THIẾT BỊ VÀ KỸ THUẬT THỰC HÀNH.MÔN: QUANG PHỔ RAMAN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐH KHOA HỌC TỰ NHIấN ÔÔÔÔÔ KHOA VT Lí BM VT Lí NG DNG MÔN : QUANG PHỔ RAMAN BÁO CÁO TIỂU LUẬN : CHƯƠNG : THIẾT BỊ VÀ KỸ T H UẬT TH Ự C H À NH HVTH : Phạm Văn Thịnh TP.Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 03 năm 2010 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 2.5 Thu nhận tín hiệu Raman ( Detection ) Vì tín hiệu phổ Raman vốn yếu, nên vấn đề liên quan đến việc thu nhận khuyếch đại tín hiệu quan trọng Hầu hết công việc n ày sớm thực với việc chụp ảnh thu nhận cách sử dụng thời gian tiếp xúc lâu Hơn nữa, thời gian để phát triển ảnh v kiểm tra chúng vi quang kế biểu diễn quang phổ Raman khơng thích hợp kỹ thuật tiện ích Tình trạng thay đổi đáng kể từ phát triển nguồn laser mạnh kỹ thuật cảm biến nhạy Một số kỹ thuật thu nhận phổ biến mô tả sau 2.5.1 Đếm photon ( Photon counting ) Những phổ kế với máy đơn sắc đầu dò đơn, tán xạ Raman mặt phẳng tiêu điểm thoát từ khe máy đơn sắc thu thập tập trung ống nhân quang (PM) để chuyển đổi photon sáng thành tín hi ệu điện PM bao gồm catốt quang điện phát electron photon đ ập vào nó,một dãy dynode, dynode phát hai e có e đập lên Một anode thu nhận e tín hiệu Hình 2-9: Ống nhân quang (photomultipher-PM) - Vật liệu làm photocathode : Ag-O-Cs (300 nm-1200 nm); Sb-Cs (UV- khả kiến) Sb-Rb-Cs, Sb-K-Cs (UV – khả kiến); Na-K-Sb, Na-K-Sb-Cs, GaAs (UV - 930 nm); InGaAs (900 nm - 1000 nm); Cs-Te ( < 320 nm) , Cs-I ( > 320 nm) Những photon đập vào catot âm cực đại,còn dãy dynode cong điện thấp giảm dần Một photon đập vào catot làm bật e, e bị hút dynode thấp nên đập vào làm bật nhiều e dynode Hiệu suất lượng tử e sơ cấp phát từ catot phụ thuộc vào bước sóng HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Hiệu suất lượng tử độ nhạy catot quang điện loại ống nhân quang hàm bước sóng được biểu diễn hình 2-11 Hình 2-10: Ống nhân quang ( photomultipher-PM) - Để độ nhạy tốt cần bảo dưỡng tốt ống PM thành phần - Những tiếng ồn hay nhiễu yếu tố hạn chế hoạt động ống PM Nhiễu hay dòng tối ( dark current ) tạo chủ yếu “ phát xạ giả ” (phát xạ tạp nhiễu ) điện tử từ photocathode dynode rò rỉ điện dọc theo ống nhân quang từ chân đế dãy điện trở Những phát xạ tạp nhiễu giảm bớt (phần lớn nhiệt) ống làm mát bình làm mát qua hiệu ứng Peltier để tín hiệu Raman yếu đo cách dễ dàng Bởi làm mát nên ngưng tụ nước hệ thấu kính phía trước ống PM đế trở thành vấn đề Hệ thống thu nhận cần tháo rời định kỳ sấy khô từ nóng lên giảm áp Những xung e (Tín hiệu Raman) xử lý khuyếch đại DC phương pháp đếm photon Trước đây, xung điện tử từ ống PM lấy trung bình theo thời gian, kết dòng dc khuếch đại trực tiếp đo ampe kế cho dòng nhỏ (picoammeter) điện kế (electrometer) Tuy nhiên, phương pháp không c ịn sử dụng phương pháp đếm photon cho độ nhạy tốt h ơn nhiều HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Hình 2-11 Đường cong đáp ứng PM Hamamatsu R928 Trong phương pháp đếm photon, xung e gây photon đập vào photocathode