Raman e IR
• Os grupos funcionais são caracterizados pela energia vibracional
Espectroscopia Raman
Os espectros Raman podem ser obtidos a 
partir de sólidos, líquidos e gases
Sólido
Líquido
Gel
Suspensão
Pó
filme, etc. O espectro Raman pode também ser obtido de alguns metais.
É possível obter-se espectro Raman de gases.
No entanto, uma vez que a concentração de moléculas em gases é geralmente muito baixa, isso
normalmente requer equipamentos especiais, com células de comprimento ótico longo.
https://depts.washington.edu/ntuf/facility/docs/NTUF-Raman-Tutorial.pdf
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Base do efeito Raman
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Base do efeito Raman
Estados eletrônicos excitados
Emissão fluorescente
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Razão de Despolarização
• A polarização é uma propriedade de um feixe de
radiação e descreve o plano no qual a radiação vibra.
• Os espectros Raman são excitados pela radiação
polarizada no plano.
• A radiação espalhada pode ser polarizada em vários
graus, dependendo do tipo de vibração responsável
pelo espalhamento.
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Razão de Despolarização
• A razão de despolarização p é definida como
• Experimentalmente, a taxa de despolarização pode ser obtida inserindo-
se um polarizador entre a amostra e o monocromador.
• A taxa de despolarização é dependente da simetria das vibrações
responsáveis pela dispersão.
p
I
I
=
⊥

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Razão de Despolarização
• Banda polarizada: p = < 0,76 para modos totalmente
simétricos (A1g).
• Banda despolarizada: p = 0,76 para modos vibracionais
assimétricos B1g e B2g.
• Banda polarizada anormalmente: p = > 0,76 para modos
vibracionais A2g.
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Espectroscopia Raman
1 em 107 fótons é espalhado inelasticamente
Infravermelho
(absorção)
Raman
(espalhamento)
v” = 0
v” = 1 
Estado Virtual
E
x
c
it
a
ç
ã
o
E
s
p
a
lh
a
m
e
n
to
Raman Rotacional
Raman Vibracional
Raman Eletrônica
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Kellner et al., Analytical Chemistry
max 0
max max 0
max max 0
( ) cos 2
1
cos2 ( )
2
1
cos2 ( )
2
equil
z zz
zz
vib
zz
vib
t E t
d
r E t
dr
d
r E t
dr
  

  

  
= +
 + +
 −
Quando a luz interage com uma molécula diatômica vibrando, o momento
de dipolo induzido tem três componentes:
Interação Fóton-Molécula
Espalhamento Rayleigh
Espalhamento Raman Anti-Stokes
Espalhamento Raman Stokes
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max 0
max max 0
max max 0
( ) cos 2
1
cos2 ( )
2
1
cos2 ( )
2
equil
z zz
zz
vib
zz
vib
t E t
d
r E t
dr
d
r E t
dr
  

  

  
= +
 + +
 −
Regra de seleção: v = ±1
Sobretons: v = ±2, ±3, …
Espalhamento Raman
Também deve ter uma mudança na polarizabilidade
A descrição clássica não sugere nenhuma diferença entre as intensidades das 
linhas Stokes e Anti-Stokes
1
0
vibh
kT
N
e
N

−
=
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Calcule a razão das intensidades de espalhamento das linhas Anti-Stokes 
e Stokes quando T = 300 K e a frequência vibracional é igual a 1440 cm-1.
Exercício
h = 6,63 x 10-34 J•s
k = 1,38 x 10-23 J/K
𝜈 = 𝑐 ҧ𝜈 = 3,0 𝑥1010 Τ𝑐𝑚 𝑠 𝑥1440 𝑐𝑚
−1 = 4,32𝑥1013 𝑠−1
𝑁1
𝑁0
= 𝑒−
ℎ𝜈
𝑘𝑇 = 𝑒
−
6,63𝑥10−34 𝐽∙𝑠 𝑥4,32𝑥1013 𝑠−1
1,38𝑥10−23 ൗ𝐽 𝐾 𝑥300 𝑇
Conversão do número de onda para a frequência
Cálculo da Razão das Intensidades
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𝑁1
𝑁0
=9,89x10-4
Espectro Raman
lex = 1064 nm = 9399 cm
-1
Modo de respiração:
9399 – 992 = 8407 cm-1
Modo de estiramento:
9399 – 3063 = 6336 cm-1
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Princípio da Exclusão Mútua
Para moléculas com um centro de simetria, as 
transições inativas no IR são ativas no Raman e vice-
versa
 Moléculas Simétricas
Vibrações IR-ativas são Raman-inativas.
