“Nghiên cứu phổ Raman của phân tử glucose” để làm đề tài khóa luận tốt nghiệp đại học. Khóa luận được trình bày trên 4 chương: Chương I: Phổ dao động của phân tử Chương II: Phổ tán xạ Raman Chương III: Thiết bị đo phổ Raman Chương IV: Phổ Raman của phân tử glucose CHƯƠNG I: PHỔ DAO ĐỘNG CỦA PHÂN TỬ Phổ dao động của phân tử hai nguyên tử 1.1.1 Dao động của phân tử hai nguyên tử Phân tử hai nguyên tử gồm hai nguyên tử được liên kết với nhau bằng liên kết hóa học. Có thể xem một cách gần đúng, phân tử hai nguyên tử là một hệ gồm hai hạt có khối lượng tập trung tại tâm của mỗi hạt và cách nhau một khoảng cách nào đó. Giả sử m1, m2 là khối lượng của hai nguyên tử 1 và 2, r1, r2 là khoảng cách tương ứng từ trọng tâm (C.G) của hệ đến các nguyên tử. Khi đó r1+r2 là khoảng cách của hai nguyên tử ở trạng thái cân bằng, x1, x2 là các độ dịch chuyển (hay độ dời) của hai nguyên tử tương ứng so với vị trí ở trạng thái cân bằng. Khi đó, điều kiện để duy trì vị trí của trọng tâm là: (11) (12) Kết hợp hai phương trình trên ta thu được: (13) Theo phương pháp cổ điển, các liên kết hóa học được xem là có tính đàn hồi và tuân theo định luật Húc, lực khôi phục được xác định bằng công thức: (14) Trong đó, K là hệ số lực đàn hồi, dấu trừ thể hiện hướng của lực và hướng dịch chuyển là ngược nhau. Từ (1.3) và (1.4), thu được: (15) Biểu thức định luật II Newwton (f=ma; m: khối lượng, a: gia tốc) được viết cho mỗi nguyên tử: (16) (17) Nhân hai vế của (16) với và nhân hai vế của (17) với rồi cộng vế với vế của hai biểu thức ta được: (18) Với khối lượng rút gọn và độ dịch chuyển (q), (18) được viết lại: (19) Nghiệm của phương trình vi phân này là: (110) Trong đó, là độ dịch chuyển cực đại và là hằng số pha, nó phụ thuộc vào trạng thái ban đầu. là tần số dao động cổ điển cho bởi công thức: (111) Thế năng (V) được xác định bởi: Do vậy: (112) (113) Động năng T là: (114) Khi đó, tổng năng lượng (E) là: (115) Hình 11 là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của V vào q. Đó là đường cong thế năng, , với E=T tại q=0 và E=V tại q=q0. Một dao động như vậy gọi là dao động điều hòa. Hình 11: Đường cong thế năng như một dao động điều hòa Trong cơ học lượng tử, dao động của phân tử hai nguyên tử có thể coi là dao động của một hạt có khối lượng mà thế năng được xác định bởi (1.12). Phương trình Schrodinger cho hệ được viết: (116) Giải phương trình (116) trong điều kiện giá trị đơn, hữu hạn, liên tục, khi đó, giá trị riêng là: (117) Với tần số dao động là: (118) Trong đó, là số lượng tử dao động, có các giá trị 0, 1, 2, 3…..Tương ứng hàm riêng là:
Lời cảm ơn Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Thế Bình-người trực tiếp hướng dẫn tơi hồn thành khóa luận Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô Bộ môn Quang lượng tử, khoa Vật lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên-Đại học Quốc gia Hà Nội toàn thể anh chị nghiên cứu sinh học viên cao học tận tình bảo tơi q trình học tập nghiên cứu đề tài Đặc biệt, xin cảm ơn PGS.TS Lê Văn Vũ giúp đỡ trình đo phổ Raman phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR phân tử glucose; cảm ơn nghiên cứu sinh Nguyễn Quang Đông dẫn dắt suốt trình thực khóa