đo Đếm Photon có ưu điểm phần đáng kể tín hiệu mờ điện tử riêng biệt từ xung photon, cho phép độ nhạy giới hạn máy dò tăng lên, đặc trưng hệ số 10 hệ dc Những hệ thống có nhược điểm tín hiệu cực đại bị giới hạn tỷ lệ số photon đếm phonon không trùng Trong thực tế, “xếp chồng xung " giới hạn khoảng 150 x 106 photon s -1 tương ứng với khoảng 800 nanoamp Vì vậy, hệ thống áp dụng cho tất cả, mạnh phổ Raman Đối với dạng đếm photon, giải pháp tối ưu trì cách tích phân tọa độ thời gian với máy đơn sắc quét theo tỉ lệ khoảng Đối với máy Raman, bảo dưỡng tốt ống PM cao phân biệt mức xung dựa serial number (S / N) phải thực HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 2.5.2 Thu nhận mảng diode quang (Photodiode Array Detection ) Trong đo lường Raman thông thường, việc thu nhận tín hiệu Raman thực cho tần số, phổ Raman có thơng qua chức quét toàn dải tần số Kỹ thuật đơn kênh tốn thời gian, khơng thích hợp hợp chất khơng ổn định khơng bền Đồng thời việc thu nhận tín hiệu Raman tồn dải tần số thực cách sử dụng đầu dò đa kênh Đầu dò photon đa kênh bao gồm mảng linh kiện cảm quang (nhạy sáng) kích thước nhỏ chuyển đổi hình ảnh quang học thành mơ hình điện đọc phổ Raman Thơng thường, mảng dị kiểu khơng đủ nhạy để phát tín hiệu Raman - Tín hiệu quang → Photodiode array → Tín hi ệu điện → Bộ xử lý → Phổ Raman Hình 2-12 : Một mảng diode quang - Photodiode silic có vùng ph ổ đáp ứng rộng nên thường sử dụng thực tế, dùng với loại laser : Ar, HeNe, AlGaAs, Nd:YAG Hình 2-13 Sự đáp ứng phổ diode silic HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 2.5.3 Đầu dị điện tích liên kết CCD (Charge-coupled device detection) Trong năm gần đây, linh kiện ghép điện tích (CCDs) sử dụng ngày nhiều quang phổ Raman Một CCD đế bán dẫn silic xếp mảng linh kiện cảm quang, linh kiện tạo e quang điện lưu trữ chúng máy nạp nhỏ Một ví dụ mảng kích thước 512x512 hiển thị Hình 2-12 Những điện tích lưu trữ điểm ảnh riêng đặc trưng số photon đập lên điểm ảnh Hình 2-12 Sơ đồ CCD 512x512 Cấu tạo : Đầu dị điện tích liên kết ( CCD ) gồm pixel có khả tạo lưu trữ điện tích hấp thụ photon ánh sáng CCD gồm nhiều mảng chiều chứa 10 pixel ( silic diode ), pixel có kích thước µm – 30 µm Tính : CCD dùng để tạo hình ảnh, lưu trữ thơng tin, di chuyển điện tích… Chuyển tín hiệu ngõ vào ( điện, quang ) thành tín hiệu điện ngõ Tín hiệu điện xử lý, điện tích khuếch đại đưa qua thiết bị chuyển thành điện sau cho thơng tin dư ới dạng hình ảnh… - CCD sử dụng camera kỹ thuật số, máy qt quang học, kính viễn vọng, thiết bị nhìn tối - CCD có khả ghi nhận 70% ánh sáng tới, phim thông thường 2% HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Hình 2-14 Một CCD thơng thường Có loại : - BCCD ( Kênh ngầm CCD - Buried channel CCD ) : e đư ợc lưu trữ di chuyển dọc theo kênh bề mặt bán dẫn - SCCD ( Kênh bề mặt CCD - Surface channel CCD ) : e đư ợc lưu trữ di chuyển theo kênh ngầm bên khối bán dẫn - Nguyên tắc hoạt động : e truyền mặt phân cách bán dẫn lớp cách điện Xác suất bị giam bẫy bề mặt cao Hiệu