طیف سنجی رامان

اشتراک گذاری در email
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در whatsapp
آیا می‌دانستید یکی از پرکاربردترین روش‌‌های طیف سنجی، طیف سنجی رامان است؟ ما در این مقاله کلیات طیف سنجی رامان را بررسی خواهیم کرد. پس اگر می‌خواهید دانش طیف سنجی خود را در این زمینه افزایش دهید این مطلب را تا انتها مطالعه بفرمایید.
طیف سنجی رامان

فهرست مطالب

پراکندگی رامان

پراکندگی رامان یا اثر رامان یک پدیده دو فوتونی است. در طی فرایند پراکندگی رامان قطبش پذیری مولکول با توجه به حرکت ارتعاشی آن تغییر می‌کند. برهمکنش قطبش پذیری یک مولکول با نور لیزر یک گشتاور دو قطبی ایجاد می‌کند. نوری که توسط این دو قطبی ناشی می‌شود، شامل پراکندگی رامان و پراکندگی ریلی است. روش طیف سنجی رامان با بهره‌گیری از این پدیده، مواد را تجزیه و تحلیل می‌کند.پراکندگی رامان در واقع نشان دهنده پیوندهای درون یک مولکول است. همین منجر می‌شود تا طیف رامان برای یک ساختار مولکولی منحصر به فرد باشد. اصطلاحا طیف رامان یک ساختار مولکولی، اثر انگشت (fingerprint) آن ساختار به حساب می‌آید.

طیف رامان multiwall CNT.
شکل۱: طیف رامان multiwall CNT. این طیف به وسیله میکروسکوپ رامان ۵۳۲ نانومتر تکرام به دست آمده است.

تاریخچه پراکندگی رامان

پیش‌بینی‌‌هایی از پراکندگی تا سال ۱۹۲۲ انجام شده بود. اما پراکندگی رامان اولین بار توسط دانشمندی هندی به نام CV Raman در سال ۱۹۲۸ مطرح شد. او توانست برای این کشف جایزه نوبل را از آن خود کند. رامان در سال ۱۹۲۳ ابتدا نور خورشید را با استفاده از فیلتر، تک رنگ کرد. سپس دریافت که رنگ نور در اثر عبور از مایعات تغییر می‌کند، اما این تغییر بسیار ضعیف است. سپس در سال ۱۹۲۷ او توانست تغییر رنگ شدید را ثبت کند. در این آزمایش نور آبی با عبور از گلیسیرین به رنگ سبز تغییر می‌کرد. به این ترتیب پراکندگی رامان کشف شد. از زمان کشف این پراکندگی اهمیت این موضوع احساس شد. همین امر سبب شد تا روز‌ به روز فناوری در این زمینه پیشرفت کند و در نهایت دستگاه رامان به شکل امروزی ساخته شود.

Sir_CV_Raman
شکل ۲: C V Raman

برهمکنش نور با ماده

وقتی نور با ماده برخورد می‌کند، در اثر برهمکنش نور با مولکول‌‌های ماده حالت‌های مختلفی برای فوتون‌های تابشی پیش می‌آید. به دلیل برهمکنش ممکن است فوتون‌ها جذب یا پراکنده شوند و یا این که اصلا با ماده تداخل نداشته باشند و مستقیما از آن عبور کنند. اگر انرژی فوتون تابشی با فاصله انرژی بین حالت پایه یک مولکول و حالت برانگیخته آن مطابقت داشته باشد، احتمالا فوتون جذب شده و مولکول به حالت برانگیخته گذار می‌کند. این پدیده توسط طیف سنجی جذبی قابل مشاهده است. حالت دیگر زمانی است که فوتون با مولکول برخورد می‌کند و پراکنده می‌شود. در این صورت لزوما انرژی فوتون مطابق اختلاف ترازهای انرژی مولکول نیست. فوتون‌های پراکنده را می‌توان با جمع‌آوری نور در زاویه‌ای از پرتوی نور فرودی مشاهده کرد.

پراکندگی یک تکنیک متداول است. به عنوان مثال، از آن به طور گسترده‌ای برای اندازه‌گیری سایز ذره و توزیع آن‌ها استفاده می‌شود. با این حال، اصلی‌ترین روش پراکندگی مورد استفاده برای شناسایی مولکولی، پراکندگی رامان است.