Vibrações Raman-ativas são IR-inativas.
O = C = O O = C = O
Raman ativa Raman inativa
IR inativa IR ativa
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Fluorescência: o inimigo do efeito Raman
• Fluorescência compete com o efeito Raman.
• Substâncias orgânicas e impurezas nas amostras usualmente 
apresentam fluorescência.
• Na verdade, a fluorescência pode-se sobrepor a emissão Raman.
• É um desafio que tem sido abordado com soluções muito diferentes e 
imaginativas.
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Espectrômetro Raman
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/raman/method.php
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Espectrômetro Raman
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Espectrômetro Raman
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Sondas e fibras
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Sonda sem contacto
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Partes de um Espectrômetro Raman
CCD
Espectrômetro + Sonda Raman
Óptica
Fonte de Laser
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Partes de um Espectrômetro Raman
• Sonda Raman:
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Como lidar com os CCDs?
• Nem todos os CCDs se comportam da mesma forma
• Nem todas as linhas em um CCD têm a mesma sensibilidade
• Problemas associados: ruído, erosão…
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NIR Raman? Como lidar com a erosão?
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Espectrômetro
• Vários tipos e várias configurações ópticas com diferentes performances e 
comportamentos
• O seu dispositivo está calibrado corretamente? Não tome isso como garantido
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Óptica para coleta/focalização do feixe de laser
• A espectroscopia Raman é altamente versátil:
• Micro Raman
• Macro Raman
• Remoto Raman
• Função Instrumental: diferente em cada caso
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Laser
• Tipos diferentes
• Nem todos os lasers são bons para Raman
• A segurança deve ser considerada
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Como podemos começar a resolver problemas? 
O kit de trabalho do Espectroscopista Raman
• Calibração: sua importância
• Exomars: 1 amostra
• Supercam: 25 amostras
Segundo Item no seu kit: 
Acetaminofeno (paracetamol)
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• Funcionalidades do instrumento
• Fonte de laser• NIST SRM
• Basta ter sua própria referência
Terceiro ítem no seu kit: Material de referência para 
intensidade
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Fluorescência
Estados eletrônicos excitados
Emissão fluorescente
Tratamento 1: move-se do VIS para a 
espectroscopia Raman
Tratamento 2: Fotobranqueamento
Tratamento 3: Raman com resolução
temporal
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Ambiente
• Luz ambiente
• Raios cósmicos
• Emissão de fundo devido ao ambiente→ escaneamentos escuros
Quarto item no seu kit: chapéu, boné, jaqueta, guarda-pó… 
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APLICAÇÕES DA ESPECTROSCOPIA RAMAN
• Indústria farmacêutica;
• Carbono e diamante;
• Material científico;
• Gemologia, geologia e mineralogia;
• A ciência forense;
• Nanotecnologia;
• Arte e patrimônio;
• Biológicas e biomédicas.
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INDÚSTRIA FARMACÊUTICA
• Fases do produto farmacêutico, design e processo de produção;
• Fiscalização e controle de processos de fabricação
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INDÚSTRIA FARMACÊUTICA
A ilustração mostra 
imagens de um 
comprimido. 
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GEMOLOGIA, GEOLODIA E MINERALOGIA
• Utilizados para identificar se diamantes foram tratados artificialmente 
a alta temperatura e pressão;
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CARBONO E DIAMANTE
• Controle de qualidade de Carbono diamante revestimentos;
• Caracterização da estrutura;
• Quiralidade dos nanotubos de carbono
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CARBONO E DIAMANTE
As imagens ilustram o uso da 
imagem Raman para revelar as 
mudanças ocorridas com o 
diamante a altas temperaturas 
por um Nitreto de boro cúbico.
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MATERIAL CIENTÍFICO
• Combinação de microscopia eletrônica de varredura e microRaman.
