Strumentazione portatile per spettroscopia Raman

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La spettroscopia Raman serve per identificare selettivamente le molecole all’interno delle sostanze riconoscendone i livelli di energia tipici grazie all’attenta osservazione della frequenza della radiazione che emettono per diffusione anelastica causata dall’effetto Raman quando sono colpite da una luce laser. Questo fenomeno è un po’ diverso dalla semplice fluorescenza nella quale i fotoni incidenti sono assorbiti dalle molecole che di conseguenza vanno in un livello eccitato instabile che successivamente decade causando l’emissione spontanea di nuovi fotoni con energia più bassa ossia con lunghezza d’onda più lunga e ben distinta rispetto a quella incidente.

Fig. 1 – Lo spettrometro palmare EZRaman-H e il più potente portatile ProRaman-L distribuiti da Biofotonica per l’identificazione delle sostanze biologiche

L’effetto Raman avviene su molecole che si trovano già eccitate in un livello vibrazionale o rotazionale molto instabile ed è talmente instabile da non avere tempo per alcun urto. Colpite dal laser mutano immediatamente in uno stato stabile respingendo spontaneamente la radiazione e riemettendo fotoni con energia che differisce esattamente per un quanto vibrazionale o rotazionale e perciò è quasi uguale a quella dei fotoni incidenti. Stavolta, tuttavia, l’energia diffusa può essere minore (diffusione Raman Stokes) o maggiore (Anti-Stokes) di quella incidente perché la molecola tende a mutare verso la condizione stabile energeticamente più vicina in entrambe le direzioni. Nel raro caso in cui l’emissione abbia la stessa lunghezza d’onda della radiazione incidente allora la diffusione si dice elastica o di Rayleigh.

Nella spettroscopia Raman si procede, in pratica, illuminando con un laser monocromatico una sostanza e poi esaminando la debole radiazione diffusa per identificare il piccolissimo spostamento di frequenza dovuto a questo fenomeno e riconoscere grazie a ciò la presenza di una ben determinata molecola all’interno della sostanza con certezza assoluta. La precisione è dovuta all’univocità della correlazione fra l’energia dei fotoni della radiazione monocromatica incidente e lo spostamento dello stato vibrazionale o rotazionale che avviene nella molecola. Va considerato che qualunque sia la sostanza in esame le molecole molto instabili cioè quelle adatte all’effetto Raman sono sempre nettamente inferiori in numero rispetto a quelle stabili che non lo subiscono e perciò la radiazione diffusa è sempre molto meno intensa rispetto a quella incidente.

Fig. 2 – Gli spettrometri Jasco RP-300 sono proposti in sei opzioni con range spettrale da 10 a 8000 cm-1 e risoluzione da 1 a 4 cm-1

L’ulteriore svantaggio è che i fotoni con cui si bombardano le sostanze possono generare fluorescenza qualora vi siano molecole soggette a tale fenomeno che ha generalmente un guadagno molto maggiore rispetto all’effetto Raman e in tal caso non si osserverebbe più nulla. Se non si conosce la composizione di una sostanza, oltre a cercare di utilizzare laser quanto più monocromatici possibile, si può rimediare a ciò solo facendo misure preliminari su più lunghezze d’onda per verificare l’assenza di fluorescenza.

Il procedimento è quasi identico a quanto si fa nella spettroscopia infrarossa o spettrofotoscopia dove però si irradiano le sostanze con un fascio luminoso all’infrarosso per forzare alcuni ben determinati legami chimici ad assorbire energia sufficiente per far cambiare lo stato vibrazionale di una particolare molecola e riconoscerne da ciò la presenza. Questa tecnica è più nota nella versione a trasformata di Fourier (FT-IR) dove si sfrutta un vero e proprio interferometro per fare la scansione in frequenza su tutta la banda dell’infrarosso sulla sostanza in esame e individuare così in un sol colpo la presenza di più molecole.

Fig. 3 – Madatec consiglia lo spettrometro i-Raman Plus con quattro laser in opzione per un’ampia gamma di analisi chimiche e il palmare NANORam per le misure sul campo

Il principale svantaggio è che non tutti i legami chimici sono sensibili all’infrarosso e perciò molte molecole non possono essere individuate e risultano praticamente invisibili come, per esempio, avviene soprattutto per molte sostanze organiche. Questa è la ragione fondamentale per cui è stata perfezionata la spettroscopia Raman ed è anche grazie ai moderni spettrometri Raman capaci di riconoscere i virus, i batteri e gli aminoacidi nei DNA che gli scienziati hanno potuto fare enormi passi avanti in medicina, nella genetica e anche nella sicurezza con maggior efficacia nell’accertamento delle droghe e degli inquinanti.

Fotonica e biologia

Biofotonica è specializzata nella produzione e nella distribuzione di strumenti e sistemi che sfruttano l’interazione luce/materia per applicarla alle misure chimiche, fisiche e molecolari nonché nei settori emergenti come l’optoelettronica, le nanotecnologie, le biotecnologie, la spettroscopia, l’optomeccanica e il fotovoltaico.

Recentemente ha ampliato le due famiglie degli spettrometri Raman portatili EZRaman e ProRaman prodotte in California da Enwave Optronics, noto costruttore di laser a elevata monocromaticità. Fra i nuovi modelli aggiunti si trovano l’EZRaman-H Handheld Raman Analyzer con laser da 785 nm, range da 200 a 2000 cm^-1 e risoluzione di 10 cm^-1, ideale per l’identificazione chimica sul campo. Più potente è l’analizzatore ProRaman-L con stesso laser da 785 nm ma con ricevitore CCD Cooled che offre range ampliato da 100 a 3300 cm^-1 e risoluzione di 4,5 cm^-1 ed è adatto alle misure sia industriali sia da laboratorio. Completano l’offerta i microscopi Raman µSense-M che permettono di analizzare i campioni con dimensioni inferiori al millimetro.

