రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ

రామన్ స్పెక్ట్రమ్‌లో పాల్గొనే స్థితులను చూపే శక్తి-స్థాయి రేఖాచిత్రం

రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (IPA: /ˈrɑːmən/; భౌతిక శాస్త్రవేత్త సి. వి. రామన్ పేరు మీదుగా పిలువబడుతుంది) అనేది సాధారణంగా అణువుల యొక్క కంపన మోడ్‌లను నిర్ణయించడానికి ఉపయోగించే ఒక స్పెక్ట్రోస్కోపీ సాంకేతికత, అయినప్పటికీ వ్యవస్థల యొక్క భ్రమణ మరియు ఇతర తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ మోడ్‌లను కూడా గమనించవచ్చు. రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని రసాయన శాస్త్రంలో అణువులను గుర్తించగల నిర్మాణపరమైన వేలిముద్రను అందించడానికి సాధారణంగా ఉపయోగిస్తారు.

రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ అనేది రామన్ స్కాటరింగ్ అని పిలువబడే ఫోటాన్‌ల అస్థితిస్థాపక పరిక్షేపణం (inelastic scattering) పై ఆధారపడి ఉంటుంది. సాధారణంగా దృశ్య, సమీప పరారుణ, లేదా సమీప అతినీలలోహిత పరిధిలోని లేజర్ నుండి వచ్చే ఏకవర్ణ కాంతి వనరును ఉపయోగిస్తారు, అయితే ఎక్స్-కిరణాలను కూడా ఉపయోగించవచ్చు. లేజర్ కాంతి అణు కంపనాలు, ఫోనాన్‌లు లేదా వ్యవస్థలోని ఇతర ఉత్తేజితాలతో సంకర్షణ చెందుతుంది, దీని ఫలితంగా లేజర్ ఫోటాన్‌ల శక్తి పైకి లేదా క్రిందికి మారుతుంది. శక్తిలో ఈ మార్పు వ్యవస్థలోని కంపన మోడ్‌ల గురించి సమాచారాన్ని ఇస్తుంది. సమయ-పరిష్కార స్పెక్ట్రోస్కోపీ మరియు పరారుణ స్పెక్ట్రోస్కోపీ సాధారణంగా ఇలాంటి కానీ పరిపూరకరమైన సమాచారాన్ని అందిస్తాయి.

సాధారణంగా, ఒక నమూనాను లేజర్ కిరణంతో ప్రకాశింపజేస్తారు. ప్రకాశవంతమైన ప్రదేశం నుండి వెదజల్లబడిన విద్యుదయస్కాంత వికిరణాన్ని లెన్స్ తో సేకరిస్తారు. రామన్ స్కాటరింగ్ సాధారణంగా చాలా బలహీనంగా ఉంటుంది. ఫలితంగా, అనేక సంవత్సరాలుగా రామన్ స్పెక్ట్రాలను సేకరించడంలో ప్రధాన ఇబ్బంది బలహీనమైన అస్థితిస్థాపక పరిక్షేపణ కాంతిని తీవ్రమైన రేలీ పరిక్షేపణ లేజర్ కాంతి నుండి వేరు చేయడం ("లేజర్ రిజెక్షన్" అని పిలుస్తారు). లేజర్ లైన్‌కు అనుగుణంగా ఉండే తరంగదైర్ఘ్యం వద్ద స్థితిస్థాపక పరిక్షేపణ వికిరణం (రేలీ స్కాటరింగ్) నాచ్ ఫిల్టర్, ఎడ్జ్ పాస్ ఫిల్టర్ లేదా బ్యాండ్ పాస్ ఫిల్టర్ ద్వారా ఫిల్టర్ చేయబడుతుంది, అయితే సేకరించిన మిగిలిన కాంతి డిటెక్టర్‌పై విస్తరించబడుతుంది.

స్వచ్ఛంద రామన్ స్కాటరింగ్ సాధారణంగా చాలా బలహీనంగా ఉంటుంది. చారిత్రాత్మకంగా, రామన్ స్పెక్ట్రోమీటర్లు అధిక స్థాయి లేజర్ రిజెక్షన్‌ను సాధించడానికి హోలోగ్రాఫిక్ గ్రేటింగ్‌లు మరియు బహుళ డిస్పర్షన్ దశలను ఉపయోగించాయి. గతంలో, డిస్పర్స్డ్ రామన్ సెటప్‌ల కోసం ఫోటోమల్టిప్లైయర్లు ఎంపిక చేసిన డిటెక్టర్‌లుగా ఉండేవి, దీని ఫలితంగా సుదీర్ఘ సేకరణ సమయాలు ఉండేవి. అయితే, ఆధునిక పరికరాలు దాదాపు విశ్వవ్యాప్తంగా లేజర్ రిజెక్షన్ కోసం నాచ్ లేదా ఎడ్జ్ ఫిల్టర్లను ఉపయోగిస్తాయి. డిస్పర్స్డ్ సింగిల్-స్టేజ్ స్పెక్ట్రోగ్రాఫ్‌లు (యాక్సియల్ ట్రాన్స్‌మిసివ్ (AT) లేదా చెర్నీ-టర్నర్ (CT) మోనోక్రోమేటర్లు) CCD డిటెక్టర్‌లతో జత చేయబడటం అత్యంత సాధారణం, అయితే ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ (FT) స్పెక్ట్రోమీటర్లు కూడా NIR లేజర్‌లతో ఉపయోగించడానికి సాధారణం.

స్పెక్ట్రోస్కోపీలో ఆప్టికల్ డిజైన్ కోసం ప్రత్యేక అవకాశాలను అందించే హోలోగ్రాఫిక్ గ్రేటింగ్‌లను మొదట 1970లలో జోబిన్ యవోన్ అభివృద్ధి చేసి వాణిజ్యీకరించారు. సాంప్రదాయకంగా రూల్డ్ గ్రేటింగ్‌ల నుండి హోలోగ్రాఫిక్ అయాన్-ఎచ్డ్ గ్రేటింగ్‌లకు ఈ పరివర్తన హై-రిజల్యూషన్ స్పెక్ట్రోగ్రాఫ్‌లకు ఒక ప్రధాన లీపు మరియు ఇది స్ట్రే లైట్‌తో ఉన్న ప్రారంభ సమస్యలను సమర్థవంతంగా తగ్గించింది.

"రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ" అనే పేరు సాధారణంగా నమూనా ద్వారా గ్రహించబడని లేజర్ తరంగదైర్ఘ్యాలను ఉపయోగించి వైబ్రేషనల్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని సూచిస్తుంది. సర్ఫేస్-ఎన్‌హాన్స్‌డ్ రామన్, రెసొనెన్స్ రామన్, టిప్-ఎన్‌హాన్స్‌డ్ రామన్, పోలరైజ్డ్ రామన్, స్టిమ్యులేటెడ్ రామన్, ట్రాన్స్‌మిషన్ రామన్, స్పేషియల్లీ-ఆఫ్‌సెట్ రామన్, మరియు హైపర్ రామన్ వంటి రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీలో అనేక వైవిధ్యాలు ఉన్నాయి. రామన్ స్కాటరింగ్ అణు కంపనానికి మాత్రమే పరిమితం కాదు, మరియు దీనిని భ్రమణ, రోవైబ్రానిక్, మరియు ఎలక్ట్రానిక్ స్పెక్ట్రోస్కోపీకి అన్వయించవచ్చు.

చరిత్ర

కాంతి యొక్క అస్థితిస్థాపక పరిక్షేపణను అడాల్ఫ్ స్మెకల్ 1923లో అంచనా వేసినప్పటికీ, ఇది 1928 వరకు ఆచరణలో గమనించబడలేదు. రామన్ ప్రభావం దాని ఆవిష్కర్తలలో ఒకరైన భారతీయ శాస్త్రవేత్త సి. వి. రామన్ పేరు మీదుగా పెట్టబడింది, ఆయన 1928లో కె. ఎస్. కృష్ణన్ తో కలిసి సేంద్రీయ ద్రవాలలో ఈ ప్రభావాన్ని గమనించారు, మరియు స్వతంత్రంగా గ్రిగోరీ లాండ్స్‌బర్గ్ మరియు లియోనిడ్ మాండెల్‌స్టామ్ అకర్బన స్ఫటికాలలో గమనించారు. ఈ ఆవిష్కరణకు రామన్ 1930లో భౌతిక శాస్త్రంలో నోబెల్ బహుమతిని గెలుచుకున్నారు. వాయువులలో రామన్ స్పెక్ట్రాలను మొదటిసారిగా 1929లో ఫ్రాంకో రాసెట్టి గమనించారు.

రామన్ ప్రభావం యొక్క క్రమబద్ధమైన మార్గదర్శక సిద్ధాంతాన్ని చెకోస్లోవేకియా భౌతిక శాస్త్రవేత్త జార్జ్ ప్లేసెక్ 1930 మరియు 1934 మధ్య అభివృద్ధి చేశారు. మెర్క్యురీ ఆర్క్ ప్రధాన కాంతి వనరుగా మారింది, మొదట ఫోటోగ్రాఫిక్ డిటెక్షన్‌తో మరియు తర్వాత స్పెక్ట్రోఫోటోమెట్రిక్ డిటెక్షన్‌తో.

దాని ఆవిష్కరణ తర్వాత సంవత్సరాల్లో, రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని అణు కంపన పౌనఃపున్యాల యొక్క మొదటి కేటలాగ్‌ను అందించడానికి ఉపయోగించారు. సాధారణంగా, నమూనాను ఒక పొడవైన ట్యూబ్‌లో ఉంచి, గ్యాస్ డిశ్చార్జ్ ల్యాంప్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఏకవర్ణ కాంతి పుంజంతో దాని పొడవునా ప్రకాశింపజేస్తారు. నమూనా ద్వారా వెదజల్లబడిన ఫోటాన్‌లను ట్యూబ్ చివర ఉన్న ఆప్టికల్ ఫ్లాట్ ద్వారా సేకరించారు. సున్నితత్వాన్ని పెంచడానికి, నమూనాను అత్యధికంగా గాఢత (1 M లేదా అంతకంటే ఎక్కువ) మరియు సాపేక్షంగా పెద్ద పరిమాణాలను (5 mL లేదా అంతకంటే ఎక్కువ) ఉపయోగించారు.

రామన్ షిఫ్ట్

రామన్ స్పెక్ట్రాలు ఉత్తేజిత వనరు యొక్క శక్తికి సంబంధించి విశ్లేషించబడతాయి. రామన్ స్కాటర్డ్ ఫోటాన్‌లు వేరే శక్తికి, అందువల్ల వేరే పౌనఃపున్యానికి మార్చబడతాయి. తుది స్థితి ప్రారంభ స్థితి కంటే ఎక్కువ శక్తిని కలిగి ఉంటే, స్కాటర్డ్ ఫోటాన్ తక్కువ పౌనఃపున్యానికి (తక్కువ శక్తి) మార్చబడుతుంది, తద్వారా మొత్తం శక్తి అలాగే ఉంటుంది. పౌనఃపున్యంలో ఈ మార్పును స్టోక్స్ షిఫ్ట్, లేదా డౌన్‌షిఫ్ట్ అని పిలుస్తారు. తుది స్థితి తక్కువ శక్తిని కలిగి ఉంటే, స్కాటర్డ్ ఫోటాన్ అధిక పౌనఃపున్యానికి మార్చబడుతుంది, దీనిని యాంటీ-స్టోక్స్ షిఫ్ట్, లేదా అప్‌షిఫ్ట్ అని పిలుస్తారు.

