شیمی، علوم پایه ۱۶۳ بازدید

طیف سنجی رامان (Raman Spectroscopy) یکی از روش‌های طیف‌سنجی است که بیشتر برای آنالیز حالت‌های ارتعاشی مولکول‌ها کاربرد دارد. این روش برای تأیید ساختار و شناسایی مولکول‌ها استفاده می‌شود. در این مطلب با کاربردهای این روش در زمینه‌های گوناگون و انواع طیف‌سنجی رامان آشنا می‌شوید.

معرفی طیف سنجی رامان

اساس روش طیف‌سنجی رامان بر پایه پراکندگی رامان است. از این تکنیک برای بررسی حالت‌های ارتعاشی، چرخشی و دیگر حالت‌های مولکول‌ها استفاده می‌شود. طیف‌سنجی رامان توسط «چاندرا سخار ونکتا رامان» (Chandrasekhara Venkata Raman)، فیزیک‌دان هندی کشف شد که به موجب آن جایزه نوبل در فیزیک را دریافت کرد.

طیف‌سنجی رامان تکنیکی برای آنالیز غیرمخرب است که از پراکندگی غیرالاستیک نور لیزر برای ارائه اطلاعات دقیق در مورد ساختار شیمیایی نمونه استفاده می‌کند. طیف رامان ناحیه اثر انگشت شیمیایی متمایزی را برای مولکول یا ماده‌ای خاص ارائه می‌دهد.

رامان
سی. وی. رامان فیزیکدان اهل هند

انواع پراکندگی

با عبور نور از محیط برخی از طول موج‌ها توسط نمونه‌ها جذب و جزئی دیگر در جهت‌های گوناگون پراکنده می‌شوند. تابش‌های پراکنده شده به دو دسته کشسان و ناکشسان تقسیم می‌شوند. شدت این پراکندگی معمولاً با افزایش اندازه ذرات، افزایش پیدا می‌کند. برخی از انواع پراکندگی‌ها عبارتند از:

  • «پراکندگی بریلوئن» (Brillouin Scattering)
  • «پراکندگی تامسون» (Thomson Scattering)
  • «پراکندگی تیندال» (Tyndall Scattering)
  • «پراکندگی رادرفورد» (Rutherford Scattering)
  • «پراکندگی رامان» (Raman Scattering)
  • «پراکندگی رایلی» (Rayleigh Scattering)
  • «پراکندگی کامپتون» (Compton Scattering)

همان‌طور که گفته شد، پراکندگی به دو دسته کلی کشسان و ناکشسان تقسیم می‌شود.

پراکندگی کشسان

در این نوع از پراکندگی ذرات، انرژی جنبشی سیستم حفظ می‌شود، اما جهت نشر ذرات تغییر می‌کند. «پراکندگی می» (Mie Scattering)، پراکندگی رایلی و تیندال نمونه‌هایی از پراکندگی کشسان هستند.

پراکندگی رایلی

پراکندگی رایلی توسط مولکول‌هایی ایجاد می‌شود که قطر آن‌ها کوچکتر از طول موج تابشی است. شدت پراکندگی رایلی با معکوس توان چهارم طول موج $$(\frac{1}{\lambda^4})$$ و ابعاد ذرات پراکنده شده و مجذور قطبش‌پذیری آن‌ها رابطه دارد. رنگ آبی آسمان در نتیجه پراکندگیِ بیشتر طول موج‌های کوتاه‌تر طیف مرئی و برخورد نور خورشید با نیتروژن‌های موجود در جو زمین است.

پراکندگی رایلی
رنگ آبی آسمان به دلیل پراکندگی رایلی نور خورشید است.

پراکندگی می

پراکندگی می به وسیله ذرات بزرگ‌تر مانند پلیمرها و کلوئیدها با ضریب شکست بالا رخ می‌دهد.

پراکندگی تیندال

پراکندگی تیندال در سطح ذرات کلوئیدی و در اثر شکست و پراش ایجاد می‌شود. با اندازه‌گیری تابش‌های پراکنده شده، تعیین اندازه و شکل مولکول‌های بزرگ و کلوئیدها انجام می‌شود. پراکندگی تیندال کاربرد کمی دارد و برای آنالیزهای کیفی استفاده نمی‌شود.

اثر تیندال
پراکندگی نور توسط ذرات

پراکندگی ناکشسان

در «پراکندگی ناکشسان» (Inelastic Scattering) برخلاف پراکندگی کشسان، انرژی جنبشی سیستم حفظ نمی‌شود و انرژی ذرات پس از تابش با کاهش یا افزایش همراه است. ذرات می‌توانند به شکل الکترون یا فوتون باشند. در پراکندگی رامان ذرات به شکل فوتون هستند.

پراکندگی رامان چیست ؟

پراکندگی رامان از نوع پراکندگی ناکشسان است. هنگام برخورد ذرات فوتون نور به نمونه که می‌تواند گاز، مایع یا جامد باشد و برهم‌کنش با آن، مقدار زیادی از پرتوهای تابیده شده به شکل پراکندگی رایلی پراکنده می‌شوند که از نظر انرژی، طول موج، رنگ و بسامد یا فرکانس با پرتوهای تابیده شده یکسان هستند.

اما تعداد بسیار کمی از این پرتوها (یک در میلیون)، با انرژی و فرکانس متفاوت به شکل ناکشسان پراکنده می‌شوند. در اثر انتقال ذرات بین ترازهای انرژی چرخشی و ارتعاشی، فرکانس پرتوهای پراکنده شده و تابیده شده تغییر می‌کند که ناشی از قطبش مولکول در اثر پرتو نور تابیده شده است. نتیجه این تغییر فرکانس، ایجاد پراکندگی رامان است.

ویژگی پراکندگی رامان که اثر رامان هم نامیده می‌شود، در آنالیز و شناسایی ترکیبات از اهمیت بالایی برخوردار است. با استفاده از این ابزار می‌توان اطلاعاتی در مورد ارتعاشات درون مولکول و همچنین «انرژی دورانی» (Rotational Energy) گازها به دست آورد.

