Τ.Ε.Ι Λαμίας Τμήμα Ηλεκτρονικής Σ.Τ.ΕΦ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΝΕΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΣΤΙΣ ΑΝΘΡΩΠΙΣΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ

Transcript

1 Τ.Ε.Ι Λαμίας Τμήμα Ηλεκτρονικής Σ.Τ.ΕΦ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΝΕΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΣΤΙΣ ΑΝΘΡΩΠΙΣΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΘΕΜΑ: Φασματοσκοπία Raman και εφαρμογές Κούσουλας Νικόλαος Τζούτζης Έλτον-Αντώνιος Διδάσκοντας: Δρ. Γκανέτσος Θεόδωρος Λαμία 2013

2 Περιεχόμενα 1. Η Φασματοσκοπία Raman. 1.1 Το φαινόμενο Raman 2. Αρχή Λειτουργίας Τεχνική Φασματοσκοπίας Raman 2.2. Περιορισμοί κατά τη φασματοσκοπία Raman 3. Πειραματική δίαταξη φασματοσκοπίας Raman Βασικά στοιχεία της πειραματικής διάταξης Λέιζερ Φασματογράφος Ανιχνευτής Πειραματική διαδικασία. 4. Εφαρμογές της Φασματοσκοπίας Raman στις ανθρωπιστικές επιστήμες. 4.1 Ανάλυση οστών με χρήση Φασματοσκοπίας Raman 5. Εφαρμογές της Φασματοσκοπίας Raman στην αρχαιολογία. 5.1 Φασματοσκοπία Raman σε λίθους

3 1.Η Φασματοσκοπία Raman. [Ι] 1.1 Το φαινόμενο Raman Η φασματοσκοπία Raman ασχολείται με το φαινόμενο της μεταβολής της συχνότητας, όταν το φώς σκεδάζεται από μόρια. Το μέγεθος της μεταβολής αυτής αναφέρεται ως συχνότητα Raman και το σύνολο των χαρακτηριστικών συχνοτήτων ενός σκεδάζοντος είδους αποτελούν το φάσμα Raman του είδους αυτού. Μια μεταβολή συχνότητας Δν είναι ισοδύναμη με μια ενεργειακή μεταβολή. Για καθαρά πρακτικούς λόγους συνηθίζεται τα παρατηρούμενα αποτελέσματα να εκφράζονται σε κυματαριθμούς αντί συχνοτήτων. Η συχνότητα ν εκφράζει τον αριθμό των δονήσεων ενός είδους στη μονάδα χρόνου. Η αντίστοιχη ποσότητα σε κυματαριθμούς εκφράζει τον αριθμό των κυμάτων ανά cm και σχετίζεται με τη συχνότητα μέσω της εξίσωσης, όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός. Μεταξύ των φασματοσκόπων είναι πλέον σύνηθες να χρησιμοποιείται ο όρος <<συχνότητα>>, ακόμα και όταν γίνεται αναφορά σε κυματαριθμούς, χωρίς να προκαλεί σύγχυση. Το φαινόμενο σκέδασης Raman είχε αρχικά προβλεφθεί θεωρητικά από τον A.G.Smekal (1923) και από τους Kramers και Heisenberg (1925). Την ονομασία του όμως την οφείλει στον Ινδό φυσικό Sir C.V.Raman, ο οποίος στα πλαίσια συστηματικών ερευνών του σχετικά με τη μοριακή σκέδαση φωτός, το απέδειξε πειραματικά (1928). Για αυτή τη μελέτη τιμήθηκε με το βραβείο Nobel Φυσικής (1930). Ας Θεωρηθεί μια καθαρή ουσία (στερεή, υγρή ή αέρια), η οποία ακτινοβολείται με μονοχρωματική ακτινοβολία στην περιοχή του ορατού, της οποίας η συχνότητα ν έχει επιλεγεί κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να μη συμπίπτει με κάποιο μέγιστο απορρόφησης του δείγματος. Όλο σχεδόν το φως θα περάσει μέσα από το δείγμα ανεπηρέαστο, ένα πολύ μικρό μέρος όμως θα σκεδαστεί από τα μόρια του δείγματος στο χώρο προς διευθύνσεις διαφορετικές από αυτήν της προσπίπτουσας δέσμης. Το Ινδός φυσικός Sir C.V.Raman προσπίπτον φως συνίσταται από φωτόνια ενέργειας hν 0. Κατά την πρόσκρουση του φωτός στα μόρια ενός μέσου, τα φωτόνια κατά το πλείστον σκεδάζονται ελαστικά, δηλ. χωρίς απώλειες ενέργειας, εγείροντας το φαινόμενο της σκέδασης Rayleigh (κλασσική σκέδαση φωτός). Η ένταση της σκέδασης Rayleigh είναι ανάλογη της τέταρτης δύναμης της συχνότητας ν 0. Έτσι, αν χρησιμοποιηθεί ηλιακό φως, το κυανό πέρας του λαμβανόμενου φάσματος σκεδάζεται πολύ πιο έντονα από το ερυθρό. Στο φαινόμενο σκέδασης Rayleigh έχει αποδοθεί το γαλανό χρώμα του καθαρού ουράνιου θόλου, καθώς προκύπτει ως αποτέλεσμα της σκέδασης του ηλιακού φωτός από τα μόρια της ατμόσφαιρας.

