روش های نوین آنالیز مواد طیف نگاری رامان ( Spectroscopy ) Raman مقدمه : در سال 8291 اسپکتروسکوپی رامان بر اساس مشاهدات دانشمند هندی C.V.Raman به همراه Krishnam در مورد پرتوهایی که در اثر برخورد به یک مایع پراکنده شده و طول موج آن ها تغییر پیدا می کند شهرت یافت. قسمتی از نور که طول موج آن تغییر می کند به نام نور پراکنده شده رامان شناخته شده است. منشاء فیزیکی پراکندگی رامان در برخوردهای غیراالستیک بین مولکول های تشکیل دهنده مایع و فوتون ها که اجزای تشکیل دهنده نور در پرتو نوری هستند می باشند. برخورد غیر االستیک با تعویض انرژی بین مولکول و فوتون همراه بوده و نتیجه آن تغییر در انرژی است و از این رو طول موج فوتون تغییر می کند. به عالوه از آنجا که تمامی انرژی در طی فرایند پراکندگی حقظ می شود مقدار انرژی کسب شده و یا تلف شده توسط فوتون بایستی مساوی تغییر انرژی در مولکول باشد. در نتیجه به وسیله ی اندازه گیری انرژی از دست داده شده یا انرژی گرفته شده توسط فوتون می توانیم تغییرات در انرژی مولکولی را بررسی کنیم.
شکل 1 رامان دانشمند هندی برنده جایزه نوبل سال 1391 مولکول فوتون فرودی با طول موج λ 1 فوتون پراکنده شده با طول موج λ 2 λ 1 برای پراکندگی رامان λ 2 شکل 2 برخورد االستیک بین یک فوتون و یک مولکول تابش هر پرتو نور تک رنگ به وسیله ی طول موج λ با قدرت و قطبش پذیری آن معین می شود. به جای ذکر نمودن طول موج پرتو تابشی این خاصیت اغلب توسط ترم های معادل دیگر یعنی یفرکانس و عدد موج داده می شود. این کمیت ها به وسیله ی رابطه ی زیر با طول موج مربوط می شود : ) Hz V = C / λ Cycle per second ( فرکانس که C سرعت نور در خالء و λ بر حسب سانتیمتر بیان می شود.
1 Cm / λ ) 1 ( = عدد موج عدد موج اغلب توسط δ و یا ω نشان داده می شود. در واقع از آنجا که انرژی موج توسط رابطه E = hv بیان می شود استفاده از طول موج اندکی سخت خواهد بود لذا بیشتر از عدد موج و یا فرکانس استفاده می شود. اساس فیزیکی ارتعاش های مولکولی : طیف بینی ارتعاشی را ممکن است به عنوان وسیله ای برای شناسایی و اندازه گیری غلظت نمونه ها بدون نیاز به دانستن چیزی درباره این که چگونه و چرا طیف ها نتیجه شده اند به کار ببریم. ولی هرگاه چنانچه درک معقولی از پایه فیزیکی آن داشته باشیم اطالعات بسیار زیادتری می توان به دست آورد. تصویر اصلی مورد نیاز صرفا تصویری مکانیکی است. ما مولکول را متشکل از ذره های سنگین ( اتم ها ) در نظر می گیریم که با اتصال هایی که بسیار سبک تر هستند ( در حالت ایده آل بدون جرم ) به هم پیوند شده اند. می توانیم این اتصال ها را با الکترون های پیوندی یکی بدانیم. X1 K X2 m 1 m 2 حرکات چنین جسمی را می توان به شکل کالسیک با استفاده از قوانین حرکت نیوتن محاسبه کرد چنان چه در این لحظه فرض کنیم نیروهای بازگرداننده در اتصال ها به صورت زیر است : F (X) = - K X
در اینجا X جا به جایی نسبت به وضعیت تعادل است. حرکت های درونی حرکت هایی هستند که متضمن هیچ گونه انتقال یا چرخش کلی مولکول نباشد. این حرکات می توانند به صورت نوسان های گوناگون در اطراف ساختار تعادلی تفکیکی شوند. این ها ارتعاش های مشخصه یا نرمال مولکول اند که هر کدام فرکانس ارتعاشی مخصوص خود را دارند : V vib = ( 1 2π ) κ i μ i که در آن K ثابت نیرو و μ جرم کاهیده برای آن حرکت خاص است. به طور کالسیک چنین حرکاتی می تواند هر مقدار انرژی داشته باشد