طیف سنجی رامان چیست؟-از 0 تا 100✅

طیف ­سنجی رامان، انرژی منبع تحریک و الکترون را به یک تراز مجازی بالاتر و نه یک تراز حقیقی، بر می ­انگیزد. در صورتی که در طیف­ سنجی فروسرخ، فوتون توسط الکترون جذب شده و برانگیزش به یک تراز حقیقی داریم.

تابش امواج الکترومغناطیسی نه تنها از یک نمونه عبور کرده یا جذب آن می­ شوند، بلکه می ­توانند در تمام جهات نیز پراکنده شوند و یکی از مکانیسم های حاصل از این پراکندگی ها، طیف سنجی رامان است.

در طیف­ سنجی رامان، معمولاً از یک منبع لیزر تک طول موج برای برانگیزش الکترون­ ها در نمونه استفاده­ می ­شود.

پس از آن، اگر الکترون به تراز اولیه بازگردد و فوتونی با طول موج دقیقاً برابر با طول موج فرودی، تابش شده و پراکندگی رخ می­ دهد (پراکندگی رایلی).

اما اگر تراز اولیه و نهایی الکترون یکسان نباشد و فوتون تابش شده فرکانسی بیشتر یا کمتر از فرکانس فوتون فرودی خواهد داشت و در حالت اول پراکندگی رامان ضد استوکس و در حالت دوم، پراکندگی رامان استوکس را داریم.

شکل1- پراکندگی رامان در برهمکنش با امواج الکترومغناطیسی

در طی فرآیند پراکندگی رایلی، مقداری از انرژی فرودی می­ تواند جدا شده و به انرژی ارتعاشی و چرخشی تبدیل گردد و بنابراین تابش پراکنده­ حاصل، انرژی کمتر و طول موج بیشتری نسبت به تابش فرودی دارد و نتیجه، انتشار ضعیفی است که ممکن است با طیف فلورسانس نمونه تداخل یا اشتباه گرفته شود.

از آنجایی که مقدار انرژی تبدیل شده همواره ثابت است و نوارهای رامان بدون توجه به طول موج نور برانگیخته، با همان اختلاف فرکانس از تابش فرودی جدا می شوند.

بنابراین، اگر طیف رامان یک حلال و انتشار فلورسانس املاح بر همدیگر منطبق باشند، می­ توان با تغییر طول موج برانگیختگی به مقدار کمتری، تفکیک دو طیف رامان و فلورسانس را انجام داد،

زیرا که طول موج انتشار فلورسانس مستقل از طول موج برانگیختگی است، بنابراین طیف سنجی فلورسانس از پراکندگی رامان جدا می ­شود.

مولکول رامان فعال

در طیف سنجی رامان، با برهمکنش نور با ماده در اثر فرایند رامان، میدان الکتریکی تابش فرودی با تغییر در قطبش ­پذیری مولکول­ ها، آنها را برانگیخته می ­کنند و بنابراین برای این که یک ارتعاش مولکولی بتواند یک قله در طیف رامان ایجاد کند، باید در حین ارتعاش، قطبش ­پذیری آن تغییر کند . به چنین مولکول­ هایی رامان فعال گفته می­ شود.

برهمکنش حاصل موجب ایجاد یک حالت واسطه با طول عمر بسیار کوتاه خواهد شد که در آن ساختار هندسی مولکول تغییر نمی­ کند و 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 یا قطبش می­ شود.

این حالت واسطه تحت عنوان حالت مجازی شناخته می­ شود و باید توجه داشت که این حالت مجازی یک حالت واقعی گذرا و موقتی می­ باشد، نه یک حالت فرضی!

شکل 2- گذارهای حاصل از پراکندگی رامان

مکانیسم عملکردی طیف سنجی رامان

به طور کلاسیک می توان پراکندگی نور در طیف سنجی رامان را بر حسب تابش الکترومغناطیسی ایجاد شده توسط دوقطبی­ های نوسانی القایی در مولکول توسط میدان­ های الکترومغناطیسی تشعشع فرودی توصیف کرد.

در فرایند کلی پراکندگی در طیف سنجی رامان، همانطور که پیش از این گفته شد، بیشتر فوتون­ ها از طریق پراکندگی رایلی و مقدار بسیار کمی از طریق فرایند­ رامان پراکنده می شوند.

در نتیجه­  قطبش ­پذیری α، گشتاور دوقطبی القایی رخ می ­دهد و در حقیقت، قطبش ­پذیری تغییر شکل ابر الکترونی در اطراف مولکول، توسط یک میدان الکتریکی خارجی است.

شکل 3 واکنش یک مولکول دواتمی غیر قطبی را نشان می ­دهد که در یک میدان الکتریکی نوسانی قرار گرفته است و در اینجا، میدان الکتریکی استاتیکی که توسط صفحات یک خازن باردار ایجاد شده است، نشان داده شده است.

