چگونه بهترین لیزر را برای طیف سنجی رامان انتخاب کنیم؟

چگونه بهترین لیزر را برای طیف سنجی رامان انتخاب کنیم؟

اشتراک گذاری در email
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در whatsapp
انتخاب یک لیزر مناسب برای طیف سنجی رامان یکی از مهم‌ترین پارامترها، قبل از شروع کار است. طیف سنجی رامان به دلیل کاربردهای فراوان و منحصر به فرد خود هر روز توجه بیشتری را به خود جلب می کند. برای گرفتن بهترین نتیجه از تکنیک رامان، انتخاب و استفاده از لیزر مناسب، پارامتری مهم و اساسی است.
چگونه بهترین لیزر را برای طیف سنجی رامان انتخاب کنیم؟

فهرست مطالب

اگر با طیف سنجی رامان آشنایی ندارید و با کاربردهای آن آشنا نیستید، پیشنهاد می‌کنیم قبل از مطالعه ادامه مطلب با این تکنیک بیشتر آشنا شوید.

طیف سنجی رامان بر پایه پراکندگی نور تابیده شده به نمونه، بنا شده است. نور تابیده شده به نمونه توسط ارتعاشات مولکولی پراکنده شده و در طول موج‌هایی که با طول موج تابشی متفاوت هستند، از نمونه باز می‌گردند. این طول موج‌ های ثانویه حاوی اطلاعات منحصر به فردی از نمونه است و بی‌شمار کاربرد را برای مقاصد تحقیقاتی و صنعتی بوجود می آورد.

شاید برایتان جالب باشد که برای ایجاد پراکندگی رامان از نمونه نور تابیده شده به ماده می‌تواند هر نوری باشد. حتی نوری که اکنون در اطراف شماست در حال ایجاد پراکندگی رامان از مواد اطراف شما است.

اما نکته مهم در این بین این است که شدت پراکندگی رامان در نمونه بسیار پایین است و از هر ۱۰ میلیون فوتون تابشی به ماده تنها یک فوتون پراکندگی رامان خواهد داشت. بنابراین نباید انتظار داشته باشید که نورهای رامان اطراف خود را با چشم ببینید!

با اختراع لیزر و ایجاد یک منبع نوری با چگالی فوتون بالا، طیف سنجی رامان نیز بیش از پیش مورد توجه قرار گرفت. به وسیله لیزرها دیگر می‌شد تا حدودی شدت پایین پراکندگی رامان را جبران نمود.

چه لیزری برای طیف سنجی رامان مناسب است؟

یک لیزر مناسب از چند جنبه مختلف باید مورد بررسی قرار بگیرد. هر کدام از این جنبه‌ها در نتیجه نهایی نقش خود را ایفا می‌کنند. برای پاسخ به این سوال پارامترهای زیر را باهم بررسی می‌کنیم.

طول موج مناسب برای طیف سنجی رامان

نکته مهمی که قبل از هر چیزی باید بدانید این است که با هر طول موج لیزری می‌توان اثر رامان را تحریک نمود. به لحاظ ماهیت تحریک اثر رامان، لیزر خاصی اولویت ندارد. اما به دلیل برخی از شرایط دیگر لیزرهای مشخصی اولویت پیدا می‌کنند که در زیر به تک تک این عوامل خواهیم پرداخت.

کدام طول موج بیشترین شدت رامان را فراهم می‌کند؟

رامان از جنس پدیده پراکندگی است ودر ماهیت برهم کنش فوتون-فونون است. این برهمکنش شدت پایینی دارد و برای ثبت آن از چندین پارامتر باید کمک گرفت. یکی از آنها تنظیم مناسب طول موج تحریک است. شدت طول موج های رامان پراکنده شده وابسته به طول موج تحریک است. این رابطه را می‌توان به شکل زیر نمایش داد:

بنابراین هر چه طول موج تحریک کوچک‌تر باشد، شدت خروجی سیگنال رامان بیشتر و بهتر است. برای مقایسه شدت‌های سیگنال رامان برای چند لیزر پر استفاده در رامان، جدول زیر را مشاهده کنید.

