1.
Raman Spektranın Uyarılması
Şekil-1(b)'de şiddetli bir civa arkı ile uyarılmış karbon
tetraklorürün Raman spektrumu görülmektedir. Raman pikleri 218, 324, 459, 762,
ve 790 cm-1 ‘de bulunur. Kaynağın spektrumu (referans) Şekil-1(a)'da
verilmiştir.
Şekil-1: (a) Bir civa
arkının, ve (b) CCl4’ün Raman spektrumu
Görüldüğü gibi (a) daki iki civa hattı, normal Rayleigh
saçılması sonucu (b) deki spektrumda da ayni dalga boyunda çıkmıştır. Ayrıca
404.7 ve 435.8 nm’lerdeki iki şiddetli civa hatlarından daha uzun dalga
boylarında beşer hattın bulunduğu iki hat takımı bulunur. Her Raman hattı
takımının kendisine yakın olan civa hattı tarafından uyarıldığı kabul edilirse,
her iki takımda bulunan hatlar arasındaki dalga sayıları (cm-1)
farklarının birbirine eşit olduğu görülür. 404.7 nm deki s = 24710 cm-1 hattı, 24492,
24386, ve 24251'de Raman hatları çıkarır. Şekil-1(b)'nin alt skalasında
gösterildiği gibi bu hatların Raman kaymaları (Ds)
218, 324, ve 459 cm-1 'dir. 435.8 nm (s = 22946 cm-1) hattının
sağ tarafında da ayni Raman kaymalarında üç hat bulunur. Ayrıca her iki takımda
Ds =762 ve Ds =790 cm-1 'de ilave hatlar vardır.
İki civa hattının sol taraflarında da birer takım az
şiddetli hatlar oluşur (404.7 nm nin solundaki band takımı şekilde
gösterilmemiştir). Bu takımlardaki hatlar arasındaki dalga sayısı farkları, sağ
taraftakilerle aynıdır.
Düşük enerjilerdeki Raman spektral hatlarının görünümü
fluoresans deneylerinde gözlenen hatlara benzer; bu nedenle bu yöndeki Raman
kaymalarına bazan " Stokes kaymaları" denir. İki olay (Raman ve
fluoresans) temelde farklı işlemlere dayanır; bu sebepten fluoresans ve Raman
spektrada ayni terimlerin kullanılması şansızlık kabul edilebilir. Yüksek
enerji yönündeki kaymalara "anti-Stoke" kaymalar denir. Anti-Stoks
hatlar, daima, karşılığı olan Stoks hatlardan daha zayıftır.
Raman spektra, saçılmayı sağlayan moleküller için özeldir ve
bu nedenle de analitik çalışmalarda önemlidir. Spektra, dalga sayısı
"kayması" Ds 'nün kaynak hattına
göre grafiğe alınmasıyla çizilir. Stokes pikleri çok şiddetli pikler
olduğundan, Ds ( cm-1 cinsinden kayma) düşük dalga boylarına göre
değerlendirilir. Yani,
Ds=
ss -s
ss özel
kaynak hattının dalga sayısı (cm-1), s Raman pikinin dalga sayısıdır. Şekil-2’de
l = 488 nm (s = 20492 cm-1) lazer ile uyarılmış CCl4’ün
Raman spektrumu görülmektedir. Raman hatlarının üstünde verilen sayılar Raman
kayma değerleridir (Dn cm-1).
Şekil-2: CCl4’ün Raman
spektrumu
Raman Piklerini Oluşturan Geçişler: Raman spektrayı karakterize eden
farklı enerji kaymaları kuvantize enerji geçişlerinin varlığını gösterir. Bu
kaymalar, ışının elektrik alanının örneğin elektronları ile etkileşerek
periyodik polarizasyon ve depolarizasyona sebep olması şeklinde açıklanır.
