رزولوشن طیفی در میکروطیف سنج رامان

تعریف رزولوشن طیفی

انتخاب رزولوشن طیفی مناسب مورد توجه همه کاربران رامان است و اهمیت بالایی دارد. این اهمیت خودش را هنگام خرید طیف سنج رامان و یا انجام کارهای تحقیقاتی روزانه نشان می‌دهد.

احتمالا برایتان جالب باشد که در انتخاب عدد رزولوشن طیفی چه پارامتری تصمیم گیرنده است. در نهایت این حوزه و کاربرد تحقیقاتی شما و یا ماده مورد مطالعه‌تان است که تعیین کننده این انتخاب است. برای دانستن علت این موضوع تا انتهای این مقاله ما را همراهی کنید.

شاید برای روشن شدن بیشتر مطلب و شروع بهتر مبحث، مناسب باشد تا از یک مثال استفاده کنیم. به طور مثال اگر با مواد به شدت کریستالیته سر و کار دارید؛ و اندازه گیری پهنا باریک طیف نیاز باشد، برای مشاهده خطوط باریک رامان آن به رزولوشن بالاتری نسبت به مواد دیگر نیاز دارید. از طرفی دیگر اگر حوزه کاری شما به مشخصه یابی مواد جامد آمورف و یا مایعات مرتبط می‌شود، نیازی به رزولوشن بالا ندارید.

اگر به دنبال چرایی این مسئله هستید باید قید کنیم که بعضی از تغییرات در ویژگی‌های ماده، می‌تواند تغییر بسیار کوچکی در پیک‌های مهم طیف رامان ماده شما به وجود آورد که توسط یک میکرو طیف سنج رامان با رزولوشن طیفی نسبتا پایین قابل شناسایی نباشد.

مقدار توانایی یک طیف سنج در جدا کردن دو خط طیفی مجاور را می‌توانیم رزولوشن طیفی تعریف کنیم. از این تعریف علاوه بر طول موج، می‌توان برای عدد موج و یا فرکانس هم استفاده کرد. همان طور که اشاره شد، رزولوشن طیفی مناسب را حوزه کاری شما تعیین می‌کند. این امر بستگی به این دارد که می‌خواهید چه اطلاعاتی از مشخصه یابی یک ماده با رامان به دست آورید.

میزان این رزولوشن طیفی در صورتی که سیستم رامان شما پاشنده باشد؛ به عوامل زیر بستگی دارد که آن‌ها را با هم بررسی می‌کنیم.

عوامل موثر در رزولوشن طیفی

فاصله کانونی طیف سنج

در معرفی اولین پارامتر شما را با مهم‌ترین عامل در تعیین رزولوشن طیفی آشنا می‌کنیم. یک طیف سنج با فاصله کانونی بیشتر، میزان پاشندگی بیشتری ایجاد می‌کند و در نتیجه شما رزولوشن طیفی بالاتری دارید.
در این قسمت می‌خواهیم شما را با موضوعی آشنا کنیم که حتی درصدی از افراد متخصص هم از آن اطلاعی ندارند. شما در رزولوشن‌های بالا از بررسی بازه طول موجی کمتری بهره مند می‌شوید. چرا که در آشکارسازی فوتون‌ها باید ابعاد قطعه CCD را هم در نظر بگیرید. این مشکل را می‌توانید با قرار دادن توری متحرک و اسکن آن در تمام محدوده طول موجی حل کنید و رزولوشن بالا داشته باشید. دست یابی همزمان به این دو پارامتر مهم و تاثیر گذار قطعا مستلزم هزینه بالایی است. به همین دلیل ما به شما پیشنهاد می‌کنیم تا نیازهای خود را بهتر بشناسید تا بتوانید یک حالت بهینه برای این دو پارامتر پیدا کنید.
شرکت تکسان برای شما هر کدام از این شخصی سازی‌ها را انجام می‌دهد. کافی است تنها با کارشناسان ما تماس بگیرید.
معمولا فاصله کانونی در میکرو طیف سنج های رامان بین ۸۰۰-۱۰۰ میلی متر متغیر است. تغییرات این بازه در بعضی موارد بیشتر هم می‌شود.
ذکر این نکته نیز برای شما جالب توجه است که یک سیستم با رزولوشن طیفی بیشتر (که در اثر استفاده از فاصله کانونی بیشتر به دست آمده)، می‌تواند به عنوان یک سیستم با رزولوشن طیفی کمتر مورد استفاده قرار گیرد و این مسئله‌ای است که به انتخاب توری پراش مناسب وابسته است.

