تحليل Raman الطيفي

تحليل Raman الطيفي هو أحد أساليب التحليل الطيفي الجزيئي، والذي يستخدم تفاعل الضوء مع المادة للحصول على رؤية لتكوين المادة أو خصائصها مثل تحويل الأشعة تحت الحمراء بنظام فورييه. وتنتج المعلومات المتوفرة من خلال نتائج تحليل Raman الطيفي عن عملية تشتت الضوء، بينما تعتمد تقنية التحليل الطيفي لتحويل الأشعة تحت الحمراء على امتصاص الضوء. حيث يُنتج تحليل Raman الطيفي معلومات حول الاهتزازات التي تحدث داخل الجزيئات ومن جزيء لآخر ويمكن أن يوفر فهمًا إضافيًا حول التفاعل. ويوفر كل من تحليل Raman الطيفي والتحليل الطيفي لتحويل الأشعة تحت الحمراء بنظام فورييه خاصية طيفية لاهتزازات محددة لأحد الجزيئات ("البصمة الجزيئية") كما أن كلا الأسلوبين لهما قيمة عالية في إطار التعرف على المواد. إلا أن تحليل Raman الطيفي يمكنه توفير معلومات إضافية حول أوضاع التردد الدنيا، والاهتزازات التي توفر نظرة على الشبكة البلورية والهيكل الأساسي الجزيئي. 

ويُستخدم تحليل Raman الطيفي في خط الإنتاج لمراقبة عمليات البلورة والكشف عن آليات التفاعل وسماته الحركية. وتتيح هذه البيانات جنبًا إلى جنب مع أدوات التحليل إمكانية الفهم المستنير للتفاعل وتحسينه. 

عندما يتفاعل الضوء مع الجزيئات في أحد الغازات أو السوائل أو إحدى المواد الصلبة، فإن الغالبية العظمى من الفوتونات تتشتت أو تنتشر بنفس طاقة تشتت الفوتونات الساقطة. وتُعرف هذه الظاهرة بالتشتت المرن أو تشتت Rayleigh. وسيتشتت عدد صغير من هذه الفوتونات، حوالي 1 فوتون من كل 10 ملايين فوتون، بتردد مختلف عن الفوتون الساقط. وتُسمى هذه العملية بالتشتت غير المرن، أو تأثير Raman نسبة للسيد C.V. Raman الذي اكتشفها وحصل على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1930 عن عمله. ومنذ ذلك الوقت، اُستخدم تأثير Raman في مجموعة واسعة من التطبيقات بدءًا من التشخيصات الطبية وحتى علوم المواد وتحليل التفاعلات. حيث يسمح Raman للمستخدم بجمع التوقيع الاهتزازي للجزيء، مما يعطي نظرة على كيفية تجمُّعه، وكذلك كيفية تفاعله مع الجزيئات الأخرى المحيطة به.

تتم عملية تشتت Raman، حسب وصفها في ميكانيكا الكم، عندما تتفاعل الفوتونات مع أحد الجزيئات، حيث قد يتقدم الجزيء إلى حالة افتراضية بطاقة أعلى. ومن هذه الحالة ذات الطاقة الأعلى، قد تحدث بعض النتائج المختلفة. وتتمثل إحدى هذه النتائج في انخفاض مستوى طاقة الجزيء إلى مستوى يختلف عن حالته الأولية، وينتج فوتونًا بطاقة مختلفة. ويُعرف الفرق بين طاقة الفوتون الساقط وطاقة الفوتون المشتت بإزاحة Raman.

عندما يكون التغير في طاقة الفوتون المشتت أقل من الفوتون الساقط، يُطلق على التشتت اسم تشتت ستوكس. قد تبدأ بعض الجزيئات في حالة من الإثارة الاهتزازية وعندما تتقدم إلى الحالة الافتراضية ذات الطاقة الأعلى، قد تنخفض إلى حالة طاقة نهائية أقل من الحالة المثارة الأولية. ويُعرف هذا التشتت بتشتت ستوكس المضاد. 

