طیف سنجی رامان (Raman Spectroscopy)

طیف سنجی رامان (Raman Spectroscopy) یک تکنیک آنالیز شیمیایی غیرمخرب است که اطلاعات دقیقی در مورد ساختار شیمیایی، فازها، پلی‌مورفی (Polymorphy)، بلورینگی (Crystallinity) و فعل ‌و انفعالات مولکولی ارائه می‌دهد. این روش آنالیز بر اساس برهم‌کنش نور با پیوندهای شیمیایی درون یک ماده انجام می‌گیرد.

رامان یک تکنیک پراکندگی نور (Light Scattering) است که به ‌موجب آن یک مولکول نور تابیده شده از منبع لیزری با شدت بالا را پراکنده می‌کند. بیشتر نورهای پراکنده شده در طول موج (یا رنگ) منبع لیزر هستند و اطلاعات مفیدی را ارائه نمی‌دهند. به این نوع پراکندگی‌ها، پراکندگی ریلی (Rayleigh Scatter) گفته می‌شود.

با این ‌حال، مقدار کمی از نور (به طور معمول %0/0000001) در طول موج‌ها یا رنگ‌های دیگر پراکنده می‌شود که به ساختار شیمیایی مادۀ آنالیز شده بستگی دارد. به این پراکندگی، پراکندگی رامان می‌گویند.

طیف رامان دارای چندین قله است که شدت و موقعیت طول موج نور پراکنده شدۀ رامان را نشان می‌دهد. هر قله، مربوط به ارتعاش پیوند مولکولی خاصی است. از جمله پیوندهایی مانندC-C ،C = C ، N-O،C-H و …

طیف سنجی رامان از چه زمانی به وجود آمد؟

اگر چه پراکندگی غیرالاستیک نور اولین‌بار توسط آدولف اشمکل (Adolf Smekal) در سال 1923 پیش‌بینی شده بود، اما تا سال 1928 در عمل مشاهده نشد. اثر رامان به نام یکی از کاشفان آن، یعنی دانشمند هندی CV Raman نام‌گذاری شده است. این دانشمند در سال 1928 برای اولین‌بار تأثیر پراکندگی رامان را در مایعات آلی مشاهده کرد. در همین سال، این اثر به طور مستقل توسط Grigory Landsberg و Leonid Mandelstam در کریستال‌های معدنی نیز مشاهده شد. رامان برای این کشف در سال 1930 برندۀ جایزه نوبل فیزیک شد.

در سال 1929 اولین مشاهدۀ طیف‌های رامان در گازها نیز توسط فرانکو راستی (Franco Rasetti) انجام شد. نظریۀ اصلی در مورد اثر رامان توسط جورج پلاچک (George Placzek) بین سال‌های 1930 تا 1934 توسعه داده شد. سپس قوس جیوه به‌عنوان منبع اصلی نور در این روش آنالیز معرفی شد.

در طول چندین سال بعد، طیف سنجی رامان برای ارائه‌ی اولین فهرست فرکانس‌های ارتعاشی مولکولی استفاده شد. به طور معمول، نمونه در یک لولۀ بلند نگهداری می‌شد که راستای آن با یک پرتوی نور تک‌رنگ فیلتر شده روشن می‌شد. این پرتوی نور توسط یک لامپ تخلیۀ گاز (Gas Discharge Lamp) تولید می‌شد.

فوتون‌هایی که توسط نمونه پراکنده می‌شدند، از طریق یک تخت نوری (Optical Flat) در انتهای لوله جمع‌آوری می‌شدند. برای به حداکثر رساندن حساسیت، لازم بود غلظت نمونه از 1 مولار بیشتر باشد و حجم آن نیز از 5 میلی‌لیتر فراتر رود.

در حال حاضر بیش از 25 نوع مختلف از تکنیک‌های آنالیز رامان وجود دارد. روش‌هایی مانند Spontaneous Raman، Hyper-Raman Scattering، Fourier Transform Raman Scattering، Induced Kerr Effect Spectroscopy و Stimulated/Coherent Raman Scattering که به طور گسترده در حوزه‌های بیولوژی، شیمی و مواد استفاده می‌شوند.

طیف سنجی رامان پنجاه سال پس از اولین مشاهده، به‌عنوان یک تکنیک آنالیز برجسته در میان سایر تکنیک‌های اندازه‌گیری نوری مانند روش‌های جذب نور مادون قرمز، کاربردهای زیادی دارد.

10

دقیــقه مطالعه

آنالیز FTIR (طیف سنجی مادون قرمز)

حتما با مطالعه مقالات پیشینِ منتشر شده در این سایت، به اهمیت روش های آنالیز مواد...