رامان فعال

بر اثر برهم‌کنش میدان الکتریکی پرتوهای نور تابیده شده با ابر الکترونی پیوند نمونه، هسته به سمت قطب منفی و الکترون‌ها به سمت قطب مثبت کشیده می‌شوند. در نتیجه این جدا شدن بارها، گشتاور دو قطبی در مولکول القا می‌شود. گشتاور دو قطبی از رابطه زیر به دست می‌آید. در این رابطه $$\alpha$$، میزان سختی یا آسانی جابه‌جایی بارها یا تغییر شکل پیوند در میدان الکتریکی را نشان می‌دهد.

$$\nu=\alpha\times E$$

  • $$\nu$$: گشتاور دو قطبی القا شده
  • $$E$$: شدت میدان الکتریکی
  • $$\alpha$$: ثابت قطبش‌پذیری پیوند

در طیف‌سنجی IR یا فروسرخ، شرط فعال بودن پیوند در ناحیه IR، داشتن گشتاور دوقطبی و مخالف صفر بودن برایندهای گشتاور دوقطبی در هنگام ارتعاش است. در طیف‌سنجی رامان، تغییر قطبش‌پذیری $$(\alpha)$$ پیوند شرط فعال بودن پیوند در رامان است.

رابطه طول پیوند  و قطبش‌پذیری در پراکندگی رامان:

  • افزایش طول پیوند موجب افزایش $$\alpha$$ و قطبش‌پذیری آسان‌تر می‌شود.
  • چگالی ابر الکترونی پیوند هرچه بیشتر باشد، طول پیوند کوتاه‌تر است و قطبش‌پذیری آن پیوند کمتر است.

رابطه ثابت قطبش‌پذیری و طول پیوندها به ترتیب زیر است:

پیوند یگانه$$<$$پیوند دوگانه$$<$$پیوند سه‌گانه

پیوندهای یگانه نسبت به پیوندهای دوگانه و سه‌گانه طول بیشتری دارند، به همین علت قطبش‌پذیری در آن‌ها راحت‌تر بوده و مقدار $$\alpha$$ افزایش پیدا می‌کند.

اساس کار طیف سنجی رامان

در طیف‌سنجی رامان بسته به انرژی فوتون تابیده شده، طیف‌های رامان شامل سه خط زیر هستند.

  • خطوط رایلی
  • خطوط «استوکس» (Stokes)
  • خطوط «آنتی استوکس» (Anti-Stokes)

خطوط رایلی

اگر پس از تابش فوتون‌ها، انتقال از حالت پایه $$(n=۰)$$ به سطح‌های مجازی رخ دهد و طول موج و فرکانس پرتو پراکنده شده بدون تغییر به همان تراز $$n=۰$$ برگردد، پراکندگی مورد نظر از نوع پراکندگی رایلی است. ایجاد خطوط رایلی در تراز $$n=۰$$ بالاترین احتمال را داشته و نسبت به سایر انتقال‌ها، شدت بالاتری دارد.

خطوط استوکس

اگر انتقال سطح‌های مجازی به تراز $$n=۱$$ باشد، در این صورت فرکانس پرتو پراکنده شده کاهش و طول موج افزایش پیدا کرده است. در این صورت خطوط استوکس ایجاد می‌شوند.

خطوط آنتی استوکس

اگر مولکول در اولین تراز ارتعاشی $$(n=۱)$$ قرار داشته باشد و برانگیخته شود و دوباره به همان تراز انرژی $$(n=۱)$$ بازگردد، پراکندگی رایلی رخ می‌دهد. اما اگر به حالت پایه $$(n=۰)$$ منتقل شود در آن صورت فرکانس و انرژی پرتو پراکنده شده افزایش و طول موج آن کاهش یافته است و خطوط آنتی-استوکس ایجاد می‌شوند.

در دمای اتاق طبق «توزیع بولتزمن» (Boltzmann Distribution) تعدادِ مولکول‌هایی که در اولین تراز ارتعاشی قرار دارند کم است و احتمال ایجاد و شدت خطوط آنتی-استوکس نسبت به استوکس بسیار کمتر است. برعکس با افزایش دما، تعدادِ مولکول‌ها در اولین تراز ارتعاشی زیاد می‌شود و احتمال ایجاد خطوط آنتی-استوکس و در نتیجه شدت خطوط آنتی-استوکس نسبت به استوکس نیز افزایش می‌یابد.

استوکس و آنتی استوکس
خطوط رامان و رایلی

جا به جایی رامان

«جابه‌جایی رامان« (Raman Shift) تفاوت انرژی نور تابیده شده و نور پراکنده شده است. طیف‌های رامان به صورت نمودارهایی بر حسب نرخ شمارش در مقابل جابه‌جایی رامان رسم می‌شوند. جابه‌جایی رامان به نوع و خواص شیمیایی مولکول بستگی دارد و مستقل از طول موج منبع است.

جا به جایی رامان

طول موج نور پراکنده شده به طول موج نور منبع بستگی دارد؛ به همین دلیل طول موج اندازه‌گیری شده از منابع نوری متفاوت نمی‌تواند برای مقایسه صحیح باشد و از جابه‌جایی رامان به شکل عدد موج استفاده می‌کنند. از رابطه زیر برای تبدیل طول موج به عدد موج استفاده می‌شود.

$$\Delta \tilde{\nu} = ( \frac{1}{\lambda_0} – \frac{1}{\lambda_1} )$$

  • $$\tilde{\nu}$$: فرکانس یا عدد موج
  • $$\lambda_0$$: طول موج منبع
  • $$\lambda_1$$: طول موج پراکندگی رامان

واحد عدد موج $$(\nu)$$ به صورت سانتی‌متر معکوس $$cm^{−۱}$$ است. سانتی‌متر معکوس برابر با انرژی یک فوتون با طول موج یک سانتی‌متر تعریف می‌شود. این انرژی تقریباً $$۱٫۲۴×۱۰^{−۴}$$ الکترون ولت یا $$۱٫۹۸۶×۱۰^{−۲۳}$$ ژول است.