luận Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè giúp đỡ, động viên đóng góp ý kiến cho tơi hồn thành khóa luận Mục lục Lời nói đầu Như biết, dùng phương pháp phân tích phổ để nghiên cứu thành phần hóa học, tính chất hóa học mẫu trạng thái rắn, lỏng, khí… trở nên phổ biến Phương pháp phương tiện vừa truyền thống vừa nghiên cứu cấu trúc vật chất ứng dụng rộng rãi nghiên cứu vật lý, hóa học, sinh học, mơi trường… Một số phương pháp nghiên cứu phổ tán xạ Raman Hiện tượng tán xạ Raman Raman phát năm 1929 Đó q trình tán xạ không đàn hồi, xảy tương tác ánh sáng với môi trường vật chất Khi chiếu xạ đơn sắc vào mơi trường vật chất chùm tán xạ, ngồi xạ có tần số tần số xạ kích thích ban đầu, cịn có xạ có tần số lớn nhỏ Chùm xạ chiếu vào kính ảnh nhận dải vạch khác gọi phổ Raman Việc nghiên cứu phổ tán xạ Raman ngày trở nên hấp dẫn Đặc biệt với đời phát triển laser đánh dấu bước ngoặt đồng thời thúc đẩy trình nghiên cứu phổ tán xạ Raman Người ta sử dụng quang phổ Raman công cụ quan trọng để tìm hiểu cấu trúc vật chất Các nhà nghiên cứu đỉnh phổ tán xạ Raman tương ứng với dao động liên kết phân tử Đã có nhiều báo, cơng trình khoa học cơng bố sử dụng tán xạ Raman để nghiên cứu hợp chất hữu cơ, vô cơ… Trong lĩnh vực y sinh học vậy, phổ tán xạ Raman sớm công cụ hữu hiệu nghiên cứu đại phân tử sinh học Bởi nước hoạt chất có phổ Raman yếu, quang phổ đơn giản, nên nghiên cứu phổ Raman hợp chất sinh học dung dịch nước lí tưởng Hiện nay, việc nghiên cứu hợp chất ngày ý nhiều Đặc biệt hợp chất glucose- cacbohydrat quan trọng hệ thống hợp chất sinh học đóng vai trị quan trọng nhiều q trình sống Chính vậy, nghiên cứu phổ tán xạ Raman glucose cung cấp thông tin cấu trúc phân tử, từ phục vụ cho nghiên cứu hợp chất glucose Nhận thức tầm quan trọng vấn đề hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thế Bình, em chọn đề tài “Nghiên cứu phổ Raman phân tử glucose” để làm đề tài khóa luận tốt nghiệp đại học Khóa luận trình bày chương: Chương I: Phổ dao động phân tử Chương II: Phổ tán xạ Raman Chương III: Thiết bị đo phổ Raman Chương IV: Phổ Raman phân tử glucose CHƯƠNG I: PHỔ DAO ĐỘNG CỦA PHÂN TỬ • Phổ dao động phân tử hai nguyên tử 1.1.1 Dao động phân tử hai nguyên tử Phân tử hai nguyên tử gồm hai nguyên tử liên kết với liên kết hóa học Có thể xem cách gần đúng, phân tử hai nguyên tử hệ gồm hai hạt có khối lượng tập trung tâm hạt cách khoảng cách Giả sử m1, m2 khối lượng hai nguyên tử 2, r1, r2 khoảng cách tương ứng từ trọng tâm (C.G) hệ đến nguyên tử Khi r1+r2 khoảng cách hai nguyên tử trạng thái cân bằng, x1, x2 độ dịch chuyển (hay độ dời) hai nguyên tử tương ứng so với vị trí trạng thái cân Khi đó, điều kiện để trì vị trí trọng tâm là: (1-1) (1-2) Kết hợp hai phương trình ta thu được: (1-3) Theo phương pháp cổ điển, liên kết hóa học xem có tính đàn hồi tn theo định luật Húc, lực khôi phục xác định cơng thức: (1-4) Trong đó, K hệ số lực đàn hồi, dấu trừ thể hướng lực hướng dịch chuyển ngược Từ (1.3) (1.4), thu được: (1-5) Biểu thức định luật II Newwton (f=ma; m: khối lượng, a: gia tốc) viết cho nguyên tử: (1-6) (1-7) Nhân hai vế (1-6) với nhân hai vế (1-7) với cộng vế với vế hai biểu thức ta được: (1-8) Với khối lượng rút gọn độ dịch