Spectroscopie Raman par résonance - Resonance Raman spectroscopy

La spectroscopie Raman par résonance ( spectroscopie RR ) est une technique de spectroscopie Raman dans laquelle l' énergie des photons incidents est proche en énergie d'une transition électronique d'un composé ou d'un matériau en cours d'examen. La coïncidence de fréquence (ou résonance ) peut conduire à une intensité considérablement accrue de la diffusion Raman , ce qui facilite l'étude des composés chimiques présents à de faibles concentrations.

La diffusion Raman est généralement extrêmement faible, car seulement environ 1 photons sur 10 millions qui frappent un échantillon sont dispersés avec une perte ( Stokes ) ou un gain (anti-Stokes) en énergie provenant des changements d'énergie vibratoire des molécules de l'échantillon; le reste des photons est diffusé sans changement d'énergie. L'amélioration de la résonance de la diffusion Raman nécessite que la longueur d'onde incidente (généralement d'un laser ) soit proche de celle d'une transition électronique des molécules. Dans les molécules plus grosses, le changement de densité électronique peut être largement confiné à une partie de la molécule , un chromophore , et dans ces cas, les bandes Raman qui sont améliorées proviennent principalement des parties de la molécule dans lesquelles la transition électronique conduit à un changement de longueur de liaison ou constante de force dans l'état excité du chromophore . Pour les grosses molécules telles que les protéines , cette sélectivité permet d'identifier les bandes observées comme provenant de modes vibrationnels de parties spécifiques de la molécule ou de la protéine , comme l' unité hème dans la myoglobine .

Aperçu

La spectroscopie Raman et la spectroscopie RR fournissent des informations sur les vibrations des molécules et peuvent également être utilisées pour identifier des substances inconnues. La spectroscopie RR a trouvé une large application à l'analyse de molécules bio - organiques . La technique mesure l' énergie nécessaire pour modifier l'état vibratoire d'une molécule, tout comme la spectroscopie infrarouge (IR) . Le mécanisme et les règles de sélection sont différents dans chaque technique, cependant, les positions des bandes sont identiques et donc les deux méthodes fournissent des informations complémentaires.

La spectroscopie infrarouge consiste à mesurer l'absorption directe de photons avec l'énergie appropriée pour exciter les modes vibrationnels des liaisons moléculaires et les phonons. Les longueurs d' onde de ces photons se situent dans la région infrarouge du spectre , d'où le nom de la technique. La spectroscopie Raman mesure l'excitation des vibrations des liaisons par un processus de diffusion inélastique , dans lequel les photons incidents sont plus énergétiques (généralement dans le visible, l'ultraviolet ou même les rayons X) et perdent (ou gagnent dans le cas de la diffusion Raman anti-Stokes ) seulement une partie de leur énergie à l'échantillon. Les deux méthodes sont complémentaires car certaines transitions vibrationnelles observées en spectroscopie IR ne sont pas observées en spectroscopie Raman, et vice versa. La spectroscopie RR est une extension de la spectroscopie Raman conventionnelle qui peut fournir une sensibilité accrue à des composés spécifiques (colorés) qui sont présents à de faibles concentrations (micro à millimolaires) dans un mélange de composés autrement complexe.

Un avantage de la spectroscopie Raman par résonance par rapport à la spectroscopie Raman (normale) est que l'intensité des bandes peut être augmentée de plusieurs ordres de grandeur. Une application qui illustre cet avantage est l'étude de l'unité dioxygène dans la cytochrome c oxydase . Identification de la bande associée à l'étirement O-O vibration a été confirmée en utilisant ¹⁸ O ¹⁶ O et ¹⁶ O ¹⁶ O isotopologues .

Théorie de base

Diffusion Rayleigh, diffusion Stokes Raman et diffusion anti-Stokes Raman

Les fréquences des vibrations moléculaires vont de moins de 10 ¹² à environ 10 ¹⁴ Hz. Ces fréquences correspondent au rayonnement dans la région infrarouge (IR) du spectre électromagnétique . À un instant donné, chaque molécule d'un échantillon a une certaine quantité d'énergie vibratoire. Cependant, la quantité d'énergie vibratoire qu'une molécule a constamment change en raison de collisions et d'autres interactions avec d'autres molécules de l'échantillon.

