Kỹ thuâ ̣t kích thích và thu phổ tán xạ Ram- 123docz.net

2.2.1. Sơ đồ kích thích tán xa ̣ Raman

Phổ tán xa ̣ Raman cùng với phổ hấp thu ̣ hồng ngoa ̣i của phân tử dưới da ̣ng khí hoă ̣c lỏng đều đă ̣c trưng cho sự quay hoă ̣c dao đô ̣ng của phân tử. So với phổ hấp thụ hồng ngoa ̣i gần và hồng ngoa ̣i xa, phổ tán xa ̣ Raman có mô ̣t số đă ̣c điểm hết sức đă ̣c biê ̣t về cường đô ̣ và vi ̣ trí va ̣ch. Các va ̣ch tán xa ̣ Stokes và đối Stokes trong phổ tán xa ̣ Raman có cường đô ̣ rất nhỏ so với va ̣ch tán xa ̣ Rayleigh và nằm rất gần va ̣ch này (khoảng từ vài trăm cm-1 đền vài nghìn cm-1 đối với phổ tán xa ̣ Raman dao

đô ̣ng, còn đối với phổ tán xa ̣ Raman quay, giá tri ̣ số sóng còn nhỏ hơn nhiều). Bên cạnh đó, cườ ng đơ ̣ của các va ̣ch tán xa ̣ Raman còn phu ̣ thuô ̣c vào sự phân cực của vạch kích thích. Vì thế hê ̣ kích thích và thu phổ tán xa ̣ Raman phải tâ ̣n du ̣ng tối đa năng lượng của chùm ánh sáng kích thích và tâ ̣p trung hầu như toàn bô ̣ năng lượng củ a chùm ánh sáng tán xa ̣ vào khe của máy đơn sắc [1].

Ngồi ra hệ kích thích và thu phổ tán xạ Raman phải khử được phông huỳnh quang do một số tạp chất bẩn trong máy phát ra và khử được những bức xa ̣ ký sinh khác ở thiết bi ̣ thu phở. Phương pháp kích thích phổ Raman thường gă ̣p là dùng đèn thủ y ngân và dùng laser; trong khuôn khổ luận văn này, tác giả đề cập đến kích thích phổ tán xa ̣ Raman bằng laser. Để kích thích phổ tán xa ̣ Raman của các chất dưới da ̣ng khí và lỏng bằng laser, ta có thể dùng sơ đờ như hình 2.3.

+ Sơ đồ hình 2.3.a vì 2 gương phẳng gắn ở hai thành bên của cuvet đựng mẫu làm cho chùm laser đi lại nhiều lần qua mẫu, vì thế làm tăng số phân tử được kích thích. Vớ i sơ đồ kích thích này ta đã sử dụng được năng lượng của chùm sáng laser nhưng chưa thu được nhiều năng lượng của ánh sáng tán xa ̣, vì ánh sáng này chỉ được thu ở đầu trước của cuvet nhờ thấu kính hô ̣i tu ̣ L1.

+ Sơ đồ hình 2.3.b nhờ gương phẳng G1, thấu kính hô ̣i tu ̣ L1 và gương lõm G2 có tiêu điểm trùng nhau tại tâm của cuvet đựng mẫu mà chùm ánh sáng laser cũng đi lại nhiều lần qua mẫu. Do đó mật đô ̣ năng lượng kích thích và số phân tử được kích thích sẽ tăng lên. Ánh sáng tán xa ̣ do mẫu phát ra ở hai phía của cuvet được thấu kính hô ̣i tu ̣ L2 và gương cầu lõm G3 hội tu ̣ vào khe của máy đơn sắc.

+ Sơ đồ hình 2.3.c, cuvet đựng mẫu có hai cửa sở quang ho ̣c phẳng ở thành bên và có dạng hình tru ̣ đường kính nhỏ. Chùm sáng laser sau khi qua cửa sổ 1, chiếu vào thành bên, phản xa ̣ toàn phần nhiều lần ở trên đó và đi ra ngoài theo cửa sổ 2. Cách kích thích trên đã tận dụng tối đa năng lượng của chùm ánh sáng kích thích, vì vậy đa số các phần tử trong ống tán xa ̣ được kích thích và cường đô ̣ va ̣ch tán xa ̣ cũng tăng lên. Ánh sáng tán xạ do mẫu phát ra được thoát ra ngoài qua mô ̣t đầu ống và được thấu kính hô ̣i tụ L tâ ̣p trung vào khe của máy đơn sắc.

+ Trong các sơ đồ kích thích bằng laser trên, mẫu tán xa ̣ có thể bi ̣ nóng do hấp thu ̣ nhiệt. Để làm nguội mẫu có thể kích thích bằng bức xa ̣ của laser phát ở chế đô ̣ xung thay cho chế đô ̣ liên tu ̣c hoă ̣c dùng nito lỏng. Để làm nguô ̣i mẫu khi dùng laser phát ở chế đô ̣ liên tu ̣c, người ta dùng cuvet quay, trong đó cuvet đựng mẫu được gắn trên một trục quay có tần sớ không đổi ( hình 2.3.d). Khi quay cuvet, chùm sáng laser luôn được chiếu vào những vi ̣ trí khác nhau của mẫu, do đó mẫu khơng bi ̣ nóng. Ánh sáng tán xạ từ mẫu cũng được thấu kính hô ̣i tu ̣ L tâ ̣p trung vào khe của máy đơn sắc [1].

