FT-Raman spektroskopisi

Raman spektroskopisi, bir örneğin görünür ya da morötesi bölgede tek renkli ışımadan oluşan güçlü bir lazer kaynağıyla ışınlanmasıyla saçılan ışımanın, belirli bir açıdan ölçümüne dayanır. Işınlanma süresince saçılan ışınım spektrumu uygun bir spektrometre ile belirli bir açıdan (genellikle 90 derece) ölçülür. Raman çizgilerinin

şiddetleri en fazla kaynağın şiddetinin % 0.001’ i kadardır. Bu yüzden bunların

belirtilmesi ve ölçümü infrared spektrumlarından biraz daha güçtür. Moleküllerin

şiddetli bir monokromatik ışın demeti ile etkileşmesi sırasında ışık absorpsiyonu

olayı gerçekleşmiyorsa ışık saçılması olayı meydana gelir. Işık saçılması sırasında saçılan ışığın büyük bir kısmının enerjisi madde ile etkileşen ışığın enerjisine eşit

olur ve bu tür elastik saçılma olayına Rayleigh saçılması denir. Elastik saçılma olayının yanı sıra, saçılan ışımanın çok az bir kısmının elastik olmayan saçılmaya uğraması olayı ise, Raman saçılması adını alır. Rayleigh saçılması olayında Raman

saçılmasına göre 104-105 kez daha şiddetli bir saçılmış ışık oluşur. Fakat, Rayleigh

saçılması tek bir pik verir ve titreşim geçişleri hakkında bilgi vermez. Raman saçılması sırasında saçılan ışığın enerjisinde molekül ile etkileşen ışığınkine göre oluşan fazlalık veya azlık ışıkla etkileşen molekülün titreşim enerji düzeyleri arasındaki enerji farkları kadardır. Bu nedenle Raman saçılmasının spektroskopik incelenmesi ile de moleküllerin titreşim enerji düzeyleri hakkında bilgi edinilebilir. Bu tür bir spektroskopik yöntem Raman spektroskopisi adını alır. Bu yöntemde molekül ile etkileşen ışığın dalga boyuna göre saçılan ışığın dalga boyunda oluşan farklar ölçülür. Bu farklar Raman kayması olarak adlandırılır [63]. Kısaca, gelen ışımanın frekansı ile saçılan ışımanın frekansı arasında bir değişme olmadığı durum, Rayleigh saçılması, gelen ve saçılan fotonların enerjilerinin ve frekanslarının farklı olduğu durumdaki saçılmalar ise, Raman saçılması olarak adlandırılır. Burada, saçılan ışımanın frekansı, gelen ışımanın frekansından daha küçükse, spektruma Stokes bileşeni ve saçılmaya da Stokes saçılması denir. Saçılan ışımanın frekansının, gelen ışımanın frekansından daha büyük olduğu durumda ise, spektrum anti-Stokes bileşeni olarak adlandırılır ve saçılmaya anti-Stokes saçılması denir. Buna göre, Raman saçılması, gönderilen ışıma ile saçılan ışıma arasındaki enerji farkından kaynaklanmaktadır [66].

Raman ölçümleri, genellikle gönderilen ışımanın dalga sayısı (cm-1) cinsinden

kaymalar incelenerek elde edilir. Bu dalga sayılarındaki kaymalar, gelen ışımanın dalga boyuna bağlı değildir.

Raman spektroskopisi, inorganik, organik ve biyolojik sistemlerin nitel ve nicel çözümlemelerinde kullanılmaktadır [67]. İnorganik sistemlerin incelenmesinde, Raman tekniği çoğu kez infrared spektroskopisine göre üstündür. Çünkü, sulu çözeltiler kullanılabilir. Buna ek olarak metal-ligand bağlarının titreşim enerjileri

genellikle deneysel olarak güç olan 700-100 cm-1 aralığında yer alır. Ancak bu

titreşimler Raman aktiftir ve bu aralıkta yer alan çizgiler, kolaylıkla gözlenir. Raman çalışmaları, koordinasyon bileşiklerinin bileşim, yapı ve kararlılığına ilişkin bilgilerin elde edilmesinde yararlı kaynaklardır. Metal-oksijen bağları da, Raman