از آنجایی‌که واحد طول موج $$(\lambda)$$ معمولا برحسب نانومتر بیان می شود، رابطه بالا به صورت زیر می‌تواند نوشته شود:

$$\Delta \tilde{\nu } (\text{cm}^{-1}) = ( \frac{1}{\lambda_0 (\text{nm})} - \frac{1}{\lambda_1 (\text{nm})}) \times \frac{(10^{7}\text{nm})}{(\text{cm})}$$

قاعده طرد متقابل

«قاعده طرد متقابل» (Rule of Mutual Exclusion) در طیف‌سنجی مولکولی، رابطه ارتعاشات و تقارن در مولکول و از کاربردهای «نظریه گروه» (Group Theory) در طیف‌سنجی است. با استفاده از این قاعده و مقایسه طیف‌های رامان و IR می‌توان حضور مولکول‌های متقارن را تشخیص داد. در واقع این قاعده بیان می‌کند که ترکیب نمی‌تواند در هر دو تکنیک فعال باشد و طیف‌های رامان و IR با یکدیگر هم‌پوشانی ندارند.

بر اساس این قاعده، برای مولکولی که مرکز تقارن دارد؛ اگر ارتعاشات پیوندی در رامان فعال باشد در IR غیرفعال است و و ارتعاشاتی که در رامان غیرفعال هستند در IR فعال هستند. در صورتیکه مولکول، مرکز تقارنی نداشته باشد، برخی از ارتعاشات آن ممکن است هم در رامان و هم در IR فعال باشند. مولکول‌هایی مانند اتیلن $$(C_2H_4)$$، بنزن $$(C_6H_6)$$ و یون تتراکلروپلاتینات $$(PtCl_4^{2−})$$ در رامان و IR فعال نیستند، به چنین حالتی طیف‌سنجی «خاموش» یا «غیرفعال» می‌گویند.

مولکول‌های دو اتمی $$H_2$$، $$N_2$$ و $$O_2$$ بدون گشتاور دوقطبی هستند. این مولکول‌ها مرکز تقارن دارند و طبق قاعده طرد متقابل در رامان فعال و در IR غیرفعال هستند. مولکول‌های دو اتمی ناجورهسته‌ مانند $$HCl$$، $$NO$$ و $$CO$$ که گشتاور دوقطبی دارند در رامان غیرفعال و در IR فعال هستند.

 ارتعاش مولکول
حالت‌های ارتعاشی مولکول کربن دی‌اکسید

مولکول $$CO_2$$ مرکز تقارن دارد. حالت‌های ارتعاشی این مولکول و وضعیت آن در رامان و IR در جدول زیر آمده است.

حالت‌های ارتعاشی مولکول $$CO_2$$
نوع ارتعاش رامان IR
کششی متقارن فعال غیرفعال
کششی نامتقارن غیرفعال فعال
خمشی ا غیرفعال فعال
خمشی ۲ غیرفعال فعال

شرح دستگاه

در طیف‌سنجی رامان، از لیزر برای منبع نور استفاده می‌شود. تا پیش از اختراع و پیدایش لیزر، از لامپ جیوه برای منبع نور و صفحات عکاسی برای ثبت طیف استفاده می‌شد که به دلیل ضعیف بودن منبع نور و حساسیت کم آشکارسازهای مورد استفاده، این فرایند مدت زمان زیادی را به خود اختصاص می‌داد. پس از اختراع لیزر و استفاده از آن برای منبع نور، طیف‌سنجی رامان حساسیت بسیار بالاتری پیدا کرد.

چیدمان دستگاه رامان
چیدمان دستگاه طیف‌سنجی رامان

منبع نور

منبع نوری که در طیف‌سنجی رامان استفاده می‌شود، منبع نوری تکفام مانند لیزر در ناحیه مرئی، فروسرخِ نزدیک یا فرابنفشِ نزدیک است. از پرتو ایکس نیز به عنوان منبع استفاده می‌شود. وضوح طیف‌سنجی رامان ارتباط مستقیمی با پهنای باند منبع لیزر دارد. منابع نور لیزری که طول موج کوتاه‌تری دارند، پراکندگی رامان قوی‌تری تولید می‌کنند. اگر جذبی صورت نگیرد، توان نشر رامان با توان چهارم فرکانس منبع $$(\nu^4)$$ افزایش پیدا می‌کند.

معمولاً از لیزرهای «موج پیوسته» (Continuous Wave | CW) برای منبع استفاده می‌شود. از «لیزر پالسی» (Pulsed Laser) که پهنای باند وسیع‌تری نسبت به لیزر موج پیوسته دارد در شکل‌های دیگر طیف‌سنجی رامان  استفاده می‌شود که از نمونه‌های آن می‌تواند به «طیف‌سنجی رزونانس رامان» و «طیف‌سنجی با تفکیک زمانی» (Time-resolved Spectroscopy) اشاره کرد.

شدت طیف در رامان متناسب با شدت منبع تابش است. برای کاهش نویز و افزایش نسبت سیگنال به نویز $$(\frac{S}{N})$$ از منابع لیزری با شدت بالا استفاده می‌شود. استفاده از این منابع دو مزیت دارد که عبارتند از:

  1. کاهش احتمال تجزیه نمونه
  2. کاهش تداخل فلورسانس

معایب طیف سنجی رامان

از آنجایکه معمولاً از خطوط استوکس رامان برای آنالیز استفاده می‌شود، یکی از ایرادات این طیف‌سنجی، احتمال ایجاد تداخلات فلورسانس با خطوط استوکس است. در چنین مواردی خطوط آنتی استوکس برای آنالیز به کار می‌رود. لیزر Nd-YAG طول موج‌هایی در ناحیه فروسرخ دارد و انرژی آن برای انتقال الکترونی کافی نیست و احتمال ایجاد تداخلات فلورسانس در آن بسیار کم است و از منابع لیزری رایج مورد استفاده برای حذف تداخلات فلورسانس است. در جدول زیر برخی از منابع لیزر رایج برای طیف‌سنجی رامان آمده است.