تئوری پراکندگی رامان

درصد زیادی از نوری که از یک ماده شفاف عبور می‌کند، بدون هیچ تغییری از آن عبور می‌‌کند (اثر الاستیک). به بیانی دیگر نور در اثر برخورد با مولکول‌‌های ماده پراکنده می‌شود. اما در اثر این پراکندگی نه انرژی به دست می‌آورد و نه انرژی خود را از دست می‌دهد. بنابراین در همان طول‌موج باقی می‌ماند. به این پدیده پراکندگی ریلی (Rayleigh scattering) گفته می‌شود. مقدار این پراکندگی به شدت طول‌موج وابسته و متناسب با ۴-λ است. مثال بازر آن آبی بودن رنگ آسمان است. رنگ آبی دارای طول‌موجی کوتاه است. طول موج آبی موجود در نور خورشید در جو زمین بیشتر از سایر طول‌موج‌‌ها پراکنده می‌شود. به همین دلیل است که آسمان به رنگ آبی دیده می‌شود.

در پراکندگی ریلی، یک فوتون با یک مولکول وارد برهمکنش می‌شود. به موجب آن ابر الکترونی قطبیده شده و آن را به تراز مجازی می‌رساند. طول عمر این تراز بسیار کوتاه است (۱۴-۱۰ ثانیه). بنابراین مولکول سریعا به حالت پایه سقوط می‌کند و یک فوتون آزاد می‌کند. فوتون آزاد شده در هر جهتی می‌تواند پراکنده شود. انرژی فوتون آزاد شده و انرژی فوتون اولیه به دلیل پراکنده ریلی برابر است. در نتیجه طول‌موج نیز تغییر نمی‌کند. اما پراکندگی رامان پدیده‌ای بسیار متفاوت است. این پراکندگی غیر الاستیک است. به این معنی که انرژی فوتون‌های نور قبل و بعد از پراکندگی برابر نیستند. به این ترتیب طول‌موج نیز در طول پراکندگی کم یا زیاد می‌شود. فوتون با مولکول برخورد می‌کند. با توجه به اینکه انرژی تحریک از باند جذبی کمتر است، مولکول را به تراز مجازی می‌رساند. اگر مولکول به حالت ارتعاشی سقوط کند (انرژی بالاتر از حالت پایه) فوتون پراکنده انرژی کمتری نسبت به فوتون اولیه دارد. بنابراین طول موج افزایش می‌یابد. به این پدیده پراکندگی رامان استوکس گفته می‌شود. در حالتی دیگر از همان ابتدا مولکول در حالت ارتعاشی قرار دارد و با برخورد فوتون به تراز مجازی گذار می‌کند. در حین بازگشت به تراز پایه سقوط می‌کند. در این حالت انرژی پراکندگی بیشتر از انرژی اولیه است. بنابراین طول‌موج کوتاه‌تر می‌شود. این پدیده پراکندگی رامان آنتی استوکس نام دارد. شکل ۳ پراکندگی ریلی، پراکندگی رامان استوکس و آنتی استوکس را نشان می‌دهد.

دیاگرام_انرژی_پراکندگی_رامان_و_رایلی
شکل ۳: تفاوت پراکندگی رایلی، رامان استوکس و ضد استوکس

پراکندگی استوکس بسیار کم اتفاق می‌افتد. از هر ۱۰۷ فوتون فقط یک مورد به پراکندگی استوکس منجر می‌شود. میزان پراکندگی آنتی استوکس حتی کمتر از این است. زیرا مولکول‌های بسیار کمی وجود دارند که از ابتدا در حالت انرژی ارتعاشی بالاتری قرار بگیرند. از آنجا که این موارد باعث پراکندگی آنتی استوکس می‌شود، شدت پراکندگی آنتی استوکس بسیار کمتر است. اما از زمانی که لیزرهای مدرن و میکروسکوپ‌های رامان در اختیار ما قرار گرفته‌اند، می‌توان به راحتی طیف رامان نمونه‌ها را ثبت کرد.

