روش رامان در کنار تکنیک FTIR روشی بسیار پرکاربرد در تحلیل ساختار و پیوندهای شیمیایی مواد است. در این روش پرتوهای لیزر به نمونه تابیده شده و سپس دستگاه پرتوی پراکنده شده از نمونه را بررسی و تحلیل می کند. در حقیقت در این روش، اختلاف انرژی بین پرتوی تابیده شده با پرتوی پراکنده شده محاسبه می شود. طیف خروجی رامان همانند اثر انگشت مشخص کننده نوع پیوند است. در این مقاله اساس تکنیک رامان به صورت نسبتا مفصل بحث و معرفی شده است. همچنین در کنار ویژگی ها، مزایا و معایب روش نیز بیان شده است.
طیفسنجی رامان (Raman Spectroscopy)
اساس روش طیفسنجی رامان مطالعه بر روی نوعی از برهمکنش بین نور و ماده است. طیف سنجی رامان برای آنالیز حالتهای ارتعاشی مولکولها استفاده میشود. در این روش ساختار شیمیایی و نوع مولکولها شناسایی میشوند. در واقع طیف سنجی رامان روش غیر مخرب برای تعیین نمودن پیوندهای شیمیایی است. در طیفسنجی رامان، فوتونهای تک طول موج روی نمونه تابیده میشود. چنانچه از لیزرهای مرئی، فروسرخ و فرابنفش برای تحریک نمونه استفاده میشود. اما بیشترین استفاده را لیزر دارد. فوتونها با مولکولها برهمکنش میکنند و بازتابیده، جذب یا پراکنده میشوند.
تمرکز طیفسنجی رامان روی فوتونهای پراکنده شده است. با اندازه گیری شدت و طول موج پرتوی پراکنده شده میتوان به پیوند یا گروه عاملی موجود در نمونه پی برد. زیرا هر پیوندی انرژی خاصی داشته و طول موج پراکنده شده خاص خود را دارد. طیفهای رامان هر مولکول، منحصربهفرد است. از این رو میتوان از آن در تشخیص ترکیبات مولکولی روی یک سطح، درون یک مایع یا در هوا استفاده نمود. شمایی از اجزای دستگاه طیف سنجی رامان در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل ۱-نمایی از اجزای دستگاه طیف سنج رامان
نحوه عملکرد دستگاه رامان
قبل از اینکه چگونگی عملکرد این روش بازگو شود باید تعاریف اولیه ای شرح داده شود.
انواع پراکندگی نور
ذرات تابیده شده به نمونه میتوانند به شکل الکترون یا فوتون باشند. در پراکندگی رامان از ذرات به شکل فوتون استفاده میشود. با تابش نور به ماده، برخی از طول موجها توسط نمونهها جذب، برخی دیگر بازتاب و بقیه آنها در جهتهای گوناگون پراکنده میشوند. شدت این پراکندگی با افزایش اندازه ذرات و عدد اتمی ذرات، افزایش مییابد. موجهای پراکنده شده به دو دسته کشسان و ناکشسان تقسیم میشوند.
در پراکندگی کشسان، انرژی جنبشی سیستم حفظ میشود، اما جهت نشر نور تغییر میکند. پراکندگی می، پراکندگی رایلی و تیندال نمونههایی از پراکندگی کشسان هستند. در پراکندگی ناکشسان، انرژی جنبشی سیستم حفظ نمیشود و انرژی ذرات پس از تابش کاهش یا افزایش پیدا میکند. خطوط استوکس و خطوط آنتی استوکس از این نوع پراکندگی هستند.
پراکندگی در طیف سنجی رامان
در طیفسنجی رامان بسته به انرژی فوتون یا نور اولیه، طیفهای رامان شامل سه نوع پراکندگی زیر میشوند.
- پراکندگی رایلی
- پراکندگی استوکس
- پراکندگی آنتی استوکس
پس از تابش فوتونهای اولیه، یک فوتون با یک مولکول برهمکنش میکند. این امر موجب میشود ابر الکترونی قطبیده شده و آن را به تراز مجازی برساند. انتقال الکترون از حالت پایه به سطحهای مجازی باعث افزایش انرژی مولکول میشود. این در حالی است که مولکول تمایل دارد انرژی خود را کاهش دهد. به همین دلیل الکترون سریع به حالت پایه سقوط میکند و یک فوتون آزاد میکند. فوتون آزاد شده در هر جهتی پراکنده میشود. اگر طول موج و فرکانس پرتو پراکنده شده بدون تغییر به همان تراز برگردد، پراکندگی مورد نظر از نوع پراکندگی رایلی است. ایجاد پراکندگی رایلی بالاترین احتمال را داشته و نسبت به سایر انتقالها، شدت بالاتری دارد. اگر انتقال الکترون از سطح مجازی به سطح تراز یا ارتعاشی (نه پایه) باشد، در این صورت فرکانس پرتو پراکنده شده کاهش و طول موج افزایش پیدا کرده است. در این صورت پراکندگی استوکس ایجاد میشوند. اگر مولکول ابتدا در اولین تراز ارتعاشی قرار داشته باشد، سپس برانگیخته شود و دوباره به همان تراز انرژی پایه بازگردد، در این صورت فرکانس و انرژی پرتو پراکنده شده افزایش و طول موج آن کاهش یافته است و پراکندگی آنتیاستوکس ایجاد میشوند.
در دمای اتاق طبق توزیع بولتزمن تعداد مولکولهایی که الکترون آنها در اولین تراز ارتعاشی قرار دارند کم است و احتمال ایجاد و شدت خطوط آنتیاستوکس نسبت به استوکس کمتر است. اما با افزایش دما، تعداد الکترون های مولکولها در اولین تراز ارتعاشی زیاد میشود و احتمال ایجاد خطوط آنتیاستوکس و در نتیجه شدت خطوط آنتیاستوکس نسبت به استوکس نیز افزایش مییابد. انواع پراکندگی در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل ۲- انواع پراکندگی های فوتون.