نوع لیزر طول موج (نانومتر)
یون آرگون ۴۸۸ یا ۵۲۴٫۵
یون کریپتون ۴۱۳٫۱, ۵۳۰٫۹, ۶۴۷٫۱
هلیم-نئون ۶۳۲٫۸
دیودی ۶۶۰–۸۸۰
Nd-YAG ۱۰۶۴

در زیر طیف «آنتراسن» ($$C_{14}H_{10}$$ | Anthracene) با دو دستگاه طیف‌سنج‌ رامان با منابع لیزر متفاوت، ثبت شده است. طیف (A) مربوط به دستگاه طیف‌سنج‌ رامان با منبع لیزر یون آرگون در طول موج ۵۱۴٫۵ نانومتر و طیف (B) مربوط به دستگاه رامان-تبدیل فوریه با منبع Nd-YAG در ۱۰۶۴ نانومتر (B) است. در این شکل به‌طور کامل فلورسانسی زمینه حذف شده است.

آنتراسن

آشکارساز

پراکندگی رامان پس از جمع‌آوری، توسط «طیف‌نگار» (Spectrograph) تفکیک و جدا شده یا از تداخل‌سنج و روش‌های تبدیل فوریه برای تشخیص استفاده می‌شود. در مواردی می‌توان طیف‌سنج‌های FT-IR را با تغییر به طیف‌سنج‌های FT-رامان تبدیل کرد.

در حال حاضر «دستگاه‌های بار جفت شده» (Charge-Coupled Device | CCD) رایج‌ترین آشکارسازهای طیف‌سنجی رامان هستند. پیش از آن‌ها، آرایه‌های «فتودیود» (Photodiode) و «لامپ فتوفزون‌گر» (Photomultiplier Tube) برای آشکارسازی استفاده می‌شدند.

CCD
آشکارساز CCD

آشکارسازهای CCD انواع گوناگونی دارد که هر کدام برای گستره طول موجی خاص بهینه شده‌اند. از آشکارسازهای CCD تقویت‌شده برای سیگنال‌های بسیار ضعیف یا منابع نوری لیزر تپی استفاده می‌شود. منابع نور در طیف‌سنجی FT-رامان لیزرهای فروسرخ نزدیک هستند و برای این نوع از طیف‌سنجی رامان از آشکارسازهای نیمه‌رسانایِ ژرمانیم یا ایندیم گالیم آرسنید (InGaAs) استفاده می‌شود.

فیلم آموزشی مرتبط

میکروطیف سنجی رامان

میکروطیف‌سنجی رامان برای آنالیز میکروسکوپی مزیت‌های فراوانی دارد. برخی از این مزایا عبارتند از:

  • نمونه، نیازی به ثابت شدن و برش ندارد.
  • حجم بسیار کوچکی با قطر ۱ میکرومتر و عمق کمتر از ۱۰ میکرومتر می‌تواند مورد آنالیز و شناسایی قرار گیرد.
  • هنگام آنالیز مواد، آب تداخلی ایجاد نمی‌کند و آن را برای آنالیز و بررسی میکروسکوپی مواد معدنی، پلیمرها و سرامیک‌ها، سلول‌ها، پروتئین‌ها و ردیابی آثار در پزشکی قانونی مناسب می‌کند.

در تکنیک تصویربرداری مستقیم محدوده کوچکی از اعداد موج برای پراکندگی نور مورد بررسی قرار می‌گیرد. برای مثال در «کشت سلولی» (Cell Culture) بازه عدد موج مشخصی برای ثبت توزیع کلسترول استفاده می‌شود. این روش همچنین می‌تواند برای شرح پژوهش‌های دینامیکی و نقشه‌برداری از ترکیبات گوناگون به کار رود. از تکنیک تصویربرداری مستقیم برای بیان ویژگی‌های رنگ‌های «انبوهه جی» (J-aggregated) داخل نانولوله‌های کربنی بدون اینکه نمونه آسیبی ببیند و لایه‌های گرافن استفاده شده است.

سرطان خون
شناسایی سلول‌های سرطانی لوسمی میلوئید حاد در تصویربرداری مستقیم

در «تصویربرداری فراطیفی» (Hyperspectral Imaging) یا «تصویربرداری شیمیایی» (Chemical Imaging) تعداد زیادی طیف رامان از نمونه جمع‌آوری می‌شود. با استفاده از طیف‌ها و داده‌ها به دست آمده می‌توان ترکیب شیمیایی نمونه را تعیین کرد. افزون بر این، رامان اطلاعاتی در مورد غلظت و خواص فیزیکی آن ارائه می‌دهد که در مواردی برای بررسی کیفیت محصول به کار می‌رود.

با استفاده از تصویربرداری فراطیفی می‌توان مکان و مقدار اجزای گوناگون یک ترکیب و برخی از ویژگی‌های مواد مانند «تنش» (Stress)، «کرنش یا تغییر شکل» (Strain)، جهت‌گیری بلور، بلورینگی و «آلایش» (Doping) را تعیین کرد. برای نمونه با تصویربرداری فراطیفی در کشت سلولی می‌توان توزیع کلسترول، پروتئین‌ها، نوکلئیک اسیدها و اسیدهای چرب را نشان داد.

میکروسکوپ رامان
میکروسکوپ رامان

مقایسه طیف سنجی رامان و فروسرخ

طیف‌سنجی رامان و IR را می‌توان از جنبه‌های مختلف مانند قدرت تفکیک و حساسیت بررسی کرد. قدرت تفکیک طیف‌سنجی رامان و IR تفاوت چندانی ندارد. شدت پیک‌ها در تکنیک رامان نسبت IR سیار کمتر و حساسیت طیف‌سنجی IR بیشتر است. هر دو تکنیک روی گونه‌های مولکولی کاربرد دارند و از آن‌ها نمی‌توان برای گرفتن طیف اتم‌ها استفاده کرد. از نظر دستگاهوری، سیستم نوری در رامان نسبت به IR ساده‌تر است.