రామన్ షిఫ్ట్‌లు సాధారణంగా వేవ్‌నంబర్లలో నివేదించబడతాయి, ఇవి విలోమ పొడవు యూనిట్లను కలిగి ఉంటాయి, ఎందుకంటే ఈ విలువ నేరుగా శక్తికి సంబంధించినది. రామన్ స్పెక్ట్రమ్‌లో స్పెక్ట్రల్ తరంగదైర్ఘ్యం మరియు షిఫ్ట్ వేవ్‌నంబర్‌ల మధ్య మార్చడానికి, ఈ క్రింది సూత్రాన్ని ఉపయోగించవచ్చు:

$\mathrm{\Delta }\tilde{\nu }=(\frac{1}{{\lambda }_0}-\frac{1}{{\lambda }_1}),$

ఇక్కడ Δν̃ అనేది వేవ్‌నంబర్‌లో వ్యక్తీకరించబడిన రామన్ షిఫ్ట్, λ₀ అనేది ఉత్తేజిత తరంగదైర్ఘ్యం, మరియు λ₁ అనేది రామన్ స్పెక్ట్రమ్ తరంగదైర్ఘ్యం. రామన్ స్పెక్ట్రాలలో వేవ్‌నంబర్‌ను వ్యక్తీకరించడానికి ఎంచుకున్న యూనిట్ సాధారణంగా విలోమ సెంటీమీటర్లు (cm⁻¹). తరంగదైర్ఘ్యం తరచుగా నానోమీటర్ల (nm) యూనిట్లలో వ్యక్తీకరించబడుతుంది కాబట్టి, పైన పేర్కొన్న సూత్రాన్ని ఈ యూనిట్ మార్పిడి కోసం స్పష్టంగా స్కేల్ చేయవచ్చు, ఇది ఇస్తుంది:

$\mathrm{\Delta }\tilde{\nu }({\text{cm}}^{-1})=(\frac{1}{{\lambda }_0(\text{nm})}-\frac{1}{{\lambda }_1(\text{nm})})\times \frac{(10^7\text{nm})}{(\text{cm})}.$

పరికరాలు

రామన్ మరియు కృష్ణన్ ప్రచురించిన బెంజీన్ యొక్క ప్రారంభ రామన్ స్పెక్ట్రం

ఒక సాధ్యమైన డిస్పర్స్డ్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ సెటప్ యొక్క స్కీమాటిక్

ఆధునిక రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ దాదాపు ఎల్లప్పుడూ ఉత్తేజిత కాంతి వనరులుగా లేజర్ల వినియోగాన్ని కలిగి ఉంటుంది. ప్రభావం కనుగొన్న మూడు దశాబ్దాల తర్వాత వరకు లేజర్‌లు అందుబాటులో లేనందున, రామన్ మరియు కృష్ణన్ స్పెక్ట్రాలను రికార్డ్ చేయడానికి మెర్క్యురీ ల్యాంప్ మరియు ఫోటోగ్రాఫిక్ ప్లేట్లను ఉపయోగించారు. బలహీనమైన కాంతి వనరులు, డిటెక్టర్ల పేలవమైన సున్నితత్వం మరియు చాలా పదార్థాల బలహీనమైన రామన్ స్కాటరింగ్ క్రాస్-సెక్షన్‌ల కారణంగా ప్రారంభ స్పెక్ట్రాలను పొందడానికి గంటలు లేదా రోజులు పట్టేది. ఉత్తేజితం మరియు గుర్తింపు కోసం కొన్ని తరంగదైర్ఘ్య ప్రాంతాలను ఎంచుకోవడానికి వివిధ రంగుల ఫిల్టర్లు మరియు రసాయన ద్రావణాలను ఉపయోగించారు, కానీ ఫోటోగ్రాఫిక్ స్పెక్ట్రాలు ఇప్పటికీ ఉత్తేజిత వనరు యొక్క రేలీ స్కాటరింగ్‌కు అనుగుణంగా ఉండే విస్తృత కేంద్ర రేఖ ద్వారా ఆధిపత్యం చెలాయించాయి.

చారిత్రాత్మకంగా, రామన్ స్పెక్ట్రోమీటర్లు అధిక స్థాయి లేజర్ రిజెక్షన్‌ను సాధించడానికి హోలోగ్రాఫిక్ గ్రేటింగ్లు మరియు బహుళ డిస్పర్షన్ దశలను ఉపయోగించాయి. అయితే, ఆధునిక పరికరాలు దాదాపు విశ్వవ్యాప్తంగా లేజర్ రిజెక్షన్ కోసం నాచ్ లేదా ఎడ్జ్ ఫిల్టర్లను ఉపయోగిస్తాయి.

గతంలో, ఫోటోమల్టిప్లైయర్లు డిస్పర్స్డ్ రామన్ సెటప్‌ల కోసం ఎంపిక చేసిన డిటెక్టర్‌లుగా ఉండేవి, దీని ఫలితంగా సుదీర్ఘ సేకరణ సమయాలు ఉండేవి. సాంకేతిక పురోగతులు రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని మరింత సున్నితంగా మార్చాయి, ముఖ్యంగా 1980ల నుండి. అత్యంత సాధారణ ఆధునిక డిటెక్టర్లు ఇప్పుడు CCDలు. CCDలను స్వీకరించడానికి ముందు ఫోటోడయోడ్ అర్రేలు మరియు ఫోటోమల్టిప్లైయర్ ట్యూబ్లు సాధారణంగా ఉండేవి. ఇరుకైన బ్యాండ్‌విడ్త్‌లతో నమ్మదగిన, స్థిరమైన, చౌకైన లేజర్‌ల రాక కూడా ప్రభావం చూపింది.

స్పెక్ట్రల్ కంటెంట్‌ను విస్తరించడానికి, డిస్పర్స్డ్ సింగిల్-స్టేజ్ స్పెక్ట్రోగ్రాఫ్‌లు (యాక్సియల్ ట్రాన్స్‌మిసివ్ (AT) లేదా చెర్నీ-టర్నర్ (CT) మోనోక్రోమేటర్లు) CCDతో జత చేయబడటం అత్యంత సాధారణం, అయితే ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ (FT) స్పెక్ట్రోమీటర్లు కూడా NIR లేజర్‌లతో ఉపయోగించడానికి సాధారణం.

లేజర్‌లు

రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీకి లేజర్ వంటి కాంతి వనరు అవసరం. స్పెక్ట్రం యొక్క రిజల్యూషన్ ఉపయోగించిన లేజర్ వనరు యొక్క బ్యాండ్‌విడ్త్‌పై ఆధారపడి ఉంటుంది. సాధారణంగా తక్కువ తరంగదైర్ఘ్యం కలిగిన లేజర్‌లు రామన్ స్కాటరింగ్ క్రాస్-సెక్షన్‌లలో ν⁴ పెరుగుదల కారణంగా బలమైన రామన్ స్కాటరింగ్‌ను ఇస్తాయి, కానీ నమూనా క్షీణత లేదా ఫ్లోరోసెన్స్‌తో సమస్యలు రావచ్చు.

కంటిన్యూయస్ వేవ్ లేజర్‌లు సాధారణ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీకి అత్యంత సాధారణం, కానీ పల్స్డ్ లేజర్లను కూడా ఉపయోగించవచ్చు. ఇవి తరచుగా వాటి CW ప్రతిరూపాల కంటే విస్తృత బ్యాండ్‌విడ్త్‌లను కలిగి ఉంటాయి కానీ ట్రాన్సియెంట్, టైమ్-రిజాల్వ్డ్ మరియు రెసొనెన్స్ రామన్ వంటి ఇతర రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ రూపాలకు చాలా ఉపయోగకరంగా ఉంటాయి.

డిటెక్టర్లు

రామన్ స్కాటర్డ్ కాంతి సాధారణంగా సేకరించబడుతుంది మరియు ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ (FT) పద్ధతుల ద్వారా గుర్తింపు కోసం స్పెక్ట్రోగ్రాఫ్ ద్వారా విస్తరించబడుతుంది లేదా ఇంటర్‌ఫెరోమీటర్తో ఉపయోగించబడుతుంది. అనేక సందర్భాల్లో వాణిజ్యపరంగా అందుబాటులో ఉన్న FT-IR స్పెక్ట్రోమీటర్లను FT-రామన్ స్పెక్ట్రోమీటర్లుగా మార్చవచ్చు.

డిస్పర్స్డ్ రామన్ కోసం డిటెక్టర్లు

చాలా సందర్భాలలో, ఆధునిక రామన్ స్పెక్ట్రోమీటర్లు CCDల వంటి అర్రే డిటెక్టర్లను ఉపయోగిస్తాయి. వివిధ తరంగదైర్ఘ్య పరిధుల కోసం ఆప్టిమైజ్ చేయబడిన వివిధ రకాల CCDలు ఉన్నాయి. ఇంటెన్సిఫైడ్ CCDలను చాలా బలహీనమైన సిగ్నల్స్ మరియు/లేదా పల్స్డ్ లేజర్‌ల కోసం ఉపయోగించవచ్చు. స్పెక్ట్రల్ పరిధి CCD పరిమాణం మరియు ఉపయోగించిన స్పెక్ట్రోగ్రాఫ్ యొక్క ఫోకల్ లెంగ్త్‌పై ఆధారపడి ఉంటుంది.

ఫోటోమల్టిప్లైయర్ ట్యూబ్‌లకు అనుసంధానించబడిన మోనోక్రోమేటర్లను ఉపయోగించడం ఒకప్పుడు సాధారణం. ఈ సందర్భంలో స్పెక్ట్రల్ పరిధిని స్కాన్ చేయడానికి మోనోక్రోమేటర్‌ను తరలించాల్సి ఉంటుంది.

FT–రామన్ కోసం డిటెక్టర్లు

FT–రామన్ దాదాపు ఎల్లప్పుడూ NIR లేజర్‌లతో ఉపయోగించబడుతుంది మరియు ఉత్తేజిత తరంగదైర్ఘ్యాన్ని బట్టి తగిన డిటెక్టర్లను ఉపయోగించాలి. జర్మనియం లేదా ఇండియం గాలియం ఆర్సెనైడ్ (InGaAs) డిటెక్టర్లు సాధారణంగా ఉపయోగించబడతాయి.

ఫిల్టర్లు

లేజర్ రిజెక్షన్ ఫిల్టర్‌ని ఉపయోగించి అధిక నాణ్యత గల రామన్ స్పెక్ట్రాలను సేకరించడానికి రామన్ స్కాటర్డ్ కాంతిని రేలీ సిగ్నల్ మరియు ప్రతిబింబించిన లేజర్ సిగ్నల్ నుండి వేరు చేయడం సాధారణంగా అవసరం. నాచ్ లేదా లాంగ్-పాస్ ఆప్టికల్ ఫిల్టర్లు సాధారణంగా ఈ ప్రయోజనం కోసం ఉపయోగించబడతాయి. హోలోగ్రాఫిక్ ఫిల్టర్ల రాకకు ముందు, కావలసిన సిగ్నల్‌ను వేరు చేయడానికి సబ్‌ట్రాక్టివ్ మోడ్‌లో ట్రిపుల్-గ్రేటింగ్ మోనోక్రోమేటర్‌ను ఉపయోగించడం సాధారణం. హోలోగ్రాఫిక్ ఫిల్టర్లు సాధారణంగా షిఫ్ట్ చేయని లేజర్ కాంతితో పాటు కొన్ని తక్కువ ఫ్రీక్వెన్సీ బ్యాండ్‌లను ప్రతిబింబిస్తాయి కాబట్టి చాలా చిన్న రామన్ షిఫ్ట్‌లను రికార్డ్ చేయడానికి దీనిని ఇప్పటికీ ఉపయోగించవచ్చు. అయితే, వాల్యూమ్ హోలోగ్రామ్ ఫిల్టర్లు మరింత సాధారణమవుతున్నాయి, ఇవి 5 cm⁻¹ అంత తక్కువ షిఫ్ట్‌లను గమనించడానికి అనుమతిస్తాయి.

అప్లికేషన్లు

రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని రసాయన శాస్త్రంలో అణువులను గుర్తించడానికి, వాటి గాఢతను లెక్కించడానికి మరియు వాటి భౌతిక నిర్మాణాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి ఉపయోగిస్తారు. కంపన పౌనఃపున్యాలు అణువు యొక్క రసాయన బంధాలు మరియు సమరూపతకు నిర్దిష్టమైనవి. పరారుణ మరియు రామన్ స్పెక్ట్రాలు రెండూ సేంద్రీయ అణువుల "వేలిముద్ర" ప్రాంతం (వేవ్‌నంబర్ పరిధి 500–1,500 cm⁻¹) నుండి డేటాను సంగ్రహిస్తాయి. రామన్ ప్రతిస్పందన సేంద్రీయ అణువులకు మాత్రమే పరిమితం కాదు. స్వచ్ఛంద రామన్ స్కాటరింగ్ యొక్క తీవ్రత రసాయన విశ్లేషణ యొక్క గాఢతకు సరళంగా అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది, ఇది పరిమాణాత్మక రసాయన విశ్లేషణను అనుమతిస్తుంది, కానీ లీనియర్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ సాపేక్షంగా బలహీనమైన ప్రతిస్పందనను కలిగి ఉంటుంది మరియు సున్నితత్వాన్ని మెరుగుపరచడానికి ఇతర పద్ధతులను ఉపయోగించారు. రామన్ షిఫ్ట్ పౌనఃపున్యాలు మరియు రామన్ స్పెక్ట్రల్ ఫీచర్ల ఆకారాలు అణువు యొక్క పరమాణు మరియు ఎలక్ట్రానిక్ నిర్మాణానికి సంబంధించినవి, ఇది థియరీ విభాగంలో చర్చించబడింది.

సాలిడ్-స్టేట్ ఫిజిక్స్లో, రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని పదార్థాలను వర్గీకరించడానికి, ఉష్ణోగ్రతను కొలవడానికి మరియు నమూనా యొక్క స్ఫటికాకార ధోరణిని కనుగొనడానికి ఉపయోగిస్తారు. ఒకే అణువుల మాదిరిగానే, ఒక ఘన పదార్థాన్ని లక్షణ ఫోనాన్ మోడ్‌ల ద్వారా గుర్తించవచ్చు. ఫోనాన్ మోడ్ యొక్క జనాభాపై సమాచారం స్వచ్ఛంద రామన్ సిగ్నల్ యొక్క స్టోక్స్ మరియు యాంటీ-స్టోక్స్ తీవ్రత నిష్పత్తి ద్వారా ఇవ్వబడుతుంది. రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని ఘనపదార్థం యొక్క ఇతర తక్కువ ఫ్రీక్వెన్సీ ఉత్తేజితాలను గమనించడానికి కూడా ఉపయోగించవచ్చు, ఉదాహరణకు ప్లాస్మోన్లు, మాగ్నోన్లు, మరియు సూపర్ కండక్టింగ్ గ్యాప్ ఉత్తేజితాలు. డిస్ట్రిబ్యూటెడ్ టెంపరేచర్ సెన్సింగ్ (DTS) ఆప్టికల్ ఫైబర్‌ల వెంట ఉష్ణోగ్రతను నిర్ణయించడానికి లేజర్ పల్స్ నుండి రామన్-షిఫ్ట్ చేయబడిన బ్యాక్‌స్కాటర్‌ను ఉపయోగిస్తుంది. అన్-ఐసోట్రోపిక్ స్ఫటికం యొక్క ధోరణిని స్ఫటికానికి సంబంధించి రామన్-స్కాటర్డ్ కాంతి యొక్క పోలరైజేషన్ మరియు లేజర్ కాంతి యొక్క పోలరైజేషన్ నుండి కనుగొనవచ్చు, ఒకవేళ స్ఫటిక నిర్మాణం యొక్క పాయింట్ గ్రూప్ తెలిస్తే.