ولی به علت دخالت مقیاس اتمی این انرژی کوانتیده است. کوانتوم های انرژی ارتعاشی ε با فرکانس ارتعاشی کالسیک توسط رابطه ی ε i = h V vib مرتبط است که در آن h ثابت بالنک می باشد. به دلیل اصل عدم قطعیت امکان ندارد که مولکولی انرژی ارتعاشی صفر داشته باشد. اگر این اتفاق صادق بود ما می توانستیم هم مکان و هم گشتاور اتم ها را دقیقا مشخص کنیم. بنابراین کلیه ارتعاش های مولکولی مقداری انرژی نقطه صفر دارند و می توان نشان داد که این مقدار انرژی برابر نصف یک کوانتوم است به نحوی که انرژی ارتعاشی کل یک مولکول تنها با یک ارتعاش نرمال نرمال مانند زیر است که در آن v عدد کوانتومی ارتعاشی یک عدد صحیح مثبت یا صفر است. E = hω ( v + ( ½ ))
شکل 3 سه شیوه ارتعاشی در مولکول آب که هر کدام مشخصه خاص خود را دارند. مدل کالسیک پراکندگی رامان : اثر رامان یک پدیده پراکندگی نور معمولی است که در آن تغییر در فرکانس نور اتفاق می افتد. یک موج نوری متشکل از میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی است که فقط جزء الکتریکی آن پراکندگی رامان را به وجود می آورد. هنگامی که یک موج نوری به یک مولکول که متشکل از الکترون و هسته است برخورد می کند میدان الکتریکی موج در هر لحظه ای در سراسر مولکول یکسان است زیرا اندازه ی مولکول در حدود 8 نانومتر است که در مقایسه با طول موج نور که در حدود 055 نانومتر است کوچک می باشد. بنابراین میدان نیروی یکسانی را بر روی تمام الکترون ها در مولکول اعمال می کند و تمایل دارد تا آنها را از موقعیت میانگین خود که در اطراف هسته با بار مثبت قرار دارند جابجا کند. در فرایند رامان بسیار مهم است که جابجایی ها باعث ایجاد یک ممان دوقطبی القایی P در مولکول که با تقریب خوب با قدرت میدان الکتریکی متناسب است بشود. بنابراین : P = α E
در رابطه ی فوق تناسب α قطبش پذیری الکتریکی مولکول نامیده می شود. معموال بردار P جهت متفاوت از بردار E دارد که نشان می دهد قطبش پذیری الکتریکی یک کمیت عددی ساده نیست. از آنجایی که میدان الکتریکی موج خود تابعی از زمان است لذا در انتها رابطه ی زیر برای P به دست می آید: P zz (t) = α zz E max cos2πv 0 t + 0.5 ( dα zz dr ) Δr max E max cos2π ( v 0 + v vib ) t + 0.5 ( dα zz dr ) Δr max E max cos2π ( v 0 v vib )t این معادله نشان می دهد زمانی که موج نوری با یک مولکول دو اتمی ارتعاش کننده بر هم کنش می کند ممان دو قطبی القایی که در این مورد به P z مثال زده شده است دارای 3 جزء وابسته به زمان است. اولین جمله در سمت راست معادله یک جزئی است که با فرکانس نور فرودی ارتعاش می کند و دامنه آن به وسیله ی α zz و E max تعیین می شود. بنابراین در نتیجه اولین جمله معادله فوق نور با فرکانس فرودی v 0 منتشر شده و در جهانی که مخالف با پرتوی فرودی است قابل مشاهده است. چنین پدیده ای را پراکندگی ریلی ( Reyleigh ) نامیده می شود. جمله دوم جزئی است که در فرکانسی ارتعاش می کند که در برابر مجموع فرکانس های نور و ارتعاش های مولکولی می باشد. نور پراکنده شده ناشی از این جمله دوم پراکندگی رامان آنتی استوکس ( Stokes ) Anti نامیده می شود. سومین جمله جزئی است که در فرکانس داده شده توسط موج نوری در فرکانس مولکولی ارتعاش می کند و به پراکندگی رامان استوکس معروف است. هر دو این دو جزئی دارای دامنه ای که بستگی به قدرت میدان نور دامنه ارتعاش و مشتق قطبش پذیری است می باشد.