aktiftir ve böylelikle metal-oksijen bağı içeren bileşikler incelenebilir. Raman spektrumları, fonksiyonel grup belirtilmesinde yararlı bölgeler ile belirli bileşiklerin tanınmasına olanak veren parmak izi bölgelerine sahip olmaları bakımından infrared spektrumlarına benzerler. Raman spektumları belirli bir türdeki organik bileşikler için infrared spektrumundan daha fazla bilgi verirler. Ayrıca Raman spektroskopisi, biyolojik sistemlerin incelenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tekniğin üstünlüğü, az miktarda örnek gerektirmesi, çok az su bulunması, ayrıntılı spektrum elde edilebilmesidir. Raman spektrumlarında, infrarede göre daha az çakışmış çizgi bulunur. Bu nedenle, bileşiklerin çözümlenmesinde, çizgi çakışması daha az olasıdır ve nicel ölçümler daha kolaydır. Buna ek olarak, Raman çözümlemelerinde örnek nemden etkilenmez ve varolabilen az miktardaki su girişim yapmaz. Bu üstünlüklerine rağmen Raman spektroskopisinin nicel ölçümlerde yaygın olarak kullanılmamasının nedeni, Raman spektrometrelerinin soğurma cihazlarına göre

yüksek maliyetinden kaynaklanır. Tablo 3.1.’ de infrared ve Raman

spektroskopilerinin karşılaştırılması yapıldı.

Tablo 3.1. Raman ve infrared spektroskopilerinin karşılaştırılması

Raman Spektroskopisi İnfrared Spektroskopisi

●Eş çekirdekli moleküller Raman

spektrumunda yer alırlar.

●Eş çekirdekli moleküller infrared

spektrumu vermezler. ●Raman, kutuplanma yatkınlığına bağlı

saçılma spektrumu verir.

●İnfrared, dipol moment değişimine bağlı soğurma spektrumu verir.

●Raman spektrumu alınırken, hiçbir işleme

gerek duyulmaksızın örnek cihaza

yerleştirilir.

●İnfrared spektrumu alınırken, numune hazırlama işlemi yapılır. Örneğin, katı madde toz haline getirilir ve KBr ile karıştırılarak pelet hazırlanır.

●Raman çözümlemesi sırasında, örneğin spektrumun su ve karbondioksit bandları yer almaz.

●İnfrared çözümlemesi yapılan örneğin

spektrumu alındığında, su çizgileri

çıkabilmekte ve bazı çizgileri

örtebilmektedir. Bu yüzden örneğin

kurutulması gerekir. ●Raman saçılma şartı; ∂ _∂ ≠0

q

α _{●İnfrared soğurma şartı; ≠0}

∂ ∂

q

µ

●Simetri merkezi var ise simetrik titreşimler Raman’ da kuvvetli sinyal verir.

●Simetrik olmayan titreşimler ise infrared bölgesinde kuvvetli sinyal verir.

3.2.2.1. Raman spektrometresi

Raman spektrometresi Şekil 3.4’ de görüldüğü gibi bir ışık kaynağı, örnek hücresi, dalga boyu seçici, dedektör ve kaydediciden oluşur. Raman spektrometrelerinde

Raman saçılmalarının etkili bir şekilde oluşturulması için yüksek şiddette ışık yayabilen lazerler kullanılır. En çok kullanılan lazer çeşitleri ve yaydığı ışınların dalga boyları; Ar+ (457.9-488 ve 514.5 nm), Kr+ (406-647 ve 752 nm), He-Ne (632.8), Nd/YAG (1064-532-355 ve 26 nm) ve Diyod Lazeri (782-830 nm) ile verilir. Lazer kaynağı, numunenin küçük bir alanına kolaylıkla odaklanabilir ve dolayısıyla yayılan ışın da bir yarık üzerine verimli olarak odaklanabilir. Bu nedenle çok küçük numunelerin bile Raman spektrumları alınabilir.