برخی از مزیت‌های طیف‌سنجی رامان نسبت به IR عبارتند از:

  • رامان از تکنیک‌های بسیار خوب برای مطالعه سیستم‌های آبی است. آب توانایی پراکندگی ضعیفی در رامان دارد ولی در IR به عنوان جاذبی قوی عمل می‌کند. این ویژگی رامان را قادر می‌سازد تا در مطالعات بیولوژیکی و زیستی برای نمونه‌هایی مانند خون، سرم، پروتئین و DNA کارایی بسیار مناسبی داشته باشد.
  • در لیگاندها، پیوندهای فلزی در ناحیه فروسرخ دور فعال هستند. مطالعه و بررسی در این ناحیه، راحت نیست. در مقابل، این پیوندها در رامان کاملاً فعال هستند و شناسایی آن‌ها به راحتی انجام می‌شود و طیف‌سنجی رامان را به گزینه خوبی برای مطالعات ترکیبات معدنی تبدیل می‌کند.
  • در برخی از ترکیات آلی، تکنیک رامان نسبت به طیف‌سنجی IR عملکرد بهتری دارد و اطلاعات مفیدتری در اختیار کاربر می‌گذارد. برای نمونه، ارتعاشات کششی پیوند دوگانه آلکن‌ها در IR ضعیف و در رامان شدید است. از رامان برای تخمین اندازه حلقه در ترکیبات پارافینی استفاده می‌شود. این تکنیک همچنین نسبت به تغییرات محیطی و «صورت‌بندی ایزومرها» (Conformational Isomerism) حساس نیست.
  • از طیف‌سنجی رامان برای تعیین ثابت تفکیک اسیدهای قوی استفاده می‌شود.
  • در رامان نسبت به طیف‌سنجی IR به مقدار بسیار کمتری از نمونه نیاز است زیرا منبع لیزری می‌تواند روی بخش کوچکی از نمونه متمرکز شود.

در زیر طیف دو ترکیب «مسیتیلن» ($$C_9H_{12}$$ | Mesitylene) و «ایندن» ($$C_9H_9$$ | Indene) در طیف‌سنجی رامان و IR جهت مقایسه ثبت شده است.

طیف رامان

کاربردهای طیف سنجی رامان

کاربردهای طیف‌سنجی رامان زمینه‌های گوناگون را شامل می‌شود و می‌تواند با سرعت و بدون تخریب نمونه برای آنالیز میکروسکوپی، شیمیایی و تصویربرداری استفاده شود. داده‌های طیف‌سنجی رامان می‌تواند از نوع کیفی یا کمی باشد و برای توصیف ساختار انواع ترکیب شیمیایی به کار رود. در برخی موارد و تکنیک‌های رامان مانند «طیف‌سنجی رامان ارتقا یافته سطحی» برای پردازش و استخراج اطلاعات شیمیایی به دست آمده از یادگیری ماشینی برای آنالیز داده‌ها استفاده شده است.

طیف سنجی رامان در شیمی

هر پیوند شیمیایی و تقارن مولکول، فرکانس‌های ارتعاشی ویژه‌ای در محدوده عدد موجی $$۵۰۰ cm^{−۱}$$ تا $$۱۵۰۰ cm^{−۱}$$ دارد که به عنوان ناحیه اثر انگشت یا ناحیه اثرانگشتی شناخته می‌شود. داده‌های به‌دست آمده از طیف‌سنجی رامان برای مولکول‌ها، مانند اثر انگشت آن مولکول به‌منظور شناسایی استفاده می‌شود. مهم‌ترین کاربردهای طیف‌سنجی رامان در شیمی، آنالیز، شناسایی و بررسی پیوندهای شیمیایی و پیوندهای درون‌مولکولی است.

برخی موضوعات پرکابرد شیمی برای طیف‌سنجی رامان در فهرست زیر آورده شده است.

  • آنالیز نقص و اختلال در مواد کربنی
  • تعیین خلوص نانولوله‌های کربنی
  • تعیین خواص الکتریکی نانولوله‌های کربنی
  • تعیین خواص الکتریکی و تعداد لایه‌های گرافن
  • تعیین خواص پوششی الماس شبه‌کربن
  • بررسی ساختار $$sp^2$$ و $$sp^3$$ در مواد کربنی
  • بررسی کیفیت و منشأ الماس
  • بررسی نانولوله‌های کربنی تک جداره

قرص StreamLine برای درمان بیماری پارکینسون استفاده می‌شود. در زیر تصویر رامان این قرص همراه با ترکیبات آن با رنگ‌های متفاوت مشخص شده است.

طیف سنجی رامان در داروسازی

طیف‌سنجی رامان در شیمی حالت جامد و صنعت داروسازی زیستی، برای شناسایی «مواد فعال دارویی» (Active Pharmaceutical Ingredients | API) و شکل‌های مختلف یا «چندریختی» (Polymorphism) آن‌ها استفاده می‌شود. وقتی مواد جامد ساختارهای بلوری متفاوتی داشته باشند دارای چندریختی هستند. طیف‌سنجی رامان به فاز ماده و چندریختی مواد جامد حساس است و موادی که فرمول شیمیایی یکسان و ساختار بلوری متفاوتی دارند را تشخیص می‌دهد.

«آزترئونام» (Aztreonam) داروی آنتی‌بیوتیکی است که برای درمان «فیبروز سیستیک» (Cystic Fibrosis) استفاده می‌شود و ساختارهای بلوری متفاوتی دارد که هر ساختار نیز ویژگی‌های فیزیکی مانند انحلال‌پذیری و نقطه ذوب ویژه‌ای دارند. در فرمولاسیون «داروهای بیولوژیک» (Biopharmaceutical) گزینش شکل صحیح دارو از اهیمت بالایی برخوردار است. به همین جهت برای شناسایی و تشخیص نمونه با ساختار درست از طیف‌سنجی رامان و فروسرخ استفاده می‌کنند.

در شکل زیر طیف رامان دو ساختار بلوری تیتانیوم دی‌اکسید $$(TiO_2)$$ نمایش داده شده است. این ترکیب از جمله رنگدانه‌های معدنی است که کاربردهای فراوانی در صنعت رنگ‌های خوراکی، فتوکاتالیست‌ها و همچنین رنگ‌های ضد پرتوهای فرابنفش دارد.

