طیف‌سنجی رامان -Raman Spectroscopy

پراکندگی‌ (Scattering) یک فرایند فیزیکی است که طی آن، گونه‌ای از تابش مثل نور، صدا یا حتی باریکه از ذرات متحرک (مثل یون، الکترون و…) در اثر برخورد با ذرات یا سطوح مختلف، از مسیر مستقیمی که در آن در حال حرکت است، منحرف شده و مجبور به حرکت در یک یا چند مسیر دیگر می‌شود (شکل ۱). معمولاً پراکندگی در همه جهات رخ می‌دهد [2].
در اثر برخورد نور با ماده، با توجه به طول موج تابش پراکنده شده، دو نوع پراکندگی خواهیم داشت:

۱. پراکندگی رایلی (Rayleigh scattering) که به وسیله ذراتی ایجاد می‌شود که اندازه آن‌ها به مراتب کوچک‌تر از طول موج تابش باشد. در اثر این نوع پراکندگی، طول موج تابش تغییر نمی‌کند و تحت عنوان پراکندگی کشسان (Elastic) دسته‌بندی می‌شود. مشهودترین مثال برای این نوع پراکندگی، آبی بودن رنگ آسمان است که در اثر پراکندگی طول موج‌های کوتاه‌تر طیف مرئی رخ می‌دهد.

۲. پراکندگی رامان (Raman scattering) که طی آن بر اثر انتقال انرژی میان فوتون تابیده شده و مولکول‌های ماده، طول موج اولیه تغییر کرده و در اثر از دست دادن انرژی، طول موج افزایش یافته، یا در اثر گرفتن انرژی، طول موج کاهش می‌یابد. میزان این تغییرات انرژی (چه کاهش و چه افزایش) به تناسب با بسامد ارتعاشات (Vibrations) مولکولیِ گونه پراکنده‌کننده نور وابسته است. پس پراکندگی رامان به دو دسته کلی تقسیم‌بندی خواهد شد: دسته اول که دارای طول موج بلندتری (انرژی کمتر) از تابش اولیه است، تحت عنوان استوکس (Stokes) و دسته دوم که طول موج کوتاه‌تری (انرژی بیشتر) از تابش اولیه دارند، با نام آنتی استوکس (anti-Stokes) شناخته می‌شوند [2].

۲. طیف رامان

شکل ۲ قسمتی از یک طیف نوعی رامان را برای گونه CCl4 نشان می‌دهد که در آن تابش نمونه با منبع لیزر با طول موج ۴۸۸ نانومتر صورت گرفته است. در یک طیف رامان، محور افقی عموماً بر حسب عدد موجی تابش پراکنده شده (ῡ) یا مثل شکل زیر، بر حسب تغییرات ایجاد شده در عدد موجی باریکه پراکنده شده (ῡ2) نسبت به عدد موجی تابش منبع (ῡ1)، یعنی برحسب تغییرات عدد موجی (ῡ∆) است (که در عمل نشان‌دهنده پراکندگی ایجاد شده در یک عدد موجی مشخص است). در حالی‌که محور عمودی شدت پیک‌ها را به صورت نسبی نشان می‌دهد. توجه شود که رابطه میان عدد موجی یک تابش با طول موج (λ)، فرکانس (υ) و انرژی (E) آن به صورت زیر است و دارای واحد cm-1 است:

ῡ = 1/λ و ῡ = υ/c

E = hυ = hcῡ

همان‌گونه که در شکل زیر مشاهده می‌شود، خطوط استوکس دارای شدت بیشتری هستند که این موضوع با توجه به بالاتر بودن احتمال وقوع آن‌ها قابل توجیه است، چون معمولاً در اثر برخورد با محیط مادی، از دست دادن انرژی توسط فوتون محتمل‌تر از دریافت انرژی است. مورد دیگری که باید مدنظر قرار داد این است که میزان جابجایی‌های رامان (Raman Shifts) (که به صورت عددی بالای پیک‌ها نوشته شده) مستقل از طول موج لیزر استفاده شده برای برانگیختگی نمونه است. همچنین توجه شود که پراکندگی رایلی 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 [2].

 

پیش از پرداختن به ادامه بحث لازم است به این نکته اشاره شود که با توجه به پیوستگی مطالب، جهت فهم بهتر بخش‌های بعدی، بهتر است که ابتدا مقاله «طیف‌سنجی مادون قرمز» مطالعه شود. در زیر به دلیل شباهت بسیار زیاد و مکمل بودن تکنیک‌های طیف‌سنجی مادون قرمز و رامان، مقایسه‌ای بر تفاوت‌ها انجام شده است.

