Spektroskopi Raman dan Kegunaannya

Spektroskopi Raman dinamai penemunya ‘Sir C.V. Raman’, yang menemukannya pada tahun 1928. Prinsip kerja spektroskopi berdasarkan teknik analisis kimia yang memberikan informasi rinci tentang struktur molekul tanpa menyebabkan perubahan fisik dan kimia. Alat ini mempelajari mode getaran bersama dengan mode translasi dan rotasi molekul. Pada tahun 1930, ‘Sir C.V. Raman’ menerima hadiah Nobel untuk Fisika untuk karyanya tentang hamburan cahaya dan penemuan efek Raman.

Prinsip Spektroskopi Raman

Spektroskopi Raman bekerja berdasarkan prinsip hamburan Raman. Ketika radiasi monokromatik mengenai sampel, radiasi yang dipantulkan diserap, atau dihamburkan. Foton cahaya yang dihamburkan memiliki frekuensi yang berbeda dengan foton datang karena adanya perubahan sifat vibrasi dan rotasi molekul, yang mengakibatkan perubahan panjang gelombang datang dan cahaya yang dihamburkan.

Perubahan frekuensi foton datang dan foton tersebar ini dikenal sebagai pergeseran Raman. Ketika foton yang tersebar memiliki lebih sedikit energi, maka panjang gelombang yang lebih panjang dari foton datang, itu disebut hamburan Stokes. Ketika foton yang tersebar memiliki lebih banyak energi, maka panjang gelombang yang lebih pendek dari foton datang, itu disebut hamburan anti-stokes

Bagaimana Spektroskopi Raman Bekerja?

Fenomena Spektroskopi Raman mencakup interaksi cahaya dengan ikatan kimia di dalam molekul. Ketika seberkas cahaya berintensitas tinggi jatuh pada molekul maka ia akan tersebar ke arah yang berbeda. Sebagian besar cahaya yang dihamburkan memiliki panjang gelombang yang sama dengan cahaya datang, ini disebut hamburan Rayleigh. Sejumlah cahaya dihamburkan pada panjang gelombang yang berbeda, ini disebut hamburan Raman.

Hamburan Rayleigh tidak memberikan informasi apapun tetapi hamburan Raman memberikan spektrum Raman yang terdiri dari sejumlah puncak yang mewakili intensitas dan posisi panjang gelombang dari cahaya hamburan Raman. Setiap puncak menunjukkan energi vibrasi spesifik yang terkait dengan ikatan molekul. Dengan cara ini, spektroskopi Raman membantu menafsirkan struktur kimia suatu molekul.

Penggunaan Spektroskopi Raman

Spektroskopi Raman digunakan di berbagai bidang untuk analisis kualitatif dan kuantitatif molekul karena memberikan informasi dengan sangat mudah dan cepat. Berikut adalah beberapa bidang utama di mana spektroskopi Raman banyak digunakan.

Ilmu Kehidupan

Identifikasi dan Klasifikasi Sel

Spektroskopi Raman memainkan peran penting dalam identifikasi dan klasifikasi sel karena menggunakan sinar laser yang menghasilkan sinyal unik pada berbagai panjang gelombang yang dapat digunakan lebih lanjut untuk mengidentifikasi molekul tertentu seperti asam nukleat, protein, gula, dll.

Proses ini dilakukan dengan membombardir sinar laser pada sel tunggal dan tergantung pada sifatnya, sel dapat menyerap, memantulkan, atau menyebarkan gelombang cahaya yang akhirnya menghasilkan pola yang dikenal sebagai spektrum Raman, ini sering disebut sebagai tanda tangan atau sidik jari sel.