جابه‌جایی رامان با فاصله بین حالت‌های ارتعاشی و حالت‌های پایه (یعنی توسط فونون‌های سیستم) تعیین می‌شود. طیف رامان استوکس و رامان آنتی استوکس به فاصله متقارن (صرف نظر از شدت آن‌ها) در دو طرف مخالف طیف نور پراکندگی ریلی قرار می‌گیرند. همان گونه که در شکل ۴ مشاهده می‌شود، خطوط استوکس دارای شدت بیشتری هستند که این موضوع با توجه به بالاتر بودن احتمال وقوع آن‌ها قابل توجیه است. میزان جابجایی‌های رامان (Raman Shifts) مستقل از طول‌موج لیزر استفاده شده برای برانگیختگی نمونه است. پراکندگی ریلی دقیقا در طول موج معادل با طول موج منبع قرار گرفته، میزان جابجایی آن صفر بوده و شدت آن از خطوط استوکس و آنتی استوکس بسیار بیشتر است. به طور معمول در طیف سنجی رامان، از طیف استوکس (با توجه به اینکه شدت آن از شدت طیف آنتی استوکس بیشتر است) استفاده شده و از طیف آنتی استوکس صرف نظر می‌شود. اما همیشه به این روال نیست و گاهی هم طیف آنتی استوکس رامان ترجیح داده می‌شود. مثلا در مواردی که تداخل فلورسانس و رامان وجود دارد. اثر فلورسانس، طیف رامان استوکس را تحت تاثیر قرار می‌دهد. اما تاثیر چندانی بر روی طیف رامان آنتی استوکس ندارد. بنابراین می‌توان از طیف آنتی استوکس به راحتی استفاده کرد. از اختلاف شدت باندهای رامان در پراکندگی استوکس و آنتی استوکس می‌توان برای اندازه گیری دما نیز استفاده کرد.

طیف استوکس، ضد استوکس و رایلی (2)
شکل ۴: طیف استوکس و ضد استوکس به صورت متقارن در دو طرف طیف ریلی قرار دارند.

شکل ۵ قسمتی از طیف رامان تتراکلرید کربن (carbon tetrachloride) را نشان می‌دهد که طول‌موج منبع تحریک آن ۴۸۸ نانومتر است. همان طور که از شکل پیدا است طیف رامان به اندازه Δυ̅ جابه‌جا شده است. در این شکل در سمت راست سه پیک مشاهده می‌شود. این پیک‌ها عینا در سمت چپ نیز تکرار شده‌ است. اما شدت آن‌ها نسبت به سمت راست کمتر است. در نمودار طیف رامان محور عمودی نشان دهنده شدت نسبی و محور افقی نشان دهنده عدد موج (cm) یا جابه‌جایی رامان است. در این نمودار پیک‌های (cm) ۴۵۹،۳۱۴،۲۱۸ خطوط استوکس را نشان می‌دهند که در آن طول‌موج‌ها نسبت به طول‌موج ریلی بیشتر است. پیک‌های (cm) ۴۵۹،-۳۱۴،-۲۱۸- نشان دهنده خطوط آنتی استوکس هستند که طول‌موج آن‌ها نسبت به طول‌موج ریلی کمتر است. همان طور که پیشتر هم گفتیم فقط از خطوط استوکس برای نشان دادن طیف رامان استفاده می‌شود. ذکر این نکته حائز اهمیت است که فلورسانس به شدت طیف رامان استوکس را تحت تاثیر قرار می‌دهد ولی اثری روی طیف آنتی استوکس ندارد. هم چنین باید توجه داشت که بزرگی جابه‌جایی رامان مستقل از طول‌موج تحریک است. به بیانی دیگر موقعیت پیک‌ها با تغییر طول‌موج تحریک تغییر نمی‌کند. جابه‌جایی رامان به ساختار و ویژگی‌های ارتعاشی مولکول بستگی دارد.

طیف رامان تتراکلراید کربن
شکل ۵: طیف رامان استوکس و ضد استوکس تتراکلراید کربن

طیف سنجی رامان، تغییرات قطبش پذیری یک مولکول را تشخیص می‌دهد. بنابراین فقط ارتعاشاتی را ثبت می‌کند که قطبش در حین حرکت تغییر کند. که به ارتعاشات رامان فعال (Raman active) معروف است. قطبش پذیری یک مولکول با افزایش چگالی الکترون، افزایش استحکام پیوند و کاهش طول پیوند کاهش می‌یابد. حالت‌های ارتعاشی برای مولکول، تابعی از جهت‌گیری اتم‌ها و پیوندهای آن، جرم اتمی اتم‌ها، ترتیب پیوند، پیوند هیدروژن و سایر عوامل است.

در شکل ۵ محور افقی نشان دهنده جابه‌جایی رامان یا عدد موج است. که در ادامه معنی این پارامتر را بیان کرده‌ایم.