కెమిస్ట్రీ డిపార్ట్‌మెంట్ షేర్డ్ ఇన్‌స్ట్రుమెంటేషన్ ఫెసిలిటీ (NYU) వద్ద రామన్ మైక్రోస్కోప్

నానోటెక్నాలజీలో, రామన్ మైక్రోస్కోప్‌ను నానోవైర్‌లను విశ్లేషించడానికి వాటి నిర్మాణాలను బాగా అర్థం చేసుకోవడానికి ఉపయోగించవచ్చు, మరియు కార్బన్ నానోట్యూబ్‌ల రేడియల్ బ్రీతింగ్ మోడ్ సాధారణంగా వాటి వ్యాసాన్ని అంచనా వేయడానికి ఉపయోగించబడుతుంది.

అరామిడ్ మరియు కార్బన్ వంటి రామన్ యాక్టివ్ ఫైబర్‌లు వర్తించే ఒత్తిడితో రామన్ పౌనఃపున్యంలో మార్పును చూపే కంపన మోడ్‌లను కలిగి ఉంటాయి. పాలీప్రొపైలిన్ ఫైబర్‌లు ఇలాంటి మార్పులను ప్రదర్శిస్తాయి.

సాలిడ్ స్టేట్ కెమిస్ట్రీ మరియు బయో-ఫార్మాస్యూటికల్ పరిశ్రమలో, రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని యాక్టివ్ ఫార్మాస్యూటికల్ ఇంగ్రీడియంట్స్ (APIs) గుర్తించడమే కాకుండా, ఒకటి కంటే ఎక్కువ ఉంటే వాటి పాలిమార్ఫిక్ రూపాలను గుర్తించడానికి ఉపయోగించవచ్చు. ఉదాహరణకు, సిస్టిక్ ఫైబ్రోసిస్ కోసం గిలియడ్ సైన్సెస్ ద్వారా మార్కెట్ చేయబడిన కేస్టన్ (అజ్ట్రియోనమ్) ఔషధాన్ని, IR మరియు రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ ద్వారా గుర్తించవచ్చు మరియు వర్గీకరించవచ్చు. బయో-ఫార్మాస్యూటికల్ ఫార్ములేషన్లలో సరైన పాలిమార్ఫిక్ రూపాన్ని ఉపయోగించడం చాలా కీలకం, ఎందుకంటే వివిధ రూపాలు ద్రావణీయత మరియు ద్రవీభవన స్థానం వంటి విభిన్న భౌతిక లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి.

రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీకి జీవశాస్త్రం మరియు వైద్యంలో అనేక రకాల అప్లికేషన్లు ఉన్నాయి. ఇది ప్రోటీన్లు మరియు DNAలో తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ ఫోనాన్‌ల ఉనికిని నిర్ధారించడంలో సహాయపడింది, ప్రోటీన్లు మరియు DNAలో తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ సామూహిక కదలికలు మరియు వాటి జీవక్రియల అధ్యయనాలను ప్రోత్సహిస్తుంది. రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని ప్లాస్మా-ఉత్పన్న ఎక్స్‌ట్రాసెల్యులర్ వెసికిల్ మరియు లిపోప్రోటీన్ సబ్‌పాపులేషన్‌ల లేబుల్-రహిత వర్గీకరణ కోసం కూడా ఉపయోగించారు, వాటి పరమాణు మరియు లిపిడ్ ప్రొఫైల్‌ల పోలికతో సహా. ఒలెఫిన్ లేదా అల్కైన్ మోయిటీలతో కూడిన రామన్ రిపోర్టర్ అణువులను SERS-లేబుల్డ్ యాంటీబాడీలతో కణజాల ఇమేజింగ్ కోసం అభివృద్ధి చేస్తున్నారు. రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని గాయాల యొక్క నిజ-సమయ, ఇన్ సిటు బయోకెమికల్ వర్గీకరణ కోసం నాన్-ఇన్వాసివ్ సాంకేతికతగా కూడా ఉపయోగించారు. రామన్ స్పెక్ట్రాల మల్టీవేరియేట్ విశ్లేషణ గాయం నయం చేసే పురోగతి కోసం పరిమాణాత్మక కొలతను అభివృద్ధి చేయడానికి వీలు కల్పించింది. స్పేషియల్లీ ఆఫ్‌సెట్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (SORS), ఇది సాంప్రదాయ రామన్ కంటే ఉపరితల పొరలకు తక్కువ సున్నితంగా ఉంటుంది, దీనిని ప్యాకేజింగ్‌ను తెరవకుండానే నకిలీ ఔషధాలను కనుగొనడానికి మరియు జీవ కణజాలాన్ని నాన్-ఇన్వాసివ్‌గా అధ్యయనం చేయడానికి ఉపయోగించవచ్చు. జీవసంబంధమైన అప్లికేషన్లలో రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ ఉపయోగకరంగా ఉండటానికి ఒక కారణం ఏమిటంటే, దాని ఫలితాలు తరచుగా నీటి అణువుల నుండి జోక్యాన్ని ఎదుర్కోవు, ఎందుకంటే అవి శాశ్వత డైపోల్ మూమెంట్లను కలిగి ఉంటాయి, మరియు ఫలితంగా, రామన్ స్కాటరింగ్ తీసుకోబడదు. ఇది ఒక పెద్ద ప్రయోజనం, ప్రత్యేకించి జీవసంబంధమైన అప్లికేషన్లలో. రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ బయోమినరల్స్‌ను అధ్యయనం చేయడానికి కూడా విస్తృత వినియోగాన్ని కలిగి ఉంది. చివరగా, రామన్ గ్యాస్ ఎనలైజర్‌లు శస్త్రచికిత్స సమయంలో అనస్థీషియా మరియు శ్వాసకోశ వాయువు మిశ్రమాలను నిజ-సమయ పర్యవేక్షణతో సహా అనేక ఆచరణాత్మక అప్లికేషన్లను కలిగి ఉన్నాయి.

లేజర్ కిరణాలను ఉపయోగించి సురక్షితమైన దూరం నుండి పేలుడు పదార్థాలను (explosives) గుర్తించే మార్గంగా రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని అనేక పరిశోధనా ప్రాజెక్టులలో ఉపయోగిస్తున్నారు.

రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని క్లినికల్ సెట్టింగ్‌లలో ఉపయోగించేలా మరింత అభివృద్ధి చేస్తున్నారు. Raman4Clinic అనేది వైద్య రంగంలో రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ పద్ధతులను చేర్చడానికి కృషి చేస్తున్న ఒక యూరోపియన్ సంస్థ. వారు ప్రస్తుతం వివిధ ప్రాజెక్టులపై పనిచేస్తున్నారు, వాటిలో ఒకటి సులభంగా అందుబాటులో ఉండే మూత్రం మరియు రక్త నమూనాల వంటి శరీర ద్రవాలను ఉపయోగించి క్యాన్సర్‌ను పర్యవేక్షించడం. ఈ పద్ధతి, ఎల్లప్పుడూ ప్రమాద రహితంగా ఉండని బయాప్సీలను నిరంతరం తీసుకోవడం కంటే రోగులకు తక్కువ ఒత్తిడిని కలిగిస్తుంది.

ఫోటోవోల్టాయిక్స్ (photovoltaics) రంగంలో, రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ గత కొన్ని సంవత్సరాలుగా అధిక ఆసక్తిని పొందింది, ఇది అటువంటి పదార్థాలకు ముఖ్యమైన లక్షణాలను అందించడంలో అధిక సామర్థ్యాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది. ఇందులో ఓపెన్ సర్క్యూట్ వోల్టేజ్, సామర్థ్యం మరియు స్ఫటికాకార నిర్మాణం వంటి ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ మరియు భౌతిక-రసాయన లక్షణాలు ఉంటాయి. ఇది కెస్టరైట్-ఆధారిత, CIGS పరికరాలు, మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ సెల్స్, మరియు పెరోవ్‌స్కైట్ పరికరాలు వంటి అనేక ఫోటోవోల్టాయిక్ సాంకేతికతలతో నిరూపించబడింది.

కళ మరియు సాంస్కృతిక వారసత్వం

రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ అనేది కళాఖండాలు మరియు సాంస్కృతిక వారసత్వ కళాఖండాలను పరిశోధించడానికి ఒక సమర్థవంతమైన మరియు వినాశనం లేని మార్గం, ఎందుకంటే ఇది in situ (యథాస్థానంలో) వర్తింపజేయగల ఒక నాన్-ఇన్వేసివ్ ప్రక్రియ. ఇది కళాఖండాల (విగ్రహాలు, కుండలు, మొదలైనవి) ఉపరితలాలపై తుప్పు పట్టే ఉత్పత్తులను విశ్లేషించడానికి ఉపయోగించవచ్చు, ఇది కళాఖండాలు ఎదుర్కొన్న తినివేయు వాతావరణాల గురించి అంతర్దృష్టిని అందిస్తుంది. ఫలితంగా వచ్చే స్పెక్ట్రాలను శుభ్రం చేసిన లేదా ఉద్దేశపూర్వకంగా తుప్పు పట్టిన ఉపరితలాల స్పెక్ట్రాలతో పోల్చవచ్చు, ఇది విలువైన చారిత్రక కళాఖండాల ప్రామాణికతను నిర్ణయించడంలో సహాయపడుతుంది.

ఇది పెయింటింగ్‌లలోని వ్యక్తిగత వర్ణద్రవ్యాలను (pigments) మరియు వాటి క్షీణత ఉత్పత్తులను గుర్తించగలదు, ఇది పెయింటింగ్‌ల ప్రామాణీకరణలో సహాయపడటంతో పాటు కళాకారుడి పని పద్ధతిపై అంతర్దృష్టిని అందిస్తుంది. వర్ణద్రవ్యాలు వయస్సుతో క్షీణించిన సందర్భాల్లో పెయింటింగ్ యొక్క అసలు స్థితి గురించి కూడా ఇది సమాచారాన్ని ఇస్తుంది. వర్ణద్రవ్యాల గుర్తింపుకు మించి, విస్తృతమైన రామన్ మైక్రోస్పెక్ట్రోస్కోపిక్ ఇమేజింగ్ ప్రారంభ మధ్యయుగ ఈజిప్షియన్ బ్లూలో అనేక ట్రేస్ సమ్మేళనాలకు ప్రాప్యతను అందిస్తుందని చూపబడింది, ఇది ముడి పదార్థాల రకం మరియు మూలం, వర్ణద్రవ్యం యొక్క సంశ్లేషణ మరియు అప్లికేషన్, మరియు పెయింట్ పొర యొక్క వృద్ధాప్యంతో సహా రంగు యొక్క వ్యక్తిగత "జీవిత చరిత్రను" పునర్నిర్మించడానికి వీలు కల్పిస్తుంది.

పెయింటింగ్‌లు మరియు కళాఖండాలతో పాటు, చారిత్రక పత్రాల (బుక్ ఆఫ్ కెల్స్ వంటివి) రసాయన కూర్పును పరిశోధించడానికి రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని ఉపయోగించవచ్చు, ఇది అవి సృష్టించబడినప్పుడు సామాజిక మరియు ఆర్థిక పరిస్థితుల గురించి అంతర్దృష్టిని అందిస్తుంది. ఇది అటువంటి సాంస్కృతిక వారసత్వ కళాఖండాల క్షీణతకు గల కారణాలపై అంతర్దృష్టిని అందించడం ద్వారా వాటి పరిరక్షణ లేదా సంరక్షణ యొక్క ఉత్తమ పద్ధతిని నిర్ణయించడానికి నాన్-ఇన్వేసివ్ మార్గాన్ని కూడా అందిస్తుంది.

IRUG (ఇన్‌ఫ్రారెడ్ అండ్ రామన్ యూజర్స్ గ్రూప్) స్పెక్ట్రల్ డేటాబేస్ అనేది కళాఖండాలు, వాస్తుశిల్పం మరియు పురావస్తు కళాఖండాల వంటి సాంస్కృతిక వారసత్వ పదార్థాల కోసం IR మరియు రామన్ రిఫరెన్స్ స్పెక్ట్రాల యొక్క కఠినమైన పీర్-రివ్యూడ్ ఆన్‌లైన్ డేటాబేస్. ఈ డేటాబేస్ సాధారణ ప్రజలు పరిశీలించడానికి అందుబాటులో ఉంది మరియు వందకు పైగా వివిధ రకాల వర్ణద్రవ్యాలు మరియు పెయింట్‌ల కోసం ఇంటరాక్టివ్ స్పెక్ట్రాలను కలిగి ఉంది.