۳. بررسی تفاوت‌های تکنیک رامان با طیف‌سنجی مادون قرمز (Infrared Spectroscopy)

مطالعات انجام شده نشان داده‌اند که جابه‌جایی‌های ایجاد شده در طول موج (عدد موجی) منبع در اثر پراکندگی رامان، در محدوده طیفی مادون قرمز قرار می‌گیرد. به عبارت ساده‌تر تفاوت انرژی تابش منبع و تابش پراکنده شده، به اندازه انرژی امواج در محدوده مادون قرمز میانه است (به مقاله طیف‌سنجی مادون قرمز مراجعه شود). همان‌طور که در مقاله مربوط به روش طیف‌سنجی مادون قرمز هم اشاره شده است، این میزان انرژی فقط برای انجام انتقالات میان ترازهای ارتعاشی مولکول‌ها (Molecular Vibrational Levels) کافی است و از این نظر این دو روش مشابه یکدیگر هستند. به گونه‌ای که طیف پراکندگی رامان و طیف مادون قرمز برای یک گونه خاص، غالباً بسیار شبیه به یکدیگر هستند. شباهت‌های این دو روش با یکدیگر بسیار زیاد است ولی باید توجه داشت که علی‌رغم وجود این مشابهت‌ها، این دو تکنیک در اصول اولیه و تئوری با هم متفاوت هستند، به نحوی که معمولاً به عنوان مکمل یکدیگر استفاده می‌شوند. در مقاله معرفی روش طیف‌سنجی مادون قرمز اشاره شده است که یکی از شروط لازم برای اینکه یک پیوند خاص بتواند در طیف‌سنجی مادون قرمز فعال باشد این است که در اثر جذب تابش، تغییر خالصی در ممان دوقطبی (Dipole moment) ایجاد شود. برخلاف روش طیف‌سنجی مادون قرمز، پیوندی در تکنیک رامان فعال است که در اثر جذب تابش، قطبش‌پذیری (Polarizability) آن تغییر کند (در ادامه توضیح داده می‌شود). بر این اساس، یک پیوند می‌تواند در تکنیک رامان، طیف‌سنجی مادون قرمز یا هر دو روش فعال باشد و این موضوع باعث ایجاد شباهت یا تفاوت در طیف‌های این دو روش خواهد شد.
یک مزیت مهم طیف‌های رامان در مقایسه با مادون قرمز این است که در طیف‌های رامان، آب تداخل نمی‌کند؛ بنابراین از محلول‌های آبی می‌توان طیف رامان را به دست آورد. این مزیت باعث می‌شود که در روش رامان، امکان استفاده از سلول‌های شیشه‌ای یا کوارتز وجود داشته باشد و دیگر نیازی به استفاده از روش قرص‌سازی (به بخش آماده‌سازی نمونه در مقاله طیف‌سنجی مادون قرمز مراجعه شود) نباشد. علی‌رغم این مزایا، طیف‌سنجی رامان تا سال‌ها مورد توجه زیادی قرار نگرفت تا اینکه تغییراتی بنیادی در ساختار دستگاه طیف‌سنج رامان صورت گرفت که می‌توان مهم‌ترین آن‌ها را استفاده از لیزر و همچنین استفاده از روش‌های تبدیل فوریه (Fourier Transformation) دانست. به کارگیری لیزر به عنوان یک منبع قدرتمندِ تکفام (Monochrome)، بررسی پراکندگی و در نتیجه فرایند طیف‌گیری را بسیار ساده‌تر کرده است. یکی از اصلی‌ترین مشکلات در روش طیف‌سنجی رامان بروز تداخل مربوط به فلورسانس برخی گونه‌ها با سیگنال‌های مربوط به جابه‌جایی استوکس آن‌هاست؛ که این موضوع با استفاده از تبدیل فوریه تا حد زیادی برطرف شده است.
همان‌طور که اشاره شد، علی‌رغم شباهت‌های موجود میان طیف‌سنجی‌های رامان و مادون قرمز، آن‌ها تفاوت‌هایی هم دارند. اساسی‌ترین تفاوت این دو روش در این است که در روش رامان یک سری حالت‌های مجازی (virtual states) بین حالت پایه و اولین حالت برانگیخته ایجاد می‌شود که منشأ اصلی وقوع پراکندگی رامان هستند (شکل ۳). بسته به فرکانس تابش منبع، انرژی مولکول می‌تواند یکی از حالت‌های نامتناهی بین حالت پایه و اولین حالت برانگیخته الکترونی را اختیار کند [3].
آن‌گونه که در شکل ۳ قابل مشاهده است، تغییرات انرژی برای نشر استوکس و آنتی‌استوکس برابر E∆± است که مقدار E∆ دقیقاً متناظر با انرژی اولین تراز ارتعاشی حالت پایه است و به آن جابه‌جایی استوکس می‌گویند. اگر یک پیوند در مادون قرمز فعال باشد، انرژی جذب آن نیز برابر E∆ خواهد بود. بنابراین جابه‌جایی استوکس و فرکانس پیک جذبی مادون قرمز شبیه به یکدیگر هستند و به نوعی اثر انگشت (Fingerprint) برای یک پیوند تبدیل می‌شوند.