À température ambiante, la plupart des molécules sont dans l' état d'énergie le plus bas , connu sous le nom d' état fondamental . Quelques molécules sont dans des états d'énergie plus élevés, connus sous le nom d' états excités . La fraction de molécules occupant un mode vibrationnel donné à une température donnée peut être calculée à l'aide de la distribution de Boltzmann . La réalisation d'un tel calcul montre que, pour des températures relativement basses (telles que celles utilisées pour la plupart des spectroscopies de routine), la plupart des molécules occupent l'état vibratoire fondamental (sauf dans le cas des modes basse fréquence). Une telle molécule peut être excitée à un mode vibrationnel plus élevé par l'absorption directe d'un photon de l'énergie appropriée. C'est le mécanisme par lequel la spectroscopie IR fonctionne: le rayonnement infrarouge traverse l'échantillon et l'intensité de la lumière transmise est comparée à celle de la lumière incidente. Une réduction d'intensité à une longueur d'onde donnée de la lumière indique l'absorption d'énergie par une transition vibrationnelle. L'énergie, d'un photon est ${\ displaystyle E}$

${\ displaystyle E = h \ nu}$

où est la constante de Planck et la fréquence du rayonnement . Ainsi, l'énergie nécessaire à une telle transition peut être calculée si la fréquence du rayonnement incident est connue. ${\ displaystyle h}$${\ displaystyle \ nu}$

Il est également possible d'observer les vibrations moléculaires par un processus de diffusion inélastique, la diffusion Stokes Raman étant l'un de ces processus. Un photon est absorbé puis réémis (diffusé) avec une énergie plus faible. La différence d'énergie entre les photons absorbés et réémis correspond à l'énergie nécessaire pour exciter une molécule vers un mode vibrationnel supérieur. La diffusion Raman anti-Stokes est un autre processus de diffusion inélastique et ne se produit qu'à partir de molécules commençant dans des états vibrationnels excités; il en résulte une lumière diffusée avec une énergie plus élevée. La lumière diffusée élastiquement (aucun changement d'énergie entre les photons entrants et les photons réémis / diffusés) est connue sous le nom de diffusion Rayleigh .

Généralement, la différence d'énergie est enregistrée comme la différence de nombre d'ondes ( ) entre la lumière laser et la lumière diffusée qui est connue sous le nom de décalage Raman. Un spectre Raman est généré en traçant l'intensité de la lumière diffusée en fonction de . ${\ displaystyle \ Delta {\ bar {\ nu}}}$${\ displaystyle \ Delta {\ bar {\ nu}}}$

Comme la spectroscopie infrarouge, la spectroscopie Raman peut être utilisée pour identifier des composés chimiques car les valeurs de sont indicatives de différentes espèces chimiques (leur soi-disant empreinte chimique). En effet, les fréquences des transitions vibrationnelles dépendent des masses atomiques et des forces de liaison. Ainsi, armé d'une base de données de spectres de composés connus, on peut identifier sans ambiguïté de nombreux composés chimiques connus différents sur la base d'un spectre Raman. Le nombre de modes vibrationnels s'échelonne avec le nombre d'atomes dans une molécule, ce qui signifie que les spectres Raman des grosses molécules sont compliqués. Par exemple, les protéines contiennent généralement des milliers d'atomes et ont donc des milliers de modes vibrationnels. Si ces modes ont des énergies similaires ( ), alors le spectre peut être incroyablement encombré et compliqué. ${\ displaystyle \ Delta {\ bar {\ nu}}}$${\ displaystyle \ Delta {\ bar {\ nu}}}$

Toutes les transitions vibrationnelles ne sont pas actives Raman , ce qui signifie que certaines transitions vibrationnelles n'apparaissent pas dans le spectre Raman. Ceci est dû aux règles de sélection spectroscopique pour les spectres Raman. Contrairement à la spectroscopie IR, où une transition ne peut être vue que lorsque cette vibration particulière provoque un changement net du moment dipolaire de la molécule, en spectroscopie Raman, seules les transitions où la polarisabilité de la molécule change le long de la coordonnée vibrationnelle peuvent être observées. C'est la différence fondamentale dans la façon dont la spectroscopie IR et Raman accède aux transitions vibrationnelles. En spectroscopie Raman, le photon entrant provoque une distorsion momentanée de la distribution électronique autour d'une liaison dans une molécule, suivie d'une réémission du rayonnement lorsque la liaison revient à son état normal. Cela provoque une polarisation temporaire de la liaison et un dipôle induit qui disparaît lors de la relaxation. Dans une molécule avec un centre de symétrie, un changement de dipôle se fait par perte du centre de symétrie, tandis qu'un changement de polarisabilité est compatible avec la préservation du centre de symétrie. Ainsi, dans une molécule centrosymétrique, l'étirement et la flexion asymétriques sont IR actifs et Raman inactifs, tandis que l'étirement et la flexion symétriques sont Raman actifs et IR inactifs. Par conséquent, dans une molécule centrosymétrique, les spectroscopies IR et Raman sont mutuellement exclusives . Pour les molécules sans centre de symétrie, chaque mode vibrationnel peut être IR actif, Raman actif, les deux, ou aucun des deux. Cependant, les étirements et les virages symétriques ont tendance à être Raman actifs.