با توجه به موضوعات مطرح شده، احتمالا حدس می‌زنید که پارامتر موثر بعدی “توری پراش” است.

توری پراش

همان طور که شما هم در جریان قرار گرفتید، دومین عامل مهمی که در رزولوشن طیفی اهمیت پیدا می‌کند؛ توری پراش است. می‌توانید در شکل ۲ مشاهده کنید که در یک فاصله کانونی ثابت، به هر میزان که تعداد شیار توری بالاتر می‌رود؛ به همان نسبت هم زاویه پاشندگی وسیع‌تری ایجاد می‌شود. این عامل موجب به دست آمدن رزولوشن طیفی بهتر و دقیق‌تری می‌شود. در این حالت هم مجددا میان تعداد خطوط توری که منجر به افزایش رزولوشن طیفی می‌شود و محدوده طول موجی قابل شناسایی یک رابطه وجود دارد. حالا می‌دانید که در چنین شرایط‌هایی راه حل به چه صورت است.
معمولا برای طیف سنج های رامان از توری‌های پراش با تعداد خطوط ۸۰۰-۳۰۰ (میلی متر/خط) استفاده می‌شود. توری‌های پراش با تعداد خطوط ۲۴۰۰ و یا حتی ۳۶۰۰ (میلی متر/خط) هم می‌توانند در این سیستم‌ها استفاده شوند. اما در نهایت این کاربرد شما است که تعیین می‌کند به آن نیاز دارید یا خیر. اگر نیاز شما به آن ضروری است و از بابت هزینه آن مشکلی ندارید با ما تماس بگیرید تا شخصی سازی دستگاه متناسب با نیاز شما صورت گیرد.

شما با تنظیم دو پارامتر فاصله کانونی و تعداد خطوط توری می‌توانید داشتن یک رزولوشن طیفی بالا را تجربه کنید. اما در ادامه شما را با محدودیت‌های این مبحث آشنا می‌کنیم. ابتدا این مقاله هم به شما یادآور شدیم که باید به دنبال یک حالت بهینه برای این کار باشید. به طور مثال در بهینه ترین حالت می‌توانید از طیف سنج با فاصله کانونی زیاد به همراه یک توری با تعداد خط متوسط (مثلا ۱۸۰۰ (میلی متر/خط)) استفاده کنید و هیچ محدودیتی نداشته باشید. باز هم تاکید می‌کنیم که این بهینه سازی و محدودیت نسبی است.
اگر یک رزولوشن طیفی مشخصی در ذهن شما باشد که به آن نیاز دارید می‌توانید از یک سمت از یک توری با تعداد خطوط بیشتر (بیشتر از ۲۴۰۰ (میلی متر/خط)) استفاده کنید و اما از سمت دیگر فاصله کانونی کوتاه‌تری را برای طیف سنج انتخاب کنید. اما ما این کار را به چند دلیل به شما توصیه نمی‌کنیم.

۱) اولین و اصلی‌ترین دلیل این است که توری‌های پراش برای همه طول موج‌ها با یک میزان بازدهی عمل نمی‌کنند. بنابراین شما در همه کاربردها نمی‌توانید رزولوشن طیفی دلخواه را با توری پراش جبران کنید.