4 Το φάσμα του σκεδαζόμενου φωτός περιέχει εκτός από τη Rayleigh και άλλες γραμμές σε μετατοπισμένες ως προς την αρχική συχνότητα (φάσμα Raman). Αυτές οφείλονται σε ανελαστική σκέδαση των φωτονίων από τα μόρια του μέσου. Όταν το μόριο υφίσταται κβαντισμένη μετάβαση σε κάποιο υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο, το φωτόνιο χάνει ενέργεια Ενεργειακές στάθμες και σκεδάζεται με χαμηλότερη συχνότητα (Δν αρνητικό). Αν το μόριο βρίσκεται ήδη σε κάποια ενεργειακή κατάσταση υψηλότερη της θεμελιώδους, η συνάντηση με ένα φωτόνιο μπορεί να προκαλέσει την αποδιέγερσή του, οπότε το φωτόνιο σκεδάζεται με υψηλότερη συχνότητα (Δν θετικό). Η μορφή του φάσματος στην πλευρά όπου η συχνότητα είναι χαμηλότερη από αυτή του διεγείροντος φωτός (Δν αρνητικό - γραμμές Stokes) αποτελεί το αντικατοπτρικό είδωλο της μορφής του φάσματος που κείται στην άλλη πλευρά της γραμμής Rayleigh (Δν θετικό - γραμμές anti-stokes), με τη διαφορά ότι οι εντάσεις των λαμβανομένων κορυφών για αρνητικό Δν είναι μεγαλύτερες από ό,τι για θετικό. Οι μετατοπίσεις Raman είναι ισοδύναμες των ενεργειακών μεταβολών που συνοδεύουν τις μεταπτώσεις του σκεδάζοντος είδους, ανεξάρτητες της συχνότητας της διεγείρουσας ακτινοβολίας και χαρακτηριστικές του είδους που σκεδάζει. Κάθε χημικό είδος λοιπόν, δίνει το δικό του χαρακτηριστικό δονητικό φάσμα Raman, το οποίο μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί για τον ποιοτικό του προσδιορισμό. Γενικά, το φάσμα ενός είδους επηρεάζεται ελάχιστα από την ανάμιξη του με άλλα είδη. Είναι σημαντικό να αναφερθεί, ότι μιας και το φάσμα αποτελείται συνήθως από καλά σχηματισμένες οξείες γραμμές (κορυφές), παραμένει ευδιάκριτο και αναγνωρίσιμο για σκοπούς ποιοτικής ανάλυσης. Σε αντίθεση με τη φασματοσκοπία IR, η μέθοδος Raman είναι πολύ εύκολα εφαρμόσιμη και σε υγρά μέσα. Σε συστήματα όπου συμβαίνουν χημικές αλληλεπιδράσεις, η παρουσία νέων χημικών ειδών μπορεί να ανιχνευθεί με την εμφάνιση νέων κορυφών στο φάσμα. Η μέθοδος δε διαταράσσει καταστάσεις χημικής ισορροπίας, δίνοντας έτσι πληροφορίες για χημικώς κινητικά είδη τα οποία δε Θα μπορούσαν με κανένα τρόπο να γίνουν αντιληπτά με τις συνήθεις αναλυτικές μεθόδους. 'Ετσι, είναι προφανώς το πιο ισχυρό διαθέσιμο μέσο μελέτης ιοντικών ειδών και της ισορροπίας τους σε υδατικά διαλύματα ή τήγματα. Καθώς η ένταση μιας χαρακτηριστικής κορυφής Raman προσεγγιστικά αναλογεί στην κατ όγκον συγκέντρωση του μελετούμενου είδους, μετρήσεις σχετικών εντάσεων Raman παρέχουν τη βάση και για ποσοτική ανάλυση.

5 2. Αρχή Λειτουργίας Τεχνική Φασματοσκοπίας Raman [II] Σχηματική απεικόνιση του φαινομένου Raman Η φασματοσκοπία Raman είναι κυρίως φασματοσκοπία εκπομπής και το φασματόμετρο που χρησιμοποιείται είναι σχεδόν παρόμοιο με αυτό της ορατής περιοχής του φωτός. Η βασική διαφορά βρίσκεται στην πηγή της ακτινοβολίας. Το διάγραμμα ενός τυπικού φασματομέτρου Raman και η εικόνα ενός μοντέρνου μηχανήματος στο παρακάτω σχήμα.

6 Σε παλαιοτερες εποχές χρησιμοποισυιταν λάμπες υδραργύρου, αλλα σήμερα οι φθηνές πηγές ακτινών λέιζερ προκάλεσαν ριζικές αλλαγές στη μεθοδο Raman. Οι πηγές ακτινών λειζερ δίνουν μια στενή, υψηλής ακρίβειας μονοχρωματική ακτίνα φωτός, που μπορει να συγκεντρωθεί σε ένα μικρό δείγμα ( 1ml) και που περιέχει σχετικά με γάλη ενέργεια, μέσα σε πολυ μικρή περιοχή συχνοτήτων. Παλαιότερα απαιτούνταν m1 δείγματος και η μεθοδος καταγραφής του φάσματος διαρκούσε αρκετό χρονο. Η λάμπα υδραργύρου Διαγραμματική παρουσίαση της διαμόρφωσης των συσκευών στο φασματοφωτόμετρο Raman χρησιμοποιείται μόνο για αέρια δείγματα ουσιών. Το δείγμα της ουσίας διαλύεται σε κατάλληλο διαλύτη και τοποθετείται σε λεπτούς δειγματοληπτικούς σωλήνες που είναι σφραγισμένοι στο ένα άκρο. Η ακτινοβολία των ακτινών λέιζερ προσπίπτει κατά μήκος του σωλήνα. Στερεές ουσίες υπό μορφή σκόνης ή σε διαφανή πλακίδια είναι επίσης κατάλληλες για μελέτη με ακτίνες λέιζερ. Επίσης υπάρχουν και άλλα πλεονεκτήματα των ακτίνων λέιζερ, όπως ότι λειτουργούν σε χαμηλότερες συχνότητες και δεν προκαλούν φθορισμό του δείγματος. Με τον τρόπο αυτό η διάχυση Rayleigh περιορίζεται σημαντικά και μπορεί κανείς να μελετήσει το φάσμα Raman μέχρι και την περιοχή των 20cm -1 (περιοχή που ειναι δύσκολο να μελετηθεί με τη φασματοσκοπία IR). Η ακτινοβολία που διαχέεται από το δείγμα κατευθύνεται με καθρέπτες σε ένα φασματόμετρο που λειτουργεί στην περιοχή τον ορατού. O μονοχρωμάτορας αποτελείται από ένα πρίσμα χαλαζία ή φράγμα περίθλασης, όπως στο φασματόμετρο ΙR. Η ακτινοβολία, στην περίπτωση των λέιζερ ανιχνεύεται με ένα φωτοηλεκτρικό ανιχνευτή, του οποίου τα σήματα μετά από ενισχυση καταγραφονται σε οθόνη Η/Υ όπου μπορούν να επεξεργασθούν, να ερμηνευθούν με σύγκριση (τράπεζα φασμάτων) και μετά να εκτυπωθούν. Με το φάσμα Raman λαμβάνονται σχεδόν οι ίδιες πληροφορίες για τη δομή των χημικών μορίων όπως και στις φασματοσκοπικές μεθόδους ΙR και μικροκυμάτων, με μόνο μειονέκτημα τη φτωχή διακριτική ικανότητα των φασματικών γραμμών. Τα φασματόμετρα Raman έχουν πολλές πρακτικές εφαρμογές σε τεχνολογικα εργαστήρια (πολυμερή, αρχαιολογία κ.λπ). Mε τα νεότερα φασματόφωτομετρα Raman η τεχνική βελτιώθηκε σημαντικά και η διακριτική ικανότητα είναι υψηλής στάθμης.