chuyển (q), (1-8) viết lại: (1-9) Nghiệm phương trình vi phân là: (1-10) Trong đó, độ dịch chuyển cực đại số pha, phụ thuộc vào trạng thái ban đầu tần số dao động cổ điển cho công thức: (1-11) Thế (V) xác định bởi: Do vậy: (1-12) (1-13) Động T là: (1-14) Khi đó, tổng lượng (E) là: (1-15) Hình 1-1 đồ thị biểu diễn phụ thuộc V vào q Đó đường cong năng, , với E=T q=0 E=V q=q0 Một dao động gọi dao động điều hòa Hình 1-1: Đường cong dao động điều hòa Trong học lượng tử, dao động phân tử hai nguyên tử coi dao động hạt có khối lượng mà xác định (1.12) Phương trình Schrodinger cho hệ viết: (1-16) Giải phương trình (1-16) điều kiện giá trị đơn, hữu hạn, liên tục, đó, giá trị riêng là: (1-17) Với tần số dao động là: (1-18) Trong đó, số lượng tử dao động, có giá trị 0, 1, 2, 3… Tương ứng hàm riêng là: (1-19) Trong đó, Và đa thức hecmit bậc Theo đó, giá trị riêng hàm riêng tương ứng là: (1-20) ………………… Chú ý rằng, tần số học lượng tử (1-18) xác tần số theo quan điểm cổ điển (1-12) Tuy nhiên, có vài điểm khác biệt đáng lưu ý hai quan điểm lượng tử cổ điển Thứ nhất, theo quan điểm cổ điển, E=0 q=0 Trong học lượng tử, trạng thái lượng thấp () có lượng (năng lượng điểm khơng), kết nguyên lý bất định Heisenberg Thứ hai, lượng dao động điều hịa thay đổi cách liên tục học cổ điển Trong học lượng tử, lượng thay đổi gián đoạn đơn vị Thứ ba, dao động giới hạn đường cong parabol học cổ điển, T âm (hình 1-1) Trong học lượng tử, xác suất tìm thấy q bên ngồi đường cong parabol khác không (do hiệu ứng đường hầm) Trong trường hợp dao động điều hòa, khoảng cách hai mức dao động liên tiếp giống Thực tế với phân tử khơng vậy, khơng có dạng hoàn toàn parabol mà cách gần mô tả đường cong Morse (hình 1-3) có dạng: (1-21) Trong đó, lượng phân ly, đại lượng đo độ cong đáy hố Phương trình Schrodinger giải với này, giá trị riêng là: (1-22) Ở đây, số sóng hiệu chỉnh cho mẫu phi điều hịa, độ phi điều hồ Phương trình (1-22) cho thấy mức lượng dao động tử điều hịa khơng khoảng cách nhau, khoảng cách giảm tăng hình 1-3 Như đến nay, hiệu chỉnh cho mẫu phi điều hoà thực chủ yếu phân tử hai nguyên tử tính tốn phức tập với phân tử lớn Hình 1-2: Các hàm sóng (bên trái) phân bố xác suất (bên phải) dao động điều hịa Hình 1-3: Đường cong cho phân tử hai nguyên tử Đường cong nét liền cho thấy Morse xấp xỉ với thực tế Đường nét đứt đường cong cho dao động điều hòa lượng phân ly theo lý thuyết quang phổ Theo học lượng tử, dao động điều hòa, dịch chuyển xảy chúng thỏa mãn điều kiện Đối với dao động phi điều hòa, dịch chuyển thỏa mãn yếu Trong dịch chuyển thỏa mãn xuất gần mạnh hai phổ hồng ngoại Raman Nó xác định từ quy luật phân bố MaxwellBoltzmann, trạng thái có , tỉ số mật độ hai trạng thái cho bởi: (1-23) [3] 1.1.2 Phổ dao động phân tử hai nguyên tử Trong vùng dao động điều hòa dịch chuyển mức lượng dao động tuân theo quy tắc chọn lọc: Tần số xạ tương ứng là: Với tần số dao động phân tử Nếu dịch chuyển sáng vùng dao động khơng điều hịa xuất thêm dịch chuyển ứng với quy tắc chọn lọc: Các dịch chuyển mức lượng tính theo (1-22) nhỏ tần số xạ tương ứng ν=2ν0, 3ν0,… Như vậy, phổ dao động phân tử lưỡng nguyên gồm tần số ν0 hòa âm 2ν0, 3ν0,… nằm vùng hồng ngoại [1] • Tần số dao