۲) به عنوان دومین دلیل می‌توان گفت که بازدهی کلی یک توری پراش با تعداد خطوط بالا کمتر است. خود این موضوع باعث می‌شود تا شما یک سیگنال با شدت ضعیف‌تری داشته باشید. در نتیجه این عوامل نسبت سیگنال به نویز شما که یک شاخص مهم در طیف گیری است، کاهش پیدا می‌کند. در انتها نیز برای به دست آوردن یک طیف با شدت سیگنال معقول، باید زمان بیشتری را نسبت به حالت عادی صرف کنید.

۳) در سومین دلیل به موردی اشاره می‌کنیم که آن را به طور ضمنی بیان کردیم. با افزایش تراکم تعداد خطوط توری، میزان بازه طول موجی شما کاهش پیدا می‌کند (به شکل ۲ دوباره رجوع کنید!). این بدین معنی است که شما باید یک توری پراش را چندین مرتبه حرکت دهید تا بتوانید کل بازه طول موجی را طیف سنجی کنید. همین موضوع باعث می‌شود تا زمان طیف گیری شما به میزان قابل توجهی افزایش پیدا کند. از طرف دیگر به دلیل این که این طیف سنجی ها تکه تکه صورت گرفته است؛ احتمالا در یک پارچه کردن این طیف‌ها برای به دست آورن طیف کامل دچار مشکل خواهید شد.

اکنون که با پارامتر توری پراش و تاثیر آن در رزولوشن به طور کامل آشنا شده‌اید؛ می‌توانیم به سراغ پارمتر بعدی برویم.

طول موج تحریک لیزر رامان

شما همواره قبل از شروع به شناسایی و آنالیز یک ماده با رامان باید مشخص کنید که می‌خواهید از چه طول موجی استفاده کنید. انتخاب لیزر در طیف سنجی رامان بر چه اساسی باید صورت گیرد؟ به طور کلی طول موج لیزرها از ناحیه فرابنفش تا مادون قرمز نزدیک هستند. از آن جایی که شدت سیگنال رامان با طول موج رابطه معکوس از مرتبه ۴ دارد؛ سیگنال رامان با کاهش طول موج لیزر ضعیف‌تر می‌شود. از طرف دیگر با افزایش طول موج لیزرها، تداخلی که بین پیک‌های رامان و تابش فلورسانس وجود دارد تا حدی از بین می‌رود. در نتیجه کاهش فلورسانس زمینه به افزایش میزان رزولوشن طیفی شما کمک می‌کند.

اگر بخواهیم برای شما یک مثال ملموس بیاوریم، باید بگوییم که خرید یک میکرو طیف سنج رامان مانند خرید یک لپ تاپ و یا سیستم کامپیوتر است. شما هر قطعه را با توجه به نیازی که دارید، انتخاب می‌کنید. پس انتظار خرید یک سیستم یکسان برای همه کاربردها را نداشته باشید. چیدمان اپتیکی این قطعات را به منظور گرفتن بالاترین بهره وری به ما بسپارید.
به جز عواملی که برای شما بیان شد، سایر عوامل نیز می‌توانند بر رزولوشن طیفی تاثیر گذار باشند. این موارد عبارت‌اند از: سایز پیکسل‌های آشکار ساز (سایز پیکسلی کوچکتر مرتبط با رزولوشن طیفی بهتر است)، سایز اسلیت و یا همان شکاف (طبیعتا هر چه قدر که این شکاف کوچکتر باشد، شما رزولوشن طیفی بهتری خواهید داشت).
شما با تغییر دادن همین پارامترها می‌توانید رزولوشن مورد نیاز خود را تنظیم کنید. البته که می‌دانید محدودیت‌هایی برای همه این عوامل وجود دارد و همین مورد هم باعث می‌شود تا حتی یک سری محدودیت در تئوری آن‌ها به وجود آید.
البته، همانطور که در بالا ذکر شد، محدودیت‌هایی برای همه این عوامل وجود دارد که بالاترین وضوح طیفی ممکن را در تئوری محدود می‌کند.