suất lượng tử giảm Độ nhạy, độ xác giảm HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Ưu điểm : Tiếng ồn thấp, độ nhạy cao, hoạt động vùng phổ rộng ( 120 – 1000 nm )  dùng với nguồn laser cận hồng ngoại để đo phổ Raman hợp chất huỳnh quang 2.5.4 Những thiết bị thu nhận khác (Other Detection Devices ) Trong phổ FT-Raman, vạch laser IR vạch 1.064nm laser Nd: YAG sử dụng để kích thích Để phát xạ hồng ngoại, nhiều đầu dò với độ nhạy cần thiết dùng Hầu hết thiết bị FT-Raman sử dụng đầu dò indi-gali-arsenide (InGaAs) Đối với đầu dò kích thước 1mm, cơng suất tạp âm tương đương (NEP) 10-14 đầu dị làm mát Tuy nhiên, tổn hao đầu dò từ cắt giảm bước sóng dài giới hạn 77 K Như phổ có lên đến 3.000 cm -1 Nó có ưu điểm dịng tối bị bỏ qua Điều cho phép ghép trực tiếp dc đến khuếch đại bậc cho phép dòng dc ac kết hợp ảnh giao thoa hiển thị Một số thiết bị dò khác sử dụng vùng hồng ngoại gần PBS, Ge, InGaAs, InSb, PtSi làm lạnh nghiên cứu cảm biến để sử dụng FT-Raman Hiện thiết bị công nghiệp sử dụng cảm biến InGaAs Cảm biến Gecmani tinh khiết cao sử dụng vùng quang phổ Raman NEP đầu dò xấp xỉ 10-15 Hệ cảm biến hoạt động tới 3.500 cm -1 Thật khơng may, nhạy với xạ vũ trụ, bảo dưỡng phải thực để lọc xạ Một đầu dò InSb thử nghiệm Đầu dò InSb đáp ứng phần tử bước sóng 5µm với NEP 10-15 dùng khơng lọc Việc sử dụng đầu dò với laser hoạt động xa vùng hồng ngoại Những cảm biến khác đề xuất silic-InGaAs với nguyên tố 256 silicide bạch kim với nguyên tố 1.024 Hiệu suất lượng tử đầu dò giảm dần tới 10%, phạm vi phổ kéo dài đến 5μm Rõ ràng nghiên cứu để thiết bị cảm biến cải tiến hiệu tiếp tục 2.6 Bộ lấy chuẩn (Instrument Calibration) 2.6.1 Chuẩn Tần số (Frequency Calibration) Các thiết bị FT-Raman lấy chuẩn laser bên trong, dùng để cung cấp vị trí xác gương di chuyển giao thoa kê Vì vậy, cường độ ảnh giao thoa tính hàm vị trí gương (khoảng cách cm), chuyển qua biến đổi nhanh HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Fourier đến nghịch đảo khoảng cách số sóng (cm-1) vùng quang phổ Đối với thiết bị tán sắc, việc đọc số sóng bước sóng dụng cụ không đo trị số bề mặt Các dụng cụ yêu cầu phải hiệu chỉnh định kỳ Thời gian hiệu chỉnh tùy thuộc vào độ xác cần thiết cho thí nghiệm cụ thể Những quang phổ kế tán sắc đặc thù lấy chuẩn tần số phương pháp sau (a) Mẫu chuẩn nội (Internal Standards) Khi tính xác ~ lcm-1 yêu cầu, mẫu chuẩn nội sử dụng Đây tần số vạch phổ dung môi chất tan không tương tác đư ợc thêm vào Những vạch hợp chất đo so sánh với tần số chuẩn nội Tuy nhiên, cần lưu ý để việc dịch chuyển vạch (quan trọng ) không xảy tương tác hóa học chất nghiên cứu mẫu tham chiếu Ngồi việc đơn giản, phương pháp có ưu điểm rõ rệt so với phương pháp khác t ần số xác định từ vị trí vạch tỷ đối so với tiêu chuẩn nội thực chất khơng phụ thuộc nhiệt độ Cần lưu ý việc đọc từ máy đơn sắc thay đổi ngày nhiều từ 23 cm-1 kiểm soát nhiệt độ bên máy đơn sắc bị trục trặc (b) Indene Nếu độ xác u cầu 0.5cm -1, Indene (hợp chất hóa học lấy từ nhựa than đá) sử dụng Indene sử dụng