صفحه­ با بار منفی، هسته­ ها را جذب می­ کند، در حالی که صفحه با بار مثبت، الکترون­ه ای بیرونی با کمترین قید (الکترون­ های لایه ­های بیرونی­ تر) را جذب می­ کند که منجر به یک گشتاور دوقطبی القایی می ­شود و این گشتاور دوقطبی القایی یک اندرکنش خارج از فرایند تشدید است که توسط یک میدان الکتریکی نوسانی صورت می­ گیرد.

شکل3- واکنش یک مولکول دواتمی غیرقطبی در یک میدان الکتریکی خارجی

با توجه به نظریه­ فیزیک کلاسیک، زمانی که یک مولکول در یک میدان الکتریکی قرار می­ گیرد و به دلیل نیروی وارد شده از سوی میدان الکترون­ های مولکول قطبیده می­ شوند و یک تکانه­ دوقطبی در مولکول القا می ­شود:

با در نظر گرفتن پایین ترین مرتبه پراکندگی رامان و با توجه به اینکه نوسان مولکولی از چندین مُد نرمال تشکیل شده است و می­ توان نوشت:

Q، کوئوردیناسیون نرمال (بردار ارتعاش نرمال) مدهای نوسانی مختلف است و می­ تواند به­ عنوان تابعی از زمان به صورت زیر بیان شود:

با جایگذاری این عبارت در رابطه­ قطبش، خواهیم داشت:

 جمله­ اول مربوط به پراکندگی رایلی است و جملات دوم و سوم، به پراکندگی­ رامان مربوط می­ باشند و به دلیل اینکه α بزرگ­تر از  است، شدت پراکندگی رایلی بسیار بیشتر از پراکندگی رامان استوکس و ضد استوکس است.

پراکندگی رامان ذاتاً سیگنال­ های ضعیفی تولید می­ کند و به طور کلی حدود یک هزارم شدت کل نور تابشی از نمونه، پراکندگی رایلی است، در حالی که پراکندگی رامان حدود یک میلیونیوم شدت کل را در بر می­ گیرد و بنابراین اثر رامان ضعیف است.

از آنجایی که نور لیزر مولکول را تحریک نمی­ کند، در مطالعات رامان هیچ گذار واقعی بین سطوح انرژی اتفاق نمی­ افتد و از این رو سیگنال رامان از برخورد پرتوی نوری (فوتون ­ها) با نوسانات بین مولکولی (فونون­ ها) نمونه به دست می­ آید.

به عبارت دیگر می توان گفت که پراکندگی رامان تنها زمانی اتفاق می ­افتد که مقدار

باشد (یعنی قطبش ­پذیری در طول نوسان تغییر کند)، که به قواعد انتخاب معروف است.

شکل4- تغییر شکل مولکول کربن دی اکسید در اثر جذب رامان

انواع طیف سنجی رامان

دستگاه ­های طیف ­سنجی رامان عمدتاً بر مبنای دو نوع کلی از طیف سنجی مورد استفاده قرار می­ گیرند؛

طیف­ سنج­ی رامان پاشنده

این دستگاه­ ها عموماً از یک منبع لیزری در ناحیه­ مرئی، یک عنصر پاشنده و یک آشکارساز آرایه ای CCD  استفاده می­ نمایند و در این نوع طیف‌سنجی، تصویر منبع از طریق یک نمونه، بر روی یک آشکارساز پخش می‌شود.

نور ساطع شده جمع آوری شده و بر روی دستگاه مرتب­ سازی طول موج متمرکز می ­شود و در این ابزارهای پراکننده، مونوکروماتورها نیز مورد استفاده قرار می­ گیرند.

شکل5- شماتیک کلی از سیستم طیف­ سنجی رامان پاشنده

طیف ­سنج­ رامان تبدیل فوریه

در این نوع، از یک منبع لیزر و یک سیستم تداخل سنج، بهره می­ برند.

شکل6- شماتیک طیف سنجی رامان نوع تبدیل فوریه

و در آخر به شما کاربر عزیز پیشنهاد میکنیم که محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما را مشاهده کنید و در صورت نیاز کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود کرده و حتی برای دوستان خود بفرستید.

راستی این امکان هم برای شما قرار داده ایم که به صورت آنلاین از دستگاه مورد نظر خود استفاده کنید، برای استفاده کافیست وارد بخش محصولات سایت شده و محصول مورد نظر خود را انتخاب کرده و روی دکمه شبیه ساز آنلاین کلیک کنید

(خوشحالم که میتونی حتی به صورت آنلاین دستگاه های شرکت ما را ببینی و با آن کار کنی😍)

منابع و مراجع

J. Larkin, Infrared and raman spectroscopy: principles and spectral interpretation, 2011, Elsevier Inc. ISBN: 978-0-12-386984-5

Ewen, D. Geoffrey, Modern Raman Spectroscopy: A Practical Approach, 2^nd edition, Wiley 2019. ISBN: 9781119440581

R. Koirtyohann, A history of atomic absorption spectroscopy, Spectrochemical Acta Part B: Atomic Spectroscopy, Volume 35, Issues 11–12, 1980, Pages 663-670, ISSN 0584-8547.

wikipedia