۴. حالت‌های مجازی

هنگامی که نور با یک ماده برهمکنش می‌کند، می‌تواند جذب یا پراکنده شود. فرآیند جذب مستلزم این است که انرژی فوتون معادل گاف انرژی (energy gap) میان حالت پایه و حالت برانگیخته مولکول باشد. این پدیده، پایه و اساس بسیاری از روش‌های طیف‌سنجی (Spectroscopy) است. در حالی که برای وقوع پراکندگی، وجود دو سطح انرژی مناسب (گاف انرژی) ضروری نیست و حتی در صورت عدم وجود دو سطح انرژی مناسب هم، پراکندگی رخ می‌دهد که به خاطر ایجاد حالت‌های مجازی است که حالت‌هایی موقت و ناپایدار هستند [3].
زمانی که یک موج نوری، عموماً به عنوان یک دو قطبی در حال نوسان، انتشار می‌یابد و از کنار یک مولکول عبور می‌کند، دو قطبی در حال نوسان آن که بسیار بزرگ‌تر از مولکول است (به‌طور مثال اندازه مولکول CCl4 کمتر از نیم نانومتر است در حالی که طول موج نور مرئی بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر است)، بنابراین می‌تواند با آن برهمکنش کرده و ابر الکترونی اطراف آن را از شکل طبیعی خود خارج کند. به عبارت دیگر، دو قطبی در حال نوسان نور در حین حرکت خود با مولکول برهمکنش کرده و باعث می‌شود که الکترون‌های آن قطبیده (polarized) شده و به حالت‌های انرژی بالاتر بروند. در این صورت انرژی موجود در موج نوری به مولکول منتقل خواهد شد. این برهمکنش موجب ایجاد یک حالت واسطه (complex) با طول عمر بسیار کوتاه خواهد شد که در آن ساختار هندسی مولکول تغییر نکرده است. یعنی طول عمر این حالت واسطه آنقدر کم است که مولکول زمانی برای تغییر حالت و حتی حرکت نخواهد داشت و تنها ابر الکترونی آن متحمل یک واپیچش (distortion) یا قطبش (polarization) می‌شود. این حالت واسطه تحت عنوان حالت مجازی شناخته می‌شود. شکل حقیقی ابر الکترونیِ تغییر حالت یافته، به میزان انرژی دریافت شده توسط مولکول بستگی دارد. پس این انرژی لیزر است که سطح انرژی حالت مجازی را مشخص می‌کند. باید توجه داشت که حالت مجازی یک حالت واقعی گذرا است نه یک حالت فرضی [3].

۵. اصول تئوری

فرض کنید که یک موج نوری (موج الکترومغناطیس) تک رنگ در حال انتشار در جهت محور z باشد؛ در حالی که مؤلفه الکتریکی آن در جهت محور x نوسان می‌کند (شکل ۴). شدت میدان الکتریکی آن (Ex) در زمان t از رابطه زیر به دست خواهد آمد:

(1)                     

که در آن Ex دامنه موج یا ماکزیمم مقدار میدان الکتریکی است و v0 فرکانس موج الکترومغناطیس است.