Biosensor

Perubahan perilaku sel yang terjadi pada interaksinya dengan agen beracun dapat diamati dengan bantuan Spektroskopi Raman. Agen toksik yang berbeda memiliki efek yang berbeda pada sel hidup, yang menghasilkan spektrum Raman yang berbeda. Versi spektroskopi Raman yang lebih maju seperti Spektroskopi Raman yang disempurnakan permukaan (SERS) dan spektroskopi Raman anti-stok koheren (CARS) juga digunakan saat ini untuk menganalisis sel hidup. Teknik ini meningkatkan sinyal Raman dari ikatan molekul yang ada dalam sel dan banyak digunakan dalam pengembangan sensor dan biosensor.

Analisis sel punca

Terapi Sel Punca adalah teknologi medis yang banyak digunakan yang dapat digunakan untuk menyembuhkan banyak penyakit kronis seperti diabetes, penyakit Parkinson, dan penyakit kardiovaskular. Proses terapi ini melibatkan penggantian sel dan jaringan yang rusak dengan yang sehat.

Transplantasi sel punca hematopoietik adalah terapi sel punca yang paling banyak digunakan, sel induk dalam transplantasi ini biasanya diperoleh dari sumsum tulang atau tali pusat. Teknologi ini menggunakan spektroskopi Raman untuk mendapatkan sidik jari sel karena sel yang berbeda dikhususkan untuk melakukan fungsi tertentu, yang dengan bantuan spektroskopi mikro Raman dapat dideteksi dengan mudah.

Untuk Mendiagnosis Penyakit

Dengan bantuan spektroskopi Raman, penyakit dapat didiagnosis karena komposisi molekul sel sehat berbeda dengan sel yang sakit. Spektroskopi Raman mampu mendiagnosis baik sampel jaringan maupun sampel darah. Ketika sinar laser melewati sampel yang perlu didiagnosis, cahaya yang tersebar yang frekuensinya berbeda dari cahaya datang diamati.

Cahaya yang tersebar terdiri dari cahaya yang tersebar Rayleigh dan Raman. Frekuensi cahaya datang dan cahaya hamburan Raman berbeda. Perbedaan antara intensitas cahaya hamburan Rayleigh dan intensitas cahaya hamburan Raman disebut pergeseran Raman dan pergeseran ini mewakili frekuensi getaran sampel molekul yang sedang dipelajari.

Setiap ikatan molekul memiliki frekuensi getaran yang berbeda, sehingga sidik jarinya juga unik dan sidik jari ini membantu dalam mendiagnosis penyakit pada sel hidup. Saat ini, berbagai alat diagnostik klinis berdasarkan prinsip spektroskopi Raman ini digunakan untuk mendeteksi penyakit. Teknik terbaru seperti Tip-enhanced Raman Spectroscopy (TERS) dan Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) mampu menyelidiki interaksi pengikatan Protein-ligan.

Memantau kandungan Protein, Lipid, dan Asam Nukleat

Spektrum Raman memberikan informasi lebih rinci tentang berbagai biomolekul seperti protein, lipid, dan asam nukleat daripada spektrum inframerah. Pita spektrum Raman lebih tajam sedangkan pita spektrum inframerah lebih luas, sehingga kita mendapatkan hasil yang lebih baik dengan menggunakan spektroskopi Raman. Oleh karena itu, spektroskopi Raman lebih bermanfaat untuk analisis rinci biomolekul kompleks.

Analisis sel tunggal

Seni dan Arkeologi

Karakterisasi pigmen memainkan peran penting dalam mendeteksi usia dan kualitas artefak yang ditemukan di berbagai situs arkeologi. Analisis kuantitatif dan kualitatif senyawa anorganik dan organik dapat dilakukan dengan menggunakan spektroskopi Raman. Ini adalah alat analisis yang banyak digunakan karena sifatnya yang sangat sensitif yang memungkinkan kita mendeteksi pigmen seperti klorofil, karotenoid, dan banyak pigmen mikro-biologis lainnya. Saat ini, instrumen portabel mini berdasarkan prinsip spektroskopi Raman juga tersedia untuk mendeteksi pigmen mikroba yang berbeda.

