بسم الله الرحمن الرحيم
طیف نگاری رامان
طیف نگاری رامان
رامان نوعی طیف نگاری بر پایه ی پراکندگی غیرالاستیک نور تک رنگ است ، که این نور عموما از یک منبع لیزر تامین می شود. پراکندگی غیرالاستیک به این معناست که فرکانس های فوتون ها در اثر برخورد با نمونه تغییر کند. این تغییر می تواند شامل افزایش یا کاهش فرکانس نسبت به فوتون های اولیه باشد و به این پدیده اثر رامان گفته می شود. در نهایت با توجه به فرکانس فوتون های بازگشتی می توان اطلاعاتی در مورد حرکت ارتعاشی و چرخشی مولکول ها کسب نمود.
زمانی که یک موج الکترومغناطیس ، مانند نور منتشر شده از یک منبع لیزر ، به مولکولی برخورد می کند ، می تواند موجب اعوجاج ابر الکترونی اطرف آن شود که از ایجاد یک دوقطبی متناسب با مقدار میدان الکتریکی و ضریب قطبی شدن (معرف توانایی مولکول برای قطبی شدن) ناشی می شود. این فرآیند (ایجاد دو قطبی و در نتیجه ی آن اعوجاج ابر الکترونی ) ، به صورت تناوبی رخ داده و مولکول های با فرکانس V شروع به ارتعاش می کنند. در نهایت مولکول هایی از ماده که در معرض پرتو لیزر اولیه با فرکانس U قرار دارند ، طی فرآیند تهییج و آرامش اتم ، سه رفتار مختلف از خود بروز می دهند، طبق شکل زیر :
1- مولکول ها تهییج شده و به حالت ارتعاشی خود بازمی گردند و پرتویی با همان فرکانس اولیه را بازتابش می کنند. پراکندگی حاصل که نوعی پراکندگی الاستیک است ، پراکندگی رایلی نام دارد.
2- مولکول ها قسمتی از انرژی فوتون های الویه را جذب نموده و با فرکانس V مرتعش می شوند. بنابراین نور بازتاب شده با فرکانسی به اندازه ی V کمتر از فرکانس اولیه بازتابش می شود. این نوع پراکندگی غیرالاستیک بوده و پراکندگی استوکس نام دارد.
3- در این حالت با بازگشت مولکول به حالت پایه ، نور با فرکانسی به اندازه ی V بیشتر از فرکانس پرتوی اولیه بازتابش خواهد شد. این پراکندگی نیز غیر الاستیک بوده و پراکندگی آنتی استوکس نام گرفته است.
بنابراین اثر رامان شامل رفتارهای نوع دوم و سوم مولکول ها در مقابل پرتوی ورودی است و چنین مولکول هایی اصطلاحا دارای حالت فعال رامان هستند.
در طیف نگاری ساده ی رامان و بدون استفاده از وسایل تقویت کننده ، حدود 99% پرتوهای بازتابشی حاصل از پراکندگی رایلی بوده و مابقی رامان خواهد بود. پرتوهای رایلی به دلیل عدم تغییر در فرکانس ، در طیف سنجی کاربرد ندارند. بنابراین باید سعی شود تا جای ممکن اثر پراکندگی رایلی که حامل اطلاعات مهمی در مورد ساختار و مواد تشکیل دهنده ی نمونه است تقویت شود. باید توجه داشت که طیف نگاری رامان تنها برای آنالیز مواد مولکولی از جمله ، مواد آلی و اکسیدهای فلزی کاربرد دارد.
طیف نگاری رامان به طور کلی از 4 بخش اصلی تشکیل شده است که عبارتند از :
- منبع برانگیختگی ، که به طور معمول لیزرهایی هستند با طول موج ثابت و معین و در محدوده ی طول موج های مختلف از جمله فرابنفش (UV) ، مرئی و نزدیک مادون قرمز(NIR).
- سیستم روشنایی نمونه و جمع آوری نور به صورت اپتیکی
- مجزاکننده ی طول موج ، که عمدتا *****هایی هستند که نور بازتابش شده با فرکانسی نزدیک به نور لیزر را حذف می کنند . شدت اثر رامان را برای آشکارسازی بهبود می بخشند.
- آشکارسازها ، که معمولا دارای یکی از دو سیستم تبدیل فوریه با آشکارساز ایندیم – آرسنید گالیم و یا پخش شونده با آشکارساز و دوربین CCD هستند.
در کنار اجزای مذکور ، امکانات جانبی نیز روی دستگاه ها تعبیه شده اند ، که کاربر بنا به نوع اطلاعات مورد نظر خود می تواند از آن ها استفاده کند.
قابلیت ها
هماطور که در مفاهیم پایه نیز ذکر شد ، این نوع طیف سنجی ، در مورد مواد مولکولی که طیف مشخص رامان در اختیار ما قرار می دهند ، کاربرد دارد. از جمله خواصی که روش رامان را منحصر به فرد نموده است می توان به موارد زیر اشاره نمود :
1- کاربری برای هر سه حالت ماده : جامد ،مایع ، گاز
2- کاربری در مورد محلول ها و مخلوط ها : تشخیص نوع و مقدار اجزا بر اساس شدت پیک های رامان
3- فراهم کردن اطلاعات کمی و کیفی در مورد مواد مولکولی مختلف
4- امکان استفاده برای محلول های آبی بدون نیاز به امکانات اضافب ، به دلیل پراکندگی ضعیف رامان آب
5- عدم نیاز به نمونه سازی در اکثر موارد و غیر مخرب بودن آزمایش
6- امکان استفاده برای نمونه هایی با فواصل زیاد از دستگاه به کمک فیبر نوری
7- داشتن طیف های واضح با مقدار هم پوشانی و ترکیب کم تر نسبت به روش های آنالیز مادون قرمز
8- امکان بررسی و تحلیل پیوندهای شیمیایی متقارن(مانند : -=C C- ، و ... )
9- امکان استفاده در دما و فشار بالا به کمک ابزار لازم
محدودیت ها
در کنار ویژگی های مثبت این روش طیف نگاری ، محدودیت هایی نیز وجود دارند که تلاش برای بهیود آن ها به کمک ابزار جانبی هم چنان ادامه دارد. این موارد عبارتند از :
1- حساسیت ذاتی کم ، به طوری که حدودا از هر 1 میلیون فوتون ، تنها یکی از آن ها ، دچار پراکندگی رامان خواهد شد.
2- پرتوهای حاصل از اثر فلوئورسانس مواد که به عنوان زمینه ی طیف می تواند در تشخیص پیک های رامان مشکل ساز باشد.( احتمال بالای ایجاد پراکندگی فلوئورسانس نبست به پراکندگی رامان)
3- نیاز به منابع لیزر و *****های گران قیمت
4- امکان مخرب بودن در صورت تمرکز بیش از حد پرتو در یم نقطه از نمونه
با توجه به قابلیت های روش رامان ، امروزه کاربرد این روش در حوزه های مختلف علوم و فنون گسترش یافته است. بررسی و مطالعه ی مواد غیرآلی و مواد معدنی ، بررسی آثار هنری و باستانی ، مطالعه و بررسی مواد آلی از جمله پلیمرها ، آنالیز محلول ها ، امولسیون ها و سوسپانسیون ها ، نانوتکنولوژی از جمله بررسی ساختار نانولوله های کربنی ، صنایع الکترونیکی و نیمه رسانا ها به خصوص بررسی مواد موجود و تنش های ایجاد شده در قطعات نیمه هادی ، کنترل مواد تولیدشده و مطالعه ی واکنش های شیمیایی در راکتورهای شیمیایی ، بیولوژی و داروسازی ، بررسی های زیست شناسی و نیز علوم جرم شناسی از جمله مواردی هستند که طیف نگاری رامان برای آن ها کارآمد است. اما حوزه ی کاربردی رامان تنها به این موارد محدود نشده و هر جا نیاز به شناخت و بررسی مواد مولکولی باشد ، این روش قابل طرح و استفاده است.
کاربردهای رامان
الف) داروسازی
شناسایی و توزیع یک جز دارویی فعال (API) از یک قرص و مواد رقیق کننده را می توان توسط تصویر برداری رامان مورد مطالعه قرار داد. در این تصویر ، نقشه ی شیمیایی سطح یک قرص به منظور تعیین اندازه ی ذره و توزیع اجزای آن نشان داده شده است. این داده ها ، به عنوان داده های حیاتی برای درک کارآیی محصول و کیفیت آن محسوب می شوند.
ب) جرم شناسی
عموما مواد مخدر ، پلیمر ها ، مواد منفجره ، رنگ دانه ها و بقایای مواد بیولوژیکی را می توان توسط طیف های رامان شناسایی نمود. میکروسکوپی هم کانون رامان ، روشی ایده آل برای مطالعه ی این مواد است.
ج) بیولوژی
طیف سنجی رامان ، روشی بسیار حساس برای شناسایی تغییرات کوچک در بیومولکول ها است. برای مثال ،شناسایی بیماری ، بیکروبیولوژی ، برهم کنش بین داروها ، درمان بافت ، امراض پوستی ، مواد آرایشی و بهداشتی را می توان از جمله مزایای رامان معرفی کرد. به عنوان مثال می توان تک تک باکتری ها را بر طبق میزان ایزوتوپ کربن آن ها به تصویر کشید.
ت)زمین شناسی / جواهر شناسی
طیف سنجی هم کانون رامان امکان شناسایی گونه های معدنی و نقشه ی توزیع آن ها را با قدرت تفکیک فضایی بالا فراهم می آورد. به علاوه ، آخال های سیال را می توان توسط این روش به صورت در محل مورد بررسی قرار داد.