همچنین فرض کنید که یک مولکول با فرکانس طبیعی νv در حال ارتعاش باشد. بردار ارتعاش نرمال یا حالت‌های نرمال (normal modes یا qv) برای آن به‌صورت تابعی از زمان و به‌صورت زیر تعریف خواهد شد:

(2)                

همان‌طور که اشاره شد، زمانی‌که موج الکترومغناطیس با یک مولکول برهمکنش می‌کند، الکترون‌های مولکول را قطبیده می‌کند و این قطبش باعث القای یک ممان دوقطبی (dipole moment یا µ) در مولکول خواهد شد. این ممان دو قطبی به صورت زیر تعریف می‌شود:

(3)                    

که در آن α یک ثابت تناسب به نام قطبش‌پذیری (polarizability) پیوند است و معیاری از میزان تغییرشکل پیوند در میدان الکتریکی است. برای آنکه یک پیوند در رامان فعال باشد لازم است که قطبش‌پذیری آن به صورت تابعی از فاصله میان هسته‌ها (طول پیوند) تغییر کند. قطبش‌پذیری را به‌صورت یک سری تیلور بسط یافته تعریف می‌کنند:

 (4)                            

این ممان مغناطیسی القا شده دارای حرکت نوسانی است و با سه فرکانس متفاوت، نور را نشر می‌دهد (نور پراکنده‌شده). این سه فرکانس متفاوت با استفاده از رابطه ۴ و جای‌گذاری روابط ۱ و ۳ در آن به دست خواهند آمد:

(5)                 

همان‌طور که از رابطه ۵ مشخص است، سه فرکانس پراکندگی نور برابر با   خواهند بود. به عبارت دیگر نور پراکنده شده سه جزء با فرکانس متفاوت خواهد داشت: یکی برابر با فرکانس نور تابیده شده (رایلی)، یکی با فرکانس افزایش یافته به اندازه فرکانس طبیعی ارتعاشات مولکولی (آنتی‌استوکس) و آخری هم با فرکانس کاهش یافته به اندازه فرکانس طبیعی ارتعاشات مولکول (استوکس). پس در مورد پیک‌های استوکس و آنتی‌استوکس می‌توان انتظار داشت با افزایش دما شدت آن‌ها هم افزایش یابد، چون با افزایش دما میزان ارتعاشات مولکولی هم افزایش می‌یابد و کسر بیشتری از مولکول‌ها در اولین حالت برانگیخته ارتعاشی قرار خواهند داشت [1].

۶. اجزای دستگاهی

از نظر دستگاهی می‌توان مهمترین اجزای یک دستگاه رامان را منبع و سیستم طیف‌سنج آن دانست. منابع مورد استفاده در روش رامان اکثراً لیزری هستند، چون شدت آن‌ها به اندازه کافی زیاد است که بتوانند یک پراکندگی رامان قابل قبول ایجاد کنند. متداول‌ترین منابع لیزری مورد استفاده عبارتند از: لیزر یون آرگون با طول موج‌های 488 و 514/5 نانومتر، یون کریپتون با طول موج‌های نزدیک به ۵۳۱ و ۶۴۷ نانومتر، هلیم/نئون با طول موج 632/8 نانومتر، لیزر دیودی با طول موج ۷۸۲ و ۸۳۰ نانومتر و لیزر Nd/YAG با طول موج ۱۰۶۴ نانومتر. از آنجا که فرکانس منبع تأثیر به‌سزایی روی شدت پیک‌های رامان یک گونه دارد، انتخاب منبع مورد استفاده با توجه به شرایط نمونه انتخاب می‌شود. برای مثال برای گونه‌های فلورسانس‌کننده عموماً از منابع با طول موج در محدوده مادون قرمز مثل Nd/YAG استفاده می‌شود که دارای انرژی کافی برای برانگیخته کردن گونه‌ها و ایجاد فلورسانس در آن‌ها نیستند. بدین ترتیب مزاحمت فلورسانس به حداقل رسانده می‌شوند [2]. البته لازم به ذکر است که منابع فرابنفش هم قابلیت استفاده در روش رامان را دارند ولی به دلیل یک سری محدودیت‌ها از جمله میزان انرژی زیاد آن‌ها که بعضاً باعث تخریب نمونه می‌شود و همچنین خطرهای ناشی از استفاده از نور فرابنفش، کاربرد گسترده‌ای نیافته‌اند.
دستگاه‌های رامان جدید عمدتاً بر مبنای دو نوع کلی از طیف‌سنج‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ یکی طیف‌سنج‌های پاشنده (Dispersive) و دیگری هم طیف‌سنج‌های تبدیل فوریه (Fourier transform). استفاده از طیف‌سنج در دستگاه رامان به دو دلیل عمده صورت می‌پذیرد: ۱. به جهت جدا کردن تابش ناشی از پراکندگی رایلی از تابش‌های رامان، که با پس زدن تابش رایلی (Rayleigh light rejection) توسط سیستم تکفام‌ساز، فیلتر یا تداخل‌سنج مورد استفاده در بخش طیف‌سنج، انجام می‌شود. ۲. تجزیه و تحلیل سیگنال‌های نوری جمع‌آوری شده [4].
دستگاه‌های پاشنده عموماً از یک لیزر در ناحیه مرئی و یک دوربین CCD) Charged coupled device) به عنوان آشکارساز (Detector) استفاده می‌کنند (شکل ۵). در حالی که دستگاه‌های تبدیل فوریه از یک منبع مادون قرمز نزدیک و یک سیستم تداخل‌سنج (مانند آنچه که در روش مادون قرمز استفاده می‌شود)، که به برنامه تبدیل فوریه برای ایجاد طیف نیاز دارد (Interferometer)، بهره می‌برند (شکل ۶) .

