انواع طیف‌سنجی رامان

کاربرد طیف سنجی رامان روز به روز در حال افزایش است.متناسب با محبوبیت روش رامان، دستگاه‌های متنوعی نیز تولید می‌شود. به عنوان مثال میکروسکوپ رامان، رامان دستی و رامان پرتابل از پر طرفدارترین دستگاه‌ها هستند. البته این محبوبیت بی دلیل نیست. ویژگی‌های منحصر به فرد رامان باعث کاربرد گسترده آن شده است. در زیر به برخی از این ویژگی‌ها اشاره کرده‌ایم.

ویژگی‌های طیف‌سنجی رامان

در روش FT-IR موقعیت قله‌ها به ساختار مولکولی و محیط شیمیایی آن وابسته است. همچنین ارتفاع قله‌ها طبق قانون بیر-لامبرت متناسب با میزان جذب مولکول، غلظت و ضخامت نمونه (طول مسیر) است. بنابراین شرایط ‌آزمایش همیشه ثابت نیست. در طیف سنجی IR‌ محدودیت‌های دیگری نیز وجود دارد. مثلا مولکول‌های موادی مانند آب یا استون، جاذب اشعه مادون قرمز هستند. اگر ترکیبی دارای این مواد باشد، طیف‌سنجی IR‌ روش مناسبی نیست. علاوه بر این برخی مولکول‌ها در محدوده IR‌ جذب ندارند. به دلیل این محدودیت‌ها این روش‌ها کاربردهای گسترده‌ای ندارند.

و اما در طیف‌سنجی رامان، اوضاع متفاوت است. در واقع محور عمودی تعداد فوتون‌های پراکنده شده را در یک بازه مشخص نشان می‌دهد. اگر زمان طیف‌گیری (Integration time) افزایش یابد، به همان میزان ارتفاع قله‌ها نیز بیشتر خواهد شد. زیرا با طولانی‌تر شدن زمان طیف‌گیری فوتون‌های بیشتری با آشکارساز برخورد می‌کنند. همچنین بالا بردن توان لیزر نیز مقادیر مختصات محور عمودی را افزایش خواهد داد. البته باید توجه داشت که همیشه نمی‌توان، توان را خیلی افزایش داد. زیرا در این صورت ممکن است نمونه بسوزد و یا این که در حالت اشباع قرار بگیرد. بنابراین ارتفاع قله در طیف رامان مستقل از ضخامت نمونه و غلظت آن است. در حقیقت طیف به دست آمده به شرایط تجزیه و تحلیل (توان لیزر، طول موج دستگاه، زمان طیف‌گیری و …) بستگی دارد.

سایر روش‌های طیف‌گیری نیاز به آماده‌سازی نمونه دارند. اما در روش طیف‌سنجی رامان این گونه نیست. نمونه بدون نیاز به آماده‌سازی و بدون تماس مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد. عدم تخریب نمونه یکی دیگر از مزیت‌های استفاده از این روش است. طیف‌گیری روی نمونه‌های میکرونی نیز قابل ثبت است.

این تکنیک توانایی تجزیه و تحلیل مواد از روی ظروف شفاف مانند ویال‌های شیشه‌ای یا لوله‌های آزمایش را امکان پذیر می‌کند. این ویژگی بسیار کاربردی است. برخی از مواد مانند تولوئن بسیار سمی هستند. به این ترتیب می‌توان طیف‌ مواد را بدون نیاز به باز کردن درب و خارج کردن آن از ظروف، به دست آورد. علاوه بر ویژگی‌های ذکر شده، طیف‌سنجی رامان بسیار سریع است. در این روش در کسری از ثانیه طیف نمونه به دست می‌آید. به دلیل ویژگی‌های ذکر شده کاربرد طیف‌سنج رامان از سایر طیف‌ سنج ‌ها بیشتر است. با وجود همه نکاتی که ذکر شد، برخی از مواد به دلیل ویژگی‌‌های ذاتیشان طیف رامان ضعیفی دارند. اما محبوبیت این روش به قدری زیاد است که این مشکلات هم قابل حل هستند. تکنیک‌هایی وجود دارد که میزان سیگنال به نویز رامان نسبت به حالت عادی افزایش می‌یابد. در ادامه انواع طیف سنجی رامان را معرفی کرده‌ایم.

انواع طیف سنجی رامان

در این بخش برخی از متداول‌ترین روش‌های طیف سنجی رامان را بررسی کرده‌ایم.

