CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
2.4. Tán xạ Raman
2.4.1. Giới thiệu
Phổ tán xạ Raman đã trở thành một cơng cụ phân tích và nghiên cứu quan trọng. Nó có thể được sử dụng cho các ứng dụng rộng rãi như dược phẩm, khoa học pháp y, polyme, màng mỏng, chất bán dẫn và thậm chí để phân tích cấu trúc fullerene và vật liệu nano carbon.
Phổ tán xạ Raman là một kỹ thuật tán xạ ánh sáng, và có thể được coi ở dạng đơn giản nhất của nó như một q trình trong đó một photon ánh sáng tương tác với một mẫu để tạo ra bức xạ tán xạ có bước sóng khác nhau.
Phổ tán xạ Raman cực kỳ phong phú về thơng tin, (hữu ích cho việc xác định hóa học, mơ tả đặc điểm của cấu trúc phân tử, ảnh hưởng của liên kết, môi trường và ứng suất lên mẫu).
Về mặt lịch sử, kỹ thuật Phổ tán xạ Raman khơng được giảng dạy rộng rãi trong các khóa học đại học, mặc dù bản thân quá trình tán xạ đã được Giáo sư C.V Raman thiết lập từ năm 1928. FTIR, UV-VIS, và NMR, vv nói chung là phổ biến hơn. Vào giữa
những năm 1990, thế hệ tiếp theo của các dụng cụ nhỏ gọn hơn bắt đầu phát triển. Họ sử dụng laser, quang học và máy dò mới hơn và bắt đầu cuộc cách mạng Raman vi mô.
2.4.2. Cơ chế của phổ tán xạ Raman
Khi các bức xạ đơn được chiếu đến mẫu thì ánh sáng này sẽ tương tác với mẫu ở nhiều dạng khác nhau. Có thể phản xạ, hấp thụ hoặc tán xạ trong các trường hợp khác nhau. Những tán xạ xảy ra được thể hiện trên phổ Raman cho biết cấu trúc phân tử của mẫu.
Nếu tần số (hoặc bước song) của các tia tán xạ được phân tích, ngồi những bước song tán xạ quan sát được (tán xạ Reyleigh) cịn có một lượng nhỏ các tán xạ có bước sóng khác nhau (tán xạ Raman Stoke hoặc Anti-Stokes) và chỉ có xấp xỉ 10-7 ánh sáng bị tán xạ là Raman. Sự thay đổi bước sóng của các photon tán xạ có thể cung cấp thơng tin cấu trúc và tính chất của vật liệu.
Hình 2.7 : Ánh sáng tán xạ từ một phân tử.
Ánh sáng tán xạ từ một phân tử có rất nhiều thành phần – tán xạ Rayleigh và tán xạ Raman Stokes và Anti-Stokes. Trong hệ thống các phân tử, những tần số này về cơ bản có liên quan đến chuyển động xoay, dao dộng và chuyển dời của các mức điện tử. Những bức xạ tán xạ xảy ra theo tất cả các hướng và có thể quan sát được sự thay đổi trong phân cực thông qua bước sóng của chúng.
- Những q trình tán xạ mà khơng có sự thay đổi tần số được gọi là tán xạ Rayleigh, và quá trình này tương tự như q trình được mơ tả bởi Rayleigh khi giải thích bầu trời màu xanh.
- Sự thay đổi tần số (hay bước sóng) của ánh sáng được gọi là tán xạ Raman. Những photon ánh sáng được dịch chuyển có thể có mức năng lượng cao hoặc thấp, tùy vào trạng thái dao động của phân tử.
Hình 2.8 : Giản đồ Jablonski giải thích q trình tán xạ Raman
Trong hai quá trình tán xạ Raman thì q trình mạnh hơn chính là tán xạ Stokes, tại đó photon được tán xạ tại mức năng lượng thấp (dịch chuyển bước sóng đến vùng đỏ của quang phổ). Tại nhiệt độ phịng thì trạng thái phổ biến của các phân tử về cơ bản là mức dao động nền. Đây là hiệu ứng của tán xạ Raman và có thể theo dõi nhưn Hình 2.8. Một lượng nhỏ các phân tử có mức dao động lớn hơn và vì thế những photon được tán xạ có thể tán xạ ở mức năng lượng cao hơn. Vì thế đây là tán xạ Anti-Stokes và nó rất bé.
Do đó, các photon tới sẽ tương tác với phân tử hiện tại, và lượng thay đổi năng lượng (mất đi hoặc thu được) bởi một photon là đặc trưng cho bản chất của mỗi liên kết (dao động) hiện tại. Không phải tất cả các dao động đều có thể quan sát được bằng quang phổ Raman (tùy thuộc vào tính đối xứng của phân tử.) Nhưng thơng tin đầy đủ thường có để cho phép xác định đặc tính rất chính xác của cấu trúc phân tử.
2.4.3. Thiết bị và giao diện làm việc
Kính hiển vi Raman cho đến nay là một trong những cải tiến thiết bị đo đạc tốt nhất mà người ta có thể thực hiện. Thế hệ kính hiển vi Raman mới có thể cung cấp một phương pháp phân tích mẫu khơng phá hủy và khơng tiếp xúc mạnh mẽ.
Lần đầu tiên được giới thiệu bởi HORIBA Scientific vào giữa những năm 1970, hệ thống Raman vi mơ có thể mở ra một phương pháp phân tích quang phổ hồn tồn mới. Giờ đây, chúng dễ vận hành hơn rất nhiều và việc điều chỉnh và căn chỉnh bằng tia laser hầu như bị loại bỏ. Giờ đây, việc sử dụng thiết bị Raman vi mô trở thành một thao tác đơn giản với khả năng điều khiển bằng máy tính đối với việc lựa chọn cách tử và chuyển mạch laser.
Hình 2.9 : Hệ đo Raman Xplora Plus – HORIBA
Một trong những lợi ích lớn nhất là việc sử dụng thiết kế kính hiển vi Raman CONFOCAL thực sự. Điều này cho phép phân tích một diện tích hoặc thể tích mẫu rất nhỏ - xuống đến quy mơ micromet. Kết hợp phân tích Raman vi mô này với khả năng lấy nét tự động, chuyển động XYZ và có thể tạo ra hình ảnh ‘hóa học’ của một mẫu. Các thuộc tính như phân bố, pha và các thuộc tính khác có thể được chụp ảnh chưa từng có trước đây. Nó đã trở thành một kỹ thuật mạnh mẽ nhất.
Hình 2.10 : Giao diện phần mềm LabSpec6
Ở đây, các mẫu được đo bằng hệ đo Xplora Plus do hãng HORIBA sản xuất, được điều khiển bởi phần mềm LabSpec6. Có thể quan sát ở hình 2.9 và 2.10. Các kết quả đo được sẽ được xử lí và phân tích sau đó lưu dưới dạng .txt hoặc .pdf.