على عكس التحليل الطيفي لتحويل الأشعة تحت الحمراء بنظام فورييه الذي يبحث في التغيرات في العزوم ثنائية القطب، ينظر Raman إلى التغيرات التي تحدث في قابلية استقطاب الروابط الجزيئية. حيث يمكن أن يؤدي تفاعل الضوء مع الجزيء إلى تشوه تغبش الإلكترون. ويُعرف هذا التشوه بالتغير في قابلية الاستقطاب. حيث تتمتع الروابط الجزيئية بتحولات طاقة محددة يحدث فيها تغير في قابلية الاستقطاب، مما يؤدي إلى نشوء أوضاع Raman النشطة.  وكمثال على ذلك، فإن الجزيئات التي تحتوي على روابط بين ذرات متجانسة النوى مثل روابط الكربون والكربون والكبريت والكبريت والنيتروجين والنيتروجين تخضع لتغير في قابلية الاستقطاب عندما تتفاعل الفوتونات معها. وهذه بعض الأمثلة على الروابط التي تؤدي إلى حدوث نطاقات Raman الطيفية النشطة، ولكن لا تتم رؤيتها أو تصعب رؤيتها في التحليل الطيفي لتحويل الأشعة تحت الحمراء بنظام فورييه.

ونظرًا لأن Raman هو تأثير ضعيف بطبيعته، يجب أن تكون المكونات البصرية لجهاز Raman لقياس الطيف الضوئي ملائمة ومحسنة جيدًا. ونظرًا لأن الجزيئات العضوية قد يكون لها ميل أكبر إلى التألق عند استخدام إشعاع ذي طول موجي أقصر، عادةً ما تُستخدم مصادر الإثارة أحادية اللون ذات الطول الموجي الأطول، مثل الصمامات الثنائية الليزرية ذات الحالة الصلبة التي تنتج الضوء عند 785 نانومتر.  

يُستخدم تحليل Raman الطيفي في الصناعة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك ما يلي:

• عمليات البلورة
• التعرف على التعدد الشكلي
• تفاعلات البلمرة
• تفاعلات الهدرجة
• التركيب الكيميائي
• التحفيز الحيوي والتحفيز الإنزيمي
• كيمياء التدفق
• مراقبة العمليات الحيوية
• التفاعلات التخليقية

على الرغم من أن تحليل Raman الطيفي والتحليل الطيفي لتحويل الأشعة تحت الحمراء بنظام فورييه يقدمان معلومات مجانية وغالبًا ما تكون قابلة للتبادل، إلا أن هناك بعض الاختلافات العملية التي تؤثر على تحديد أفضلية أي منهما لتجربة معينة. سوف يسمح معظم التماثل الجزيئي بحدوث نشاط Raman والأشعة تحت الحمراء. وتتمثل إحدى الحالات الخاصة في احتواء الجزيء على مركز انعكاس. في الجزيء الذي يحتوي على مراكز انعكاس، تكون نطاقات Raman ونطاقات الأشعة تحت الحمراء متعارضة، أي تكون الرابطة إما نشطة بمقياس Raman أو نشطة بالأشعة تحت الحمراء ولكنها لن تكون نشطة بالاثنين معًا. وتنص إحدى القواعد العامة على أن المجموعات الوظيفية التي لها تغيرات كبيرة في الأقطاب الثنائية قوية في حالة الأشعة تحت الحمراء، في حين أن المجموعات الوظيفية التي لها تغيرات ثنائية القطب ضعيفة أو متمتعة بدرجة عالية من التماثل ستظهر بشكل أفضل في أطياف Raman.

اختر تحليل Raman الطيفي في الحالات التالية:

• عندما يكون البحث عن روابط الكربون في الحلقات الأليفاتية والعطرية له أهمية أساسية
• الروابط التي يصعب رؤيتها في التحليل الطيفي لتحويل الأشعة تحت الحمراء بنظام فورييه (أي 0-0، S-H، C=S، N=N، C=C إلخ.)
• عندما يكون من المهم فحص الجسيمات في المحلول، مثل تعدد الأشكال
• عندما تكون الأوضاع الترددية المنخفضة مهمة (مثل الأكاسيد غير العضوية) 
• دراسة التفاعلات في الوسائط المائية
• عندما تكون التفاعلات التي تتم فيها الملاحظة من خلال نافذة تفاعل أسهل وأكثر أمانًا (مثل التفاعلات المحفزة عالية الضغط وعمليات البلمرة)
• عندما تكون دراسة الأوضاع الشبكية منخفضة التردد أمرًا مهمًا
• دراسة بدء التفاعل، ونقطة النهاية، واستقرار المنتج للتفاعلات ثنائية الأطوار والغروانية