ث) باستان شناسی/ هنر
در حفظ آثار هنری و باستان شناسی ، طیف سنجی رامان برای مطالعه ی رنگ دانه ها ، محصولات سرامیکی ، شیشه ای ، و فرآیند خوردگی و تامین اطلاعات در رابطه با منشا ،روش ساخت ، روش محافظت ، تاریخچه و صحت یم شی باستانی مورد استفاده قرار می گیرد.
در دسته ای دیگر از کاربرد ها به موضوعات زیر برمی خوریم :
طيف سنجي رامان براي شناسايي ساختار مولكولي بسيار مناسب است با اين روش تعيين فركانسهاي
چرخشي و ارتعاشي مولكول، ارزيابي هندسي و حتي تقارن مولكول ها امكان پذير است. در برخي موارد كه امكان تعيين ساختار مولكولي وجود ندارد، مي توان با تكيه بر فركانس هاي ثبت شده ، قرار گرفتن اتم ها در يك مولكول را بررسي كرد. اطلاعاتي كه توسط طيف سنجي مادون قرمز و رامان به دست مي آيد، بسيار مشابه هستند. به تازگي ساختار پيچيده مولكو لهاي زيستي با طيف سنجي رامان تعيين شده است. طيف رامان اطلاعات با ارزشي را نيز در زمينه فيزيك حالت جامد ارائه مي كند. چون طيف سنجي رامان را مي توان به راحتي براي مطالعة اجزاء و گرو ههاي شيميائي در محيط آب به كاربرد. استفاده از اين تكنيك در مطالعه موجودات زنده از اهميت خاصي برخوردار است.
برخي از كاربردهاي مهم طيف سنجي رامان در فناوري نانو عبارتست از:
1- شناسائي و جداسازي برخي از تركيبات آلي و معدني
2- تعيين ساختار شيميائي تركيبات
3- تعيين شرايط مرزي براي ميدان الكتريكي در نزديكي سطح
4- با استفاده از طيف سنج رامان براي آناليز ذرات نانومقياس برخي از ملكولهاي آلي نانو لوله كربني مي توان استفاده نمود.
5- براي تعيين قطر كربن و كايراليته كربن (كربن كايرال، كربني است كه چهار گروه اتم متصل به آن متفاوت باشد) و تعيين قطر نانو ذرات معدني مي توان از طيف سنج رامان استفاده نمود.
جهت دیدن نمونه ای از قواعد تفسیری به تصویر زیر توجه نمایید :
در ادامه معرفی اجمالی در مورد طیف نگاری رامان و مشخصات آن ذکر می شود.
طیف نگاری رامان اندازه گیری پراکندگی غیرالاستیک نور به صورت تابعی از عدد موج است که در نتیجه ی برانگیختگی ارتعاشات در مواد بلوری و مولکولی است . منبع برانگیختگی یک باریکه ی مجزا از یک لیزر گازی پیوسته است که اجازه می دهد تا از میکروسکوپ های نوری برای اندازه گیری نمونه تا دقت چند میکرومتر استفاده کنیم . طیف نگاری رامان به ساختار بلوری و مولکولی حساس است ، و کاربردهایش شامل : انگشت نگاری شیمیایی ، بررسی تک دانه ای در سرامیک ها و سنگ ها ، اندازه گیری های تک بلورها ، تکامل و جدایش محلول های آبی ، تشخیص ترکیبات در حباب ها و تبادلات با سیال ، بررسی ساختار و حالات کرنش در سرامیک ها شیشه ها الیاف ژل ها و لایه های نازک و ضخیم پلی کریستال .
اطلاعاتی که مورد مطالعه قرار می گیرد : فرکانس های ارتعاشی پیوندهای شیمیایی
محدوده ی عناصر قابل آنالیز : همه ی عناصر ، اما نه عنصری به خصوص
مخرب بودن آزمون : خیر ، مگر اینکه نمونه با تخریب حاصل از تابش لیزر سازگار باشد
قدرت تفکیک عرضی : یک میکرومتر با تجهیزات میکروفاکوس
امکان پروفایل دهی عمقی : برای مواد شفاف محدود است
عمقی که مورد آزمون قرار می گیرد : از چند میکرومتر تا میلی متر ، بسته به جنس نمونه ی مورد مطالعه
محدودیت های تشخیص : معمولا 1000 آنگستروم ، و در حالات خاص تک لایه (Sub-monolayer)
امکان آنالیز کمی : به سختی ، معمولا فقط آنالیز های کیفی امکانپذیر است
امکان تصویر برداری : معمولا خیر ، اگرچه تجهیزات تصویر برداری ساخته شده اند
نیازمندی های برای نمونه ی های تحت آنالیز : نمونه های بسیار انعطافپذیر از : مایعات ، گازها ، بلورها ، جامدات چندبلوری ، پودر ها ، و لایه های نازک
استفاده ی اصلی : تشخیص ترکیبات ناشناخته در محلول ها ، مایعات ، و مواد بلوری و نیز مشخصه یابی مرتبه ی ساختاری و استحاله های فازی
منبع: http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/56
آخرین ویرایش:
