طیف‌سنجی رامان چیست؟

طیف سنجی رامان یک تکنیک آنالیز شیمیایی غیر مخرب است که اطلاعات دقیقی در مورد ساختار شیمیایی، فاز و پلی مورفی، کریستالینیت و برهمکنش های مولکولی ارائه می دهد. که بر اساس برهمکنش نور با پیوندهای شیمیایی درون یک ماده است.

رامان یک تکنیک پراکندگی نور است که به موجب آن یک مولکول نور فرودی را از یک منبع نور لیزری با شدت بالا پراکنده می کند. بیشتر نور پراکنده شده در همان طول موج (یا رنگ) منبع لیزر است و اطلاعات مفیدی را ارائه نمی دهد – این پراکندگی رایلی نامیده می شود. با این حال، مقدار کمی نور (معمولاً 0.0000001٪) در طول موج‌ها (یا رنگ‌های) مختلف پراکنده می‌شود که به ساختار شیمیایی آنالیت بستگی دارد – این پراکندگی رامان نامیده می‌شود.

طیف رامان دارای تعدادی قله است که شدت و موقعیت طول موج نور پراکنده رامان را نشان می دهد. هر پیک مربوط به یک ارتعاش پیوند مولکولی خاص است، از جمله پیوندهای تکی مانند C-C، C=C، N-O، C-H و غیره، و گروه هایی از پیوندها مانند حالت تنفس حلقه بنزن، ارتعاشات زنجیره پلیمری، حالت های شبکه و غیره.

اطلاعات ارائه شده توسط طیف سنجی رامان

طیف‌سنجی رامان ساختار شیمیایی یک ماده را بررسی می‌کند و اطلاعاتی در مورد موارد زیر ارائه می‌کند:

✔️ ساختار شیمیایی و ماهیت ماده

✔️ فاز و پلی مورفیسم

✔️ تنش/کرنش ذاتی

✔️ آلودگی و ناخالصی

به طور معمول، طیف رامان یک اثر انگشت شیمیایی متمایز برای یک مولکول یا ماده خاص است و می تواند برای شناسایی سریع مواد یا تمایز آن از سایرین استفاده شود. کتابخانه های طیفی رامان اغلب برای شناسایی یک ماده بر اساس طیف رامان آن استفاده می شود – کتابخانه های حاوی هزاران طیف به سرعت جستجو می شوند تا مطابقت با طیف آنالیت پیدا کنند.

در ترکیب با تصویر برداری (یا میکروسکوپ) سیستم های رامان، امکان تولید تصاویر بر اساس طیف رامان نمونه وجود دارد. این تصاویر توزیع تک تک اجزای شیمیایی، چندشکلی ها و فازها و تنوع در بلورینگی را نشان می دهد.

طیف سنجی رامان هم کیفی و هم کمی است.

ویژگی های طیف (موقعیت پیک و شدت نسبی پیک) اثر انگشت شیمیایی منحصر به فردی را ارائه می دهد که می تواند برای شناسایی یک ماده و متمایز کردن آن از سایرین استفاده شود. غالباً طیف واقعی کاملاً پیچیده است، بنابراین کتابخانه‌های طیفی جامع رامان را می‌توان برای یافتن مطابقت جستجو کرد و بنابراین یک شناسایی شیمیایی ارائه کرد.

شدت یک طیف با غلظت، نسبت مستقیم دارد. به طور معمول، یک روش کالیبراسیون برای تعیین رابطه بین شدت پیک و غلظت استفاده می‌شود و سپس اندازه‌گیری‌های معمولی برای تجزیه و تحلیل غلظت انجام می‌شود. در مخلوط ها، شدت پیک نسبی اطلاعاتی در مورد غلظت نسبی اجزا ارائه می دهد، در حالی که شدت اوج مطلق را می توان برای اطلاعات غلظت مطلق استفاده کرد.

رامان برای تجزیه و تحلیل میکروسکوپی استفاده می شود.