7 Φασματόμετρο Raman Από τα φάσματα ΙR και Raman παρατηρείται ότι απουσιάζουν ισχυρές απορροφήσεις φασματικών γραμμών στην περιοχή 1300 μέχρι 2000 cm -1, καθώς και άνω των 2300 cm -1. Αυτό είναι μια ένδειξη ότι δεν υπάρχουν ομάδες CΗ, NΗ, C Ο, C C, κ.λπ. Με μόνη εξαίρεση την ταινία 1180 cm -1, το φάσμα Raman δεν παρουσιάζει κοινές φασματικές γραμμές με το φάσμα ΙR. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι το μόριο που μελετάται είναι απλό και συμμετρικό. Υπάρχει όμως η ισχυρή απορρόφηση ΙR στα 2200 cm -1 και η ισχυρή Raman στα 2240 cm -1, ένδειξη για την ύπαρξη τριπλού δεσμού. Αφού όμως υπάρχούν δύο ταινίες απορρόφησης, σημαίνει ότι έχουν τουλάχιστον δύο συζυγιακούc τριπλούς δεσμούς. Η ισχυρή απορρόφηση στα 1200 cm -1 (IR) είναι ένδειξη για φθορο υδρογονάνθρακα. Aιθέρες και εστέρες εμφανίζουν απορροφήσεις στην περιοχή αυτή, αλλά εάν δεν υπάρχει ισχυρή απορρόφηση Raman στα 940 cm -1 (μαζί με την απουσία της απορρόφησης για CΗ) καθιστά την υπόθεση αδύνατη. Η σύνθετη μορφή της ταινίας ΙR στα 1200 cm -1 υποδεικνύει ότι το φθόριο είναι της μορφής CF 2 ή CF 3. Οι πιθανές δομές είναι: F 3 C C C C N F 3 C C C C C CF 3 H παρουσία αζώτου πιστοποιείται με στοιχειακή ποιοτική ανάλυση, σε περίπτωση απουσία αζώτου η δεύτερη δομή είναι η ζητούμενη. Οι τεχνικές φασματοσκοπίας Raman έχουν σημαντικές εφαρμογές σε πολλούς κλάδους της επιστήμης. Βιοχημικές μεταβολές μπορούν να μελετηθούν με την μικροσκοπική εικονοποίηση φασμάτων. Με τη φασματοσκοπία Raman εξετάζονται οι αλληλεπιδράσεις των

8 δονήσεων δεσμών με το φως (λέιζερ) και παρέχονται χρήσιμες πληροφορίες για το ενδοπεριβάλλον σύνθετων συστημάτων. Οι πληροφορίες αυτές εικονοποιούνται και καθίσταται πιο εύκολη η μελέτη τους. Εξειδικευμένες τεχνικές φασματοσκοπίας Raman. Φωτομικρογραφία και εικόνα Raman ιστών του εγκεφάλου ποντικού (οι έγχρωμες περιοχές αντιπροσωπεύουν το φάσμα offset Raman που παρουσιάζεται δεξιά). 2.2 Περιορισμοί κατά τη φασματοσκοπία Raman Τα κυριότερα από τα προβλήματα που μπορεί να προκύψουν κατά τη συλλογή φασμάτων Raman καταλυτικών υλικών συνοψίζονται στα επόμενα: (i) Η επαγόμενη από το laser θέρμανση στο δείγμα μπορεί να προκαλέσει αφύγρανση του δείγματος, μετασχηματισμούς φάσεων, μερική αναγωγή ή ακόμα και ολική διάσπαση, και έτσι να οδηγήσει σε τεχνητές αλλαγές στο δείγμα. Προκειμένου να αποφευχθούν τέτοια φαινόμενα, επιλέγεται συνήθως χαμηλής ισχύος ακτινοβολία στο δείγμα ή κατάλληλος φακός εστίασης της διεγείρουσας δέσμης με σκοπό να γίνει διασπορά της δέσμης και να μειωθεί η πυκνότητα ισχύος στο δείγμα κατά τη συλλογή φάσματος Raman. (ii) Το φαινόμενο του φθορισμού, που μπορεί να οφείλεται σε οργανικές προσμίξεις, βασικές ομάδες ΟΗ, υπερπολωσιμότητα πρωτονίων ή σε ανηγμένες καταστάσεις οξειδίων μετάλλων μετάπτωσης, όταν διεγείρονται με συντονισμό, μπορεί να προκαλέσει ολική ή μερική επικάλυψη του φάσματος Raman. Προβλήματα που σχετίζονται με τα φαινόμενα φθορισμού μπορούν συχνά να επιλυθούν απλώς με πύρωση των οργανικών συστατικών ή με απουδροξυλίωση της επιφάνειας, αν το δείγμα μπορεί να αντέξει τέτοιου είδους επεξεργασίες. Η αλλαγή στη

