تعریف میکروسکوپ رامان

میکروسکوپ رامان، یک دستگاه میکروسکوپی مبتنی بر لیزر است که برای طیف سنجی رامان استفاده می‌شود و از ترکیب تکنولوژی شناسایی شیمیایی توسط طیف سنجی رامان و میکروسکوپ نوری معمولی تولید می‌شود. از این روش برای ثبت نقشه‌های رامان (با استفاده از روش نقشه برداری نقطه ای)، نشان دادن توزیع فضایی اجزای مختلف شیمیایی یا اطلاعات موجود در نمونه استفاده می‌شود. به کار بردن میکروسکوپ در این دستگاه، با متمرکز کردن نور لیزر بر روی منطقه بسیار کوچکی از نمونه، امکان بررسی شیمیایی کوچکترین جسم (کمتر از ۰.۵ میکرومتر) را فراهم می‌کند و موجب می‌شود تا تغییرات جزئی اما مهم در ریز ساختارها با توجه به ترکیب، جهت گیری، تبلور، اجزا و تنش، مورد بررسی قرار گیرد. مزایای این روش این است که نمونه بسیار کمی مورد نیاز است و اثرات خاصی نیز ممکن است در برخی از ناحیه‌های محلی (Localized‌) به خصوص در نمونه‌های ناهمگن، افزایش یابد.

در این میکروسکوپ، امکان تولید تصاویر رنگی کاذب بر اساس طیف رامان نمونه وجود دارد. این تصاویر توزیع اجزای شیمیایی منفرد، چند شکلی(polymorphism) و مراحل و تغییر در تبلور را نشان می‌دهد.

یک تصویر شیمیایی حاوی اطلاعات مولکولی در هر پیکسل است. هر یک از این پیکسل‌ها، از طیف‌های رامان تشکیل شده‌اند. یعنی این تصاویر رنگی کاذب، شامل تفسیرهای شیمیایی از این داده‌های طیفی است و می‌تواند برای تأکید و توصیف خصوصیات نمونه مانند ساختار شیمیایی و یا ترکیبات آن به کار رود.

ایجاد تصاویر رنگی با استفاده از میکرو رامان، بسیار ساده است. از هر قسمت نمونه، نقطه به نقطه (در یک منطقه مشخص و با فاصله مشخص) طیف‌های رامان گرفته می‌شود که اطلاعات مکانی را به داده‌های رامان اضافه می‌کند. در این فرایند، نمونه ذره به ذره زیر لیزر جا به جا شده و نور لیزر بر روی یک نقطه متمرکز می‌شود. این عمل تا زمانی ادامه می‌یابد که کل منطقه مورد نظر به اصطلاح نقشه برداری شود. اطلاعات مکانی به دست آمده می‌تواند یک، دو یا سه بعدی باشد؛ بنابراین امکان کاوش شیمیایی در نمونه را فراهم می‌کند. با استفاده از این اطلاعات می‌توان همگن بودن، توزیع اجزا یا اطلاعات مربوط به ذرات و سایر آلاینده‌ها را به دست آورد.

متداول‌ترین روش برای تولید تصاویر رامان، شدت قله‌های طیف رامان، نشان دادن توزیع و غلظت شیمیایی است. البته روش‌های دیگری مانند شدت قله‌های متعدد، تغییر قله، نسبت قله، عرض پیک و … نیز به کار می‌روند. مقادیر پیکسل معمولاً به صورت مقیاس‌هایی از رنگ خاکستری یا رنگی نمایش داده می‌شوند.

نمودار ۱ نمونه‌ای از طیف رامان را نشان می‌دهد که با استفاده از میکرو رامان تکرام در طول‌موج ۷۸۵ نانومتر از نمونه TiO_۲ اندازه گیری شده است.