Keramik dan Batu Permata

Struktur keramik sangat kompleks, tetapi dengan bantuan berbagai teknik spektroskopi Raman, kita dapat mempelajarinya dengan mudah. Secara tradisional, berbagai metode seperti uji sinar UV, uji gores, uji konduktivitas, uji kabut, dan uji panas digunakan dalam analisis batu permata yang terkadang mengakibatkan distorsi batu permata, sedangkan spektroskopi Raman adalah metode yang cepat dan murah. metode yang dapat menganalisis batu permata tanpa mengganggu sifat fisik dan kimianya.

Spektrum permata Raman membantu ahli permata untuk menentukan asal dan sifat kimianya dengan membandingkannya dengan spektrum perpustakaan permata yang diperoleh dari berbagai sumber. Hal ini dimungkinkan untuk mengidentifikasi semua batu permata menggunakan teknik spektroskopi Raman khusus yang melibatkan tiga sumber cahaya.

Lukisan, Pewarna, dan Pengikat

Spektroskopi Raman digunakan untuk menganalisis berbagai pigmen anorganik yang ada dalam cat dan pewarna. Ini juga digunakan untuk mengidentifikasi pigmen individu yang digunakan dalam lukisan untuk mendapatkan wawasan tentang karya seniman.

Beberapa teknik canggih seperti Surface-Enhanced Resonance Raman Spectroscopy (SERRS) digunakan untuk sampel yang memiliki diameter sangat kecil (bahkan kurang dari 25 mikrometer) yang membantu dalam mengidentifikasi pewarna organik yang ada dalam patung, pewarna, dan lukisan.

Temuan Arkeologi

Alasan utama mengapa spektroskopi Raman digunakan dalam analisis bahan arkeologi adalah karena tidak mencemari benda karena tidak bersentuhan langsung dengannya, tidak seperti metode tradisional kuno saat menyelidiki benda kuno. Dengan cara ini, kita dapat mengetahui berbagai kandungan yang ada pada barang-barang kuno tanpa mengganggu dan merusaknya serta melindungi warisan budaya kita.

Kimia, Geologi, dan Mineralogi

Pemantauan Reaksi

Spektroskopi Raman dapat menyediakan data reaksi kimia secara real-time. Ini memberikan informasi rinci tentang proses kimia tanpa mengganggu reaksi. Juga, proses pengambilan sampel dan pendinginan tidak diperlukan. Dalam proses pemantauan reaksi, spektrum Raman dari reaktan, produk, dan pelarut diamati.

Mengidentifikasi Struktur Molekul

Setiap molekul memiliki spektrum uniknya sendiri, spektrum Raman menyediakan semua informasi mode vibrasi dan rotasi molekul yang membantu mengidentifikasi struktur senyawa yang berbeda dan juga menganalisis kemurniannya. Ini juga membantu untuk memahami mekanisme pembentukan kristal.

Mengidentifikasi Mineral

Spektroskopi Raman membantu dalam identifikasi mineral yang diperoleh dari sumber alami. Ini juga membantu dalam menganalisis struktur mikro buatan manusia yang kompleks. Spektrum Raman memberikan informasi rinci seperti keberadaan ion asing, orientasi kristal, komposisi, tegangan, dan regangan, yang memberikan deskripsi fisikokimia mineral yang komprehensif.

Identifikasi Fase

Batuan alam yang diperoleh dari dalam bumi biasanya terdiri dari satu atau lebih mineral, ini juga dianalisis menggunakan teknik spektroskopi Raman. Dengan demikian, Spektroskopi Raman juga digunakan dalam studi geologi karena mampu mendeteksi perubahan fasa yang sangat kecil yang tidak dapat dideteksi oleh mikroskop optik klasik. Ini memberikan detail seperti perubahan polimorfik dan amorfisasi.

