Quang PH Raman - Cơ S Phương Pháp [PDF]

Zitiervorschau

QUANG PHỔ RAMAN - CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP http://biomedia.vn/review/quang-pho-raman-co-so-phuong-phap.html Nguồn bài: www.piacton.com & www.thermoscientific.com

Quang phổ Raman là một kỹ thuật quang phổ dựa trên sự tán xạ không đàn hồi của ánh sáng đơn sắc thường được phát từ một nguồn laser. Tán xạ không đàn hồi là hiện tượng tần số của các Photon trong ánh sáng đơn sắc bị thay đổi khi tương tác với mẫu. Các Photon của ánh sáng laser được mẫu hấp thụ rồi sau đó lại được phát xạ lại. Tần số của các Photon phát xạ lại bị thay đổi tăng hoặc giảm so với tần số ánh sáng đơn sắc ban đầu, được gọi là hiệu ứng Raman. Sự thay đổi này cho biết thông tin về sự dao động, xoay vòng và các thay đổi tần số thấp khác trong phân tử. Quang phổ Raman có thể được sử dụng để nghiên cứu các mẫu khí, lỏng và rắn. 1. Nguồn gốc của Raman Hiệu ứng Raman dựa trên sự biến dạng của phân tử trong điện trường E được xác định bởi khả năng phân cực α (hệ số phân cực) của phân tử. Chùm sáng laser có thể được coi là một sóng điện từ dao động với vector điện E. Khi tương tác với mẫu nó sẽ giảm momen lưỡng cực điện P = αE và làm biến dạng phân tử. Do hiện tượng biến dạng theo chu kỳ, phân tử sẽ bắt đầu dao động với tần số đặc trưng υ m.

Hình 1. Sơ đồ biến đổi Raman Biên độ dao động được gọi là chuyển vị hạt nhân. Nói một cách khác, ánh sáng laser đơn sắc với tần số kích thích các phân tử υ0 và chuyển chúng thành các lưỡng cực dao động. Các lưỡng cực dao động này phát ra ánh sáng ở 3 bước sóng khác nhau (Hình 1) khi: 1. Một phân tử không có chế độ hoạt động Raman hấp thụ một Photon với tần số υ0. Phân tử được kích thích sẽ trở lại trạng thái dao động cơ bản ban đầu và phát xạ ánh sáng với cùng tần số υ 0 như nguồn kích thích. Loại tương tác này được gọi là tán xạ Rayleigh đàn hồi. 2. Một Photon có tần số υ0 được hấp thụ bởi một phân tử hoạt động Raman đang ở trạng thái dao động cơ sở tại thời điểm diễn ra tương tác. Một phần năng lượng của Photon được truyền sang trạng thái hoạt động Raman υm và kết quả là tần số của ánh sáng tán xạ giảm đi thành (υ 0 – υm). Tần số Raman này được gọi là tần số Stokes hoặc chỉ là “Stokes”.

3. Một photon có tần số υ0 được hấp thụ bởi một phân tử hoạt động Raman đã ở trang thái dao động kích thích tại thời điểm tương tác. Năng lượng thừa của chế độ hoạt động Raman kích thích được giải phòng, phân tử quay trở lại trạng thái dao động cơ sở ban đầu và kết quả là tần số của ánh sáng tán xạ tăng thành (υ0 + υm). Tần số Raman này được gọi là tần số Phản Stokes hoặc chỉ là “Anti-Stokes”. Khoảng 99,999% các photon tới trong Raman tự phát trải qua tán xạ Rayleigh đàn hồi. Loại tín hiệu này không sử dụng được cho mục đích mô tả đặc điểm phân tử. chỉ khoảng 0,001% ánh sáng tới tạo ra tín hiệu Raman không đàn hồi với tần số (υ0 ± υm). Tán xạ Raman tự phát rất yếu và phải có phương pháp đặc biệt để phân biệt nó với tán xạ chiếm ưu thế Rayleigh. Các thiết bị như bộ lọc khấc bỏ dải, bộ lọc điều chỉnh được, khe chặn laser, các hệ thống quang phổ kế hai hoặc ba lần được sử dụng để làm giảm tán xạ Rayleigh và thu nhật các phổ Raman chất lượng cao. 2. Thiết bị Một hệ thống Raman điển hình có 4 hợp phần chính: 1. Nguồn kích thích (Tia laser) 2. Hệ thống chiếu sáng mẫu và hệ thống quang thu ánh sáng tán xạ 3. Bộ chọn bước sóng (bộ lọc hoặc quang phổ kế) 4. Đầu dò (đầu dò chuỗi diode quang, CCD hoặc PMT)