پراکندگی خود به خود رامان (Spontaneous Raman spectroscopy)

پراکندگی خود به خود رامان همان پدیده استاندارد رامان است. معمولا این روش به پراکندگی رامان معروف است.

طیف سنجی رزونانس رامان (Resonance Raman Spectroscopy (RRS))

طیف سنجی رزونانس رامان یک روش تقویت سیگنال رامان است. در این روش فرکانس تحریک لیزر تقریبا برابر با فرکانس انتقال الکترونی انتخاب می‌شود. رزونانس رامان می‌تواند شدت پراکندگی رامان را ۱۰^۲ الی ۱۰^۶ برابر افزایش دهد و سیگنال به نویز را بهبود بخشد. با این تکنیک، طیف‌سنجی سریع‌تر انجام می‌گیرد. علاوه بر این، امکان طیف‌گیری از نمونه‌هایی با غلظت بسیار کم نیز وجود دارد. هر چه انرژی لیزر به انرژی الکترونی نزدیک‌تر باشد، شدت پراکندگی قوی‌تر خواهد بود. شکل ۱ تفاوت بین پراکندگی رامان و رزونانس رامان را نشان می‌دهد. در برخی موارد طیف فلورسانس به طیف رامان غلبه می‌کند. زمانی که مولکول به روش تشدید رامان تحریک می‌شود به تراز برانگیخته مولکولی گذار می‌کند. احتمال این که الکترون‌ها حین برگشت به تراز پایه به روش فلورسانس گذار کنند زیاد است.

 

یکی دیگر از عوامل محدود کننده این تکنیک، محدودیت طول‌موج تحریک است. طول‌موج تشدید برای انتقال الکترونی اغلب به رنگ آبی یا فرابنفش است. بسیاری از مولکول‌های بیولوژیکی در این طول‌موج‌ها جذب زیادی از خود نشان می‌دهند. این امر خطر گرم شدن بیش از حد یا سوزاندن نمونه را افزایش می‌دهد. برای جلوگیری از سوختن نمونه یا زمان طیف‌گیری کم می‌شود و یا این که توان لیزر کاهش پیدا می‌کند.

تشدید رامان به طور گسترده برای تجزیه و تحلیل مواد بیولوژیکی در منطقه UV‌ استفاده می‌شود. همچنین این روش برای مطالعه اسیدهای نوکلئیک مانند DNA و RNA مفید است. پروتئین‌ها و پپتیدها نیز به خوبی با این روش مورد بررسی قرار می‌گیرند.

پراکندگی رامان ضد استوکس همدوس (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS))

در این روش دو پرتوی لیزر با فرکانس‌های متفاوت بر مولکول تابانده می‌شود. در این فرایند یک پرتوی لیزر پمپ (در فرکانس ω_pump ) و یک لیزر استوکس (در فرکانس ω_stokes) با هم تداخل دارند. در نتیجه یک سیگنال ضد استوکس با فرکانس ω_CARS = ۲ω_pump– ω_stokes ایجاد می‌شود. در این حالت وقتی اختلاف فرکانس بین پمپ و پرتوهای استوکس برابر با فرکانس یک حالت ارتعاشی است، پراکندگی رامان به طور همدوس تقویت می‌شود (شکل ۲).

 

طیف سنجی افزایش یافته سطحی رامان Surface Enhanced Raman Scattering (SERS)))

SERS روش بسیار حساسی است که باعث افزایش پراکندگی رامان می‌شود. در این روش مولکول بر روی یک سطح فلزی ناهموار یا روی نانو ساختارها جذب می‌شود. این فلزات معمولا از جنس طلا یا نقره هستند. تحریک لیزری این نانو ساختارها، باعث ایجاد یک میدان نوری در سطح می‌شود (پلاسمونیک). هنگامی که یک مولکول در نزدیکی این میدان قرار می‌گیرد و یا این که جذب این سطح می‌شود، سیگنال رامان به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. تقویت سیگنال رامان امکان شناسایی غلظت‌های کم را فراهم می‌کند. در دهه ۱۹۷۰ گروهی از محققان بر روی روش‌های رامان تحقیق می‌کردند. این گروه به این نتیجه رسیدند که وقتی مولکول‌‌های آلی مانند پیریدین (Pyridine) بر روی یک بستر فلزی زبر جذب می‌شوند، سیگنال رامان تقویت می‌شود. برای توجیه طیف سنجی رامان افزایش یافته سطحی دو مکانیسم تعریف شده است: مکانیسم انتقال بار و اثر میدان الکترومغناطیس (electromagnetic effect, EME).