یکی از مشخصه‌های تابش، طول موج است که با لاندا (λ) نمایش داده می شود. علاوه بر طول‌موج در طیف ‌سنجی از فرکانس (𝜈) و یا عدد موج  استفاده می‌شود. عدد موج در روش طیف‌سنجی رامان کاربرد زیادی دارد و با واحد cm نمایش داده می‌شود. به علت استفاده زیاد از واحد ، به منظور آشنایی بیشتر فرمول عدد موج و رابطه آن با طول موج بیان می‌شود. ذکر این نکته حائز اهمیت که انرژی با عکس طول‌موج متناسب است.

در برخی موارد طیف سنجی رامان و طیف سنجی مادون قرمز شباهت‌هایی دارند. بازرترین شباهتشان این است که هر دو تکنیک جز طیف سنجی‌های ارتعاشی هستند. این دو روش می‌توانند مکمل هم باشند. بنابراین تصمیم داریم که بخش بعدی را به این موضوع اختصاص دهیم.

طیف سنجی رامان و مادون قرمز (Infrared spectroscopy (IR))

همان طور که گفته شد این دو روش مکمل هم هستند. زیرا گذاری که در رامان مجاز است ممکن است در IR ممنوع باشد و بالعکس. به همین دلیل می‌توان با به کار بردن هر دو تکنیک اجزای ساختاری و شیمیایی ترکیبات را مشخص کرد. معمولا برای اندازه‌گیری دو حالت انرژی ارتعاشی و ارتعاشی‌-چرخشی هر دو روش به کار گرفته می‌شوند. برخی از حالت‌های ارتعاشی هم رامان فعال هستند، هم IR فعال. که این موضوع به قطبش پذیری یک مولکول بستگی دارد. به طور کلی طیف سنجی رامان در ارتعاشات متقارن گروه‌های غیر قطبی بهتر عمل می‌کند، در حالی که طیف سنجی مادون قرمز فقط در مولکول‌هایی انجام پذیر است که ارتعاشات گروه‌های قطبی نامتقارن باشند. از طرفی در حالت IR فعال یک لرزش خاص موجب تغییر در گشتاور یا القای دو قطبی می‌شود. در حالی که در حالت رامان فعال ارتعاشاتی که قطبش پذیری مولکول را تغییر می‌دهند منجر به پراکندگی رامان می‌شود. گروه‌های عاملی مانند −C=C−، −C≡C−، −C≡N، −C−NO۲، −C−S−، −S−S− و −C−X− (X=F, Cl, Br, I)− تغییرات قطبش پذیری شدیدی را نشان می‌دهند. بنابراین سیگنال‌های قوی رامان را ثبت می‌کنند.

به طور کلی طیف سنجی رامان با توجه به مزیت‌های آن کاربرد فراوانی دارد و در مقایسه با طیف سنجی IR‌ بیشتر به کار گرفته می‌شود.

مقایسه طیف رامان و فروسرخ
شکل ۶: مقایسه طیف رامان و IR

ارتعاش‌های مولکولی

انرژی یک مولکول را می‌توان به تعدادی درجه آزادی تقسیم کرد. البته این موضوع مشروط به این است که هیچ تغییری در انرژی الکترونی آن ایجاد نشود. سه مورد از این درجه آزادی برای توصیف انتقال مولکول در فضا و سه مورد برای توصیف حرکت چرخشی مولکول در نظر گرفته می شود. البته برای مولکول‌های خطی استثنا وجود دارد که فقط دو نوع چرخش در آن امکان پذیر است. اگر بخواهیم تعداد درجه‌های آزادی برای مولکول‌های مختلف را محاسبه کنیم از فرمول زیر استفاده می‌کنیم. اگر تعداد اتم‌های درون یک مولکول را N در نظر بگیریم، تعداد ارتعاش‌های ممکن برای همه مولکول‌های غیرخطی ۳N-6 و برای مولکول‌های خطی ۳N-5 است. با این حساب برای یک مولکول دواتمی تنها یک ارتعاش وجود خواهد داشت. در مولکولی مانند اکسیژن، این یک ارتعاش ساده از پیوند O-O است. این ارتعاش قطبش پذیری مولکول را تغییر می‌دهد اما هیچ تغییری در القای دوقطبی ایجاد نمی‌کند. زیرا هیچ دوقطبی‌ای در مولکول وجود ندارد و ارتعاش در حوالی مرکز متقارن است. با این اوصاف طبق قانونی که در بالاتر ذکر شد، پیش بینی می شود که گاز اکسیژن دارای طیف رامان باشد. این پیش بینی درست بوده و این گاز به ما طیف رامان می دهد، اما هیچ طیفی در جذب مادون قرمز ایجاد نمی‌کند. یک مولکول سه اتمی، با توجه به فرمول بالا دارای سه مد ارتعاشی است. این مدها شامل مدهای کششی متقارن، خمش یا تغییر شکل و کششی نامتقارن هستند. در شکل ۷ این ارتعاشات به وضوح برای مولکول‌های آب و دی اکسید کربن نشان داده شده است. مسلما هرچه پیوند قوی‌تر باشد، فرکانس نیز بیشتر می‌شود. اتم‌ها به علت سنگین‌تر بودن، فرکانس پایین‌تری دارند. احتمالا بدانید که عبارتی که جرم اتم‌ها و قدرت پیوند آن‌ها را به فرکانس ارتعاش مربوط می‌کند، قانون هوک است. بدیهی است که پیوندهای قوی و اتم‌های سبک فرکانس بالاتر و در مقابل اتم‌های سنگین و پیوندهای ضعیف فرکانس‌های پایین تری دارند. این مدل ساده به طور گسترده‌ای برای تفسیر طیف‌های ارتعاشی استفاده می‌شود.

