اساس کار طیف سنج رامان

اساس کار طیف سنج رامان

اشتراک گذاری در email
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در whatsapp
طیف سنجی رامان،‌ یکی از روش‌هایی است که به وسیله آن مواد، مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند. در پراکندگی رامان،‌ نور تابشی با ماده وارد اندرکنش می‌شود و نور پراکنده شده، اطلاعات سودمندی را درباره ساختار ماده به ما می‌دهد. در این دانشنامه به مفاهیم اولیه پراکندگی رامان، اساس کار و تکنیک‌های این طیف سنجی پرداخته شده است، پس برای اطلاعات بیشتر، با ما همراه شوید.
اساس کار طیف سنج رامان

فهرست مطالب

مقدمه

طیف وسیعی از تکنیک‌های طیف سنجی برای تجزیه و تحلیل مواد و مواد شیمیایی در دسترس است. از جمله این موارد طیف سنج رامان است. در این نوع طیف سنجی، نور توسط ماده‌ پراکنده می‌شود. این پراکندگی غیر الاستیک باعث تغییر طول موج می‌شود و از این طریق می‌توان اطلاعاتی در مورد مواد را استنباط کرد. خصوصیات ماده را می‌توان با تجزیه و تحلیل طیف رامان، تعیین کرد. برای شناسایی مواد، کتابخانه‌ای از طیف مواد شناخته شده وجود دارد که با استفاده از آن می‌توان ماهیت ماده را با مقایسه طیف به دست آمده،‌ مشخص کرد. این کتابخانه، توسط شرکت تکسان می‌تواند در اختیار مخاطبان قرار گیرد. از زمان کشف پراکندگی رامان در دهه ۱۹۲۰، فناوری به گونه‌ای پیشرفت کرده است که طیف سنجی رامان اکنون یک تکنیک بسیار قدرتمند با کاربردهای فراوان است.

پراکندگی رامان

پراکندگی رامان (اثر رامان) در سال ۱۹۲۸ توسط فیزیکدان هندی، CV Raman کشف شد. اما قبل از کشف رامان پیش‌بینی‌هایی از پراکندگی غیر کششی نور تا سال ۱۹۲۲ انجام شده بود. CV Raman برای این کشف در سال ۱۹۳۰ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. از آن زمان پراکندگی رامان باعث ایجاد تعدادی از فناوری‌های مهم شده است و مهم‌ترین آن‌ها طیف سنجی رامان است.

بیشتر نورهایی که از ماده شفاف عبور می‌کنند، تحت تأثیر پراکندگی ریلی قرار می‌گیرند. این پراکندگی یک اثر الاستیک است، به این معنی که نور هنگام پراکندگی، نه انرژی به دست می‌آورد و نه انرژی از دست می‌دهد. بنابراین در همان طول موج باقی می‌ماند. مقدار پراکندگی به طول موج وابسته و متناسب با  λ است. (ذکر این نکته حائز اهمیت است که دلیل رنگ آبی آسمان همین پراکندگی است. رنگ آبی با طول موج کوتاه‌تر در جو بیشتر از سایر طول موج‌ها پراکنده می‌شود).

در پراکندگی ریلی، یک فوتون با یک مولکول وارد برهمکنش می‌شود و ابر الکترونی را قطبیده کرده و آن را به حالت انرژی مجازی می‌رساند. همه این فرایند در مدت زمان بسیار کوتاهی ( ۱۴-۱۰ ثانیه) رخ می‌دهد. سپس مولکول به حالت پایه سقوط کرده و یک فوتون آزاد می‌کند. این فوتون می‌تواند در هر جهتی آزاد و منجر به پراکندگی شود. از آنجایی که مولکول به همان حالت اولیه باز می‌گردد، انرژی آزاد شده با انرژی اولیه برابر است. بنابراین نور بدون تغییر طول موج پراکنده می‌شود.