మైక్రోస్పెక్ట్రోస్కోపీ

ప్రధాన వ్యాసం: రామన్ మైక్రోస్కోప్

హైపర్‌స్పెక్ట్రల్ రామన్ ఇమేజింగ్ రసాయన సమ్మేళనాలు మరియు పదార్థ లక్షణాల పంపిణీ మ్యాప్‌లను అందించగలదు: 19వ శతాబ్దపు సిమెంట్ మోర్టార్‌లో హైడ్రేట్ కాని క్లింకర్ అవశేషం యొక్క ఉదాహరణ (సిమెంట్ కెమిస్ట్ నామకరణం: C ≙ CaO, A ≙ Al₂O₃, S ≙ SiO₂, F ≙ Fe₂O₃).

రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ మైక్రోస్కోపిక్ విశ్లేషణ కోసం అనేక ప్రయోజనాలను అందిస్తుంది. ఇది కాంతిని వెదజల్లే పద్ధతి కాబట్టి, నమూనాలను ఫిక్స్ చేయాల్సిన లేదా విభజించాల్సిన అవసరం లేదు. రామన్ స్పెక్ట్రాలను చాలా చిన్న పరిమాణం (వ్యాసంలో < 1 μm, లోతులో < 10 μm) నుండి సేకరించవచ్చు; ఈ స్పెక్ట్రాలు ఆ పరిమాణంలో ఉన్న జాతులను గుర్తించడానికి అనుమతిస్తాయి. నీరు సాధారణంగా రామన్ స్పెక్ట్రల్ విశ్లేషణకు అంతరాయం కలిగించదు. అందువల్ల, రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ ఖనిజాలు, పాలిమర్‌లు మరియు సిరామిక్స్ వంటి పదార్థాలు, కణాలు, ప్రోటీన్లు మరియు ఫోరెన్సిక్ ట్రేస్ ఎవిడెన్స్ యొక్క మైక్రోస్కోపిక్ పరీక్షకు అనుకూలంగా ఉంటుంది. ఒక రామన్ మైక్రోస్కోప్ ప్రామాణిక ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్‌తో ప్రారంభమై, ఎక్సైటేషన్ లేజర్, మోనోక్రోమేటర్ లేదా పాలీక్రోమేటర్, మరియు సెన్సిటివ్ డిటెక్టర్ (ఉదాహరణకు ఛార్జ్-కపుల్డ్ డివైజ్ (CCD), లేదా ఫోటోమల్టిప్లైయర్ ట్యూబ్ (PMT))ని జోడిస్తుంది. FT-రామన్ కూడా మైక్రోస్కోప్‌లతో ఉపయోగించబడింది, సాధారణంగా నియర్-ఇన్‌ఫ్రారెడ్ (NIR) లేజర్ ఎక్సైటేషన్‌తో కలిపి. రామన్ మైక్రోస్పెక్ట్రోస్కోపీ కోసం UV లేజర్ మూలాన్ని ఉపయోగించినప్పుడు అల్ట్రావయోలెట్ మైక్రోస్కోప్‌లు మరియు UV మెరుగుపరచబడిన ఆప్టిక్స్ ఉపయోగించాలి.

డైరెక్ట్ ఇమేజింగ్లో (దీనిని గ్లోబల్ ఇమేజింగ్ లేదా వైడ్-ఫీల్డ్ ఇల్యూమినేషన్ అని కూడా పిలుస్తారు), మొత్తం ఫీల్డ్ ఆఫ్ వ్యూను తక్కువ పరిధిలోని వేవ్‌నంబర్‌ల (రామన్ షిఫ్ట్‌లు) కోసం కాంతి వెదజల్లడం కోసం పరిశీలిస్తారు. ఉదాహరణకు, కొలెస్ట్రాల్ కోసం ఒక లక్షణ వేవ్‌నంబర్‌ను కణ సంస్కృతిలో కొలెస్ట్రాల్ పంపిణీని రికార్డ్ చేయడానికి ఉపయోగించవచ్చు. ఈ పద్ధతిని పెద్ద-స్థాయి పరికరాల లక్షణీకరణ, వివిధ సమ్మేళనాల మ్యాపింగ్ మరియు డైనమిక్స్ అధ్యయనం కోసం ఉపయోగిస్తున్నారు. ఇది ఇప్పటికే గ్రాఫేన్ పొరల లక్షణీకరణ, కార్బన్ నానోట్యూబ్స్ లోపల J-అగ్రిగేటెడ్ డైస్ మరియు MoS₂ మరియు WSe₂ వంటి అనేక ఇతర 2D పదార్థాల కోసం ఉపయోగించబడింది. ఎక్సైటేషన్ బీమ్ మొత్తం ఫీల్డ్ ఆఫ్ వ్యూపై విస్తరించి ఉన్నందున, ఆ కొలతలను నమూనాను పాడు చేయకుండా చేయవచ్చు.

అత్యంత సాధారణ విధానం హైపర్‌స్పెక్ట్రల్ ఇమేజింగ్ లేదా కెమికల్ ఇమేజింగ్, ఇందులో వేలకొద్దీ రామన్ స్పెక్ట్రాలు ఫీల్డ్ ఆఫ్ వ్యూ అంతటా సేకరించబడతాయి, ఉదాహరణకు, నమూనా ద్వారా ఫోకస్ చేయబడిన లేజర్ బీమ్‌ను రాస్టర్ స్కానింగ్ చేయడం ద్వారా. వివిధ భాగాల స్థానం మరియు పరిమాణాన్ని చూపే చిత్రాలను రూపొందించడానికి డేటాను ఉపయోగించవచ్చు. ప్రతి కొలత స్థానంలో పూర్తి స్పెక్ట్రోస్కోపిక్ సమాచారం అందుబాటులో ఉండటం వల్ల ప్రయోజనం ఏమిటంటే, రసాయనికంగా సారూప్యమైన మరియు పాలిమార్ఫిక్ రూపాలతో సహా అనేక భాగాలను ఒకే సమయంలో మ్యాప్ చేయవచ్చు, వీటిని ఒకే వేవ్‌నంబర్‌ను గుర్తించడం ద్వారా వేరు చేయలేము. అంతేకాకుండా, ఒత్తిడి మరియు స్ట్రెయిన్, క్రిస్టల్ ఓరియంటేషన్, స్ఫటికత మరియు స్ఫటిక లాటిస్‌లలో విదేశీ అయాన్‌ల చేరిక (ఉదా. డోపింగ్, సాలిడ్ సొల్యూషన్ సిరీస్) వంటి పదార్థ లక్షణాలను హైపర్‌స్పెక్ట్రల్ మ్యాప్‌ల నుండి నిర్ణయించవచ్చు. కణ సంస్కృతి ఉదాహరణను తీసుకుంటే, ఒక హైపర్‌స్పెక్ట్రల్ చిత్రం కొలెస్ట్రాల్‌తో పాటు ప్రోటీన్లు, న్యూక్లియిక్ ఆమ్లాలు మరియు కొవ్వు ఆమ్లాల పంపిణీని చూపగలదు. నీరు, కల్చర్ మీడియా, బఫర్‌లు మరియు ఇతర జోక్యాల ఉనికిని విస్మరించడానికి అధునాతన సిగ్నల్- మరియు ఇమేజ్-ప్రాసెసింగ్ పద్ధతులను ఉపయోగించవచ్చు.

రామన్ మైక్రోస్కోప్ ఒక డిఫ్రాక్షన్-లిమిటెడ్ సిస్టమ్ కాబట్టి, దాని ప్రాదేశిక రిజల్యూషన్ కాంతి తరంగదైర్ఘ్యం, ఫోకసింగ్ ఎలిమెంట్ యొక్క న్యూమరికల్ ఎపర్చరు, మరియు — కన్ఫోకల్ మైక్రోస్కోపీ విషయంలో — కన్ఫోకల్ ఎపర్చరు యొక్క వ్యాసంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. కనిపించే నుండి నియర్-ఇన్‌ఫ్రారెడ్ పరిధిలో పనిచేసినప్పుడు, రామన్ మైక్రోస్కోప్ తరంగదైర్ఘ్యం మరియు ఆబ్జెక్టివ్ లెన్స్ రకాన్ని బట్టి (ఉదా. గాలి vs. నీరు లేదా ఆయిల్ ఇమ్మర్షన్ లెన్స్‌లు) సుమారు 1 μm నుండి 250 nm వరకు పార్శ్వ రిజల్యూషన్‌లను సాధించగలదు. డెప్త్ రిజల్యూషన్ (నమూనా యొక్క ఆప్టికల్ పెనెట్రేషన్ డెప్త్ ద్వారా పరిమితం కాకపోతే) కన్ఫోకల్ పిన్‌హోల్ ఎపర్చరుతో 1–6 μm నుండి కన్ఫోకల్ పిన్‌హోల్ లేకుండా పనిచేసినప్పుడు పదుల మైక్రోమీటర్ల వరకు ఉంటుంది. నమూనాను బట్టి, మైక్రోస్కోపిక్ ఫోకసింగ్ కారణంగా అధిక లేజర్ పవర్ డెన్సిటీ జోక్యం చేసుకునే ఫ్లోరోసెన్స్‌ను విడుదల చేసే అణువుల యొక్క మెరుగైన ఫోటోబ్లీచింగ్ ప్రయోజనాన్ని కలిగి ఉంటుంది. అయితే, నమూనా క్షీణించకుండా ఉండటానికి ప్రతి రకమైన నమూనాకు లేజర్ తరంగదైర్ఘ్యం మరియు లేజర్ శక్తిని జాగ్రత్తగా ఎంచుకోవాలి.

రామన్ ఇమేజింగ్ యొక్క అప్లికేషన్లు మెటీరియల్ సైన్సెస్ నుండి జీవసంబంధ అధ్యయనాల వరకు ఉంటాయి. ప్రతి రకమైన నమూనా కోసం, కొలత పారామితులను వ్యక్తిగతంగా ఆప్టిమైజ్ చేయాలి. ఆ కారణం చేత, ఆధునిక రామన్ మైక్రోస్కోప్‌లు తరచుగా వివిధ తరంగదైర్ఘ్యాలను అందించే అనేక లేజర్‌లు, ఆబ్జెక్టివ్ లెన్స్‌ల సెట్ మరియు నమూనాకు చేరుకునే లేజర్ శక్తిని ట్యూన్ చేయడానికి న్యూట్రల్ డెన్సిటీ ఫిల్టర్‌లతో అమర్చబడి ఉంటాయి. లేజర్ తరంగదైర్ఘ్యం యొక్క ఎంపిక ప్రధానంగా నమూనా యొక్క ఆప్టికల్ లక్షణాలు మరియు పరిశోధన యొక్క లక్ష్యంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఉదాహరణకు, జీవసంబంధ మరియు వైద్య నమూనాల రామన్ మైక్రోస్కోపీ తరచుగా ఎరుపు నుండి నియర్-ఇన్‌ఫ్రారెడ్ ఎక్సైటేషన్ (ఉదా. 785 nm, లేదా 1,064 nm తరంగదైర్ఘ్యం) ఉపయోగించి నిర్వహించబడుతుంది. ఈ స్పెక్ట్రల్ పరిధిలో జీవసంబంధ నమూనాల యొక్క సాధారణంగా తక్కువ అబ్సార్బెన్స్ కారణంగా, నమూనాను పాడుచేసే ప్రమాదం మరియు ఆటోఫ్లోరోసెన్స్ ఉద్గారాలు తగ్గుతాయి మరియు కణజాలాలలోకి అధిక చొచ్చుకుపోయే లోతులను సాధించవచ్చు. అయితే, సుదీర్ఘ తరంగదైర్ఘ్యాల వద్ద రామన్ స్కాటరింగ్ తీవ్రత తక్కువగా ఉంటుంది (రామన్ స్కాటరింగ్ తీవ్రత యొక్క ω⁴ ఆధారపడటం వల్ల), ఇది సుదీర్ఘ సేకరణ సమయాలకు దారితీస్తుంది. మరోవైపు, 532 nm (ఆకుపచ్చ) వద్ద సింగిల్-సెల్ ఆల్గే యొక్క రెసోనెన్స్ రామన్ ఇమేజింగ్ ~5 μW తక్కువ లేజర్ శక్తిని మరియు కేవలం 100 ms సేకరణ సమయాన్ని ఉపయోగించడం ద్వారా కణం లోపల కెరోటినాయిడ్ పంపిణీని ప్రత్యేకంగా పరిశీలించగలదు.

రామన్ స్కాటరింగ్, ప్రత్యేకంగా టిప్-ఎన్‌హాన్స్‌డ్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ, సింగిల్ అణువులు, పరమాణువులు, మరియు DNA యొక్క అధిక రిజల్యూషన్ హైపర్‌స్పెక్ట్రల్ చిత్రాలను ఉత్పత్తి చేస్తుంది.

వేరియంట్లు

రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ యొక్క కనీసం 25 వైవిధ్యాలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. సాధారణ ప్రయోజనం సున్నితత్వాన్ని పెంచడం (ఉదా. సర్ఫేస్-ఎన్‌హాన్స్‌డ్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (SERS)), ప్రాదేశిక రిజల్యూషన్‌ను మెరుగుపరచడం (రామన్ మైక్రోస్కోపీ), లేదా చాలా నిర్దిష్టమైన సమాచారాన్ని పొందడం (రెసోనెన్స్ రామన్).

