آنالیز رامان Raman

آنالیز رامان Raman

آنالیز رامان (Raman)

آنالیز طیف سنجی رامان (Raman spectrometry) یک روش متداول، غیر مخرب و سریع برای مشخص کردن پیوند‌های شیمیایی است. هر چند اندازه گیری دقیق میزان یک پیوند یا گروه عاملی در نمونه به وسیله این روش کار مشکلی است ولی می‌توان از این روش برای بررسی وجود یا عدم وجود یک پیوند یا گروه عاملی استفاده کرد یا میزان آن پیوند را با نمونه شاهدی مقایسه کرد و تاثیر یک فرایند را بر کاهش یا افزایش پیوند خاصی به راحتی بررسی کرد. به صورت خلاصه در دستگاه طیف سنج رامان، یک پرتو نور لیزر به نمونه تابیده می‌شود و یک آشکارساز طول موج و شدت پرتو خروجی از نمونه را ثبت می‌کند. تفاوت بین طول موج برخورد کرده به نمونه و طول موج خارج شده از آن با هم کمی تفاوت دارد. این تفاوت بر اثر تاثیر پیوند بر انرژی نور ساطع شده است. از این رو با اندازه‌گیری تفاوت طول موج ورودی به نمونه و خروجی از آن می‌توان نوع پیوند‌های موجود در نمونه را مشخص کرد.

توانایی‌های دستگاه طیف سنجی رامان

• توانایی تشخیص گروههای عاملی آلی و عناصر آلی مشخص
• مرجع طیفهای معلوم برای تشخیص عناصر
• شرایط محیطی (عدم نیاز به خلاء، مناسب برای مواد شبه فرار)
• معمولا غیر مخرب
• تعیین شرایط مرزی برای میدان الکتریکی در نزدیکی سطح

نحوه کار دستگاه طیف سنجی رامان

فتون ها پس از برخورد با ماده، با مولکول‌های نمونه برهمکنش می‌کنند و سپس بازتابیده، جذب یا پراکنده می گردند. بیشتر فوتون‌ها به صورت الاستیک پراکنده می گردند این به این معنا است که انرژی فتون خروجی همان انرژی فتون برخورد کرده است. به این نوع از پراکندگی، پراکندگی ریلی می گویند. با این حال تعداد بسیار کمی از فتون ها به صورت غیرالاستیک پراکنده می گردند و پس از برخورد، طول موج فتون شیفت می کند. اگر طول موج پرتو پراکنده شده بیشتر از طول موج لیزر فرودی باشد به آن رامان استوکس و در صورتی که کمتر باشد آنتی استوکس می گویند. در شکل زیر خلاصه ای از این پراکندگی را مشاهده می کنید.

در این حالت، زمانی که یک پرتو نوری به انرژی بالا به نمونه برخورد می‌کند، الکترون‌های ماده جامد تحریک می‌شوند و الکترون از ترازهای پایینی به ترازهای بالایی حرکت می‌کنند. زمانی که الکترون از ترازهای بالایی به ترازهای پایینی برمی‌گردد، انتظار می‌رود همان طول موجی را که جذب کرده، تابش کند. ولی برخی از پرتوهای ساطع شده از نمونه طول موجی کمی متفاوت با پرتو ورودی دارند.

این تفاوت طول موج اندک به دلیل پدیده شیفت رامان Raman Shift است. ایجاد این پدیده بخاطر ارتعاش پیوند‌ها در نمونه است. اگر پرتو نور ورودی به پیوندی بخورد که درحال ارتعاش است، دو پدیده می‌تواند رخ دهد. در یک حالت پیوند در حال ارتعاش بخشی از انرژی را جذب می‌کند و آن را صرف افزایش ارتعاش خود می‌کند در این صورت طول موج تابش شده از نمونه بیشتر می‌شود. در حالت دوم پیوند در حال ارتعاش بخشی از انرژی خود را به پرتو خروجی می‌دهد و انرژی پرتو خروجی افزایش می‌یابد و به طبع آن طول موج آن کاهش می‌یابد.