۷. برخی کاربردهای طیف‌سنجی رامان در فناوری نانو

این روش کاربردهای گسترده‌ای در بحث شناسایی نانوذرات و تعیین برخی خواص آن‌ها پیدا کرده است که از آن میان می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
۱. شناسایی و جداسازی برخی از ترکیبات آلی و معدنی و تعیین ساختار شیمیایی برخی ترکیبات [5].
۲. تعیین شرایط مرزی برای میدان الکتریکی در نزدیکی سطح [6].
۳. استفاده از طیف‌سنج رامان برای آنالیز نانوذرات، برخی از مولکول‌های آلی [7] و نانولوله‌های کربنی [8].
۴. تعیین قطر کربن [9] و تعیین قطر برخی نانوذرات معدنی [10].
۵. تعیین کایرالیته کربن (کربن کایرال، کربنی است که چهار گروه اتم متصل به آن متفاوت باشد) [10].
6. تعیین ساختار نانومواد و آلوتروپ‌های مختلف کربنی

نتیجه‌گیری

تکنیک رامان یک روش طیف‌سنجی است که بر اساس پدیده پراکندگی بنا نهاده شده است و کاربردهای زیادی پیدا کرده است. این روش طیف‌سنجی معمولاً در شیمی و برای پیدا کردن ساختار یک مولکول مورد استفاده قرار می‌گیرد و می‌توان پیک‌های رامان یک ترکیب را به نوعی یک اثر انگشت برای آن دانست. علی‌رغم شباهت زیاد تکنیک رامان با طیف‌سنجی مادون قرمز، این دو روش در جزئیات تئوری و طیفی با یکدیگر متفاوت هستند، به نحوی که برای تشخیص دقیق‌تر ساختار یک ترکیب معمولاً از این دو تکنیک به صورت مکمل استفاده می‌شود.

منابـــع و مراجــــع

۱ – .Vandenabeele, P., Practical Raman spectroscopy: an introduction. 2013: John Wiley & Sons.

۲ – Holler, F.J., D.A. Skoog,S.R. Crouch, Principles of instrumental analysis. Belmont: Thomson, 2007.

۳ – Smith, E.G. Dent, Modern Raman spectroscopy: a practical approach. 2013: John Wiley & Sons.

۴ – Amer, M.S., Raman spectroscopy, fullerenesnanotechnology. 2010: Royal Society of Chemistry.

۵ – Dragnea, B., Near-Field Scanning Optical Microscopy: Chemical Imaging, in Dekker Encyclopedia of NanoscienceNanotechnology. 2004, Taylor & Francis. p. 2703-2712.

۶ – Hallen, H., E. Ayars,C. Jahncke, The effects of probe boundary conditionspropagation on nano‐Raman spectroscopy. Journal of microscopy, 2003. 210(3): p. 252-254.

۷ – Hayazawa, N., et al., Near-field Raman imaging of organic molecules by an apertureless metallic probe scanning optical microscope. The Journal of chemical physics, 2002. 117(3): p. 1296-1301.

۸ – Hayazawa, N., et al., Detection of an individual single-wall carbon nanotube by tip-enhanced near-field Raman spectroscopy. Chemical physics letters, 2003. 376(1): p. 174-180.

۹ – Roy, D., et al., Characterisation of carbon nano-onions using Raman spectroscopy. Chemical physics letters, 2003. 373(1): p. 52-56.

۱۰ – Ohno, T., D. Suzuki,T. Ida, Size effect for barium titanate nano-particles. Kona, 2004. 22: p. 195-201.