طیف سنجی رامان چیست؟ – تعریف، کاربرد و معایب آن

از روش های طیف سنجی که حالت های مختلف ارتعاشی در مولکول ها را مورد بررسی و مطالعه قرار می دهد، نام طیف سنجی رامان نامیده می شود. برای این که مشخص شود که ساختار شناسایی شده برای یک مولکول صحیح است یا نه، از این طیف سنجی استفاده می شود. این طیف سنجی به مطالعه برهمکنش بین نور و ماده که در آن نور به صورت غیرالاستیک پراکنده می شود، می پردازد. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک ما را با این نوع از طیف سنجی و ویژگی های آن آشنا می کند.

آشنایی با طیف سنجی رامان

پراکندگی رامان که به بررسی حالت های ارتعاشی و چرخش مولکول ها می پردازد، پایه و اساس طیف سنجی رامان است. اولین بار فیزیکدان هندی به نام چاندرا سخار ونکتا رامان توانست جایزه نوبل فیزیک را با مطالعاتی که روی پراکندگی نور انجام داد، دریافت کند. اولین تحقیقاتی که این فرد انجام داده بود روی اپتیک (نور) و آکوسیک (صدا) بود.

رامان اسپکتروسکوپی می تواند اطلاعات دقیقی را درباره ساختار شیمیایی نمونه ها با بهره گیری از پراکندگی الاستیک نور لیزر ارائه دهد. این طیف سنجی می تواند برای هر مولکول و ماده ی خاصی، ناحیه اثر انگشت مخصوصی را ارائه دهد. این پدیده که دو فوتونی است، تغییر قطبش پذیری مولکول ها با توجه به حرکت ارتعاشی آن ها را سبب می شود. این روش با اتم ها سر و کار نداشته و نور تکفام در اثر برهمکنش با ماده، دچار پراکندگی می شود.

در این جا ابتدا به معرفی پراکندگی نور و انواع آن می پردازیم.

انواع پراکندگی

وقتی نور از محیطی عبور می کند، نمونه ها می توانند بعضی از طول موج ها را جذب کنند اما برخی دیگر از این طول موج ها در جهات مختلفی، پراکنده می شوند. دسته بندی تابش های پراکنده شده را می توان به دو دسته کشسان و ناکشسان انجام داد. هر چه اندازه و سایز ذرات بزرگتر باشد، میزان پراکندگی تابش ها بیشتر خواهد بود.

پراکندگی کشسان

در پراکندگی کشسان نشر ذرات در جهت متفاوت بوده ولی انرژی جنبشی سیستم تغییری نمی کند. نمونه هایی از این نوع پراکندگی، تیندال، رایلی، و پراکندگی می هستند.

مولکول هایی که دارای قطری کوچکتر از طول موج تابشی هستند، پراکندگی رایلی را ایجاد می کنند. شدت این نوع از پراکندگی رابطه مستقیمی با ابعاد ذرات پراکنده شده و مجذور قطبش پذیری داشته ولی با توان چهارم طول موج، رابطه معکوسی دارد. علت این که رنگ آسمان آبی است، طول موج های کوتاه تر طیف مرئی دچار پراکندگی بیشتری شده و همچنین نور خورشید با نیتروژن های موجود در جو زمین برخورد می کند.

اما پراکندگی می توسط ذراتی ایجاد می شود که بزرگتر هستند. پلیمرها و کلوئیدهایی که دارای ضریب شکست بالایی هستند، مثال هایی از این ذرات هستند که این نوع پراکندگی در آن ها دیده می شود.

نوع دیگری از پراکندگی کشسان به نام تیندال را در سطح ذرات کلوئیدی مشاهده می کنیم که به وسیله شکست و پراش ایجاد می شود. می توان اندازه و شکل مولکول های بزرگ و کلوئیدها را با کمک اندازه گرفتن تابش هایی که پراکنده شدند، مشخص کرد. از این نوع پراکندگی استفاده کمتری شده و کاربردی در آنالیزهای کیفی ندارد.

پراکندگی ناکشسان

برخلاف آنچه در پراکندگی کشسان وجود دارد، در پراکندگی ناکشسان، انرژی جنبشی سیستم تغییر کرده و ذرات دچار کاهش و یا افزایش انرژی می شوند در زمانی که تابش اتفاق افتاد. ذراتی که در این نوع پراکندگی وجود دارد، الکترون و یا فوتون هستند.