Semikonduktor

Analisis Struktur

Semikonduktor adalah komponen yang paling penting dalam mikroelektronika. Mereka digunakan dalam fabrikasi perangkat, pemrosesan mikroelektronika, dan deposisi film tipis. Karena aplikasinya yang luas, sangat penting untuk memiliki informasi lengkap tentang struktur semikonduktor.

Spektroskopi Raman memberikan analisis rinci tentang geometri dan orientasi strukturnya. Ini memberikan informasi yang tepat tentang sifat intrinsik semikonduktor, yang paling penting dalam merancang dan membuat sirkuit dan perangkat terintegrasi berkinerja tinggi yang berkualitas baik. Spektroskopi Raman juga membantu dalam menganalisis struktur superlattice yang kompleks.

Tegangan atau Regangan Intrinsik Struktur Molekul

Segala jenis tegangan dan regangan dalam molekul semikonduktor dapat dideteksi dengan mengamati pergeseran posisi pita Raman. Karena stres dan regangan ini, bentuk pita berubah, pelebaran dan deformasi pada puncak juga dapat terjadi. Efek pada spektrum Raman tergantung pada karakteristik bahan dan geometri tegangan dan regangan.

Untuk mengidentifikasi Kontaminasi

Ada kemungkinan tinggi kontaminasi semikonduktor karena berbagai alasan. Spektroskopi Raman menyediakan spektrum Raman yang kaya informasi yang dapat digunakan untuk menemukan lokasi kontaminan, dan juga membantu mengidentifikasi sumber kontaminasi.

Karakterisasi Heterostruktur

Struktur semikonduktor, yang komposisi kimianya berubah dengan posisi, disebut heterostruktur. Mereka digunakan untuk membuat perangkat digital dan analog berkecepatan tinggi. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) memberikan informasi yang berguna tentang karakterisasi Heterostruktur dan memberikan mikroanalisis kuantitatif, yang memungkinkan kita untuk memahami sifat kimianya. Ini juga menganalisis efek yang disebabkan oleh penerapan ion asing dalam heterostruktur.

Pencitraan Photoluminescence dari Semikonduktor

Photoluminescence adalah proses yang melibatkan emisi cahaya oleh material setelah penyerapan foton. Fenomena ini terjadi pada banyak material curah seperti semikonduktor yang memiliki celah pita langsung. Spektrometer Raman yang memiliki resolusi spektral tinggi digunakan dalam melakukan spektroskopi photoluminescence untuk mendapatkan informasi tentang konformasi, dan struktur solid-state semikonduktor. Jadi, spektrometer Raman dapat disebut sebagai instrumen dua-dalam-satu bila digunakan untuk melakukan spektroskopi fotoluminesensi.

Bahan Karbon

Alotrop Karbon

Spektroskopi Raman adalah alat yang ideal untuk memeriksa struktur geometris dan menentukan jenis ikatan dalam molekul karbon. Karena sifatnya yang sangat sensitif, ia memberikan wawasan tentang alotrop karbon seperti struktur fullerene dan graphene. Spektrum Raman juga dapat mengungkapkan doping dan stres dalam alotrop ini yang mungkin disebabkan oleh perubahan suhu atau tekanan.

Untuk Mengumpulkan Spektrum Carbon Nanotubes (CNT)

Karbon nanotube digunakan di berbagai bidang yang mencakup elektronik, mikroelektronika, sel surya, kapasitor super, dan dioda pemancar cahaya organik. Kemurnian nanotube sangat penting untuk keperluan industri. Sejak spektroskopi Raman adalah non-kontak dan teknik non-destruktif yang dapat dioperasikan pada suhu kamar serta di bawah kondisi lingkungan yang terkendali tanpa menyebabkan perubahan sifat intrinsik dari nanotube, itu banyak digunakan untuk mendapatkan spektrum Raman dari Nanotube dan menentukan kemurniannya. Spektroskopi Raman yang disempurnakan permukaan juga banyak digunakan akhir-akhir ini karena memperkuat sinyal Raman dan memberikan spektrum Raman yang lebih baik.