Một mẫu thường được chiếu sáng bởi một chùm laser trong vùng tử ngoại (UV), khả kiến (Vis) hoặc hồng ngoại gần (NIR). Ánh sáng tán xạ được thu vào một thấu kính và được đi qua bộ lọc nhiễu hoặc quang phố kế để thu phổ Raman của mẫu. Chùm tia laze thường được dùng làm nguồn sáng bởi cường độ lớn và khả năng tập trung vào một điểm nhỏ trên mẫu. Ánh sáng laze phân cực và được xác định bởi tỷ lệ phân cực. Thường laze khí hay dùng là argon cho 2 vạch phát xạ mạnh tại bước sóng 514 và 488 nm. Trong máy quang phổ Raman-FT, nguồn laze Nd:YAG thường có bước sóng phát xạ 1064nm. Ngoài ra còn có nguồn laze diode với nhiều bước sóng phát xạ hơn, nhưng hay dùng nhất là ở bước sóng 976, 830, và 785nm. Vì tán xạ Raman tự phát rất yếu nên khó khăn chính của quang phổ Raman là tách tán xạ này khỏi tán xạ Rayleigh có cường độ cao. Nói chính xác hơn, vấn đề chính không ở bản thân tán xạ Rayleigh mà do cường độ ánh sáng lạc từ tán xạ Rayleigh có thể lớn hơn nhiều so với cường độ của tín hiệu Raman khả dụng ở khoảng rất gần với bước sóng laser. Trong nhiều trường hợp, vấn đề này được giải quyết một cách đơn giản bằng cách cắt đi dải phổ gần với vạch laser là vùng ánh sáng lạc có ảnh hưởng lớn nhất. Người ta sử dụng