شکل 4 شماتیک انرژ برای تفرق فوتون ها قسمت های مختلف دستگاه طیف بینی رامان : 1 قسمت نوری آزمایش رامان : در یک آزمایش استاندارد رامان تابش تک رنگ با شدت زیاد فراهم شده توسط لیزر به داخل یا روی نمونه متمرکز می شود. قسمتی از نور پراکنده شده حاصل به وسیله ی اجزای نوری جمع آوری شده و به سوی سیستم پراکنده گر کننده که معموال یک مونوکروماتور دوتایی است هدایت می شود. کار مونوکروماتور جداسازی فضایی نور پراکنده شده بر اساس فرکانس است. در قسمت خروجی مونوکروماتور طیف رامان تصویری به شکل یک سری خطوط بسیار ضعیف تشکیل می دهد. این خطوط به طور متوالی به وسیله یک فوتومولتی پلیر تنها به کار برده شده با یک مونوکروماتور اسکن کننده یا هم زمان به وسیله ی یک دتکتور چند کانالی که معادل الکترونی مدرن در یک صفحه عکاسی می باشد و تشخیص داده و ثبت می شود.
اجزای مهم اسپکتروسکوپی رامان در شکل 0 قابل مشاهده است. شکل 0 اجزای مختلف یک سیستم رامان
) A لیزر : لیزر وسیله ای است که بستگی به نشر توسط فرایندهای تحریکی دارد. لیزر گاز آرگون به عنوان مثال مورد استفاده قرار می گیرد. گاز آرگون در یک لوله شیشه ای عاری از هوا که به لوله ی پالسما معروف است بین دو آینه قرار دارد. برخی از اتم های آرگون به وسیله ی تخلیه الکتریکی تهیه می شوند و به یون های یونیزه + Ar تبدیل می شوند که یک فوتون به صورت خود به خودی نشر می دهد. فوتون نشر داده شده در طول لوله به جلو و عقب می رود و اتم های دیگر آرگون را برای نشر فوتون تحریک می کند. فوتون های زیادتری با همان فرکانس به حفره تشکیل شده به وسیله ی لوله و آینه ها اضافه شده و مرتبا اتم های بیشتری برای نشر فوتون تحریک می شوند. نشر تحریکی سریعا زیادتر می شود و با ساختن یکی از آینه ها به طور جزئی شفاف منبع نوری ایجاد می شود. خصوصیات پرتوهای لیزر از راه های تولید آن نتیجه می شود پرتو لیزر تک رنگ است ( فوتون هایی که در جهت محور حفره حرکت نمی کنند از بین می روند ) و هم دوست هستند ( از نظر فیزیکی فرایند تحریک مستلزم این است که فازهای میدان الکتریکی فوتون ها در یک مرحله باشند ). ) B عدسی متمرکز کننده : فیلترهای Spike یا یک فیلتر تک رنگ لیزر که طول موج را عبور می دهد اما خطوط ضعیف را از پالسمای لیزر مسدود می کند می تواند در هر جایی در مسیر نور قبل از عدسی متمرکز کننده قرار بگیرد. برای نمونه های با قدرت پراکندگی باال فیلتر مورد استفاده است تا یک طیف رامان تمیز و روشن را به وسیله ی خطوط پالسما لیزر فراهم کند. اگرچه فیلتر ها می توانند استانداردهای فرکانس عالی را برای کالیبراسیون موقعیت های پیک رامان فراهم کنند برای اندازه گیری های دقیق کسر پالریزاسیون قبل از عدسی متمرکز کننده یک پالریزور قرار داده می شود.