در حال حاضر رامان یک تکنیک فوق‌العاده برای توصیف مواد دوبعدی مانند گرافن و دی‌هالکوژنیدهای فلزی (Metal Dichalcogenides) است. همچنین در سال‌های اخیر، از این روش به طور گسترده در پژوهش پیرامون موضوعات زیر استفاده می‌شود:

• بررسی حالت‌های فونون در بلورها
• بررسی تعداد تک‌لایه‌ها (Monolayers)
• تنفس بین لایه‌ای (Inter-Layer Breathing)
• حالات برشی (Shear Modes)
• ناهمسان‌گردی درون صفحه (In-Plane Anisotropy)
• آلایش (Doping)
• بی‌نظمی (Disorder)
• رسانایی حرارتی

تئوری اسپکتروسکوپی رامان

انواع متعددی از فعل و انفعال میان نور و ماده وجود دارد که در این میان، فلورسانس و فسفرسانس، نمونه‌هایی از جذب و انتشار نور توسط ماده هستند. پراکندگی الاستیک نور مانند پراکندگی ریلی توسط اتم‌ها، مولکول‌ها یا فونون‌ها و پراکندگی Mie/Tyndall توسط ذرات گردوغبار، نمونه هایی هستند که در نتیجۀ پراکندگی، طول موج نور بدون تغییر باقی می‌ماند.

انواعی از پراکندگی مانند بریلوئن (Brillouin Scattering) نیز وجود دارند که غیرالاستیک هستند. پراکندگی بریلوئن توسط امواج صوتی در بلورها ایجاد می‌شود. دو نوع پراکندگی غیرالاستیک مهم دیگر نیز وجود دارند که کامپتون (Compton) و رامان نام دارند.

پراکندگی کامپتون توسط ذرات باردار و پراکندگی رامان توسط مولکول‌ها یا فونون‌ها ایجاد می‌شوند. در این فعل ‌و انفعالات، طول موج نور تغییر می‌کند. همان‌طور که گفتیم، پراکندگی رامان در مولکول‌ها برای اولین‌بار با استفاده از نظریۀ کوانتومی کلاسیک توسط اشمکل در سال 1923 پیش‌بینی شد  و توسط Raman و Krishnan دانشمندان هندی در سال 1928 به‌صورت تجربی مشاهده شد.

هنگامی که نور با ماده در تعامل است، میدان الکترومغناطیسی نوسانی (همان نور) توزیع بار در ماده را مختل می‌کند. این اختلال می‌تواند منجر به تبادل انرژی و حرکت مواد در حالت تغییر یافته یا Modified State شود. به‌ عنوان ‌مثال می‌توان به تحریکات الکترونیکی، ارتعاشات مولکولی یا ارتعاشات چرخشی در مایعات و گازها، تحریکات الکترونیکی و فونون‌های نوری در جامدات و نوسانات الکترون و پلاسما در پلاسماها اشاره کرد.

هنگامی که فوتون ورودی با یک شبکه یا مولکول کریستالی در تعامل است، می‌تواند به‌ صورت الاستیک یا غیرالاستیک پراکنده شود. عمدتاً نور به‌صورت الاستیک پراکنده می‌شود، یعنی انرژی فوتون پراکنده شده برابر با فوتون ورودی است. بار دیگر خاطر نشان می‌کنیم که این نوع پراکندگی، به‌عنوان پراکندگی ریلی شناخته می‌شود.

پراکندگی غیر الاستیک نور توسط ماده، به‌عنوان اثر رامان شناخته می‌شود. این فرایند غیر الاستیک مولکول را در حالت ارتعاشی (Vibrational State) باقی می‌گذارد. در مورد شبکه‌های کریستالی، انتقال انرژی باعث ایجاد یک کوانتوم ارتعاشی در شبکه می‌شود که با نام فونون (شبه ذره) معروف است.

پراکندگی رامان در بلورها همچنین می‌تواند منجر به ایجاد یون‌های پارامغناطیسی، پلازمون‌های سطحی و امواج اسپینی شود که مفاهیم نسبتاً پیچیده‌ای هستند. تغییر فرکانس زاویه‌ای نور پراکنده شده را می‌توان با رابطۀ زیر توصیف کرد:

در این ‌رابطه، زیروند osc نشان‌دهندة ارتعاش شبکه یا مولکول است، p فوتون ورودی است که اغلب به ‌عنوان فوتون پمپ نامیده می‌شود و scat نشان‌دهنده نور پراکنده شده است. عملگر دودویی (±) با تغییراتی که در انرژی رخ می‌دهد، تعیین می‌شود.

هنگامی که انرژی فوتون پراکنده شده کمتر از فوتون ورودی است، این فرایند را پراکندگی استوکس رامان می‌نامند. بر عکس، هنگامی که انرژی فوتون پراکنده شده بیشتر از فوتون ورودی است، این فرایند را پراکندگی رامان ضد استوکس (Anti-Stokes Raman Scattering) می‌نامند.