bộ lọc nhiễu (đã có trên thị trường) để cắt dải phố ± 80-120 cm-1 từ vạch laser. Phương pháp này hiệu quả trong việc loại bỏ ánh sáng lạc nhưng không cho phép đo được các chế độ Raman tần số thấp trong khoảng dưới 100 cm-1. Ánh sáng lạc phát sinh từ quang phổ kế chủ yếu do tán xạ ánh sáng trên cách tử và phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng cách tử. Đặc thù của quang phổ kế Raman là sử dụng cách tử holographic (tạo thành bằng cách chiếu 2 chùm tia lazer giống nhau từ 1 góc thích hợp lên bề mặt thủy tinh có tẩm chất cản quang), có các rãnh đồng đều về hình dáng và kích thước, có độ sai khác khi sản xuất ít hơn nhiều so với cách tử dòng. Ánh sáng lạc tạo bởi cách tử holographic là một trật tự cấp sáng có cường độ thấp hơn so với ánh sáng lạc phát sinh từ cách tử dòng với cùng mật độ rãnh. Sử dụng tán xạ nhiều cấp là một cách khác để giám ảnh hưởng của ánh sáng lạc. Quang phổ kế cấp 2 hoặc cấp ba cho phép thu được phổ Raman mà không cần sử dụng các bộ lọc nhiễu. Trong những hệ thống như thế, các chế độ Raman hoạt động ở tần số thấp 3–5cm-1 có thể được phát hiện hiệu quả. Trước đây người ta chủ yếu sử dụng các đầu dò đơn điểm chẳng hạn như Ống nhân quang đếm photon (PMT). Tuy nhiên một phổ Raman đơn thu được từ đầu dò PMT ở chế độ quét số sóng tốn thời gian, làm chậm qui trình thực hiện các công việc dựa trên kỹ thuật phân tích Raman. Hiện nay, các nhà nghiên cứu sử dụng ngày càng phổ biến các đầu do đa kênh như đầu dò chuỗi diot quang (PDA) hay phổ biến hơn là các cảm biến điện tích kép (CCD) để phát hiện ánh sáng tán xạ Raman. Độ nhạy và hiệu suất của các đầu dò CCD hiện đại ngày càng được nâng cao. Trong nhiều trường hợp CCD trở thành đầu dò được lựa chọn cho quang phổ Raman. 3. Các biện pháp tăng cường độ tín hiệu Raman Tín hiệu Raman thường yếu và con người không ngừng cải tiến các kỹ thuật quang phổ Raman. Có nhiều phương pháp chuẩn bị mẫu, chiếu mẫu hoặc phát hiện ánh sáng tán xạ được được phát minh để nâng cao cường độ tín hiệu Raman. Ở đây sẽ xem xét một số phương pháp này. 3.1. Raman kích thích Người ta đã phát hiện ra rằng nếu mẫu được chiếu sáng bởi một xung laser rất mạnh sẽ xuất hiện hiện tượng “phi tuyến tính” trong tín hiệu Raman. Khi so sánh nguồn laser liên tục (CW) với xung laze điện trường khoảng 104 V/cm, với xung laser ở điện trường khoảng 109V/cm sẽ chuyển một phần lớn hơn nhiều của ánh sáng tới thành ánh sáng tán xạ Raman hữu dụng và tăng đáng kể tỷ số tín hiệu trên nhiễu (signal-to-noise).

Hình 2. Sơ đồ Raman kích thích Tán xạ Raman kích thích là một ví dụ về quang phổ Raman “phi tuyến”. Một xung laser rất mạnh với cường độ điện trường > 109V/cm chuyển tới 50% năng lượng xung laser vào vạch liên kết ở tần số Stokes (υ0 - υm) đầu tiên (Hình 2). Chùm Stokes ngược hướng với chùm laser tới. Chỉ có chế độ υ m, là phổ mạnh nhất trong phổ Raman thông thường được khuếch đại đáng kể. Tất cả các chế độ hoạt động Raman khác yếu hơn đều không được hiển thị. Tần số Stokes rất mạnh và có vai trò như một nguồn kích thích thứ cấp và tạo ra vạch

Stokes thứ 2 với tần số (υ0 - 2υm). Vạch Stokes 2 lại tạo ra vạch Stokes 3 với tần số (υ0 - 3υm) ... Kỹ thuật Raman kích thích có được tín hiệu Raman có độ lớn hơn 4 – 5 lần so với tán xạ Raman thông thường 3.2. CARS - Raman đối Stokes kết hợp Raman đối Stokes kết hợp Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy, CARS, là một dạng quang phổ Raman “phi tuyến” khác. Thay vì chỉ có một nguồn laser truyền thống, 2 nguồn laser cộng tuyến rất mạnh được chiếu vào mẫu. Tần số của chùm laser thứ nhất thường không đổi còn tần số của chùm laser thứ hai có thể được điều chỉnh để hiệu số tần số của 2 chùm laser bằng đúng tần số của chế độ Raman hoạt động đang nghiên cứu. Chế độ đặc biệt này là chế độ mạnh nhất trong tín hiệu Raman. Với CARS, chỉ có thể nhận được một đỉnh Raman duy nhất. Trong trường hợp này, không nhất thiết phải có bộ đơn sắc, chỉ cần một bộ lọc nhiễu dải rộng và một đầu dò đặt sau bộ lọc là đủ.

