طیف شناسی رامان

طیف شناسی رامان[ ۱] یا طیف سنجی رامان مطالعه نوعی از برهمکنش بین نور و ماده است که در آن نور دچار پراکندگی غیرالاستیک می شود. در آزمایش های طیف سنجی رامان، فوتون های تک طول موج ( در ناحیهٔ مرئی، نور تکفام گفته می شود ) روی نمونه متمرکز می شود و عموماً لیزر به عنوان چشمه تکفام شدت بالا بکار می رود. فوتون ها با مولکول ها برهمکنش می کنند و بازتابیده، جذب یا پراکنده می شوند. طیف سنجی رامان فوتون های پراکنده شده را مطالعه می کند. غالباً فوتون هایی که با مولکول ها برهمکنش می کنند، به طور الاستیک پراکنده می شوند. به این نوع پراکندگی، پراکندگی ریلی گفته می شود و فوتون های پراکنده شده همان طول موج نور فرودی را دارند. اما تقریباً از هر یک میلیون فوتون، یک فوتون به طور غیرالاستیک پراکنده می شود. در پراکندگی رامان، فوتون فرودی با ماده برهمکنش می کند و طول موج آن به سمت طول موج های بیشتر یا کمتر شیفت می یابد. شیفت به طول موجهای بیشتر غالب است و این پراکندگی را رامان استوکس می گویند. اتفاقی که در اینجا می افتد آن است که فوتون با ابر الکترونی پیوندهای گروه های عاملی برهمکنش می کند و الکترون را به یک حالت مجازی برانگیخته می کند. سپس الکترون از حالت مجازی به یک حالت ارتعاشی یا چرخشی برانگیخته واهلش می یابد. این باعث می شود که فوتون مقداری از انرژی خود را از دست بدهد و به صورت پراکندگی رامان استوکس آشکارسازی شود. انرژی از دست داده شده ارتباط مستقیمی با گروه عاملی، ساختار مولکولی متصل به آن، نوع اتمهای مولکول و محیط آن دارد. طیف های رامان هر مولکول، منحصربه فرد است. از این رو می توان از آن مانند «اثر انگشت» در تشخیص ترکیبات مولکولی روی یک سطح، درون یک مایع یا در هوا استفاده کرد. [ ۲] [ ۳]
یکی از روش های متداول بیناب نگاری، طیف سنجی رامان است که مدهای چرخشی، ارتعاشی، و دیگر مدهای فرکانسی کوتاه در یک سیستم را مطالعه می کند. در جریان این طیف سنجی نور تکفام دچار پراکندگی غیرالاستیک یا همان پراکندگی رامان می شود و غالباً از لیزرهای مرئی، فروسرخ و فرابنفش برای تحریک استفاده می شود. نور لیزر با جنبش های مولکولی، فونون ها و دیگر تحریک پذیرها برهمکنش کرده و در اثر این برهمکنش فوتون های بازتابیده دارای تغییر فرکانس به طول موج های بالاتر و پایین تر هستند. البته باید توجه داشت کسر قابل توجهی از فوتون ها بدون تغییر طول موج از سطح نمونه بازتابیده می شوند. تغییر فرکانس در این پدیده حاوی اطلاعات بسیار مهمی از جنبش های مولکولی در سیستم است. می توان عنوان نمود که در طیف سنجی رامان، شدت و طول موج نور پراکنده شده نور لیزری که با یک نمونه در وضعیت گاز، مایع، جامد یا پلاسما تعامل می نماید را اندازه گیری می نماید. به بیانی دیگر سیگنال رامان از تعامل نور ( فوتون ها ) با نوسانات فونون ها در یک نمونه مورد مطالعه، سرچشمه می گیرند. بررسی و تجزیه و تحلیل اطلاعات بدست آمده در طیف سنجی رامان منجر به تعیین ساختار، اندازه گیری کیفی و در مواردی کمی و همچنین مطالعه اثرات بسیاری از پارامترهای مختلف فیزیکی از قبیل دما، فشار، تنش، کرنش و … بر نوسانات بین اتمی و بین مولکولی ( فونون ها ) می گردد. برای مثال طیف های رامان بلورها شامل نوارهای طیفی می باشد که مرتبط به ارتعاشات داخل یاخته واحد ( مدهای داخلی ) و ارتعاشات شبکه ( مدهای شبکه ) می باشد. ممکن است تعداد معینی اتم زمانی که کنار یکدیگر قرار می گیرند منجر به یک ساختار خاص گردند که دارای تقارن معینی می باشند. همان مجموعه اتمی می توانند در شرایط مختلف فیزیکی دارای تقارن متفاوتی باشند. در دو وضعیت فوق بلور منجر به طیف های رامان متفاوت می گردد؛ لذا هر گونه تغییری در فاصله بین اتمی یا بین مولکولی و همچنین محیط بین آن ها از قبیل تغییر و جایگزینی اتمها منجر به جابجایی در فرکانس های رامان می گردد. غالباً نور لیزر به نمونه برخورد می کند و نور بازتابیده از سطح نمونه بوسیله یک لنز جمع شده و بوسیله فیبری به آشکارساز مربوطه منتقل می شود. طول موج های نزدیک به طول موج لیزر که ناشی از برهمکنش الاستیک ( پراکندگی ریلی ) از سطح نمونه هستند بوسیله یک فیلتر جذب می شوند و پرتوهای بازتابیده شده ای که دارای تغییر فرکانسی هستند، عبور می کنند و به آشکارساز می رسند. طول موج هایی که دارای تغییر فرکانسی ( طول موجی ) هستند برای ما حائز اهمیتند که همان سیگنال های رامان محسوب می شوند. سطح مقطع پراکندگی رامان بسیار کوچک است و سخت ترین مرحله در این روش جدا کردن پرتوهای الاستیک ریلی از پرتوهای تغییر یافته فرکانسی رامان است. در گذشته از توری های هولوگرافیک و مراحل پاشش چندگانه برای حصول درجه بالایی از طرد پرتو لیزر استفاده می شد. در گذشته، فوتومالتی پلیرها، آشکارساز انتخابی برای دستگاه های رامان پاششی بودند که منجر به زمان جمع آوری داده طولانی می شد. با این وجود، دستگاهوری مدرن تقریباً به صورت جهانی از نوج یا فیلتر لبه ای notch or edge filters برای طرد پرتو لیزر و از اسپکتروگرافها چه تکفامساز عبور محوری ( AT ) ، زرنی - ترنر ( CT ) یا اسپتروسکوپی تبدیل فوریه و آشکارسازهای CCD استفاده می کنند. [ ۴]