động liên kết phân tử Trong trường hợp phân tử lưỡng nguyên với gần dao động điều hòa, độ dài liên kết phân tử dao động điều hịa lị xo có độ cứng k=f12 Giá trị f12 gọi số lực liên kết Tần số dao động riêng phụ thuộc vào số lực liên kết: [Hz] với Trong quang phổ học dao động, người ta thường tính tần số theo đơn vị số sóng [cm-1] (số sóng đơn vị chiều dài) Nếu khối lượng tính theo đơn vị khối lượng nguyên tử u số lực tính theo N/cm, tần số dao động phân tử tính theo cơng thức: [cm-1] Trên bảng 1.1 số ví dụ tần số dao động liên kết khác thơng dụng hóa hữu Bảng 1.1 Tần số dao động số liên kết phân tử Liên kết Hằng số lực (N/cm) Tần số đặc trưng Tần số tính toán (cm-1) (cm-1) 4,79 2960 2966 5,1 3020 3066 5,85 3300 3277 4,5 900 1127 9,6 1650 1644 15,6 2050 2099 6,35 3350 3396 12,1 1700 1730 15,9 2100 2041 Các số lực liên kết gần tỉ lệ với bậc liên kết Ví dụ, liên kết carbon-carbon đơn, kép bậc ba, số lực tương ứng 4,5; 9,6 15,6 N/cm Tần số dao động thay đổi theo độ dài liên kết khối lượng nguyên tử (bảng1.2) Bảng 1.2 Độ dài số lực liên kết số liên kết phân tử Liên kết Độ dài liên kết r () Hằng số lực liên kết (mdyn/Å) 1,10 4,9 1,08 5,3 1,06 5,9 Thông thường người ta xem lực liên kết không phụ thược vào đồng vị liên quan theo logic phải có ảnh hưởng nhỏ Trường hợp thay nguyên tử H đồng vị D, T rõ Nếu so sánh tần số dao động (2916; 2108; 1738 cm-1) tần số dao động co giãn đối xứng metan ta thấy chúng có xu hướng tỷ lệ với khối lượng rút gọn: tỷ lệ tần số 1,36 dao động tử , tỷ lệ khối lượng rút gọn tương ứng 1,38 Tỷ lệ tần số 1,61 dao động tử , tỷ lệ rút gọn tương ứng 1,68 [1] • Dao động phân tử nhiều nguyên tử Trong phân tử hai nguyên tử, dao động xảy dọc theo mối liên kết hạt nhân Trong phân tử nhiều nguyên tử, tình hình phức tạp tất hạt nhân thực dao động điều hịa Tuy nhiên, cho tất dao động phức tạp mơ tả chồng chập nhiều “dao động chuẩn tắc” độc lập với Để hình dung dao động chuẩn tắc, xét mơ hình học phân tử CO2 Ở nguyên tử C O xem hịn bi có trọng lượng tương ứng với trọng lượng nguyên tử chúng, bi nối với lị xo có lực căng riêng tương ứng với số lực liên kết Giả sử liên kết C-O kéo dãn sau thả cách đồng thời Các bi di chuyển qua lại dọc theo phương liên kết Đây dao động chuẩn tắc mô hình gọi dao động hóa trị đối xứng Trong phân tử CO2 thực, tần số dao động v1=1,340cm-1 Tiếp theo, kéo dãn liên kết C-O nén liên kết C-O lại sau thả cách đồng thời Đây dao động chuẩn tắc gọi dao động hóa trị phi đối xứng Trong phân tử CO2 thực, tần số dao động v3=2,350cm-1 Cuối cùng, ta xét trường hợp ba bóng dịch chuyển theo phương vng góc với sau thả cách đồng thời Đây loại thứ ba dao động chuẩn tắc gọi dao động biến dạng đối xứng Trong phân tử CO2 thực, tần số dao động v2=667cm-1 Hình 1-4: Chuyển động nguyên tử dao động chuẩn tắc CO2 Bây giả sử ta dùng búa đánh vào mô hình học thực chuyển động vô phức tạp không giống với dao động chuẩn tắc đề cập Tuy nhiên, chuyển động phức tạp ghi camera hoạt nghiệm với tần số hoạt nghiệm với tần số dao động chuẩn tắc thấy dao động giống hệt dao động chuẩn tắc mơ tả hình Trong thực tế, camera hoạt nghiệm thay thiết bị đo phổ IR hay Raman mà phát dao động chuẩn tắc mà Do ngun tử có cường tín hiệu tán xạ Raman lên tới 1014 lần phân tử nằm “điểm nóng” cấu trúc nano ngẫu nhiên bề mặt kim loại Đối với hiệu ứng SERS, bề mặt kim loại phủn lên đế phải gồ ghề (bề mặt nhám) kích cỡ nm Bề dày lớp bề mặt kích thước nm tăng cường đáng kể Các cấu trúc nano kim loại gồ ghề kích thích laser cộng hưởng plasmon với trường ánh sáng Khi phân tử hấp thụ nằm gần trường cộng hưởng bề mặt, tín hiệu Raman tăng cường Tín hiệu Raman tăng cường vài bậc có cường độ lớn so với tán xạ Raman thơng thường, phát nồng độ thấp (10-11) Tín hiệu Raman khuếch đại thêm bề mặt kim loại nhám sử dụng kết hợp với ánh sáng laser phù hợp với cực đại hấp thụ phân tử CHƯƠNG III: KỸ THUẬT ĐO RAMAN Để thu phổ tán xạ Raman kích thích laser người ta thường dùng quang phổ kế Raman Các phận quang phổ kế Raman là: • Nguồn kích thích, thường laser liên tục • Hệ thống chiếu mẫu hệ thống thu nhận ánh sáng tán xạ • Máy đơn sắc máy quang phổ • Bộ detector, máy tính điều khiển hệ thống hiển thị tín hiệu Sơ đồ bố trí điển hình quang phổ kế Raman trình bày hình 1-13 Hình 3-1: Sơ đồ thành phần quang phổ kế Raman 3.1 Nguồn kích thích Trước laser phát triển, năm 1960, nguồn kích thích cho phổ Raman điển hình đèn thủy ngân, trang bị với lọc để truyền bước sóng đơn sắc ánh sáng có bước sóng cần đo Hệ thống phức tạp phát triển để cung cấp bước sóng với đủ lượng để tạo tán xạ Raman Toronto (thủy ngân) cuối trở thành nguồn tiêu chuẩn cho phổ Raman Đó hệ thống kích thích gồm bốn đèn thuỷ ngân bao quanh ống Raman Sự đời laser năm 1962 giúp cải tiến hệ thống thiết bị đo Raman Hầu hết laser khí phát xạ vùng khả kiến Laser liên tục Ar+ (351,1514,5 nm), Kr+ (337,4-676,4 nm), He-Ne (632,8 nm) thường sử dụng cho quang phổ Raman Gần đây, laser xung Nd:YAG, đi-ốt laser exciter sử dụng cho tia tử ngoại (UV) phổ Raman cộng hưởng Laser nguồn kích thích lí tưởng cho phổ Raman đặc điểm sau đây: xạ đơn sắc từ laser liên tục lớn dễ dàng cung cấp lượng 1-2W, laser xung cung cấp đỉnh lượng theo thứ tự 10-100MW; hai chùm laser có tính đơn sắc cao (số sóng ~0,1 cm-1 laser Ar+), bước sóng khơng liên quan yếu nhiều; ba hầu hết chùm tia laser có đường kính nhỏ (1-2mm), giảm xuống cịn 0,1 mm cách sử dụng hệ thống ống kính đơn giản Do đó, tất thong lượng xạ tập trung vào mẫu nhỏ, cho phép nghiên cứu thể tích chất lỏng cỡ micro lít () tinh thể cỡ milimet khối (~mm3) Trong trường hợp kính hiển vi Raman, vùng mẫu nhỏ đường kính ~ nghiên cứu Bốn chùm tia laser gần hoàn toàn phân cực lí tưởng cho phép đo tỷ lệ khử cực Năm sản xuất tia laser phạm vi bước sóng rộng cách sử dụng laser màu thiết bị khác 3.2 Kích thích mẫu Vì tán xạ Raman vốn yếu, tia laser phải tập trung vào mẫu ánh sáng tán xạ phải thu thấp hiệu Laser dễ dàng tập trung vào mẫu đường kính chùm tia laser ~1 mm Sự kích thích thu thấp xạ từ mẫu thực số cấu hình quang học, chẳng hạn đổi phương tán xạ góc 90o 180o hình 3-2a 3-2b Bộ thu quang học bao gồm hệ thống thấu kính khơng màu với ống kính thu thấu kính hội tụ, hình 3-2 Bề mặt trước mẫu đo chiếu chùm tia laser với góc xiên thường ~85o Một hệ thống khác không sử dụng ống thu mà sử dụng gương hình 3-3; ellipsoid ngồi trục sử dụng để thu sáng tán xạ tập trung vào khe lối Hệ thống có ưu điểm đo lường vùng