స్పొంటేనియస్ (లేదా ఫార్-ఫీల్డ్) రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ

కోరిలేటివ్ రామన్ ఇమేజింగ్: టోపోగ్రాఫికల్ (AFM, పైన) మరియు GaSe యొక్క రామన్ చిత్రాల పోలిక. స్కేల్ బార్ 5 μm.

స్పొంటేనియస్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ లేదా నార్మల్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ వంటి పదాలు పైన వివరించిన విధంగా సాధారణ ఫార్-ఫీల్డ్ ఆప్టిక్స్‌ను ఉపయోగించి రామన్ స్కాటరింగ్ ఆధారంగా పనిచేసే రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ పద్ధతులను సూచిస్తాయి. ఎక్సైటేషన్-డిటెక్షన్ జ్యామితులు, ఇతర పద్ధతులతో కలయిక, ప్రత్యేక (పోలరైజింగ్) ఆప్టిక్స్ వాడకం మరియు రెసొనెన్స్ ఎన్‌హాన్స్‌మెంట్ కోసం నిర్దిష్ట ఎక్సైటేషన్ తరంగదైర్ఘ్యాల ఎంపికకు సంబంధించి నార్మల్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీలో వివిధ రకాలు ఉన్నాయి.

• కోరిలేటివ్ రామన్ ఇమేజింగ్ – రామన్ మైక్రోస్కోపీని అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ (రామన్-AFM) మరియు స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (రామన్-SEM) వంటి అనుబంధ ఇమేజింగ్ పద్ధతులతో కలిపి ఉపయోగించవచ్చు. దీని ద్వారా రామన్ డిస్ట్రిబ్యూషన్ మ్యాప్‌లను టోపోగ్రాఫికల్ లేదా మోర్ఫోలాజికల్ చిత్రాలతో పోల్చవచ్చు (లేదా వాటిపై అతివ్యాప్తి చేయవచ్చు), మరియు రామన్ స్పెక్ట్రాలను అనుబంధ భౌతిక లేదా రసాయన సమాచారంతో (ఉదాహరణకు, SEM-EDX ద్వారా పొందినవి) అనుసంధానించవచ్చు.
• రెసొనెన్స్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ – ఎక్సైటేషన్ తరంగదైర్ఘ్యం అణువు లేదా స్పటికం యొక్క ఎలక్ట్రానిక్ ట్రాన్సిషన్‌తో సరిపోలుతుంది, తద్వారా ఉత్తేజిత ఎలక్ట్రానిక్ స్థితికి సంబంధించిన వైబ్రేషనల్ మోడ్‌లు బాగా మెరుగుపడతాయి. ఇది పాలిపెప్టైడ్ల వంటి పెద్ద అణువులను అధ్యయనం చేయడానికి ఉపయోగపడుతుంది, ఇవి "సాధారణ" రామన్ స్పెక్ట్రాలలో వందలాది బ్యాండ్‌లను చూపవచ్చు. గమనించిన ఫ్రీక్వెన్సీ షిఫ్ట్‌లతో నార్మల్ మోడ్‌లను అనుసంధానించడానికి కూడా ఇది ఉపయోగపడుతుంది.
• యాంగిల్-రిజాల్వ్డ్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ – ఇందులో ప్రామాణిక రామన్ ఫలితాలను రికార్డ్ చేయడమే కాకుండా, ఇన్సిడెంట్ లేజర్‌కు సంబంధించి కోణాన్ని కూడా నమోదు చేస్తారు. నమూనా యొక్క ఓరియంటేషన్ తెలిస్తే, ఒకే పరీక్ష నుండి ఫోనాన్ డిస్పర్షన్ రిలేషన్ గురించి వివరణాత్మక సమాచారాన్ని కూడా పొందవచ్చు.
• ఆప్టికల్ ట్వీజర్స్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (OTRS) – ఆప్టికల్ ట్వీజర్స్ ద్వారా బంధించబడిన ఏక కణాలలో వ్యక్తిగత కణాలను మరియు జీవరసాయన ప్రక్రియలను అధ్యయనం చేయడానికి ఉపయోగిస్తారు.
• స్పేషియల్లీ ఆఫ్‌సెట్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (SORS) – అస్పష్టమైన ఉపరితలం క్రింద ఉన్న రామన్ స్కాటరింగ్‌ను రెండు స్పేషియల్లీ ఆఫ్‌సెట్ పాయింట్ల వద్ద తీసుకున్న రెండు స్పెక్ట్రాల స్కేల్డ్ వ్యవకలనం (subtraction) ద్వారా తిరిగి పొందుతారు.
• రామన్ ఆప్టికల్ యాక్టివిటీ (ROA) – కుడి మరియు ఎడమ-వృత్తాకార ధ్రువణ కాంతిలో చిరల్ అణువుల నుండి వచ్చే రామన్ స్కాటరింగ్ తీవ్రతలో స్వల్ప వ్యత్యాసం ద్వారా లేదా సమానంగా, స్కాటర్ అయిన కాంతిలో స్వల్ప వృత్తాకార ధ్రువణ భాగం ద్వారా వైబ్రేషనల్ ఆప్టికల్ యాక్టివిటీని కొలుస్తుంది.
• ట్రాన్స్‌మిషన్ రామన్ – పొడులు, క్యాప్సూల్స్, జీవ కణజాలం మొదలైన టర్బిడ్ పదార్థాల యొక్క గణనీయమైన మొత్తాన్ని పరీక్షించడానికి అనుమతిస్తుంది. 1960ల చివరలో (ష్రాడర్ మరియు బెర్గ్‌మాన్, 1967) పరిశోధనల తర్వాత ఇది ఎక్కువగా విస్మరించబడింది కానీ 2006లో ఫార్మాస్యూటికల్ డోసేజ్ ఫార్మ్స్ యొక్క వేగవంతమైన విశ్లేషణ సాధనంగా తిరిగి కనుగొనబడింది. ముఖ్యంగా క్యాన్సర్ గుర్తింపులో వైద్య రోగనిర్ధారణ అనువర్తనాలు ఉన్నాయి.
• మైక్రో-క్యావిటీ సబ్‌స్ట్రేట్స్ – ప్రతిబింబించే Au లేదా Agతో పూత పూయబడిన మైక్రో-క్యావిటీలో మైక్రో-రామన్‌ను ఉపయోగించి సాధారణ రామన్ స్పెక్ట్రాల గుర్తింపు పరిమితిని మెరుగుపరిచే పద్ధతి. మైక్రో-క్యావిటీ కొన్ని మైక్రోమీటర్ల వ్యాసార్థాన్ని కలిగి ఉంటుంది మరియు నమూనా యొక్క బహుళ ఎక్సైటేషన్‌లను అందించడం ద్వారా మొత్తం రామన్ సిగ్నల్‌ను పెంచుతుంది, అలాగే బ్యాక్-స్కాటర్డ్ రామన్ జ్యామితిలో కలెక్షన్ ఆప్టిక్స్ వైపు ఫార్వర్డ్-స్కాటర్డ్ రామన్ ఫోటాన్‌లను కపుల్ చేస్తుంది.
• స్టాండ్-ఆఫ్ రిమోట్ రామన్ – స్టాండ్‌ఆఫ్ రామన్ పద్ధతిలో, నమూనాను రామన్ స్పెక్ట్రోమీటర్ నుండి కొంత దూరంలో కొలుస్తారు, సాధారణంగా కాంతి సేకరణ కోసం టెలిస్కోప్‌ను ఉపయోగిస్తారు. రిమోట్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని 1960లలో ప్రతిపాదించారు మరియు ప్రారంభంలో వాతావరణ వాయువుల కొలత కోసం అభివృద్ధి చేయబడింది. 1992లో ఏంజెల్ మరియు ఇతరులచే ప్రమాదకరమైన అకర్బన మరియు కర్బన సమ్మేళనాల స్టాండ్‌ఆఫ్ రామన్ గుర్తింపు కోసం ఈ పద్ధతిని విస్తరించారు.
• ఎక్స్-రే రామన్ స్కాటరింగ్ – ఇది వైబ్రేషన్లకు బదులుగా ఎలక్ట్రానిక్ ట్రాన్సిషన్‌లను కొలుస్తుంది.

ఎన్‌హాన్స్‌డ్ (లేదా నియర్-ఫీల్డ్) రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ

రామన్ స్కాటరింగ్ యొక్క మెరుగుదల ఆప్టికల్ నియర్-ఫీల్డ్ ఎఫెక్ట్స్ (ఉదా. లోకలైజ్డ్ సర్ఫేస్ ప్లాస్మోన్లు) ద్వారా స్థానిక విద్యుత్ క్షేత్ర మెరుగుదల ద్వారా సాధించబడుతుంది.

• సర్ఫేస్-ఎన్‌హాన్స్‌డ్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (SERS) – సాధారణంగా వెండి లేదా బంగారు కొల్లాయిడ్ లేదా వెండి లేదా బంగారాన్ని కలిగి ఉన్న సబ్‌స్ట్రేట్‌లో చేస్తారు. వెండి మరియు బంగారు ఉపరితల ప్లాస్మోన్లు లేజర్ ద్వారా ఉత్తేజితమవుతాయి, దీని ఫలితంగా లోహాన్ని చుట్టుముట్టిన విద్యుత్ క్షేత్రాలు పెరుగుతాయి. రామన్ తీవ్రతలు విద్యుత్ క్షేత్రానికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటాయి కాబట్టి, కొలిచిన సిగ్నల్‌లో పెద్ద పెరుగుదల (10¹¹ వరకు) ఉంటుంది. ఈ ప్రభావాన్ని మొదట మార్టిన్ ఫ్లీష్‌మాన్ గమనించారు, కానీ ప్రస్తుత వివరణను 1977లో వాన్ డ్యూన్ ప్రతిపాదించారు. ఈ ప్రభావంపై సమగ్ర సిద్ధాంతాన్ని లోంబార్డి మరియు బిర్కే అందించారు.
• సర్ఫేస్-ఎన్‌హాన్స్‌డ్ రెసొనెన్స్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (SERRS) – ఇది SERS మరియు రెసొనెన్స్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీల కలయిక, ఇది రామన్ తీవ్రతను పెంచడానికి ఉపరితలానికి సామీప్యాన్ని మరియు విశ్లేషించబడుతున్న అణువు యొక్క గరిష్ట శోషణకు సరిపోయే ఎక్సైటేషన్ తరంగదైర్ఘ్యాన్ని ఉపయోగిస్తుంది.
• టిప్-ఎన్‌హాన్స్‌డ్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (TERS) – TERS అనేది SERS యొక్క రసాయన సున్నితత్వాన్ని మరియు స్కానింగ్ ప్రోబ్ మైక్రోస్కోపీ పద్ధతుల యొక్క అధిక స్పేషియల్ రిజల్యూషన్‌ను మిళితం చేస్తుంది, ఇది నానోమీటర్ పొడవు స్థాయిలో ఉపరితలాల రసాయన ఇమేజింగ్‌ను అధిక గుర్తింపు సున్నితత్వంతో అనుమతిస్తుంది. ఇది తన పరిసరాల్లో ఉన్న అణువుల రామన్ సిగ్నల్‌లను మెరుగుపరచడానికి ఒక లోహపు (సాధారణంగా వెండి/బంగారు పూత పూసిన AFM లేదా STM) టిప్‌ను ఉపయోగిస్తుంది. స్పేషియల్ రిజల్యూషన్ సుమారుగా టిప్ అపెక్స్ పరిమాణంలో (20–30 nm) ఉంటుంది. TERS సింగిల్ మాలిక్యూల్ స్థాయి వరకు సున్నితత్వాన్ని కలిగి ఉంటుందని చూపబడింది మరియు బయో అనాలిసిస్ అనువర్తనాలు మరియు DNA సీక్వెన్సింగ్ కోసం కొంత వాగ్దానాన్ని కలిగి ఉంది. సింగిల్ మాలిక్యూల్స్ యొక్క వైబ్రేషనల్ నార్మల్ మోడ్‌లను ఇమేజ్ చేయడానికి TERS ఉపయోగించబడింది.
• సర్ఫేస్ ప్లాస్మోన్ పోలారిటాన్ ఎన్‌హాన్స్‌డ్ రామన్ స్కాటరింగ్ (SPPERS) – ఈ విధానం అణువుల నియర్ ఫీల్డ్ ఎక్సైటేషన్ కోసం అపెర్చర్‌లెస్ మెటాలిక్ కోనికల్ టిప్‌లను ఉపయోగిస్తుంది. ఈ పద్ధతి నేపథ్య క్షేత్రాన్ని అణిచివేసే దాని అంతర్గత సామర్థ్యం కారణంగా TERS విధానం నుండి భిన్నంగా ఉంటుంది. వాస్తవానికి, తగిన లేజర్ మూలం కోన్ యొక్క బేస్ వద్ద తాకినప్పుడు, ఒక TM0 మోడ్ (పోలారిటోనిక్ మోడ్) స్థానికంగా సృష్టించబడుతుంది, అంటే ఎక్సైటేషన్ స్పాట్ (టిప్ యొక్క అపెక్స్) నుండి చాలా దూరంలో. ఈ మోడ్ ఎటువంటి రేడియేషన్ క్షేత్రాన్ని ఉత్పత్తి చేయకుండా టిప్ అపెక్స్ వరకు ప్రయాణించగలదు, అక్కడ అది అణువుతో సంకర్షణ చెందుతుంది. ఈ విధంగా, ఫోకల్ ప్లేన్ ఎక్సైటేషన్ ప్లేన్ నుండి టిప్ పొడవుకు సమానమైన దూరంతో వేరు చేయబడుతుంది మరియు అణువు యొక్క రామన్ ఎక్సైటేషన్‌లో నేపథ్యం ఎటువంటి పాత్ర పోషించదు.

