Ramano sklaida – tai monochromatinės šviesos išsklaidymas medžiagoje, kurio metu pakinta šviesos dažnis. Išsklaidytosios šviesos spektre atsiradusių naujų spektro linijų dažniai yra krintančiosios šviesos ir išsklaidančiųjų medžiagų molekulių virpesių bei sukimosi šuolių dažnių derinys. Ramano sklaidos spektro ir jį papildančių ultravioletinio bei infraraudonojo spektrų tyrimais naudojamasi kokybinėje ir kiekybinėje sudėtingų mišinių analizėje, tiriant molekulių sandarą ir jų sąveiką. Šie spektrai susidaro vykstant elektronų šuoliams tarp elektroninių, vibracinių ir rotacinių lygmenų.Dalis (10-5 – 10-6 krintančiosios šviesos) lygiagretaus šviesos pluošto, einančio per skaidrią medžiagą, esančią kiuvetėje, išsklaidoma visomis kryptimis. Esant Ramano sklaidai, pasikeičia ir išsklaidytosios šviesos dažnis. Kvantinė spinduliuotės teorija Ramano sklaidą aiškina šviesos kvantų ir medžiagos molekulių sąveika. Leidžiant per medžiagą monochromatinę spinduliuotę (pavyzdžiui, 400 nm bangos ilgio), šviesos kvantai susiduria su įvairių virpesių energijos būsenų molekulėmis. Tačiau nors molekulė ir gauna energijos iš krintančios šviesos, bet ji nesužadinama tikrąją to žodžio prasme, t.y. iki tam tikro energijos lygmens, o tik sklindant bangai įgyja tam tikrą perteklinę energiją (1 pav., a). Prasklidus bangai, molekulė grįžta į buvusį energijos lygmenį. Dauguma susidūrimų yra tamprieji, todėl išsklaidytų kvantų energija, kartu ir dažnis , nekinta. Šviesos sklaida, kai nesikeičia dažnis, vadinama klasikine. Tačiau egzistuoja tikimybė, nors ir gana maža, kad, be tampriųjų, vyks ir netamprieji susidūrimai, kurių metu kvantai dalį savo energijos atiduos molekulei. Šiuo atveju molekulė pereis į kitą vibracinį energijos lygmenį, pavyzdžiui, iš lygmens į lygmenį , o išsklaidyto kvanto energija pagal energijos tvermės dėsnį sumažės tuo pačiu dydžiu . Išsklaidytosios šviesos spektre bus gaunama vadinamoji ilgabangė Ramano linija (ji dar vadinama raudonąja arba Stokso linija):
(1) (2)Medžiagoje visuomet yra nedidelis skaičius sužadintų molekulių, t.y. tokių, kurių vibracinis lygmuo aukštesnis. Susidūrus kvantui su tokia molekule, galimas energijų pasikeitimas, kurių metu molekulė pereina į žemesnį energijos lygmenį, o kvanto energija padidėja dydžiu . Išsklaidytosios šviesos spektre gaunama vadinamoji trumpabangė Ramano linija (ji dar vadinama violetine arba antitoksine linija): (3) (4)Vadinasi, išsklaidytoje šviesoje greta pirminės spektro linijos, kurios dažnis , atsiranda papildomų linijų, kurių dažniai . Ramano sklaidos spektrų kilmės schema parodyta 1 pav.Netampriųjų susidūrimų tikimybė yra maža, todėl Stokso linijos yra mažo intensyvumo: jų intensyvumas šimtas ir daugiau kartų mažesnis už Reilėjaus linijų intensyvumą. Tačiau dar mažiau intensyvios yra antitoksinės linijos, nes žemoje temperatūroje sužadintų molekulių dalis yra nykstamai maža. Reilėjaus, Stokso ir antitoksinės linijų intensyvumas palygintas 1 pav., b ir 2 pav.1pav. Ramano sklaidos spektrų kilmės schema: a – energijos lygmenų diagrama; b – Ramano sklaidos spektras (linijų plotis rodo santykinį sklaidos intensyvumą); E0 – krintančiosios šviesos energija; – vibraciniai energijos lygmenys.