tia tử ngoại UV Hình 3-2: Hệ thống tán xạ góc (a)90o (b)180o Hình 3-3: Bộ thu quang học với gương có trục elip cho vùng tử ngoại UV (FL: thấu kính hội tụ, S: mẫu đo, ED: khe lối ra) Hệ thống quang học dùng để thu xạ tán xạ bao gồm hệ thấu kính tiêu sắc: thấu kính dùng để thu xạ thấu kính dùng để hội tụ xạ Khả hội tụ ánh sáng đặc trưng số F: (3-1) Trong f: tiêu cự thấu kính D: đường kính thấu kính F nhỏ khả hội tụ lớn Giá trị F phải phù hợp với đơn sắc để thu nhận lượng ánh sáng nhiều tận dụng hết khả hệ cách tử đơn sắc Trong quang phổ Raman đại ngày để chùm laser hội tụ vào mẫu cách xác người ta sử dụng cấu chỉnh vi cấp chiều để điề u khiển vị trí mẫu vật Chúng ta vừa chỉnh vị trí mẩu vừa quan sát tín hiệu Raman để chọn vị trí tối ưu ( tín hiệu lớn nhất) 3.3 Máy đơn sắc Máy đơn sắc phân thành nhiều loại Thiết bị đơn giản lọc giao thoa, phụ thuộc vào hai bề mặt quang học phẳng để tạo giao thoa truyền số nguyên bước sóng tương ứng với hai lần độ dày lọc Các lọc giao thoa xây dựng cho bước sóng đơn sắc Cả lăng kính, cách tử đơn sắc máy quang phổ sử dụng rộng rãi để đo phổ Raman Trong cách tử đơn sắc thiết bị đo Raman chính, quang phổ kế FT-Raman cải tiến năm gần coi sánh với cách tử đơn sắc http://files.instrument.com.cn/17img/old/literature/C10566.pdf 3.4 Hệ thống hiển thị tín hiệu Vì tín hiệu Raman vốn yếu, nên vấn đề liên quan đến việc phát tán xạ Raman khếch đại phổ quan trọng Hầu hết, công việc thực từ sớm việc chụp ảnh sử dụng thời gian chiếu sáng dài Hơn nữa, thời gian để phát mẫu ảnh kiểm tra với điểm ảnh cỡ micro để đưa quang phổ Raman khơng thích hợp kỹ thuật thơng thường Tình trạng thay đổi đáng kể nguồn laser phát triển mạnh mẽ kỹ thuật thu nhận nhạy Một số kỹ thuật thu nhận tín hiệu Raman thường sử dụng là: • Đếm photon (photon counting) • Thu nhận tín hiệu mảng diod quang (photodiode array detection) • Thu nhận tín hiệu CCD (charge-coupled device) CHƯƠNG VI: PHỔ RAMAN CỦA PHÂN TỬ GLUCOSE • Cấu trúc phân tử glucose Glucose monosaccarit tìm thấy với cấu trúc nhóm hydroxyl, Alexander Kolli năm 1869 Đây cacbohydrat quan trọng hệ thống hợp chất sinh học đóng vai trị quan trọng nhiều q trình sống Glucose tạo thủy phân đường saccarrit với chất xúc tác axit Độ đường độ saccarrit Glucose có nhiều hoa ngọt, nho chín, hoa chín, lượng nhỏ mật ong Công thức phân tử glucose Glucose có năm nhóm –OH liền kề nhóm –CH=O nên có tính chất ancol đa chức anđêhit Glucose có ba dạng cơng thức cấu tạo gồm dạng mạch hở hai dạng mạch vòng () Khi hòa tan nước tạo dung dịch, glucose có cân bằng, chuyển hóa qua lại tồn ba dạng cấu tạo này, dạng vịng xuất nhiều Khi dạng mạch hở, glucose có cơng thức cấu tạo sau: Trong đồng phân quang học: có quy ước chiếu Fischer người nêu nguyên tắc biểu diễn monosaccharide cơng thức hình chiếu chúng Theo đó, hình chiếu ngun tử cacbon bất đối xứng nguyên tử C khác nằm đường thẳng, nguyên tử C có số thứ tự nhỏ có hình chiếu nằm Cịn nhóm có hình chiếu bên phải hay bên trái Nếu nhóm OH gắn với cacbon tham chiếu nằm bên phải gọi D Nếu nhóm OH gắn với cacbon tham chiếu nằm bên trái gọi L, hình 4-1 Trong hai đồng phân số (D-glucose) có hoạt tính sinh học, L-glucose khơng sử dụng tế bào Hình 4-1: Cấu trúc phân