Sonuçta ışının enerjisi bozulmuş (distorsiyon) tanecikler halinde bir an
"fiili" bir halde alıkonur. Bu işlemin enerjileri Şekil-3'ün sol
tarafındaki iki dik okla (1,2) gösterilmiştir; etkileşimlerde, absorbsiyonun
tersine, daha yüksek enerji seviyesine geçiş yoktur.
Şekil-3’deki ikinci ok fotonlar ve ısıl olarak birinci
titreşim seviyesine uyarılmış bir molekül arasındaki etkileşimi gösterir. 10-15
–10-14 saniye kadar bir alıkonma süresinden sonra tanecikler kendi
temel hallerine dönerler (3 ve 4), bu sırada her yönde kaynakla ayni enerjide
ışın yayarlar. Bu ışının demetle açı yaparak geçirilen küçük bir bölümü
Rayleigh saçılmasına uğrar.
Bazı koşullar altında molekül bozulmuş veya fiili halden,
temel halin birinci uyarılmış titreşim seviyesine geçebilir (5). Bu geçişte
emitlenen frekans, temel hal ve birinci titreşim seviyesi arasındaki enerji
farkı (DE) kadar (kuvantize miktarda)
daha düşük olur. Yani,
yazılabilir. n ve ns sırasıyla, Raman pikinin ve
kaynak pikinin frekansları, h Planck sabitidir.
Şekil-3'nin sağında (6) görüldüğü gibi, ışının başlangıçta
kendi birinci titreşim seviyesinde bulunan bir molekül ile etkileşimiyle
anti-Stokes saçılma olur. Sonuçtaki emisyonun frekansı, eğer bozulmuş
tanecikler temel titreşime geri dönerlerse, DE'nin
miktarı kadar artar. Birinci uyarılmış haldeki moleküllerin miktarı, oda sıcaklığındaki
temel halde bulunan miktardan daha az olduğundan anti-Stoke ışın Stoke'lardan
daha zayıftır.
2. Raman Etkisi Yapan
Titreşim Şekilleri
Raman etkisinden sorumlu olan geçişler infrared absorbsiyon
için olanlarla ayni tiptedir; her iki teknikte de bir molekülün temel hali ve
birinci titreşim hali arasındaki geçişler söz konusudur. Bu nedenle bir molekül
için bir Raman çalışmasında gözlenen "enerji kaymaları", onun
infrared absorbsiyon bandlarının "enerjilerine" eşitse bu titreşim
şekli hem infrared absorbsiyon hem de Raman saçılmasına karşı aktiftir.
Şekil-3: Rayleigh ve
Raman spektranın kökeni
Şekil-4 ve 5'de bu iki tip spektranın benzerliği gösterilmiştir;
iki bileşiğin birbirine eşit s ve Ds
değerlerinde birkaç piki vardır. Ancak, her iki-spektrumda da bulunan piklerinin
relatif büyüklükleri birbirinden çok farklıdır; ayrıca spektrumun birinde bulunan
bazı pikler diğer spektrumda yoktur.
Bir Raman ve bir infrared spektrum arasındaki farklılıklar,
temel mekanizmalar düşünüldüğünde, sürpriz değildir; infrared absorbsiyon
molekülün bir titreşim şeklinde dipol momentte veya yük dağılımında bir
değişiklik olmasını gerektirir. Sadece bu koşulda ayni frekanstaki ışın
molekülle etkileşir ve onu uyarılmış bir titreşim haline yükseltir. Tersine
saçılma olayında, moleküldeki bir bağ etrafında dağılmış olan elektronlar ani
bir esnek bozulmaya uğrarlar, sonra bağ normal haline dönerken her yönde ışın
re-emisyonu (yayılma) olur. Bozulmuş haldeyken molekül geçici olarak polarize
durumdadır; böylece relaksasyon ve re-emisyonla kaybolan, ani bir tesirle dipol
oluşur.