مدهای_ارتعاشی_در_مدل_فنر_و_گلوله_برای_مولکول_های_آب_و_کربن_دی_اکسید
شکل ۷: مدهای ارتعاشی در مدل فنر و گلوله برای مولکول های آب و کربن دی اکسید

یک تصویر ساده از دی اکسید کربن در شکل ۸ نشان داده شده است. اگر هر یک از دو مولکول ارتعاش کند، ابر الکترونی تغییر مکان پیدا می‌کند و بسته به ماهیت این تغییر، می‌تواند باعث تغییر ممان دو قطبی یا قطبش شود. در این مولکول‌های سه اتمی، کشش متقارن باعث ایجاد تغییرات بزرگ قطبش پذیری می‌شود. از این رو با پراکندگی رامان قوی مواجه هستیم که با تغییر دو قطبی ضعیف و یا بدون تغییر است. در نتیجه جذب مادون قرمز طیف ضعیفی خواهد داشت و یا اصلاً در این حالت طیفی نمایش داده نمی‌شود.

مدل ابر الکترونی کربن دی اکسید
شکل ۸: مدل ابر الکترونی از کربن دی اکسید

باید این نکته را نیز در نظر داشته باشیم که درست است که این نوع تجزیه و تحلیل برای مولکول‌های کوچک مناسب است، اما استفاده از آن در یک مولکول پیچیده‌تر دشوارتر است. همچنین مقایسه بین مولکول‌هایی از نوع مشابه نیز دشوار است، مگر این که یک محاسبه کامل برای همه آن‌ها در دسترس باشد و هر تغییر ظریف در جابجایی‌های هسته‌ای برای هر یک ترسیم شده یا با دقت توضیح داده شود. این موضوع توانایی مقایسه بین تعداد زیادی مولکول یا درک ماهیت ارتعاشات در مولکول‌ها را محدود می‌کند.

به منظور اختصاص ارتعاشات به پیک‌های طیفی رامان باید بدانیم که دو یا چند پیوند که در یک مولکول به هم نزدیک هستند. همین ارتعاش گروهی از اتم‌های مرتبط با این پیوندها است که در طیف مشاهده می‌شود. در مقابل این موضوع اگر بین ارتعاشات در پیوندهای مختلف تفاوت انرژی زیادی وجود داشته باشد و یا این که اتم‌ها به خوبی در مولکول از هم جدا شده باشند، می‌توان با آن‌ها جداگانه رفتار کرد. از هندسه مولکول‌ها متوجه می‌شویم که انواع مختلفی از ارتعاشات برای گروه های مختلف امکان پذیر است.

تفسیر طیف رامان

می‌توان محدوده‌هایی از انرژی را مشخص کرد که در این بازه‌ها فرکانس‌های مشخصی از رایج‌ترین گروه‌هایی که در پراکندگی مادون قرمز و یا رامان قوی هستند، تعیین شده باشد. با این کار می‌توانیم متوجه شویم که فرکانس‌های مشخصی که اکثر گروه‌ها در پراکندگی رامان یا مادون قرمز قوی هستند، در کدام بازه از انرژی قرار می‌گیرند. شدت نسبی قله‌های خاص به تأیید این که ارتعاش صحیح انتخاب شده است، کمک می‌کند. می‌توانیم چند مثال از این موضوع را با یکدیگر بررسی کنیم.

