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El efecto Raman y sus aplicacionesF. Rull Universidad de Valladolid Centro de Astrobiología UNIVERSIDAD DE VALLADOLID UNIDAD ASOCIADA UVA-CSIC AL CENTRO DE ASTROBIOLOGIA (Associated to NASA Astrobiology Institute) COSPAR School on Crystallography for Space Sciences, Puebla, Mexico 17-29, Abril 2016

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“El efecto Raman y sus aplicaciones”

F. Rull

Universidad de Valladolid

Centro de Astrobiología

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID UNIDAD ASOCIADA UVA-CSIC AL CENTRO DE ASTROBIOLOGIA

(Associated to NASA Astrobiology Institute)

COSPAR School on Crystallography for Space Sciences, Puebla, Mexico 17-29, Abril 2016

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Raman called this effect “secondary radiation induced by the light”

(publication of the discovery in the Calcuta’s newspapers on February 28th 1928) A New Type of Secondary Radiation C. V. Raman and K. S. Krishnan, Nature, 121(3048), 501, March 31, 1928

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Chandrashekhara Venkata Raman was born in Tiruchirappally (Tamil-Nadu, INDIA) on November 7th 1888. The second of eight childrens of R. Chandra Shekhar Iyer and Parvathi Ammal. He was a brilliant student at the Presidency College in Madras. In 1905 published his two first papers in the Philosophical Magazine. He combined an efficient work in business with the scientific activity. Died on November 11th 1970.

Einstein wrote: "C.V. Raman was the first to recognise and demonstrate that the energy of photon can undergo partial transformation within matter. I still recall vividly the deep impression that this discovery made on all of us... ."

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El efecto Raman:

Un descubrimiento “coordinado” ??

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From 1913 Mandelstam and Landsgber in Russia performed similar studies using crystals, mainly quartz. On 21 of February 1928 at the Moscow State University they observed for the first time the “secondary radiation”. But the first publication appears several months later (Naturwissenschaften, on 13 of July). By that time Raman had performed a worldwide diffusion of the discovery. This was not well accepted by the Soviet system. Mandelstam in particular was punished….

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Also at that time, several French physicists also studied the scattering of light in gaseous phases. Mainly: Alfred Kastler, Pierre Daure, Jean Cabannes and Yves Rocard. These three last physicists discover the Cabannes - Daure effect and publish the results in March-April 1928.

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Espectrógrafo_Kirchhoff_Bunsen_1823 Primer espectrógrafo usado por Raman

Espectro Raman CCl4

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1938

1950

1960

1970-90

2000

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All these characteristics leaded to the idea that Raman spectroscopy could be a powerful technique for planetary exploration and in particular for detailed surface analysis on Mars

Precedent developments Instrument for MER 1998 Larry Haskin A. Wang

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Raman en ExoMars y su evolución

2003: se presentaron 3 instrumentos Espectrómetro Raman-LIBS combinado: Fernando Rull (España/Francia/Inglaterra) Espectrómetro Raman J. Popp (Alemania) Espectrómetro LIBS E. Jessberger (Alemania)

La ESA propuso aunar a los tres equipos: Se formó el consorcio Raman-LIBS; Investigador Principal Fernando Rull, Co-IP Sylvestre Maurice

El principal reto tecnológico era ser capaz de desarrollar un espectrómetro combinado para ambas técnicas- ESA convocó una ITT que ganó un consorcio industrial liderado por TNO (Holanda) con el apoyo científico del IP.

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Kirchhoff_Bunsen_1823 Raman first spectrograph 1928

Raman Spectrum CCl4

Larry Haskin et al. 1998 Rull-UVA-BB 2003

Rull-UVA-BB/NTE 2005

S. Sharma 2008

Raman Transmission Spectrometer Heritage

rls-int-tn-006-DraftB

PM#7 2009

RLS-2011

Rull-UVA- Lidax 2011

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El instrumento RLS (estado actual)

SPU

iOH

ICEU

Laser CT

OH

Masa

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50X

10X

Interesting feature detected (MicrOmega)

• 1D sampling: along one line • 2D mapping: • Smart Collaborative science in coordination with other instruments

•Simulator General Description • XYZ positioners. 2.5µm resolution • Two cameras and objectives with a beamsplitter • Illumination system • Transmission Spectrometer and 532 nm laser • Raman iOH

Raman goes to the spot

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Liquid refrigeration down to -40ºC Prepared for LN2 refrigeration down to 77K

(-196ºC) Martian pressure and CO2 atmosphere 12x30x1 mm3 viewport ExoMars-like sample container in copper

integrated with refrigeration subsystem Flattener tool with angle selection

Mars environmental chamber & Simulator at UVA

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The Raman effect ?