2.2.2. Kỹ thuâ ̣t thu phổ tán xa ̣ Raman

Phổ kế Raman laser

Để thu phổ tán xa ̣ Raman khi kích thích bằng laser thông thường người ta dù ng phổ kế Raman laser. Phổ kế bao gồm: hê ̣ kích thích, máy đơn sắc và hê ̣ thu,

xử lý tín hiê ̣u. Tùy từng trường hợp, hê ̣ kích thích bằng laser có thể dùng mô ̣t trong các sơ đồ kích thích trên. Máy đơn sắc gồm cách tử nhiễu xa ̣ G và gương cầu lõm G4, G5 có tác du ̣ng trải phổ tán xa ̣ Raman theo bước sóng ở khe ra của nó. Để được điều đó phải quay cách tử bằng motor bước có chương trình đă ̣t sẵn.

Với phổ kế Raman laser hiện đa ̣i, người ta không quay cách tử nhưng ở khe ra của máy đơn sắc có đă ̣t detector CCD thu bức xa ̣ rất nha ̣y trong vùng phổ khảo sát.

Hình 2.4. Sơ đồ phổ kế raman laser

Hệ thu xử lý tín hiê ̣u gờm: detector thu ánh sáng tán xa ̣, bộ khuếch đa ̣i boxca (nếu dùng laser xung kích thích) hoặc bộ khuếch đa ̣i lock-in (nếu dùng laser liên tu ̣c kích thích) và máy tính để ghi phở dưới da ̣ng các file sớ liê ̣u và các file ảnh có thể lưu trữ được.

Phổ kế Raman laser biến đổi Fourier

Hạn chế chủ yếu của phổ tán xa ̣ Raman tán sắc là sự phát huỳnh quang do đô ̣ không tinh khiết của mẫu làm cho phơng cao lên. Vì thế, viê ̣c thu phở tán xa ̣ Raman gặp nhiều khó khăn, bởi cường đô ̣ của ánh sáng tán xa ̣ thường nhỏ hơn nhiều so với cường đô ̣ ánh sáng huỳnh quang do ta ̣p chất la ̣ phát ra. Khắc phu ̣c nhược điểm trên, người ta chế ta ̣o ra phổ kế Raman biến đổi Fourier kích thích bằng laser go ̣i là FT-

Raman, đây là phổ kế có thể loa ̣i được phông huỳnh quang và những bức xa ̣ ký sinh khác. Trong FT-Raman người ta dùng giao thoa kế Michelson thay cho hê ̣ đơn sắc bằng cách tử. Sơ đồ quang ho ̣c của phổ kế FT-Raman kích thích bằng laser như hình sau:

Hình 2.5. Sơ đồ quang ho ̣c của phổ kế FT-Raman

Nguyên lý hoạt động: ánh sáng laser nhờ lăng kính phản xa ̣ toàn phần P, thấu kính hô ̣i tu ̣ L1, chiếu qua mô ̣t lỗ nhỏ khoét của đỉnh ở gương cầu lõm G1 được hô ̣i tu ̣ vào mẫu gắn trên giá M. Ánh sáng tán xa ̣ do mẫu phát ra cũng được gương cầu lõm G1 chiếu vào giao thoa kế Michelson. Nhờ có giao thoa kế này mà ánh sáng tán xa ̣ có cùng tần số thỏa mãn điều kiện kết hợp giao thoa với nhau cho các cực đại, cực tiểu giao thoa. Vì thế cường đợ của các va ̣ch tán xa ̣ tăng lên trên nền của phổ huỳnh quang do sự không tinh khiết của mẫu gây nên. Ánh sáng tán xa ̣ từ giao thoa kế Michelson sau khi qua gương cầu lõm G2, các phin lọc điê ̣n môi F1, F2 và các gương cầu lõm G3, G4 hội tụ vào detector CCD để chủn thành tín hiê ̣u điê ̣n. Sau đó, tín hiệu điện này được khuếch đa ̣i và đưa sang máy tính để ghi phổ dưới da ̣ng file số liê ̣u và file ảnh [1].

So vớ i phổ kế tán sắc, phổ kế FT-Raman có các ưu điểm sau:

Phổ kế FT-Raman hoa ̣t đô ̣ng dựa vào nguyên tắc giao thoa ánh sáng và không dù ng khe máy nên toàn bô ̣ ánh sáng tán xa ̣ đều đến detector CCD, vì thế

cường đô ̣ các va ̣ch tán xa ̣ Raman được tăng lên. Với ưu điểm này, phổ kế FT- Raman có thể thu được những va ̣ch tán xa ̣ Raman có cường đô ̣ rất yếu.

Phổ kế RT-Raman có thể thu được đồng thời toàn bô ̣ các va ̣ch tán xa ̣ trong vù ng phổ cần khảo sát nên thời gian thu phổ nhanh, do đó tránh được những can nhiễu do detector CCD và những nguồn bức xa ̣ ký sinh khác gây ra [1].

Kỹ thuâ ̣t kích thích và thu phổ tán xạ Raman

Tổng quan các nghiên cứu gần đây

Li ̣ch sử quang phổ ho ̣c Raman