طیف بینی رامان (Raman spectroscopy) روشی برای تعیین ساختار شیمیایی و شناسایی مواد با استفاده از طیف ارتعاشی آنهاست. اگرچه به نظر می رسد طیف بینی رامان مشابه روش طیف بینی IR است، اما قدرت تفکیک فضایی بهتر و توانایی آنالیز ابعاد بسیار کوچک تر (زیر یک میکرومتر) این روش را به مکمل مناسبی برای روش FTIR تبدیل کرده است.
اصول طیف بینی رامان
طیف رامان از تابش دهی یک نمونه با یک منبع لیزر قوی با تابش تک فام (monochromatic) در ناحیه مرئی یا مادون قرمز نزدیک به دست می آید. منشا فیزیکی پراکندگی (Scattering) رامان در برخوردهای غیرالاستیک بین مولکول ها و فوتون های تشکیل دهنده پرتو نوری ست.
وقتی نور با مولکول برخورد می کند، میدان الکتریکی نور به همه الکترون های مولکول نیرو وارد می کند و آنها را جابجا می کند. این جابجایی سبب ایجاد یک ممان دوقطبی القایی در مولکول می شود. به عبارت دیگر برهم کنش بین فوتون و مولکول موجب ایجاد یک حالت واسطه با طول عمر بسیار کوتاه خواهد شد که در آن ساختار هندسی مولکول تغییر نکرده و تنها ابر الکترونی آن متحمل یک واپیچش (distortion) یا قطبش (polarization) می شود.
شکل حقیقی ابر الکترونی تغییر حالت یافته، به میزان انرژی دریافت شده توسط مولکول بستگی دارد. اندازه ممان دوقطبی القایی با قطبش پذیری (polarizability) و شدت میدان الکتریکی فوتون رابطه مستقیم دارد. در نتیجه برخورد غیرالاستیک، تبادل انرژی بین مولکول و فوتون صورت می گیرد. این تبادل انرژی به صورت انرژی ارتعاشی یا دورانی به مولکول داده یا از مولکول گرفته می شود و سبب تغییر طول موج فوتون می شود.
انواع پراکندگی در طیف بینی رامان
اگر مولکول انرژی جذب کند و فوتون تابش شده انرژی کمتری از فوتون اولیه داشته باشد و در نتیجه در فرکانس های کمتر و طول موج بلندتری دیده شود، این پراکندگی رامان استوکس (Stokes) نامیده می شود. و اگر مولکول انرژی از دست دهد و فوتون انرژی جذب کند، فوتون تابش شده فرکانس بالاتری از فرکانس منبع داشته و در طول موج های کوتاه تری مشاهده می شود و این پراکندگی رامان آنتی-استوکس (anti-Stokes) نام دارد.
جابجایی رامان (Raman shift)، شامل استوکس و آنتی-استوکس، مستقل از طول موج منبع نوری است. جابجایی های ایجاد شده در طول موج منبع در اثر پراکندگی رامان در محدوده طیفی مادون قرمز قرار می گیرد. فرکانس های نوری در محدوده مادون قرمز فقط برای انجام انتقالات میان ترازهای ارتعاشی مولکول ها کافی است و از این نظر دو روش IR و رامان مشابه یکدیگر هستند.
وقتی برخورد الاستیک باشد، تبادل انرژی بین فوتون و مولکول انجام نشده و پراکندگی نور با فرکانسی برابر با فرکانس تابشی منبع صورت می گیرد که آنرا پراکندگی ریلی (Rayleigh) می نامند. پراکندگی ریلی به وسیله ذراتی ایجاد می شود که اندازه آنها به مراتب کوچک تر از طول موج تابش باشد.
شکل 1 انواع پراکندگی فوتون ها، شمای انرژی و مقایسه با جذب IR را نشان می دهد. چون تمام انرژی در طی فرایند پراکندگی ثابت فرض می شود مقدار انرژی کسب شده یا تلف شده توسط فوتون برابر با میزان تغییر انرژی در مولکول است. در نتیجه با اندازه گیری تغییرات انرژی فوتون تغییرات انرژی مولکول نیز بررسی می شود.
شکل 1- انواع پراکندگی فوتون ها در طیف بینی رامان، جذب IR و شمای انرژی
برانگیختگی در رامان معمولا در فرکانس هایی صورت می گیرد که آن فرکانس توسط مولکول های نمونه جذب نمی شوند و احتمال جذب بسیار کم است. برانگیختگی به یک تراز مجازی (virtual state) صورت می گیرد که عمر بسیار کمی دارد (شکل 1).
تعداد نامحدودی از تراز های مجازی می تواند بین حالت پایه و اولین حالت برانگیخته الکترونی ایجاد شود. بسته به فرکانس تابش منبع، مولکول می تواند به یکی از این ترازهای مجازی برانگیخته شود.
شکل 2 طیف رامان CCL4 را نشان می دهد. همان طور که از این شکل مشخص است پیک های استوکس و آنتی-استوکس رامان در دو طرف پیک پهن و بلند ریلی به صورت متقارن قرار دارند. از آن جایی که در اثر برخورد با محیط مادی، احتمال از دست دادن انرژی توسط فوتون بیشتر از دریافت انرژی است، در نتیجه احتمال وقوع پراکندگی استوکس بالاتر و بنابراین طیف های استوکس شدت بیشتری از آنتی استوکس دارند.
دستگاهوری طیف بینی رامان
اجزاء دستگاه رامان مشابه تمام روش های طیف سنجی دیگر است. نظر دستگاهی مهم ترین اجزاء یک دستگاه رامان منبع نوری و طیف سنج آن است.