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CLASSIFICAÇÃO DE DIAMANTES
• Mapa área: 175 μm x 88 μm 
• Espectros gerados: 51.200 
• Aquisição tempo: 15 minutos cada
• Associado a microscopia de 
varredura
As imagens mostram 
informações sobre a forma 
cristalina, a orientação, a 
saliência de defeito e as 
densidades dos diamantes.
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ANÁLISE DE UM ARENITO
• A imagem mostra a 
distribuição de anatásio 
(TiO 2) (vermelho), 
quartzo (SiO 2) (verde) e 
hematita (Fe 2 O 3) (azul) 
• Área da seção: 500 μm x 
320 μm 
• Espectros gerados: 67.200 
• Aquisição tempo: 20 
minutos 
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CIÊNCIA FORENSE
• Identificação de substâncias desconhecidas.
• Técnica não-destrutiva
• A imagem abaixo mostra a distribuição da contaminação em um 
comprimido de ecstasy. 
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NANOTECNOLOGIA
• Classificar o diâmetro dos nanotubos de carbono
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NANOTUBOS DE CARBONO
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ARTE E PATRIMÔNIO
• Compreende os materiais originais (tintas, pigmentos, lacas, etc) do 
objeto a ser restaurado.
• Não é destrutiva
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ARTE E PATRIMÔNIO
A imagem mostra uma 
das sondas de fibra a ser 
utilizada para identificar 
gemas em um artefato.
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BIOLÓGICAS E BIOMÉDICAS
• Distinguir entre células cancerosas e pré-cancerosas e tecidos 
normais.
• Na imagem abaixo, a análise do tecido esofágico.
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SECÇÃO DENTAL 
• Imagem de um dente seccionado, 
destacando o esmalte (verde), dentina 
(azul) e áreas de alta fluorescência 
(vermelho) 
• Mapa área: 9 milímetros x 16 
milímetros 
• Espectros gerados: 84.000 
• Aquisição tempo: 20 minutos 
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IDENTIFICAÇÃO DO NÚMERO DE CAMADAS
• Mapa área: 110 μm x 120 μm
• Espectros gerados: 40.000 
• Aquisição tempo: 14 minutos 
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INDUSTRIA ALIMENTÍCIA
• Na descoberta de macromoléculas como: proteínas, 
água, carboidratos e lipídios.
• Tem um destacado estudo para proteínas e estruturas 
polipeptídicas em seu estado fisiológico natural.
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INDUSTRIA ALIMENTÍCIA
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ANÁLISE DE POLÍMEROS
• Estudo e caracterização de sua cristalinidade.
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Polímero laminado (PS e PMMA) 
• Imagem de um polímero laminado 
mostrando a distribuição de PMMA 
(vermelho), Epoxi (verde) e PS (azul) 
• Mapa área: 240 μm x 645 μm
• Espectros gerados: 17.200 
• Aquisição tempo: 7 minutos 
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• As imagens mostram a distribuição de componentes 
farmacêuticos em um comprimido 
• Mapa área: 6 mm x 12 mm 
• Espectros gerados: 82.000 
• Tempo de aquisição: 38 minutos 
DISTRIBUIÇÃO E CONCENTRAÇÃO DE 
COMPONENTES EM 2 LOTES DE UM 
MESMO COMPRIMIDO FARMACÊUTICO
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Comprimido de produção do lote 1 Comprimido de produção do lote 2
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MICRO IDENTIFICAÇÃO EM BOLACHAS DE SILÍCIO 
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MICRO IDENTIFICAÇÃO EM BOLACHAS DE SILÍCIO 
• Mapa área: 10 μm x 10 μm 
• Espectros gerados: 10.000 
• Aquisição tempo: 36 minutos (única 
análise para ambas as imagens) posição
largura 
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LASER DE SILÍCIO CRISTALINO INDUZINDO FAIXAS 
• Imagem do laser de silício cristalino induzida 
faixas de substrato amorfo 
• Mapa área: 550μm x 550μm 
• Espectros gerada: 70,000 
• Aquisição tempo: 17 minutos 
Ampliação de certa região(~250μm x 250μm) da 
imagem acima
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Preparação da amostra
• Identificação de substâncias puras
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• Lisina: 0,001 s e 300 acumulações
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Substâncias puras (vials)
• Sem um CCD gated
• Com pequeña coleta óptica
• Alta taxa de repetição
Podemos realizar a identificação de Biomarcadores 
selecionados a uma distância de 5 metros.