Bir bağın saçılmaya karşı etkinliği elektronların normal
konumlarından bozulmaya olan eğilimlerine bağlıdır, buna bağların
"polarize olabilme" özelliği denir; elektron yoğunluğunun artması bağ
kuvvetinin artması, ve bağ uzunluğunun azalması, polarize olabilme özelliğinin
azalmasına neden olur. Saçılan ışında Raman kayması olabilmesi için, dipol
moment değişikliğine değil, "polarize olabilmede değişikliğe"
gereksinim vardır; yani, bir titreşim şeklinin Raman aktifliği onun infrared
aktivitesinden çok farklıdır. Örneğin, azot, klor, veya hidrojen gibi
homonükleer bir molekülün, ne denge konumunda, ne de iki çekirdek arasındaki
uzaklığını değiştiren bir gerilme titreşimi durumunda, dipol momenti yoktur. Bu
nedenle titreşim frekansı ışınının absorbsiyonu gerçekleşemez. Diğer taraftan,
böyle bir molekülün iki atomu arasındaki bağın polarize olabilmesi, gerilme
titreşimleri ile periyodik olarak, en yüksek ayrılmada bir maksimuma ve en
fazla yakınlaşmada bir minimuma ulaşarak, faz içinde değişir. Bu titreşim
şeklinin frekansında bir Raman kayması oluşur.
Şekil-4 ve 5: Mesitilen ve
inden için Raman ve infrared spektrumların kıyaslaması
Birleşen titreşim şekillerinin IR ve Raman aktifliklerini,
karbon dioksit için inceleyelim. Simetrik şekilde (Şekil-6a), iki oksijen atomu
da ya merkez karbon atomuna doğru veya merkez karbon atomundan ters yöne doğru
hareket ettiklerinden dipolde bir değişiklik olmaz; bu titreşim şekli infrared
inaktiftir. Oysa, bağların bozulması, bağların uzamasıyla kolaylaşırken
kısalmasıyla zorlaşacağından polarize olabilme özelliği, titreşimle ayni fazda
dalgalanır; sonuç bu şeklin Raman aktif olmasını sağlar.
Şekil-6(b)'de karbon dioksitin, simetrik titreşim şekli ile,
faz içindeki dipol moment dalgalanması gösterilmiştir; bu titreşim şeklinden
bir IR absorbsiyon piki oluşur. Titreşim sırasında polarize olabilme özelliği
de değişir, denge konumunda bir maksimuma, ve her iki titreşim ucunda bir
minimuma ulaşır. Ancak, polarize olabilme özelliğindeki dalgalanmalar titreşim
değişiklikleri ile ayni fazda olmayıp frekansın iki katında meydana gelir.
Sonuçta bu asimetrik titreşimlerde Raman saçılması oluşamaz.
Karbon dioksitin iki kesilmiş titreşim şeklinden de bir
dipol değişikliği ve böylece bir IR absorbsiyon meydana gelir. Bu durumda da
polarize olabilme özelliğindeki değişiklik titreşim frekansında değil iki katı
olan bir değerde gerçekleşir; dolaysıyla bu iki titreşim şekli Raman saçılması
üretmezler.
Şekil-6:
Karbon dioksitin iki titreşim şeklinin
Raman ve infrared aktiflikleri
Bu örneklerde Raman ve infrared spektralar birbirini
tamamlarlar, her biri moleküdeki ayrı bir titreşim takımını tanımlar. Hem Raman
ve hem de infrared aktif olan titreşim şekilleri de vardır. Böyle durumlarda
iki spektradaki pikler ayni enerjilerde çıkarlar. Karşılıklı piklerin relatif
şiddetleri farklı olabilir, çünkü iki mekanizmadaki geçiş olasılıkları
birbirinden farklı olabilir.
3.