نسبت شدت های رامان با لیزرهای متفاوت
جدول ۱: نسبت شدت های رامان با لیزرهای متفاوت

با مشاهده جدول بالا، اکنون به این نتیجه می‌رسیم که هر چه طول موج کم‌تر باشد بهتر است. و چون شدت پراکندگی رامان در حالت کلی ضعیف است با انتخاب یک لیزر مناسب می‌توان شدت پراکندگی را بهبود قابل توجهی داد.

مقایسه طیف رامان سیلیکون در دو طول موج مختلف
شکل ۱: طیف رامان سیلیکون با دو لیزر ۶۳۸ نانومتر (نارنجی) و لیزر ۷۸۵ (قرمز)

محدویت لیزر‌های UV

لیزرهای ناحیه UV دارای بیش‌ترین پتانسیل برای ایجاد شدت بالای رامان در بین سایر لیزرها هستند. اما محدودیت‌هایی نیز دارند.

  • قیمت بسیار بالایی به نسبت لیزرهای ناحیه مرئی و ناحیه IR دارند و تجهیز را گران می‌کنند.
  • معمولا دارای ابعاد بالایی هستند که باعث می‌شود استفاده از آن‌ها را در دستگاه‌های جمع و جور سخت می‌کند.
  • فوتون‌های UV دارای انرژی بالاتری هستند و ممکن است به نمونه آسیب بزنند و ماهیت نمونه را تغییر دهند.
  • ثبت فوتون‌های رامان در این ناحیه نیازمند ادوات و المان‌های گران قیمت اپتیکی و آشکارسازی است.

کم بودن پهنای طول موج لیزر

لیزرها علی رغم این که به عنوان منابع تک طول‌موجی شناخته می‌شوند، در عمل واقعا تک طول موج نیستند و حول طول موج مرکزی دارای یک پهنای مشخصی هستند. نکته مهم این است که اگر لیزر مورد استفاده در طیف سنج رامان دارای پهنای بزرگی باشد، پیک‌های رامان نیز دچار پهن شدگی می‌شوند و تفکیک طیفی را خراب می‌کنند. بنابراین لیزر رامان باید پهنای بسیارکمی از حدود چندین پیکومتر داشته باشد.

متناسب بودن تغییرات طول موج با دما

لیزرها در فرآیند تولید فوتون بسیار به دما حساس هستند و افزایش یا کاهش دما می‌تواند خروجی لیزر را دستخوش تغییر کند. یکی از این تغییرات جابجایی طول موج لیزر با دما است. این جابجایی ناخواسته باعث ایجاد اختلال در اندازه‌گیری می‌شود. بنابراین لیزر انتخاب شده باید پایدارای دمایی بالایی داشته باشد تا در حین اندازه‌گیری مشکلی به وجود نیاید. برای لیزرهایی که مناسب طیف سنجی رامان هستند تغییراتی از مرتبه (nm/C) 0.007 (واحد سانتی گراد) مناسب است.

وابستگی رزولوشن مکانی و شدت رامان به قطر کانون لیزر

هنگام کانونی کردن نور لیزر بر روی نمونه هر چه طول موج کم‌تر باشد، قطر کانونی شدن نیز کمتر می‌شود. این اثر نتیجه‌ای از حد پراش است. که با رابطه زیر نشان داده می شود:

δ = ۱.۲۲ λ / ۴

این پارامتر دو اثر جانبی مثبت دارند که با استفاده از طول موج‌های کوچک‌تر میتوان از آن بهره برد.

  • با کم شدن قطر کانون لیزر، میتوان با تفکیک بالاتری از نقاط مجاور هم طیف سنجی کرد.
  • شدت نور با تنگ‌تر شدن کانون افزایش پیدا می‌کند، و این باعث افزایش شدت سیگنال رامان خواهد شد.