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E se incluirmos um contexto mineralógico?
• Cisteína e Glicina: resíduo de uma solução evaporada das duas
substâncias a 50ºC em um basalto.
• Apocarotenal: mistura de água e propanol na temperatura 
ambiente. Dolomita
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Glicina
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Glicina
Pós-processado: Filtro para redução do ruído, correção da linha de base
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Cysteine
S-H st.
~ 2550 cm-1
S-S st.
~ 500 cm-1
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• Mesmo com espectros de baixa qualidade, podemos identificar ambas as 
substâncias sobre um substrato mineralógico.
• Os espectros são bons o suficiente para descobrir mudanças em uma das 
substâncias induzidas pelo experimento.
• Essas mudanças foram confirmadas em experimentos posteriores, FT-Raman, …
Basalto
Corrediça de vidro (mesmas condições)
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Carotenóides
• Apocarotenal - Dolomita
Espectros remotos de solução apocarotenal sobre dolomita (vermelho) e apocarotenal em frasco de vidro (azul)
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Colônia viva de Hematococcus pluvialis
Esta alga produz um carotenóide chamado astaxantina para proteção UV
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Raman remoto
FT- Raman
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Dispositivos de Raman“Contact” para 
exploração de Marte
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Espectrômetro Raman Laser
O (RLS) foi projetado sob um conceito de modularidade: três unidades conectadas por meio
de chicotes elétricos e ópticos. Essa configuração fornece flexibilidade para ser acomodada.
ICEU
SPU
iOH
ICEU
SPU
iOH
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Espectrômetro Raman Laser
Prof. Dr. Aderval S. Luna 78Espectrômetro Raman Laser
Características principais do instrumento
➢Massa ~ 2,3 kg.
➢Comprimento de onda do Laser de excitação: 532 nm
➢ Irradiância na amostra: 0,6 – 1,2 kW/cm2
➢ Faixa espectral: 150-3800cm-1
➢ Resolução espectral: 6 cm-1 para número de onda baixo; 8 cm-1 para número de onda alto
➢ Tamanho do ponto: 50 m
Carbonates
Sulphates
Biosignatures
Water / Hydrates
range
Carbonates
Sulphates
Biosignatures
Water / Hydrates
range
Capacidade científica dentro da faixa de deslocamento Raman de 100-4000 cm-1
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Mudanças no instrumento
GATED CCD
Espectrômetro + sonda Raman
Aumenta a coleta de radiação
- Telescópio
Aumenta a emissão Raman
- Laser Pulsado
Melhora a detecção
- Gated CCD
Sincronismo
- Pulso 8ns
- Atraso (30 ns)
Prof. Dr. Aderval S. Luna 80
Espectroscopia Raman Remota
Prof. Dr. Aderval S. Luna 81
Prof. Dr. Aderval S. Luna 82
Visão Geral da Espectroscopia Raman Remota
Pequena distância: Micro-Raman
Longa distância: Remote-Raman
Prof. Dr. Aderval S. Luna 83
Espectroscopia Raman Remota: Inconvenientes
5 mm
4(5·10-3)2
5 m
4·52
106
• Principal dificuldade: lei do inverso do quadrado
• Requisitos especiais
Prof. Dr. Aderval S. Luna 84
Vale a pena, mostrar as vantagens
• A luz ambiente não é um inconveniente
• Fácil de combinar com outras técnicas: LIBS, LIDAR, …
• Não há necessidade de contato: ambientes hostis, simplifica as operações do 
rover (veículo planetário)
Prof. Dr. Aderval S. Luna 85
MARTE 2020
Prof. Dr. Aderval S. Luna 86
Baseado no MSL
Crédit: NASA/JPL-Caltech/Malin Space Science Systems (2012)
Prof. Dr. Aderval S. Luna 87
Distâncias de operação da Supercam
SuperCam proposal for Mars 2020.
Prof. Dr. Aderval S. Luna 88
Sinergias entre as técnicas
Prof. Dr. Aderval S. Luna 89