Raman Piklerinin Şiddeti
Bir Raman pikinin şiddeti veya gücü karmaşık bir yolla molekülün
polarize olabilme özelliğine, kaynağın şiddetine, ve aktif grubun
konsantrasyonuna bağlıdır. Absorbsiyon olmadığı durumda Raman emisyonunun gücü,
kaynağın frekansının dördüncü kuvvetiyle artar; abcak ultraviyole
ışınlandırmada parçalanma olasılığı nedeniyle, bu bağıntı nadiren bir
avantajdır. Raman şiddetleri, çoğunlukla, aktif
taneciklerin konsantrasyonu ile orantılıdır. Bu bakımdan Raman spektroskopisi,
konsantrasyon-şiddet bağıntısının logaritmik olduğu absorbsiyon spektroskopi-sinden
çok, fluoresans spektroskopisine benzer.
Cihaz: Modern
Raman spektroskopisi cihazı üç kısımdan oluşur, bunlar: şiddetli bir kaynak, bir
örnek aydınlatma sistemi ve uygun bir spektrofotometredir. Raman
spektrometreler dizayn yönünden klasik UV/görünür dispers enstrümanlara benzer;
çoğunda çift grating sistem bulunur ve transduser olarak fotomultiplierler kullanılır.
Fourier transform Raman spektrometrelerde soğutulmuş germanyum veya çok kanallı
transduser sistemler bulunmaktadır.
Kaynaklar: : En çok kullanılan Raman kaynağı 50
mW güçte sürekli çalışan helyum/neon lazeridir. Lazer ışını 632.8 nm'de
üretilir. Daha düşük-şiddetteki hatlar uygun dar band filtrelerle
uzaklaştırılmalıdır.
Şekil-7: FT-Raman
cihazının şematik görünümü
Başka bir yöntemde lazer olmayan hatların lazerden daha
çabuk sapma özelliğinden yararlanılır; kaynak ile giriş slitinin arasındaki
mesafe artırılarak bu tip ışınların slite gelmeden önce uzaklaştırılması
sağlanır. Özellikle daha yüksek hassasiyet istendiğinde 488.0 ve 514.5 nm'de
hatları olan Ar-iyon lazerleri kullanılır. Raman saçılma şiddetinin, uyarıcı
kaynak frekansının dördüncü kuvvetiyle değişmesi nedeniyle, 488 nm deki argon
hattı, ayni giriş gücünde, He/Ne kaynağı ile uyarılan hatlardan ~üç kat daha
şiddetli raman hatları verir.
Şekil-8: Antrasenin,
(a) geleneksel Raman cihazı ile, ve (b) Fourier Transform-Raman cihazı ile alınmış spektrumları
Raman spektroskopi için bazı lazer kaynakları: Argon iyon (488.0 veya 514.5 nm), kripton
iyon (530.9 veya 647.1 nm), helyum-neon (632.8 n), diod (785 veya 830 nm) ve Nd-YAG
lazer (Y3Al5O12): 1064nm.
Örnek-Aydınlatma
Sistemleri: Raman
çalışmalarda örnek hazırlaması infraredde olduğundan daha basittir, çünkü
ölçülen dalga boyu farkları iki "görünür" frekanstadır. Bu nedenle
pencereler, mercekler, ve diğer optik malzemeler camdan yapılır. Ayrıca, kaynak
küçük bir alan üzerine tam olarak odaklanmıştır ve emitlenen ışının bir yarık
üzerine en etkin şekilde odaklanması sağlanmıştır.
Raman
Spektrofotometreler: İlk
Raman çalışmalarında, spektranın fotoğraf filmlerine veya levhalarına
kaydedildiği, prizma spektrografları kullanılmıştır. Bunlarda şiddetler, oluşan
hatların koyuluk derecelerine göre saptanır. Şimdi kullanılan Raman
spektrofotometrelerde pik şiddetlerini kaydeden fotomultiplierler bulunur.
Bunların dizaynları UV ve görünür ışık absorbsiyon spektrofotometrelerden çok
farklı değildir. Çoğunda, dedektöre ulaşan istenmeyen ışını minimuma indirmek
için çift monokromatör kullanılır. Ayrıca, kaynağın şiddetindeki dalgalanmaların
etkilerini dengelemek için bir ayırıcı-demet dizaynından yararlanılır.