تاریخچه طیف سنجی رامان

در سال ۱۹۲۸ CV.Raman و همکارش یک پدیده جدید از پراکندگی غیر الاستیک با نور تک رنگ را مشاهده کردند. در این پدیده ابتدا یک نور تک رنگی به یک ماده تابانده می‌شود. در اثر این پراکندگی، طول‌موجی (انرژی) که از ماده پراکنده می‌شود با طول‌موج نور فرودی متفاوت است. به اصطلاحی دیگر طول‌موج شیفت پیدا می‌کند و یا جابه جا می‌شود. این پدیده اثر رامان نامیده می‌شود. CV.Raman برای این کشف در سال ۱۹۳۰ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. از آن زمان پراکندگی رامان باعث ایجاد فناوری‌های مهم از جمله طیف سنجی رامان شده است.

طیف سنجی رامان یک روش تحلیلی است که در آن از نور پراکنده برای اندازه گیری حالت‌های انرژی ارتعاشی یک نمونه استفاده می‌شود. از طیف سنج رامان برای ثبت این حالت‌های ارتعاشی استفاده می‌شود. رامان، یک روش پراکندگی نور است که به موجب آن یک مولکول، نور فرودی را از یک منبع نور لیزر با شدت بالا پراکنده می کند. بیشتر نور پراکنده شده در همان طول موج (رنگ) منبع لیزر است و اطلاعات مفیدی ارائه نمی دهد. این نوع پراکندگی، پراکندگی ریلی نامیده می شود. با این وجود مقدار کمی از نور (به طور معمول ۰.۰۰۰۰۰۰۱ درصد) در طول موج‌های مختلف پراکنده می شوند. تغییر طول موج به ساختار و خواص ارتعاشی مولکول‌های ماده بستگی دارد. تغییر طول‌موج ناشی از این پراکندگی جابه‌جایی رامان و یا شیفت رامان نامیده می‌شود. واحد شیفت رامان cm^-۱ است. بزرگی تغییر در جابه‌جایی رامان یا انرژی، مستقل از فرکانس تحریک است. در حقیقت طیف رامان ویژگی‌های ذاتی یک مولکول را توصیف می‌کند. طیف سنجی رامان برای به دست آوردن اطلاعات مربوط به ارتعاشات مولکولی در تعیین ساختار یک ماده، ترکیبات نمونه‌ها، تعیین پیوندهای مولکولی و سایر تجزیه و تحلیل‌های کمی و کیفی به کار برده می‌شود. در واقع طیف رامان یک ماده، اثر انگشت آن ماده به شمار می‌رود.

طیف سنج رامان در مدل‌های مختلفی ساخته می‌شود.از جمله: میکروسکوپ رامان، رامان پرتابل و رامان دستی (Handheld) که در طول موج‌های مختلف (۱۰۶۴،۷۸۵،۵۳۲ نانومتر و …) تولید می‌شوند. برخی از این طیف سنج‌ ها تنها دارای یک طول موج هستند و بعضی دیگر هم‌زمان چند طول موج را شامل می‌شوند (دو لیزره و سه لیزره). در این مقاله می‌خواهیم میکروسکوپ رامان را مورد بررسی قرار دهیم. شرکت تکسان، اولین شرکت ایرانی است که توانسته با استفاده از تجارب و دانش افراد متخصص،‌ طیف سنج رامان را در انواع مدل‌ها از جمله میکروسکوپ رامان،‌ رامان پرتابل و میکروسکوپ رامان دو لیزره، در طول موج های مختلف تولید کند. انتخاب لیزر مناسب برای طیف سنجی رامان یکی از مهم‌ترین پارامترها، قبل از شروع کار است. به همین دلیل قبل از شروع طیف‌‌گیری باید این پارامتر بررسی شود.