నాన్-లీనియర్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ

రామన్ సిగ్నల్ మెరుగుదలలు నాన్-లీనియర్ ఆప్టికల్ ఎఫెక్ట్స్ ద్వారా సాధించబడతాయి, ఇవి సాధారణంగా స్పేషియల్లీ మరియు టెంపోరల్లీ సింక్రొనైజ్ చేయబడిన పల్స్డ్ లేజర్‌ల ద్వారా విడుదలయ్యే రెండు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ తరంగదైర్ఘ్యాలను కలపడం ద్వారా గ్రహించబడతాయి.

• హైపర్ రామన్ – ఒక నాన్-లీనియర్ ప్రభావం, దీనిలో వైబ్రేషనల్ మోడ్‌లు ఎక్సైటేషన్ బీమ్ యొక్క సెకండ్ హార్మోనిక్తో సంకర్షణ చెందుతాయి. దీనికి చాలా ఎక్కువ శక్తి అవసరం, కానీ సాధారణంగా "సైలెంట్"గా ఉండే వైబ్రేషనల్ మోడ్‌లను గమనించడానికి ఇది అనుమతిస్తుంది. ఇది తరచుగా సున్నితత్వాన్ని పెంచడానికి SERS-రకం మెరుగుదలపై ఆధారపడుతుంది.
• స్టిమ్యులేటెడ్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (SRS) – ఒక పంప్-ప్రోబ్ పద్ధతి, ఇక్కడ స్పేషియల్లీ కోఇన్సిడెంట్, టూ కలర్ పల్స్ (పోలరైజేషన్ సమాంతరంగా లేదా లంబంగా ఉంటుంది) జనాభాను గ్రౌండ్ స్టేట్ నుండి రోవైబ్రేషనల్లీ ఉత్తేజిత స్థితికి మారుస్తుంది. శక్తిలో వ్యత్యాసం అనుమతించబడిన రామన్ ట్రాన్సిషన్‌కు అనుగుణంగా ఉంటే, స్కాటర్ అయిన కాంతి పంప్ బీమ్‌లో నష్టం లేదా లాభానికి అనుగుణంగా ఉంటుంది.
• ఇన్వర్స్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ – స్టిమ్యులేటెడ్ రామన్ లాస్ స్పెక్ట్రోస్కోపీకి పర్యాయపదం.
• కోహెరెంట్ యాంటీ-స్టోక్స్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (CARS) – కోహెరెంట్ యాంటీ-స్టోక్స్ ఫ్రీక్వెన్సీ బీమ్‌ను రూపొందించడానికి రెండు లేజర్ బీమ్‌లను ఉపయోగిస్తారు, దీనిని రెసొనెన్స్ ద్వారా మెరుగుపరచవచ్చు.

సిద్ధాంతం

ప్రధాన వ్యాసం: రామన్ స్కాటరింగ్

రామన్ స్పెక్ట్రాలు రామన్ స్కాటరింగ్ ఫలితం, మరియు రామన్ స్కాటరింగ్‌ను వివరించడానికి మరియు అంచనా వేయడానికి స్థాపించబడిన సిద్ధాంతాలు స్పెక్ట్రాలను వివరించడానికి ఆధారం. క్వాంటం మెకానికల్ పద్ధతులు, కంప్యూటేషనల్ కెమిస్ట్రీ మరియు ఘనపదార్థాల బ్యాండ్ స్ట్రక్చర్, స్పెక్ట్రాలను వివరంగా అంచనా వేయడానికి ఉపయోగించబడతాయి. మాలిక్యులర్ సిమెట్రీ మరియు కాంతి ధ్రువణతపై రామన్ స్పెక్ట్రాల ఆధారపడటం హైలైట్ చేయడం ముఖ్యం.

పైన చర్చించినట్లుగా, రామన్ స్పెక్ట్రాలు ఎక్సైటేషన్ కాంతి మూలానికి సంబంధించి కొలుస్తారు. కాంతిని స్కాటర్ చేసే పదార్థం దాని శక్తి స్థితిని మారుస్తుంది, మరియు స్కాటర్ అయిన కాంతి ఆ శక్తి మార్పుతో సహా ఆ స్థితి మార్పుపై సమాచారాన్ని కలిగి ఉంటుంది.

మాలిక్యులర్ సిమెట్రీపై ఆధారపడటం

రామన్ ప్రభావం యొక్క పరిమాణం స్కాటర్ చేసే అణువు లేదా పదార్థం యొక్క పోలరైజబిలిటీపై ఆధారపడి ఉంటుంది. పోలరైజబిలిటీ అనేది ఎక్సైటేషన్ కాంతి మూలం ద్వారా ప్రేరేపించబడిన ఎలక్ట్రిక్ డైపోల్ను పరిమాణీకరిస్తుంది. పోలరైజబిలిటీ అనేది అణువు లేదా పదార్థం యొక్క లక్షణం, మరియు రామన్ స్పెక్ట్రాల అంచనాలు పోలరైజబిలిటీని అంచనా వేస్తాయి.

మాలిక్యులర్ వైబ్రేషనల్ మోడ్‌లను రామన్ స్పెక్ట్రమ్‌కు దోహదపడతాయా లేదా అనే దానిపై ఆధారపడి రామన్ "యాక్టివ్" లేదా "ఇనాక్టివ్"గా వర్గీకరించవచ్చు. ఒక వైబ్రేషనల్ మోడ్ రామన్ యాక్టివ్‌గా ఉండాలంటే, ప్రారంభ మరియు తుది స్థితుల పోలరైజబిలిటీ మధ్య మార్పు ఉండాలి. ఇది మాలిక్యులర్ వైబ్రేషనల్ మోడ్‌ల సిమెట్రీకి మరియు రామన్ స్పెక్ట్రమ్‌లో వాటిని గమనించే అవకాశం లేదా అసాధ్యతకు మధ్య ప్రాథమిక సంబంధాన్ని సృష్టిస్తుంది. ఒక నిర్దిష్ట అణువు కోసం మాలిక్యులర్ వైబ్రేషన్ యొక్క సిమెట్రీని ఖచ్చితమైన మాలిక్యులర్ మోడల్తో అంచనా వేయవచ్చు, మరియు సిమెట్రీలను పంచుకునే అణువులు వాటి రామన్ స్పెక్ట్రాలలో లక్షణ నమూనాలను కూడా పంచుకుంటాయి.

రామన్ స్కాటరింగ్ ఇన్‌ఫ్రారెడ్ (IR) శోషణకు భిన్నంగా ఉంటుంది, ఇక్కడ శోషించబడిన ఫోటాన్ శక్తి ప్రారంభ మరియు తుది రోవైబ్రోనిక్ స్థితుల మధ్య శక్తి వ్యత్యాసానికి సమానంగా ఉంటుంది. రామన్ యొక్క పోలరైజబిలిటీ డెరివేటివ్‌పై ఆధారపడటం ఇన్‌ఫ్రారెడ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీకి భిన్నంగా ఉంటుంది, ఇది ఎలక్ట్రిక్ డైపోల్ మూమెంట్ డెరివేటివ్‌పై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఈ విరుద్ధమైన లక్షణం IRలో యాక్టివ్‌గా లేని రోవైబ్రోనిక్ ట్రాన్సిషన్‌లను రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీని ఉపయోగించి విశ్లేషించడానికి అనుమతిస్తుంది, దీనికి సెంట్రోసిమెట్రిక్ అణువులలో రూల్ ఆఫ్ మ్యూచువల్ ఎక్స్‌క్లూజన్ ఒక ఉదాహరణ. పెద్ద రామన్ తీవ్రతలను కలిగి ఉన్న ట్రాన్సిషన్‌లు తరచుగా బలహీనమైన IR తీవ్రతలను కలిగి ఉంటాయి మరియు దీనికి విరుద్ధంగా ఉంటాయి. ఒక బంధం బలంగా ధ్రువణమైతే, వైబ్రేషన్ సమయంలో సంభవించే దాని పొడవులో చిన్న మార్పు ధ్రువణతపై తక్కువ ప్రభావాన్ని మాత్రమే చూపుతుంది. అందువల్ల, ధ్రువణ బంధాలను (ఉదా. C-O, N-O, O-H) కలిగి ఉన్న వైబ్రేషన్‌లు తులనాత్మకంగా బలహీనమైన రామన్ స్కాటర్లు. అయితే, అటువంటి ధ్రువణ బంధాలు వైబ్రేషనల్ కదలిక సమయంలో తమ విద్యుత్ చార్జ్‌లను కలిగి ఉంటాయి (సిమెట్రీ కారకాలచే తటస్థీకరించబడకపోతే), మరియు ఇది వైబ్రేషన్ సమయంలో పెద్ద నికర డైపోల్ మూమెంట్ మార్పుకు దారితీస్తుంది, ఇది బలమైన IR శోషణ బ్యాండ్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, సాపేక్షంగా తటస్థ బంధాలు (ఉదా. C-C, C-H, C=C) వైబ్రేషన్ సమయంలో పోలరైజబిలిటీలో పెద్ద మార్పులకు లోనవుతాయి. అయితే, డైపోల్ మూమెంట్ ఇలా ప్రభావితం కాదు, తద్వారా ఈ రకమైన బంధాన్ని కలిగి ఉన్న వైబ్రేషన్‌లు బలమైన రామన్ స్కాటర్లుగా ఉన్నప్పటికీ, అవి IRలో బలహీనంగా ఉంటాయి. మూడవ వైబ్రేషనల్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ పద్ధతి, ఇన్‌ఎలాస్టిక్ ఇన్‌కోహెరెంట్ న్యూట్రాన్ స్కాటరింగ్ (IINS), IR మరియు రామన్ రెండింటిలోనూ ఇనాక్టివ్‌గా ఉండే అత్యంత సిమెట్రిక్ అణువులలో వైబ్రేషన్‌ల ఫ్రీక్వెన్సీలను నిర్ణయించడానికి ఉపయోగించవచ్చు. IINS సెలెక్షన్ రూల్స్, లేదా అనుమతించబడిన ట్రాన్సిషన్‌లు, IR మరియు రామన్ కంటే భిన్నంగా ఉంటాయి, కాబట్టి ఈ మూడు పద్ధతులు పరిపూరకరమైనవి. ఇవన్నీ ఒక నిర్దిష్ట వైబ్రేషనల్ ట్రాన్సిషన్ కోసం ఒకే ఫ్రీక్వెన్సీని ఇస్తాయి, కానీ సాపేక్ష తీవ్రతలు అణువు మరియు ఇన్కమింగ్ కణాల మధ్య వివిధ రకాల సంకర్షణల కారణంగా వేర్వేరు సమాచారాన్ని అందిస్తాయి, IR మరియు రామన్ కోసం ఫోటాన్లు, మరియు IINS కోసం న్యూట్రాన్లు.

రామన్ స్కాటరింగ్ యొక్క పోలరైజేషన్ డిపెండెన్స్

రామన్ స్కాటరింగ్ పోలరైజేషన్ సెన్సిటివ్ మరియు రామన్ యాక్టివ్ మోడ్‌ల సిమెట్రీపై వివరణాత్మక సమాచారాన్ని అందించగలదు. సాధారణ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ రసాయన కూర్పును గుర్తిస్తుండగా, రామన్ స్పెక్ట్రాలపై పోలరైజేషన్ ప్రభావాలు సింగిల్ స్పటికాలు మరియు అనైసోట్రోపిక్ పదార్థాలలో (ఉదా. స్ట్రెయిన్డ్ ప్లాస్టిక్ షీట్లు) అణువుల ఓరియంటేషన్, అలాగే వైబ్రేషనల్ మోడ్‌ల సిమెట్రీపై సమాచారాన్ని వెల్లడిస్తాయి.

పోలరైజేషన్-డిపెండెంట్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ ఒక పోలరైజర్ నుండి (ప్లేన్) పోలరైజ్డ్ లేజర్ ఎక్సైటేషన్‌ను ఉపయోగిస్తుంది. సేకరించిన రామన్ స్కాటర్ అయిన కాంతి డిటెక్టర్‌లోకి ప్రవేశించే ముందు రెండవ పోలరైజర్ (ఎనలైజర్ అని పిలుస్తారు) గుండా పంపబడుతుంది. ఎనలైజర్ లేజర్ యొక్క పోలరైజేషన్‌కు సమాంతరంగా లేదా లంబంగా ఓరియంట్ చేయబడుతుంది. ఎక్సైటేషన్ ప్లేన్‌కు లంబంగా మరియు సమాంతరంగా ఎనలైజర్‌ను సెట్ చేసి పొందిన స్పెక్ట్రాలను డిపోలరైజేషన్ రేషియోను లెక్కించడానికి ఉపయోగించవచ్చు. సాధారణంగా ఎనలైజర్ మరియు డిటెక్టర్ మధ్య పోలరైజేషన్ స్క్రాంబ్లర్ కూడా ఉంచబడుతుంది.పోలరైజ్డ్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీలో బ్రెజిలియన్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త సెర్గియో పెరీరా డా సిల్వా పోర్టో పేరు మీద మరియు ఆయనచే వివరించబడిన పోర్టో నోటేషన్‌ను ఉపయోగించి ప్రచారం మరియు పోలరైజేషన్ దిశలను వివరించడం సౌకర్యవంతంగా ఉంటుంది.