حضور طول موج تحریک در ناحیه حساس آشکارساز

طیف سنجی رامان دارای دو دسته پیک‌های قرینه استوکس و آنتی استوکس در دو طرف طول موج لیزر است. در طیف سنجی رامان معمولا با پیک‌های استوکس سروکار داریم. این پیک‌ها در طول موج‌هایی که بزرگتر از لیزر هستند، ایجاد می‌شوند. بنابراین برای ثبت و آشکارسازی آن‌ها باید آشکارساز در آن ناحیه طول موجی دارای حساسیت مناسب باشد.

در جدول زیر ناحیه طول موجی لازم برای ایجاد بازه رامان (cm) ۴۰۰۰ که بازه‌ای استاندارد برای اندازه‌گیری رامان است را می‌توانید مشاهده کنید.

بازه طول موجی مورد نیاز برای ثبت رامان بازه (cm-1) 4000
جدول ۲: بازه طول موجی مورد نیاز برای ثبت رامان بازه (cm-1) 4000

همان طور که مشاهده می‌کنید با تغییر لیزر، بازه‌های مختلفی برای ثبت یک طیف مشخص رامان مورد نیاز است.

نکته مهم این است که آشکارسازهایی که در ناحیه UV باشند:

  • قیمت بالاتری دارند و روتین نیستند.
  • باید توسط فرآیندهایی UV-Enhanced شوند.

هم چنین آشکارسازهای آرایه‌ای ناحیه IR همانند InGaAs نیز:

  • قیمت بسیار بالایی دارند.
  • دارای رزولوشن خیلی پایینی هستند (حدود ۵۱۲ پیکسلی (تا اواسط سال ۲۰۲۱))
نمودار حساسیت آشکارسازهای سیلیکون و ایندیوم گالیوم آرسناید نسبت به طول موج
شکل ۲: ناحیه حساسیت آشکارسازهای مختلف

با توجه به محدویت آشکارسازها، به این نتیجه می‌رسیم که بهینه‌ترین طول موج‌ها ۵۳۲ و ۷۸۵ نانومتر هستند. چرا که آشکارسازهای این ناحیه به دلیل در دسترس بودن تکنولوژی سیلیکون، دارای حساسیت بسیاربالا، رزولوشن عالی و آپشن‌های بیشتری بوده و قیمت مناسب‌تری نیز دارند.

تعادل با فلورسانس تولید شده توسط لیزر

هنگامی که لیزر بر روی نمونه تابیده می‌شود، علاوه بر فوتون‌های پراکنده شده در طیف سنجی رامان، فوتون‌های فلورسانس نیز تولید شده و چون شدت فلورسانس بیشتر از شدت پیک‌های رامان می‌تواند باشد، طیف رامان تحت تاثیر قرار گرفته و نتایج ضعیف خواهند بود.

طیف‌های رامان و فلورسانس ایجاد شده توسط لیزر
شکل ۳: اثر انتخاب لیزر در طیف فلورسانس یک نمونه فعال فلورسانسی. طیف قرمز با لیزر ۷۸۵ نانومتر و طیف سبز با لیزر ۵۳۲ ثبت شده است.

برای کاهش میزان فلورسانس با انتخاب لیزر مناسب دو انتخاب داریم. از آن جایی که طیف فلورسانس بیشتر نمونه ها در ناحیه ما بین ۳۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر تولید می‌شود، با انتخاب لیزرهایی که زیر ۳۰۰ نانومتر و بالا ۷۰۰ نانومتر، می‌توان اثر فلورسانس را تاحد خوبی کاهش داد. در شکل زیر ناحیه‌ای که طیف فلورسانس غالب نمونه‌هایی که فلورسنت هستند، نشان داده شده است. لیزرهای مختلف نیز بر روی این طیف آورده شده است. همانطور که مشاهده می‌کنید برای کاهش اثر فلورسانس از لیزرهایی در ناحیه UV و NIR باید استفاده نمود.