تیتانیوم دی‌اکسید
طیف رامان ساختارهای بلوری روتیل (قرمز) و آناتاز (آبی) تیتانیوم دی‌اکسید

دیگر کابردهای این روش طیف‌سنجی در این زمینه عبارتند از:

  • آنالیز درون بافتی
  • آنالیز مواد چندریختی
  • بلورینگی
  • تأیید مواد اولیه
  • توزیع ترکیب در قرص
  • تعیین دوز و یکنواختی محتوا
  • شناسایی آلاینده‌ها
  • شیمی ترکیبی
  • غربالگری با توان عملیاتی بالا
  • تعیین غلظت مواد فعال دارویی
  • بررسی محتوای پودر و میزان خلوص

طیف سنجی رامان در فیزیک

طیف‌سنجی رامان در فیزیک حالت جامد برای به دست آوردن مشخصات مواد، اندازه‌گیری دما و پیدا کردن جهت «بلورنگاری یا کریستالوگرافی» (Crystallographic) استفاده می‌شود. مواد جامد نیز مانند مولکول‌ها با استفاده از حالت‌های «فونون» (Phonon) یا نوسان‌های هماهنگ همه اتم‌ها در ساختار بلوری که دارند می‌توانند مشخص شوند. اطلاعات حالت‌های فونون به شکل نسبت شدت استوکس و آنتی استوکس سیگنال خود به خودی رامان داده می‌شود.

سایر حرکت‌های مولکولی مواد جامد با فرکانس پایین مانند «پلاسمون‌ها» (Plasmon)، «مگنون‌ها» (Magnon) و «برانگیختگی‌های گپ ابررسانا» (Superconducting Gap Excitations) با طیف‌سنجی رامان قابل مشاهده است. سیستم‌های «سنجش دمای توزیع شده» (Distributed Temperature Sensing | DTS) دستگاه‌های الکترونیک نوری هستند که دما را با استفاده از فیبرهای نوری که مانند حسگرهای خطی عمل می‌کنند با استفاده از «پراکندگی برگشتی رامان» (Raman-shifted Backscatter) از پالس‌های لیزری اندازه‌گیری می‌کنند. جهت‌گیری بلور «ناهمسانگرد یا آنیزوتروپیک» (Anisotropic) وقتی که گروه نقطه کریستالوگرافی آن مشخص است با استفاده از قطبش نور پراکنده رامان نسبت به بلور و قطبش نور لیزر تعین می‌شود.

طیف‌سنج رامان
طیف‌سنج رامان قابل حمل

طیف رامان برای مواد آمورف و کریستالی کاملا متفاوت است و به درجه بلورینگی نمونه بستگی دارد. مواد بلوری طیف‌هایی با قله‌های تیز و شدید دارند در حالیکه آمورف‌ها، قله‌هایی پهن‌تر و شدت کمی از خود نشان می‌دهند.

برخی از کاربردهای تکنیک رامان در فناوری نیمه رساناها به ترتیب زیر است:

  • آنالیز نارسانایی
  • شناسایی اثرات دوپه شدن
  • بررسی خصوصیات الکتریکی دی‌کالکوژنید فلز انتقالی دوبعدی
  • بررسی خلوص
  • تعیین ترکیب آلیاژی
  • آنالیز ساختار ابرشبکه
  • شناسایی آلودگی
  • میکروآنالیز فوتولومینسانس
  • ویژگی تنش/کرنش ذاتی
  • بررسی هترو ساختارها

طیف سنجی رامان در پزشکی و زیست‌شناسی

طیف‌سنجی رامان به‌طور گسترده‌ای در پزشکی، زیست شناسی و سیستم‌های زیست شناختی استفاده می‌شود. نیاز به نمونه بسیار کم، حساس نبودن به آب و تشخیص صورت‌بندی‌ها از جمله مزیت‌های این تکنیک در این زمینه است.

طیف سنجی رامان در پزشکی

برخی از کاربردهای رامان در پزشکی و زیست‌شناسی عبارتند از:

  • کارکرد زیستی پروتئین‌ها و DNA با تأیید وجود فونون‌های با فرکانس پایین
  • تصویربرداری بافتی با پادتن نشاندار شده با استفاده از مولکول‌های که آلکین دارند.
  • شناسایی ترکیبات بیوشیمیایی محل زخم و آنالیز پیشرفت بهبود آن
  • کشف داروهای تقلبی بدون نیاز به باز کردن بسته‌بندی
  • مطالعه بافت‌های زیستی بدون تخریب
  • مطالعه «زیست کانی‌ها» (Biominerals)
  • پایش بی‌درنگ مخلوط گازهای بیهوشی و تنفسی در طول جراحی
  • پایش سلول‌های سرطانی با استفاده از مایعات بدن مانند نمونه ادرار و خون
  • آنالیز DNA/RNA
  • آنالیز تک سلولی‌ها
  • انباشت متابولیک
  • بررسی ویژگی مولکول‌های زیستی
  • تداخلات دارو/سلول
  • تشخیص بیماری
  • درمان فوتودینامیک
  • سازگاری زیستی
  • ساختار استخوان
  • مرتب‌سازی سلولی

آندوسکوپی رامان

«آندوسکوپی رامان» (Raman Endoscopic)، تکنیک شناسایی قدرتمندِ «درلحظه» (Real-time) است که با استفاده از طیف‌های رامان به روش آندوسکوپی برای بهبود تشخیص و شناسایی زودهنگام سرطان «درون‌بافتی» (in Vivo) و داخل بدن به کار می‌رود. با استفاده از آندوسکوپی رامان بررسی ساختارهای مولکولی و ترکیبات بافتی ممکن می‌شود.

آندوسکوپی رامان
طرحی از آندوسکوپی رامان و تشخیص بافت‌های سرطانی در معده

جراحی مغز

ابزارهای طیف‌سنجی رامان برای راهنمایی در جراحی استفاده می‌شوند و دقت بالایی در شناسایی «گلیوما» (Glioma) یا «متاستاز» (Metastases) مرتبط با سرطان روده بزرگ، ریه و پوست نشان می‌دهند. یافتن برخی از سلول‌های سرطانی مانند گلیوما که به بافت‌های اطراف مغز را درگیر می‌کنند در صورتی‌که توسط جراحان مغز و اعصاب کامل حذف و برداشته نشوند امکان رشد دوباره دارند.

