A che serve il Raman?

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Luigi Campanella, ex Presidente SCI

Il termine biogenico proviene dalle parole greche bios (forma di vita) e gennan (produrre) e si riferisce a qualcosa di prodotto e comunque proveniente da un organismo vivente: qualcosa che viene cioè prodotta durante un processo biologico.

I materiali biogenici possono essere sostanze chimiche organiche o inorganiche, formazioni cristalline, miscele gassose, secrezioni vegetali o animali o umane. Il tessuto è un livello intermedio di organizzazione cellulare fra la cellula e l’organismo completo; si tratta di un insieme di cellule simili fra loro aventi la stessa origine e che insieme provvedono ad una certa funzione. A causa della pletora e diversità di composti presenti negli organismi biologici la loro identificazione è piuttosto difficile da eseguire. In molti casi , anche a causa della somiglianza fra i composti, la natura dell’informazione che il ricercatore sta cercando di acquisire, ad esempio l’esatta locazione di un materiale in un tessuto o le sottili variazioni indotte in una biomacromolecola quale il collagene risultano inaccessibili con la maggior parte delle tecniche analitiche comuni.

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Sir Chandrasekhara Venkata Raman, 1888-1970

La spettrometria Raman può in questi casi essere di grande aiuto. A dispetto del segnale Raman piuttosto debole, la tecnica può offrire grandi vantaggi. Come una tecnica vibrazionale uno spettro Raman può servire per identificare un composto come uno spettro IR, ma non come la spettroscopia IR. La spettroscopia Raman non ha problemi in presenza di acqua, un composto abbondante nei tessuti ma caratterizzato da un segnale Raman molto debole.

Altri vantaggi includono la capacità di mappatura di un’area del tessuto analizzato e la differenzazione fra polimorfi e pseudo polimorfi. Una recente applicazione ha riguardato i calcoli urinari, si tratta di concreti o di aggregati cristallini presenti nell’urina formati nel rene da minerali presenti nella dieta. Le differenze spettrali Raman per molti composti simili,come l’ossalato di calcio monoidrato e diidrato, coesistono nei calcoli e possono con la spettroscopia Raman essere differenziati. Un caso ancora più difficile è quello della deposizione di multistrati dei due ossalati suddetti di idrossiapatite e fosfato di calcio diidrato. La spettroscopia Raman riesce ad eseguire la mappatura della superficie del materiale analizzato in modo assolutamente non distruttivo ottenendo risultati in pieno accordo con quelli ottenuti mediante l’IR in trasformata di Fourier e la diffrazione X. La spettroscopia Raman fornisce bande strette e distinte in contrasto con quelle dell’IR. L’analisi in situ con i raggi X non è consigliabile in quanto richiede la triturazione del campione.

Altre possibili applicazioni della letteratura recente riguardano l’analisi delle ossa. Le ossa sono un materiale composito che consiste di cristalli di bioapatite (un analogo biologico della idrossiapatite) inglobato in una rete di collagene. L’osteoporosi è una malattia metabolica delle ossa che affligge l’integrità scheletrica, riduce la loro forza e porta a frequenti fratture. La composizione delle ossa può essere valutata mediante spettroscopia Raman confrontando le intensità delle bande della componente inorganica con quelle della componente organica. Nell’osteoporosi questi rapporti sono minori del valore normale e tendono a diminuire col tempo. Un’altra analisi Raman è quella della cartilagine, un tessuto connettivo flessibile trovato in molte aree del corpo umano e di altri animali, incluse le giunture fra le ossa. L’osteoartrite è una condizione patologica che produce danno alle giunture, in particolare della spalla e del ginocchio fino alla degenerazione ed al danno dell’osso. La spettroscopia Micro Raman è stata usata per lo studio della osteoartrite della testa del femore umano. Diviene diagnostica una particolare banda intorno a 1657-1668 cm-1 misurata spostando il punto d’osservazione verso la testa del femore e dalla superficie esterna verso l’interno.

 Nota del Blogmaster.

Le spettroscopie analizzano la materia a partire dalla sua interazione con la luce. La spettroscopia Raman pur lavorando nei medesimi intervalli di lunghezza d’onda è finemente diversa dalla spettroscopia visibile, infrarossa o ultravioletta tradizionale; essa è una spettroscopia che misura il segnale diffuso non assorbito o trasmesso ed inoltre si basa su un fenomeno denominato diffusione anelastica, ossia che lascia il sistema in uno stato diverso da quello iniziale, a differenza del più comune processo di diffusione elastica in cui dopo l’urto con la radiazione il sistema ritorna allo stato di partenza riemettendo la radiazione assorbita. Le principali differenze fra le due spettroscopie sono elencate qui sotto (sopra Raman e sotto Infra-rosso):

7 differenze fra i metodi spettroscopici IR e Raman.