ఐసోట్రోపిక్ ద్రావణాల కోసం, ప్రతి మోడ్ నుండి వచ్చే రామన్ స్కాటరింగ్ లేజర్ యొక్క పోలరైజేషన్‌ను నిలుపుకుంటుంది లేదా పాక్షికంగా లేదా పూర్తిగా డిపోలరైజ్ అవుతుంది. రామన్ స్కాటరింగ్ ప్రక్రియలో పాల్గొన్న వైబ్రేషనల్ మోడ్ పూర్తిగా సిమెట్రిక్‌గా ఉంటే, రామన్ స్కాటరింగ్ యొక్క పోలరైజేషన్ ఇన్కమింగ్ లేజర్ బీమ్ యొక్క పోలరైజేషన్‌తో సమానంగా ఉంటుంది. వైబ్రేషనల్ మోడ్ పూర్తిగా సిమెట్రిక్‌గా లేని సందర్భంలో, పోలరైజేషన్ పాక్షికంగా లేదా పూర్తిగా కోల్పోతుంది (స్క్రాంబుల్ అవుతుంది), దీనిని డిపోలరైజేషన్ అంటారు. అందువల్ల పోలరైజ్డ్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ వైబ్రేషనల్ మోడ్‌ల సిమెట్రీ లేబుల్‌ల గురించి వివరణాత్మక సమాచారాన్ని అందించగలదు.

ఘన స్థితిలో, సింగిల్ స్పటికాల వంటి ఓరియంటెడ్ నమూనాల అధ్యయనంలో పోలరైజ్డ్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ ఉపయోగకరంగా ఉంటుంది. ఒక వైబ్రేషనల్ మోడ్ యొక్క పోలరైజబిలిటీ బంధం వెంబడి మరియు అడ్డంగా సమానంగా ఉండదు. అందువల్ల, లేజర్ యొక్క పోలరైజేషన్ ఒక నిర్దిష్ట బంధ అక్షం వెంబడి మరియు దానికి లంబంగా ఉన్నప్పుడు రామన్ స్కాటరింగ్ యొక్క తీవ్రత భిన్నంగా ఉంటుంది. ఈ ప్రభావం సింగిల్ స్పటికం లేదా పదార్థంలోని అణువుల ఓరియంటేషన్ గురించి సమాచారాన్ని అందించగలదు. ఈ విశ్లేషణ నుండి వచ్చే స్పెక్ట్రల్ సమాచారం తరచుగా స్పటిక లాటిస్‌లు, లిక్విడ్ క్రిస్టల్లు లేదా పాలిమర్ నమూనాలలో మాక్రో-మాలిక్యులర్ ఓరియంటేషన్‌ను అర్థం చేసుకోవడానికి ఉపయోగించబడుతుంది.

ధ్రువణత మరియు అణు సౌష్టవం

రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీలో molecular symmetry (అణు సౌష్టవం), రామన్ యాక్టివిటీ మరియు సంబంధిత రామన్ స్పెక్ట్రమ్‌లోని పీక్స్‌కు మధ్య ఉన్న సంబంధాలను అర్థం చేసుకోవడానికి ధ్రువణత (Polarization) పద్ధతి ఉపయోగపడుతుంది. ఒకే దిశలో ఉన్న ధ్రువణ కాంతి కొన్ని రామన్-యాక్టివ్ మోడ్‌లను మాత్రమే ప్రదర్శిస్తుంది, కానీ ధ్రువణతను భ్రమణం చేయడం ద్వారా ఇతర మోడ్‌లను చూడవచ్చు. ప్రతి మోడ్ దాని సౌష్టవం ప్రకారం వేరు చేయబడుతుంది.

ఒక వైబ్రేషనల్ మోడ్ యొక్క సౌష్టవం డీపోలరైజేషన్ నిష్పత్తి ρ నుండి నిర్ణయించబడుతుంది. ఇది పతన లేజర్ కాంతికి లంబంగా ఉన్న రామన్ స్కాటరింగ్ మరియు పతన లేజర్ కాంతికి సమాంతరంగా ఉన్న రామన్ స్కాటరింగ్ మధ్య గల నిష్పత్తి: $\rho =\frac{I_r}{I_u}$ ఇక్కడ $I_r$ అనేది పతన కాంతి యొక్క ధ్రువణ అక్షానికి సంబంధించి అనలైజర్‌ను 90 డిగ్రీలు తిప్పినప్పుడు వచ్చే రామన్ స్కాటరింగ్ తీవ్రత, మరియు $I_u$ అనేది పతన లేజర్ యొక్క ధ్రువణతతో అనలైజర్ సమలేఖనం చేయబడినప్పుడు వచ్చే రామన్ స్కాటరింగ్ తీవ్రత. ధ్రువణ కాంతి ఒక అణువుతో పరస్పర చర్య చేసినప్పుడు, అది అణువును వికృతీకరిస్తుంది, ఇది ప్లేన్-వేవ్‌లో సమానమైన మరియు వ్యతిరేక ప్రభావాన్ని ప్రేరేపిస్తుంది, దీనివల్ల అణువు యొక్క ధోరణి మరియు కాంతి తరంగం యొక్క ధ్రువణ కోణం మధ్య వ్యత్యాసం కారణంగా అది భ్రమణం చెందుతుంది. ఒకవేళ $\rho \ge \frac{3}{4}$ అయితే, ఆ పౌనఃపున్యం వద్ద ఉన్న కంపనాలు 'డీపోలరైజ్డ్' (ధ్రువణత కోల్పోయినవి) అని అర్థం; అంటే అవి పూర్తిగా సౌష్టవంగా లేవు.

రామన్ ఎక్సైటేషన్ ప్రొఫైల్ విశ్లేషణ

రెసోనెన్స్ రామన్ selection ruleలను ఆల్బ్రెచ్ట్ A మరియు B పదాలను ఉపయోగించి క్రామర్స్-హైసెన్‌బర్గ్ సమీకరణం ద్వారా వివరించవచ్చు. క్రామర్స్-హైసెన్‌బర్గ్ సమీకరణం అణువు యొక్క రిఫరెన్స్ ఫ్రేమ్‌లో దాని పోలరైజబిలిటీతో అనుసంధానించబడి ఉంటుంది:

$$({\alpha }_{\rho \sigma }{)}_{if}=\frac{1}{\hslash }\sum _n[\frac{⟨i|{\mu }_{\rho }|n⟩⟨n|{\mu }_{\sigma }|f⟩}{{\omega }_0+{\omega }_{nf}+i{\mathrm{\Gamma }}_n}-\frac{⟨i|{\mu }_{\sigma }|n⟩⟨n|{\mu }_{\rho }|f⟩}{{\omega }_0-{\omega }_{nf}-i{\mathrm{\Gamma }}_n}]\equiv ⟨i|{\hat{\alpha }}_{\rho \sigma }|f⟩$$

ప్రారంభ మరియు తుది స్థితులను కలిపే polarizability ఆపరేటర్, పరివర్తన పోలరైజబిలిటీని పతన పౌనఃపున్యం ω₀ యొక్క ప్రమేయంగా మ్యాట్రిక్స్ ఎలిమెంట్గా వ్యక్తపరుస్తుంది. అణు ఫ్రేమ్‌లోని x, y, మరియు z దిశలు ఇక్కడ Cartesian tensor ρ మరియు σ ద్వారా సూచించబడతాయి. రామన్ ఎక్సైటేషన్ నమూనాలను విశ్లేషించడానికి ఈ సమీకరణాన్ని ఉపయోగించడం అవసరం, ఇది పోలరైజబిలిటీ కోసం సమ్-ఓవర్-స్టేట్స్ (sum-over-states) వ్యక్తీకరణ. ఈ ప్రొఫైల్స్ శ్రేణి రామన్ యాక్టివ్ వైబ్రేషన్ యొక్క ఎక్సైటేషన్ frequency (పౌనఃపున్యం) మరియు తీవ్రత మధ్య సంబంధాన్ని వివరిస్తుంది.

ఈ పద్ధతి ఫ్రాంక్-కాండన్ యాక్టివ్ వైబ్రేషనల్ స్థితుల మొత్తాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకుంటుంది మరియు ఎలక్ట్రానిక్ అబ్సార్ప్షన్ మరియు ఎమిషన్ స్పెక్ట్రాపై అంతర్దృష్టిని అందిస్తుంది. అయినప్పటికీ, ఈ పని సమ్-ఓవర్-స్టేట్స్ పద్ధతిలోని లోపాన్ని హైలైట్ చేస్తుంది, ముఖ్యంగా రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీలో సాధారణంగా అధ్యయనం చేయబడే దృశ్యమాన chromophoreల వంటి పెద్ద అణువుల విషయంలో. అవసరమైన మధ్యంతర దశల సంఖ్య అనంతంగా ఉండటం వల్ల ఈ ఇబ్బంది తలెత్తుతుంది. చిన్న అణువుల విషయంలో అధిక వైబ్రేషనల్ స్థితుల వద్ద మొత్తాన్ని తగ్గించడం ద్వారా ఈ సమస్యను అధిగమించవచ్చు, కానీ పెద్ద అణువులలో, ముఖ్యంగా కండెన్స్‌డ్ ఫేజ్‌లో వ్యక్తిగత ఐగన్‌స్టేట్‌లను స్పెక్ట్రల్‌గా గుర్తించలేనప్పుడు, ఈ మొత్తంలో ఎక్కువ పదాలు ఉండటం వల్ల ఇది మరింత సవాలుగా మారుతుంది.

దీనిని అధిగమించడానికి, ఐగన్‌స్టేట్‌లను జోడించాల్సిన అవసరం లేని రెండు ప్రత్యామ్నాయ పద్ధతులను పరిగణించవచ్చు. ఈ రెండు పద్ధతులలో ఒకటి: ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ పద్ధతి. మరియు హెల్లర్ యొక్క కాల-ఆధారిత విధానం. ఈ రెండు విధానాల లక్ష్యం ఒక నిర్దిష్ట నార్మల్ మోడ్ యొక్క పౌనఃపున్యంపై ఆధారపడే రామన్ క్రాస్-సెక్షన్ σ_R(ω₀)ని పరిగణనలోకి తీసుకోవడం.

మాలిక్యులర్ రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ అనుకరణ

స్టాటిక్ (హార్మోనిక్) మోడల్

సాంప్రదాయ ప్లాజెక్ ఫ్రేమ్‌వర్క్‌లో, ఒక వైబ్రేషనల్ normal mode 'p' యొక్క రామన్ యాక్టివిటీ $S_p$ అనేది నార్మల్ కోఆర్డినేట్ $Q_p$కు సంబంధించి పోలరైజబిలిటీ టెన్సర్ యొక్క ఐసోట్రోపిక్ మరియు యానిసోట్రోపిక్ భాగాల డెరివేటివ్‌ల ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది:

$S_p=45{\left(\frac{\partial {\alpha }_{\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}}{\partial Q_p}\right)}^2+7{\left(\frac{\partial {\alpha }_{\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}}{\partial Q_p}\right)}^2$

ఇక్కడ, $\alpha$ అనేది 3×3 polarizability టెన్సర్.

${\alpha }_{\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}=\frac{1}{3}({\alpha }_{xx}+{\alpha }_{yy}+{\alpha }_{zz})$ ${\alpha }_{\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}=\sqrt{\frac{1}{2}[({\alpha }_{xx}-{\alpha }_{yy}{)}^2+({\alpha }_{yy}-{\alpha }_{zz}{)}^2+({\alpha }_{zz}-{\alpha }_{xx}{)}^2+6({\alpha }_{xy}^2+{\alpha }_{yz}^2+{\alpha }_{zx}^2)]}$

డబుల్-హార్మోనిక్ అప్రాక్సిమేషన్లలో, పొటెన్షియల్ ఎనర్జీని సమతుల్యత వద్ద రెండవ క్రమం (హార్మోనిక్ ఫోర్స్ ఫీల్డ్స్) వరకు విస్తరిస్తారు, అయితే పోలరైజబిలిటీని నార్మల్ కోఆర్డినేట్లలో మొదటి క్రమం వద్ద నిలిపివేస్తారు (ట్రంకేట్ చేస్తారు).