میزان این افزایش یا کاهش طول موج برابر و وابسته به نوع پیوند است. از این رو با اندازه گیری تفاوت طول موج تابیده شده به نمونه و پرتو ساطع شده از نمونه می‌توان مشخص کرد که چه پیوند‌هایی در نمونه وجود دارد. در دستگاه طیف سنجی رامان یک پرتو لیزر تک طول موج با طول موج مشخص به نمونه تابیده می‌شود. بر اثر این تابش نوری از سطح ساطع یا بازتاب می‌شود. نور بازتاب شده از نمونه توسط یک آشکار ساز ثبت می‌شود. آشکار ساز شدت هر طول موج خروجی از نمونه را ثبت می‌کند. در نرم افزار دستگاه طول موج پرتوهای خروجی از طول موج نور لیزر کم می‌شود. برای ایجاد تفکیک بیشتر، در خروجی نرم افزار بجای طول موج، عدد موج گزارش می‌شود و خروجی دستگاه نموداری است که محور افقی آن عدد موج و محور عمودی آن شدت است. هر نوع پیوند عدد موج مشخصی دارد پس از روی نمودار جاهایی که قله دیده می‌شود، جاهایی هستند که پیوندی وجود دارد. با استفاده از یک جدول می‌توان مشخص کرد که هر یک از قله‌ها مربوط به چه پیوندی است.

شدت سیگنال پرتو رامان به صورت ذاتی بسیار ضعیف است. همان گونه که بیان شد، این پدیده به اندرکنش های میان فوتون-فونون در نمونه وابسته می باشد که پدیده ای یک در میلیون است. هچنین، شدت پراکندگی رامان با عکس توان چهارم طول موج لیزر تابشی ارتباط دارد. در نتیجه تابش در طول موج های لیزر بزرگتر باعث کاهش شدید سیگنال رامان می شود. هنگام یکه ماده ای خاصیت فلورسانس دارد، نمی توان پرتوهای رامان را تشخیص داد. چون شدت آن پرتوها بسیار بیشتر است. مواد متعددی هنگامی که با نور ماوراءبنفش-مرئی تحریک می شوند، فلورسانس زیادی از خود گسیل می کنند و در نتیجه سیگنال آنالیز رامان که بسیار ضعیف تر است را از دست می دهیم.

به منظور کاستن از میزان فلورسانس از طریق انتخاب لیزر دو انتخاب جلوی پیش ماست. به این دلیل که طیف فلورسانس اکثر مواد در ناحیه طول موجی ۳۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر است، با انتخاب لیزرهایی با طول موج کمتر یا بیشتر از این ناحیه، اثر فلورسانس تا میزان مناسبی کاهش می یابد. به صورت کلی از لیزرهای ناحیه قرمز و فروسرخ نزدیک (۶۶۰ تا ۸۳۰ نانومتر) برای حذف اثر مخرب فلورسانس در آنالیز رامان استفاده می ­گردد، اگرچه بازده ای پراکندگی رامان شدیدا کاهش می یابد. یک راه حل، استفاده از طول موج  ۷۸۵ نانومتر برای طیف سنجی رامان است. این طول ­موج مناسب ترین توازن بین بازدهی پراکندگی رامان و حذف اثر فلورسانس است. البته امروزه استفاده از لیزر با طول موج ۵۳۲ نانومتر به دلیل کاربرد آنها برای مواد غیر ارگانیک بسیار متداول شده است. در شکل زیر  ناحیه هایی که شدت فلورسانس بالا است را مشاهده می کنید. در مهامکس این آنالیز را می توانید در سه طول موج ۵۳۲، ۷۸۵ و ۱۰۶۴ نانومتر انجام دهید.

طیف سنجی رامان و FT-IR دو آزمون مکمل هستند زیرا برخی از پیوند‌ها در رامان خوب دیده می‌شوند و برخی دیگر در FT-IR. آزمون رامان توانایی خوبی در بررسی ساختارهای کربنی دارد، از این رو این آزمون یکی از روش‌های سریع و ارزان قیمت برای بررسی اولیه ساختارهای کربنی مانند نانو لوله، فلورین، گرافن و DLC ها است.

نتایج آزمون طیف سنجی رامان

نتایج آزمون رامان به صورت یک تصویر از نمودار و یک فایل اکسل که حاوی اطلاعات عددی نمودار است برای متقاضی فرستاده می‌شود. در برخی از نمونه‌ها ممکن است یک تصویر و یک فایل اکسل دیگر نیز برای نتقاضی ارسال شود. این نمودار دوم مربوط به بخشی از نمودار اول است که یا پیک‌های اصلی در آن وجود دارند و یا به درخواست متقاضی رنج بررسی محدود شده باشد.