Örnek hücresi olarak genellikle cam kapilerler kullanılır. Raman

spektrofotometrelerinde keskin monokromatik ışık elde edildiğinden ışık kaynağından sonra filtre kullanılması yeterlidir ancak örnekten çıkan Raman saçılmasının şiddeti çok zayıf olduğundan sadece ilgili dalga boyunun seçilmesi amacıyla örnek ve dedektör arasında dalga boyu seçiciler kullanılmalıdır. Dalga boyu seçiciden geçen ışık kullanılan lazer türüne uygun ve o dalga boyunda duyarlı bir dedektöre gönderilerek elektrik sinyaline dönüştürülür ve kaydedilir.

Raman spektroskopisi, katı, sıvı ve gaz numunelerin analizi için kullanılabilmektedir. Bu numuneler, organik, inorganik veya biyolojik özellikte olabilir. Su, IR spektroskopisinde çözücü olarak kullanılamaz ancak Raman spektroskopisinde kullanılabilmektedir. Bu nedenle suda çözünebilen pek çok maddenin analizini gerçekleştirmek mümkündür. Raman spektroskopisinin IR spektroskopisine bir diğer üstünlüğü de cihaz üzerinde herhangi bir değişime ihtiyaç duyulmadan tek bir cihazla yakın ve uzak IR bölgelerinde de bilgiler elde edilmesidir. Örneğin; IR spektroskopisinde şiddeti düşük sinyaller veren halka daralması ve halka kapaması titreşimleri Raman spektroskopisi ile analiz edilerek parafinlerin halka boyutları

belirlenebilmektedir. Benzer şekilde -C=C-, -C≡C-, -N=N-, -S-S- ve -C-O-C-

titreşimlerinin IR spektrumunda şiddeti azdır ancak Raman spektroskopisinde

şiddetli pikler verirler. Proteinler, nükleik asitler ve lipitler gibi biyolojik

numunelerin analizi suyun çözücü olarak kullanılabilmesi ile gerçekleştirilmektedir. Sonuç olarak; Raman ve IR spektroskopisi cihazları genellikle birbirinin tamamlayıcısı olarak nitel ve nicel çalışmalar için kullanılmaktadır.

Şekil 3.4. Raman spektrofotometresinin bileşenleri

3.2.2.2. Raman spektroskopisinde numune hazırlama yöntemleri

Raman spektroskopisi, katı, sıvı ve gaz numunelerin analizi için kullanılabilmektedir. Katı ve sıvı örnekler bir kapiler cam veya kuvartz tüpte tutularak spektrumu çekilir.

Raman spektroskopik ölçümlerinde, numunenin hazırlanması infrared

spektroskopiden daha basittir. Çünkü pencereler, mercekler ve diğer optik bileşenler için daha kırılgan ve atmosferik olarak daha az dayanıklı kristal halojenürler yerine, cam kullanılabilir. Raman spektroskopisinin infrarede göre numune hazırlamada temel üstünlüğü, suyun zayıf bir Raman saçıcısı fakat kuvvetli bir infrared ışını soğurucusu olma özelliğinden gelir. Böylece sulu çözeltiler infrared ile değil Raman spektroskopisiyle incelenebilir. Bu üstünlük biyolojik ve inorganik sistemler için ve su kirliliği sorunlarına ilişkin çalışmalarda özellikle önemlidir. Katı numunelerin Raman spektrumları, çoğu kez ufak bir oyuğu ince toz edilmiş numune ile doldurularak alınır. Polimerler genellikle numune ön işlemlerine uğratılmaksızın doğrudan incelenebilirler.

3.2.2.3. Raman spektrumlarının kaydedilmesi

Moleküllerin FT-Raman spektrumu, 4.0 cm-1 spektral genişlikli ve 200 cm-1dk-1

tarama hızlı bir Bruker-FRA 106/S spektrometresi ile 3500-50 cm-1 bölgesindeki

uyarılmalar için bir 1064 nm Nd-YAG lazer kullanılarak ODTÜ Merkez Laboratuarında kaydedildi. Tez çalışmasında kullanılan Raman spektrometresinin fotoğrafı Şekil 3.5.’ de gösterildi.

Şekil 3.5. FT-Raman spektrometresinin fotoğrafı