9 συχνότητα της διεγείρουσας ακτινοβολίας μπορεί επίσης να δώσει λύση στα προβλήματα φθορισμού. (iii) Η σκεδαστική ικανότητα των περισσότερων επιφανειακών ειδών οξειδίων μετάλλων είναι σχετικά χαμηλή, σε σχέση με κρυσταλλικές δομές των αντίστοιχων οξειδίων μετάλλων, και αυτό καθιστά αναγκαία την κατάλληλη επιλογή μιας σειράς από πειραματικές παραμέτρους ώστε να ληφθούν καλής ποιότητας φάσματα Raman. (iv) Η ποσοτική επεξεργασία φασμάτων Raman είναι ένα από τα δυσκολότερα πεδία με τα οποία η μέθοδος έρχεται πολλές φορές αντιμέτωπη. Οι απόλυτες ή ακόμα και οι σχετικές εντάσεις κορυφών παραμένουν σε πολλές περιπτώσεις άγνωστες ή δε μπορούν να υπολογιστούν με ακρίβεια, ενώ ακόμα και η σκεδαστική ικανότητα από καθαρά σύμπλοκα μπορεί να αλλάζει σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία, την πίεση ή τις αέριες συνθήκες. Επιπλέον, η σκέδαση από επιφανειακά είδη δε μπορεί εύκολα να συγκριθεί με δεδομένα αναφοράς καθαρών συμπλόκων, ακόμα και αν οι δομές τους παραμένουν ίδιες σε σχέση με τα δείγματα αναφοράς, εξ αιτίας πιθανών, άγνωστων επιδράσεων από το φορέα. Πολλές φορές, οι εντάσεις των κορυφών Raman οξειδίων μετάλλων μετάπτωσης αλλάζουν κατά την in situ επεξεργασία του δείγματος. Για παράδειγμα, η αναγωγή οδηγεί γενικά σε αλλαγή χρώματος του δείγματος, με μεγαλύτερο συντελεστή απορρόφησης. Έτσι, η ένταση της προσπίπτουσας και σκεδαζόμενης ακτινοβολίας μπορεί να μειωθεί σημαντικά λόγω απορρόφησης από το δείγμα. Τέλος, οι εντάσεις Raman επιφανειακών ειδών πάνω σε ένα υπόστρωμα δεν εμφανίζουν πάντοτε μια γραμμική εξάρτηση από τη συγκέντρωση.

10 3. Πειραματική δίαταξη φασματοσκοπίας Raman. [III] 3.1. Βασικά στοιχεία της πειραματικής διάταξης. Μια τυπική πειραματική διάταξη που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις με την τεχνική Raman φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Πειραματική διάταξη Raman Η διάταξη αποτελείται από τα εξής βασικά στοιχεια: (i) Λέιζερ. το οποίο ως επί το πλείστον είναι συνεχούς λειτουργίας. (ii) Οπτικά στοιχεία για την καθοδήγηση (κάτοπτρα) και εστίαση της δέσμης (φακούς εστίασης). Συνήθως για την εστίαση στο προς ανάλυση δείγμα χρησιμοποιείται αντικειμενικός φακός μέσω του οποίου πραγματοποιείται και η συλλογή της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας. Επισης είναι απαραίτητη η χρήση κυτάλληλου φίλτρου (edge filter) πριν την είσοδο της σκεδαζόμειης ακτινοβολίας Raman στο φασματογράφο. το οποίο υποβάλλει την ακτινοβολία σκέδασης Rayleigh στο μήκος κύματος του λέιζερ και επιτρέπει τη διέλευση και ανίχνευση μόνο της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας Raman(Stokes), η οποία αντιστοιχεί σε μήκος κύματος λ>λ LASER.

11 Αυτό το φίλτρο είναι απαραίτητο γιατί οι κορυφές Raman είναι δυνατόν να εμφανίζονται κοντά στη γραμμή του λέιζερ και να μην είναι δυνατόν να γίνουν διακριτές αν η γραμμή τις επικαλύπτει λόγω της έντασης της, δεδομένου ότι η σκέδαση Rayleigh είναι πολύ εντονότερη της σκέδασης Raman. (iii) Οπτική ίνα για την συλλογή και μεταφορά της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας στην είσοδο του φασματογράφου. (iν) Απεικονιστικό φασματογράφο. (ν) Ανιχνευτή CCD για την καταγραφή του σήματος εκπομπής. (νi) Ηλεκτρονικό υπολογιστή με κατάλληλο λογισμικό για τον έλεγχο του πειράματος και την απεικόνιση των φασμάτων. Παρακάτω παρατίθενται αναλυτικά τα στοιχεία της διάταξης Raman που χρησιμοποιήθηκε Λέιζερ. Στα πειράματα Raman χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον λέιζερ συνεχούς λειτουργίας. Ωστόσο, στην συγκεκριμένη πειραματική διάταξη χρησιμοποιήθηκαν κυρίως παλμικά λέιζερ για τη φασματοσκοπία Raman. Τα χαρακτηριστικά των λέιζερ που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα πειραματική διάταξη για την ανάλυση Raman παρατίθενται στον παρακάτω Πίνακα: Πίνακας Λείζερ Παλμικό Nd:YAG, Q:switched(Spectron laser systems, Series SL850) Nd:YLF Q-switched (Cw pumped doubled multi-khz) Παλμικό ΜΟPO- SL730 (άντληση από Nd:YAG λέιζερ,355nm Quanta-Ray Pro- Series ) Λέιζερ Αr + συνεχούς λειτουργίας (Spectra physics Series 2000) Μήκος κύματος (nm) Διάρκεια παλμού (ns) Μέγιστη ενέργεια Ρυθμός επανάληψης(ηz) mj mj 1k mj mw -