پراکندگی رامان

نمونه ای از این نوع پراکندگی، رامان است که ذرات آن فوتون بوده و به نمونه های جامد، مایع و یا گاز برخورد می کنند. بعد از برخورد این ذرات به ماده و برهمکنش با آن، بسیاری از این پرتوهای تابیده شده، پراکندگی به صورت رایلی خواهند داشت. این پرتوها از لحاظ انرژی، رنگ، فرکانس و طول موج مشابه هستند. در میان این پرتوها، تعداد بسیار اندکی نیز، پراکندگی ناکشسان و از نوع رامان خواهند داشت.

تغییر در فرکانس پرتوهای پراکنده شده و تابیده شده اتفاق می افتد زمانی که ذرات بین ترازهای انرژی چرخش و ارتعاشی، انتقال دارند. تغییر فرکانس ایجاد شده که در نتیجه ی قطبش مولکول ها بر اثر پرتو نور تابیده شده است را پراکندگی رامان می گویند. از اهمیت و مزیت این نوع پراکندگی داشتن خاصیتی است که آن را در شناسایی ترکیبات بسیار مهم می کند. با استفاده از این نوع طیف سنجی می توان به اطلاعات زیادی درباره ارتعاشات درون مولکولی گازها و همچنین انرژی درونی آن ها دست یافت.

رامان فعال چیست؟

وقتی میدان الکتریکی پرتوهای نوری که به یک نمونه برخورد می کند با ابر الکترونی پیوند نمونه دچار برهمکنش می شود، هسته آن ها تمایل به سمت قطب منفی شده و الکترون های آن ها متمایل به سمت قطب مثبت می شوند. این شرایط باعث القای گشتاور دوقطبی در مولکول ها می شود که از حاصل ضرب ثابت قطبش پذیری پیوند در شدت میدان الکتریکی به دست می آید. ثابت قطبش پذیری پیوند را با α نشان می دهند که نشان دهنده میزان سختی یا راحتی جابجایی بارها یا تغییر شکل میدان الکتریکی است.

یکی از شرط هایی که در طیف سنجی IR باید در پیوند وجود داشته باشد، وجود گشتاور دوقطبی آن هاست. زیرا در صورت صفر بودن برایند گشتاور دوقطبی در هنگام ارتعاش در هر پیوندی، طیفی از آن در طیف سنجی فروسرخ مشاهده نمی شود. حال شرط اصلی که در یک رامان اسپکتروسکوپی باید در یک پیوند برقرار باشد، تغییر قطبش پذیری پیوند است. به عبارتی فعال بودن رامان نیازمند این شرط مهم است.

بین طول پیوند و قطبش پذیری در پراکندگی رامان رابطه مستقیمی وجود دارد. به این ترتیب که با زیاد شدن طول پیوند، قطبش پذیری پیوند (α) افزایش یافته و قطبش پذیری راحت تر می شود. اما وقتی چگالی ابر الکترونی زیاد باشد، طول پیوند کوتاه شده و میزان قطبش پذیری پیوند کمتر می شود. با توجه به این که پیوندهای یگانه در مقایسه با پیوندهای دوگانه و سه گانه دارای طول بیشتری هستند، مقدار α بیشتر و قطبش پذیری راحت تری خواهند داشت.

اساس کار و فعالیت طیف سنجی رامان

در طیف های رامان می توان سه خط رایلی، استوکس و آنتی استوکس را با توجه به انرژی فوتون تابیده شده مشاهده کرد.

خطوط رایلی

در پراکندگی رایلی، بعد از این که فوتون ها تابش داده شده و انتقال آن ها از تراز انرژی پایه (n = 0) به سطوح مجازی صورت گرفته و بازگشت پرتوهای پراکنده شده بدون تغییر در طول موج و فرکانس به همان تراز انجام می شود. تراز n = 0 بالاترین میزان احتمال را برای خطوط رایلی داشته و شدت این انتقال نیز بیشتر است.

خطوط استوکس

تشکیل خطوط استوکس را در شرایطی خواهیم داشت که انتقال سطح مجازی به تراز انرژی n = 1 باشد. پرتوهای پراکند شده در این شرایط، طول موج بیشتر و فرکانس کمتری خواهند داشت.

خطوط آنتی استوکس

تشکیل خطوط آنتی استوکس را نیز در شرایطی خواهیم داشت که مولکول در تراز انرژی n = 1 برانگیخته شده و در بازگشت به حالت پایه n = 0 منتقل شود. در این شرایط فرکانس و در نتیجه انرژی پرتوهای پراکنده شده بیشتر شده ولی طول موج آن کم می شود.

توجه

اگر در مقام مقایسه برآییم، احتمال این که خطوط آنتی استوکس ایجاد شود نسبت به خطوط استوکس کمتر بوده و شدت تشکیل آن نیز کم است. علت این امر در کم بودن تعداد مولکول هایی است که در اولین تراز ارتعاشی قرار دارند. اما اگر دما افزایش یابد، تعداد مولکول ها در این تراز زیادتر شده و احتمال تشکیل و شدت خطوط آنتی استوکس بالا می رود.

