انواع روش های طیف سنجی رامان

طیف‌سنجی رامان (Raman spectroscopy) روشی برای تعیین ساختار شیمیایی و شناسایی مواد با استفاده از طیف ارتعاشی آنهاست. اگرچه به نظر می رسد طیف‌سنجی رامان مشابه روش طیف‌سنجی IR است، اما قدرت تفکیک فضایی بهتر و توانایی آنالیز ابعاد بسیار کوچک تر (زیر یک میکرومتر) این روش را به مکمل مناسبی برای روش FTIR تبدیل کرده است.

اصول طیف‌سنجی رامان

طیف رامان از تابش دهی یک نمونه با یک منبع لیزر قوی با تابش تک فام (monochromatic) در ناحیه مرئی یا مادون قرمز نزدیک  به دست می آید. منشا فیزیکی پراکندگی (Scattering) رامان در برخوردهای غیرالاستیک بین مولکول ها و فوتون های تشکیل دهنده پرتو نوری ست.

وقتی نور با مولکول برخورد می کند، میدان الکتریکی نور به همه الکترون های مولکول نیرو وارد می کند و آنها را جابجا می کند. این جابجایی سبب ایجاد یک ممان دوقطبی القایی در مولکول می شود. به عبارت دیگر برهم کنش بین فوتون و مولکول موجب ایجاد یک حالت واسطه با طول عمر بسیار کوتاه خواهد شد که در آن ساختار هندسی مولکول تغییر نکرده و تنها ابر الکترونی آن متحمل یک واپیچش (distortion) یا قطبش (polarization) می شود.

شکل حقیقی ابر الکترونی تغییر حالت یافته، به میزان انرژی دریافت شده توسط مولکول بستگی دارد. اندازه ممان دوقطبی القایی با قطبش پذیری (polarizability)  و شدت میدان الکتریکی فوتون رابطه مستقیم دارد. در نتیجه برخورد غیرالاستیک، تبادل انرژی بین مولکول و فوتون صورت می گیرد. این تبادل انرژی به صورت انرژی ارتعاشی یا دورانی به مولکول داده  یا از مولکول گرفته می شود و سبب تغییر طول موج فوتون می شود.

 انواع پراکندگی در طیف‌سنجی رامان

اگر مولکول انرژی جذب کند و فوتون تابش شده انرژی کمتری از فوتون اولیه داشته باشد و در نتیجه در فرکانس های کمتر و طول موج بلندتری دیده شود، این پراکندگی رامان استوکس (Stokes) نامیده می شود. و اگر مولکول انرژی از دست دهد و فوتون انرژی جذب کند، فوتون تابش شده فرکانس بالاتری از فرکانس منبع داشته و در طول موج های کوتاه تری مشاهده می شود و این پراکندگی رامان آنتی-استوکس (anti-Stokes) نام دارد.

جابجایی رامان (Raman shift)، شامل استوکس و آنتی-استوکس، مستقل از طول موج منبع نوری است. جابجایی های ایجاد شده در طول موج منبع در اثر پراکندگی رامان در محدوده طیفی مادون قرمز قرار می گیرد. فرکانس های نوری در محدوده مادون قرمز فقط برای انجام انتقالات میان ترازهای ارتعاشی مولکول ها کافی است و از این نظر دو روش IR  و رامان مشابه یکدیگر هستند.

وقتی برخورد الاستیک باشد، تبادل انرژی بین فوتون و مولکول انجام نشده و پراکندگی نور با فرکانسی برابر با فرکانس تابشی منبع صورت می گیرد که آنرا پراکندگی ریلی (Rayleigh) می نامند. پراکندگی ریلی به وسیله ذراتی ایجاد می شود که اندازه آنها به مراتب کوچک تر از طول موج تابش باشد.

برانگیختگی در رامان معمولا در فرکانس هایی صورت می گیرد که آن فرکانس توسط مولکول های نمونه جذب نمی شوند و احتمال جذب بسیار کم است. برانگیختگی به یک تراز مجازی (virtual state) صورت می گیرد که عمر بسیار کمی دارد.
تعداد نامحدودی از تراز های مجازی می تواند بین حالت پایه و اولین حالت برانگیخته الکترونی ایجاد شود. بسته به فرکانس تابش منبع، مولکول می تواند به یکی از این ترازهای مجازی برانگیخته شود.

طیف‌سنجی  رامان رزونانس

همان طور که قبلا گفته شد، برانگیختگی در رامان به ترازهای مجازی با عمر بسیار کوتاه صورت می گیرد. استفاده از فرکانسی که احتمال جذب در آن بالاست بر اثر گرمادهی موضعی باریکه لیزری منبع، سبب تجزیه نمونه خواهد شد. چرخاندن نمونه به نحوی که بخش های مختلف نمونه در زمان های مختلف گرم شوند مانع تجزیه شدن نمونه می شود. در نتیجه امکان استفاده از نورهایی که توسط نمونه جذب شده و طیف رامان قوی تری بدست آید، وجود دارد. این اثر را رامان رزونانس گویند و این تکنیک طیف بینی رامان رزونانس (Resonance Raman Spectroscopy) شناخته می شود.

اگرچه شدت رامان رزونانس زیاد است اما معمولا فقط در تعداد کمی از مدهای ارتعاشی قابل مشاهده است. بنابراین رامان رزونانس در مقایسه با رامان معمولی طیف ساده تری دارد که افزایش شدت سیگنال ها امکان آنالیز نمونه های با پراکندگی ضعیف را فراهم می کند.