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The general process

hω0

K0

K

λ / cm

ω / s-1

lKl = 2π/λ (cm-1)

ω=1/T=c/λ

ν= lKl = 2π/λ=2πω/c

K0

K K- K0

hω0 = hω (Elastic) lK0 l= lKl

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ABSORCION EN EL INFRARROJO

Rot. + Vib.

% T = 100 I / I0

Transmitancia

A = - log (%T / 100)

Absorbancia

Ley de Lamber-Beer

A = a.b.c Ab. molar Espesor

Concentración

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RAMAN Scattering

Laser

ω0 ω0

ω0

V2 V1 V0

Eo

E1

S R AS

ω0+∆ω ω0−∆ω

I(v) = K [α] 2

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Los fenómenos observados y por tanto la información obtenida no depende de la materia, solo de la radiación.

Tipo λ Ε Mecanismo

R-X 1 A 10E4 eV Difracción, no espectroscopía Neutrones 1 A 0.1 eV Difracción, espectroscopía Electrones 0.05 A 10E5 eV Difracción, no espectroscopía Fotón Optico 10E4A 0.1 eV No difracc., espectroscopía Fotón IR 10E5 A 0.1 eV No difracc., espectroscopía

La distancia interatómica es del orden de 1 A y el valor de las excitaciones vibracionales del orden de 0.1 eV

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Vibracional Spectroscopy

IR RAMAN

V1

V2

V0

e0

e1

Nas/Ns=(gas/gs) exp (-∆E/KT)

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Classical Approach to the Raman effect When a molecule is subjected to the electric field E = E0cosωt of

electromagnetic radiation, the dipolar moment of the molecule p is given by:

p = µ0 + [α]E

If the movement is described by qn (t) = qn0cos(ωnt),

[ ]ttqq

E

tqq

tEp

nnn

Q

n n

nn

Q

n n

)cos()cos(21

)cos()cos()0(

001

0

001

00

ωωωωα

ωµωαµ

−++

∂∂

+

∂∂

++=

=

=

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Long D. 1977

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The matter is intrinsically DYNAMICS

V(r) = -A/rm+B/rn

V(r) = k r2/2

ω = 1/2π(k/µ)1/2

T=E+V

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Basic question : description of vibrations

Displacement coordinates ∆r = r-ro

ro

r

∆r

O

Σ ri Σ ri

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1

2 3

x

y

y

x

y

x

∆ri = ri - roi

i = 1,2,3

∆xi

∆yi

∆zi

Total = 3N Coordinates of motion

3N-6 are vibrations 6 are whole motions

Cartesian Coordinates

Normal coordinates Qi

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Descripción del Movimiento

A - Cada átomo se mueve con diferente ωi

B - Para cada frecuencia el conjunto se mueve sincrónicamente pero con diferentes amplitudes

( B ) Concepto de coordenada normal Q

Frecuencia propia ω

Nº de Qi = 3N-6

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Coordenadas Cartesianas ( xi ) (3N)

Coordenadas internas ( ∆r, δφ, δτ )

Significado físico Relación con potenciales Eliminan 6 movimientos (3N-6)

Coordenadas de simetría ( Si )

Reducen la ecuación secular Describen la simetría del movimiento Permiten establecer las reglas de selección (IR, Raman) Se corresponden biunivocamente con las normales Se puede usar el formalismo de la teoría de grupos

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The cartesian coordinates description