پالریزور هر نوری را که جهت بردار E آن از جهت گیری الزم فرق دارد را حذف می کند. برای اکثر اندازه گیری های دی پالریزاسیون مولکول های بیولوژیکی پالریزور ضروری نیست. لنز متمرکز کننده دانسیته فوتونی را در نمونه زیاد می کند و بنابراین سیگنال رامان را افزایش می دهد. عدسی های با فاصله کانونی در گستره 35 تا 05 میلیمتر معموال یک حجم کانونی مناسب در نمونه را ایجاد می کنند. معیار برای مناسب بودن این است که تصویر حجم کانونی تشکیل شده به وسیله ی عدسی جمع کننده باید کامال شکاف ورودی اسپکترومتر را پر کند. 2 اسپکترومتر و سیستم تشخیص : عمل اسپکترومتر جداسازی فضایی فوتون های پراکنده شده ای است که از نمونه می رسد. این عمل بر اساس فرکانس این فوتون ها انجام می گیرد. بنابراین طیف رامان نمایش یک سری خطوط ضعیف در عرض محور خروجی اسپکترومتر است. دو روش اصلی وجود دارد که توسط این دو روش طیف خط در عرض قسمت خروجی تشخیص داده می شود. اولین روشی که متداول ترین روش هم نیز می باشد کاربرد یک اسپکترومتر اسککن کننده و استفاده از شکاف خروجی باریک که به دنبال آن PMT قرار دارد می باشد. به وسیله ی چرخش آهسته شبکه با استفاده از راندن دقیق اسپکترومتر خطوط طیفی به ترتیب در عرض شکاف حرکت نموده و تشخیص و ثبت می شود. دومین روش این است که یک دتکتور چند کاناله در قسمت خروجی قرار می گیرد. این دتکتور مشابه داشتن چند صد PMT بسیار کوچک در عرض Port است. تمام خطوط رامان در المنت های مختلف دتکتور در تمام زمان ثبت می شود و بنابراین امکان مشاهده طیف کامل رامان روی صفحه تلویزیون یا روی اسیلوسکوپ در زمان واقعی وجود دارد. وقتی از آشکار سازهای چند کاناله استفاده می شود شبکه فقط برای تغییر ناحیه طیفی در عرض دتکتور چرخانده می شود.
شکل 6 نمونه ای از طیف رامان یک ماده تکنیک های نمونه برداری : با توجه به نمونه شرایط مربوط به یک آزمایش مدرن رامان ساده است. با به حساب آوردن جهت بردار E یک پرتو لیزر به نمونه یا داخل نمونه متمرکز شده و نور پراکنده شده برای فرکانس و شدت تجزیه و تحلیل می شود. با باریک و هم جهت نمودن پرتو لیزر کار روی آرایش سل های نمونه مختلف آسان است. بنابراین آزمایش کننده می تواند ابتکار قابل مالحظه ای را در طراحی و کاربرد سل های نمونه انجام دهد. یک امتیاز عمده که از سادگی هندسی آزمایش رامان نتیجه می شود این است که نمونه ها در هر حالت فیزیکی مورد آزمایش قرار می گیرند. برای نمونه های مایع یک سل 8 سانتیمتری که معموال در اسپکترومتر فلورسانس به کار می رود کافی است به شرط آنکه ته سل شفاف باشد. به منظورکاهش دادن مقدار نور پراکنده شده از حدفاصلی که به اسپکترومتر می رسد باید دور سل در اطراف سطح منحنی نوار پیچی شود. چون لوله های شیشه ای برای به دست آوردن طیف های رامان ایده آل اند نمونه برداری از مایعات بسیار ساده تر از طیف بینی مادون قرمز است. اندازه کوچک باریکه لیزر نیز بررسی نمونه های جامد کوچک را که عموما به ظرف نیازی ندارند مگر این که حفاظت از هوا ضروری باشد آسان می سازد. ولی در مورد گازها ضعیف بودن اثر رامان توام با چگالی کم نمونه
به دست آوردن طیف ها را بدون دقت ویژه مشکل می سازد. تقریبا ضروری است که سلول های کوچک با آینه های داخلی استفاده شوند تا عبور مکرر باریکه لیزر از نمونه را ممکن سازد و بایستی از باالترین قدرت لیزر قابل حصول استفاده کرد. طیف بینی رامان رزونانس : معموال طیف رامان با استفاده از نواری با یک فرکانس که توسط نمونه جذب نشود بر انگیخته می شود. احتمال جذب بسیار کم است و بر انگیختگی به یک حالت برانگیختگی مجازی انجام می گیرد که عمر آن بسیار کوتاه است و انرژی آن به همین نسبت بد تعریف می شود. اگر نوری به کار ببریم که احتمال جذب آن باال باشد اثر گرمادهی موضعی توسط باریکه لیزر مزبور آن قدر زیاد است که نمونه تجزیه خواهد شد. اگر بتوانیم مانع این گرمادهی موضعی شویم احیانا با چرخاندن سریع نمونه زیر نور افکن لیزری به نحوی که بخش های مختلف نمونه به نوبت گرم شوند مشاهده می کنیم که پیام های رامان قوی تری مشاهده می کنیم زیرا نور برانگیزنده توسط نمونه جذب می شود. این اثر رامان رزونانس نامیده می شود. شدت این اثر زیاد است اما عموما فقط در تعداد کمی شیوه ارتعاشی دخالت دارد و اغلب فقط یکی قابل تشخیص است. معموال باید یک توالی را بیابیم که بر احتمال های جهش چشمگیری به تعداد بسیاری از ترازهای ارتعاشی مربوط به شیوه های مطرح داللت دارد. اغلب معلوم می شود ارتعاش های خاصی که برانگیخته شده اند به طور نزدیک با آن جهش الکترونی ارتباط دارند که در درون نوار آن تابش برانگیزننده قرار می گیرد و این امر می تواند گاهی در تشخیص جهش های الکترونی سودمند باشد. کاربرد لیزر تنظیم پذیر می تواند مفید باشد زیرا نمودار برانگیختگی که شدت تقویت رزونانس را به صورت تابعی از فرکانس برانگیزننده نشان می دهد ممکن است اجازه دهد تا نوارهای الکترونی در حال هم پوشانی از یکدیگر متمایز شوند.