Hình 3. Sơ đồ chuyển đổi CARS Hai chùm laser với tần số υ1 và υ2 (υ1 > υ2) tác động một cách kết hợp, và do trộn sóng, tạo ra ánh sáng tán xạ mạnh với tần số (2υ1 - υ2) (Hình 3). Nếu hiệu số tần số của 2 chùm laser (υ1 - υ2) bằng với tần số υm của chế độ hoạt động Raman (dao động hoặc xoay vòng hoặc chế độ khác) thì sẽ phát xạ một ánh sáng mạnh có tần số (υ1 + υm). Nói cách khác, để thu được tín hiệu Raman mạnh thì tần số chùm laze thứ cấp phải điều chỉnh bằng υ2 = υ1 - υm. Sau đó, tần số của ánh sáng tán xạ sẽ là (υ1 - υ2 = 2υ1- (υ1 - υm) = υ1 + υm), lớn hơn tần số kích thích υ1 và do đó được coi là tần số đối Stokes. Thuật ngữ Quang phổ đối Stokes kết hợp xuất phát từ việc sử dụng 2 chùm laser kết hợp và tạo ra tín hiệu có tần số đối Stokes. 3.3. Raman cộng hưởng (RR) Nhiều hợp chất, nhất là các chất có màu, có thể hấp thụ năng lượng chùm laser và sinh ra huỳnh quang mạnh, làm nhiễu phổ Raman. Đây là một trong những vấn đề quan trọng trong quang phổ Raman, nhất là khi sử dụng laser trong vùng UV. Tuy nhiên, người ta đã phát hiện ra trong một số điều kiện cụ thể, một số dạng phân tử màu có thể tạo ra tán xạ Raman mạnh thay vì tạo ra huỳnh quang. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng cộng hưởng Raman. Hiệu ứng xảy ra khi tần số laser kích thích được chọn sao cho đi qua tần số của trạng thái kích thích điện tử và cộng hưởng với chúng. Cường độ của dải Raman phát sinh từ sự chuyển đổi điện tử giữa 2 trạng thái này được tăng lên 3 – 5 lần. Không phải tất cả các dải của phổ Raman tức thời được tăng lên. Chỉ có nhóm mang màu, nhóm tạo thành màu của phân tử được tăng lên nhiều nhất. Nguyên nhân là nhóm mang màu thường có mức hấp thụ ánh sáng cao nhất.