اختر التحليل الطيفي لتحويل الأشعة تحت الحمراء بنظام فورييه في الحالات التالية:

• دراسة تفاعلات المرحلة السائلة
• التفاعلات التي تتفاعل فيها المواد المتفاعلة، والكواشف، والمذيبات، وأنواع التفاعلات المتلألئة
• عندما تكون الروابط ذات التغيرات ثنائية الأقطاب القوية مهمة (مثل C=O، O-H، N=O)
• عندما تكون التفاعلات التي تكون فيها الكواشف والمواد المتفاعلة منخفضة التركيز
• التفاعلات التي تكون فيها روابط المذيبات قوية في نطاقات Raman ويمكن أن تغمر إشارة الأنواع الرئيسية
• التفاعلات التي تكون فيها الوسائط المتشكلة نشطة للأشعة تحت الحمراء

يوفر تحليل Raman الطيفي عددًا كبيرًا من المميزات. ونظرًا لأن أجهزة Raman تستخدم الليزر في المنطقة المرئية، يمكن استخدام كابلات الألياف البصرية من السليكا المرنة لإثارة العينة وجمع الإشعاع المتناثر، وقد تكون هذه الكابلات طويلة تمامًا إذا لزم الأمر. ونظرًا لاستخدام الضوء المرئي، يمكن استخدام الزجاج أو الكوارتز لحمل العينات. وهذا يعني، في دراسة التفاعلات الكيميائية، أن مسبار Raman يمكن إدخاله في التفاعل أو يمكنه جمع أطياف Raman من خلال نافذة، وذلك في حلقة عينة أو خلية تدفق لأحد التفاعلات الخارجية على سبيل المثال. ويؤدي النهج الأخير إلى استبعاد احتمالية تلوث مجرى العينة. وتعني القدرة على استخدام الكوارتز أو الياقوت عالي الجودة كمواد للنافذة أنه يمكن استخدام خلايا الضغط العالي للحصول على أطياف Raman الخاصة بالتفاعلات المحفزة. وفي دراسة المحفزات، يُعد التحليل الطيفي التشغيلي باستخدام تأثير Raman مفيدًا للغاية في دراسة التفاعلات فوريًا في الموقع على الأسطح المحفزة. وتتمثل إحدى الميزات الأخرى لطريقة Raman في أن روابط الهيدروكسيل ليست نشطة لمقياس Raman بشكل خاص، مما يجعل تحليل Raman الطيفي في الوسائط المائية مباشرًا. ويُعد تحليل Raman الطيفي من الأنشطة غير الإتلافية، على الرغم من أن بعض العينات قد تتأثر بإشعاع الليزر. ويتمثل أحد الاعتبارات التي يجب مراعاتها عند اختيار هذه التقنية في مدى تألق عينة معينة. حيث يُعد تشتت Raman ظاهرة ضعيفة ويمكن أن يؤدي التألق إلى غمر الإشارة مما يجعل جمع بيانات الجودة أمرًا صعبًا. وغالبًا ما يمكن تخفيف هذه المشكلة عن طريق استخدام مصدر إثارة بطول موجي أطول.

وفيما يتعلق بتحليل التفاعل، يُعد تحليل Raman الطيفي حساسًا للعديد من المجموعات الوظيفية ولكنه يكون استثنائيًا عند الحصول على معلومات الأساس الجزيئي، ويوفر بصمة جزيئية فريدة من نوعها. ونظرًا لأن تحليل Raman يستخدم قابلية استقطاب الروابط ولديه القدرة على قياس الترددات المنخفضة، فإنه يكون حساسًا لاهتزازات الشبكة البلورية مما يعطي المستخدم معلومات التعددية الشكلية التي قد يصعب الحصول عليها باستخدام التحليل الطيفي لتحويل الأشعة تحت الحمراء بنظام فورييه. وهذا يسمح باستخدام تحليل Raman بفعالية كبيرة لدراسة البلورة والعمليات المعقدة الأخرى. 