با توجه به اینکه پراکندگی رامان از نوع غیر کشسان است،‌ فوتون‌ها در طی پراکندگی، انرژی خود را از دست می‌دهند و یا در حالتی انرژی به دست می‌آورند. بنابراین به ترتیب طول موج فوتون پراکنده شده افزایش یا کاهش می‌یابد. اگر مولکول از حالت پایه به تراز مجازی گذار کند، سپس با از دست دادن مقداری از انرژی خود به حالت ارتعاشی (تراز انرژی بالاتر از تراز پایه) پایین بیاید، فوتون پراکنده انرژی کمتری (طول موج بلندتر) نسبت به فوتون فرودی خواهد داشت. به این عمل پراکندگی استوکس گفته می‌شود. حال اگر مولکول در ابتدا در حالت ارتعاشی باشد و پس از پراکندگی در حالت پایه قرار گیرد،‌ فوتون پراکنده انرژی بیشتری آزاد می‌کند. بنابراین طول موج کوتاه‌تری خواهد داشت. به این عمل پراکندگی ضد استوکس می‌گویند. شکل ۱، تفاوت پراکندگی ریلی، استوکس و آنتی استوکس را نشان می‌دهد.

شکل 1: به ترتیب از چپ به راست پراکندگی ریلی، پراکندگی رامان استوکس و رامان آنتی استوکس در این شکل نشان داده شده است.
شکل ۱: به ترتیب از چپ به راست پراکندگی ریلی، استوکس و آنتی استوکس در این شکل نمایش داده شده است.

طیف پراکندگی ریلی، استوکس و آنتی استوکس

از هر ۷ ۱۰ فوتون فقط یک فوتون در چرخه فرایند پراکندگی رامان استوکس قرار می‌گیرد. احتمال وقوع پراکندگی ضد استوکس حتی کمتر از پراکندگی استوکس است. دلیل این امر این است که،‌ مولکول‌های بسیار کمی وجود دارند که در ابتدا در حالت انرژی ارتعاشی بالاتری قرار بگیرند. از آنجا که این موارد باعث پراکندگی ضد استوکس می‌شود، شدت پراکندگی ضد استوکس، بسیار کمتر است.

جابه‌جایی رامان با فاصله بین حالت‌های ارتعاشی و حالت‌های پایه (یعنی توسط فونون‌های سیستم) تعیین می‌شود. طیف رامان استوکس و رامان ضد استوکس، به فاصله متقارن (صرف نظر از شدت آن‌ها) در دو طرف مخالف طیف نور پراکندگی ریلی، قرار می‌گیرند. همان گونه که در شکل ۲ مشاهده می‌شود، خطوط استوکس دارای شدت بیشتری هستند که این موضوع با توجه به بالاتر بودن احتمال وقوع آن‌ها قابل توجیه است. میزان جابجایی‌های رامان (Raman Shifts) مستقل از طول موج لیزر استفاده شده برای برانگیختگی نمونه است. پراکندگی ریلی دقیقاً در طول موج معادل با طول موج منبع قرار گرفته، میزان جابجایی آن صفر بوده و شدت آن از خطوط استوکس و آنتی استوکس بسیار بیشتر است. به طور معمول در طیف سنجی رامان، از طیف استوکس (با توجه به اینکه شدت آن از شدت طیف آنتی استوکس بیشتر است) استفاده شده و از طیف آنتی استوکس صرف نظر می‌شود.

نمایش تراز های مجازی
شکل ۲: طیف استوکس و ضد استوکس به صورت متقارن در دو طرف طیف ریلی قرار دارند.

طیف سنجی ارتعاشی-تفسیر طیف رامان

ارتعاش مولکولی بر اساس حرکات تک تک اتم‌های مولکول‌ها نسبت به یکدیگر است. طیف سنجی ارتعاشی، ارتعاشات مولکولی و در مقیاس کوچک‌تر نیز چرخش‌های مولکولی را مشخص می‌کند. نیروهایی که مولکول‌ها را کنار هم نگه داشته‌اند، مانند چشمه‌های کوچکی که اتم‌ها را به هم متصل می‌کنند، عمل می‌کنند (شکل ۳).

نمایش ساده ارتعاش یک مولکول دو اتمی
شکل ۳: ارتعاش یک مولکول دو اتمی در یک نمایش ساده

مجموعه ارتعاشات به ساختار دقیق مولکول‌ها وابسته است. بنابراین طیف ارتعاشی هر ماده، منحصر به فرد است. این امر طیف سنج ارتعاشی را به ابزاری برای شناسایی مواد تبدیل کرده است. در واقع طیف ارتعاشی به قدری منحصر به فرد است که از آن به عنوان اثر انگشت شیمیایی مولکول یاد می‌شود.