تعیین رزولوشن طیفی به چه صورت انجام می‌شود؟

حالا که با تعریف رزولوشن آشنا شده‌ایم، درک بهتری داریم تا متوجه شویم که رزولوشن طیفی به چه صورت تعیین می‌شود. یکی از راه‌هایی که برای سنجش یک طیف سنج رامان استفاده می‌شود؛ طیف گیری از یک نمونه رامان اکتیو است که خطوط رامان آن به طور قابل توجهی باریک هستند. خطوط رامان این نمونه باید به قدری باریک باشند که طیف سنج نتواند آن را تفکیک کند. بدین ترتیب می‌توانیم متوجه شویم که طیف سنج رامان این خطوط را به چه میزان پهن می‌کند. همین موضوع می‌تواند به شما کمک کند تا متوجه شوید که دستگاه خطوط را به چه میزان می‌تواند تفکیک کند.
نمونه مناسب برای این منظور نیتروژن مایع است که خطوط رامان آن بسیار باریک است. از آن جایی که نیتروژن مایع دمای به شدت پایینی دارد، خطوط رامان آن بسیار باریک است و به همین جهت برای سنجیدن رزولوشن طیفی یک نمونه بسیار خوب به حساب می‌آید.
در شکل ۳ می‌توانید تفاوت دو طیف رامان به دست آمده را مشاهده کنید. تفاوت این طیف‌ها ناشی از متفاوت بودن رزولوشن طیفی طیف سنج های رامان آن‌ها است. پهنای خطی ارتعاش کششی پیوند N-N یک بار توسط دستگاهی با رزولوشن پایین‌تر (طیف آبی و رزولوشن (cm^-۱) ۲.۵) و یک بار هم توسط دستگاهی با رزولوشن طیفی بالا (طیف قرمز و رزولوشن (cm^-۱)۱) به دست آمده است.

اهمیت رزولوشن طیفی در چیست؟

اگر قرار باشد که این اهمیت را در یک جمله خلاصه کنیم، می‌توان گفت که رزولوشن طیفی بالا می‌تواند جزئیات بیشتر و بالاتری از یک نمونه را به شما نشان دهد. بهتر است که نمایش این جزئیات را با هم در شکل ۴ مشاهده کنیم. طیف تریپتیسن یک بار با رزولوشن طیفی استاندارد و یک بار با رزولوشن طیفی بالا به دست آمده است. تفاوت این دو طیف به راحتی مشهود است.
رزولوشن طیفی میکرو طیف سنج های رامان تکرام در حالت عادی (cm^-۱) ۱۰ و برای سیستم‌های SRM برابر با (cm^-۱) ۵ است. اگر شما به رزولوشن بالاتری نیاز داشتید، این شخصی سازی امکان پذیر است. اما با این اعداد گزارش شده می‌توانید کار خود را به بهترین نحو انجام دهید.

چرا رزولوشن طیفی بالا همیشه بهترین انتخاب نیست؟

برای این که بخواهید طیف گیری خود را با رزولوشن بسیار بالا انجام دهید، به زمانی حداقل سه برابر باقی اندازه گیری‌ها نیاز دارید. این افزایش زمان طیف گیری در اثر کاهش بازه طیفی قابل اندازه گیری پیش می‌آید. در این حالت ضروری است که چندین طیف متعدد داشته باشید تا بتوانید تمام بازه طیفی مد نظر را پوشش دهید. زمان اندازه گیری اضافی حتی ممکن است برای جبران سطح نویز بالاتر توری‌ای با رزولوشن بالا (که در دستگاه استفاده شده)، لازم باشد.