برای شرح مکانیسم الکترومغناطیسی ابتدا باید به درک مفاهیمی مانند پلاسما و پلاسمون بپردازیم. برای این منظور یک مکعب فلزی را در نظر بگیرید که در یک میدان الکتریکی خارجی قرار می‌گیرد. جهت این میدان از سمت راست به چپ است. الکترون‌های موجود در فلز در اثر میدان به سمت چپ و یون‌های مثبت به سمت راست رانده می‌شوند. حالا میدان الکتریکی خارجی قطع می‌شود. در نتیجه الکترون‌ها همدیگر را دفع کرده و توسط یون‌های مثبت جذب می‌شوند. در حقیقت الکترون‌ها در یک فرکانس خاص شروع به نوسان می‌کنند. به این نوسانات طولی الکترون‌های رسانش در فلز پلاسما گفته می‌شود. پلاسمون، یک کوانتوم از نوسانات پلاسما است. در این شرایط برای نوسان الکترون‌‌ها فرکانس فوتون‌های تابشی باید با فرکانس طبیعی الکترون‌‌های سطحی برابر باشد. پلاسمون‌های سطحی می‌توانند در سطح نانو ساختارها مانند نانو ذرات به وجود آیند. همچنین برای تحریک این پلاسمون‌ها سطح باید زبر یا دارای انحنا باشد. هم میدان مغناطیسی نور (نور لیزر) و هم پراکندگی رامان در اثر برهمکنش لیزر با پلاسمون‌های سطحی به شدت تقویت می‌شوند. بنابراین در فرایند SERS وقتی لیزر با سطح برخورد می‌کند، پلاسمون‌های سطحی تحریک می‌شوند. به دنبال آن میدان الکتریکی افزایش می‌یابد و سیگنال رامان نیز تقویت می‌شود.

 

مکانیسم انتقال بار ناشی از برهمکنش مولکول‌ها (جذب شونده) و سطح فلز (جاذب) است. دلیل این نام گذاری این است که فرایند Photoinduced electron transfer  در SERS‌ رخ می‌دهد. به این معنی که الکترون‌ ها از تراز فرمی فلز به اوربیتال مولکولی جذب شونده (LUMO) منتقل می‌شوند. در طول فرایند SERS‌ هر دو مکانیسم (الکترومغناطیسی و شیمیایی) به طور همزمان رخ می‌دهند. در واقع نمی‌توان این دو مکانیسم را از هم تفکیک کرد.

طیف سنجی رامان تقویت‌شده با تیپ (Tip-enhanced Raman Scattering (TERS))

طیف سنجی رامان تقویت شده با تیپ،‌ یک روش تخصصی برای طیف سنج رامان افزایش یافته سطحی (SERS) است. در این روش سیگنال رامان فقط در نزدیکی یک پین تیز اتمی اتفاق می‌افتد. این پین به طور معمول با طلا یا نقره پوشانده می‌شود. تکنیک TERS، به یک میکروسکوپ کانفوکال و یک میکروسکوپ پروب روبشی (Scanning probe microscopy (SMP)) نیاز دارد. در این روش نوک (تیپ) فلزی توسط میکروسکوپ SMP به طور دقیق بر روی سطح نمونه قرار می‌گیرد. وقتی که نور لیزر با طول موج مناسب بر روی رأس نوک متمرکز می‌شود،‌ یک میدان الکترومغناطیس موضعی قوی بین نوک SMP و سطح نمونه به دست می‌آید. از این طریق سیگنال رامان تقویت می‌شود. در واقع این تکنیک یک روش تلفیقی از SERS و میکروسکوپ رامان نیروی اتمی (Raman-AFM) است (شکل ۴).

 

در این پدیده نور لیزر از سه جهت مختلف می‌تواند به نمونه مورد نظر تابانده شود (شکل ۵):

1. از سمت پایین به نمونه بتابد.
2. از سمت بالا به نمونه بتابد.
3. از جانب، تحت زاویه، با نمونه برخورد می کند.