12 3.3. Φασματογράφος. Στην παρούσα εργασία έχει χρησιμοποιηθεί φασματογράφος τύπου Czemy-Turner με εστιακό μήκος f= 32 cm. Η ακτινοβολία που εισέρχεται στο φασματογράφο μέσω μιας σχισμής εισόδου, που καθορίζεται στα μm, παραλληλίζεται με τη βοήθεια κοίλου κατόπτρου και προσπίπτει σε φράγμα περίθλασης στην επιφάνεια του οποίου περιθλάται και αναλύεται στα μήκη κύματος από το οποία αποτελείται. Στη συνέχεια εστιάζεται με τη βοήθεια κοίλου κατόπτρου στο εστιακό επίπεδο του φασματογράφου όπου είναι τοποθετημένος ο ανιχνευτής. Ο ανιχνευτής καταγράφει το φως διατηρώντας την οριζόντια κατανομή του φωτός κατά μήκος του εστιακού επιπέδου. Σε ένα φασματογράφο, η σχισμή επιτρέπει να περάσει φως μόνο σε ένα επιλεγμένο εύρος μηκών κύματος. Ένας φασματογράφος τύπου Czemy-Turner φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το f# (=1/2 ΝΑ) ενός φασματογράφου καθορίζεται από τη διάμετρο των κατόπτρων (d) και από την απόσταση από τη σχισμή εισόδου μέχρι το πρώτο κάτοπτρα (f) σύμφωνα με τη σχέση f#=. Όσο μικρότερο είναι το f# τόσο μεγαλύτερη ικανότητα συλλογής φωτός έχει το όργανο. Ετσι. όσα μεγαλύτερο είναι το μήκος εστίασης, τόσο μεγαλύτερη η διασπορά του οργάνου. Μια σημαντική παράμετρος για ένα φασματογράφο είναι η ικανότητα ανάλυσης, που εκφράζεται ως εξής: R n d N g όπου n d είναι η τάξη πεμίθλασης φασματογράφος τύπου Czemy-Turner και Ν g είναι ο αριθμός των αυλακώσεων (grooνcs) του φράγματος (gr/mm). Η ικανότητα ανάλυσης εξαρτάται από το μήκος κύματος και αυξάνει με τη φασματική τάξη, αλλά είναι ανεξάρτητη από το μέγεθος και την απόσταση του διαγραμμισμού στο φράγμα. Η διασπορά του φράγματος του φασματογράφου είναι ένα μέτρο της διάχυσης των μηκών κύματος. Η γωνιακή διασπορά οριζόμενη ως dθ/dλ είναι ο γωνιακός διαχωρισμός δύο μηκών κύματος που έχουν διαφορά dλ. Προκύπτει από το παραπάνω ότι η βασική σχέση για το φράγματα είναι η εξής: = όπου θ είναι η γωνία μεταξύ της καθέτου ως προς το φράγμα και της περιθλώμενης δέσμης και α Ν είναι η απόσταση διαγραμμισμού, το αντίστροφο του αριθμού των αυλακώσεων ανά μονάδα μήκους. Καθώς το α Ν μειώνεται ή ο αριθμός της τάξης αυξάνεται, η διασπορά επίσης αυξάνεται.

13 Για τη φασματοσκοπία όμως συνήθως χρησιμοποιείται η διασπορά των μηκών κύματος κατά μήκος του εύρους W του εστιακού επιπέδου, δηλαδή Δλ/W, που καλείται αντίστροφη γραμμική διασπορά. Η γραμμική διασπορά ορίζεται ως: όπου y είναι η γραμμική διάσταση του εστιακού επιπέδου παράλληλη στη διασπορά. Έτσι η αντίστροφη γραμμική διασπορά ορίζεται σαν: Στο συγκεκριμένο φασματογράφο υπάρχουν τρία φράγματα περίθλασης με διαφορετικό Ν g. Στον παρακάτω Πίνακα παρατίθεται η αντίστροφη γραμμική διασπορά, dλ/dy, αν η γωνία περίθλασης θεωρηθεί θ= 45 ο από την παραπάνω εξίσωση. Επίσης, υπολογίζεται η διακριτική ικανότητα, Δλ (για λ= 300 nm). Το εύρος του, εστιακού επιπέδου, W, υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη το μήκος του ανιχνευτή. στο οποίο προβάλλεται το φάσμα, το οποίο είναι W= 1024 pixcl x 26 μm= 26,6 mm. Επιλέγεται κάθε φορά το φράγμα που απαιτούν οι συνθήκες του πειράματος και οι απαιτήσεις για φασματική ανάλυση. Πίνακας:Tα φράγματα περίθλασης με τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά τους Φράγμα περίθλασης, gr/mm dλ/dy, nm/mm Δλ, nm Eύρος φασματικής περιοχής, nm Ανιχνευτής. Δύο ανιχνευτές είναι προτεινόμενη για το συγκεκριμένο πείραμα: (i) Aνιχνευτής με ενισχυτή εικόνας ICCD. (ii) Μη ενισχυμένος ανιχνευτής θερμο-ηλεκτρικά ψηχόμενος CCD, που εφαρμόζεται συχνά για αναλύσεις Raman. Έχει 1024 x 1024 φωτο-αισθητήρες, που το μέγεθος τους είναι 13 x 13 μm 2. Στο παρακάτω σχήμα παρατίθεται η καμπύλη κβαντικής απόδοσης του CCD (οι διαφορετικές καμπύλες αντιστοιχούν σε διάφορους τύπους). Το υλικό από το οποίο κατασκευάστηκε ο συγκεκριμένος ανιχνευτής είναι τύπου ΒV. Γενικά ο ανιχνευτής ICCD έχει μικρότερη διακριτική ικανότητα από τον CCD. Ο κύριας λόγος είναι ο ενισχυτής εικόνας και συγκεκριμένα η ύπαρξη του μικροκαναλικού πλακίδιου και του φωσφόρου, τα οποία μειώνουν τη διακριτική ικανότητα της κάμερας.

