اقرأ في هذا المقال
ما هو تبعثر رامان؟
مطياف رامان (Raman spectroscopy) هو شكل تشتت من التحليل الطيفي الجزيئي، غالبًا ما تتم مقارنته مع التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء لأنّ كلاهما يوفر معلومات حول بنية وخصائص الجزيئات من تحولاتها الاهتزازية، يحدث امتصاص الأشعة تحت الحمراء عندما يكون تردد الضوء الوارد مساويًا للتردد الاهتزازي لوضع اهتزازي معين للجزيء الذي يسمح بامتصاص الفوتون “غير مبعثر”، هذا هو حدث فوتون واحد بالنسبة للعزم ثنائي القطب للجزيء.
على النقيض من ذلك، فإنّ تشتت رامان أو تبعثر رامان، أو “تأثير رامان” (Raman effect)، هو حدث ثنائي الفوتون ينطوي على تغيير في استقطاب الجزيء فيما يتعلق بحركته الاهتزازية في شكل طاقة مبعثرة، يؤدي تفاعل استقطاب الجزيء مع الضوء الوارد إلى إحداث عزم ثنائي القطب والضوء المنتشر بواسطة هذا ثنائي القطب المستحث يحتوي على “تشتت رامان” جنبًا إلى جنب مع “تشتت رايلي” (Rayleigh scattering)، “تبعثر رايلي” يتوافق مع الضوء المنتشر بشكل مرن، بنفس تردد الإشعاع الساقط، يتم تحويل “تشتت رامان” في التردد والطاقة من الإشعاع الساقط بمقدار الطاقة المكتسبة أو المفقودة في الجزيء حيث ينثر الطاقة ثمّ يصبح في حالة السكون.
توفر هذه التحولات الجزيئية المحددة، لكل من مطيافية (FTIR) و(Raman)، عند رسمها كطيف نمطًا فريدًا أو بصمة للمركب قيد التحقيق، بسبب خصائص التناظر للجزيء، قد لا تُرى الاهتزازات التي تُرى في طيف رامان “أو تُلاحظ بشكل ضعيف” في طيف الأشعة تحت الحمراء والعكس صحيح عند استجواب الجزيئات غير المتماثلة، يتم تلخيص هذا السلوك في قواعد الاختيار التي تحكم هذه الأنواع من التفاعلات، استنادًا إلى المعلومات الجزيئية المتشابهة، ولكن الفريدة، التي اكتسبتها هذه التقنيات، تعتبر (Raman) و(IR) تقنيات تكميلية.
تاريخ تبعثر رامان:
في عام (1928)، لاحظ “رامان” و”كريشنان” الظاهرة التي تُعرف الآن باسم “تأثير رامان” وهي أساس “مطياف رامان”، تتضمن هذه الظاهرة تفاعل الفوتونات مع جزيء يتبعه تشتت غير مرن عادةً عند طاقة أقل، تنتشر الفوتونات بشكل مرن، يشار إلى هذه الفوتونات المتناثرة غير المرنة ذات الطاقة المنخفضة بواحد في المليون باسم “تشتت ستوكس” (Stokes scattering) وهي خاصة بالروابط داخل الجزيء ممّا ينتج عنه توقيع طيفي فريد لبنية جزيئية معينة.
تمّ إجراء تجربتهم باستخدام ضوء أحادي اللون، وتمّ ترشيح ضوء الشمس لتترك لونًا واحدًا فقط، ووجدوا في عام (1923) أنّ عددًا من السوائل غير لون الضوء، ولكن بشكل ضعيف جدًا، ثمّ في عام (1927) وجدوا تغيرًا قويًا في اللون بشكل خاص من الضوء المنتشر بواسطة الجلسرين حيث تغير الضوء الأزرق الساقط إلى اللون الأخضر، أخيرًا، في عام (1928)، تمّ إنشاء أول “طيف رامان” وخضع لاحقًا للعديد من التحسينات الهندسية حيث تقدم علم المواد في مجالات الليزر والبصريات وأجهزة الكشف.
نثر سطح رامان المحسن – Surface Enhanced Raman Scattering:
إشارات “رامان” ضعيفة بطبيعتها، نتيجة للعدد المنخفض إحصائيًا للفوتونات المتناثرة المتاحة للكشف، “نثر سطح رامان المحسّن” (SERS) هو إحدى الطرق المستخدمة لتضخيم إشارات رامان الضعيفة، تستخدم (SERS) أسطح معدنية ذات بنية نانوية أو خشنة، وعادةً ما تكون من الذهب أو الفضة، يؤدي الإثارة بالليزر لهذه الهياكل المعدنية إلى دفع الشحنات السطحية لإنشاء مجال محسن، وهو مجال كهربائي محسّن.
عندما يكون الجزيء قريبًا من السطح، وبالتالي هذا المجال الكهربائي المحسن، يمكن ملاحظة تحسن كبير في إشارة “رامان”، ممّا يؤدي إلى إشارات رامان بعدة أوامر أكبر من تشتت رامان العادي، هذا يجعل من الممكن الكشف عن التركيزات المنخفضة دون الحاجة إلى إضافة خطوات إلى العملية مثل وضع العلامات ثمّ قياسات التألق، تكتشف (SERS) استخدامًا متزايدًا في تطبيقات تتراوح من اكتشاف الأدوية إلى الاختبارات التحليلية، في المختبر وفي الميدان، واختبارات الطب الشرعي والتشخيص الطبي.
