RAMAN SPEKTROSKOPİSİ
Işın demeti şeffaf bir ortamdan geçtiği zaman radyant gücün
bir kısmı, demetin geliş yönüne göre çeşitli açılarla her yönde saçılır.
Ortamdaki tanecikler moleküler boyutlardaysa saçılan ışın gözle saptanamaz;
buna "Rayleigh saçılması" denir. Ortamdaki tanecikler ışının dalga
boyu ile kıyaslanabilir boyutlarda olursa saçılma, Tindal etkisi veya
bulanıklık şeklinde gözlenebilir.
Hintli fizikci C.V.Raman, bazı moleküller tarafından saçılan
az miktardaki ışının dalga boyunun gelen demetin dalga boyundan farklı olduğunu
ve dalga boyundaki kaymaların saçılmaya neden olan moleküllerin kimyasal
yapısına göre değiştiğini keşfetti (1928); buluşu ve sistematik açıklamalarıyla
1931'de fizik Nobel ödülünü kazandı. Raman saçılmasının teorisine göre olay, IR
absorbsiyonla ayni tip kuvantize titreşim değişikliklerinin sonucudur. Gelen ve
saçılan ışın arasındaki dalga boyu "farkı" orta-IR bölgeye düşer. Bir
taneciğin Raman saçılması ve IR absorbsiyon spektrumları birbirine çok benzer.
Bu iki teknik birbirinin tamamlayıcısı niteliğindedir, IR aktif bir grup Raman
inaktif, veya Raman aktif bir grup IR inaktif olabilir. Bazı sorunların
çözümünde IR yöntem, bazıları içinse Raman yöntemi avantajlıdır. Bu yakın
ilişki nedeniyle Raman spektroskopisini incelenmesine bu noktada ağırlık
verilecektir.
Raman spektranın infraredden en önemli avantajı suyun
spektrayı engellememesidir; Raman spektra sulu çözeltilerden elde edilebilir.
Ayrıca, cam veya kuvartz hücreler kullanılabilir, infraredde olduğu gibi,
sodyum klorür veya diğer atmosfere karşı kararsız pencerelerle çalışma
zorunluluğu yoktur.
1. RAMAN
SPEKTROSKOPİSİNİN TEORİSİ
Raman spektra bir örneğin, kuvvetli bir görünür monokromatik
ışın kaynağı ile ışınlandırılmasıyla elde edilir. İlk çalışmalarda bir civa
arkı kullanılmıştır; şimdi yüksek şiddetli gaz veya katı lazer kaynakları kullanılmaktadır.
Işınlandırma süresince saçılan ışının spektrumu uygun bir görünür-bölge
spektrofotometre ile, çoğunlukla 900 açıda ölçülür. Raman hatlarının
şiddetleri çoğu zaman kaynağın %0.01'i kadardır; bu durum algılama ve
ölçmelerde bazı deneysel sorunlarla karşılaşılmasına neden olur.
Raman Spektranın
Uyarılması
Raman pikleri 218, 324, 459, 762, ve 790 cm-1 ‘de
bulunur. Kaynağın spektrumu (referans) Şekil-1(a)'da verilmiştir. Şekil-1(b)'de
şiddetli bir civa arkı ile uyarılmış karbon tetraklorürün Raman spektrumu
görülmektedir.
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 aynidir.
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).
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.
Şekildeki 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,
Şekil-3:
Rayleigh ve Raman spektranın kökeni
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.
Şekil-4: Stokes ve Anti-Stokes
saçılmaların şematik görünümleri
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-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.
Şekil-5: Mesitilen
ve inden için Raman ve infrared spektrumların kıyaslaması
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.
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.
Daha önce de görüldüğü gibi, 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.
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.
Şekil-6:
Karbon dioksitin iki titreşim şeklinin Raman ve infrared aktiflikleri
Raman Piklerinin
Şiddeti
Bir Raman pikinin şiddeti veya gücü karmaşık bir yolla,
·
molekülün polarize olabilme özelliğine,
·
kaynağın şiddetine,
·
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
spektroskopisinden çok, fluoresans spektroskopisine benzer.
2. CİHAZ
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.
Şekil-7: Bir
Raman cihazının kısımları
Şekil-8: FT-Raman
cihazının şematik görünümü
Şekil-9: Antrasenin, (a) geleneksel
Raman cihazı ile, ve (b) Fourier Transform-Raman cihazı ile alınmış spektrumları
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. 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
kadar daha şiddetli raman hatları verir.