يتكون مقياس Raman للطيف الضوئي الحديث وصغير الحجم من عدة مكونات أساسية، والتي تشمل الليزر الذي يعد مصدر الإثارة للحث على تشتت Raman. عادةً ما تستخدم أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة في أجهزة Raman الحديثة بأطوال موجية شائعة تبلغ 532 نانومتر و785 نانومتر و830 نانومتر و1064 نانومتر. وتحتوي أشعة الليزر ذات الطول الموجي الأقصر على مقاطع عرضية أعلى لتشتت Raman، وبالتالي فإن الإشارة الناتجة تكون أكبر، ومع ذلك يزداد حدوث التألق بطول موجي أقصر. ولهذا السبب يكون العديد من أنظمة Raman مجهزًا بالليزر ذي الطول الموجي 785 نانومترًا. حيث تنتقل طاقة الليزر إلى العينة وتجمعها بواسطة كابلات الألياف البصرية. ويُستخدم مرشح حز أو حافة للتخلص من تشتت Rayleigh وتشتت ستوكس المضاد، بينما يتم تمرير ضوء ستوكس المشتت المتبقي إلى عنصر تشتت، والذي عادةً ما يكون عبارة عن محززة تصوير مجسم. ويلتقط كاشف اقتران الشحنة (CCD) الضوء، مما يؤدي إلى حدوث طيف Raman. ونظرًا لأن تشتت Raman يعطي إشارة ضعيفة، فمن المهم للغاية أن يتم استخدام مكونات عالية الجودة ومتناسقة بصريًا في مقياس Raman للطيف الضوئي. 

عندما يتم جمع الطيف بشكل متسق على مدار التجربة، قد يكشف عن "فيديو جزيئي" يقدم معلومات أساسية فيما يتعلق بالخصائص الحركية والآليات وتغيرات الشكل في أثناء التفاعل. وقد تم إجراء هذا التحليل تقليديًا من قبل علماء التحليل الطيفي ذوي المعرفة المتخصصة في العثور على مجالات الاهتمام الرئيسية وتوجيه هذه الأعداد الموجية على مر الزمن. إلا أن التطورات المجراة على البرامج (مثل ميزة "Find Trends" في برنامج iC Raman 7) أتاحت إمكانية التشغيل الأتوماتيكي لهذه الخبرة بطريقة يمكن أن يستغلها الخبراء وغير الخبراء في استخراج المعلومات الأساسية بسهولة من أجل اتخاذ القرارات بسرعة وثقة.

أداء بحجم صغير. يجمع جهاز ReactRaman بين أفضل أداء في فئته والتصميم المرن. حيث يتميز مقياس الطيف الضوئي بأنه صغير وخفيف ومستقر حراريًا، ويوفر نتائج رائعة أينما دعت الحاجة.

نتائج سريعة ودقيقة. يوفر جهاز ReactRaman المحسن للمراقبة في الموقع أطيافًا دقيقة وحساسة يمكن تحويلها بسهولة إلى نتائج باستخدام ميزة One Click Analytics­™‎ في برنامج iC Raman 7.

منصة متكاملة. اجمع بين الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، وتوصيف الجسيمات، والمفاعلات الكيميائية الأتوماتيكية للتمتع بدرجة شاملة من الفهم والمراقبة.

الخبرة المشتركة. من خلال أكثر من 30 عامًا من الخبرة في تحليل التفاعلات، نحن ملتزمون بتطوير حلول عالية الأداء حتى يتمكن العلماء من حل المشكلات الكيميائية الصعبة.

جهاز التحليل الطيفي ReactRaman هو جزء من مجموعة متكاملة من المنتجات، والتي تشمل ما يلي:

• نظام ReactIR بتقنية التحليل الطيفي لتحويل الأشعة تحت الحمراء بنظام فورييه في الموقع
• توصيف الجزيئات المضمن من خلال ParticleTrack وParticleView
• مفاعلات التركيب الكيميائي EasyMax وOptiMax وRX-10
• أخذ العينات الأتوماتيكي المضمن داخليًا من خلال EasySampler

تم جمع هذه الأدوات المصممة خصيصًا للتطوير الكيميائي والعملياتي عبر منصة برمجيات iC القوية لتوفير فهم شامل للعمليات.