Uusi Raman-mikroskooppi paljastaa materiaalien rakenteelliset ja koostumukselliset erot
Turun yliopiston materiaalikemian tutkimusryhmä (MCRG) on hankkinut uuden Raman-mikroskoopin. Tämän ainutlaatuisen laitteen avulla saadaan tietoa sekä tutkittavan näytteen rakenteesta että kemiallisista ominaisuuksista vahingoittamatta näytettä.
Raman-spektroskopia on tehokas analyysimenetelmä, jota voidaan hyödyntää monenlaisten materiaalien analysoimiseen – polymeereistä ja pinnoiteyhdisteistä aina maalauksiin ja puolijohdemateriaaleihin asti. Nyt näitä analyysejä voidaan toteuttaa myös materiaalikemian tutkimusryhmässä uudella Renishaw inVia Qontor confocal Raman -mikroskoopilla.
Uusi Raman-mikroskooppi on varustettu neljällä laserilla, joiden aallonpituudet vaihtelevat lähi-infrapuna-aallonpituudesta (785 nm) näkyvän valon aallonpituuksiin (633 ja 532 nm) ja lähiultravioletti-aallonpituuteen (355 nm). Laitteella on mahdollista tehdä lisäksi Raman-kartoitusta; automaattisen kohdistuksen ansiosta se soveltuu myös epätasaisille pinnoille. Kyseinen Raman-mikroskooppi on Suomessa ainut laatuaan. Se saatiin hankittua Turun yliopiston strategisesti tärkeää tutkimusinfrastruktuuria (2017) varten myöntämällä taloudellisella avustuksella sekä Turun yliopiston rehtorin antamalla tutkimuslaite-rahoituksella (2018).
– Tutkimusryhmässämme uusi Raman-laitteisto tulee olemaan merkittävässä roolissa tutkimuksessa sekä kehitettäessä uusia materiaaleja teknisiä sovelluksia varten, toteaa Pia Damlin, materiaalikemian tutkimusryhmän tutkija. Esimerkkeinä tällaisista teknisistä sovelluksista Damlin mainitsee energiavarastot, valosähköisen ilmiön sovellukset ja erilaiset hiilestä valmistettavat rakenteet.
Teoria Raman-spektroskopian taustalla
Infrapuna- tai Raman-spektroskopialla saatu värähdysspektri johtuu molekyylin värähdystilojen ja elektromagneettisen säteilyn välisestä vuorovaikutuksesta. Atomin värähdystiloja tutkimalla voidaan selvittää tuntemattoman aineen kemiallinen koostumus, sillä havaittu spektri on aina yksilöllinen tutkittavalle materiaalille. Spektri on ikään kuin aineen sormenjälki.
Yllämainitut tekniikat – IR- ja Raman-spektroskopia – eroavat toisistaan signaalinmuodostustavassa. Siinä missä IR-spektroskopiassa, samoin kuin UV-Vis-spektroskopiassa, mitataan absorptiota, on Raman-spektroskopiassa kyse sironnasta. Kun Raman-spektrometri yhdistetään konfokaalisen mikroskoopin kanssa, on sillä mahdollista havainnollistaa materiaalien jakaumaa jopa mikrometriluokassa ja tehdä syvyysprofiloinitianalyysiä strukturoiduille materiaaleille.
Miksi käyttää Ramania?
Ramanin hyvästä erotuskyvystä, laajasta informaatiosisällöstä ja ei-hajoittavasta luonteesta johtuen sitä käytetään nykyään monissa sovellutuksissa niin kemian, biologian, geologian, farmakologian, rikosteknisen tutkimuksen, lääketutkimuksen, materiaalitieteiden kuin virheanalyysinkin aloilla. Jo yli 16000 yhdistettä kattavat spektrikirjastot ovat nyt käytettävissä suoraviivaiseen yhdisteiden tunnistamiseen.
IR- ja Raman-spektroskopiaa käytetään materiaalikemian tutkimusryhmässä toisiaan täydentävinä tekniikoina, sillä kumpikin tekniikka antaa erilaisen lähestymistavan tutkittavan näytteeseen. IR-spektroskopia on herkkä funktionaalisille ryhmille ja voimakkaasti polaarisille sidoksille, kun taas Ramanilla havaitaan hiilen runkorakenteita ja symmetrisiä sidoksia.
– Vastahankittu Raman-laite sopii täydellisesti yhteen jo olemassa olevan IR-laitteistomme kanssa. Käyttämällä kumpaakin tekniikkaa saamme kaksinkertaistettua materiaalien värähdystiloista saatavan informaation määrän, Damlin kehuu.
Miten hyödyntää Ramania?
Raman-mikroskooppia on jo käytetty yhteistyössä Turun yliopiston arkeologian laitoksen kanssa mineraalipigmenttien yksilöimiseen Turun Tuomiokirkon puuosista. Raman-spektroskopia onkin täydellinen menetelmä juuri historiallisten reliikkien analysoimiseen, sillä se ei vahingoita tutkittavaa näytettä.
Raman-kuvantamisen viimeisimmät edistysaskeleet mahdollistavat suurien näytemäärien karakterisoinnin lyhyessä ajassa. Yhdessä Tukholman Kuninkaallisen teknillisen korkeakoulun kanssa on analysoitu selluloosajohdannaisia hiilinanorakenteita Raman-mikroskoopilla. Raman-kuvantaminen on arvokas apuväline sovelluksissa, jotka vaativat yksityiskohtaista avaruudellista erotuskykyä sekä mittavaa kemiallisten ja rakenteellisten ominaisuuksien kvantifiointia.
– Raman-spektroskopia tulee merkittävästi helpottamaan nykyaikaisimman nanoteknologian tutkimuksen kehitystä tutkimusryhmässämme. Raman-mikroskoopin avulla pystymme ottamaan seuraavan edistysaskeleen.
Teksti: Sampo Hirvioja
Kuva: Kari Loikas