Raman
IR
1
Raman:Dovuta alla diffusione della luce da parte di molecole che vibrano
IR: Dovuta all’assorbimento della luce da parte di molecole che vibrano
2
Raman: La vibrazione è attiva nel Raman se cambia la polarizzabilità (ossia la suscettibilità ad essere polarizzato)

IR: La vibrazione è attiva nell’IR se cambia il momento di dipolo durante la vibrazione (ossia la posizione relativa dei centri delle cariche positive e negative)

3
Raman: La molecola non deve per forza avere un momento dipolare permanente

IR: La vibrazione interessata dovrebbe generare un cambiamento nel momento  dipolare permanente.
4
Raman: L’acqua si può usare come solvente

IR: L’acqua non si può usare come solvente, a causa dell’intenso assorbimento
5
Raman: La preparazione del campione non è elaborata, si possono usare campioni in ogni stato fisico

IR:La preparazione del campione è elaborata e i campioni gassosi sono complessi da analizzare
6
Raman: Dà una indicazione sul carattere covalente della molecola

IR: Dà una indicazione sul carattere ionico della molecola
7
Raman: Costo dello strumento molto alto

IR: Costo relativamente basso

6 thoughts on “A che serve il Raman?

  1. Il costo di uno strumento Raman è molto diminuito negli ultimi anni, fino a 20000 EUR circa per uno strumento base, grazie allo sviluppo di filtri che evitano l’uso di un doppio monocromatore, ed allo sviluppo di laser allo stato solido. Quindi il costo è superiore a quello di un IR di pari sofisticazione, ma non tanto di più. Il problema piuttosto è che ottenere uno spettro Raman può non essere banale, e richiede in generale una persona esperta (un laureato, almeno presso una Università dove l’effetto Raman viene fatto studiare). E questo costa molto di più di un tecnico..
    (Questa osservazione l’ho avuto da un rivenditore di strumentazione Raman, che mi ha appunto spiegato perché il Raman, almeno in Italia, non è usato a livello industriale).

    Correggerei un momento il punto 3. Raman: La molecola non deve per forza avere un momento dipolare permanente, sembra che per l’IR questo sia necessario, come sembra essere affermato nella frase successiva. Invece, per osservare una vibrazione all’IR occorre che questa generi un momento di dipolo oscillante, cosa che può avvenire anche per una molecola che non ha momento di dipolo permanente. Esempio classico la CO2, il cui stiramento antisimmetrico è chiaramente visibile in IR (anzi è un “disturbo” da parte della CO2 contenuta nell’aria).

    • Francamente trovo interessante il commento per il tipo di osservazione che contiene che,però,non mi è completamente chiara nel suo aspetto correttiv rispetto a quanto da me scritto.Ma forse è colpa mia! Luigi Campanella

    • Caro Alberto ringraziandoti per le utili osservazioni, aggiungo che la frase che citi già dice ESATTAMENTE quel che affermi: “La vibrazione è attiva nell’IR se cambia il momento di dipolo durante la vibrazione “, e al punto successivo: “La vibrazione interessata dovrebbe generare un cambiamento nel momento dipolare permanente”; ergo se non c’è, se è zero per esempio inizialmente, si genera esattamente come avviene nel bending (piegamento) CO2 o nello stretching (allungamento) asimmmetrico che sono attivi in IR; mentre in quello simmetrico non c’è prima e non si genera nemmeno dopo, ergo la banda è inattiva all’IR.

      • Non ho detto che la frase fosse sbagliata, secondo me era ambigua, dato che per me aggiungere la parola “permanente” a “momento di dipolo” significa che la molecola ha momento di dipolo nella posizione di equilibrio, cioè indipendentemente dalla vibrazione. Ma riconosco anche che per altri “permanente” è messo in antitesi a “indotto”. Però se si omette permanente, sempre secondo me, non si perde informazione e l’ambiguità è tolta.

  2. Tra i primi utilizzatori della spettroscopia Raman in Italia va ricordato Giovanni Battista Bonino (Genova, 1899-1985), che per molti anni fu professore di Chimica Fisica a Bologna. Presentò il lavoro “Les spectres Raman en chimie organique” nell’ottobre 1937, a Parigi.

  3. Recentemente la Farmacopea Americana ha aggiornato e prodotto nuove
    monografie specifiche su Raman. Tali analisi rivestono sempre più importanza nel settore farmaceutico
    I Capitoli relativi sono 851 e 1120

    Saluti
    Dr. Sandro D’Ascenzi

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