Precisione molecolare

Jasco, fondata da alcuni ricercatori dell’Institute of Optics della Tsukuba University, si è sempre dedicata fin dall’inizio  alle tecnologie per la spettroscopia e la cromatografia fino a brevettare i suoi celebri Circular Dichroism Spectropolarimeters capaci di riconoscere il dicroismo circolare delle molecole tipiche delle proteine. Oggi Jasco Europe è a Cremella, vicino a Lecco, dove ha un laboratorio dimostrativo e un centro autorizzato per ogni tipo di validazione e manutenzione strumentale.

La novità Jasco è il sistema RMP-300 Portable Raman System dotato di sonda in fibra ottica con rivelatore CCD integrato ideale per le ispezioni nelle geometrie più complicate. La serie RP-300 è proposta in sei modelli con laser da 532 o 785 nm e prestazioni tipiche che secondo il modello offrono range spettrale compreso fra 200 e 3200 cm^-1 oppure fra 100 e 8000 cm^-1 mentre per la risoluzione si va da appena 1 cm^-1 fino a 3 e 4 cm^-1. Nuovi sono anche gli spettrometri Raman NRS 5000/7000 con laser a 1064 nm che consente l’ispezione delle sostanze nell’ampio range da 5 a 8000 cm^-1 con risoluzione da 0,3 a 0,4 cm^-1.

Prestazioni versatili e affidabili

Madatec ha focalizzato la sua attività nell’analisi chimica strumentale. Fra i suoi prodotti si trova la nuova versione Plus dello spettrometro i-Raman fabbricato da B&W Tek negli stabilimenti statunitensi di Newark (Delaware). Questo strumento portatile offre nella versione base una risoluzione ideale per la rilevazione dei polimeri ma è anche disponibile nella versione MiniRam più leggera e compatta specifica per la rilevazione delle gemme e dei minerali.

La nuova versione Plus può montare quattro laser con lunghezza d’onda di 532, 785, 830 oppure 1064 nm e secondo i modelli ha range di misura che va da 175 fino a 4000 cm^-1 e consente un’ampia gamma di misure eseguibili con risoluzione di 3.0 cm^-1. Nuovo è anche lo spettrometro Raman ultra portatile NANORam della stessa B&W Tek che lo fabbrica con dimensioni di 22x10x5 cm integrando dentro un laser da 785 nm e un rilevatore TE Cooled Linear CCD Array con range spettrale da 176 a 2900 cm^-1 e risoluzione di 9 cm^-1 oltre a un display OLED, un front-end WiFi e una porta USB.

Fig. 4 – Lo spettrometro Raman RespondeR RCI e lo spettrofotometro HazMatID di Smiths Detection sono interfacciabili wireless per un’analisi più completa dei pericoli chimici

Smiths Detection Italia è la divisione del gruppo inglese Smiths Group, che opera dal 1997 nei prodotti e servizi per l’identificazione e il riconoscimento delle sostanze nei settori della chimica, della medicina, dell’energia e dell’industria. La società ha da poco presentato il nuovo spettrometro Raman portatile RespondeR RCI (Raman Chemical Identifier) ideale per la rivelazione sul campo di inquinanti chimici, armi batteriche, esplosivi, droganti e sostanze biotossiche di ogni tipo. Oltre al laser e al rivelatore CCD ha a bordo anche un’ampia memoria dove può memorizzare le caratteristiche delle emissioni Raman di 16500 molecole ed essere più efficace nel riconoscere quelle pericolose.

Questo strumento può essere interfacciato wireless con lo spettrofotometro portatile HazMatID appena uscito nella versione Elite e basato sulla spettrometria all’infrarosso a trasformata di Fourier. Anch’esso è dotato di memoria dove può immagazzinare 10000 spettri (scelti da un database di oltre 35000) tipici delle sostanze chimiche aggressive e pericolose. I due strumenti sono disponibili insieme in un’unica e comoda valigetta.

Fig. 5 – Il FirstDefender RM di Thermo Scientific pesa meno di 1 kg e ha un’interfaccia piacevole e intuitiva che semplifica i test per l’identificazione delle sostanze chimiche aggressive

Thermo Scientific è specializzata nel progetto e nello sviluppo degli strumenti per spettrometria dedicati alla chimica e alla medicina, soprattutto nel riconoscimento dei virus e dei batteri patogeni. Recentemente ha introdotto il suo nuovo Environmental Monitoring FirstDefender RM, uno spettrometro Raman palmare ideale per l’identificazione rapida e precisa delle sostanze chimiche direttamente sul campo.

Lo strumento pesa 800 gr e ospita a bordo un laser con lunghezza d’onda di 785 nm nonché un rivelatore con range spettrale che va da 250 a 2875 cm^-1 e risoluzione compresa tra 7 e 10 cm^-1. Questo strumento ha un’interfaccia utente piacevole e intuitiva che semplifica i test e li rende più efficaci nell’accertamento delle sostanze chimiche tossiche, delle droghe, degli agenti corrosivi e degli esplosivi. Simile è l’analizzatore TruScan Handheld Raman for Material Identification specifico per le applicazioni nel settore farmaceutico.

Lucio Pellizzari

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