Théorie de la diffusion Raman par résonance

En spectroscopie Raman par résonance, la longueur d'onde des photons entrants coïncide avec une transition électronique de la molécule ou du matériau. L'excitation électronique d'une molécule entraîne des changements structurels qui se reflètent dans l'amélioration de la diffusion Raman de certains modes vibrationnels. Les modes vibrationnels qui subissent un changement de longueur de liaison et / ou de constante de force pendant l'excitation électronique peuvent montrer une forte augmentation de la polarisabilité et donc de l'intensité Raman. Ceci est connu comme la règle de Tsuboi, qui donne une relation qualitative entre la nature d'une transition électronique et le modèle d'amélioration en spectroscopie Raman de résonance. Le facteur d'amélioration peut être d'un facteur de 10 à> 100 000 et est le plus apparent dans le cas des transitions π-π * et le moins pour les transitions centrées sur le métal (d – d) .

Il existe deux méthodes principales utilisées pour comprendre quantitativement l'amélioration de la résonance Raman. Il s'agit de la théorie de la transformation développée par Albrecht et de la théorie dépendante du temps développée par Heller .

Applications

L'amélioration sélective de la diffusion Raman à partir de modes spécifiques dans des conditions de résonance signifie que la spectroscopie Raman par résonance est particulièrement utile pour les grandes biomolécules avec des chromophores incorporés dans leur structure. Dans de tels chromophores, la diffusion par résonance des transitions électroniques à transfert de charge (CT) du complexe métallique aboutit généralement à une amélioration des modes d'étirement métal- ligand , ainsi que certains des modes associés aux ligands seuls. Par conséquent, dans une biomolécule telle que l' hémoglobine , le réglage du laser à proximité de la transition électronique de transfert de charge du centre du fer résulte en un spectre reflétant uniquement les modes d'étirement et de flexion associés au groupe tétrapyrrole- fer. Par conséquent, dans une molécule avec des milliers de modes vibrationnels, la spectroscopie RR nous permet de regarder relativement peu de modes vibrationnels à la fois. Le spectre Raman d'une protéine contenant peut-être des centaines de liaisons peptidiques mais une seule molécule de porphyrine peut ne montrer que les vibrations associées à la porphyrine. Cela réduit la complexité du spectre et permet une identification plus facile d'une protéine inconnue. En outre, si une protéine a plus d'un chromophore, différents chromophores peuvent être étudiés individuellement si leurs bandes CT diffèrent en énergie. En plus d'identifier les composés, la spectroscopie RR peut également fournir une identification structurelle des chromophores dans certains cas.

Le principal avantage de la spectroscopie RR par rapport à la spectroscopie Raman non résonnante est la forte augmentation de l'intensité des bandes en question (jusqu'à un facteur 10 ⁶ ). Cela permet d'obtenir des spectres RR avec des concentrations d'échantillons aussi faibles que 10 ^-8 M. Cela permet également d'enregistrer des spectres Raman d'espèces à état excité à courte durée de vie lorsque des lasers pulsés sont utilisés. Ceci est en contraste frappant avec les spectres Raman non résonants, qui nécessitent généralement des concentrations supérieures à 0,01 M. Les spectres RR présentent généralement moins de bandes que le spectre Raman non résonnant d'un composé, et l'amélioration observée pour chaque bande peut varier en fonction de l'électronique. transitions avec lesquelles le laser résonne. Comme généralement, la spectroscopie RR est obtenue avec des lasers à des longueurs d'onde visibles et proches des UV, les spectres sont plus susceptibles d'être affectés par la fluorescence. En outre, la photodégradation (photoblanchiment) et le chauffage de l'échantillon peuvent se produire car l'échantillon absorbe également la lumière d'excitation, dissipant l'énergie sous forme de chaleur.