2 pav. Linijų intensyvumas tetrachlormetano Ramano sklaidos spektre.
Iš Stokso linijų poslinkio galima apskaičiuoti , t.y. gauti informaciją apie tiriamųjų molekulių energijos lygmenis. Molekulės rotacinių ir vibracinių lygmenų skirtumai nedideli, o atitinkamų šuolių kvantai yra mikrobangoje ir infraraudonojoje spektro srityje. Pasinaudojant Ramano sklaidos reiškiniu galima nustatyti molekulinius virpesius regimajame spektre, t.y. matuoti patogioje spektro srityje. Tai vienas iš Ramano spektroskopijos metodo pranašumų. Be to, nustatant molekulių sandarą, Ramano sklaidos spektrai papildo infraraudonuosius spektrus. Absorbcijos juostos bangos skaičiaus skaitinė vertė infraraudonajame spektre gali sutapti su verte Ramano sklaidos spektre, nes jų vertės sąlygojamos tų pačių virpesinių šuolių. Molekulės, nesudarančios būdingų infraraudonųjų spektrų, gali būti aktyvios ir sudaryti Ramano sklaidos spektrą, nes šuolių tarp molekulės energijos lygmenų tikimybė Ramano sklaidos spektre susijusi su jos poliarizuojamumu. Ramano sklaidos spektras gaunamas tik tuomet, kai dėl virpesinių šuolių keičiasi molekulės poliarizuojamumas. Kadangi infraraudonasis ir Ramano sklaidos spektrai yra skirtingos kilmės, tai tų pačių virpesių aktyvumas šiuose spektruose yra skirtingas. Simetrinių molekulių infraraudonajame spektre yra aktyvūs asimetriniai virpesiai, Ramano sklaidos spektre – simetriniai. Mažėjant molekulės simetrijai, dauguma virpesių yra pakankamai aktyvūs abiejuose spektruose. Esant poliniam ryšiui, infraraudonajame spektre registruojama intensyvi elektromagnetinės spinduliuotės absorbcija; Ramano sklaidos spektruose intensyvios linijos (spektre jos registruojamos kaip juostos) atsiranda dėl nepolinių ryšių simetrinių virpesių. Matome, kad Ramano sklaidos (3 pav.) ir infraraudonieji spektrai papildo vienas kitą. Naudojant šiuos metodus kartu, galima gauti daug informacijos apie tiriamos medžiagos molekulių virpesių dažnį.
Kaip ir infraraudonojoje spektroskopijoje, Ramano spektroskopijoje pasireiškia Fermio rezonansas. Klasikinis rezonanso pavyzdys yra CO2 molekulės spektras. Nagrinėjant CO2 molekulės virpesius, buvo atkreiptas dėmesys, kad dažnio simetriniai valentiniai virpesiai yra neaktyvūs ir infraraudonajame spektre absorbcijos juostos nėra. Ramano sklaidos spektre dėl šių virpesių turėtų atsirasti viena juosta, kai (teoriškai apskaičiuota). Tačiau spektre registruojamos dvi juostos: pirmoji – ties 1286 cm-1, antroji – ties 1388 cm-1. Taip yra dėl C=O pagrindinių valentinių virpesių (1340 cm-1) ir deformacijos virpesių pirmojo obertono sąveikos. Pagrindiniai deformacijos virpesiai registruojami ties 666 cm-1, o pirmasis obertonas – ties 1334 cm-1.3 pav. 3-Heksino Ramano sklaidos spektras.