نور لیزر تابشی، با ارتعاشات مولکولی، فونون‌ها یا سایر تحرکات در ماده برهم‌کنش می‌کند و در نتیجه انرژی فوتون‌های لیزر به بالاتر یا پایین‌تر منتقل می‌شود. این تغییر انرژی و طول موج، اطلاعاتی در مورد حالت‌های ارتعاشی در سیستم (ماده) می‌دهد.

تابش پراکنده‌شدة الاستیک یا ریلی، فیلتر می‌شود و بقیۀ نور پراکنده شده بر روی یک آشکارساز جمع‌آوری می‌شود. از این طریق نتایج آنالیز رامان که برای هر ماده متفاوت است، حاصل می‌شود.

منظور از شیفت رامان چیست؟

شیفت رامان معمولاً در قالب عدد موج گزارش می‌شود که دارای واحد معکوس طول است. عدد موج (Wave number) در علم فیزیک بیانگر بسامد مکانی یک موج است که با یکای دور بر واحد طول بیان می‌شود. به‌عبارت‌دیگر، عدد موج تعداد موج‌های موجود در واحد طول است. می‌توانید این مفهوم را با بسامد یا فرکانس مقایسه کنید که بیانگر تعداد دور بر واحد زمان است.

عدد موج به طور مستقیم با انرژی ارتباط دارد. برای تبدیل طول موج طیفی به عدد موج و یافتن شیفت رامان می‌توان از فرمول زیر استفاده کرد:

Δν̃ شیفت رامان است که با عدد موج بیان می‌شود. λ₀ طول موج تحریک و λ₁ طول موج طیف رامان است. به طور معمول، واحد انتخاب شده برای بیان عدد موج در طیف‌های رامان، معکوس سانتیمتر است. از آنجا که طول موج اغلب بر حسب واحد نانومتر (nm) بیان می‌شود، فرمول بالا را می‌توان به‌صورت زیر استفاده کرد:

یک مثال کاربردی: طیف رامان مادۀ CCl₄

نمونه‌ای از طیف‌های رامان مربوط به مادۀ تتراکلرید کربن (CCl₄) در شکل زیر نشان داده شده است. CCl₄ یک مولکول چهاروجهی است که دارای سه حالت ارتعاشی فعال رامان در ناحیۀ عدد موج 100 تا 500cm^-1 است.

در مرکز طیف، پیک پراکندگی ریلی در طول موج لیزر دیده می‌شود. این قله میلیون‌ها بار شدیدتر از پراکندگی رامان است. بنابراین توسط نوعی فیلتر مسدود می‌شود. سه قلۀ استوکس و سه قلۀ آنتی ‌استوکس به‌صورت متقارن، متناظر با سه ارتعاش شدید رامان CCl₄ دیده می‌شوند.

اطلاعات ارائه شده توسط طیف سنجی

طیف سنجی Raman ساختار شیمیایی یک ماده را بررسی می‌کند و اطلاعاتی در مورد موارد زیر ارائه می‌دهد:

• ساختار شیمیایی و هویت ماده
• فاز و چند ریختگی (پلی‌مورفیسم)
• تنش/کرنش ذاتی
• آلودگی و ناخالصی

طیف رامان برای یک مولکول یا مادۀ خاص مانند اثر انگشت شیمیایی است. از این ‌رو می‌تواند برای شناسایی سریع یک ماده یا تشخیص آن از دیگر مواد مورد استفاده قرار گیرد.

برای اجرای این آنالیز، از کتابخانه‌های طیفی رامان استفاده می‌شود. کتابخانه‌های رامان حاوی هزاران طیف استاندارد است، که بر اساس طیف ماده آنالیز شده، در آن‌ها به‌سرعت جستجو می‌شود تا مطابقت نهایی انجام گیرد.

در ترکیب طیف سنجی رامان با تکنیک‌های نقشه‌برداری (Mapping)، امکان تولید تصاویر نمونه بر اساس طیف رامان وجود دارد. این تصاویر توزیع اجزای شیمیایی منفرد، پلی‌مورف‌ها، فازها و تنوع بلورینگی را نشان می‌دهد.

آنالیز رامان یک روش کمی است یا کیفی؟

مشخصات طیف کلی رامان، یعنی موقعیت پیک و شدت نسبی پیک (Relative Peak Intensity)، یک اثر انگشت شیمیایی منحصر به ‌فرد را برای هر ماده فراهم می‌کند. غالباً طیف واقعی استخراج شده بسیار پیچیده است. بنابراین برای یافتن بهترین درجۀ مطابقت، باید از کتابخانه‌های طیفی رامان استفاده کرد و یک شناسۀ شیمیایی خاص ارائه داد. از این طریق به شکل کیفی می‌توان ماده را تشخیص داد.