Instrumentation

Microscope Raman

L'instrumentation utilisée pour la spectroscopie Raman par résonance est identique à celle utilisée pour la spectroscopie Raman; spécifiquement, une source de lumière hautement monochromatique (un laser), avec une longueur d'onde d'émission soit dans la région proche infrarouge, visible ou proche ultraviolette du spectre. Étant donné que l'énergie des transitions électroniques (c'est-à-dire la couleur) varie considérablement d'un composé à l'autre, les lasers accordables en longueur d'onde , apparus au début des années 1970, sont utiles car ils peuvent être réglés pour coïncider avec une transition électronique (résonance). Cependant, la largeur des transitions électroniques signifie que de nombreuses longueurs d'onde laser peuvent être nécessaires et des lasers multilignes ( Argon et Krypton ion ) sont couramment utilisés. Le point essentiel est que la longueur d'onde de l'émission laser coïncide avec une bande d'absorption électronique du composé d'intérêt. Les spectres obtenus contiennent également une diffusion Raman non résonnante de la matrice (par exemple un solvant).

La manipulation des échantillons dans la spectroscopie Raman offre des avantages considérables par rapport à la spectroscopie FTIR en ce que le verre peut être utilisé pour les fenêtres, les lentilles et d'autres composants optiques . Un autre avantage est que, alors que l' eau absorbe fortement dans la région infrarouge, ce qui limite les longueurs de parcours qui peuvent être utilisées et masquant une grande région du spectre, l'intensité de la diffusion Raman de l'eau est généralement faible et l'absorption directe n'interfère que lorsque les lasers dans le proche infrarouge (par exemple, 1064 nm) sont utilisés. Par conséquent, l'eau est un solvant idéal. Cependant, étant donné que le laser est focalisé sur une taille de point relativement petite, un chauffage rapide des échantillons peut se produire. Lorsque les spectres Raman de résonance sont enregistrés, cependant, le chauffage de l'échantillon et le photo-blanchiment peuvent causer des dommages et une modification du spectre Raman obtenu. En outre, si l'absorbance de l'échantillon est élevée (> OD 2) sur la gamme de longueurs d'onde dans laquelle le spectre Raman est enregistré, les effets du filtre interne (réabsorption de la diffusion Raman par l'échantillon) peuvent diminuer considérablement l'intensité du signal. En règle générale, l'échantillon est placé dans un tube, qui peut ensuite être tourné pour diminuer l'exposition de l'échantillon à la lumière laser et réduire les effets de la photodégradation. Les échantillons gazeux , liquides et solides peuvent tous être analysés à l'aide de la spectroscopie RR.

Bien que la lumière diffusée quitte l'échantillon dans toutes les directions, la collecte de la lumière diffusée n'est réalisée que sur un angle solide relativement petit par une lentille et dirigée vers le spectrographe et le détecteur CCD. Le faisceau laser peut être à n'importe quel angle par rapport à l'axe optique utilisé pour collecter la diffusion Raman. Dans les systèmes en espace libre, le trajet du laser est généralement à un angle de 180 ° ou 135 ° (ce que l'on appelle un arrangement de rétrodiffusion). La disposition à 180 ° est généralement utilisée dans les microscopes et les sondes Raman à fibre optique. D'autres dispositions impliquent le passage du laser à 90 ° par rapport à l'axe optique. Les angles de détection de 90 ° et 0 ° sont moins fréquemment utilisés.

Le rayonnement diffusé collecté est focalisé dans un spectrographe , dans lequel la lumière est d'abord collimatée puis dispersée par un réseau de diffraction et recentrée sur une caméra CCD . Le spectre entier est enregistré simultanément et plusieurs balayages peuvent être acquis en un court laps de temps, ce qui peut augmenter le rapport signal sur bruit du spectre grâce à la moyenne. L'utilisation de cet équipement (ou équivalent) et suivant un protocole approprié peut donner une répétabilité supérieure à 10% dans les mesures absolues pour le taux de diffusion Raman. Cela peut être utile avec la résonance Raman pour déterminer avec précision les transitions optiques dans les structures avec de fortes singularités de Van Hove .

Spectroscopie hyper-Raman par résonance

La spectroscopie hyper-Raman de résonance est une variation de la spectroscopie Raman de résonance dans laquelle le but est d'obtenir une excitation à un niveau d'énergie particulier dans la molécule cible de l'échantillon par un phénomène connu sous le nom d' absorption à deux photons . Dans l'absorption à deux photons, deux photons sont simultanément absorbés dans une molécule. Lorsque cette molécule se détend de cet état excité à son état fondamental, un seul photon est émis. C'est un type de fluorescence.