نمایش بازه طول موجی طیف فلورسانس اکثر نمونه‌ها
شکل ۴: ناحیه فلورسانس و موقعیت لیزرهای مختلف نسبت به این ناحیه

با توجه به شکل، ناحیهUV از دیدگاه حذف کامل فلورسانس، مناسب‌تر است و طیف فلورسانس، تقریبا در این تحریک‌ها وجود ندارد.

عدم حضور طیف فلورسانس در ناحیه UV و نمایش پیک های رامان
شکل ۵: تحریک با لیزرهای فرابنفش قبل از ورود به ناحیه فلورسانس

اما ورود به ناحیه UV معضلات خاص خودش را نیز دارد:

  • لیزرهای UV گران و حجیم هستند.
  • به دلیل توان بالا به نمونه‌ها آسیب می‌زنند.
  • به دلیل تابش UV ممکن است ماهیت نمونه را تغییر دهند.
  • آشکارسازهای این لیزرها دارای قیمت بالایی هستند.

در مقابل لیزر‌های NIR که کاملا خارج ناحیه فلورسانس باشند، معایب زیر را به همراه دارند:

  • به دلیل شدت پایین پراکندگی رامان در این لیزرها، باید با توان بالا تابش شوند که ممکن است نمونه را بسوزانند.
  • آشکارسازهای گران قیمتی دارند. (آشکارسازهای InGaAs)
  • به دلیل محدودیت تکنولوژی در این ناحیه آشکارسازهای آرایه ای بالا رزولوشن بالا در این ناحیه وجود ندارد و رزولوشن طیفی مناسبی را نمی‌توان از آن‌ها دریافت نمود. (برای رزولوشن مناسب باید از سیستم FT در این ناحیه استفاده نمود.)
سوختن نمونه در اثر شدت بالای لیزرهای ناحیه NIR
شکل ۶: سوختن نمونه در اثر شدت بالای لیزرهای ناحیه NIR

بنابراین اگر بخواهیم با درنظر گرفتن یک قیمت مناسب و محدودیت‌های گفته شده (عدم استفاده از لیزرهای UV) یک دسته بندی بین مناسب‌ترین گزینه‌ها ترتیب دهیم، سه گزینه ۵۳۲، ۷۸۵ و ۱۰۶۴ نانومتر باقی خواهند ماند.

جدول 3: مقایسه دقیق‌تر طول موج‌های 1064،785،532 نانومتر در شدت پراکندگی رامان
جدول ۳: مقایسه دقیق‌تر طول موج‌های ۱۰۶۴،۷۸۵،۵۳۲ نانومتر در شدت پراکندگی رامان

باتوجه به جدول بالا:

میکروسکوپ رامان‌های دو لیزره نیز به شما این امکان را می‌دهد تا از هر دو طول موج استفاده کنید و گستره کاری و تنوع نمونه‌های خود را افزایش دهید.

دسته بندی سایر پارامترهای مهم لیزر در طیف سنجی رامان

دسته بندی سایر پارامترهای مهم لیزر در طیف سنجی رامان
جدول ۴: دسته بندی سایر پارامترهای مهم لیزر در طیف سنجی رامان

جمع‌بندی

در هنگام انتخاب یک لیزر مناسب برای انجام طیف سنجی رامان به پارامترهای زیر به طور هم زمان توجه داشته باشید.