بر اساس طیف بینی ارتعاشی طیف رامان رزونانس سه مزیت اصلی نسبت به رامان ساده دارد : 8 شدت آن افزایش می یابد در نتیجه می توان از نمونه هایی با پراکندگی ضعیف به جای نمونه هایی بسیار رقیق استفاده کرد. 9 طیف بسیار ساده می شود زیرا فقط تعداد کمی ارتعاش تقویت می گردند. مشاهده یک توالی باعث می شود تا تابع پتانسیل ارتعاشی در سراسر گستره وسیعی از عدد کوانتومی را 3 مشخص می کند. اثر رامان رزونانس با یک طیف سنج رامان عادی قابل مشاهده است و به هیچ یک از خواص ویژه برانگیختگی لیزری بستگی ندارد. افزایش شدت به این که جهش الکترونی به علت تقارن مجاز باشد بستگی دارد و به نحوی که ارتعاش هایی که شدت آن ها تقویت پیدا کرده اند همیشه تقارن کامل دارند. با این شیوه می توانیم از هسته های فلزی برخی از مولکول های مهم زیستی نظیر هموگلوبین و برخی از آنزیم ها که در آن ها غلظت کم فلز و احالل پذیری پایین خود جسم مطالعه طیف های ارتعاشی را به شیوه دیگر مشکل می سازد طیف هایی را به دست آوریم. البته طیف های زیر قرمز و رامان ساده چنین گونه های بزرگی نیز بسیار پیچیده است و طیف رامان رزونانس به علت سادگی با سهولت بیشتری تفسیر می شود.
کاربرد های اسپکتروسکوپی رامان : آنالیز نمونه های بالک : اسپکتروسکوپی رامان با موفقیت های زیاد و قابل توجهی در آنالیز اکسیدهای فلزی استفاده شده است باالخص در مورد شیشه های اکسید فلزات در مورد آنالیز این مواد به روش رامان دیگر مشکالتی که در روش مادون قرمز وجود دارد وجود ندارد. اکسیدهای فلزات در ناحیه مادون قرمز جذب بسیار باالیی دارد و لذا از طریق آنالیز IR تقریبا آنالیز آنها غیر ممکن است و طیف رامان در این موارد بسیار مهم است. همچنین قطعات بالک پلیمری نیز اگرچه در گذشته با استفاده از طیف مادون قرمز آنالیز می شدند اما امروزه از طیف رامان به طور گسترده برای آنها استفاده می شود. آنالیز سطوح : استفاده از لیزر به عنوان منبع نوری تک رنگ قوی سبب شد که اسپکتروسکوپی رامان کاربردهای وسیعی در آنالیز سطوح پیدا می کند. عالوه بر این اسپکتروسکوپی رامان تا حد زیادی بر محدودیت های روش مادون قرمز غلبه می کند. یکی از فواید اسپکتروسکوپی رامان قابلیت آن در نواحی فرکانس کمتر از طیف می باشد. رفتارهای 85 با وسایل شناسایی مرسوم مشخصه یابی می شوند. ارتعاشی در محدوده ی خط رایلی در حدود 1 cm 955 این ناحیه یا به طور عمومی تر 1 cm با استفاده از آشکار سازهای مادون قرمز قابل شناسایی نمی باشد. این اطالعات موجود در محدوده های فرکانسی پایین در آنالیز کامل ارتعاشی سطح نمونه ها به ویژه دارای اهمیت است. به خصوص زمانی که نیاز به درک ماهیت فعل و انفعاالت شیمیایی سطح ماده و زیر الیه می باشد. اسپکتروسکوپی رامان به ویژه برای آنالیز سطوحی که در محیط های آبی قرار دارند دارای اهمیت است. زیرا همان طور که قبال اشاره شد آب طیف رامان بسیار بسیار ضعیفی دارد. این نکته سبب می شود با استفاده از
