جمعه 07 آذر 1399 کد خبر: 57
۱- مقدمه
اثر رامان برای اولين بار توسط کريشنن و رامان گزارش شد. علاوه بر کشف اثر، رامان در زمينه پراکندگی اشعه ايکس، اپتيک و محلول‌های کلوييدی تحقيق کرد. رامان در سال ۱۹۳۰ برنده جايزه نوبل شد. رامان تکنيکی است که به کمک تابش پراکنده شده از برخورد فوتون با مولکول، خواص مولکول را آشکار می‌کند. در این آزمایش وقتی نور به نمونه تابيده می‌شود، آن را برانگيخته کرده و اتم‌ها را به نوسان و حرکت وا می‌دارد. همين نوسان‌هاست که اندازه‌گيری شده و با توجه به اختلاف فرکانس با پرتو تابیده شده به نمونه، برای شناسایی پیوندهای بین اتم‌ها استفاده می‌شود.
۲- اصول کار طیف‌سنجی رامان
پراکندگی به فرآیندی گفته می‌شود که در آن گونه‌ای متحرک (نور، صدا، ذره و....) با سطح یا ذره‌ای برخورد کرده و منحرف شود. امواج الکترومغناطیس نیز هنگام برخورد با ذرات، دو نوع پراکندگی خواهند داشت. در طیف‌سنجی مولکولی زمانی که یک تابش الکترومغناطیس از یک ماده گذر کند، بیشتر پرتوها به مسیر خود ادامه می‌دهند اما کسر کوچکی از آنها در جهات دیگر پراکنده خواهند شد. به نوری که با همان طول موج وارد شده، پراکنده شود، "پراکندگی رایلی" (RayleighScattering) می‌گویند. هم‌چنین، نوری که به دلیل ارتعاش مولکول‌ها در جامدات پراکنده می‌شود را با نام "پراکندگی رامان (Raman Scattering) می‌شناسند. پراکندگی رایلی هنگامی رخ می‌دهد که اندازه ذرات کوچکتر از طول‌موج فرودی باشد و تغییری در انرژی موج ایجاد نشود. این نوع پراکندگی تحت عنوان پراکندگی کشسان نیز شناخته می‌شود. نوع دیگر پراکندگی، رامان نامیده می‌شود و طی آن انرژی فوتون تابیده شده به مولکولهای ماده منتقل شده و طول‌موج اولیه تغییر می‌کند. این تغییرات انرژی که می‌تواند کاهشی و یا افزایشی باشد، وابسته به انرژی لازم برای ارتعاش یا چرخش مولکولهای گونه پراکنده کننده نور است. اگر طول‌موج پرتو تابیده شده پس از برخورد به ذره، افزایش یابد (انرژی کاهش یابد) پراکندگی رامان نوع استوکس شناخته می‌شود. برعکس، اگر انرژی موج پراکنده شده نسبت به انرژی اولیه افزایش یابد، آنتی‌استوکس نامیده می‌شود. معمولا شدت تفرق آنتی‌استوکس کمتر بوده و برای بررسی تغییرات فرکانس ناشی از تفرق رامان، نوع استوکس ثبت می‌شود. از آنجایی که اثر رامان ناچیز است، از لیزر به عنوان منبع نوری تک طول‌موج تفرق رامان استفاده می‌شود. شکل 1 انواع برهمکنش‌های امواج الکترومغناطیس با نمونه را نشان می‌دهد.
تغییر فرکانس بین پرتو تابیده و پراکنده شده را انتقال رامان می‌نامند که در محدوده نور مادون قرمز است. طیف رامان همان‌طور که در شکل2 آمده است، شدت انتقال رامان را بر حسب عددموج بیان می‌کند. پیک‌های انتقال رامان ایجاد شده متناظر با فرکانس ارتعاش مولکولی است. به عبارتی، در این نوع طیف‌سنجی میزان انرژی فوتون‌های بازتاب شده ثبت می‌شود.