Mendeteksi Morfologi Struktural Karbon Nanomaterials Semua nanomaterial karbon memiliki struktur yang hampir sama, tetapi spektrum Raman dapat mendeteksi bahkan morfologi struktural yang kecil. Setiap puncak yang kita amati dalam spektrum Raman sesuai dengan energi vibrasi tertentu dari ikatan dalam senyawa karbon. Sensitivitas spektroskopi Raman dalam menentukan morfologi struktural menjadikannya alat yang menonjol yang digunakan oleh sebagian besar ilmuwan material yang mempelajari material nano karbon.

Farmasi dan Kosmetik

Untuk Menentukan Distribusi API

Bahan aktif farmasi (API) adalah komponen aktif dalam obat-obatan yang digunakan untuk menyembuhkan berbagai penyakit. Spektroskopi Raman membantu membedakan API dan bahan baku yang ada dalam tablet. Saat ini, tablet kombinasi yang mengandung banyak API dalam satu tablet juga diproduksi, yang memudahkan konsumen untuk menghindari stres karena mengonsumsi banyak tablet. Sebagian besar tablet kombinasi ini memiliki garis bagi dua untuk distribusi API yang sama. Pencitraan Spektroskopi Raman dapat membantu mendistribusikan API secara merata.

Pengembangan Obat Awal

Dalam ilmu biomedis, spektroskopi Raman telah muncul sebagai alat yang paling banyak digunakan. Ini membantu apoteker merancang obat inovatif dengan melakukan studi preformulasi yang mencakup analisis fisik, kimia, dan analitik dari calon obat dan mengembangkan obat yang dibutuhkan pada tahap awal.

Keseragaman Isi

Keseragaman konten melibatkan pengujian produk akhir, konsentrasi API dalam dosis harus di bawah batas yang ditentukan untuk keselamatan konsumen. Spektroskopi Raman sangat membantu dalam melakukan pengujian keseragaman kandungan karena tidak mempengaruhi kualitas produk dan dengan mudah menganalisis konsentrasi API.

Analisis Kosmetik

Saat ini, para ahli kosmetik menggunakan teknologi spektrum Raman untuk menganalisis permeabilitas produk kosmetik mereka sehingga seberapa mudah produk tertentu menyerap melalui kulit. Semakin baik permeabilitas, semakin baik produk. Ini juga digunakan untuk memeriksa setiap perubahan pada kulit yang disebabkan oleh produk kosmetik dengan menganalisis biomolekul dominan yang ada di kulit, yaitu Keratin.

Pengawasan Pasokan Obat

Teknik spektroskopi Raman secara efektif digunakan oleh polisi dan berbagai lembaga pengawasan untuk memeriksa zat ilegal terlarang karena spektrum Raman dapat dengan mudah membedakan antara dua bubuk putih yang mirip, yang mungkin terlihat persis sama di mata manusia.

Teknologi Analisis Proses (PAT)

Spektroskopi Raman adalah alat PAT yang sangat penting dalam industri farmasi. PAT adalah mekanisme yang mencakup perancangan, analisis, dan pengendalian proses pembuatan farmasi dengan mengukur parameter kritis yang mempengaruhi kualitas bahan aktif farmasi (API).

Kontrol kualitas untuk Produk Akhir

Setelah produksi produk farmasi, kontrol kualitas adalah langkah penting berikutnya. Produk akhir termasuk dosis serta eksipien; eksipien adalah zat-zat yang secara langsung tidak terlibat dalam tindakan obat tetapi ditambahkan untuk mendukung proses pembuatan. Spektrum Raman API menunjukkan puncak yang tajam, sementara eksipien tidak menunjukkan puncak yang tajam, yang memungkinkan kita menemukan konsentrasi API yang sebenarnya dan menganalisis kinerja produk akhir.