Remiantis duomenimis, gautais tiriant infraraudonuosius ir Ramano sklaidos spektrus, galima nustatyti įvairių molekulių struktūrą. Iš pradžių numatomos kelios pusiausvirosios tiriamosios molekulės konfigūracijos, kurių kiekvienai būdingas tam tikras juostų skaičius, taip pat juostų intensyvumų santykis. Lyginant gautus duomenis su spėjamu modeliu, nustatoma labiausiai tikėtina konfigūracija. Pavyzdžiui, BCl3 molekulės galima numatyti dvi struktūras: plokščią ir piramidės formos. Piramidės formos molekulės infraraudonajame ir Ramano sklaidos spektruose aktyvūs yra visi keturi virpesiai. Plokščiosios konfigūracijos molekulės infraraudonajame spektre aktyvūs tik trys virpesiai (išskyrus ), o Ramano sklaidos spektre – taip pat trys (išskyrus ). BCl3 molekulės Ramano sklaidos spektre užregistruotos juostos, atitinkančios tik tris pagrindinius dažnius 471, 956 ir 243 bangos skaičių srityje. Iš jų intensyviausia pirmoji juosta. Infraraudonajame spektre užregistruotos juostos, atitinkančios 460, 956, 243 cm-1. Vadinasi, piramidės formos konfigūracija atmestina: molekulė turi būti plokščia. Ramano sklaidos spektre intensyviausia juosta yra ties 471, ir ji turi priklausyti simetriniam virpesiui. Infraraudonajame spektre šios juostos neturi būti. Jau minėta, kad Ramano sklaidos spektrai, kaip ir infraraudonieji spektrai, suteikia pakankamai smulkią informaciją apie atomų virpesius molekulėje. Pagrindinis Ramano ir infraraudonosios spektroskopijos skirtumas yra tas, kad Ramano spektroskopijai būdinga rezonansinė Ramano sklaida. Ši sklaida atsiranda tuomet, kai sužadinančiojo lazerio tam tikro ilgio spinduliuotės banga patenka į chromoforo elektroninio spektro intensyvios absorbcijos sritį (4pav.). Šiuo atveju Ramano sklaidos spektre padidėja tam tikrų juostų intensyvumas (iki 105 kartų). Dėl šių juostų intensyvumo rezonansinio padidėjimo Ramano sklaidos spektre galima atrankiai registruoti vieno, mus dominančio daugiakomponentės medžiagų sistemos chromoforo virpesių spektrą.
4 pav. 0,5 mmol/l geležies ir o-fenatrolino kompleksinio junginio rezonansinis Ramano sklaidos spektras (a) ir šio junginio absorbcijos spektras (b). (Brūkšniukais pažymėti naudoti bangos ilgiai).
Prieš tai nagrinėtuose spektrinės analizės metoduose spektro linijos buvo apibūdinamos dviem pagrindiniais dydžiais – dažniu ir intensyvumu. Ramano linijos dar gali būti apibūdinamos trečiuoju dydžiu – depoliarizacijos koeficientu p. Depoliarizacijos koeficiento vertė priklauso nuo spinduliuotės pobūdžio. Naudojant natūraliąją šviesą. Naudojant tiesiai poliarizuotą šviesą (pavyzdžiui, lazerio spinduliuotę), depoliarizacijos koeficientas apskaičiuojamas. Yra ryšys tarp pn ir pp. Teoriškai apskaičiuota, kad didžiausia pn vertė gali būti 6/7, o pp vertė – ¾. Ši pn vertė būdinga visiems asimetriniams virpesiams, ir spektre registruojamas šiuos virpesius atitinkančių Ramano linijų intensyvumo padidėjimas. Tokiu būdu, kai virpesiai asimetriniai, linijos intensyvumas padidėja esant nedideliai poliarizacijai, kitaip tariant, esant depoliarizacijai. Iš kitos pusės, daugumai simetrinių virpesių būdinga Ramano linijų poliarizacija: pn vertė esti mažesnė kaip 6/7 ir dažnai artėja prie nulio.
5 pav. Depoliarizacijos koeficiento matavimas: a – naudojant natūraliąją šviesą; b – naudojant tiesiai poliarizuotą šviesą; 1 – bandinys; 2 – poliarizacinis šviesos filtras; 3 – monochromatorius; 4 –detektorius.