14 Kαμπύλη κβαντικής απόδοσης του ανιχνευτή CCD, QE=f(λ). Tύπος CCD: BV 3.5. Πειραματική διαδικασία. Στην περίπτωση που το λέιζερ είναι παλμικό, μέσω 1/Ο Box ένας παλμός TΤL ενεργοποιεί το λέιζερ. Μέσω του Η/Υ, καθορίζεται ο χρόνος συλλογής του σκεδαζόμενου φωτός από το αναλυόμενο δείγμα. Ο χρόνος αυτός μεταβάλλεται ανάλογα με το υλικό και την αλληλεπίδρασή του με, το λέιζερ. Ενδεικτικά, όταν χρησιμοποιείται λέιζερ συνεχούς λειτουργίας, τυπικές τιμές χρόνου συλλογής είναι t= 1-2 min. Όταν το λέιζερ είναι παλμικό, ένας τυπικός αριθμός παλμών είναι Ν= οπότε για ρυθμό επανάληψης, rcρ.ratc= 10 Hz, ο αντίστοιχος χρόνος συλλογής είναι t~ 1,5 min. Η οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία συλλέγεται μέσω του αντικειμενικού φακού και διέρχεται μέσα από το φίλτρο (REF Α ή RΕF Α CVI laser). Με τον τρόπο αυτό. η σκέδαση Rayleigh αποκόπτεται και περνάει μόνο η σκεδαζόμενη ακτινοβολία Raman. Κατόπιν, αυτή εστιάζεται μέσω συγκλίνοντα φακού στην είσοδο οπτικής ίνας που μεταφέρει την ακτινοβολία στο φασματογράφο. Εκεί αναλύεται στα επιμέρους μήκη κύματος και απεικονίζεται στον ανιχνευτή CCD. Το δείγμα είναι τοποθετημένο σε μικρομετρική βάση x-y-z, η οποία επιτρέπει τη μετατόπιση του δείγματος κατα μήκος όλων των αξόνων. Τα φάσματα λαμβάνονται στην οθόνη του H/Y και ταυτοποιούνται. Για την ταυτοποίηση των φασμάτων υπάρχουν βάσεις δεδομένων, που παρέχουν τις κορυφές Raman των υλικών.

15 4. Εφαρμογές της Φασματοσκοπίας Raman στις ανθρωπιστικές επιστήμες. [IV] 4.1 Ανάλυση οστών με χρήση Φασματοσκοπίας Raman. Όλα τα δείγματα των οστών, πρέπει είναι είτε υπό τη μορφή κύβων είτε υπό τη μορφή κόνεως, έτσι ώστε να επεξεργαστούν ή παρασκευαστούν με αποτέλεσμα να αναλυθούν και εξετασθούν ως προς τους λόγους εντάσεων βιο-απατίτη/κολλαγόνου, την καθαρότητα αλλά και την περιεκτικότητά τους στις παραπάνω δύο ουσίες με αναλυτική τεχνική FT-Raman FT-Raman Το φασματοφωτόμετρο Raman με χρήση μετασχηματισμών Fourier (FT-Raman) το οποίο χρησιμοποιείται για τη λήψη όλων των φασμάτων των δειγμάτων και των ουσιών απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. Ως πηγή διεγείρουσας ακτινοβολίας στο παραπάνω όργανο Raman χρησιμοποιείται laser στην περιοχή του υπερύθρου του τύπου Nd:YAG Σχηματική αναπαράσταση φασματοφωτομέτρου FT-Raman (COMPASS ). Το ιόν Nd+3, το οποίο είναι υπεύθυνο για την παραγωγή της ακτινοβολίας, φιλοξενούνταν μέσα στον κρύσταλλο Y.A.G. (ακρωνύμιο των λέξεων Yttrium Aluminum Garnet). Κατά την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με το δείγμα, η σκεδαζόμενη ακτινοβολία διέρχεται αρχικά από ένα ολογραφικό φίλτρο συμβολής (notch filter) το οποίο έχει την ικανότητα να απορρίπτει την περιοχή της ακτινοβολίας η οποία βρίσκεται πολύ κοντά στη γραμμή Rayleight. Το ολογραφικό φίλτρο το οποίο χρησιμοποιείται έχει την ικανότητα να απορρίπτει ακτινοβολίες από τα -90cm -1 για τις anti-stokes έως τα 50cm -1 για τις Stokes. Η απαλλαγμένη από τη γραμμή Rayleight ακτινοβολία διέρχεται από το συμβολόμετρο Michelson και με τη βοήθεια του μαθηματικού σχεδιασμού Fourier βελτιώνεται ο λόγος του σήματος προς το θόρυβο (signal to noise ratio). Το ενισχυμένο σήμα συλλέγεται υπό γωνία 180 ο από έναν ανιχνευτή γερμανίου Ge, ο οποίος για τη μεγιστοποίηση της ευαισθησίας του λειτουργεί σε θερμοκρασία υγρού αζώτου, μετατρέποντας την ακτινοβολία σε ηλεκτρικό ρεύμα και τα αποτελέσματα αποθηκεύονται με το κατάλληλο λογισμικό δίνοντας το φάσμα Raman του δείγματος που αναλύεται κάθε φορά. Τέλος, μία δεύτερη πηγή laser (He-Ne) χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του συμβολόμετρου.

16 Επειδή όμως τα δείγματα των οστών, τα οποία αναλύονται, είναι σύνθετα δείγματα τα οποία απαρτίζονται από περισσότερες της μιας ουσίας, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να υπάρχει μια μικρή διακύμανση στην κατανομή των ουσιών αυτών κατά το x,y και z άξονα αντίστοιχα, δεν είναι ικανοποιητική και αντιπροσωπευτική η χρήση της παραπάνω οργανολογίας με απλή μέτρηση ενός σημείου του δείγματος μονάχα. Σύμφωνα με μελέτες που έχουν γίνει σε οστά, έχουν βρεθεί ότι τα δύο κύρια συστατικά του, δηλαδή ο βιο-απατίτης και το κολλαγόνο έχουν ένα ιδιαίτερο προσανατολισμό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, σύμφωνα με τα αποτελέσματα έρευνας, το σήμα της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας να επηρεάζεται και να μεταβάλλεται τοπικά από σημείο σε σημείο. Για το λόγο αυτό προσαρμόζεται κατάλληλα στον δειγματοφορέα της παραπάνω οργανολογίας μια συσκευή περιστροφής η οποία θα μπορούσε να κατασκευαστεί σε ένα εργαστήριο ενόργανης ανάλυσης. Έτσι με τον τρόπο αυτό, το δείγμα περιστρέφεται με ρυθμό 54 στροφές ανα δευτερόλεπτο. και το αποτέλεσματα που λαμβάνουμε δεν είναι απόρροια ενός μονάχα σημείου πάνω στα δείγματα αλλά πολλών σημείων κατά μήκος της περιμέτρου του κύκλου που διαγράφεται κατά την περιστροφή των δείγματωνς. Με την περιστροφή επιτυγχάνεται η μείωση των προβλημάτων που προκαλούνται από τον προσανατολισμό των κρυστάλλων του βιοαπατίτη και του κολλαγόνου στα δείγματα, επειδή η ακτίνα παίρνει πληροφορίες από διαφορετικά κάθε φορά τμήματα πάνω στο δείγμα. Επίσης με αυτό τον τρόπο αποφεύγεται η τοπική υπερθέρμανση του δείγματος ενώ η επιπρόσθετη πληροφορία που παίρνεται είναι ο μέσος όρως των σημείων του δείγματος από τα οποία διέρχεται το ίχνος της ακτινοβολίας. Τα ως προς εξέταση κονιοποιημένα δείγματα τοποθετούνταi σε δειγματοφορέα από ανοξείδωτο χάλυβα ο οποίος διαθέτει στο κέντρο του οπή σε a) Μοντέλο ινιδικού προσανατολισμού σε σ σχέση με τον άξονα c και b)τυπική ακολουθία του μορίου του καλλογόνου. Περιστρεφόμενος υποδοχέας φασματοφωτομέτρου FT-Raman