để lấy chuẩn tần số cho phổ IR Trước sử dụng, cần tinh chế cách chưng cất chân không lưu giữ ống mao dẫn kín ống cộng hưởng từ hạt nhân (NMR-nuclear magnetic resonance) Hình 2-13 cho thấy quang phổ Raman Indene, Bảng 2-7 liệt kê tần số khuyến cáo sử dụng hiệu chuẩn Bảng 2-7 Những tần số yêu cầu cho hiệu chuẩn phổ Indene (C 9H8): Vạch Số sóng (cm-1) 730.40 ± 0.5 1,018.3 ± 0.5 1,205.6 ± 0.5 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 1,552.7 ± 0.5 1,610.2 ± 0.5 2,892.2 ± 1.0 3,054.7 ± 1.0 Hình 2-13 : Phổ Raman Indene ( C9H8) (c) Vạch plasma laser (Laser Plasma Lines) Bảng 2-2 liệt kê vạch plasma laser ion Ar, số vạch sử dụng cho hiệu chuẩn Để quan sát vạch này, tia laser nên điều hưởng, xạ tán xạ cần thu ống Kimax Phương pháp cho hiệu chuẩn có độ xác 1cm -1 Bảng 2-3 danh sách vạch plasma laser ion krypton Bảng 2-2 Một vài vạch plasma từ laser điều hưởng ion Ar : Vạch Bước sóng khơng khí (A 0) Số sóng khơng khí (cm -1) 4,545.05 22,001.96 4,579.35 21,837.16 4,589.93 21,786.82 4,609.56 21,694.04 ? ? 10 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Hình 2-20 (a) cuvét khí với gương cộng hưởng ngồi (b)cuvét mao dẫn cho chất lỏng (c) cuvét hình trụ cho chất lỏng (d) viên ép KBr cho mẫu rắn (a) Chất khí Mẫu chất khí thường chứa ống thủy tinh có đường kính từ 1-2 cm bề dày cỡ 1mm Chất khí chứa ống mao dẫn nhỏ có đường kính lớn đường kính chùm laser (cỡ 1mm) Đối với chất tán xạ Raman yếu, nguời ta lắp đặt thêm cộng hưởng ngồi để tăng cường độ Raman theo nguyên tắc tăng số lần chùm laser qua mẫu (hình 2-20a) (b) Chất lỏng Các mẫu chất lỏng chứa ống thủy tinh, ống mao dẫn phụ thuộc vào lượng mẫu sẵn có (hình 2-20b) Đối với lượng mẫu vơ nhỏ (~10-9 lit) người ta sử dụng ống mao dẫn có đường kính 0.1 0.5 mm chiều dài cỡ 1mm Sử dụng cuvét dạng hình trụ có kích thước lớn (hình 2-20c) làm giảm làm nóng cục mẫu cho phép xác định cách xác tỷ lệ khử phân cực Nếu dung dịch chứa nhiều hạt nhỏ tiếng ồn dạng “đinh” xuất mạnh 19 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 (c) Chất rắn Phụ thuộc vào lượng mẫu sẵn có, mẫu dạng bột chứa ống thủy tinh, ống mao dẫn Phổ Raman trường hợp nầy đo giống trường hợp mẫu chất lỏng Ở người ta sử dụng kỹ thuật viên ép KBr giống phổ IR Trước tiên, nén 200g KBr vào khuôn để tạo đế Sau người ta phun mẫu pha lỗng với KBr cách đặn lên đế để tạo nên viên ép KBr hai lớp (hình 220d) Kỹ thuật nầy cần lượng nhỏ mẫu giảm phân ly mẫu nung nóng cục 2.7.2 Các hợp chất có màu (Colored Compounds) Đối với mẫu có màu mà hấp thu lượng chùm laser, tượng nung nóng cục mẫu xảy Trong trường hợp nầy người ta tiến hành vài thủ tục để giảm lượng laser : 1) Thay đổi bước sóng laser kích thích 2) Làm giảm hội tụ chùm laser lên mẫu 3) Làm giảm nồng độ mẫu viên ép hay dung d ịch để tránh tượng hấp thu mẫu 4) Làm lạnh mẫu 5) Quay mẫu 6) Di chuyển chùm laser qua lại mẫu cố định Các kỹ thuật nầy quan trọng việc ghi phổ Raman cộng hưởng mà thu cách điều chỉnh tần số laser vào vùng hấp hấp thu mạnh mẫu Người ta đặt xen thấu kính dạnh hình trụ laser