Değişik lazer uyarma kaynaklarıyla
elde edilen
Raman spektrumları
Raman spektrumları
Şekil-10: Elektromagnetik spektrumda
çeşitli lazer tiplerinin
relatif konumları
relatif konumları
Raman Spektroskopi için Bazı Lazer Kaynaklar
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. 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-11'de
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
alınması halinde hücre lazer kaynağının aynaları arasına konulur; böylece
yüksek uyarma gücü ile elde edilir.
Şekil-11:
İki örnek uyarma sistemi
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-12’de 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.
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
Raman cihazlarda fotomultiplier dedektörler kullanılır.
Bunların sinyal/gürültü oranı, infrared cihazlarda kullanılan ısıl dedektörlere
göre daha avantajlıdır. (Ref. Işın Detektörleri)
Şekil-13: Raman spektra için tipik
bir optik sistemi
Resolusyon
Ayni kalitedeki Raman ve infrared spektrofotometrelerin
resolüsyonları hemen hemen aynidir (~0.2 cm-1)
3. RAMAN
SPEKTROSKOPİSİ UYGULAMALARI
Raman spektroskopisi organik, inorganik, ve biyolojik
sistemlerin kalitatif ve kantitatif analizlerinde kullanılmaktadır.
İnorganik Maddelerin
Raman Spektrası
Raman tekniği, sulu çözeltilerle çalışmaya olanak
verdiğinden inorganik sistemlerin analizinde infrared teknikten daha üstündür.
Ayrıca metal-ligand bağının titreşim enerjileri, çoğunlukla, 100-700 cm-1 aralığında bulunur; bu bölgede infrared
çalışmalar oldukça zordur. Oysa bu titreşimlerin çoğu Raman-aktiftir ve Ds değerlerini karşılayan pikler elde edilir.
Raman çalışmalarla koordinasyon bileşiklerinin bileşimi,
yapısı, ve kararlılığı incelenebilir. Örneğin, çeşitli halojen ve halojenli
bileşikler Raman spektraları ile teşhis edilebilirler. Metal-oksijen bağları da
aktiftir. VO4, Al(OH)-4, Si(OH)8-2
, ve Sn(OH)6-2 gibi grupların spektrasından, maddenin
olası yapısı hakkında bilgi edinilir. Örneğin, perklorik asit çözeltilerinde
vanadyum(4), V(OH)2+2 (sulu) den çok, VO+2 (sulu)
şeklinde bulunur; borik asit çözeltileriyle yapılan çalışmalarda asitin
disosiyasyonuyla oluşan anyon H2BO3- değil,
tetrahedral B(OH)4- dur. H2SO4, HNO3,
H2SeO4, ve H5IO6 gibi kuvvetli
asitlerin disosiyasyon sabitleri de Raman ölçmeleri ile saptanabilmektedir.
Organik Maddelerin
Spektrası
Raman spektra bazı organik bileşikler için infrared
spektradan daha fazla bilgi verir. Örneğin, olefinlerin çift-bağ gerilme
titreşimi zayıf infrared absorbsiyonu verir ve bazan teşhis bile edilemez.
Diğer taraftan Raman bandı (infrared bandda olduğu gibi 1600 cm-1
'de çıkar) şiddetlidir, ve konumu geometrisini ve substituetlerin yapısını
belirmeye olanak verir. Yani, infrared spektra ile açıklanamayan bir olefinik
fonksiyonel grup hakkında Raman çalışmaları ile çok yararlı bilgiler alınır.
Sikloparafin türevleri için de benzer bir durum vardır; bu
bileşikler 700-1200 cm-1 bölgesinde karakteristik Raman piki
verirler. Bu pik, çekirdeklerin halkanın merkezine göre simetrik olarak, içe ve
dışa doğru hareketleriyle oluşan "nefes alma (breathing)"
titreşimidir. Pikin yeri siklopropan için 1900 cm-1 dir ve bileşiğin
karbon sayısının artmasıyla sürekli olarak düşerek siklooktan için 700 cm-1
'de bulunur; bu özelliği nedeni ile Raman spektroskopisi parafinlerin halka
büyüklüğünü tanımlayabilen fevkalade bir cihazdır. Bu vibrasyonu gösteren IR
pik çok zayıftır veya hiç gözlenemez.
Şekil-14’de, alkan
grupları için bazı grup frekanslarını gösteren tipik üç organik maddenin spektrumları
verilmiştir (heptan, sikloheksan ve izo-oktan).
Hem Raman spektrada ve hem de infrared spektrada fonksiyonel
grupların tanımlandığı bölgeler ve özel bileşiklerin teşhis edilmesinde
yararlanılan parmak izi bölgeleri vardır. Şekil-15'de fonksiyonel grupların
frekanslarını gösteren bir tablo verilmiştir. Organik bileşiklerin
tanımlanmasında referans olarak kullanılan Raman spektra katologları bulunur.