tử glucose dạng mạch hở biểu diễn theo hình chiếu Fisher Nhóm –OH C5 cộng vào nhóm -C=O tạo hai dạng vòng cạnh , Nếu nhóm – OH C1 nằm mặt phẳng vịng cạnh gọi , ngược lại nằm mặt phẳng vịng cạnh gọi (như hình 4-2) -D-Glucose -D-Glucose Hình 4-2: Cấu trúc phân tử D-glucose dạng mạch vịng cạnh • Phổ tán xạ Raman phân tử glucose Nguyên liệu tạo mẫu đo D-glucose dạng tinh thể bột Để đo phổ tán xạ Raman phân tử glucose, ta cho D-glucose dạng tinh thể bột lên đế thủy tinh sau dùng máy quang phổ kế laser Raman LABRAM HB để đo phổ Sau đo phổ tán xạ Raman D-glucose dạng tinh thể bột (với bước sóng laser kích thích 632,81 nm), ta thu phổ sau: Hình 4-3: Phổ tán xạ Raman D-glucose Hình 4-4: Phổ tán xạ Raman D-glucose Nhìn vào hình 4-3 4-4 ta thấy, dải số sóng nhỏ 1800 cm-1 có nhiều đỉnh phổ Mỗi đỉnh phổ cho biết thông tin liên kết phân tử D-glucose So sánh kết từ phổ tán xạ Raman phân tử glucose thu với tần số dao động đặc trưng bảng 4.1, ta thấy có phù hợp Bảng 4.1: Tập hợp tần số đặc trưng quan sát phổ Raman Dglucose nước.[6] Chú thích: I= cường độ tương đối; = tỉ lệ khử cực; = mode cong; w=wagging; =xoắn; ν=mode dài; = dạng mạch vòng D-Glucose; endo=endocyclic.[6] Kết từ phổ thu được: • Tần số đặc trưng 363 cm-1 thể liên kết (COC) • Tần số đặc trưng 423 cm-1 thể liên kết (CCC) • Tần số đặc trưng 540 cm-1 thể liên kết (C-2-C-1-O-1) -D-glucose • Tần số đặc trưng 841 cm-1 thể liên kết ν(C-C) -D-glucose • Tần số đặc trưng 913 cm-1 thể liên kết (C-H) -D-glucose • Tần số đặc trưng 1060 cm-1 thể liên kết ν(C-O) -D-glucose • Tần số đặc trưng 1120 cm-1 thể liên kết (COH) -D-glucose • Tần số đặc trưng 1273 cm-1 thể liên kết (CH2) • Tần số đặc trưng 1327 cm-1 thể liên kết w(CH2) -D-glucose • Tần số đặc trưng 1358 cm-1 thể liên kết w(CH2) -D-glucose • Tần số đặc trưng 1459 cm-1 thể liên kết (CH2) Nhận xét: Những kết cho thấy mẫu D-glucose dạng tinh thể bột bao gồm cấu trúc phân tử glucose dạng mạch vòng • So sánh phổ tán xạ Raman phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR phân tử glucose Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR D-glucose mô tả hình 4-5.[4] Hình 4-5: Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR D-glucose [4] Phổ dao động hình 4-5 bảng phân thành hai nhóm Khu vực từ 600 đến 1500 cm-1 ứng với nhóm mode dao động C-O C-C Khu vực 2900 đến 3450 cm-1 ứng với nhóm dao động CH OH Bảng 4.2: Các tần số hồng ngoại thực nghiệm tính tốn BLYP theo cm-1 cho Dglucose D-Fructose.[4] • Phổ Raman tăng cường bề mặt phân tử glucose Quy trình tạo mẫu đo sau: • Bước 1: Pha dung dịch glucose có nồng độ 0,1M • Bước 2: Tạo hạt nano vàng dung môi etanol phương pháp ăn mịn laser • Bước 3: Làm đế thủy tinh, sau cho vào lị sấy, trì nhiệt độ khoảng 80-90oC • Bước 4: Nhỏ hạt nano vàng vừa tạo bước lên đế thủy tinh, sấy khơ Sau đó, tiếp tục nhỏ khoảng 10-15 lần cho đế có lớp bề mặt hạt nano vàng • Bước 5: Nhỏ dung dịch glucose 0,1M lên đế vàng có bề mặt hạt nano vàng, sấy khô, tiếp tục nhỏ 3-5 lần Tạo mẫu xong, sử dụng máy quang phổ kế laser Raman LABRAM HR để đo phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt Hình 4-6 phổ thu Hình 4-6: Phổ tán xạ Raman D-glucose bề mặt hạt nano vàng đế thủy tinh Nhận xét: Khi có