طیف‌شناسی رامان
تئوری طیف‌سنجی رامان

یکی از روش‌های متداول بیناب نگاری، طیف‌سنجی رامان است که مدهای چرخشی، ارتعاشی، و دیگر مدهای فرکانسی کوتاه در یک سیستم را مطالعه می‌کند. در جریان این طیف‌سنجی نور تکفام دچار پراکندگی غیرالاستیک یا همان پراکندگی رامان می‌شود و غالباً از لیزرهای مرئی، فروسرخ و فرابنفش برای تحریک استفاده می‌شود. نور لیزر با جنبش‌های مولکولی، فونون‌ها و دیگر تحریک پذیرها برهمکنش کرده و در اثر این برهمکنش فوتون‌های بازتابیده دارای تغییر فرکانس به طول موج‌های بالاتر و پایین‌تر هستند. البته باید توجه داشت کسر قابل توجهی از فوتون‌ها بدون تغییر طول موج از سطح نمونه بازتابیده می‌شوند. تغییر فرکانس در این پدیده حاوی اطلاعات بسیار مهمی از جنبش‌های مولکولی در سیستم است. می‌توان عنوان نمود که در طیف‌سنجی رامان، شدت و طول موج نور پراکنده شده نور لیزری که با یک نمونه در وضعیت گاز، مایع، جامد یا پلاسما تعامل می‌نماید را اندازه‌گیری می‌نماید. به بیانی دیگر سیگنال رامان از تعامل نور (فوتون‌ها) با نوسانات فونون‌ها در یک نمونه مورد مطالعه، سرچشمه می‌گیرند. بررسی و تجزیه و تحلیل اطلاعات بدست آمده در طیف‌سنجی رامان منجر به تعیین ساختار، اندازه‌گیری کیفی و در مواردی کمی و همچنین مطالعه اثرات بسیاری از پارامترهای مختلف فیزیکی از قبیل دما، فشار، تنش، کرنش و … بر نوسانات بین اتمی و بین مولکولی (فونون‌ها) می‌گردد. برای مثال طیف‌های رامان بلورها شامل نوارهای طیفی می‌باشد که مرتبط به ارتعاشات داخل یاخته واحد (مدهای داخلی) و ارتعاشات شبکه (مدهای شبکه) می‌باشد. ممکن است تعداد معینی اتم زمانی‌که کنار یکدیگر قرار می‌گیرند منجر به یک ساختار خاص گردند که دارای تقارن معینی می‌باشند. همان مجموعه اتمی می‌توانند در شرایط مختلف فیزیکی دارای تقارن متفاوتی باشند. در دو وضعیت فوق بلور منجر به طیف‌های رامان متفاوت می‌گردد؛ لذا هر گونه تغییری در فاصله بین اتمی یا بین مولکولی و همچنین محیط بین آن‌ها از قبیل تغییر و جایگزینی اتمها منجر به جابجایی در فرکانس‌های رامان می‌گردد.
غالباً نور لیزر به نمونه برخورد می‌کند و نور بازتابیده از سطح نمونه بوسیله یک لنز جمع شده و بوسیله فیبری به آشکارساز مربوطه منتقل می‌شود. طول موج‌های نزدیک به طول موج لیزر که ناشی از برهمکنش الاستیک (پراکندگی ریلی) از سطح نمونه هستند بوسیله یک فیلتر جذب می‌شوند و پرتوهای بازتابیده شده‌ای که دارای تغییر فرکانسی هستند، عبور می‌کنند و به آشکارساز می‌رسند. طول موج‌هایی که دارای تغییر فرکانسی (طول موجی) هستند برای ما حائز اهمیتند که همان سیگنال‌های رامان محسوب می‌شوند.
سطح مقطع پراکندگی رامان بسیار کوچک است و سخت‌ترین مرحله در این روش جدا کردن پرتوهای الاستیک ریلی از پرتوهای تغییر یافته فرکانسی رامان است. در گذشته از توری‌های هولوگرافیک و مراحل پاشش چندگانه برای حصول درجه بالایی از طرد پرتو لیزر استفاده می‌شد. در گذشته، فوتومالتی پلیرها، آشکارساز انتخابی برای دستگاه‌های رامان پاششی بودند که منجر به زمان جمع‌آوری داده طولانی می‌شد. با این وجود، دستگاهوری مدرن تقریباً به صورت جهانی از نوج یا فیلتر لبه‌ای notch or edge filters برای طرد پرتو لیزر و از اسپکتروگرافها چه تکفامساز عبور محوری (AT)، زرنی-ترنر (CT) یا اسپتروسکوپی تبدیل فوریه و آشکارسازهای CCD استفاده می‌کنند.
برای این که انرژی کل سیستم بعد از حرکت مولکول‌ها به یک حالت جدید ثابت بماند، فوتون‌های پراکنده شده به انرژی متفاوتی منتقل می‌شود. همان‌طور که می‌دانید انرژی و فرکانس با هم رابطه مستقیمی دارند. این اختلاف انرژی همان اختلاف انرژی بین حالت‌های ابتدایی و نهایی مولکول است. حالا اگر انرژی حالت نهایی از انرژی حالت ابتدایی بیشتر باشد، فوتون پراکنده به سمت فرکانس پایین‌تر (انرژی پایین‌تر) منتقل می‌شود تا در نهایت انرژی کل سیستم ثابت باقی بماند. در طیف‌سنجی رامان به این اختلاف و تغییر فرکانس جابه جایی استوکس گفته می‌شود. برعکس این موضوع هم صادق است؛ یعنی اگر حالت نهایی انرژی کمتری نسبت به حالت اولیه داشته باشد، فوتون‌های پراکنده شده به فرکانس بالاتری جابه‌جا می‌شوند. به این‌جا به جایی آنتی استوکس گفته می‌شود.