اسپکتروسکوپی رامان بتوان مشکالتی را که برای سطوح در آب ایجاد می شود را مورد بررسی قرار دهیم که از جمله آنها می توان به خوردگی اشاره کرد. سومین مشکلی که طیف سنجی مادون قرمز در آنالیز سطوح دارد و طیف سنج رامان بر آن غلبه کرده این است که تداخل میان اشعه جذب شده و مواد بالکی وجود دارد که در زیر الیه قرار دارد. از این مزیت طیف سنج رامان به خصوص در آنالیز سیستم های اکسید فلزات استفاده می شود زیرا الیه های سطحی اکسید فلزات جذب بسیار قوی در زیر مادون قرمز دارند در حالی که پراکندگی ضعیف تا متوسطی را در رامان ایجاد می کنند. مقایسه اسپکتروسکوپی رامان و مادون قرمز : طیف رامان اطالعات مفصلی درباره ی حرکت ارتعاشی اتم ها در مولکول ها می دهد. همچنین چون ارتعاشات به تغییرات شیمیایی حساس هستند طیف ارتعاشی می تواند برای بررسی خواص شیمیایی مولکول ها استفاده گردد. اساسا حرکات ارتعاشی که پیک ها را در طیف رامان تولید می کند در طیف مادون قرمز هم نیز همان پیک ها تولید می شوند. از این رو اکثر اطالعات اساسی که در مطالعات IR به دست آورده می شود می تواند به اسپکتروسکوپی رامان انتقال یابد و بر عکس. اما فیزیک اثر رامان و فرایند جذبی IR کامال متفاوت است و این غیر متشابه بودن دلیل مهمی برای کاربرد اسپکتروسکوپی رامان در رشته هایی مانند بیوشیمی می باشد. اثر رامان یک فرایند پراکندگی است که در آن بر هم کنش بین فوتون و مولکول در یک زمان بسیار اندک اتفاق می افتد و پیک های رامان مربوط به فوتون هایی هستند که به طور غیراالستیک از مولکول پراکنده می شوند. بر عکس پیک ها در یک طیف IR مربوط به انرژی است که در آن فوتون ها به وسیله ی مولکول جذب می شوند. بایستی خاطر نشان کرد که برای توصیف کامل حرکات ارتعاشی مولکول هم طیف رامان و هم طیف IR مورد نیاز است. عالوه بر آن اغلب به دست آوردن طیف IR یک ماده بیولوژیک در آب غیرممکن است تحت این شرایط طیف رامان تنها منبع اطالعاتی می باشد.
اختالف عمده بین تکنیک های رامان و IR در این است که در طیف بینی مادون قرمز هیچ اثر مشابهی با رزونانس رامان وجود ندارد و رزونانس رامان زمانی رخ می دهد که طول موج لیزر در باند جذبی الکترونی قوی کروموفور مورد نظر قرار گیرد. تحت این شرایط باندهای رامان مشاهده شده می توانند به اندازه ی هزار تا صدهزار برابر تشدید شوند. اطالعات در مورد فرکانس ارتعاشی مولکولی که توسط اسپکتروسکوپی جذب IR فراهم می آید مانند اطالعاتی است که توسط خطوط رامان به دست می آید. به عالوه برای مولکول هایی با تقارن کم و یا مولکول های نامتقارن طیف رامان و مادون قرمز کامال شبیه هم هستند. اطالعات به دست آمده از هر دو تکنیک مخصوصا برای مولکول هایی که مرکز تقارن دارند مهم است زیرا دو تکنیک دقیقا مکمل هم هستند و بدون هیچ ارتباطی بین پیک های اصلی نشان داده شده در هر طیف مکمل بودن از قانون مشتق می شود این قانون بیان می کند که برای مولکول هایی با یک مرکز تقارن انتقاالت ارتعاشی که در IR مجاز هستند در اثر رامان ممنوع می باشند و بر عکس. دلیل برای مکمل بودن طیف رامان و IR در طبیعت متفاوت بودن فرایند فیزیکی این دو اثر است. از این رو برای درک دقیق رفتار ارتعاشی ماده نیاز به استفاده از این دو تکنیک است. شکل 7 طیف رامان و مادون قرمز از یک ماده که نشان دهنده ی مکمل بودن این دو روش آزمایشی است.