با استفاده از «کاوشگر رامان» (Raman Probe) متخصصان می‌تواند این سلول‌ها را شناسایی کنند. این پروب نوری در تماس با بافت مغز و ثبت طیف رامان برای تمایز سلول‌های سالم و سرطانی استفاده می‌شود. سلول‌های سرطانی پیک‌های شدیدتری در برخی از مناطق لیپیدها، نوکلئیک اسیدها و پروتئین‌ها ایجاد می‌کنند.

در تصویر زیر نقاط سفید رنگ سلول‌های سرطانی هستند که خارج از ناحیه تومور توسط رامان شناسایی شده‌اند.

تومور مغزی
شناسایی سلول‌های سرطانی با استفاده از رامان

طیف سنجی رامان در نانوفناوری

در نانوفناوری برای درک بهتر ساختار و ارزیابی قطر نانوسیم‌هایی مانند نانولوله‌های کربنی از میکروسکوپ رامان استفاده می‌شود. برخی از الیاف که با نام «الیاف فعال رامان» (Raman Active Fibers) شناخته می‌شوند در صورت اعمال فشار، ضربه و هر نوع تنشی، تغییرات فرکانس حالت‌های ارتعاشی آن‌ها در رامان قابل مشاهده است. الیاف آرامید، کربن و پلی پروپیلن نمونه‌هایی از این نوع الیاف هستند.

طیف سنجی رامان در میراث فرهنگی

برای بررسی آثار هنری و باستانی از طیف‌سنجی رامان استفاده می‌شود. این روش به دلیل اینکه روشی غیرتخریبی و قابل استفاده در محل است به روشی کارآمد در این زمینه تبدیل شده.

تجزیه و تحلیل آثار خوردگی روی سطح‌های مجسمه‌ها، سفال‌ها و غیره می‌تواند اطلاعات مفیدی در مورد شرایط محیطی که اثر مورد نظر در آن کشف شده یا بوده به دست بدهد. مقایسه طیف‌های به دست آمده با سطح‌های بدون خوردگی به تعیین صحت آثار تاریخی کمک می‌کند. به کمک این روش شناسایی رنگ‌های استفاده شده در نقاشی‌ها و محصولات تخریب شده شناسایی می‌شوند. با شناسایی این ویژگیِ آثار هنری می‌توان به اصل بودن و همچنین سبک هنری و روش کار صاحب اثر پی برد.

آنالیز رنگ
آنالیز رنگ مجسمه مسیح در کوه اوسوچیو از آثار میراث جهانی در ایتالیا

افزون بر این می‌توان اطلاعاتی از وضعیت اولیه آثاری که رنگ‌های آن با افزایش زمان تخریب شده یا تغییر پیدا کرده‌اند و ترکیبات رنگ‌های کمیاب باستانی به همراه منشأ رنگ، مواد استفاده شده و روش ساخت آن به دست آورد. بررسی ترکیب شیمیایی اسناد تاریخی با استفاده از طیف‌سنجی رامان می‌تواند اطلاعاتی از شرایط اجتماعی و اقتصادی ایجاد آنها بدهد. بررسی و شناسایی علت تخریب اسناد می‌توان به تعیین بهترین روش نگهداری و مرمت میراث فرهنگی کمک کند.

کاربردهای امنیتی طیف سنجی رامان

از طیف‌سنجی رامان برای تشخیص مواد منفجره از فاصله ایمن و نسبتاً دور استفاده شده‌است. با استفاده از این روش، مواد منفجره بدون نزدیک شدن و حتی باز کردن بسته حاوی آن جهت شناسایی مورد آنالیز قرار می‌گیرد. موادی مانند «آنفو» (ANFO) که مخلوطی از آمونیوم نیترات $$(NH_4NO_3)$$ و بنزین است، «تری‌نیتروتولوئن» ($$C_7H_5N_3O_6$$ | Trinitrotoluene)، «هکسوژن یا آردی‌ایکس» ($$C_3H_6N_6O_6$$ | Research Department eXplosive) از فاصله صدمتری با استفاده از طیف‌سنجی رامان شناسایی شده‌اند.

ُTNT
طیف رامان و IR دو ماده منفجره RDX و TNT

تشخیص سریع مواد و ایمن می‌تواند در فرودگاه‌ها یا هر مکانی که دسترسی برای نمونه‌برداری سخت و خطرناک است مانند صنایع شیمیایی به کار گرفته شود.

طیف سنجی رامان در زمین‌شناسی و کانی‌شناسی

طیف سنجی رامان در زمین‌شناسی و کانی‌شناسی نیز کاربردهای فراوانی دارد که برخی از آن‌ها در زیر فهرست شده‌اند.

  • انتقال فاز
  • توزیع کانی و فاز در بخش‌های سنگی
  • رفتار مواد معدنی در شرایط نامساعد
  • شناسایی سنگ‌های قیمتی و معدنی
  • شناسایی شهاب سنگ کندریت/آکندریت
  • میانبارهای سیال
فیلم آموزشی مرتبط

جدول طیف سنجی رامان

طیف‌سنجی رامان مانند IR برای شناسایی گروه‌های عاملی در شیمی آلی کارکرد خوبی دارد. این دو تکنیک دارای نواحی اثرانگشتی هستند که آشکارسازی و شناسایی ترکیبات ویژه‌ای را ممکن می‌کنند. در رامان اطلاعات بیشتری در مورد برخی از ترکیبات می‌توان دریافت کرد. ارتعاشات کششی پیوندهای دوگانه آلکن‌ها در IR به سختی قابل شناسایی است و بسیار ضعیف است درحالیکه، شناسایی این ترکیبات به دلیل شدت بالایی پیوندهای دوگانه به راحتی انجام می‌شود.

مشتقات سیکلوپارافین در ناحیه $$۷۰۰ cm^{−۱}$$ تا $$۱۲۰۰ cm^{−۱}$$ قله (پیک) مشخصی دارند که به «ارتعاشات تنفسی» (Breathing Vibration) آن‌ها نسبت داده می‌شود که هسته‌ها به‌طور متقارنی نسبت به مرکز حلقه به بیرون و داخل حرکت می‌کنند. موقعیت پیک از $$۱۱۹۰ cm^{−۱}$$ برای سیکلوپروپان تا $$۷۰۰ cm^{−۱}$$ برای سیکلواکتان کاهش پیدا می‌کند. از این ویژگی برای تخمین اندازه حلقه در ترکیبات پارافینی استفاده می‌شود. در IR برای این ارتعاشات پیکی ظاهر نمی‌شود یا بسیار ضعیف است.