طیف‌سنجی رامان می‌تواند برای آنالیز میکروسکوپی با وضوح فضایی 0.5-1 میکرومتر استفاده شود. چنین تحلیلی با استفاده از میکرواسپکتروفوتومتر رامان امکان پذیر است.

یک میکروسپکتروفتومتر رامان یک طیف‌سنج رامان را به یک میکروسکوپ نوری استاندارد مجهز می‌کند، که امکان تصویربرداری نمونه را با بزرگنمایی بالا و آنالیز رامان با یک نقطه لیزر میکروسکوپی فراهم می‌کند. آنالیز میکرواسپکتروفوتومتر رامان آسان است:

به سادگی نمونه را زیر میکروسکوپ قرار دهید، فوکوس کنید و اندازه گیری انجام دهید.

نمونه هایی که می توان با رامان بررسی کرد.

رامان می تواند برای تجزیه و تحلیل نمونه های مختلف استفاده شود. به طور کلی برای تحلیل موارد زیر مناسب است:

☑️جامدات، پودرها، مایعات، ژل ها، دوغاب ها و گازها

☑️ مواد معدنی، آلی و بیولوژیکی

☑️ مواد شیمیایی خالص، مخلوط ها و محلول ها

☑️ اکسیدهای فلزی و خوردگی

به طور کلی برای تحلیل موارد زیر مناسب نیست:

❌️ فلزات و آلیاژهای آنها

نمونه‌های معمولی که امروزه از رامان استفاده می‌شود عبارتند از:

✅️ هنر و باستان شناسی – توصیف رنگدانه ها، سرامیک ها و سنگ های قیمتی

✅️مواد کربنی – ساختار و خلوص نانولوله ها، مشخصه یابی نقص/اختلال

✅️ شیمی – ساختار، خلوص و نظارت بر واکنش

✅️ زمین شناسی – شناسایی و توزیع مواد معدنی، گنجاندن سیال و انتقال فاز

✅️علوم زیستی – تک سلولی و بافت، تداخلات دارویی، تشخیص بیماری

✅️ داروسازی – یکنواختی محتوا و توزیع اجزا

✅️ نیمه هادی ها – خلوص، ترکیب آلیاژ، میکروسکوپ تنش/کرنش ذاتی.

آنالیز مواد جامد، مایع و گاز

طیف رامان را می توان تقریباً از تمام نمونه هایی که حاوی پیوند مولکولی واقعی هستند به دست آورد. این بدان معناست که جامدات، پودرها، دوغاب ها، مایعات، ژل ها و گازها را می توان با استفاده از طیف سنجی رامان آنالیز کرد.

اگرچه گازها را می توان با استفاده از طیف سنجی رامان تجزیه و تحلیل کرد، غلظت مولکول ها در یک گاز معمولاً بسیار کم است، بنابراین اندازه گیری، اغلب چالش برانگیزتر است. معمولاً تجهیزات تخصصی مانند لیزرهای با توان بالاتر و سلول های نمونه با طول مسیر طولانی ضروری است. در برخی موارد که فشار گاز زیاد است (مانند گنجاندن گاز در مواد معدنی) به راحتی می توان از ابزار دقیق استاندارد رامان استفاده کرد.

آنالیز مخلوطی از مواد

طیف رامان از یک ماده حاوی اطلاعات رامان در مورد تمام مولکول هایی است که در حجم تجزیه و تحلیل سیستم قرار دارند. بنابراین، اگر مخلوطی از مولکول ها وجود داشته باشد، طیف رامان حاوی قله هایی خواهد بود که تمام مولکول های مختلف را نشان می دهد. اگر اجزا شناخته شده باشند، می توان از شدت پیک نسبی برای تولید اطلاعات کمی در مورد ترکیب مخلوط استفاده کرد. در مورد ماتریس‌های پیچیده، روش های کوانتومی نیز ممکن است برای ساخت روش‌های کمی استفاده شود.