mẫu (hình 2-21a) Chùm laser sau đư ợc hội tụ lên mẫu trải dài từ 10 đến 25 mm thay vài micron Ph ương pháp nầy làm giảm mật độ lượng đơn vị diện tích đến 1000 lần (a) Kỹ thuật quay mẫu (Rotating Sample Techniques) Mẫu lỏng Hình 2-21b mơ tả mộ cuvét dạng hình trụ quay dùng cho dung dịch có màu Nó gắn chặt măm cặp đồng có trục quay nối với mơ-tơ quay với vận tốc từ 0-3.000 vòng/phút Mặc dù thể tích cuvét 65 ml ta ch ỉ cần 15 ml đủ trình quay lực ly tâm làm cho toàn chất lỏng bám vào thành cuvét Chùm tia laser kích thích s ẽ hội tụ vào vùng (vùng gần thành cuvét) Lớp chất lỏng nầy mỏng giảm thiểu hấp thu ánh sáng tán xạ Raman chất lỏng (sự tự hấp thu) Chùm tia laser không chạm vào thành thủy tinh tạo nên vạch phổ thủy tinh sinh 20 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Hình 2-21 (a) Hệ thống quang học dùng làm giảm hội tụ chùm laser lên mẫu C : thấu kính hình trụ; M : gương; S : mẫu : CL : thấu kính thu nhận (b) cuvét dạng hình trụ quay Mẫu rắn Phổ Raman (cộng hưởng) mẫu chất rắn đo cách sử dụng viên ép mô tả phần trước quay chúng theo kỹ thuật mơ tả hình 2-22a Hình 2-22b mơ tả khn đặt biệt với đĩa dạng vành trịn có rãnh gắn với trục quay Mẫu cho vào rãnh nén Nếu bề rộng rãnh cỡ 1mm phía mẫu có để trước lớp bột KBr thu phổ Raman mẫu với lượng nhỏ (cỡ 1mg) Mẫu chất khí Mặc dù chưa thực nhiều công việc lĩnh vực hấp thụ, mô tả cuvet quay cho hấp thụ nhiệt độ cao xuất văn 21 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Hình 2.22 (a) dụng cụ quay cho mẫu rắn; (b) dụng cụ tạo mẫu bột nén dạng vành tròn (b) Kỹ thuật quét bề mặt (Surface Scanning Techniques) Trong đo phổ Raman, c ần quay mẫu đồng thời giữ nhiệt độ thấp Hình 2-23 mô tả hệ thống dùng để thực mục đích Mẫu làm lạnh thiết bị gọi cryostat (dùng nitơ lỏng) Chùm tia laser kích thích quét mẫu cách quay thấu kính L1 22 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Hình 2-23 Sơ đồ kỹ thuật qt bề mặt mẫu quay L1 : thấu kính quay, hội tụ chùm laser bề mặt mẫu đồng thời thu nhận ánh sáng tán xạ ngược Raman; L2 : thấu kính hội tụ ánh sáng tán xạ Raman vào khe quang phổ kế; f1, f2 : tiêu cự thấu kính 2.7.3 Các cuvet đặc biệt (Special Cells) Bên cạnh cuvét mộ tả trên, có loại cuvét khác phục vụ cho mục đích nghiên cứu đặc biệt (a) Cuvét điều nhiệt (Thermostated Cells) Các phân tử sinh học, chẳng hạn protein, axit nuclêit s ẽ bị thay đổi cấu trúc nhiệt độ bị thay đổi trình đo Một vài loại cuvét thiết kế giữ nhiệt độ theo yêu cầu, chẳng hạn từ - 950C từ nhiệt độ phòng đến 1000C (b) Cuvét nhiệt độ cao (High-Temperature Cells) Phổ Raman dùng để nghiên cứu loại thủy tinh, vật liệu gốm, muối nóng chảy nhiệt độ cao Hình 2-24 mơ tả cuvét nhiệt độ cao sử dụng để nghiên cứu phổ Raman khoảng nhiệt độ 295483 K Có hai loại cuvét thiết kế cho muối kim loại nóng chảy nhiệt độ cao (đến 1.000 0) : cửa sổ graphite với cửa sổ kim cương 23 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Hình 2-24 Cuvét Raman nhiệt độ cao (c) Cuvét nhiệt độ thấp (Low-Temperature Cells) Hình 2-25a mơ tả loại