اساس کار طیف سنج رامان
پراکندگی رامان از انواع پراکندگیهای ناکشسان است. هنگام برخورد ذرات فوتون نور به نمونه با حالتهای مختلف گاز، مایع یا جامد و برهمکنش با آن، مقدار زیادی از پرتوهای تابیده شده به شکل پراکندگی رایلی پراکنده میشوند، اما تعداد بسیار کمی از این پرتوها با انرژی متفاوت در حالت ناکشسان به شکل پراکندگی رامان، پراکنده میشوند. که این تفاوت انرژی ناشی از قطبش مولکول در اثر پرتو نور تابیده شده است.
وقتی میدان الکتریکی پرتوهای نور اولیه که به یک نمونه برخورد می کند با ابر الکترونی پیوند نمونه برهمکنش میکند، ابر الکترونی کشیده شده و هسته آن ها متمایل به سمت قطب منفی شده و الکترون های آن ها متمایل به سمت قطب مثبت میشوند. تحت این شرایط گشتاور دوقطبی در مولکول ها القا میشود که از حاصل ضرب ثابت قطبش پذیری پیوند در شدت میدان الکتریکی بدست میآید. ثابت قطبش پذیری پیوند با α نمایش داده میشود که نشان دهنده میزان سختی یا راحتی جابجایی بارها یا تغییر شکل میدان الکتریکی میباشد.
رامان فعال
طیف سنجی رامان، تغییرات قطبش پذیری یک مولکول را شناسایی میکند. بنابراین فقط ارتعاشاتی را نشان میدهد که در آن قطبش تغییر میکند. به ارتعاش ثبت شده ارتعاشات رامان فعال گفته میشود. قطبش پذیری به عوامل مختلفی بستگی دارد. از جمله عوامل موثر عبارتاند از:
- طول پیوند: با افزایش طول پیوند قطبشپذیری راحتتر میشود.
- چگالی ابر الکترونی پیوند: هرچه بیشتر باشد، طول پیوند کوتاهتر میشود و قطبشپذیری آن پیوند کمتر میشود.
- نوع پیوند: پیوندهای یگانه نسبت به پیوندهای دوگانه و سهگانه طول بیشتری دارند، به همین علت قطبشپذیری در آنها راحتتر است.
جابجایی رامان
به اختلاف انرژی یا فرکانس فوتون اولیه و فوتون پراکنده شده، جابجایی رامان گفته میشود. نوع و ویژگی های مولکول روی جابجایی رامان تاثیر میگذارد، اما این جابجایی به طول موج فوتون اولیه بستگی ندارد. چون طول موج نور پراکنده شده به طول موج نور منبع وابسته است، در نتیجه نمیتوان از منابع نوری مختلف برای اندازه گیری طول موج استفاده کرد. زیرا در این شرایط نتایج درستی بدست نمیآید. جابهجایی رامان از فاصله بین حالتهای ارتعاشی و حالتهای پایه تعیین میشود. طیف رامان استوکس و رامان آنتی استوکس به فاصله متقارن در دو طرف طیف نور پراکندگی رایلی قرار میگیرند. خطوط استوکس شدت بیشتری دارند که این به علت بالاتر بودن احتمال وقوع آنها است. میزان جابجاییهای رامان مستقل از طولموج نور اولیه برای برانگیختگی نمونه است. طول موج پراکندگی رایلی با طول موج نور اولیه برابر است و شدت آن از خطوط استوکس و آنتی استوکس بسیار بیشتر است. معمولا در طیف سنجی رامان، از طیف استوکس به علت شدت بیشتر آن، استفاده میشود و از طیف آنتی استوکس صرف نظر میشود. اما گاهی طیف آنتی استوکس برای مبنا قرار میگیرد. اثر فلورسانس، طیف رامان استوکس را تحت تاثیر قرار میدهد. اما تاثیری بر روی طیف رامان آنتی استوکس ندارد. بنابراین میتوان از طیف آنتی استوکس به راحتی استفاده کرد. نحوه محاسبه جابه جایی رامان در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل ۳- نحوه محاسبه جابه جایی رامان
در نهایت خروجی و نتیجه دستگاه به صورت شکل زیر است.
شکل ۴- طیف رامان پلی استیرن.
ویژگیهای تکنیک رامان
این روش اطلاعات دقیق و سریعی از ترکیب مولکولی مختلف به شکل غیر مخرب را فراهم میکند. دقت آشکارسازی این روش بالا بوده و میتواند از چند ppm تا ppb میتواند متغیر باشد. استفاده از این روش در پزشکی، داروسازی، علوم تغذیه، علوم دفاعی و صنعت رشدی چشمگیر پیدا کردهاست.
مزایای طیف سنجی رامان
طیف سنجی Raman مزایای زیادی از جمله موارد زیر را دارد.
- آنالیز مواد در حات های جامد، مایع، گاز
- عدم نیاز به آماده سازی نمونه یا نمونه سازی آسان
- عدم نیاز به خلا
- سرعت بالای طیف سنجی رامان
- غیر مخرب بودن
- امکان طیفگیری از نمونهها در حجم کم
- اندازه گیری نمونههای محلول در آب
معایب طیف سنجی رامان
از معایب این روش میتوان به موارد زیر اشاره کرد.
- تداخلات فلورسانس با خطوط استوکس
- عدم توانایی طیفگیری از فلزات
- در مواردی که طیف بدست آمده ضعیف است، نمیتوان تجزیه و تحلیل مواد را انجام داد.