پارامترهای مورد توجه در انتخاب یک لیزر مناسب برای انجام طیف سنجی رامان
شکل ۷: پارامترهای مورد توجه در انتخاب یک لیزر مناسب برای انجام طیف سنجی رامان
  • لیزر‌های UV و زیر ۳۰۰ نانومتر، شدت پراکندگی بسیار بالا را همراه با تداخل فلورسانس کم و حذف آن ارائه می‌دهند. با این حال ، خطر سوزاندن یا تخریب نمونه و افزایش شدید قیمت در مقایسه با لیزرهای استاندارد در ناحیه مرئی و مادون قرمز وجود دارد. به طور معمول ، لیزرهای UV برای مشاهده لایه‌های نازک سطح سیلیکون و برای رامان رزونانسی در نمونه‌های بیولوژیکی مفید هستند.
  • لیزرهای ناحیه مرئی باعث پراکندگی زیاد رامان می‌شوند و برای نمونه‌های فلورسنت، زمینه فلورسانس بالاتر می‌شود. این منطقه به دلیل سیگنال بالاتر به دست آمده و هزینه مناسب لیزرها، شامل لیزرهای متداولی است که در سیستم‌های رامان یافت می‌شود. احتمال آسیب به نمونه بسیار کم است. تحریک با ۵۳۲ نانومتر به ویژه برای مطالعه اکسیدهای فلز و مواد غیر آلی مناسب است. طول موج متداول دیگر در سیستم‌های رامان، و در ناحیه مادون قرمز نزدیک، طول موج ۷۸۵ نانومتر است که بیش‌ترین استفاده را نیز دارد. این لیزرها شدت پراکندگی رامان کمتری را ارائه می‌دهند اما با اثرات فلورسانس پایین‌تر. از مهم‌ترین مواد پرکاربرد برای این ناحیه:
    – نانومواد کربن ، نیمه هادی ها
    – اکسیدهای فلزی، مواد معدنی
    -تجزیه و تحلیل سنگ های قیمتی
    -آزمایش‌های رزونانس رامان
    -پلیمر‌ها
    -طیف سنجی رامان SERS
    -بیشتر مواد شیمیایی و مواد آلی
    -مواد دارویی، مواد مخدر، مواد صنعتی
    -نمونه های بیولوژیکی، تشخیص پزشکی
  • در طول موج بلندتر در منطقه مادون قرمز ، لیزر ۱۰۶۴ نانومتری حذف فلورسانس خارق العاده‌ای را ارائه می‌دهد. با این وجود شدت پراکندگی آن در مقایسه با سایر بسیار کم است. استفاده از لیزر ۱۰۶۴ نانومتری نیاز به استفاده از آشکارساز InGaAs دارد که به نوبه خود به معنی کاهش حساسیت در مقایسه با لیزرها با آشکارسازهای سیلیکون CCD و هزینه‌های اضافی است. نمونه هایی که نیاز به لیزر ۱۰۶۴ نانومتری دارند: شامل رنگ ، رنگدانه‌ها و روغن‌های خوراکی است.

    لیزرهای روتین تجاری در سه ناحیه یاد شده را هم می‌توانید در زیر ببینید:
  • فرابنفش: (nm) 244،۲۵۷،۳۲۵،۳۶۴
  • ناحیه مرئی: (nm) 457،۴۷۳،۴۸۸،۵۱۴،۵۳۲،۶۳۳،۶۶۰
  • ناحیه فروسرخ: (nm) 785،۸۳۰،۹۸۰،۱۰۶۴

بنابراین باتوجه به مطالب ذکر شده، برای نمونه‌هایی که فلورسانس ندارند، مناسب‌ترین لیزر ۵۳۲ نانومتر و برای نمونه های فلورسنت ۷۸۵ گزینه پیشنهادی هستند.

منابع

  1. https://zaya.io/w7p86
  2. https://zaya.io/flgr0
  3. https://zaya.io/a3u04
  4. https://zaya.io/0py6l
  5. https://zaya.io/3eo0o
  6. https://zaya.io/1k67l
  7. https://zaya.io/5d60z
  8. https://zaya.io/zi4yv
  9. https://zaya.io/fd0mb
  10. https://zaya.io/s6th4
  11. https://zaya.io/8b20k
  12. https://zaya.io/x3n9z
  13. https://zaya.io/kutq7
  14. https://zaya.io/4a56i
  15. https://zaya.io/d8szy