Cơ sở lý thuyết của quang phổ raman và ứng dụng trong phân tích thực phẩm

Quang phổ Raman là một kỹ thuật quang phổ dựa trên sự tán xạ không đàn hồi ánh sáng đơn sắc của mẫu phân tích: tức là, khi ta chiếu nguồn ánh sáng đơn sắc lên mẫu phân tích ta thu được dòng ánh sáng tán xạ trở lại có tần số bị thay đổi so tần số của nguồn sáng ban đầu.

Khái niệm về phổ tán xạ Raman

Quang phổ Raman là một kỹ thuật quang phổ dựa trên

sự tán xạ không đàn hồi ánh sáng đơn sắc của mẫu phân tích: tức là, khi ta chiếu nguồn ánh sáng đơn sắc lên

mẫu phân tích ta thu được dòng ánh sáng tán xạ trở lại

có tần số bị thay đổi so tần số của nguồn sáng ban đầu

Khái niệm về phổ tán xạ Raman

Quang phổ Raman là một kỹ thuật quang phổ dựa trên

sự tán xạ không đàn hồi ánh sáng đơn sắc của mẫu phân tích: tức là, khi ta chiếu nguồn ánh sáng đơn sắc lên

mẫu phân tích ta thu được dòng ánh sáng tán xạ trở lại

có tần số bị thay đổi so tần số của nguồn sáng ban đầu

Lịch sử quang phổ Raman

chandrasekhra vekata Raman phát hiện ra hiện tượng tán xạ Raman với nguồn sáng là mặt trời, qua một kính viễn vọng thu nhận ánh sáng.

nguồn ánh sáng kích thích là đèn thủy ngân

1962, laser ra đời

Hi n tượng tán xạ Raman ện tượng tán xạ Raman được quan sát rõ ràng hơn với nguồn sáng laser.

Lịch sử quang phổ Raman

Nguyên lý phổ tán xạ Raman

 Ánh sáng bao gồm các photon mang năng lượng xác định bằng E

= h ν = h.c/ λ trong đó h là hằng số Plank còn ν là tần số các

photon của ánh sáng.

 Khi ánh sáng truyền qua môi trường vật chất trong suốt thì phần lớn ánh sáng truyền thẳng và một phần nhỏ bị tán xạ.

 Dựa vào tần số ánh sáng tán xạ sau khi chiếu nguồn ánh sáng lên mẫu, người ta chia ra nhiều loại tán xạ khác nhau: tán xạ Rayleigh (ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) ν không đổi), tán xạ Raman (ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) ν thay đổi)  chỉ có tán xạ Raman là hữu ích trong nghiên cứu đặc điểm phân tử vật chất.

Nguyên lý phổ tán xạ Raman

Cấu tạo thiết bị quang phổ Raman:

1 Nguồn ánh sáng 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)

5 Bộ phận khuếch đại và thu nhận tín hiệu Raman

Nguồn ánh sáng kích thích (tia laser):

Một mẫu thường được chiếu sáng bởi một chùm laser trong vùng tử ngoại (ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) UV), khả kiến (ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) Vis) hoặc cận

hồng ngoại (ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) NIR)

Thường laze khí hay dùng là argon cho 2 vạch phát

xạ mạnh tại bước sóng 514 và 488 nm

Nguồn laze Nd:YAG thường có bước sóng phát xạ 1064nm

Laze diode với nhiều bước sóng phát xạ hơn, nhưng hay dùng nhất là ở bước sóng 976, 830, và 785nm

Bộ chọn bước sóng:

Mục đích: tách tán xạ Rayleigh ra khỏi tán xạ Raman, loại bỏ

khả năng gây nhiễu cho bộ phận thu tín hiệu Raman.

Các phương pháp:

 Sử dụng bộ lọc nhiễu (ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) Notch Filter): đo được các chế độ

Raman tần số thấp <100 cm -1

 Tán xạ nhiều cấp (ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) Quang phổ kế cấp 2 hoặc cấp ba):

cho phép thu được phổ Raman mà không cần sử dụng các

bộ lọc nhiễu, các chế độ Raman hoạt động ở tần số thấp 3– 5cm -1 có thể được phát hiện hiệu quả.