به عنوان مثال، گروه‌های کربونیل C=O که هم نامتقارن و هم یونی هستند، یک ممان دو قطبی‌ای دارند که زمانی که گروه به گونه‌ای به سمت اکسیژن کشیده می‌شود، تغییر خواهند کرد. با این تفاسیر باید در طیف جذبی مادون قرمز باندهای قوی داشته باشند. این در حالی است که طیف رامان ضعیف‌تر می‌باشد. این‌ها معمولا در حدود (cm) ۱۷۰۰ حضور دارند.

گروه‌های متقارن مانند پیوندهای اشباع نشده (-C=C-) و پیوندهای دی سولفید (-S-S-) جذب کننده مادون قرمز ضعیف هستند، اما پراکنده کننده‌های قوی رامان محسوب می‌شوند. مدهای کششی برای این ارتعاشات به ترتیب در حدود (cm) ۱۶۴۰ و (cm) ۵۰۰ است. مثال‌های بسیار بیشتری وجود دارند. ترکیبی از دانش انرژی تقریبی و شدت نسبی احتمالی ارتعاش‌های خاص است که باعث می‌شود پایه‌ واگذاری مدها که توسط بیشتر متخصصین طیف‌سنجی استفاده می‌شود، تشکیل شود. به عنوان مثال در بازه (cm) ۴۰۰۰-۲۵۰۰ پیوندهای یگانه X-H جذب می‌شود. در بازه (cm) ۲۰۰۰-۲۵۰۰ پیوندهای چندگانه (-N=C=O) ظاهر می‌شوند. ناحیه (cm) ۱۵۰۰-۲۰۰۰ جایی است که پیوندهای دوگانه (-C=O, -C=N, -C=C-) تشکیل می‌شود. در ناحیه بیشتر از (cm) ۱۵۰۰ بعضی از گروه‌ها مانند نیترو (O=N=O) پیوندهای خاصی دارند. اما بسیاری از مولکول‌ها الگوهای پیچیده‌ای از ارتعاش‌های کربن-کربن و کربن-نیتروژن دارند. از این ناحیه به طور کلی به عنوان ناحیه “اثر انگشت” یاد می‌شود.

باندهای مهمی که بیشتر از (cm) ۶۵۰ هستند، معمولا از گروه‌های غیر آلی(معدنی)، گروه‌های آلی فلزی یا ارتعاشات شبکه‌ای ایجاد می‌شود. جدول‌های زیر محدوده‌های فرکانس بسیاری از ارتعاشات را نشان می‌دهد که باعث ایجاد باندهای قوی در طیف سنجی رامان یا مادون قرمز می‌شود. مسلما این بازه‌ها برای گروه‌ها در بیشتر ساختارها تقریبی است اما بعضی از گروه‌ها در ساختارهای غیرمعمول ممکن است خارج از این محدوده باند قرار بگیرند. ضخامت خط نشانگر قدرت نسبی است. باندهایی که انتظار داریم در پراکندگی رامان قوی باشد، باندهای متقارن‌تری هستند. این روش اغلب در طیف سنجی ارتعاشی استفاده می‌شود. اما برای اختصاص قله‌های خاص در طیف به ارتعاشات خاص، آزمایشگاه‌های مدرن از کتابخانه هایی استفاده می‌کنند که طیف‌های کامل به صورت الکترونیکی ذخیره می‌شوند. بیشتر طیف‌سنج ها نرم افزاری دارند تا بتوانند آنالیزهایی از شباهت‌ها و تفاوت‌هایی که با نمونه‌های استاندارد دارند بگیرند. در نتیجه مواد مختلف می‌توانند به راحتی شناسایی شوند.

در پراکندگی رامان. طول خطوط عمودی بیانگر بازه عدد موج بر حسب  و ضخامت خطوط بیانگر قدرت نسبی است.
جدول ۱: ارتعاش های منفرد، فرکانس های گروهی و شدت احتمالی از پیک های متدوال شناسایی شده در پراکندگی رامان. طول خطوط عمودی بیانگر بازه عدد موج بر حسب و ضخامت خطوط بیانگر قدرت نسبی است.