طرز کار میکروسکوپ رامان

اساس کار طیف سنج رامان به این صورت است که ابتدا نور لیزر به آینه دو فام (dichroic mirror) برخورد می‌کند و درصد زیادی از آن را به سمت نمونه بازتاب می‌کند. نور لیزر توسط عدسی شیئی روی نمونه متمرکز شده و بعد از برخورد با نمونه، پراکنده می‌گردد. نور پراکنده ‌شده که شامل نور لیزر و طیف رامان است، به وسیله همان عدسی‌ شیئی به سمت آینه دو فام هدایت می‌شود. کل نور، به جز درصد کمی از طول موج لیزر از آن عبور کرده و با فیلتر برخورد می‌کند. طول‌موج لیزر که ناشی از پراکندگی ریلی است توسط فیلتر، حذف می‌گردد اما بقیه طول‌موج‌ها (طیف رامان) از این فیلتر عبور می‌کنند. نور فیلتر شده به وسیله شکاف و سپس به کمک عدسی بر روی آینه مقعر متمرکز می‌شود. آینه نور را به سمت توری پراش بازتاب می‌کند و نور در اثر برخورد با توری تجزیه می‌شود. نور تجزیه ‌شده به وسیله آینه مقعر دوم بر روی آشکارساز متمرکز می‌شود. آشکار ساز طی فرآیندی سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی تبدیل کرده و نتیجه به صورت طیف رامان در صفحه نمایشگر ظاهر می‌شود.

تا این بخش کلیات میکرو رامان را بررسی کردیم. موضوع دیگری که می‌خواهیم در ادامه به آن بپردازیم بحث وضوح طیفی (Spectral resolution) و وضوح مکانی (Spatial resolution) است.

وضوح طیفی و مکانی در میکروسکوپ رامان

وضوح طیفی در حقیقت توانایی متمایز کردن ویژگی‌های طیفی به المان‌های جداگانه آن است. به بیانی دیگر وضوح طیفی توانایی آشکارساز برای تفکیک دو طول‌موج است. اگر وضوح طیفی خیلی پایین باشد، برخی از اطلاعات را از دست خواهیم داد. زیرا آشکارساز قادر نخواهد بود طول‌موج‌های مجاور هم را از یکدیگر تفکیک کند. بنابراین هر قدر این پارامتر کمتر باشد دستگاه وضوح بهتری خواهد داشت. وضوح طیفی همان گونه که پیش‌تر بحث شد توسط شکاف، توری و برخی پارامترهای دیگر تعیین می‌شود.

در میکروسکوپ رامان تشخیص ساختارهای مختلف در یک نمونه حائز اهمیت است. از این رو هر قدر تصویر واضح‌تر باشد جزئیات بیشتری از نمونه به دست می‌آید. در واقع هر چه وضوح مکانی میکروسکوپ بیشتر باشد، جزئیات نمونه با شفافیت بیشتری نمایش داده می‌شود. وضوح مکانی از پارامترهای تعیین کننده در تصویربرداری رامان است.

کاربرد میکروسکوپ رامان

از طیف سنج میکرو رامان می‌توان برای تجزیه و تحلیل نمونه‌های مختلف استفاده کرد. این روش به طور کلی برای تجزیه و تحلیل مواردی مانند جامدات، پودرها، مایعات، ژل‌ها، دوغاب‌ها، مواد غیر آلی، آلی، بیولوژیکی، مواد شیمیایی خالص، مخلوط‌ها، محلول‌ها اکسیدهای فلزی و خوردگی، مناسب است. در کنار همه مزیت‌هایی که میکروسکوپ رامان نسبت به سایر روش‌ها دارد، دارای محدودیت هایی نیز هست. برای مثال از این طیف سنج نمی توان برای موادی مانند فلزات و آلیاژهای آن‌ها استفاده کرد.طیف سنج میکرو رامان در زمینه‌های بسیار وسیعی کاربرد دارد. برای برخی از این کاربردها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• هنر و باستان شناسی: توصیف رنگدانه‌های موجود در سرامیک‌ها و نقاشی‌ها و …، شناسایی سنگ‌های قیمتی
•  مواد کربنی: ساختار و خلوص نانو لوله‌ها،‌ مشخصه نقص با اختلال
• شیمی: نظارت بر ساختار‌ها، خلوص و واکنش‌ها
• زمین شناسی: شناسایی و توزیع مواد معدنی، اجزا مایع و انتقال فاز
• زیست شناسی: تک سلول و بافت، تداخل دارویی،‌ تشخیص بیماری
• داروسازی: یکنواختی محتوا و توزیع مؤلفه‌های نیمه هادی‌ها، خلوص و ترکیب آلیاژها

مزایا و معایب طیف سنجی رامان

روش رامان نسبت به سایر تکنیک‌های طیف سنجی ارجحیت دارد و این به دلیل وجود مزایایی است که در قسمت بعد به آن‌ها اشاره می‌کنیم.