چه زمانی یک مولکول، رامان فعال است؟

طیف بینی رامان، تغییرات قطبش پذیری یک مولکول را تشخیص می‌دهد. بنابراین فقط ارتعاشاتی را ثبت می‌کند که قطبش در حین حرکت تغییر کند، که به ارتعاشات رامان فعال (Raman active) معروفند. قطبش پذیری یک مولکول با افزایش چگالی الکترون، افزایش استحکام پیوند و کاهش طول پیوند کاهش می‌یابد. حالت‌های ارتعاشی برای مولکول، تابعی از جهت گیری اتم‌ها و پیوندهای آن، جرم اتمی اتم‌ها، ترتیب پیوند و پیوند هیدروژن و سایر عوامل است.

طیف پراکندگی رامان

جابه‌جایی رامان تفاوت انرژی بین نور تابشی (لیزر) و نور پراکنده (شناسایی شده) است. این اختلاف تنها  وابسته به خصوصیات انرژی ارتعاشات مولکولی و مستقل از طول موج لیزر است. جابه‌جایی رامان معمولاً بر اساس عدد موج بیان می‌شود. در نمونه‌ای از طیف رامان را مشاهده می‌کنید که با استفاده از طیف سنج رامان تکرام با طول موج ۵۳۲ نانومتر از الماس به دست آمده است. نرخ شمارش یا Count، متناسب با شدت نوری است که با آشکارساز تصویر می‌شود.

نمونه‌ای از طیف رامان الماس را مشاهده می‌کنید که با استفاده از طیف سنج رامان تکرام با طول موج ۵۳۲ نانومتر از الماس به دست آمده است
شکل ۴: طیف رامان الماس. این طیف با استفاده از رامان تکرام با طول موج ۵۳۲ نانومتر از الماس گرفته شده است.

اساس کار طیف سنج رامان

عملکرد طیف سنج رامان به این صورت است که ابتدا نور لیزر به Beam splitter برخورد می‌کند و به دو قسمت تقسیم می‌شود. یک قسمت به نمونه و قسمت دیگر به فیلتر برخورد می‌کند. لیزر بعد از برخورد با نمونه پراکنده می‌شود. نور پراکنده شده به وسیله عدسی‌های شیئی به سمت Beam splitter هدایت می‌شود، کل نور از آن عبور کرده و با فیلتر برخورد می‌کند. طول موج لیزر و پراکندگی ریلی توسط این المان فیلتر می‌گردد ولی بقیه طول موج‌ها از این فیلتر عبور می‌کنند. نور فیلتر شده به وسیله شکاف و سپس به کمک عدسی بر روی آینه کاو متمرکز می‌شود. آینه نور را به سمت توری پراش بازتاب می‌کند و نور در اثر برخورد با توری تجزیه می‌شود. نور تجزیه شده به وسیله آینه کاو دوم بر روی آشکارساز تابانده می‌شود و به این طریق طیف رامان نمونه به دست می‌آید.

چیدمان طیف سنجی رامان
شکل ۵: چیدمان طیف سنجی رامان

تکنیک های طیف سنجی رامان

پراکندگی خود به خودی رامان

پراکندگی خود به خودی رامان به پدیده استاندارد پراکندگی رامان بدون افزایش از طریق اثرات تشدید یا غیرخطی اشاره دارد. نظریه اصطلاح “طیف سنجی رامان” بدون هیچ توصیف کننده دیگری معمولاً به طیف سنجی پراکندگی خود به خودی رامان اشاره دارد.

رامان تبدیل فوریه (Fourier transform (FT) Raman)

بر خلاف طیف سنجی پراکنده رامان که از طریق پراش طول موج‌های مختلف، طیف به دست می‌آید، در رامان تبدیل فوریه (FT- Raman)، یک الگوی تداخلی ایجاد می‌کند که می‌تواند برای بازیابی طیف، مورد تجریه و تحلیل قرار گیرد. این روش سریع‌تر از روش پراکندگی رامان است، ولی وضوح و  انتخاب طول موج لیزر محدود هستند.