Hình 4. Sơ đồ chuyển đổi Raman cộng hưởng Cường độ lớn nhất của tín hiệu Raman cộng hưởng có được khi tần số chùm laser bằng với trạng thái kích thích điện tử thứ nhất hoặc thứ 2 (Hình 4). Do vậy laser điều chỉnh được là lựa chọn phù hợp nhất cho kỹ thuật RR. Mặc dù kể cả khi tần số của chùm laser không bằng chính xác trạng thái kích thích điện tử thì tín hiệu Raman vẫn xuất hiện đáng kể. 3.4. SERS và SERRS Quang phổ Raman tăng cường bề mặt sử dụng hiệu ứng sau. Tín hiệu Raman từ các phân tử được hấp thụ trên bề mặt của một kim loại xác định có thể được tăng lên 5 – 6 lần so với tín hiệu Raman của cùng phân tử đó khi ở dạng thể tích khối. Nguyên nhân chính xác của hiện tượng tăng đáng kể này còn đang được thảo luận. Tuy nhiên, do cường độ của tín hiệu Raman tỷ lệ với bình phương moment lưỡng cực điện P = αE, nên có thể có 2 nguyên nhân hoặc do tăng hệ số phân cực α hoặc cường độ điện trường E tăng. Trường hợp thứ nhất hệ số phân cực tăng có thể xuất hiện do ảnh hưởng dịch chuyển điện tích hoặc hình thành liên kết hóa học giữa bề mặt kim loại và phân tử đang nghiên cứu. Đây được gọi là tăng cường hóa học. Trường hợp thứ 2 liên quan đến tương tác giữa chùm laser với bề mặt không đồng đều của kim loại như với các vi hạt kim loại hoặc bề mặt sần sùi. Người ta tin rằng ánh sáng laser làm kích tích điện tử dẫn trên bề mặt kim loại dẫn tới cộng hưởng plasma bề mặt và làm tăng mạnh cường độ điện trường E. Đây còn được gọi là tăng cường điện từ. Trong mọi trường hợp, việc lựa chọn bề mặt kim loại phù hợp rất quan trọng. Các loại bề mặt kim loại phổ biến nhất được sử dụng cho SERS là các điện cực bạc khắc ăn mòn điện hóa cũng như keo vàng hoặc bạc có kích thước hạt trung bình nhỏ hơn 20 nm. Nhược điểm của SERS là khó giải phổ. Sự tăng cường độ của tín hiệu lớn đến mức các dải Raman trở nên rất yếu và không đáng kể trong phổ Raman tự sinh có thể xuất hiện trong SERS. Một số chất bẩn dạng vết cũng tạo thêm các đỉnh phụ. Nói một cách khác, do tương tác hóa học với bề mặt kim loại, một số đỉnh mạnh trong phổ Raman thông thường sẽ không xuất hiện trong SERS. Đặc điểm phi tuyến tính của cường độ tín hiệu là một hàm của nồng độ càng làm vấn đề phức tạp hơn. Cần xem xét cẩn thận các yếu tố vật lý và hóa học khi diễn dịch phổ SERS và điều này làm cho việc sử dụng thực hành trở nên hết sức khó khăn. Kỹ thuật SERRS, Quang phổ Cộng hưởng Tăng cường Bề mặt được phát triển để khắc phục sự những phức tạp này. Kỹ thuật này sử dụng đồng thời cả hiệu ứng tăng cường bề mặt và hiệu ứng cộng hưởng và vì thế tạo ra sự gia tăng tín hiệu Raman. Ưu điểm chính của SERRS là phổ của nó rất giống với phổ Raman Cộng hưởng thông thường và do vậy dễ giải thích hơn rất nhiều. 4. Ưu điểm và ứng dụng:

- Độ nhạy cao, dữ liệu cho nhiều thông tin hữu ích, bản chất mẫu không thay đổi, - Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: hóa học, sinh học, địa chất, dược, pháp y, kiểm nghiệm môi trường, khoa học vật liệu, các hiện vật văn hóa, phân tích thất bại…. - Có sẵn thư viện phổ với trên dưới phổ Raman của 16,000 hợp chất, để tra cứu trực tiếp Trong nhiều phòng thí nghiệm, kỹ thuật phổ hồng ngoại và phổ Raman được dùng bổ trợ cho nhau, vì mỗi phương pháp lại cho một lượng thông tin về mẫu khác nhau. Trong khi phổ Hồng ngoại IR nhạy với các nhóm chức thì phổ Raman lại nhạy với cấu trúc và các liên kết đối xứng. Ngoài ra, kỹ thuật phổ Raman còn có một số ưu điểm khác: - Không cần chuẩn bị mẫu hoặc tối giản qui trình chuẩn bị mẫu, - Lấy mẫu trực tiếp qua lọ đựng bằng thủy tinh không cần làm sạch ở chân không cao và làm khô bình đựng mẫu. (các vật liệu thủy tinh, nước, nhựa… có phổ Raman rất yếu nên không ảnh hưởng đến quá trình phân tích). Mẫu có thể đựng trong bình kín, không cần mở tránh nhiễm bẩn mẫu hoặc nguy hại tới môi trường. - Phân tích không cần phá mẫu (không cần hòa tan, nén, nghiền mẫu hay làm thay đổi tính chất hóa lý của mẫu), như vậy cùng với mẫu đó có thể sử dụng cho phân tích khác. - Phân tích không có sự xâm nhập, cho phép nghiên cứu các tính năng của mẫu ổn định hơn, ví dụ như cấu trúc tinh thể, quá trình chuyển pha, các dạng thù hình.. - Giảm thiểu nhiễu do nước - Không bị nhiễu bởi CO2 và H2O trong không khí - Tỷ lệ ánh sáng tán xạ tỷ lệ thuận với lượng chất đo, các phân tử khác nhau sẽ cho phổ Raman khác nhau. Nên phổ Raman vừa có tính định tính vừa có tính định lượng cho phép giả phổ dễ hơn, tìm kiếm trong thư viện, thao tác dữ liệu và ứng dụng phương pháp đo hóa học. Không giống các kỹ thuật dao động khác, phạm vi bước sóng hoạt động của nó thường độc lập với chế độ rung nghiên cứu. Vì phổ Raman đo sự thay đổi tần số của tia laze kích thích, nên có thể hoạt động ở bất cứ vùng nào trong dải từ nhìn thấy UV đến hồng ngoại gần NIR. Do đó nó cho phép thu được các thông tin ở chế độ dao động trong dải sóng từ 2 – 200 μm. Như vậy, kỹ thuật này rất thích hợp để nghiên cứu các vật liệu vô cơ có tần số dao động trong vùng hồng ngoại xa. Phổ tán xạ Raman kết hợp kính hiển vi dùng bước sóng nhìn thấy kích thích cho độ phân giải tới 1μm và được sử dụng rộng rãi trong phân tích nhiễu mẫu ở mức độ micron. 5. Các kỹ thuật Raman hiện đại Quang phổ Raman là kỹ thuật tán xạ ánh sáng. Sự tương tác giữa ánh sáng laser với các phân tử của mẫu tạo ra đồ thị phổ Raman sẽ cho biết nhiều thông tin của mẫu (thành phần hóa học và sự phân bổ, cấu trúc phân tử, ...) 5.1. Phổ tán xạ Raman Để quan sát quang phổ Raman, cần phân tách các ánh sáng tán xạ Raman tới bước sóng tổ hợp của nó. Trong thiết bị quang phổ tán xạ Raman, nguyên lý trên áp dụng bằng việc tập trung ánh sáng tán xạ raman lên cách tử nhiễu xạ, cách tử này phân tách chùm sáng thành các bước sóng thành phần. Các tia sáng này được đưa đến một thiết bị cảm biến điện tích kép CCD hoặc ống tích điện silicon.