طیف‌سنجی رامان تقویت شده سطحی

پراکندگی رامان تقویت‌شده سطح (Surface-inhanced Raman spectroscopy (SERS)) از قابلیت نانوساختارهای فلزی برای متمرکز کردن انرژی الکترومغناطیسی از طریق حالت‌های نوری به نام پلاسمون‌های سطحی (SPs) استفاده می‌کند. اولین مشاهده SERS با افزایش غیرمنتظره سیگنال رامان از پیریدین جذب‌شده بر روی یک الکترود نقره متصاعد شد. تکنیک توسعه یافته بر اساس این پدیده، یعنی طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده سطحی ( اختصار SERS) امکان بررسی تعداد کمی از مولکول‌ها (یا حتی منفرد) را فراهم می‌کند. SERS علاوه بر حساسیت بالای خود، دارای ویژگی‌های طیف‌سنجی رامان مانند ویژگی‌های شیمیایی خاص (اثرانگشت)، غیر مخرب و ماهیت تحلیلی بدون برچسب است. به لطف این ویژگی ها، SERS توجه جوامع مختلف تحقیقاتی را به خود جلب کرده است و در چهار دهه گذشته شاهد افزایش چشمگیری در کاربرد آن بوده است.

 

طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده با تیپ

طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده با تیپ (Tip-enhanced Raman spectroscopy)یک رویکرد تخصصی برای طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده سطحی (SERS) است که در آن افزایش پراکندگی رامان تنها در نقطه یک پین تقریباً تیز اتمی، که معمولاً با طلا پوشانده شده است، رخ می‌دهد. حداکثر وضوح قابل دستیابی با استفاده از میکروسکوپ نوری، از جمله میکروسکوپ‌های رامان، توسط حد Abbe محدود می‌شود که تقریباً نصف طول موج نور فرودی است. علاوه بر این، با طیف‌سنجی SERS سیگنال به‌دست‌آمده مجموع تعداد نسبتاً زیادی از مولکول‌ها است. TERS بر این محدودیت‌ها غلبه می‌کند زیرا طیف رامان به‌دست‌آمده عمدتاً از مولکول‌هایی در چند ده نانومتر نوک تیپ سرچشمه می‌گیرد.

 

طیف سنجی رامان انحراف فضایی

طیف‌سنجی رامان با انحراف فضایی  (Spatially offset Raman spectroscopy (SORS)) نوعی از طیف‌سنجی رامان است که امکان تجزیه و تحلیل شیمیایی بسیار دقیق اجسام زیر سطوح مبهم، مانند بافت، پوشش‌ها و بطری‌ها را فراهم می‌کند. نمونه‌هایی از کاربردها عبارتند از تجزیه و تحلیل: استخوان زیر پوست، قرص‌های داخل بطری‌های پلاستیکی، مواد منفجره داخل ظروف و قرص‌های تقلبی در بسته‌های تاول. همچنین پیشرفت‌هایی در توسعه تشخیص‌های پزشکی غیرتهاجمی عمیق با استفاده از SORS با امید به شناسایی تومورهای سینه صورت گرفته است.

طیف‌سنجی رامان تبدیل فوریه

طیف‌سنجی تبدیل فوریه (Fourier Transform Raman Spectroscopy(FT-Raman)) یک پیکربندی خاص رامان است که برای جمع‌آوری اندازه‌گیری‌های بدون فلورسانس و طول موج پایدار از طیف وسیعی از نمونه‌ها، از کریستال‌ها تا بافت‌های بیولوژیکی طراحی شده است.

نکات آنالیزی طیف بینی رامان

• روش مکمل طیف بینی IR برای آنالیزهای کیفی

• طیف بسیار ساده ای دارد.

• برخلاف طیف IR مولکول های آب تداخلی در طیف رامان ایجاد نمی کنند. بنابراین محلول های آبی به راحتی با این روش قابل آنالیز هستند.

• شدت سیگنال خطوط رامان بسيار ضعيف بوده و در بسیاری از موارد ممکن است با پیک های ریلی پوشانده شوند.

• دستگاه گران و پرهزینه ای ست.

• تفسیر طیف رامان دشوار است و برای  اجتناب از تفسیر های نادرست به مهارت ویژه نیازمند است.

• برای آنالیز ساختار جامدات، مایعات، گازها، کریستال ها، فیلم نازک و سطوح بکار می رود.

• پدیده رامان یک اثر غیر محتمل فیزیکی ست و بنابراین به آسانی روش های دیگری مانند فلورسانس برای مشاهده اثر رامان مزاحمت و تداخل ایجاد می کنند.

• استفاده از لیزرهای پرتوان علاوه بر تجزیه نمونه می توانند اثرات فتوشیمیایی ناخواسته در نمونه ایجاد کنند.

کاربردها طیف بینی رامان

• تعیین و شناسایی ساختار ترکیبات

• پيدا کردن نا خالصی ها و افزودنی های مولکولی

• شناسايی ترکيبات غير ارگانيک در جامدات و محلول های آب پوشيده

• تشخيص ساختار مولکولی سطوح

• تعیین قطر ذرات معدنی شامل نانوذرات، نانو کریستال ها، نانو تیوب ها و … ‎

• تعیین ساختار پیچیده مولکول‌های زیستی شامل آنزیم ها، هورمون ها، DNA و …