در جدول زیر گستره تقریبی عدد موج برخی از گروه‌های عاملی ترکیبات آلی فهرست شده است.

گستره تقریبی عدد موج $$(cm^{−۱})$$ گروه شدت
۴۶۰–۵۵۰ Si-O-Si قوی
۹۹۰–۱۱۰۰ حلقه‌های آروماتیک قوی
۱۳۲۰–۱۳۵۰ نیترو بسیار قوی
۱۳۶۵–۱۴۵۰ آروماتیک آزو بسیار قوی
۱۶۲۵–۱۶۸۰ C=C بسیار قوی
۱۶۳۰–۱۶۶۵ C=N بسیار قوی
۱۷۱۰–۱۷۲۵ آلدهید متعادل
۱۷۱۰–۱۷۴۵ استر متعادل
۲۱۰۰–۲۱۷۰ تیوسیانات خیلی ضعیف
۳۱۵۰–۳۴۸۰ آمید متعادل
۳۱۵۰–۳۴۸۰ آمین متعادل
۳۲۰۰–۳۴۰۰ فنول ضعیف
۳۲۱۰–۳۲۵۰ الکل ضعیف

انواع طیف سنجی رامان

تاکنون انواع مختلفی از طیف‌سنجی رامان با هدف افزایش حساسیت، بهبود وضوح فضایی و کسب داده‌های ویژه ایجاد شده است. برخی از انواع طیف‌سنجی رامان در جدول زیر فهرست شده است.

انواع طیف سنجی رامان
نام کوتاه‌نوشت نام انگلیسی
پراکندگی خود به خودی رامان (میدان دور)
طیف‌سنجی رامان انبرک نوری OTRS Optical Tweezers Raman Spectroscopy
طیف‌سنجی رامان با تفکیک زاویه ARRS Angle-resolved Raman Spectroscopy
طیف‌سنجی رامان انحراف فضایی SORS Spatially Offset Raman Spectroscopy
طیف‌سنجی رامان رزونانس RRS Resonance Raman Spectroscopy
میکروسکوپ رامان Correlative Raman Imaging
فعالیت نوری رامان ROA Raman Optical Activity
رامان پایش از راه دور Stand-off Remote Raman
ارتقا یافته (میدان نزدیک)
طیف‌سنجی رامان ارتقا یافته سطحی SERS Surface-enhanced Raman Spectroscopy
طیف‌سنجی رامان رزونانس ارتقا یافته سطحی SERRS Surface-enhanced resonance Raman Spectroscopy
طیف‌سنجی رامان ارتقا یافته تیپی TERS Tip-enhanced Raman Scattering
طیف‌سنجی رامان ارتقا یافته پلاریتون پلاسمون سطحی SPPERS Surface Plasmon Polariton Enhanced Raman Spectroscopy
غیرخطی
طیف‌سنجی رامان رزونانس هایپر RHRS Resonance Hyper Raman spectroscopy
طیف‌سنجی رامان برانگیخته SRS Stimulated Raman Spectroscopy
طیف‌سنجی رامان وارونه IRS Inverse Raman spectroscopy
طیف‌سنجی رامان آنتی استوکس همدوس CARS Coherent Anti-Stokes Raman spectroscopy
طیف‌سنجی رامان انحراف فضایی SORS Spatially Offset Raman Spectroscopy
طیف‌سنجی رامان انتقالی TRS Transmission Rman Spectroscopy
طیف‌سنجی رامان تبدیل فوری FT-Raman Fourier Transform Raman Spectroscopy
طیف‌سنجی رامان ریخت‌شناسی جهت‌دار MDRS Morphologically Directed Raman Spectroscopy

طیف سنجی رامان ارتقا یافته سطحی

طیف‌سنجی رامان ارتقا یافته سطحی، طیف‌های روی سطح ذرات کلوییدی فلزاتی مانند نقره، طلا یا مس یا ذرات جذب سطحی شده روی سطوح ناهموار این فلزات است. خطوط رامان مولکول جذب شده معمولاً با ضریب $$۱۰^۳$$ تا $$۱۰^۶$$ تقویت می‌شوند. در SERS نمونه به چندین روش مورد استفاده قرار گرفته‌است.

  • روش اول: ذرات کلوییدی نقره یا طلا در یک محلول رقیق مانند آب حل می‌شوند. سپس این محلول در حالیکه توسط نور لیزر برانگیخته شده در داخل لوله‌ای از جنس شیشه جریان می‌یابد.
  • روش دوم: لایه نازکی از ذرات فلز کلوئیدی روی لام شیشه‌ای رسوب داده می‌شود، سپس یک یا دو قطره از محلول نمونه رو این فیلم قرار می‌گیرد و پس آن طیف گرفته می‌شود.
  • روش سوم: نمونه روی سطح فلزی ناهموار به روش الکترولیتی روی الکترود فلزی رسوب داده می‌شود، پس از خارج شده از محلول الکترولیت در معرض منبع نور قرار می‌گیرد.

طیف سنجی رامان غیرخطی

طیف‌سنجی‌های رامان غیرخطی برای رفع برخی ایرادات موجود در طیف‌سنجی رامان معمولی مانند بازده پایین، محدودیت آن در نواحی مرئی و فرابنفش نزدیک، و قرار گرفتن در معرض مزاحمت فلوئورسانی توسعه یافته‌اند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۱۰ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

احمد امانپور دانش‌آموخته کارشناسی ارشد شیمی تجزیه از دانشگاه شیراز است. وی هم اکنون در زمینه شیمی با مجله فرادرس همکاری می‌کند. اخترشناسی، انرژی‌های تجدیدپذیر، فناوری‌های نوپدید از موضوعات مورد علاقه اوست و از هر فرصتی برای خواندن کتاب استفاده می‌کند.