bề mặt hạt nano vàng, phổ Raman D-glucose tăng cường rõ rệt Kết luận Sau thời gian thực khóa luận tốt nghiệp Bộ môn Quang lượng tử-Trường Đại học Khoa học tự nhiên với đề tài “Nghiên cứu phổ Raman phân tử glucose” thu kết sau: • Tìm hiểu phổ tán xạ Raman ứng dụng • Tìm hiểu so sánh phổ tán xạ Raman phổ hồng ngoại • Tìm hiểu phổ tán xạ Raman phân tử D-glucose • So sánh phổ tán xạ Raman phổ hồng ngoại FTIR phân tử D-glucose • So sánh phổ Raman phổ Raman tăng cường bề mặt phân tử glucose bề mặt hạt nano vàng Do thời gian ngắn,một số yêu cầu thiết bị mẫu chưa đạt nên kết thấp Trong thời gian tới có điều kiện cho phép chúng tơi tiếp tục tiến hành nghiên cứu phổ tán xạ Raman glucose cách sâu hơn, sử dụng bề mặt nano khác để tăng cường tán xạ Raman Tài liệu tham khảo • Tài liệu Tiếng Việt • Nguyễn Thế Bình, Quang phổ học thực nghiệm, NXB Giáo dục, 2006 • Phạm Văn Bền, Quang phổ phân tử hai nguyên tử, NXB Đại học quốc gia Hà Nội, 2008 • Tài liệu Tiếng anh • John R Ferraro, Kazuo Nakamoto and Chris W Brown, Introductory Raman Spectroscopy, Second Edition, 2003 • Mohamed Mathlouthi and Dang Vinh Luu, Laser-Raman speatra of D-Glucose and sucrose in aquoussolution, November 26th, 1979, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam - Printed in The Netherlands • Paweł Borowicz, Mariusz Latek, Witold Rzodkiewicz, Adam Łaszcz, Andrzej Czerwinski and Jacek Ratajczak, Deep-ultraviolet Raman investigation of silicon oxide: thin film on silicon substrate versus bulk material, 21 September 2012 • Medhat Ibrahim, Moussa Alaam, Hanan El-Haes, Abraham F Jalbout, Aned de Leon, Analysis of the structure and vibrational spectra of glucose and fructose, tập 31, số 3, 2006 http://www.rongvanglab.com/item.aspx?l=1&z=31&i=522 http://www.iop.vast.ac.vn/activities/KOVIS/proceeding.pdf http://www.doko.vn/luan-van/slide-do-an-tan-xa-raman-kich-thich-380966 https://www.google.com.vn/#q=glucose+d%E1%BA%A1ng+tinh+th%E1%BB%83+c%C3%B3+c%E 1%BA%A5u+tr%C3%BAc+m%E1%BA%A1ch+th%E1%BA%B3ng+%C4%91%C3%BAng+kh%C3%B4ng&spell =1 http://123doc.vn/document/193711-phuong-phap-pho-hong-ngoai-va-ung-dung-trong-thucpham.htm phổ SiO2: http://vinanotech.com.vn/multiwall.htm Đỉnh phổ hồng ngoại: http://wwwchem.csustan.edu/Tutorials/INFRARED.HTM Lời nói đầu http://vi.swewe.com/word_show.htm/?65457_1&Ph%E1%BB%95%7CRaman http://www.khoahoc.com.vn/doisong/yhoc/suc-khoe/29428_phat-hien-dau-hieu-ung-thu-nhotia-laser-raman.aspx http://vi.swewe.com/word_show.htm/?65457_4&Ph%E1%BB%95%7CRaman http://thuvien24.com/mot-so-nghien-cuu-ly-thuyet-ve-tan-xa-raman-va-laser-raman97979.html ... Bình, em chọn đề tài ? ?Nghiên cứu phổ Raman phân tử glucose” để làm đề tài khóa luận tốt nghiệp đại học Khóa luận trình bày chương: Chương I: Phổ dao động phân tử Chương II: Phổ tán xạ Raman Chương... Thiết bị đo phổ Raman Chương IV: Phổ Raman phân tử glucose CHƯƠNG I: PHỔ DAO ĐỘNG CỦA PHÂN TỬ • Phổ dao động phân tử hai nguyên tử 1.1.1 Dao động phân tử hai nguyên tử Phân tử hai nguyên tử gồm hai... vàng, phổ Raman D-glucose tăng cường rõ rệt Kết luận Sau thời gian thực khóa luận tốt nghiệp Bộ môn Quang lượng tử- Trường Đại học Khoa học tự nhiên với đề tài ? ?Nghiên cứu phổ Raman phân tử glucose”