طیف سنجی رامان نوعی طیف سنجی ارتعاشی است که برای شناسایی حالت‌های ارتعاشی مختلف در یک مولکول استفاده می‌شود. اطلاعات استخراج شده از آنالیز رامان برای تعیین ساختار شیمیایی مولکول‌های نمونه، پلی‌مورف‌ها، تنش روی مولکول، جهت‌گیری مولکول و تبلور آن استفاده می‌شوند. این روش به طور گسترده‌ای در مواد معدنی و موادی که ساختار شبکه‌ای حالت جامد دارند به کار می‌رود. در ادامه قصد داریم اهمیت استفاده از طیف سنجی رامان جهت آنالیز نمونه‌های معدنی را بیان کنیم.
اهمیت طیف سنجی رامان در آنالیز مواد معدنی چیست؟
یکی از ابزارهای کانی شناسان و زمین شناسان برای بررسی مواد معدنی، میکروسکوپ‌های پتروگرافی است. این سیستم‌ها تنها قادر به آنالیز نمونه‌هایی هستند که بتوانند نور را از خود عبور دهند. بنابراین برای مطالعه کانی‌های مات روش‌های دیگری مانند طیف سنجی جرمی، کریستالوگرافی پرتو ایکس و یا SEMهای مجهز شده با سیستم‌های EDS و WDS مورد نیاز است. هیچ یک از این روش‌ها قادر به شناسایی کامل و واضح مواد معدنی نیستند. پراش پرتو ایکس یا XRD یکی دیگر از روش‌های انتخابی برای آنالیز نمونه‌های معدنی است. اما در این روش نمونه باید به پودر تبدیل شود که سبب تخریب نمونه و زمان‌بر بودن آنالیز می‌شود.
طیف سنجی رامان اطلاعات گسترده‌ای در مورد نمونه‌های زمین شناسی و مواد معدنی ارائه می‌دهد. مواد معدنی، مواد بسیار پیچیده‌ای هستند. از آن جایی که ترکیب اصلی آنها ماهیت معدنی و حالت جامد دارد، آنالیز رامان می‌تواند اطلاعات لازم را در مورد ترکیب یک نمونه کانی فراهم کند. این قابلیت حتی برای گروه‌های ساختاری و فازهای معدنی مختلف در یک گروه یکسان از کانی‌ها وجود دارد. طیف سنجی رامان ابزاری عالی برای تمایز بین کانی‌ها بر اساس گروه و ترکیبات شیمیایی آنها است. این تکنیک می‌تواند برای شناسایی کانی‌های متعدد در یک نمونه استفاده شود. روش رامان محدودیتی در فاز نمونه ندارد. کانی‌ها را می‌توان در اشکال مختلف خاک یا سنگ آنالیز کرد. این آنالیز غیر مخرب است و تحت تأثیر شرایط خلاء قرار نمی‌گیرد. طیف‌سنج رامان با اندازه‌گیری فرکانس‌های ارتعاشی پیوندهای مولکولی در نمونه کار می‌کند. در نتیجه طیف رامان حاصل برای یک کانی خاص منحصر به فرد است. بنابراین می‌توان داده‌های ساختاری را از این طیف‌ها استخراج کرد.
کاربردهای طیف سنجی رامان در آنالیز مواد معدنی
طیف سنجی رامان به دلیل ارائه اطلاعات دقیق در مورد ترکیب و ساختار کانی‌ها کاربرد گسترده‌ای در آنالیز مواد معدنی دارد. در ادامه به چند مورد از این کاربردها اشاره شده است.
شناسایی کربنات‌ها و سیلیکات‌ها با طیف سنجی رامان
یکی از کاربردهای مهم طیف‌سنجی رامان در آنالیزهای معدنی این است که می‌تواند بین کربنات‌ها و سیلیکات‌ها تمایز قائل شود. هر دو سنگ کربنات و سیلیکات جز فراوان‌ترین سنگ‌های روی زمین هستند، اما بسیاری از روش‌های موجود در تشخیص این دو گونه مشکل دارند. طیف‌سنجی رامان با شناسایی یون‌های چهار وجهی ۴-SiO۴ و یون‌های –CO۳۳ به عنوان یکی از موثرترین روش‌ها برای شناسایی سیلیکات‌ها و کربنات‌ها عمل می‌کند. در نمونه‌های سیلیکات می‌تواند بین چهار وجهی‌های جدا و زنجیره‌های چهاروجهی تمایز قائل شود. همچنین تعیین می‌کند که چه یون‌های مثبتی شکاف‌های اتمی این چهار وجهی‌ها را پر می‌کنند. به علاوه مواد معدنی با ترکیب مشابه، اما آرایش ساختاری متفاوت را نیز شناسایی می‌کند. به همین ترتیب، برای کانی‌های مبتنی بر کربنات، یون مثبت مربوطه را شناسایی کرده و از سایر عناصر متمایز می‌کند. بنابراین امکان شناسایی دقیق‌تر کانی‌های کربنات را فراهم می‌سازد.