ارتعاش های منفرد، فرکانس های گروهی و شدت احتمالی از پیک های متدوال شناسایی شده در پراکندگی رامان
جدول ۲: ارتعاش های منفرد، فرکانس های گروهی و شدت احتمالی از پیک های متدوال شناسایی شده در پراکندگی رامان

ارتعاش های منفرد، فرکانس های گروهی و شدت احتمالی از پیک های متدوال شناسایی شده در پراکندگی رامان
جدول ۳: ارتعاش های منفرد، فرکانس های گروهی و شدت احتمالی از پیک های متدوال شناسایی شده در پراکندگی رامان

ارتعاش های منفرد، فرکانس های گروهی و شدت احتمالی از پیک های متدوال شناسایی شده در پراکندگی رامان.
جدول ۴: ارتعاش های منفرد، فرکانس های گروهی و شدت احتمالی از پیک های متدوال شناسایی شده در پراکندگی رامان.

در بازه‌های دیگر، محاسبه اولیه با محاسبات DFT تأیید می‌شود که باعث می‌شود ارزیابی دقیق‌تری از ماهیت ارتعاشات و در نتیجه ساختار مولکولی به ما بدهد. پیش بینی باندهای اصلی جذب مادون قرمز برای مولکول‌های کوچک همان طور که در بالا نشان داده شده است بسیار ساده است، اما برای مولکول‌های بزرگ تعداد باندهای ممکن بسیار زیاد است. خوشبختانه، بسیاری از این باندها با یکدیگر همپوشانی دارند و آنچه در دمای اتاق مشاهده می‌شود، پوش‌های زیاد با اشکال قابل تشخیص در برخی ناحیه‌های انرژی و در برخی دیگر باندهای تیز به دنبال پیوندهای خاص مانند (-C=O) هستند. از آن جایی که برخی از ارتعاشات ناشی از گروه‌های اتمی هستند (مانند اتم‌های موجود در زنجیره کربن یا حلقه‌هایی که توسط پیوندهایی تقریبا با همان انرژی به هم مرتبط می‌شوند)، تعداد قله‌ها و انرژی آن‌ها به شکل کلی مولکول مرتبط است. به این باندها اثر انگشت گفته می‌شود و الگوی این باندها می‌تواند به شناسایی یک مولکول خاص در جا، درون نمونه کمک کند. با این حال، برای سیستم‌های پیچیده‌تر، می‌توان زمان زیادی را برای اختصاص این باندها به مدهای خمش، کشش یا تغییر شکل صرف کرد. طیف‌های رامان معمولا تا حدودی ساده‌تر هستند. اغلب باندهای حساس به محیط زیست(به عنوان مثال OH و NH)، گسترده و ضعیف هستند و باندهای ساختاری زنجیره اصلی(backbone) قوی و تیز هستند. میزان این تفاوت را می‌توان از این واقعیت نشان داد که آب می‌تواند به عنوان یک حلال برای به دست آوردن طیف رامان از مولکول‌های آلی استفاده شود. این نشان دهنده استحکام نسبی باندها در مولکول آلی در مقایسه با ضعف گونه‌های پیوند یافته با هیدروژن مانند باند های OH در آب است. این قابلیت به سادگی طیف رامان در مقایسه با طیف مادون قرمز منجر می‌شود. بنابراین، طیف های رامان از مولکول های کاملا بزرگ باندهای واضحی را نشان می‌دهند. باندهای قوی در طیف رامان عمدتا مربوط به گروه آروماتیک است.

مزایا و معایب طیف سنجی رامان

طیف سنجی Raman دارای مزایای زیادی نسبت به سایر روش‌های تجزیه و تحلیل است. این مزایا عبارتند از:

  • با استفاده از این طیف سنج می‌توان مواد جامد، مایع، گاز و ژل را مورد تجزیه و تحلیل قرار داد.
  • برای طیف‌گیری نیازی به آماده سازی نمونه ندارد.
  • امکان طیف‌گیری از نمونه‌ها در حجم کم امکان پذیر است.
  • غیر مخرب است.
  • برخلاف برخی از تکنیک‌‌ها به خلا نیاز ندارد.
  • طیف سنجی رامان بسیار سریع است.
  • با استفاده از این روش ‌می‌توان نمونه‌های محلول در آب را نیز اندازه‌گیری کرد.
  • امکان طیف گیری از روی ویال شیشه‌ای، کووت و … وجود دارد.
  • با استفاده از کابل‌های فیبر نوری از راه دور نیز می‌توان از نمونه‌ها طیف‌گیری کرد.