منبع نوری
در دستگاه های امروزی عمدتا منابع لیزری که شدت زیادی دارند، به عنوان منبع نوری به کار می روند. شدت پیک ها در طیف های رامان به شدت منبع وابسته است و سبب تولید پراکندگی رامان با شدت کافی و نسبت قابل قبول سیگنال به نویز می شوند.
متداول ترین منابع لیزری مورد استفاده عبارتند از: لیزر یون آرگون (488 و 524.5 نانومتر)، هلیم:نئون (632.8 نانومتر)، یون کریپتون (۵۳۱ و ۶۴۷ نانومتر)، لیزر دیودی (782 و 830 نانومتر) و لیزر Nd:YAGه (1064 نانومتر). چون فرکانس منبع تاثیر زیادی بر شدت پیک های رامان یک گونه دارد، انتخاب منبع به شرایط نمونه و گونه های موجود در نمونه بستگی دارد. علاوه بر شدت پیک رامان باید به مواردی چون مزاحمت های فلورسانسی و تخریب نمونه در انتخاب منبع تابش توجه شود.
طیف سنج در طیف بینی رامان
مانند بیشتر روش های طیف سنجی، دو نوع طیف سنج در رامان مورد استفاده قرار می گیرد و دو وظیفه عمده تفکیک و جدا کردن تابش منبع از تابش ریلی و اندازه گیری و آنالیز سیگنال های نوری جمع آوری شده را بر عهده دارند.
دسته اول طیف سنج های پاشنده (Dispersive) هستند که عموما از یک منبع لیزر با طول موج در ناحیه مرئی و آشکار ساز CCD ( اسپکتروسکوپی اتمی) استفاده می کنند. شکل 3 شمای کلی این نوع طیف سنج را نشان می دهد.
دسته دوم طیف سنج های تبدیل فوریه هستند، نظیر آنچه که در طیف سنجی IR تشریح شد، که از یک تداخل سنج و تبدیل فوریه برای تبدیل سیگنال تداخلی به طیف رامان استفاده می شود. منابع مورد استفاده در دستگاه تبدیل فوریه عمدتا منابع مادون قرمز نزدیک هستند. شکل 4 شمای کلی طیف سنج های تبدیل فوریه در دستگاه رامان را نشان می دهد.
شکل 4 شمای کلی طیف سنج های تبدیل فوریه در دستگاه رامان
به دلیل عدم تداخل مولکول های آب در طیف های رامان استفاده از سل های کوارتزی و شیشه ای امکان پذیر است و بنابراین آماده سازی نمونه کمتری نسبت به روش IR دارد.
طیف بینی رامان رزونانس
همان طور که قبلا گفته شد، برانگیختگی در رامان به ترازهای مجازی با عمر بسیار کوتاه صورت می گیرد. استفاده از فرکانسی که احتمال جذب در آن بالاست بر اثر گرمادهی موضعی باریکه لیزری منبع، سبب تجزیه نمونه خواهد شد. چرخاندن نمونه به نحوی که بخش های مختلف نمونه در زمان های مختلف گرم شوند مانع تجزیه شدن نمونه می شود. در نتیجه امکان استفاده از نورهایی که توسط نمونه جذب شده و طیف رامان قوی تری بدست آید، وجود دارد. این اثر را رامان رزونانس گویند و این تکنیک طیف بینی رامان رزونانس (Resonance Raman Spectroscopy) شناخته می شود.
اگرچه شدت رامان رزونانس زیاد است اما معمولا فقط در تعداد کمی از مدهای ارتعاشی قابل مشاهده است. بنابراین رامان رزونانس در مقایسه با رامان معمولی طیف ساده تری دارد که افزایش شدت سیگنال ها امکان آنالیز نمونه های با پراکندگی ضعیف را فراهم می کند.
نکات آنالیزی طیف بینی رامان
- روش مکمل طیف بینی IR برای آنالیزهای کیفی
- طیف بسیار ساده ای دارد.
- برخلاف طیف IR مولکول های آب تداخلی در طیف رامان ایجاد نمی کنند. بنابراین محلول های آبی به راحتی با این روش قابل آنالیز هستند.
- شدت سیگنال خطوط رامان بسيار ضعيف بوده و در بسیاری از موارد ممکن است با پیک های ریلی پوشانده شوند.
- دستگاه گران و پرهزینه ای ست.
- تفسیر طیف رامان دشوار است و برای اجتناب از تفسیر های نادرست به مهارت ویژه نیازمند است.
- برای آنالیز ساختار جامدات، مایعات، گازها، کریستال ها، فیلم نازک و سطوح بکار می رود.
- پدیده رامان یک اثر غیر محتمل فیزیکی ست و بنابراین به آسانی روش های دیگری مانند فلورسانس برای مشاهده اثر رامان مزاحمت و تداخل ایجاد می کنند.
- استفاده از لیزرهای پرتوان علاوه بر تجزیه نمونه می توانند اثرات فتوشیمیایی ناخواسته در نمونه ایجاد کنند.
کاربردها طیف بینی رامان
- تعیین و شناسایی ساختار ترکیبات
- پيدا کردن نا خالصی ها و افزودنی های مولکولی
- شناسايی ترکيبات غير ارگانيک در جامدات و محلول های آب پوشيده
- تشخيص ساختار مولکولی سطوح
- تعیین قطر ذرات معدنی شامل نانوذرات، نانو کریستال ها، نانو تیوب ها و …
- تعیین ساختار پیچیده مولکول‌های زیستی شامل آنزیم ها، هورمون ها، DNA و …