Thường hoạt động ở vùng nhìn thấy. Các bước sóng hay dùng: 780 nm, 633 nm, 532 nm, and 473 nm… Cường độ ánh sáng tán xạ Raman tỷ lệ với 1/λ4, nên các sóng laze kích thích ngắn hơn lại cho tín hiệu phổ Raman mạnh hơn. Tuy nhiên ở bước sóng ngắn lại hay gặp hiện tượng phổ huỳnh quang. Có thể sử dụng phần mềm và một số biện pháp khác để khắc phục loại bỏ nhiễu huỳnh quang này, nhưng nếu phổ huỳnh quang đủ lớn có thể bão hòa CCD và không thể đo được phổ Raman.

Hình 5: sơ đồ quang của máy quang phổ Raman Huỳnh quang phụ thuộc vào bước sóng kích thích nên mẫu có huỳnh quang xuất hiện ở một bước sóng thì ít có khả năng xuất hiện ở bước sóng khác. Khi lựa chọn máy quang phổ Raman, điều quan trọng cần lưu tâm là tích hợp nhiều nguồn lase và việc chuyển đổi giữa các nguồn laze này nhanh chóng và dễ dàng. Độ phân giải quang phổ xác định mức độ thông tin có thể thu được từ phổ. Nếu độ phân giải cực thấp, cho phép phân biệt được các hợp chất có mối liên quan chặt chẽ. Khi độ phân giải cao, dữ liệu bị nhiễu và không cho đủ thông tin cần thiết. Độ phân giải được xác định bởi cấu tạo hệ quang và độ tán xạ của cách tử. Các cách tử nhỏ nhiều rãnh hoặc khe trên bề mặt, có tác dụng tán xạ ánh sáng. Số vạch cách tử trên một đơn vị chiều dài càng nhiều thì độ rộng của góc phân tán và độ phân giải phổ thu được càng lớn. Để thu được độ phân giải cao hơn, cần phải để cách tử và đầu dò thu được các mảng phổ lần lượt. Độ phân giải có thể tăng bằng việc mở rộng chiều dài đường truyền quang của máy quang phổ hoặc cải tiến thiết kế hệ quang. Cách tử nhiễu xạ được thiết kế tối ưu trên toàn bộ dải sóng, có thể lựa chọn được độ phân giải mong muốn và bước sóng laze kích thích chính xác. Sử dụng cách tử nhiễu xạ đơn cho hơn một bước sóng laze cần một thiết bị có độ nhạy cao. Lý tưởng nhất là các cách tử nhiễu xạ phù hợp với từng nguồn laze cụ thể. Các đầu dò CCD thường dùng cho máy quang phổ tán xạ Raman là các cảm biến tích điện có độ nhạy cao. Bề mặt đầu dò là mảng các nguyên tố nhạy sáng hai chiều được gọi là pixel (mỗi pixel có kích thước < 30 μm). Mỗi một pixel hoạt động như một đầu dò riêng biệt, nên mỗi bước sóng tán xạ được phát hiện ở các pixel khác nhau (hoặc nhóm các pixel khác nhau). Đầu dò CCD thường có vùng phản ứng bước sóng rộng, thường từ 400 tới 1000nm. Các đầu dò đặc biệt có thể đo được tới vùng sóng 1100nm và dưới vùng nhìn thấy. Hiệu quả của một máy quang phổ Raman tại số sóng kết thúc phổ thay đổi thấp cũng phụ thuộc vào khả năng lọc của bộ lọc các tia laze. Một thiết bị tốt có thể thu được cutoff tối thiểu là 100 cm -1. Vì các hợp chất vô cơ có các dải phổ Raman với số sóng dưới 100 cm-1 , một thiết bị lý tưởng có thể đạt điểm giới hạn cutoff là 50cm -1 5.2. Kỹ thuật kính hiển viRaman

Kỹ thuật kính hiển vi Raman lý tưởng để phân tích các mẫu siêu nhỏ. Vì độ phân giải về mặt không gian phụ thuộc vào độ tán xạ, bước sóng kích thích laze ngắn sử dụng trong máy Raman tán xạ tối ưu khi phân tích các mẫu nhỏ. Tại bước sóng kích thích 532nm, một kính hiển vi phổ Raman cho độ phân giải ở mức dưới micron.

Hình 6: Kính hiển vi quang phổ Raman Ứng dụng điển hình của kỹ thuật này là phát hiện các lỗi nhỏ trong màng polymer dùng trong màn hình tinh thể lỏng. Để đạt được độ phân giải như vậy, thiết bị kính hiển vi Raman phải được chỉnh tối ưu. Để tìm được và phân tích các hạt ở kích cỡ nhỏ hơn micro mét, đường truyền quang, đường dẫn tia laze kích thích và đường dẫn tia tán xạ Raman từ mẫu tới đầu dò máy quang phổ phải được đặt chính xác đến cùng một chỗ. Vì vậy rất khó để thiết kế cho thiết bị chuẩn do ảnh hưởng của nhiệt độ và điều kiện môi trường thay đổi. Đặt một khẩu độ đủ nhỏ trên mặt phẳng tiêu cự của kính hiển vi có thể tạo ra hệ thống kính hiển vi đồng tiêu. Các tia sáng từ các vùng xung quanh mẫu bị khẩu độ này ngăn lại, chỉ các tia sáng từ hệ quang đồng tiêu mới được đi qua để đến đầu dò.

Kỹ thuật này đặc biệt phù hợp dùng để tìm kiếm dị biệt và để phân tích các vật liệu polymer siêu mỏng.