∆ri = ri - roi

∆xi ∆yi ∆zi

The internal coordinates description

3N

3N-6

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The symmetry properties Α3

Α1 Α2

r2 r1 φ

C2

σv σh

1)(1 0 00 0 10 1 0

2

3

2

1

3

2

1

=→

=

C

AAA

AAA

χ

1)(1 0 00 0 10 1 0

21

2

2

1

=→

∆∆∆

=

∆∆∆

Cr

rrr

χφφ

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In the description of the molecular vibrations by the symmetry coordinates, the first step is the knowledge of the point group of symmetry of the molecule. The symmetry operations of this group are supposed to act not only on the positions but also on the displacement coordinates and their velocities. Consequently, T and V are invariant by the group. The second step is the knowledge of the irreducible representations (I.R.) of the group. These are tabulated for all point groups and are represented by tables known as the group character tables (Wilson et al., 1955; Ferraro & Ziomek, 1969; Nakamoto, 1986; Cotton, 1983; Poulet & Mathieu, 1970). In the third step we state that the set of k normal coordinates Qik associated with a natural frequency ωi form a basis for a R.I. of the G symmetry group of the molecule i.e. there is a bi-univocal correspondence between: normal coordinates, I.R. of the group G, the species of symmetry, the coordinates of symmetry.

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S1 (A1) = 1/√2(∆r1+∆r2)

S2 (A1) = ∆φ

S3 (B2) = 1/√2(∆r1-∆r2)

The matrix U associated with this transformation S = UR is an orthogonal transformation (UUt = E).

The matrix U associated with this transformation S = UR is an orthogonal transformation (UUt = E).

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Now, knowing the U matrix that relates the internal coordinates with those of symmetry, the dynamic problem resolution can be addressed according to the GF method. The matrices of the reduced masses and force constants become:

U G U-1= Gs U F U-1= Fs

And the secular equation of the system is then written:

│ Gs Fs-λE│ = 0

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S1 = Q1

S2 = Q2

S3 = Q3

NORMAL MODES IN WATER MOLECULE

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RAMAN

Láser

Espectrómetro

Láser

Configuración a 90º

Configuración a 180º

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=

z

y

x

zzzyzx

yzyyyx

xzxyxx

PPP

EzEyEx

´´´´´´´´´

ααααααααα

X(Z X)Y Direction of propagation of the

incident light

Direction of propagation of the

scattered light

Polarization of the incident

light

Polarization of the scattered

light T.C. Damen, S.P.S. Porto, B. Tell, Phys. Rev. 142 (1960)

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RED

Espectrómetro

Cabezal Raman

Láser

CCD

Transmisión de datos

Muestra

Análisis e interpretación de espectros

ESQUEMA GENERAL

ESPECTROMETRO RAMAN

Instrumentación

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EL ESPECTRO EXPERIMENTAL

cm-1

I(v)

Información Número de bandas Parámetros de banda

Posición / Nº de onda (v) Intensidad (I) Anchura (A) Intensidad integrada S(v) Anchura Integrada (β) Perfil de banda (G/L) Factor de forma del perfil

APLICACIONES - Analíticas - Estructurales

I (v) = Distribución espectral de Intensidad

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APLICACIONES ANALITICAS Identificación de sustancias Cuantificación

APLICACIONES ESTRUCTURALES Análisis de los modos de vibración Asignación de modos (Geometría, GE, GP) Perturbaciones al espectro (Dinámicas, Estructurales)

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Aplicaciones

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1 2

5 3 4

1 2

3 4 5

COL93 MCR2

ATR (puntos verdes), Raman (puntos rojos)

Raman

Espectros comparativos

ECCS

COL-93

MCR2

Ciencia y tecnología de materiales

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Rio Tinto

SO42-

PI- HSO4-

PI-Fe2+-SO42-

SO42-

HSO42-

pH 1.72

Trasaltar Catedral de Burgos

Altamira

Pulpi

El Soplao

Gustav Klimt

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El Hombre de los Alpes

ICEMAN

HOMBRE ACTUAL

Iglesia de Basconcillos del Tozo, Burgos, Siglo XIV

Cinabrio – Jesús Lazurita – La Virgen Cinabrio/minio- Sta. Ana Minio/ocres- Apóstoles Ocres+ carbón- Otras figuras

BEATOS

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El Beato de Valcavado, Saldaña (Palencia) fue escrito por el monje OBECO bajo el mandato del abad SEMPRONIO en el verano de 970 (Entre el 8 de Junio y el 8 de Septiembre). Consta de 230 folios y faltan 14

Minio ( Pb3O4)

Oropimente (As2S3

Cinabrio(HgS)

Verdigris (cardenillo)

Oropimente + Indigo

Pagina 59 RV

Página 17. Reverso

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Muchas gracias