طیف سنجی رزونانس رامان (Resonance Raman Microscopy (RRS))

رزونانس استاندارد طیف سنجی رامان بسیار شبیه طیف سنجی رامان خود به خودی است با این تفاوت که به طول موج تحریک بسیار حساس است. به این صورت که انرژی لیزر تابشی، باید به انرژی انتقال الکترونیکی مولکول نزدیک باشد. برای اکثر مولکول‌های مورد مطالعه توسط طیف سنجی رامان، طول موج تحریک تشدید نسبتاً کوتاه است. رزونانس رامان در درجه اول برای اندازه‌گیری غلظت مولکول‌های خاص استفاده می‌شود. هر مولکولی با امضای رامان را نمی‌توان با طیف سنجی رزونانس رامان مطالعه کرد. رزونانس رامان تنها در صورتی امکان‌پذیر است که سطح انرژی انتقال الکترونیکی با منابع تحریک مناسب، مطابقت داشته باشد. بنابراین کارهای تحقیقاتی در این زمینه نسبتاً کم است. یکی از عوامل محدود کننده این تکنیک محدودیت طول موج تحریک است. طول موج تشدید معمول برای انتقال الکترونی اغلب به رنگ آبی یا فرابنفش است. بسیاری از مولکول‌های بیولوژیکی در این طول موج‌ها جذب زیادی از خود نشان می‌دهند. این امر خطر گرم شدن بیش از حد یا سوزاندن نمونه را افزایش می‌دهد. آزمایشگران باید تابش لیزر و زمان طیف گیری را محدود کنند تا از آسیب دیدن یا تغییر در نمونه جلوگیری کنند. طیف سنجی رزونانس رامان برای مطالعه بر روی یک مولکول نیز مفید است. اما برخی از ویژگی‌ها محدودیت‌هایی برای این روش ایجاد می‌کند. نزدیک بودن انرژی تحریک به سطح انرژی انتقال الکترونی، بسیاری از ویژگی‌های طیف رامان از آن مولکول را تغییر می‌دهد. برخی از باندهای این سیگنال تغییر یافته نیز بسیار تقویت شده و تجزیه و تحلیل سایر مولکول‌های نمونه را دشوار می‌کند. مقایسه طیف‌های رزونانس رامان با طیف‌های خود به خود رامان دشوار است. علاوه بر این، بسیاری از ابزارهای تحلیلی ممکن است برای مطالعات رزونانس رامان مناسب نیستند.

مقایسه انرژی رزونانس رامان و رامان
شکل ۶: نمودار انرژی رزونانس رامان در مقایسه با رامان

پراکندگی رامان ضد استوکس همدوس (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS))

پراکندگی رامان ضد استوکس همدوس یک فرایند دو فوتونی غیر خطی است. به بیانی دیگر،‌ ارتعاشات مولکولی با به کارگیری فرایندهای چند فوتونی برای ایجاد یک سیگنال همدوس در مولکول ایجاد می شوند. در این فرایند یک پرتوی لیزر (در فرکانس ωpump ) و یک لیزر استوکس (در فرکانس ωstokes) با هم تداخل دارند و یک سیگنال ضد استوکس با فرکانس ωcars = ۲ωpump – ωstokes ایجاد می‌کند. هنگامی که اختلاف فرکانس (فرکانس ضربان) بین پمپ و پرتوهای استوکس با فرکانس یک حالت ارتعاشی (رامان فعال) مطابقت دارد، نوسانگرهای مولکولی به طور همدوس هدایت می‌شوند. این نتیجه منجر به افزایش سیگنال ضد استوکس (با طول موج کوتاه‌تر) رامان می‌شود که پایه‌ای برای افزایش وضوح CARS‌ است.