6 pav. matome, kad juosta, atitinkanti bangos skaičių 459 cm-1, yra labai poliarizuota; depoliarizacijos koeficientas lygus 0,007. Tuo tarpu juostos ties bangos skaičiais 314 ir 218 cm-1 pakankamai depoliarizuotos – jų depoliarizacijos koeficientas yra apie 0,75. Iš čia aišku, kad juosta, kurios bangos skaičius 459 cm-1, atitinka CCl4 molekulės visus simetrinius virpesius, o juostos, kurių bangų skaičiai 314 ir 218 cm-1, priklauso asimetriniams virpesiams.
6 pav. Tetrachlormetano Ramano sklaidos poliarizacijos spektrai.
Esant įprastai Ramano sklaidai, tarp poliarizacijos ir elektrinio lauko stiprio yra tiesinė priklausomybė, t.y. didėjant lazerio galiai proporcingai didėja Ramano sklaidos signalas. Tačiau, kai lazerio galia yra pakankamai didelė, tokia priklausomybė suyra. Poliarizaciją galima išreikšti (šiek tiek suprastinus) tokia lygtimi:
(5)čia – jautrio koeficientai; E – elektrinio lauko stipris. Kiekvieno paskesnio nario jautrio koeficientas yra apie 1010 kartų mažesnis. Todėl esant nedideliam elektrinio lauko stipriui poliarizacijos dydžiui turi įtakos tik koeficientas . Tačiau, kai E didesnis kaip 109 V/m (tokie laukai susidaro daugelyje lazerinių sistemų), gali labai padidėti ir netiesinių efektų įtaka. Stipriame elektriniame lauke vyksta įvairūs netiesiniai efektai, pavyzdžiui, Ramano hipersklaida, koherentinė antitoksinė Ramano sklaida ir kt. Ramano hipersklaidos atrankos taisyklės skiriasi nuo įprastos Ramano sklaidos ir infraraudonosios spektroskopijos taisyklių. Šis metodas dažniausiai taikomas kai kuriems struktūriniams tyrimams. Koherentinės antitoksinės Ramano sklaidos metu generuojami koherentiniai fotonai. Šis metodas daug efektyvesnis už įprastinę Ramano sklaidą. Koherentiniai antitoksinei Ramano sklaidai gauti naudojami impulsiniai arba nuolatinio veikimo lazeriai, Nukreipiant dviejų lazerių spindulius į bandinį, sužadinama koherentinė spinduliuotė. Šis metodas taikomas dujų analizėje (kai dujų slėgis < 105 Pa) nustatant labai mažus medžiagų kiekius (1 ppm eilės). Plačiau apie netiesinės Ramano sklaidos metodus galima paskaityti specialioje literatūroje.Aparatūra. Ramano sklaidos spektrometro sandara yra palyginti nesudėtinga, nes matuojama regimajame spektre (7 pav.). Tai labai patogu, nes prietaisų optika gali būti pagaminta iš stiklo.
7 pav. Ramano sklaidos spektrometro schema: 1 – He-Ne lazeris; 2 – maitinimo šaltinis; 3 – bangos ilgio keitimo pavara; 4 – saviraštis; 5 – stiprintuvas; 6 – fotodaugintuvas; 7 – monochromatorius; 8 – analizatoriaus prizmė; 9 – bandinys.
Šviesos šaltinis – gyvsidabrio lempa (elektrinis laukas gyvsidabrio garuose esant žemam slėgiui) arba lazeriai. Gyvsidabrio lempos spinduliuotės spektras susideda iš daugybės pavienių intensyvių linijų. Viena šių linijų filtru išskiriama ir panaudojama Ramano sklaidos spektrui sužadinti. Ši monochromatinė spinduliuotė leidžiama per kiuvetę su tiriamąja medžiaga. Išsklaidytosios šviesos srautas (900 kampu krintančios šviesos srauto atžvilgiu) patenka į analizatoriaus prizmę, po to – į monochromatorių, kur fokusuojamas ir suskaidomas į pavienes linijas. Spektras gali būti nufotografuojamas. Šiuo atveju šalia pagrindinės sužadinančios linijos, kurios bangos skaičius , bus registruojamos papildomos linijos, kurių dažniai . Iš atstumo tarp ir nustatomas dydis . Linijų intensyvumas fotometruojamas arba įvertinamas vizualiai pagal 10 balų sistemą. Taip užregistruotą Ramano sklaidos spektrą sudaro skaičių stulpelis.