الفرق بين تبعثر رايلي وتبعثر رامان:
يتمثل الاختلاف الرئيسي بين “تبعثر رايلي” و”تبعثر رامان” في أنّ “تبعثر رايلي” هو تشتت مرن في حين أنّ “تبعثر رامان” هو تشتت غير مرن، تشتت معظم الفوتونات بشكل مرن عند التفاعل مع جزيء، جزء صغير “حوالي (1) من كل (10) ملايين فوتون” مبعثر بشكل غير مرن بترددات تختلف عن ترددات الفوتونات الساقطة وعادةً ما تكون ذات تردد أقل من تردد الفوتونات الساقطة.
يشار إلى الفوتونات المتناثرة بشكل مرن باسم “تشتت رايلي” وليس لها قيمة تحليلية، يشار إلى الفوتونات المتناثرة بشكل غير مرن باسم “تشتت رامان”، أظهر رامان أنّ طاقة الفوتونات المنتشرة بشكل غير مرن تعمل بمثابة “بصمة” للمادة التي تشتت الضوء، نتيجةً لذلك، يُستخدم الآن التحليل الطيفي لرامان بشكل شائع في المختبرات والعمليات الكيميائية لتحديد أي مادة تقريبًا.
تطبيقات تبعثر رامان:
تعدد الأشكال (Polymorphs):
يحدث تعدد الأشكال عندما يكون الجزيء قادرًا على الوجود في أكثر من حالة بلورية واحدة، يمكن للعديد من المواد البلورية تشكيل أشكال متعددة مختلفة من أجل تقليل طاقة الشبكة البلورية في ظل ظروف ديناميكية حرارية محددة. بينما تظل الطبيعة الكيميائية كما هي، يمكن أن تختلف الخصائص الفيزيائية “الذوبان، التحليل، الحركة والنمو، التوافر البيولوجي، التشكل وخصائص العزل” بين تعدد الأشكال.
غالبًا ما تظهر الأشكال المختلفة أنشطة صيدلانية مختلفة، ممّا يجعل أحد الأشكال مهمًا في الجرعات الصلبة بينما الآخر ليس كذلك، يعتبر التحليل الطيفي “لرامان” مثاليًا لتسجيل الاختلافات في الشكلين وفي قياس الأشكال أثناء التحسين وأثناء عملية التبلور.
البلمرة (Polymerization):
يميل مطياف رامان إلى توفير إشارة أقوى من الأشعة تحت الحمراء، من الأساس الجزيئي، وخاصة روابط الكربون المزدوجة والثلاثية، لهذا السبب يمكن أن يكون (Raman) خيارًا أفضل لتحديد البوليمرات ومراقبة تفاعلات البلمرة، تحليل البنية المجهرية أثناء البلمرة وحسابات كثافة البولي إيثيلين (LDPE / HDPE) ليست سوى عدد قليل من التطبيقات العملية حيث يتم استخدام مطيافية (Raman).
التبلور (Crystallization):
يمكن توصيف المواد البلورية وتمييزها وفقًا لبنية خلية الوحدة الخاصة بها، يمكن للعديد من المواد البلورية تشكيل أشكال متعددة مختلفة من أجل تقليل طاقة الشبكة البلورية في ظل ظروف ديناميكية حرارية محددة، بينما تظل الطبيعة الكيميائية كما هي، يمكن أن تختلف الخصائص الفيزيائية “الذوبان ، الانحلال، الحركة والنمو، التوافر البيولوجي، التشكل وخصائص العزل” بين تعدد الأشكال.
تكنولوجيا تبعثر رامان:
يأتي نجاح مقاييس (Raman Spectrometer) الحديثة ممّا يلي، استخدام الليزر للإثارة، ومقاييس طيف الضوء الشارد المنخفض، والتقدم في تصميم وتصنيع مرشحات ضوئية فعّالة ودقيقة لاختيار وعزل “مبعثر رامان” عن طول موجة الليزر “تشتت رايلي”، ومصفوفات (CCD) عالية الأداء لاكتشاف ومعالجة متناثرة ضعيفة إشارة رامان، تساهم كل هذه العناصر معًا في الأجهزة التي جلبت (Raman) إلى قبول واسع في التحليل الطيفي التحليلي وتطوير العمليات.
يوفر دمج (ReactRaman) مع مفاعل معمل آلي (EasyMax) محطة عمل فريدة ومؤتمتة لإجراء تحقيقات في التبلور وتعدد الأشكال، ممّا يتيح للعلماء الوقت للعمل على المشاريع المتنافسة، ينتج عن مشاركة البيانات بين الأنظمة نظرة عامة شاملة وتقرير عن الأحداث المهمة (مثل الجرعات، والتغيرات الحرارية، وبدء الانتقال متعدد الأشكال، ونهاية الانتقال) كل ذلك في تجربة واحدة.