نمودار انرژی پراکندگی ضد استوکس کارز همدوس
شکل ۷: نمودار انرژی پراکندگی ضد استوکس (CARS) همدوس

پراکندگی رامان تحریک شده (Stimulated Raman Scattering (SRS))

پراکندگی رامان تحریک شده، یک پدیده غیر خطی است که منجر به ایجاد سیگنال رامان بسیار قوی (۴ یا ۵ برابر قوی‌تر از سیگنال رامان استاندارد) می‌شود. این فرایند زمانی ممکن است که سیستم، با یک پالس لیزر قوی تحریک شود. در ابتدا قوی‌ترین حالت رامان فعال تحریک می‌شود، اما پراکندگی از آن به حدی قوی است که می‌تواند حالت دوم و به صورت آبشاری حالت سوم و چهارم را تحریک کند. این پدیده منجر به تقویت سیگنال رامان می‌شود.

نمودار انرژی رامان تحریک شده (القایی)
شکل ۸: نمودار انرژی رامان تحریک شده

طیف سنجی رامان سطحی افزایش یافته Surface Enhanced Raman Scattering (SERS)))

سیگنال‌های رامان ‌ذاتاً ضعیف هستند، به ویژه زمانی که از نور مرئی برای تحریک استفاده می‌شود. بنابراین تعداد کمی فوتون پراکنده برای تشخیص آزاد می‌شود. یکی از روش‌های تقویت سیگنال رامان، استفاده از روش SERS است. این روش به این صورت است که مولکول‌ها بر روی یک سطح فلزی که دارای سطح ناصافی به ابعاد نانو است، جذب می‌شوند. این فلزات معمولاً از جنس طلا یا نقره هستند. تحریک لیزری این نانو ساختارها، باعث ایجاد یک میدان نوری در سطح می‌شود (پلاسمونیک). هنگامی که یک مولکول در نزدیکی این میدان قرار می‌گیرد یا جذب این سطح می‌شود، سیگنال رامان به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. تقویت سیگنال رامان امکان شناسایی غلظت‌های کم را فراهم می‌کند.

طیف سنجی رامان سرز
شکل ۹: طیف سنجی رامان ارتقا یافته سطحی

در روشی دیگر، با ترکیب دو اثر SERS و RRS‌ روش پراکندگی سطح تشدید (SERRS)، حاصل می‌شود.

طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده با تیپ (Tip-enhanced Raman Scattering (TERS))

طیف سنجی رامان تقویت شده با تیپ،‌ یک روش تخصصی برای طیف سنج رامان با سطح افزایش یافته (SERS) است که در آن سیگنال رامان فقط در نزدیکی یک پین تیز اتمی اتفاق می‌افتد. این پین به طور معمول با طلا پوشانده شده است. تکنیک TERS، به یک میکروسکوپ کانفوکال و یک میکروسکوپ پروب روبشی (SMP) نیاز دارد. در این روش TERS در یک نوک (تیپ) فلزی خلاصه می‌شود و توسط میکروسکوپ SMP به طور دقیق بر روی سطح نمونه قرار می‌گیرد. وقتی که نور لیزر با طول موج مناسب بر روی رأس نوک متمرکز می‌شود،‌ یک میدان الکترومغناطیس موضعی قوی بین نوک SMP و سطح نمونه به دست می‌آید و سیگنال رامان تقویت می‌شود. سپس خصوصیات نوری با وضوح بالاتر از حد پراش و خصوصیات توپوگرافی نمونه به طور هم‌زمان شناسایی می‌شوند.

طیف سنجی رامان تقویت شده با تیپ
شکل ۱۰: طیف سنجی رامان تقویت شده با تیپ

در این پدیده نور لیزر از سه جهت مختلف می‌تواند به نمونه مورد نظر تابانده شود (شکل ۱۰) :

  1. از سمت پایین به نمونه بتابد
  2. از سمت بالا به نمونه بتابد
  3. از جانب، تحت زاویه، با نمونه برخورد می کند.

