Ramanův jev je nepružný rozptyl světla na částicích (molekulách a atomech), při kterém částice přejdou do některého z kvantových stavů předáním kvanta energie. Ramanova spektroskopie představuje velmi efektivní a nedestruktivní techniku, která poskytuje informace o vibračních a rotačních přechodech v molekulách. Nachází uplatnění v mnoha aplikacích, včetně základního výzkumu, rutinního řízení procesů a identifikace materiálů.

Spektrum Ramanova rozptylu (Stokesova a anti-Stokesova větev)

Molekula nejprve absorbuje foton budícího záření (je excitována z počátečního stavu do virtuálního energetického stavu). Při relaxaci pak molekula emituje foton a dostane se do koncového (vibračního nebo rotačního) stavu, který není totožný s počátečním energetickým stavem molekuly. Energetický rozdíl mezi počátečním a koncovým stavem vede k posunu frekvence emitovaných fotonů dále od excitační frekvence ω0. Pokud koncovému vibračnímu stavu přísluší vyšší (resp. nižší) hodnota energie než počátečnímu stavu, pak emitovaný foton bude posunut směrem k nižším (resp. vyšším) frekvencím. Spektrum Ramanova rozptylu se tedy skládá z dvojic čar, které jsou symetricky rozloženy vůči čáře elasticky rozptýleného záření o frekvenci ω0 (viz obrázek). Oblast nižších frekvencí se nazývá Stokesovou, a oblast vyšších frekvencí anti-Stokesovou větví Ramanova spektra. V praxi se zpravidla měří spektrum Stokesovy větve Ramanova spektra, jelikož má podstatně vyšší intenzitu.

Speciální techniky Ramanovy spektroskopie

Spektrum Ramanova rozptylu látky je v intenzitě velmi slabé, což je pro mnohá měření velmi nepříjemné. To je jedním z důvodů, proč se stále větší obliby těší speciální metody Ramanovy spektroskopie, které dokáží překonat některá omezení standardního Ramanova jevu.

Rezonanční Ramanova spektroskopie

Pokud vlnová délka použitého excitačního laseru odpovídá energii potřebné k přechodu elektronu v molekule zkoumané látky na vyšší energetickou hladinu, může dojít k rezonančnímu zesílení Ramanova jevu o 2 až 4 řády. Každému typu vazby molekuly odpovídá jiná vlnová délka. Hovoříme pak o selektivním rezonančním Ramanově jevu.

Povrchem zesílená Ramanova spektroskopie

Pod pojmem povrchem zesílený Ramanův rozptyl (Surface–Enhanced Raman Scattering, SERS) se rozumí výrazné zesílení Ramanova rozptylu (běžně 103 až 106) v důsledku interakce viditelného záření s nanostrukturami plasmonických kovů a s molekulami lokalizovanými na jejich površích. Zkoumané molekuly jsou nejprve absorbovány na vhodném kovovém substrátu. Nejčastěji se používají SERS substráty obsahující zlaté nebo stříbrné nanočástice. K celkovému zesílení intenzity Ramanova rozptylu přispívají dva mechanismy: elektromagnetický jev (rezonanční vybuzení povrchových plasmonů v kovu) a chemický jev (přenos náboje mezi absorbátem a povrchem kovu).

Časově rozlišená Ramanova spektroskopie

Časově rozlišená Ramanova spektroskopie (Time-Resolved Raman Spectroscopy, TRRS) umožňuje studovat mikroskopické procesy, které se odehrávají ve velmi krátkých časových intervalech. Dopadající laserový pulz vyvede zkoumaný materiál ze stavu termodynamické rovnováhy a jednotlivé molekuly se tak ocitnou v excitovaném stavu. K získání Ramanova spektra takto vybuzených molekul se pak použije stejný laserový pulz (jednobarevný pulzní Ramanův experiment) nebo pulz pocházející od jiného laserového zdroje (dvoubarevný pulzní Raman). Přiložený obrázek znázorňuje typické experimentální uspořádání pro dvoubarevné časově rozlišené měření Ramanova rozptylu pomocí dvou laserů, spektrografu s ICCD kamerou a generátoru zpoždění. Jeden laser slouží k excitaci měřeného vzorku, druhý se používá k sondování změn, které v látce vyvolal excitační pulz. Časový průběh přechodného signálu je monitorován tak, že se zaznamenává série spekter, které odpovídají různým okamžikům po fotoexcitaci.

Ramanova mikroskopie

Ramanova mikroskopie kombinuje Ramanovu spektroskopii s mikroskopickými metodami. Tento přístup má bezesporu mnoho výhod a přináší s sebou nové možnosti identifikace vzorků. Typickým příkladem je tzv. hrotem zesílená Ramanova spektroskopie (Tip-Enhanced Raman Spectroscopy, TERS), která využívá Ramanovu spektroskopii ve spojení s mikroskopií atomárních sil se speciálním AFM hrotem, díky čemuž dokáže získat informace ze struktur na nanometrové úrovni.