17 σχήμα ημισφαιρίου, με διάμετρο 0,2cm, η οποία πληρώνεται με 6mg δείγματος. Η πάκτωση του δείγματος επιτυγχάνεται με μια κεφαλή πάκτωσης. Η μεγιστοποίηση της εντάσεως του λαμβανομένου σήματος επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός XYZ κινητήρα, ο οποίος θα μπορεί να μετακινεί τον δειγματοφορέα που χρησιμοποιούσε ως δείγμα μεγιστοποίησης στοιχειακό θείο (S) στις τρεις διαστάσεις. Η ισχύς της προσπίπτουσας ακτινοβολίας είναι 300mW και η διακριτική ικανότητα λαμβάνει τιμές από 1cm-1 έως 4cm-1. Ο αριθμός των διαδοχικών σαρώσεων που πραγματοποιούνται για να ληφθεί ένα φάσμα είναι 300.

18 5. Εφαρμογές της Φασματοσκοπίας Raman στην αρχαιολογία. [V] 5.1 Φασματοσκοπία Raman σε πολύτιμους λίθους Η φασματοσκοπία Raman είναι μια μέθοδος για την ταχεία, μη καταστροφική ταυτοποίηση ορυκτών. Το rockhound είναι ενα φορητό φασματόμετρο που λαμβάνει φασματοσκοπία Raman μετά απο εργαστηριακές επεξεργασίες. Μια βιβλιοθήκη με περίπου 500 δείγματα χρησιμοποιείται για να βοηθήσει μαθητές, καθηγητές, ερευνητές στον εντοπισμό των άγνωστων πετρωμάτων, ορυκτών και εδαφών, Το rockhound είναι το μόνο φορητό φασματόμετρο Raman αφιερωμένο στις γεωλογικές επιστήμες. Ενδεικτικά μερικές εφαρμογές με το rockhound: Χαρακτηρισμός των εγκλείστων που είναι ενσωματωμένοι σε μια γεωλογική μήτρα. Αναγνώριση μετάλλων και άλλα οργανικά συστατικά εντός γεωλογικών υλικών. Μοριακή δομή και στοιχειομετρικές μελέτες. Οι προσδιορισμοί για ανόργανα και οργανικά συστατικά σε υγρά. Η ταξινόμηση και πιστοποίηση των πολύτιμων λίθων. Προδιαγραφές χαρακτηριστικών για να είναι δυνατή η φασματοσκοπία Raman: Στερεά: στόχος και λήψη στοιχείου. Υγρά: δείγμα προσκόλλησης κυττάρων για φιαλίδια 8mm, σωλήνες NMR ή MP σωλήνες. Μικροσκόπια: Προαιρετική σύνδεση μικροσκοπίου (NuScope ). Φορητότητα. - Βάρος κάτω από 5 λιβρες(2.267 kg). - Τηλεχειριζόμενη σκανδάλη. - Ασύρματη συνδεσιμότητα Bluetooth (ή USB). Μπαταρία αντοχής 5 ωρών συνεχούς χρήσης. Προδιαγραφές Εργαλείου: - Λέιζερ: 120 mw 785 nm. - Ανάλυση: 8 cm Φασματική περιοχή: cm -1. Υ/Η και λογισμικό. - Φορητό υπολογιστή. - Λογισμικό NuSpec και αναπτυγμένων βιβλιοθηκών. - Βιβλιοθήκη ορυκτών με πάνω από 500 φάσματα. Ένα χρόνο εγγύηση εργαςίας και εξαρτημάτων.