مزایا و معایب اسپکتروسکوپی رامان در مطالعات بیوشیمیایی : الف ) مزایا : 8 طیف رامان می تواند برای محلول های ملکول ها به دست آید به خاطر این که آب طیف رامان ضعیفی دارد که فقط به مقدار بسیار اندک برای طیف حل شونده مزاحمت ایجاد می کند. بر عکس آب جذب شدیدی در IR دارد که مانع اسپکتروسکوپی IR در محلول های مائی می شود. 9 مایعات محلول ها گازها فیلم های نازک سطوح جامدات و کریستال های منفرد با این روش می توانند مورد مطالعه قرار بگیرند. 3 مقدار کمی از مواد در این مطالعات مورد نیاز است. حجم فعال پراکندگی رامان به وسیله اشعه لیزر متمرکز شده معین می شود. میزان این حجم به ابعاد * 5/9 5/550 سانتیمتر و نمونه مورد احتیاج کافی است که این فضا را پر کند. 4 اسپکتروسکوپی رامان تنوع شرایط آزمایش را فراهم می کند که دلیل آن قدرت مانور لیزر است. با در نظر گرفتن مزایای اشاره شده در بند های 9 و 3 از این آزمایش می توان به عنوان یک آزمایش انعطاف پذیر نام برد. دستگاه های استفاده شده در انواع دیگر اسپکتروسکوپی و بیوفیزیک به راحتی برای استفاده از رامان قابل تنظیم هستند. 0 باندهایی با قطبیت یکسان ( Homopolar ) از قبیل S S و یا C C باندهای قوی و یا نسبتا قوی را به دست ما می دهند. در IR این باندها یا خیلی ضعیف هستند و یا غیر قابل تشخیص. 4555 cm 1 85 طیف ارتعاشی کامل از تا می تواند به وسیله ی یک اسکن منفرد اسپکترومتر رامان 6 معمولی گرفته شود. که این مزیت رامان بر IR می باشد چون در IR دستگاه های مخصوص الزم است تا ناحیه ی زیر 655 را پوشش دهند.
0 مقیاس زمانی اثر رامان و رزونانس رامان اساسا آنی است. بنابراین طیف رامان یک Snapshot آنی را برای همه مولکول ها به دست می دهد. از این رو در سیستمی که تبادل شیمیایی سریع رخ می دهد سهم هر کدام از موارد ذکر شده در یک طیف رامان متناسب با غلطت آن می باشد. 1 طیف رامان کامل می تواند در کمتر از یک ثانیه ثبت شود. ب ) معایب : 8 جریان فوتونی باالی پرتو لیزر می تواند اثرات فوتو شیمیایی ناخواسته در نمونه ایجاد کند. 9 پدیده رامان و حتی رزونانس رامان یک فرایند فیزیکی غیر متحمل است و طیف رامان به آسانی به وسیله ی فرایند های رقابتی نظیر فلورسانس پوشیده می شود. البته روش های آزمایشگاهی وجود دارد که بتوان بر معایب گفته شده در این دو مورد غلبه کند. 3 در اسپکتروسکوپی رامان معمولی الزم است که غلظت هایی که توسط بیوشیمی دان ها مورد بررسی قرار می گیرد تقریبا باال باشد. به عنوان مثال 5/58 تا 5/8 موالر. 4 اسپکتروسکوپی رامان معمولی محلول ها معموال به سطح باالیی از همگن بودن نوری نیاز دارد.
منابع و مراجع 1 ) ASM Handbook, Vol 10, Materials Characterization, Ninth ed. 2 ) M.C.Robin, Laser Raman Spectroscopy, Wiley interscience, 1971 3 ) R.L.McCreery, Raman Spectroscopy for chemical analysis, John Wiley 4 ) S.K.Freeman, Application of laser raman spectroscopy, Wiley, 1974