شدت طیف، مستقیماً با غلظت متناسب است. به طور معمول، یک روش کالیبراسیون برای تعیین رابطۀ بین شدت پیک و غلظت مورد استفاده قرار می‌گیرد. از این طریق است که می‌توان اندازه‌گیری‌های معمول را برای آنالیز غلظت انجام داد و به یک آنالیز کمّی رسید.

آنالیز میکروسکوپی با رامان

طیف سنجی رامان می‌تواند برای آنالیز میکروسکوپی، با رزولوشن  5/0 تا 1 میکرومتر استفاده شود. چنین آنالیزی با استفاده از میکروسکوپ Raman امکان‌پذیر است. میکروسکوپ رامان، طیف‌سنج رامان را به یک میکروسکوپ نوری استاندارد متصل می‌کند و امکان بزرگ‌نمایی بالای نمونه و آنالیز رامان را فراهم می‌آورد.

میکروسکوپ رامان می‌تواند برای آنالیز ذرات با ابعاد میکرونی استفاده شود. حتی می‌توان آن را برای آنالیز لایه‌های مختلف در یک نمونۀ چندلایه (به‌عنوان‌مثال، پوشش‌های پلیمری) به کار برد.

از سیستم نقشه‌برداری این میکروسکوپ می‌توان برای تولید تصاویر طیفی رامان استفاده کرد. این تصاویر از کنار هم قرار دادن هزاران طیف رامان از موقعیت‌های مختلف روی نمونه حاصل می‌شوند. در ضمن، یک سری تصاویر رنگی کاذب را می‌توان بر اساس طیف رامان تولید کرد که توزیع اجزای شیمیایی منفرد، فازها، پلی‌مورفیسم، تنش/کرنش و بلورینگی را نشان می‌دهند.

چه نمونه‌هایی با رامان آنالیز می‌شوند؟

از رامان می‌توان برای تجزیه ‌و تحلیل نمونه‌های مختلفی که در دسته‌بندی‌های زیر می‌گنجند، استفاده کرد:

• جامدات، پودرها، مایعات، ژل‌ها، دوغاب‌ها و گازها
• مواد معدنی، آلی و بیولوژیکی
• مواد شیمیایی خالص، مخلوط‌ها و محلول‌ها
• اکسیدهای فلزی و محصولات خوردگی

حوزه‌های کاربردی آنالیز رامان نیز عبارت‌اند از:

• هنر و باستان‌شناسی؛ توصیف رنگ‌دانه‌ها، سرامیک‌ها و سنگ‌های قیمتی
• مواد کربنی؛ ساختار و خلوص نانولوله‌ها، مشخصه‌یابی نقص‌ها و بی‌نظمی‌ها
• شیمی؛ نظارت بر ساختار، خلوص و واکنش‌ها
• زمین‌شناسی؛ شناسایی و توزیع مواد معدنی، اجزای سیال و انتقال فاز
• علوم زیستی؛ زیست تک‌سلولی و بافت‌ها، تداخل دارویی، تشخیص بیماری
• داروسازی؛ یکنواختی محتوا و توزیع اجزا
• نیمه‌هادی‌ها؛ خلوص، ترکیب آلیاژ، تنش/کرنش ذاتی

جمع‌بندی

هنگامی که نور تک‌رنگ به نمونه برخورد می‌کند، ممکن است منعکس (reflect)، جذب (absorb) یا پراکنده (scatter) شود. اگر فرکانس (طول موج) نور پراکنده شده با نور ورودی متفاوت باشد، پراکندگی رامان رخ ‌داده است. در این مقاله دیدیم که این تغییرات رخ داده در طول موج فوتون ورودی، اطلاعات شیمیایی و ساختاری از ماده را ارائه می‌دهد که می‌تواند در علوم زیستی، شیمی و مواد به طور گسترده به کار رود.

منابع

Jones, R. R., Hooper, D. C., Zhang, L., Wolverson, D., & Valev, V. K. (2019). Raman Techniques: Fundamentals and Frontiers. Nanoscale Research Letters, 14(1). doi:10.1186/s11671-019-3039-2 (https://doi.org/10.1186/s11671-019-3039-2).

Placzek, G (1934). “Rayleigh-Streuung und Raman-Effekt”. Handbuch der Radiologie (in German). 6, 2. Leipzig: Akademische Verlagsgesellschaft. p. 209.

Caltech oral history interview by Judith R. Goodstein, 4 February 1982.

V. Raman & K. S. Krishnan, A New Type of Secondary Radiation, Nature 121, 501- 502 (1928).

Smith & G. Dent, Modern Raman Spectroscopy: A Practical Approach 1st ed. , Wiley (2005).