En spectroscopie Raman par résonance, certaines parties de molécules peuvent être ciblées en ajustant la longueur d'onde du faisceau laser incident à la «couleur» (énergie entre deux niveaux quantiques d'électrons souhaités) de la partie de la molécule étudiée. C'est ce qu'on appelle la fluorescence par résonance, d'où l'ajout du terme «résonance» au nom de «spectroscopie Raman». Certains états excités peuvent être obtenus par absorption de photons simples ou doubles. Dans ces cas, cependant, l'utilisation d'une excitation à double photon peut être utilisée pour obtenir plus d'informations sur ces états excités qu'une seule absorption de photon. La spectroscopie Raman par résonance et la spectroscopie hyper Raman par résonance présentent certaines limites et conséquences.

La spectroscopie Raman par résonance et la spectroscopie hyper Raman par résonance utilisent un laser accordable. La longueur d'onde d'un laser accordable peut être ajustée par l'opérateur à des longueurs d'onde dans une plage particulière. Cette gamme de fréquences, cependant, dépend de la conception du laser. La spectroscopie Raman à résonance régulière n'est donc sensible qu'aux transitions d'énergie électronique qui correspondent à celle du laser utilisé dans l'expérience. Les parties moléculaires qui peuvent être étudiées par spectroscopie Raman à résonance normale sont donc limitées aux liaisons qui se trouvent avoir une «couleur» qui s'inscrit quelque part dans le spectre des «couleurs» sur lesquelles le laser utilisé dans ce dispositif particulier peut être accordé. La spectroscopie hyper Raman de résonance, d'autre part, peut exciter des atomes pour émettre de la lumière à des longueurs d'onde en dehors de la plage accordable du laser, élargissant ainsi la gamme des composants possibles d'une molécule qui peut être excitée et donc étudiée.

La spectroscopie hyper Raman par résonance est l'un des types de spectroscopie Raman «non linéaire». Dans la spectroscopie Raman linéaire, la quantité d'énergie qui entre dans l'excitation d'un atome est la même quantité que celle qui quitte le nuage d'électrons de cet atome lorsqu'un photon est émis et que le nuage d'électrons se détend jusqu'à son état fondamental. Le terme non linéaire signifie une énergie d'émission réduite par rapport à l'énergie d'entrée. En d'autres termes, l'énergie dans le système ne correspond plus à l'énergie du système. Cela est dû au fait que l'entrée d'énergie dans la spectroscopie hyper-Raman est beaucoup plus grande que celle de la spectroscopie Raman typique. La spectroscopie Raman non linéaire a tendance à être plus sensible que la spectroscopie Raman conventionnelle. De plus, il peut réduire considérablement, voire éliminer les effets de la fluorescence.

Diffusion Raman aux rayons X

Dans la région des rayons X , suffisamment d'énergie est disponible pour rendre les transitions électroniques possibles. Au niveau des résonances du cœur, la diffusion Raman des rayons X peut devenir la partie dominante du spectre de fluorescence des rayons X. Cela est dû au comportement de résonance de la formule de Kramers-Heisenberg dans laquelle le dénominateur est minimisé pour les énergies incidentes qui égalent un niveau de noyau. Ce type de diffusion est également connu sous le nom de diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS). Dans le domaine des rayons X mous, il a été démontré que RIXS reflète les excitations du champ cristallin , qui sont souvent difficiles à observer avec toute autre technique. L'application de RIXS à des matériaux fortement corrélés est particulièrement utile pour acquérir des connaissances sur leur structure électronique . Pour certains matériaux à large bande tels que le graphite , il a été démontré que RIXS conserve (presque) la quantité de mouvement cristallin et a donc trouvé une utilisation en tant que technique de cartographie de bande complémentaire .

Voir également

• Diffusion
• Spectroscopie Raman à pointe améliorée
• Spectroscopie Vibronique
• Rapport de dépolarisation

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes

• http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Spectroscopy/Vibrational_Spectroscopy/Raman_Spectroscopy/Raman%3A_Interpretation
• http://www.horiba.com/us/en/scientific/products/Raman-spectroscopy/Raman-academy/Raman-faqs/what-is-polarised-Raman-spectroscopy/
• Kelley, AM "Spectroscopie hyper-Raman de résonance" . Université de Californie, Merced.