cuvét có tên Dewar dùng cho m ẫu lỏng nhiệt độ thấp (từ 77 đến 300 K) Nitơ lỏng tuyết hữu (organic slushes) dùng để làm lạnh hệ thống Hình 2-25b mơ tả loại cuvét đo phổ Raman chất lỏng làm lạnh Dung dịch mẫu chứa bầu nhỏ (~ ml) nhiệt độ giữ khoảng từ 800C đến nhiệt độ phòng Nhiệt độ điều khiển đầu làm lạnh (cold tip) Hình 2-25 (a) cuvét Dewar nhiệt độ thấp đơn giản; (b) cấu hình cuvét có bầu nhỏ dùng nhiệt độ thấp (d) Cuvét cộng hưởng tử ngoại (UV Resonance Cells) Để nghiên cứu phổ Raman cộng hưởng vùng UV, người ta sử dụng bước sóng UV laser Nd:YAG để kích thích (226 nm) Thạnh anh vật liệu suốt UV phát huỳnh quang bị kích thích lâu xạ UV Để tránh, phải sử dụng vật liệu cửa sổ hạn chế tối đa phá hủy mẫu ánh sáng UV mạnh 24 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Một vài kỹ thuật tạo mẫu khác: kỹ thuật dòng chất lưu, kỹ thuật mỏng (e) Sợi quang học (Fiber Optics) Trong năm gần đây, ngưòi ta sử dụng đầu dò (probe head) sợi quang để dẫn chùm tia laser đến mẫu nhận ánh sáng tán xạ Raman đưa quang phổ kế Đường dẫn chùm laser cần sợi quang đủ, đường dẫn ánh sáng tán xạ trở phải sử dụng nhiều sợi quang học dạng bó Sợi quang học thường dùng loại có đường kính cỡ 200  Trong kỹ thuật khơng địi hỏi xếp thẳng hàng chùm laser tới mẫu, không cần hệ quang học thu nhận ánh sáng tán xạ mẫu đặt xa quang phổ kế Loại đầu dò nầy hữu dụng việc đo phổ Raman nhiệt độ thấp từ trường có cường độ cao Hình 2-26 sơ đồ nguyên tắc hệ thống đầu dò sợi quang Hình 2-26 Sơ đồ đầu dị sợi quang học Module FT-Raman với phận sợi quang 25 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 2.7.4 Cách bố trí cho tán xạ ngược (Backscattering Geometry ) Cách bố trí hình học cho tán xạ ngược (1350, 1800) có số lợi so với cách bố trí thơng thường (900) Hình 2-27a b trình bày thiết kế đơn giản, đa cho phép quay làm l ạnh mẫu cách đồng thời Hình 2-27 Bộ quay mẫu cho tán xạ ngược (a) cấu tạo quay với J : ống bọc thủy tinh (pyrex) bao quanh ống mẫu S Khí làm lạnh (N2) qua ống J để điều khiển nhiệt độ mẫu; L1, L2, M thấu kính gương; C : dụng cụ giữ mẫu (b) Chi tiết dụng cụ giữ mẫu O : chi tiết hình ny-lơng để giữ ống mẫu ; P : đai ốc nhôm ; Q : trục quay 26 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Sự thay mẫu hội tụ chùm laser vào mẫu thực cách dễ dàng nhanh chóng M ột số ưu điểm tán xạ ngược liệt kê đây: Một là, tránh tượng tự hấp thu mẫu dung dịch màu Hai là, đo tán xạ Raman hấp thu vùng UV - khả kiến cách đồng thời Ba là, thu phổ Raman đơn tinh thể tinh thể nhỏ mà cần mặt tốt tinh thể cho hướng Trong đó, tán xạ 900 cần phải có hai mặt tốt Bốn là, thu phổ nhiệt độ thấp với mẫu nhỏ Tán xạ ngược có vài yếu điểm, chẳng hạn nhiễu (noise) tán xạ Raman thân thủy tinh lớp bọc hay cuvét chứa mẫu 2.7.5 Vấn đề huỳnh quang (Fluorescence Problems) Mẫu đo hấp thu chùm laser kích thích sau phát b ức xạ huỳnh quang (hình 1-8) Trong trường hợp nầy, phổ Raman bị che dải phổ huỳnh quang Cường độ huỳnh quang lớn 10 lần cường độ tín hiệu Raman Có số phương pháp để hạn chế ảnh hưởng nầy Nếu