Şekil-14: Önemli fonksiyonal grupların IR ve
Raman spektrumları)
Raman spektrumları)
Şekil-15:
Çeşitli organik fonksiyonel grupların grup
frekanslarını gösteren ilişki tablosu
frekanslarını gösteren ilişki tablosu
Raman Spektroskopinin
Biyolojik Uygulamaları
Raman spektroskopisi biyolojik sistemlerde çok başarılıdır.
Bu yöntemin avantajları az miktarda örnekle çalışılabilmesi, suya karşı hassas
olmayışı, spektral detayların fazlalığı, ve konformasyonel ve çevresel
hassasiyetlerdir.
Kantitatif
Uygulamalar
Raman spektrada infrared spektraya kıyasla daha az sayıda
pik bulunur. Karışımlarda üst üste düşen piklerle fazla karşılaşılmaz ve bu
nedenle de kantitatif ölçmeler daha basitleşir. Ayrıca Raman cihazındaki
parçalar nemden etkilenmezler, ve örneğin içereceğe az miktardaki su deneyi
engellemez. Bu avantajlarına rağmen
Raman spektranın kantitatif analizde kullanımı fazla yaygınlaşamamıştır.
Yöntemin karışımlarda ne kadar başarılı olduğu Nicholson'ın
yayınladığı bir çalışmasında görülmektedir; çalışma sekiz maddenin karışımının
analizidir. Bileşikler benzen, izopropil benzen, üç ayrı izopropil benzenler,
iki ayrı izopropil türevi, ve 1,2,4,5-tetraizopropil benzendir. Karakteristik
piklerin gücü, referans (CCl 3 ) bir pikle kıyaslanır ve her bileşiğin karışım
içindeki hacim % si ile doğrusal olarak değiştiği kabul edilir.
Diğer Tip Raman
Spektroskopileri ve Uygulamaları
Ayarlanabilir lazerlerin geliştirilmesiyle 1970'li yıllardan
sonra yeni Raman spektroskopik yöntemler geliştirilmiştir. Aşağıda bu yöntemlerden
ikisi hakkında kısa bilgiler verilmiştir.
Resonans Raman
Spektroskopisi
Resonans Raman spektroskopisinde, bir maddenin elektronik
absorbsiyon piki ile ayni veya çok yakın bir frekanstaki lazer kaynağı
kullanılır; böylece kromoforun Raman saçılmasında önemli derecede artma
gözlenir. Hassasiyet ve seçicilik yüksektir. Bu teknikte yerel ısınmayla örnek
bozulacağından, lazer demetinin geçtiği örnek döndürülür veya pulslu demet
kullanılır.
Koherent (Coherent)
Anti-Stokes Raman Spektroskopisi (CARS)
Bu teknikte normal Raman spektroskopisinde karşılaşılan
düşük verim, görünür ve ultraviole bölgeyle sınırlanma, ve fluoresanstan
etkilenme gibi bazı sorunları bulunmaz.
Bir CARS deneyinde ayarlanabilir boya lazeri pompalayan bir
lazer pompası kullanılır. np
frekansındaki lazerin bir kısmı pompalamada kullanılırken bir kısmı örneği
uyarmada harcanır. Boya lazeri de örneği uyarmada kullanılır, bunun frekansı nd dır. nd, iki uyarma frekansı arasındaki fark bir raman
hattının resonans frekansına (nr)
eşit oluncaya kadar değişir. Yani,
nr
= np - nd
Buna göre meydana gelen ışın demetinin na frekansı aşağıdaki eşitlikle
verilir.
na
= 2 np - nd
Bu ışın her yönde saçılmayan ahenkli bir ışından ve bu
özelliğiyle de normal Raman ışınından ayrılır. Uyarıcı demetten ayrılması için
bir monokromatöre gereksinim olmaz, demetten uygun bir açı ile emitlenir.
Anti-Stokes bölgede oluştuğu için örneğin Stoke fluoresansından etkilenmez
(Stokes bölgede na = 2 np + nd de benzer bir demet oluşur). Uyumlu anti-Stoke
emisyonun verimi yüksekttir. Demet uyumlu olduğundan, yüksek algılama değerleri
elde edilir; bu nedenle hassasiyet de yüksek olur.
BAZI BİLEŞİKLERİN IR
VE RAMAN SPEKTRUMLARI
Mesitilen, C9H12 (120.19)
2-Metilstiren, C9H10
(118.18)
2,4-Dikloroasetofenon,
C8H6Cl2O (189.04)
Akrilik asit, C3H4O2
(72.06)
N,N-Dimetilformamid C3H7NO
(73.09)
ters-Bütanol, C4H10O
(74.12)