شکل ۱- انواع برهمکنش‌های امواج الکترومغناطیس با ماده
شکل۲- طیف رامان کربن تترا کلرید (CCl4) با استفاده از لیزر با طول‌موج ۴۸۸نانومتر
۳- تفاوت طیف‌سنجی رامان با طیف‌سنجی مادون قرمز
این دو تکنیک در اصول اولیه و تئوری با یکدیگر تفاوت دارند و به عنوان مکمل یکدیگر شناخته می‌شوند. پیوندهایی که در تکنیک رامان فعال‌اند، دارای قطبش‌پذیری بر اثر جذب تابش هستند در حالی که پیوندهایی که ممان دوقطبی بتوانند ایجاد کنند در روش مادون قرمز استفاده می‌شوند. طیف‌سنجی مادون قرمز قادر به شناسایی محلول‌های حاوی آب نیست ولی در طیف‌سنجی رامان تداخلی ایجاد نمی‌شود و می‌توان از این روش بهره برد. تغیرات انرژی نشر استوکس و آنتی‌استوکس که برابر با ΔE± است متناظر با انرژی اولین تراز ارتعاشی حالت پایه است و اگر یک پیوند در مادون قرمز فعال باشد، انرژی جذب آن نیز برابر با ΔE است. بنابراین فرکانس پیک جذبی مادون قرمز و جابه‌جایی استوکس شبیه به یکدیگراند و به عنوان اثر انگشت یک پیوند شناخته می‌شوند.
۴- اجزای دستگاه طیف‌سنج رامان
مهم‌ترین بخش دستگاه رامان منبع نور و سیستم طیف‌سنج آن محسوب می‌شود. در این روش طیف‌سنجی نیاز به پرتو تک طول‌موج با انرژی بالاست و به همین دلیل منابع مورد استفاده در تکنیک رامان اکثرا لیزری و از نوع آرگون، کریپتون، هلیوم/نئون یا لیزر دیودی هستند. انتخاب منبع با توجه به شرایط نمونه انجام می‌شود. به طور مثال نمونه‌هایی که تابش فلورسانس دارند از طول‌موج‌هایی استفاده می‌شود که انرژی لازم برای برانگیخته شدن و ایجاد فلورسانس نداشته باشند.
طیف‌سنج‌های رامان به دو دسته تقسیم می‌شوند: طیف‌سنج‌های پاشنده و تبدیل فوریه. دستگاه‌های پاشنده عموما از یک لیزر در ناحیه مرئی و یک دوربین CCD به عنوان آشکارساز استفاده می‌کنند. در طیف‌سنج‌های تبدیل فوریه، یک منبع مادون قرمز نزدیک و یک سیستم تداخل‌سنج به کار رفته است. طیف‌سنج‌ها در دستگاه رامان دو وظیفه اصلی را بر عهده دارند: ۱) جدا کردن تابش ناشی از پراکندگی رایلی از تابش‌های رامان ۲) تجزیه و تحلیل سیگنال‌های نوری جمع‌آوری شده.
۵- کاربردهای طیف‌سنجی رامان
۶- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
روش طیف‌سنجی رامان روشی است که در آن به کمک تابش پراکنده شده ناشی از برخورد فوتون با مولکولهای ماده، خواص آن را آشکار می‌کند. در این روش نور تابیده شده به ماده سبب برانگیختگی ماده و به نوسان درآمدن اتم‌های آن می‌شود. از اندازه‌گیری این نوسان‌ها و با توجه به اختلاف فرکانس با پرتو تابیده شده به نمونه پیوندهای بین اتم‌ها شناسایی می‌شود. در روش رامان امکان مطالعه ساختار مولکولی ترکیبات متعددی فراهم شده است.
۷- منابع
[1]. عبدالرضا سیمچی، خدیجه خدرلو، مسعود وصالی ناصح "روش‌های شناسایی و مشخصه‌یابی مواد" ، چاپ اول، 1392، نشر دانشگاهی کیان
[2].www.edu.nano.ir