19 Το φαινόμενο Raman είναι ένα είδος σκέδασης (scattering) του φωτός. Όταν μια μονοχρωματική ακτινοβολία ( όπως π.χ. του λέιζερ-laser-) πέσει πάνω σε ένα υλικό, τότε η δέσμη σκεδάζετε με δύο κυρίως τρόπους : - σκέδαση Rayleigh, πολύ έντονης έντασης και έχει την ίδια ενέργεια με τη μονοχρωματική δέσμη (ελαστική σκέδαση). - σκέδαση Raman, πολύ ασθενούς έντασης (περίπου 1000 φορές ασθενέστερη από τη σκέδαση Rayleigh) και σε ενέργειες ελαφρώς διαφορετικές με τη μονοχρωματική δέσμη (ανελαστική σκέδαση). Η σκέδαση Raman δημιουργείται συμμετρικά στη σκέδαση Rayleigh, είτε σε ενέργειες ελαφρώς μεγαλύτερες E+e (σκέδαση Raman anti-stokes) είτε σε ελαφρώς μικρότερες E-e (σκέδαση Raman Stokes, πιο πιθανή από την προηγούμενη). Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το παραπάνω φαινόμενο. Η σκέδαση Rayleigh βρίσκεται στα 514 nm (19435cm - 1 ). Η σκέδαση Raman anti-stokes δημιουργείται σε ενέργειες ελαφρώς μεγαλύτερες, άρα μήκη κύματος και κυματαριθμούς ελαφρώς μικρότερα (με μετατόπιση αρνητική για το κυμματαριθμό) και η σκέδαση Raman Stokes το αντίστροφο. Η σκέδαση Raman Stokes είναι εντονότερη από τη Raman anti-stokes. Τα πιο πολλά όργανα μετράνε τη θετική Φάσμα μέτρησης του φαινομένου Raman σε κροκο ί τη μετατόπιση Raman. Οι διαφορές (shift) e ανάμεσα στην ενέργεια της μονοχρωματικής ακτινοβολίας και στην ακτινοβολία Raman αντιστοιχεί σε δονήσεις μορίων του υλικού. Έτσι σε κάθε φάσμα παρατηρείται η ένταση (Intensity) των κορυφών σε τυχαίες μονάδες (a.u.:arbitrary units), με τη μετατόπιση Raman (Raman shift) η οποία μετριέται με κυματαριθμούς (wavenumbers, cm -1 ). Παρατηρώντας τις δονήσεις αυτές είναι λοιπόν δυνατό να χαρακτηρισθεί το υπό μελέτη υλικό. Η διακριτική ικανότητα των φασμάτων επιλέγεται από το διάφραγμα (slit), το ολογραφικό δίκτυο (holographic grating) και το μήκος κύματος διέγερσης, και μετράται σε κυματαριθμούς. Στα όργανα Raman με μετασχηματισμούς Fourier -FTRaman- η διακριτική ικανότητα

20 ρυθμίζεται απευθείας. Η φασματοσκοπία Raman είναι συμπληρωματική της αντίστοιχης του υπερύθρου γιατί πολλές δονήσεις μορίων είναι ενεργές στην πρώτη αλλά όχι στη δεύτερη και αντίστροφα. Η πιο συνηθισμένη μη καταστρεπτική τεχνική ελέγχου αυθεντικότητας είναι η γνωστή ακτινογραφία Χ όπως και η φασματοσκοπία micro-raman. Οι τεχνικές αυτές είναι μη παρεμβατικές αφού δεν αλλοιώνουν το υλικό και μπορούν να ανιχνεύσουν, για παράδειγμα, την ύπαρξη χρωστικών ή ασυνήθιστων χημικών ενώσεων στην επιφάνεια του μαρμάρου. Η τεχνική XRF εφαρμόζεται σε πολλά εργαστήρια της Ελλάδας σήμερα και είναι εύκολο να εντοπίσει κανείς κάποιο Πανεπιστήμιο ή ερευνητικό κέντρο που την εφαρμόζει σε μελέτες πολιτιστικής κληρονομιάς ή κάποια υπηρεσία του Υπουργείου Πολιτισμού. Eπίσης τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί τεχνική των εικόνων και η επιστημονική μελέτη τους. Τα υλικά από τα οποία αποτελείται μια εικόνα είναι οργανικής και ανόργανης προελεύσεως. Ενώ η ταυτοποίηση των ανόργανων υλικών είναι μια υπόθεση ρουτίνας, ο χαρακτηρισμός των οργανικών μέσων είναι ακόμα μια πολύπλοκη διαδικασία. Επιπλέον, το να ληφθεί ένα δείγμα από μια εικόνα είναι μια προβληματική διαδικασία από τη στιγμή που επηρεάζει την ακεραιότητα του έργου. Συνήθως η ποσότητα που απαιτείται είναι τουλάχιστον 1 μικρογραμμάριο ξύσματος από το ζωγραφικό στρώμα. Η μεθοδολογία της παρούσας μελέτης βασίστηκε τόσο στην περιπλοκότητα της ανάλυσης ενός δείγματος ζωγραφικής, όσο και στον περιορισμό του μεγέθους του δείγματος, προκειμένου να εξασφαλιστεί το μέγιστο ποσοστό πληροφοριών από κάθε δείγμα προς ανάλυση. Έτσι λοιπόν αναπτύχθηκε ένα αναλυτικό πρωτόκολλο μελέτης και ανάλυσης το οποίο θα έδινε πληροφορίες τόσο για τα ανόργανα όσο και για τα οργανικά υλικά από το κάθε μοναδικό δείγμα. Σκοπός ήταν αρχικά να ανιχνευθούν οι χρωστικές που χρησιμοποίησε ο εκάστοτε ζωγράφος και στη συνέχεια να ταυτοποιηθεί και το συνδετικό μέσο με το οποίο αναμειγνύονταν τα χρώματα. Ως εκ τούτου, η ανάλυση ξεκίνησε με μη καταστρεπτικές τεχνικές για τη συλλογή όσο το δυνατόν περισσότερων πληροφοριών προτού το κάθε δείγμα υποστεί επεξεργασία για να χρησιμοποιηθεί για καταστρεπτικές τεχνικές όπως αυτή της αέριας χρωματογραφίας. Έτσι λοιπόν, το αναλυτικό πρωτόκολλο περιελάμβανε την αναγνώριση των χρωστικών με τη χρήση της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας με ακτίνες Χ (SEM- EDX), την αναγνώριση των χρωστικών και των οργανικών υλικών με υπέρυθρη φασματοσκοπία (μftir) και, όπου θεωρούνταν απαραίτητο, χρησιμοποιούνταν η τεχνική Raman για τη συλλογή του ίδιου τύπου πληροφοριών και τέλος για τον ακριβή χαρακτηρισμό των οργανικών συνδετικών υλικών χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της αέριας χρωματογραφίας. Σε περιπτώσεις όπου η συλλογή δείγματος δεν ήταν εφικτή, και υπήρχαν ορατές φθορές, συλλεγόταν κάθετη τομή προκειμένου να μελετηθεί στο ορατό μικροσκόπιο και να γίνει μια σειρά μικροχημικών τεστ που έχουν τη δυνατότητα να δώσουν ενδείξεις για την ταυτότητα του οργανικού υλικού.