 

طیف سنجی رامان فضایی (Spatially offset Raman spectroscopy(SORS))

روش طیف سنجی رامان فضایی اندازه‌گیری از لایه‌های مختلف یک ماده را ممکن می‌سازد. طیف سنجی رامان تا عمق چند صد میکرومتر را می‌تواند اندازه‌گیری کند. در حالی که با روش SORS می‌توان تا عمق ۴ میلی‌متر طیف‌گیری کرد. برای توصیف بهتر این روش، یک لیزر بر قسمتی از نوک انگشت خود بتابانید. خواهید دید که علاوه بر سطح محل برخورد لیزر، لایه‌های زیرین پوست نیز روشن می‌شود. این اتفاق به دلیل پراکندگی رخ می‌دهد. از این اصل در طیف سنجی رامان فضایی استفاده می‌شود. موادی که با این روش مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند باید بتوانند نور لیزر را پراکنده کنند. بنابراین پراکندگی رامان نه تنها در سطح بلکه در عمق مواد نیز رخ می‌دهد. سیگنال رامان در امتداد سطح نمونه گسترش می‌یابد. در واقع گسترش فضایی رامان باعث افزایش پراکندگی از لایه‌های زیرین می‌شود. به این ترتیب سیگنال داخلی افزایش می‌یابد و در پی آن سیگنال سطح تضعیف می‌شود. در نتیجه طیف فلورسانس نیز کاهش می‌یابد. در طیف سنجی رامان، پراکندگی رامان دقیقا از محل تابش لیزر جمع آوری می‌شود. ولی در طیف سنجی رامان فضایی، پراکندگی رامان به فاصله ΔX از محل تابش، به دست می‌آید. این پدیده در شکل ۶ نشان داده شده است.

 

روش طیف سنجی انتقال رامان (Transmission Rman Spectroscopy (TRS))

TRS نوعی SORS محسوب می‌شود که نقاط تابش و جمع‌آوری نور لیزر در طرف مقابل نمونه قرار دارد. یعنی نور لیزر از سمت بالا به نمونه برخورد می‌کند. سپس پراکندگی رامان از سمت پایین جمع‌آوری می‌شود (به طوری که لیزر و آشکارساز ۱۸۰ درجه با هم اختلاف دارند).  این روش قادر به ارائه طیف از لایه‌های جداگانه در نمونه نیست. در عوض، اطلاعاتی در مورد کل حجم نمونه ارائه می‌دهد.

طیف سنجی رامان تبدیل فوریه (Fourier Transform Raman Spectroscopy(FT-Raman))

طیف سنجی FT-Raman یک پیکربندی خاصی دارد. در این روش برای تحریک از لیزر ND:YAG‌ استفاده می‌کنند. یک تداخل سنج مایکلسون هم برای هدایت نور لیزر به کار برده می‌شود. نور پراکنده شده از نمونه تحت زاویه ۱۸۰ یا ۹۰ درجه جمع آوری شده و به سمت دتکتور هدایت می‌شود. در این روش سیگنال رامان با کیفیت بهتری به دست می‌آید. همچنین در این طیف سنج آشکارساز InGaAs یا نیتروژن مایع سرد Ge جای آشکارسازهای معمول را می‌گیرد.

 

جمع بندی

طیف سنجی رامان کاربرد فراوانی در اکثر زمینه‌ها دارد. در برخی موارد به دلیل ماهیت ماده، طیف رامان ضعیف است. اما به دلیل محبوبیت و کاربرد این روش، این مشکل حل شده است. برای تقویت سیگنال رامان از انواع روش‌‌های طیف سنجی رامان استفاده می‌شود. این روش‌ها عبارتند از: پراکندگی خود به خود رامان، طیف سنجی رزونانس رامان، پراکندگی رامان ضد استوکس همدوس، پراکندگی رامان تحریک شده، طیف سنجی رامان افزایش یافته سطحی، روش رامان تقویت شده با تیپ، رامان فضایی، طیف سنجی انتقال رامان و رامان تبدیل فوریه. در همه این روش‌ها پراکندگی رامان به تکنیک‌‌های مختلفی افزایش می‌یابد.

برای اطلاع بیشتر در مورد دستگاه‌های رامان و سایر دستگاه‌های شرکت تکسان می‌توانید به قسمت محصولات تکسان مراجعه کنید.

منابع

1. https://zaya.io/j0fus
2. https://zaya.io/nq7nn
3. https://zaya.io/wu139
4. https://zaya.io/o7pg6
5. https://zaya.io/xav4t
6. https://zaya.io/a1zkp
7. https://zaya.io/mgowi
8. https://zaya.io/tldqs
9. https://zaya.io/typ9j
10. https://zaya.io/42e7h