Hotline 247
04 6662 6362
 
Hà Nội
0968 378 899
 
Hồ Chí Minh
01289 777 888

Quang phổ Raman - Các kỹ thuật Raman hiện đại (phần 3)

BioMedia

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. Các kỹ thuật Raman hiện đại

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 Indi-Gali-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

Các bài viết cùng chủ đề

Quang phổ Raman - Các kỹ thuật Raman hiện đại (phần 3)

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...

Xử lý các tình huống đối với máy GC và GC-MS

Vấn đề hay gặp phải trong sắc ký khí và sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC và GCMS) là các peak ma. Chúng...