آنالیز سیالات و حباب‌های گاز محبوس شده در کانی‌ها با روش رامان
یکی دیگر از دلایلی که طیف‌سنجی رامان را به روشی موثر برای بررسی کانی‌ها تبدیل کرده است، این است که می‌تواند سیالات و حباب‌های گاز محبوس شده در کانی را آنالیز کند. این یک اتفاق رایج در نمونه‌های زمین شناسی است. بسیاری از روش‌ها نمی‌توانند این سیالات و حباب‌های گاز به دام افتاده را آنالیز کنند. اما می‌توان از طیف سنجی رامان برای تصویربرداری از این سیالات استفاده کرد.
آنالیز ماسه سنگ‌ها (sandstones) با طیف سنجی رامان
شناسایی اجزای موجود در ذخایر ماسه‌سنگ اطلاعاتی در مورد منشأ لایه‌های میزبان و همچنین فرآیند رسوب‌گذاری ارائه می‌دهد. برای درک بیشتر، این موضوع را با یک مثال شرح می‌دهیم. شکل ۲، نقشه‌ی پرتو ایکس تیتانیوم، آهن و پتاسیم را از ناحیه‌ای از یک نمونه ماسه سنگ نمایش می‌دهد. این تصویر توزیع فضایی عناصر نمونه را نشان می‌دهد. سه نقطه از این نمونه برای انجام آنالیز رامان انتخاب شده است.
طیف رامان گرفته شده از منطقه A در شکل ۳ نشان داده شده است. مقایسه طیف رامان حاصل با کتابخانه طیفی (database) مواد معدنی، منطقه A را به عنوان هماتیت (Fe۲O۳) شناسایی می‌کند.
طیف رامان گرفته شده از ناحیه B با آناتاز مطابقت دارد که یک پلی مورف (polymorph) از تیتانیوم دی اکسید (TiO۲) است.
طیف ناحیه C شبیه طیف هماتیت است. در این طیف پیک‌ها دارای شدت کمتر و پهنای بیشتری هستند و یک پیک اضافی در محدوده (cm-۱) ۴۳۶ مشاهده می‌شود. به طور کلی تیتانیوم به عنوان جایگزین آهن در ماتریس هماتیت در نظر گرفته می‌شود و ممکن است دلیل پیک اضافی (cm-۱) ۴۳۶ باشد. پیک رامان شارپ مربوط به آناتاز در طیف ناحیه C دیده نمی‌شود، بنابراین در این ناحیه تیتانیوم به صورت آناتاز وجود ندارد.
منطقه مربوط به پتاسیم در شکل ۲ دو فاز مجزا را نشان می‌دهد. طیف سنجی رامان امکان طیف‌‌گیری از حوزه‌های فاز را نیز فراهم می‌کند. حتی اگر حوزه‌ها نسبتاً کوچک باشند. همان طور که در شکل ۶ مشاهده می‌شود، تفاوت‌های طیفی واضحی بین طیف رامان مناطق تیره و روشن وجود دارد. از طریق مقایسه داده‌ها با کتابخانه طیفی هر دو منطقه به عنوان انواع فلدسپات (Feldspar) شناسایی شدند. مناطق روشن‌تر به عنوان فلدسپات قلیایی (alkali feldspar) و مناطق تیره‌تر به عنوان فلدسپات پلاژیوکلاز (plagioclase feldspar) طبقه‌بندی شدند.
مزایای طیف سنجی رامان در زمین شناسی و کانی شناسی
- امکان شناسایی کامل مواد معدنی و فازهای آنها را فراهم می‌کند.
- به تفاوت‌های ظریف شیمیایی و ساختاری در ترکیب بسیار حساس است.
- بین پلی مورف هایی مانند کریستوبالیت و روتیل تمایز قائل می‌شود.بین پلی مورف هایی مانند کریستوبالیت و روتیل تمایز قائل می‌شود.
- قابلیت انجام آنالیز در محل را دارد.
- برای مشاهده مقاطع نازک استاندارد نیازی به آماده‌سازی نمونه ندارد.
- امکان شناسایی کامل کانی‌های مات را فراهم می‌کند.
- محدودیتی در فاز نمونه ندارد و می‌تواند کانی‌ها را در اشکال مختلف خاک یا سنگ آنالیز کند.
- یک آنالیز غیر مخرب جهت بررسی نمونه‌های معدنی کمیاب و گران‌بها است.
- سادگی و سرعت بالای آنالیز از مزایای اصلی طیف سنجی رامان است.
جمع بندی
طیف سنجی رامان اطلاعات گسترده‌ای در مورد نمونه‌های زمین شناسی و مواد معدنی ارائه می‌دهد. این روش ابزاری عالی برای تمایز بین مواد معدنی بر اساس گروه و ترکیب شیمیایی آنها است و می‌تواند برای شناسایی کانی‌های متعدد در یک نمونه استفاده شود. چنان‌چه در حوزه معدن فعالیت دارید و نیاز به اطلاعات گسترده‌تری در مورد کاربرد آنالیز رامان در حیطه کاری خود دارید می‌توانید با کارشناسان شرکت تکسان در ارتباط باشید.
منابع
۱-https://zaya.io/47wrm
۲-https://zaya.io/4yw16