Jei prizmė, kuri skaido sklaidžiąją spinduliuotę, suktųsi, tai būtų galima spektrą registruoti fotometriškai. Šiuo atveju spektro vaizdas būtų panašus į infraraudonąjį spektrą. Šiuolaikiniuose prietaisuose spinduliuotė sužadinama lazerio monochromatiniu srautu (dažnai He-Ne lazeriu). Šiuo atveju susidaro stiprus ir kryptingas šviesos srautas, todėl spektrui gauti reikia nedaug tiriamosios medžiagos – 1 – 10 mg. Tiriamoji medžiaga gali būti grynas skystis, tirpalas (vandenyje ir kituose tirpikliuose) arba miltelių pavidalo medžiaga. Bandinys dedamas į kapiliarą, kurio vienas galas užlydytas (8 pav.).8 pav. Tyrimo schemos Ramano spektroskopijoje, kai minimalus bandinio tūris: a – 0,04 ; b – 0,008 ; 1 – kapiliaras; 2 – veidrodis; 3 – monochromatoriaus plyšys.
Matome, kad tiriant bandinį lazerio spindulys gali būti fokusuojamas į kapiliaro galą (8 pav. a) arba į tam tikrą tašką kapiliaro viduryje (8 pav. b).
Metodo taikymas Ramano spektroskopija panaudojama ten, kur infraraudonoji spektroskopija netinka. Iš tokių tyrimų paminėta neorganinių junginių vandeninių tirpalų analizė (pavyzdžiui, kompleksinių anijonų kiekybinė analizė), teršalų nustatymas aplinkoje ir kt. Šis metodas dažnai taikomas ir įvairių organinių junginių struktūrinei analizei. Apie molekulės sandarą ir jos simetriją galima spręsti iš vibracinio spektro charakteristikų bei ypatybių: Ramano sklaidos linijų skaičiaus bei jų bangos skaičių verčių, linijų poliarizacijos, intensyvumo bei jų kontūro formos ir kt. Tiktai turint visus šiuos duomenis galima nustatyti daugelio molekulių sandarą. Infraraudonojo ir Ramano sklaidos spektrų bendras nagrinėjimas labai svarbus struktūrinėje analizėje. Pavyzdžiui, taip buvo nustatyta benzino molekulės simetrija. Pagal molekulių virpesių tyrimo duomenis galima nustatyti ne tik tiriamosios medžiagos monomerus, bet ir aptikti konformerus (posūkio izomerus). Konformerų gyvavimo trukmė (10-10 s) yra šimtus ir tūkstančius kartų didesnė už virpesių periodą (10-12 – 10-14 s), todėl konformeras sugeba siųsti signalus, įrodančius, kad jis egzistuoja. Ramano spektroskopija panaudojama dujinių teršalų analizei per atstumą. Šios analizės metodika yra tokia: didelės galios lazerio spindulys nukreipiamas į atmosferą, po to grįžtančioji išsklaidytoji spinduliuotė surenkama ir analizuojama Ramano sklaidos spektrometru. Tokios sistemos schema parodyta 10 pav.
10 pav. Ramano sklaidos spektrų registravimo sistemos schema.
Šio Ramano spektroskopijos metodo ypatybė yra ta, kad atstumą nuo teršiančių atmosferą medžiagų iki detektoriaus galima susieti su vėlinimosi trukme tarp siunčiamojo ir grįžtančiojo impulso. Iš to ir kilo šio metodo sutrumpintas pavadinimas LIDAR. Įvairių medžiagų radimo riba, naudojant šią sistemą, kinta plačiose ribose. Pavyzdžiui, galima nustatyti NO ir SO2, esančius už 300 m, kai jų koncentracija yra apie 100 ppm. Dar daugiau sumažinti radimo ribą galima naudojant rezonansinę Ramono spektroskopiją.