بیایید از قیمت رزولوشن طیفی صحبت کنیم…

برای تاکید بیشتر بهتر است بدانیم که یک ارتباط وارونه بین دو پارامتر مهم اطلاعات طیفی و زمان طیف گیری وجود دارد. می‌دانستید که زمان اندازه گیری یک طیف برای داشتن تصاویر و طیف رامان، یک عامل کلیدی محسوب می‌شود؟
بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که رزولوشن طیفی باید در یک نقطه بهینه نگه داشته شود. بهتر است نقطه بهینه را نقطه‌ای تعریف کنیم که در آن ویژگی‌های مهم طیفی به راحتی قابل تشخیص هستند. ضمن این که زمان طیف گیری هم یک زمان معقول و امکان پذیر است.
برای داشتن رزولوشن طیفی بالا سعی کنید به یک تعادل به دسترسی همزمان اطلاعات مهم طیفی، بازه طول موجی، زمان طیف گیری و هزینه دستگاه برسید. شما هم اکنون دیگر کامل در جریان هستید که رزولوشن طیفی بالا همیشه بهترین انتخاب نیست.
برای مشخصه یابی و تجزیه و تحلیل نمونه‌های رایج و معمول، رزولوشن طیفی (cm^-۱) ۱۰ و یا مقداری کمتر (رزولوشن طیفی کمتر ~ اعداد ریاضی بالاتر) هم کافی است. اما اگر می‌خواهید که آنالیز ساختاری انجام دهید، مواد پلیمورف را بررسی کنید و یا از آنالیز برهمکنش‌های مولکولی استفاده کنید؛ رزولوشن طیفی بالا و کمتر از (cm^-۱) ۵ ضروری است. خوشبختانه شما تنها برای کاربردهای تحقیقاتی پیشرفته به تفکیک طیفی بالاتر از (cm^-۱) ۱ نیاز پیدا می‌کنید. بررسی ریز ساختارهای چرخشی و ارتعاشی گازها می‌توانند نماینده‌ای از این تحقیقات باشند.

انتخاب رزولوشن مناسب چه معیاری دارد؟

شاید شما برای انتخاب رزولوشن مناسب دچار سردرگمی شده باشید. برای این انتخاب مهم یک نکته‌ای را با شما در میان می‌گذاریم. برای شناسایی و آنالیز یک ماده نیاز نیست تمامی پیک‌های رامان آن را تفکیک کنید. توضیح تکمیلی این نکته را می‌توانید در شکل ۳ مشاهده کنید. در شکل ۳ خطوط رامان سولفور در عدد موج (cm^-۱) ۱۵۳ در رزولوشن‌های طیفی متفاوت نشان داده شده است. تعداد پیک‌ها در طیف‌های سبز و قرمز که با رزولوشن‌های مختلف گرفته شده‌اند، یکسان است. در نتیجه واضح است که برای این کاربرد، دستگاه با رزولوشن متوسط همان نتیجه را به شما می‌دهد و انتخاب کاملا مناسبی است.

جمع بندی

در این مقاله با هم آموختیم که رزولوشن طیفی مورد نیاز برای میکروسکوپی رامان با سیستم پاشنده بستگی به کاربرد و نمونه مورد مطالعه شما دارد. برای مشخصه یابی و آنالیز نمونه‌های روتین به رزولوشن طیفی (cm^-۱) ۱۰ نیاز داریم. اما اگر قصد تجزیه و تحلیل ریز ساختارها را دارید، باید از رزولوشن طیفی بالا استفاده کنید. پیشنهاد ما به شما رزولوشن طیفی (cm^-۱) ۵ است.
برای داشتن رزولوشن طیفی بالا سعی کنید به یک تعادل به دسترسی همزمان اطلاعات مهم طیفی، بازه طول موجی، زمان طیف گیری و هزینه دستگاه برسید. می‌دانید که رزولوشن طیفی بالا همیشه بهترین انتخاب نیست.

منابع

۱- https://zaya.io/i5c24

۲- https://zaya.io/betzn