tạp chất mẫu gây tượng huỳnh quang, mẫu cần phải xử lý cho tinh khiết để loại bỏ tạp chất phải kích thích chùm laser cơng suất mạnh với thời gian kéo dài để tẩy hết tạp chất gây huỳnh quang Nếu mẫu nghiên cứu phát xa huỳnh quang, việc trước tiên cần làm thay đổi bước sóng kích thích Do dịch chuyển vùng bước sóng dài hơn, huỳnh quang giảm cách đáng kể Phổ FTRaman (phần 2.6) lý tưởng nguồn laser kích thích thuộc vùng IR (ví dụ laser Nd:YAG có bước sóng 1064 nm) mà dịch chuyển điện tử xảy Ngồi ra, người ta dùng chất : kali iođua (KI, dạng dung dịch hay rắn), thủy ngân halogenua (ở thể hơi) để dập tắt huỳnh quang Sử dụng laser kích thích dạng xung hạn chế huỳnh quang thời gian sống xạ tán xạ Raman (10 -12 - 10-13 s) ngắn nhiều so vời thời gian sống xạ huỳnh quang (10 -7 - 10-9 s) Do đó, dùng cổng điện tử để ghi cách ưu tiên xạ tán xạ 27 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Người ta sử dụng quang phổ kế Raman CCD (phần 2.5) với nguồn kích thích laser He-Ne 10 mW để hạn chế huỳnh quang kích thích bước sóng dài laser He-Ne gây nên dịch chuyển huỳnh quang Do tính chất định hướng, quang phổ kế CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy) c ũng sử dụng để tránh tượng giao thoa huỳnh quang 2.7.6 Nhiệt độ mẫu Nhiệt độ mẫu ước tính dựa theo tỷ số cường độ vạch Stokes phản Stokes, sau : I s (~ 0  ~ m )4 m   hc~  ~ ~ exp  I as (    m )  kT  (2-3) ~  số sóng vạch laser, ~  m số sóng tán xạ Raman mẫu, h số Planck, c vận tố ánh sáng, T nhiệt độ tuyệt đối Từ phương trình 2-3 suy cơng thức tính nhiệt độ tuyệt đối T sau : ~ x 1.43879  m T ~  ~   Is  m ln  ln   ~ ~ 0  m   I as (2-4) Tuy nhiêu công thức áp dụng trường hợp vạch phản Stokes yếu Cũng cần phương trình ứng dụng điều kiện phổ Raman không cộng hưởng Ưu điểm phổ Raman so với phổ IR : - Mẫu chứa ống thủy tinh (pyrex) ánh sáng tán xạ Raman vùng khả kiến không bị thủy tinh hấp thụ Phổ Raman dung dịch nước đo cách dễ dàng nước chất tán xạ Raman yếu, trái lại, nước hấp thu mạnh phổ IR 2.8 Xác định tỷ số khử phân cực (Determination of Depolarization Ratios) Như đề cập phần trước, tỷ số khử phân cực phổ Raman cung cấp thông tin quan trọng đối xứng dao động mà khơng thể thiếu việc giải đoán dải phổ 28 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Hình 2-18 mô tả hệ thống toạ độ dùng để đo tỷ số khử phân cực Một phân tử đặt góc tọa độ Chiếu vào mẫu theo phương y sóng phân cực phẳng có véc tơ điện trường dao động mặt phẳng yz (E z) Nếu ta quan sát xạ tán xạ từ phương x đo cư ờng độ theo phương y (I y) phương z (I z) cách dùng kính phân tích t ỷ số khử phân cực (p) định nghĩa sau : p  I y (I  ) I z (I || ) (1-48) Hình 2-28 Chiếu ánh sáng phân cực vào mẫu theo phương y với véc-tơ điện trường dao động theo phương z Trong trường hợp này, máy phân cực không sử dụng tia laser tới gần hồn toàn phân c ực theo hướng z Nếu máy tiền đơn sắc đặt phía trước laser, kính phân cực phải chèn vào để đảm bảo phân cực hoàn toàn Bộ trộn (nêm tinh thể thạch anh) ln ln phải đặt sau kính phân tích kể từ máy