5.3. Kỹ thuật quang phổ Raman FT Kỹ thuật này thường thay cho vùng nhìn thấy sẽ sử dụng tia laze ở vùng hồng ngoại gần với bước sóng 1064nm. Tại bước sóng này, huỳnh quang gần như không có, tuy nhiên vì mối quan hệ giữa cường độ tán xạ Raman với bước sóng (1/λ4) mà tín hiệu Raman cũng yếu. Ngoài ra, đầu dò CCD silicon cũng không thể sử dụng trong vùng phổ này. Phổ Raman-FT thay vào đó sử dụng đầu dò nhạy, vùng hồng ngoại gần, đơn nguyên tố như đầu dò IndiGali-Arsenide (InGaAs) hoặc đầu dò Germany làm lạnh bằng ni tơ lỏng (Ge). Một bộ giao thoa kế chuyển đổi tín hiệu Raman vào trong vùng phổ giao thoa, cho phép đầu dò thu được toàn bộ phổ Raman đồng thời. Do ở mức tín hiệu thấp, độ nhiễu phổ chủ yếu là nhiễu đầu dò và độc lập với cường độ của tín hiệu Raman nên việc chuyển toàn bộ phổ tới đầu dò cùng lúc sẽ cải thiện đang kể tỷ lệ tín hiệu/nhiễu. Ứng dụng thuật toán biến đổi Fourier vào phổ giao thoa sẽ biến đổi kết quả thu được thành phổ Raman thông thường.

Ngoài việc tránh được nhiễu huỳnh quang, ưu điểm khác của phổ FT-Raman là độ chính xác rất cao (thay đổi số sóng) thu được khi chuẩn nội giao thoa kế bằng hệ thống laze helium-neon tích hợp. Vì vậy kỹ thuật này rất lý tưởng trong việc thu nhận các loại phổ cho thư viện tham khảo, đặc biệt phù hợp khi phân tích với lượng mẫu lớn, dùng được với hầu như tất cả các loại mẫu được đựng trong lọ, cuvet, ống nghiệm, túi nhựa, chai lọ, dạng bột, màng, hay rắn…

5.4. Lựa chọn kỹ thuật tán xạ Raman hay FT-Raman? Mỗi kỹ thuật lại có ưu điểm riêng, nói chung kỹ thuật FT-Raman không có nhiễu huỳnh quang, nên nếu người sử dụng đã có sẵn thiết bị này thì rất thuận tiện và có chi phí vận hành hợp lý; còn kỹ thuật tán xạ Raman thực hiện ở vùng nhìn thấy, cho tín hiệu Raman mạnh hơn, độ nhạy cao hơn và độ phân giải tốt hơn, thích hợp với phân tích các hạt nhỏ và các hợp phần nhỏ - Phổ FT-Raman phù hợp phân tích các mẫu huỳnh quang, hoặc mẫu có khả năng chứa tạp phát huỳnh quang, dùng rất hữu dụng trong pháp y. Có thể phân tích chất kích thích, các mẫu bí ẩn, thuốc nổ, các loại sợi. Trong công nghiệp dược phẩm, FT-Raman dùng để xác định các chất chưa biết và định lượng chúng, mặc dù cùng có tác dụng như nhau nhưng kỹ thuật này được ưu tiên sử dụng hơn vì các mẫu dược phẩm thường phát huỳnh quang ở vùng nhìn thấy. Vật liệu polymer tinh khiết thì không phát huỳnh quang nhưng với các loại chất phụ gia, chất chống trơn trượt, và chất dẻo thường dễ bị kích thích ở vùng nhìn thấy nên hay được sử dụng với kỹ thuật FT-Raman - Phổ tán xạ Raman ứng dụng nhiều hơn, đặc biệt kỹ thuật Raman hiển vi. Ứng dụng phổ biển trong dược phẩm và khoa học sự sống. Nghiên cứu cấu trúc tinh thể, nghiên cứu đa hình trong phát triển thuốc, phân tích và xác định mẫu trong địa chất và các loại đá quý, phương pháp này tránh được quá trình phát huỳnh quang của oxit kim loai. Từ việc nghiên cứu đá quý có thể xác định được xuất xứ của chúng… Nguồn bài: www.piacton.com & www.thermoscientific.com Biên tập và dịch thuật: BioMedia Việt Nam