مکان های مختلف تابش نور لیزر در طیف سنجی ترز (TERS)
شکل ۱۱: تصویری از هندسه های روشنایی و آشکارسازی معمول برای طیف سنجی (TERS). الف) نور تابشی لیزر از پایین ب) تابش نور از جانب ج) نور تابشی از سمت بالا

طیف سنجی رامان فضایی (Spatially offset Raman spectroscopy(SORS))

این نوع طیف سنجی بر اساس تحقیقات اولیه درباره فرایند جابه‌جایی فوتون‌ها شکل گرفته است. برخلاف طیف سنجی رامان معمولی، طیف رامان SORS از نواحی فضاییِ دور از نقطه روشنایی سطح نمونه جمع‌آوری می‌شود. به دلیل انتشار عرضیِ فوتون‌هایی که از اعماق بیشتر بیرون می‌آیند،SORS  شامل سیگنال‌های مختلفی از لایه‌های نمونه در همه اعماق است. در این روش اگر فضای بزرگ‌تری را در نظر بگیریم، می‌توانیم سیگنال لایه‌های بیشتر را نیز دریافت نماییم. SORS برای نمونه‌های داخل بسته‌بندی شفاف بسیار مناسب است؛ چرا که نه تنها مانع طیف گیری رامان نمی‌شود، بلکه پراکندگی را تقویت کرده و سیگنال‌های بهتری را ایجاد می‌کند. در این روش فلورسانس کمتری نیز خواهیم داشت.

روش طیف سنجی انتقال رامان (TRS)

TRS نوعی SORS محسوب می‌شود که نقاط تابش و جمع‌آوری نور لیزر در طرف مقابل نمونه قرار دارد. برخلافSORS، قادر به ارائه طیف لایه‌های جداگانه در نمونه نیست. در عوض، اطلاعاتی در مورد کل حجم نمونه ارائه می‌دهد.

جمع بندی

در طیف سنجی رامان، نور در برخورد با ماده پراکنده می‌شود. این پراکندگی از نوع غیر الاستیک و نسبت به پراکندگی ریلی بسیار ضعیف است. پراکندگی غیر الاستیک به این معنی است که طول موج نور تابشی به ماده با طول موج پراکندگی متفاوت است و می‌تواند نسبت به طول موج اولیه کمتر یا بیشتر باشد. اگر انرژی پراکندگی کمتر (طول موج بیشتر) از انرژی تابشی لیزر باشد،‌ پراکندگی استوکس و اگر انرژی پراکندگی بیشتر (طول موج کمتر) از انرژی اولیه باشد، پراکندگی ضد استوکس نامیده می‌شود. ذکر این نکته حائز اهمیت است که همه مواد را نمی‌توان با این روش تجزیه و تحلیل کرد. برای این کار ماده حتماً باید رامان فعال باشد. سیگنال رامان، خیلی ضعیف است. برای حل این مشکل چندین تکنیک از جمله SERS، TERS، SRS، SORS و … برای تقویت این سیگنال وجود دارد.

منابع

  1. Raman Spectroscopy
  2. Basics of Raman spectroscopy
  3. What are the Basic Principles of Raman Spectroscopy
  4. Raman scattering
  5. Vibrational Spectroscopy
  6. Coherent anti-Stokes Raman Scattering (CARS)
  7. Stimulated Raman Scattering (SRS)
  8. Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS)
  9. Atomic Force Microscopy Based Tip-Enhanced Raman Spectroscopy in Biology
  10. R. R. Jones, D. C. Hooper, L. Zhang, D. Wolverson, and V. K. Valev, “Raman Techniques: Fundamentals and Frontiers,” Nanoscale Res. Lett., vol. 14, no. 1, p. 231, Dec. 2019, doi: 10.1186/s11671-019-3039-2.
  11. F. Shao and R. Zenobi, “Tip-enhanced Raman spectroscopy: principles, practice, and applications to nanospectroscopic imaging of 2D materials,” Anal. Bioanal. Chem., vol. 411, no. 1, pp. 37–۶۱, Jan. 2019, doi: 10.1007/s00216-018-1392-0.
  12. R. S. Das and Y. K. Agrawal, “Raman spectroscopy: Recent advancements, techniques and applications,” Vib. Spectrosc., vol. 57, no. 2, pp. 163–۱۷۶, Nov. 2011, doi: 10.1016/j.vibspec.2011.08.003.
  13. R. Krishna, T. J. Unsworth, and R. Edge, “Raman Spectroscopy and Microscopy,” in Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, no. August 2015, Elsevier, 2016, pp. 1–۱۵.
Curabitur adipiscing venenatis, fringilla at diam risus risus. leo porta.