đơn sắc cách tử cho thấy hiệu suất khác với ánh sáng phân cực ┴ ║ 29 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Hình 2-29 Bộ trộn tinh thể thạch anh đơn ghép đôi Xét phân tử tứ diện chẳng hạn CCl chiếu ánh sáng phân cực phẳng (Ez) Khi lưỡng cực (dipole) cảm ứng dao động mặt phẳng yx : Nếu phân tử thực dao động đối xứng hồn tồn ellipsoid ln có dạng hình cầu, tức phân tử bị phân cực theo phương Dưới điều kiện thế, Iy(I) = lưỡng cực (dipole) phát xạ bị “giữ chặt” mặt phẳng yz, p = Một dao động gọi bị phân cực (được viết tắt p) Trong chất lỏng hay dung dịch, phân tử định hướng cách ngẫu nhiên Song kết luận ellipsoid phân cực ln hình cầu dao động đối xứng toàn phần -Nếu phân tử thực dao động khơng đối xứng hồn tồn, ellipsoid phân cực thay đổi hình dạng suốt q trình dao động Khi lưỡng cực (dipole) cảm ứng lớn dọc theo phương phân cực lớn nhất, tức dọc theo phương trục phụ ellipsoid Do trục định hướng cách ngẫu nhiên chất lỏng dung môi momen lưỡng cực cảm ứng định hướng cách ngẫu nhiên Trong trường hợp này, p  0, dao động gọi bị khử phân cực (viết tắt dp) Từ tính tốn lý thuyết ta có : p  3gs  5ga 10g0  4gs (1-49) Trong : 30 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 g  ( xx   yy   zz ) , g s  [( xx   yy )  ( yy   zz )  ( zz   xx ) ]  [( xy   yx )  ( yz   zy )  ( xz   zx ) ], g a  [( xy   yx )  ( xz   zx )  ( yz   zy ) ] Trong tán xạ Raman thường, ga = ten-sơ phân cực đối xứng Khi đó, (1-49) trở thành : p  3g s 10g  4g s (1-50) Trong dao động đối xứng hoàn toàn, g > g s  Do đó,  p  3/4 (bị phân cực) Đối với dao động khơng đối xứng hồn tồn (một phần), g0 = g s > Do đó, p = 3/4 (bị khử phân cực) Trong tán xạ Raman cộng hưởng (ga  0), ta có p > 3/4 Ví dụ, xy = - yx phần tử cịn lại nằm ngồi đường chéo khơng, g = gs = ga  Khi từ (1-49) cho ta p   Điều gọi phân cực dị thường hay nghịch (viết tắt ap hay ip) Trong phổ Raman cộng hưởng metallopophyrins xuất dao động phân cực (A1g), khử phân cực (B1g B2g) dị thường (A 2g) Mặc dù liệu phân cực thường thu cho chất lỏng đơn tinh thể, để đo tỷ số khử phân cực đỉnh phổ Raman từ chất rắn cách ngưng tụ chúng vật liệu với số khúc xạ tương tự Việc sử dụng chất huyền phù vịng cách thêm các-bon đen CuO Chức phụ gia tối (đen) dường có liên quan đến việc giảm xuyên sâu tia lasser, tạo suy giảm tia phản xạ hay khúc xạ, làm thay đổi tỷ đối đến phân cực 2.9 Hiệu phổ Raman (Raman Difference Spectroscopy ) Hiệu phổ Raman kỹ thuật có giá trị cho việc trừ vạch phổ dung môi từ phổ dung dịch để xác định dịch chuyển nhỏ phổ chất tan thay đồng vị tương tác với phân tử khác Hình 2-27 minh họa cuvet hình trụ chia thành hai phần nhau, chứa dung dịch chứa dung môi Bằng việc quay cuvet, tia laser chiếu xạ dung dịch dung môi 31 HV :Phạm Văn Thịnh Lớp Cao học VTDT Khóa 19 Hình 2-30 Cuvet quay chia Để ghi phổ vi sai, hệ thống điện tử gồm cổng khuếch đại vi sai sử dụng Nếu dịch chuyển tần số xảy thông qua tương tác chất tan-dung môi, chênh lệch tần số tính cách sử dụng phương trình:   0.385 ( Id ) I0 Ở đây, Γ độ rộng vạch đo (Δν