పోలరైజబిలిటీ, నార్మల్ కోఆర్డినేట్ మరియు పౌనఃపున్యం

స్టాటిక్ పోలరైజబిలిటీ టెన్సర్‌ను బాహ్య విద్యుత్ క్షేత్రం $\mathbf{𝐅}$కు సంబంధించి ఎలక్ట్రానిక్ ఎనర్జీ $E(\mathbf{𝐅})$ యొక్క రెండవ డెరివేటివ్‌గా లెక్కిస్తారు:

${\alpha }_{ij}=-{\frac{{\partial }^{2}E(\mathbf{𝐅})}{\partial F_i\partial F_j}|}_{\mathbf{𝐅}=0},i,j\in \{x,y,z\}$

ఆచరణలో, $\alpha$ను విశ్లేషణాత్మక పద్ధతుల ద్వారా లేదా $\mathbf{𝐅}$లో చిన్న మార్పుల వద్ద శక్తి కోసం ఫైనైట్ డిఫరెన్స్ పద్ధతిని ఉపయోగించి లెక్కించవచ్చు. రామన్ యాక్టివిటీలను లెక్కించడానికి ఉపయోగించే పోలరైజబిలిటీ డెరివేటివ్‌లను కార్టీసియన్ కోఆర్డినేట్లు $\mathbf{𝐑}$ మరియు నార్మల్ కోఆర్డినేట్లు $Q_p$లను అనుసంధానించే chain rule ద్వారా పొందవచ్చు:

$\frac{\partial \mathit{\alpha }}{\partial Q_p}=\sum _i\frac{\partial \mathit{\alpha }}{\partial R_i}\frac{\partial R_i}{\partial Q_p}.$

$\partial R_i/\partial Q_p$ అనేది కార్టీసియన్ కోఆర్డినేట్ మరియు మాస్-వెయిటెడ్ నార్మల్ కోఆర్డినేట్ల మధ్య సాధారణీకరించబడిన లీనియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మేషన్ ద్వారా ఇవ్వబడుతుంది:

$\frac{\partial R_i}{\partial Q_p}=({\mathbf{𝐌}}^{-1/2}\mathbf{𝐋}{)}_{ip},$

ఇక్కడ $M$ అనేది పరమాణు ద్రవ్యరాశుల వికర్ణ మాత్రిక (diagonal matrix) మరియు $L$ అనేది ఆర్థోనార్మల్ ఐగన్‌వెక్టర్ల (నార్మల్ మోడ్స్) మాత్రిక. ఇది మాస్-వెయిటెడ్ హెసియన్ మాత్రికను డయాగనలైజ్ చేయడం ద్వారా లభిస్తుంది:

${\mathbf{𝐇}}^{(\mathrm{m}\mathrm{w})}={\mathbf{𝐌}}^{-1/2}\mathbf{𝐇}{\mathbf{𝐌}}^{-1/2}.$

కార్టీసియన్ హెసియన్ ఎలిమెంట్లు పరమాణు కార్టీసియన్ కోఆర్డినేట్లకు సంబంధించి పొటెన్షియల్ ఎనర్జీ యొక్క రెండవ డెరివేటివ్‌లు:

$H_{ab}={\frac{{\partial }^{2}E}{\partial R_a\partial R_b}|}_{\mathbf{𝐑}={\mathbf{𝐑}}_0},a,b=1,\dots ,3N.$

మాస్-వెయిటెడ్ హెసియన్‌ను డయాగనలైజ్ చేయడం ద్వారా, మనం eigenvalues ${\omega }_p^2$ మరియు eigenvectors $\mathbf{𝐋}$లను పొందవచ్చు; వైబ్రేషనల్ వేవ్‌నంబర్లు ${\tilde{\nu }}_p=\frac{{\omega }_p}{2\pi c}$. ఐదు (లేదా నాన్-లీనియర్ అణువులకు ఆరు) సున్నాకి దగ్గరగా ఉన్న ఐగన్‌వాల్యూలు మొత్తం అనువాదాలు (translations) మరియు భ్రమణాలకు (rotations) అనుగుణంగా ఉంటాయి, వీటిని వైబ్రేషనల్ విశ్లేషణ చేసేటప్పుడు మోడ్‌ల నుండి తొలగించాలి. $\partial \mathit{\alpha }/\partial \mathbf{𝐑}$ ఫైనైట్ డిఫరెన్సెస్ లేదా గ్రేడియంట్ గణన నుండి తెలిసినందున, ఇది $Q_p$ను లెక్కించడానికి మరియు తద్వారా రామన్ యాక్టివిటీలను పొందడానికి ఉపయోగించబడుతుంది.

రామన్ తీవ్రత (ప్లాజెక్–న్యూగ్‌బౌర్ సమీకరణం)

చివరగా, రామన్ యాక్టివిటీని పొందిన తర్వాత, మోడ్ $p$ కోసం రామన్ తీవ్రత ఇలా ఇవ్వబడుతుంది:

$I_p(\tilde{\nu })=K({\tilde{\nu }}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-{\tilde{\nu }}_p{)}^4{\tilde{\nu }}_p^{-1}[45{\left(\frac{\partial {\alpha }_{\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}}{\partial Q_p}\right)}^2+7{\left(\frac{\partial {\alpha }_{\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}}{\partial Q_p}\right)}^2]\frac{1}{1-\exp (-hc{\tilde{\nu }}_p/k_{\mathrm{B}}T)}$

ఇక్కడ

• ${\tilde{\nu }}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}$: పతన కాంతి యొక్క వేవ్‌నంబర్ (cm${-1}^{}$);
• ${\tilde{\nu }}_p$: మోడ్ $p$ యొక్క వైబ్రేషనల్ వేవ్‌నంబర్;
• $K=\frac{2{\pi }^4}{45{ϵ}_0^2{c}^4}$ అనేది భౌతిక ప్రీఫాక్టర్;
• $h$: Planck constant; $c$: speed of light; $k_{\mathrm{B}}$: Boltzmann constant; $T$: పరమ ఉష్ణోగ్రత;
• పదం $({\tilde{\nu }}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-{\tilde{\nu }}_p{)}^4$ పౌనఃపున్య వ్యత్యాసం నుండి లక్షణ పౌనఃపున్య ఆధారితాన్ని అందిస్తుంది;
• చివరి అంశం స్టోక్స్ మరియు యాంటీ-స్టోక్స్ రేఖలను వేరు చేసే థర్మల్ పాపులేషన్ కరెక్షన్.

హార్మోనిక్ అప్రాక్సిమేషన్‌లో కొన్ని థర్మోడైనమిక్ గణనలను విస్మరించినందున, DFT-లెక్కించిన హార్మోనిక్ పౌనఃపున్యాలు క్రమపద్ధతిలో చాలా ఎక్కువగా ఉంటాయి.

అందువల్ల, అనుకరించిన స్పెక్ట్రమ్‌ను ప్రయోగంతో పోల్చే ముందు వైబ్రేషనల్ పౌనఃపున్యాలకు స్కేలింగ్ ఫ్యాక్టర్ $f_{\mathrm{s}\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{e}}$ వర్తింపజేయబడుతుంది:

${\tilde{\nu }}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{r}}=f_{\mathrm{s}\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{e}}{\tilde{\nu }}_{\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}}$

ఉదాహరణకు, B3LYP/TZVP స్కేలింగ్ ఫ్యాక్టర్ 0.965.

స్టాటిక్ స్పెక్ట్రమ్‌ను లెక్కించే ముందు, అదే లేదా సుమారుగా ఉన్న DFT బేసిస్ సెట్/ఫంక్షనల్‌ను ఉపయోగించి నిర్మాణాన్ని దాని కనిష్ట శక్తి బిందువుకు ఆప్టిమైజ్ చేయాలి. పేర్కొన్న స్టాటిక్ (హార్మోనిక్) పద్ధతిని గాసియన్ సాఫ్ట్‌వేర్లో డిఫాల్ట్‌గా చేర్చారు, దీనిని లెక్కించడానికి Opt Freq=Raman కీవర్డ్‌ను ఉపయోగిస్తారు.

డైనమిక్ (టైమ్ కోరిలేషన్) విధానం

హార్మోనిక్ అప్రాక్సిమేషన్ పద్ధతులు కొన్ని నాన్-హార్మోనిక్ గణనలను విస్మరిస్తాయి. ప్రత్యామ్నాయంగా, అబ్ ఇనిషియో లేదా మెషిన్-లెర్న్డ్ మాలిక్యులర్-డైనమిక్స్ ట్రాజెక్టరీలు డైనమిక్ రామన్ స్పెక్ట్రమ్‌ను అందిస్తాయి.

ప్రతి సమయ దశలో, రియల్-టైమ్ పోలరైజబిలిటీ టెన్సర్ $\mathit{\alpha }(t)$ లెక్కించబడుతుంది, మనం ${\alpha }_{\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(t)$ మరియు ${\alpha }_{\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(t)$గా పేర్కొన్న ఐసోట్రోపిక్ మరియు యానిసోట్రోపిక్ భాగాల నుండి, ఇవి డైనమికల్ ట్రాజెక్టరీ నుండి పొందబడతాయి.

కాల ఆటోకోరిలేషన్ ప్రమేయాలు ఈ క్రింది విధంగా ఉంటాయి:

$C_{\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(t)=⟨{\alpha }_{\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(0){\alpha }_{\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(t)⟩,C_{\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(t)=⟨{\alpha }_{\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(0){\alpha }_{\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(t)⟩$

మరియు ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్స్ సమయంలో, ఐసోట్రోపిక్ మరియు యానిసోట్రోపిక్ రామన్ స్పెక్ట్రాలు ఇలా ఉత్పత్తి చేయబడతాయి:

$I_{\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(\omega )\propto \int e^{i\omega t}{C}_{\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(t)dt,$ $I_{\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(\omega )\propto \int e^{i\omega t}{C}_{\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(t)dt.$

ఐసోట్రోపిక్ మాధ్యమాలలో (ద్రవాలు, వాయువులు), అన్‌పోలరైజ్డ్ డిటెక్షన్ కింద అబ్జర్వబుల్ రామన్ స్పెక్ట్రా అనేది రెండు భాగాల యొక్క రొటేషనల్ సగటు:

$I_{\mathrm{R}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{n}}(\omega )=I_{\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(\omega )+\frac{4}{3}{I}_{\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(\omega ).$

ఈ సమీకరణం యాదృచ్ఛిక అణు ధోరణుల నుండి వెదజల్లబడిన కాంతి యొక్క కోణీయ ద్రవ్యవేగ సగటు నుండి ఉద్భవించింది.

4/3 కారకం ఐసో/యానిసో యొక్క సహకారం కావచ్చు.

మరియు డీపోలరైజేషన్ నిష్పత్తి, ధ్రువణ ప్రభావాలను వివరించడానికి ప్రయోగాత్మకంగా తరచుగా ఉపయోగించబడుతుంది, ఇది ఇలా నిర్వచించబడింది:

$\rho (\omega )=\frac{I_{\perp }(\omega )}{I_{\parallel }(\omega )}=\frac{3I_{\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(\omega )}{45I_{\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(\omega )+4I_{\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{o}}(\omega )}.$

ఈ నిష్పత్తి వైబ్రేషనల్ మోడ్‌ల సౌష్టవంపై సమాచారాన్ని చూపుతుంది.

కాబట్టి, కాల-ఆధారిత పోలరైజబిలిటీ టెన్సర్ $\mathit{\alpha }(t)$ నుండి, ఐసోట్రోపిక్ మరియు యానిసోట్రోపిక్ టైమ్ సిరీస్‌లను పొందవచ్చు. వాటి ఆటోకోరిలేషన్ ప్రమేయాలు లెక్కించబడతాయి, ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ చేయబడతాయి మరియు చివరగా మొత్తం రామన్ స్పెక్ట్రమ్‌ను రూపొందించడానికి రొటేషనల్ యావరేజింగ్ పద్ధతిని ఉపయోగించి కలపబడతాయి.

ఈ పోలరైజబిలిటీ-ఆటోకోరిలేషన్ ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ పద్ధతి సహజంగానే అన్‌హార్మోనిక్ కప్లింగ్, ఉష్ణోగ్రత బ్రాడనింగ్ మరియు ధ్రువణ ప్రభావాలను అనుసంధానిస్తుంది. ఇది హార్మోనిక్ అప్రాక్సిమేషన్ కంటే మించిన రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ యొక్క వాస్తవిక వివరణను అందిస్తుంది.

మెషిన్ లెర్నింగ్ విధానం

ఈ భౌతిక-ఆధారిత విధానాలతో పాటు, రామన్ స్పెక్ట్రమ్ అంచనాలకు ఆధారమైన ఇంటర్-అటామిక్ పొటెన్షియల్‌ను అంచనా వేయడానికి పరిశోధకులు మెషిన్ లెర్నింగ్‌ను వర్తింపజేశారు. పొటెన్షియల్‌ను అంచనా వేసే ఈ విధానం గణన సమయాన్ని ఆదా చేస్తుంది, సంక్లిష్ట అణువులకు అంచనాలను సాధ్యం చేస్తుంది. మెషిన్-లెర్నింగ్ పొటెన్షియల్ నుండి రామన్ స్పెక్ట్రమ్ యొక్క అంచనా పైన వివరించిన విధంగానే ఉంటుంది.

ఇవి కూడా చూడండి

• Infrared spectroscopy
• Raman scattering
• Resonance Raman spectroscopy
• Surface-enhanced Raman spectroscopy

బాహ్య లింకులు

వికీమీడియా కామన్స్: Raman spectroscopy

• DoITPoMS టీచింగ్ అండ్ లెర్నింగ్ ప్యాకేజీ – రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ – అండర్ గ్రాడ్యుయేట్ స్థాయిని ఉద్దేశించి రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీకి పరిచయం.

---

మూలం: ఇంగ్లీష్ వికీపీడియాలోని “Raman spectroscopy” వ్యాసానికి అనువాదం. మూల వ్యాసం: https://en.wikipedia.org/wiki/Raman_spectroscopy ఈ అనువాదం స్వయంచాలకంగా రూపొందించబడింది.