مزایا:

1. بسیاری از مواد آلی و غیر آلی دارای طیف رامان هستند. بنابراین می‌توان بسیاری از ترکیبات را به این روش تجزیه و تحلیل کرد.
2. نمونه‌ها نیازی به آماده سازی ندارند.
3. وجود آب در ترکیبات، خللی در طیف‌گیری ایجاد نمی‌کند.
4. غیر مخرب است.
5. طیف رامان به عنوان اثر انگشت آن ماده به شمار می‌رود.
6. این روش بسیار سریع است و در کسری از ثانیه طیف ارائه می‌شود.
7. طیف‌گیری را می‌توان از روی بسته‌بندی شیشه‌ای یا پلیمری انجام داد.
8. از طیف سنج رامان می‌توان برای تجزیه و تحلیل از راه دور نیز استفاده  کرد.
9. امکان نمونه‌گیری از نمونه‌ها در مقدار بسیار کم (کمتر از یک میکرومتر) وجود دارد.

معایب:

همانند سایر روش‌های طیف سنجی، طیف سنجی رامان نیز معایب و محدودیت‌هایی دارد. اما با توجه به این که مزایای این روش بسیار بیشتر و ارزشمندتر از معایب آن است، کاربرد این روش بسیار گسترده است.

1. از طیف سنجی رامان نمی‌توان برای تجزیه و تحلیل فلزات و آلیاژ آن‌ها استفاده کرد.
2. در برخی از نمونه‌ها اثر فلورسانس شدید است. اما می‌توان با انتخاب لیزر مناسب این اثر را کاهش داد. مطالعه مقاله انتخاب لیزر مناسب در طیف سنجی رامان به شدت کمک کننده شما است.
3. در برخی موارد طیف رامان ضعیف است. اما با توجه به اهمیت و محبوبیت رامان روش‌هایی ارائه شده است که می‌توان طیف را تقویت کرد. انواع طیف سنجی رامان شامل روش‌هایی مانند: SERS، TERS، CARS و … وجود دارد که سیگنال به نویز رامان را افزایش می‌دهد.

جمع بندی

در این مقاله میکروسکوپ رامان را بررسی کردیم. گفتیم که میکروسکوپ رامان از ترکیب طیف سنج رامان و میکروسکوپ نوری معمولی ساخته می‌شود. این کار موجب می‌شود تا بتوان از نمونه‌ها، نقشه‌های شیمیایی تهیه کرد. این نقشه‌ها داده‌های زیادی در مورد نمونه ارائه می‌دهند. همچنین طرز کار این دستگاه را بیان کردیم. از کاربردهای رامان گفته شد و دیدیم که در زمینه‌های بسیار گسترده‌ای از این طیف سنجی استفاده می‌شود. علاوه بر این به مزایا و معایب روش طیف سنجی رامان نیز اشاره کردیم.

همان طور که دیدید از میکرو رامان می‌توان استفاده‌های گسترده‌ای کرد. بنابراین اگر قصد تهیه این دستگاه را دارید، پیش از اینکه تصمیم به خرید بگیرید، پیشنهاد می‌کنیم مطلب راهنمای خرید میکروسکوپ رامان را حتما مطالعه کنید. این مطلب به شما کمک خواهد کرد تا بهترین انتخاب را داشته باشید.

منابع

1. https://zaya.io/xpu1a
2. https://zaya.io/9owzt
3. https://zaya.io/f2e9w
4. https://zaya.io/7in72
5. https://zaya.io/4csng