یکی از معایب این طیف سنجی این است که با استفاده از این روش نمی‌توان از فلزات طیف‌گیری کرد. همچنین در مواردی طیف رامان به قدری ضعیف است که تجزیه و تحلیل مواد را دشوار می‌کند. البته رامان به قدری محبوب و قدرتمند است که این مشکل را می‌توان به راحتی حل کرد. طیف سنجی رامان دارای تکنیک‌های متفاوتی است که به کمک آنها می‌توان سیگنال رامان را تقویت کرد. این موضوع به طور کامل در مقاله انواع طیف‌سنجی رامان بیان شده است.

کاربردهای طیف سنجی رامان

داروسازی

  • تأیید کیفیت داروها
  • شناسایی داروهای تقلبی
  • شناسایی آلودگی داروها
  • تأیید همگنی مواد اولیه مخلوط شده دارویی
  • بررسی کریستال شدن ماده اولیه
  • بررسی پایداری فرمولاسیون دارو

علوم جنایی

  • تشخیص مواد منفجره
  • تشخیص مواد مخدر
  • آنالیز خون

زمین شناسی

  • شناسایی سنگ های قیمتی
  • تجزیه و تحلیل نفت و مشتقات آن
  • تحقیقات زمین شناسی

هنر

  • شناسایی رنگدانه های روی نقاشی ها
  • شناسایی رنگدانه های روی سفال ها
  • شناسایی رنگ روی پارچه
  • تشخیص جوهر و رنگ

صنایع غذایی

  • تعیین کیفیت میوه ها، سبزیجات، گوشت، محصولات لبنی، روغن و نوشیدنی ها
  • تعیین مواد غذایی اصل از مواد غذایی تقلبی

کشاورزی

  • تشخیص سموم باقیمانده روی محصولات کشاورزی
  • آنالیز سموم دفع آفت
  • تشخیص میکروپلاستیک ها در آب آشامیدنی و آب زراعی

مهندسی معدن

  • شناسایی طیف گسترده ای از مواد معدنی مانند اکسی آهن (هیدروکسیدها)، فری هیدریت و آدلیت

پزشکی

  • بررسی تغییرات پاتولوژیک در طیف عدسی های چشم، بافت مغز، کبد، روده بزرگ و …

اقیانوس شناسی

  • آنالیز میکروپلاستیک‌ها
  • آنالیز آلودگی‌های نفتی و هیدروکربنی (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons)
  • آنالیز کانی‌ها و مواد بستر دریا‌ها

کاربردهای بسیار زیاد دیگری از طیف سنجی رامان وجود دارد. برای این که مطلع شوید که کاربرد این روش قدرتمند در حوزه شما چیست، کافی است با کارشناسان شرکت تکسان تماس گیرید.

جمع‌بندی

در این مقاله به طور کلی طیف سنجی رامان را مورد مطالعه قرار دادیم. همچنین گفتیم که پراکندگی رامان به دو شکل استوکس وآنتی استوکس رخ می‌دهد. در پراکندگی استوکس طول‌موج پراکندگی افزایش می‌یابد. اما در پراکندگی آنتی استوکس رامان، طول‌موج کاهش می‌یابد. همچنین بیان کردیم که به طور معمول از طیف استوکس در طیف سنجی رامان استفاده می‌شود. در ادامه دلیل رامان فعال بودن مواد را مورد مطالعه قرار دادیم. همچنین طیف سنجی مادون قرمز و رامان را به طور مختصر مقایسه کردیم.

 همچنین گفتیم که در اثر رامان و IR قطبش و قطبش پذیری چگونه تغییر می‌کند. در همین راستا ارتعاش‌های مولکولی را نیز بررسی کردیم. علاوه بر این کاربردها، معایب و مزایای این روش را بررسی کردیم.

طیف سنج رامان در مدل‌‌های مختلفی به بازار عرضه می‌شود. با توجه به مدل‌های متنوع طیف سنج های رامان ممکن است شما در انتخاب هر یک از مدل‌ها سردرگم شوید. بنابراین ما مطلبی تحت عنوان راهنمای خرید میکروسکوپ رامان آماده کردیم تا شما بتوانید با مطالعه آن، مدل مورد نیاز خود را انتخاب کنید.

منابع

  1. https://zaya.io/cge3d
  2. https://zaya.io/fy4kt
  3. https://zaya.io/8ot5k
  4. https://zaya.io/toscv
  5. https://zaya.io/z8grh