جابجایی رامان

به اختلاف انرژی نور تابش داده شده و نوری که پراکنده می شود، جابجایی رامان گفته می شود. نوع و ویژگی های مولکول روی جابجایی رامان تاثیر گذاشته ولی این جابجایی به طول موج منبع نور بستگی ندارد. چون طول موج نور پراکنده شده به طول موج نور منبع وابسته است، در نتیجه نمی توان از منابع نوری مختلف برای اندازه گیری طول موج استفاده کرد. زیرا در این شرایط مقایسه روند درستی را طی نمی کند. جابجابی رامان به صورت عدد موج استفاده می شود.

اجزای دستگاه طیف سنجی رامان

دستگاه رامان اسپکتروسکوپی از یک منبع نور تک فام و یک طیف سنج تشکیل شده است. منبع نور در این دستگاه در گذشته، لامپ جیوه بوده و صفحات عکاسی نیز برای ثبت طیف استفاده می شد. ولی چون منبع نور ضعیف بوده و آشکارسازهای به کار رفته دارای حساسیت کمی هستند، در زمان طولانی این فرایند ثبت می شود. اما امروزه از لیزر برای منبع نور استفاده می شود که حساسیت این طیف سنجی را بالا برده است. منابع نوری تکفام در نواحی مرئی، فروسرخ، فرابنفش نزدیک و همچنین اشعه ایکس در طیف سنجی رامان استفاده می شود.

پهنای باند منبع نوری لیزر در میزان واضح بودن رامان اسپکتروسکوپی تاثیر دارد. به طوری که پراکندگی رامان قوی تر در منابع نور لیزری ایجاد می شود که طول موج کوتاهی دارند. منبع نور استفاده شده به طور معمول، لیزرهای موج پیوسته بوده و از لیزر پالسی در صورت های دیگر این طیف سنجی استفاده می کنند. لیزر پالسی در مقایسه با لیزر موج پیوسته، دارای پهنای باند گسترده تری هستند. طیف سنجی رزونانس رامان و طیف سنجی با تفکیک زمانی از لیزر پالسی استفاده می کند. بین شدت طیف و شدت منبع تابش رابطه مستقیمی است.

کاربرد طیف سنجی رامان

از رامان اسپکتروسکوپی برای شناسایی ترکیبات آلی و معدنی با استفاده از روش های غیرمخرب و غیزتماسی استفاده می شود. با استفاده از این طیف سنجی می توان ساختار شیمیایی نمونه را تعیین کرده و شرایط مرزی برای میدان الکتریکی در نزدیکی سطح را تعییین کرد. قطر کربن و قطر بسیاری از نانو ذرات معدنی، کایرالیته کربن، ساختار نانو مواد و آلوتروپ های کربنی متفاوت با این طیف سنجی تعیین می شود.

از طیف سنجی رامان در داروسازی برای شناسایی مواد فعال دارویی و شکل های مختلف آن ها استفاده می شود. این طیف سنجی با توجه به حساس بودن به ساختارهای بلوری چندریختی، برای تشخیص مولکول های با فرمول شیمیایی یکسان ولی ساختار بلوری متفاوت به کار برده می شود. به همین جهت شناسایی داروی آنتوبیوتیکی آزترئونام که برای درمان فیبروز سیستیک به کار می رود، از این طریق است.

در فیزیک برای تعیین ترکیب آلیاژی، آنالیز ساختار شبکه، بررسی خلوص و … نیز این نوع طیف سنجی را به کار می برند. برای مشخصات مواد، اندازه گرفتن دما و تعیین جهت بلورنگاری نیز از رامان اسپکتروسکوپی استفاده می کنند.

رامان اسپکتروسکوپی در پزشکی و زیست شناسی برای شناسایی ترکیبات بیوشیمیایی محل زخم، شناسایی داروهای تقلبی بدون این که بسته آن ها باز شود، مطالعه زیست کانی ها، آنالیز DNA و RNA، آنالیز تک سلولی ها، تشخیص بیماری، ساختار استخوان ها، مرتب سازی سلولی و … به کار برده می شود.

معایب طیف سنجی رامان

از معمول ترین معایب رامان اسپکتروسکوپی، تداخلات فلورسانس با خطوط استوکس است. زیرا در این نوع طیف سنجی بیشتر خطوط استوکس است که برای آنالیز استفاده می شود. به همین دلیل است که خطوط آنتی استوکس برای این منظور به کار برده می شود. منبع لیزری معمولی که اختلالات فلورسانسی کمی داشته و بیشتر مورد استفاده است، لیزر Nd-YAG است.