 Sử dụng cách tử holographicánh sáng lạc có cường độ

thấp hơn so với ánh sáng lạc phát sinh từ cách tử dòng với cùng mật độ rãnh.

Đầu dò:

Mục đích: Thu tín hiệu tán xạ Raman

Các loại đầu dò:

 Đầu dò đơn điểm: Ống nhân quang đếm photon

(ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) PMT)  tốn nhiều thời gian

 Đầu do đa kênh như đầu dò chuỗi diot quang (ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) PDA)

 Cảm biến điện tích kép (ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) CCD) phổ biến nhất hiện nay

Các biện pháp tăng cường tín hiệu Raman:

Raman kích thích:

Sử dụng 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 (ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) υ0 - υm) đầu tiên

CARS - Raman phản Stokes kết hợp:

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.

Raman cộng hưởng (RR):

Khi tần số laser kích thích được chọn sao cho bằng tần số của trạng thái kích thích điện tử của một số dạng phân tử màu có thể tạo ra tán xạ Raman mạnh thay vì tạo ra huỳnh quang.

Các biện pháp tăng cường tín hiệu Raman:

SERS và SERRS (Quang phổ Raman tăng cường bề mặt và

SERS cộng hưởng):

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

SERRS: khắc phục nhược điểm khó giải phổ của SERS do

phổ của nó giống phổ Raman cộng hưởng thông thường

Ưu điểm của quang phổ Raman:

 Không cần chuẩn bị mẫu.

 Giảm thiểu nhiễu do nước

 Không bị nhiễu bởi CO2 và H2O trong không khí

 Không cần phá mẫu

 Độ nhạy cao, dữ liệu cho nhiều thông tin hữu ích.

 Có thể định tính và định lượng các chất trong mẫu.

 Có sẵn thư viện phổ Raman của 16,000 hợp chất, để tra cứu trực tiếp

 Dụng cụ chứa mẫu không cần làm sạch, làm khô ở chân không cao (ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) các vật liệu thủy tinh, nước, nhựa… có phổ Raman rất yếu nên không ảnh hưởng đến quá trình phân tích)

 Phân tích trong dãy phổ rộng: tử ngoại, khả kiến, cận hồng ngoại.

Nhược điểm của quang phổ Raman:

 Thiết bị đắt tiền

 Có thể làm nóng mẫu, thay đổi trạng thái vật lý, đốt cháy, làm phân hủy mẫu (ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) chất màu, các hạt nhỏ truyền nhiệt

kém)

 Bị ảnh hưởng bởi hiện tượng huỳnh quang gây nhiễu

(ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) bước sóng laser trùng dải hấp phụ các gốc tạo màu)

Ứng dụng của quang phổ Raman:

 Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: hóa học, sinh học, địa chất, dược, pháp y, kiểm nghiệm môi trường, khoa học vật liệu…

 Ứng dụng trong thực phẩm: định tính, định lượng thành phần hóa học của mẫu thực phẩm

Ứng dụng SERS trong phân tích GABA

(ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) Vidhu S Tiwari & cs, 2015):

 Sử dụng nguồn phát laser diode ở bước sóng 785 nm, sử dụng bộ lọc nhiễu lọc ánh sáng tán xạ, lõi tinh thể sợi quang (HC-PCF) khuếch đại các tín hiệu Raman,

và đầu dò cảm biến điện tích kép (CCD) để thu tín hiệu Raman

 Ngưỡng phát hiện GABA: ở nồng độ 10 -4 M trong

dung dịch nước.

Ứng dụng SERS trong phân tích GABA

(ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi) Vidhu S Tiwari & cs, 2015):

 Sử dụng nguồn phát laser diode ở bước sóng 785 nm, sử dụng bộ lọc nhiễu lọc ánh sáng tán xạ, lõi tinh thể sợi quang (HC-PCF) khuếch đại các tín hiệu Raman,

và đầu dò cảm biến điện tích kép (CCD) để thu tín hiệu Raman

 Ngưỡng phát hiện GABA: ở nồng độ 10 -4 M trong

dung dịch nước.