Şekil-9: Değişik
lazer uyarma kaynaklarıyla elde edilen Raman spektrumları
Şekil-10: İki örnek
uyarma sistemi
Bu durum çok küçük örneklerin bile incelenmesine olanak
verir. Çok kullanılan sıvı örnek tutucusu sıradan bir cam erime-noktası kapiler
tüptür.
Çok çeşitli örnek yerleştirme yöntemlerinden ikisi Şekil-10'da
görülmektedir. Cidarlarında Raman ışınının yansımasıyla ilgili detayların
görülebilmesi için (b)'deki tüp gerçek boyutundan daha büyük çizilmiştir;
gerçekte, ise 5 cm uzunluğunda ve dış çapı 1 mm olan bir kapiler tüptür.
Seyreltik gaz çözeltilerinde olduğu gibi çok zayıf sinyaller
alındığında hücre lazer kaynağının aynaları arasına konulur; böylece yüksek
uyarma gücü ile elde edilir. Şekil-11(a)’da görülen Raman spektrometrede örnek
bir monokromatik ışık kaynağıyla aydınlatılır. Bir filtreden geçtikten sonra
çıkan lazer ışını bir grating tarafından dağıtılır ve bir CCD (dedektör) çip
üzerinde görüntülenir.
Şekil-11: (a Bir Raman
spektrometrenin basit şematik görünümü, (b) Raman spektra
için tipik bir optik sistemi
Raman
ve İnfrared Örnek Hazırlama Tekniklerinin Kıyaslaması: Örnek hazırlama yöntemi bakımında
Raman spektroskopisi IR'den daha avantajlıdır; Ramanda cam hücreler
kullanılabilir, oysa IR'de kolay kırılabilen ve havadan etkilenerek bozulan
kristal halidlerin kullanılma zorunluluğu vardır.
Ramanda, çözünürlüğü sınırlı olan maddeler ince toz halinde
ezilir ve bir tarafı açık bir çukurluk içine konularak analiz edilebilir.
Polimerler ise herhangi bir ön işlem yapılmadan doğrudan analize alınabilir;
oysa, bu tip örneklerin IR çalışmalarında polimerin analizden önce film veya
kalıp halinde standart bir şekilde hazırlanması gerekir.
İki yöntemdeki önemli bir diğer farklılık da suyun
durumudur; suyun Raman ışını ile saçılması çok zayıf, IR absorbsiyonu ise çok
kuvvetlidir. Bu özellik Raman çalışmalarda sulu çözeltilerin kullanılmasına
olanak verir. Özellikle biyolojik sistemlerde, organik maddelerde, ve suyla
kirlenme sorunlarında Raman yöntemi avantajlıdır. Kolloidal veya asılı
tanecikler içeren sıvı örnekler lazer ışınını saçarak Raman etkisinin
gözlenmesini engellerler. Bu tip çözeltilerin Raman spektrumunun alınmasından
önce katı maddelerden temizlenmesi gerekir.
Raman
ve İnfrared Cihazların Kıyaslaması
Optik
Sistemler: Raman
spektrofotometreler, cam veya kuvartz optik sistemler kullanıldığından fazla
karmaşık değildir. Orta- ve uzak-infrared bölge (4000-25 cm-1)
boyunca tek bir optik sistem kullanılır; tersine aynı aralığı kapsayan infrared
çalışmalarda birkaç tane gratinge gereksinim vardır. Raman cihazının gratingi
ise IR cihazınınkinden çok daha kaliteli olmak zorundadır, çünkü gratingin
yapısı spektrayı önemli derecede etkiler.
Dedektörler ve Rezolusyon: Raman cihazlarda
fotomultiplier dedektörler kullanılır. Bunların sinyal/gürültü oranı, infrared
cihazlarda kullanılan ısıl dedektörlere göre daha avantajlıdır. Ayni kalitedeki
Raman ve infrared spektrofotometrelerin resolüsyonları hemen hemen aynidir
(~0.2 cm-1)
