Khóa luận Phổ phân tử và ứng dụng trong nghiên cứu cấu trúc phân tử

T = 2 2 1 1 2 2 1 1 m v m v 2 2  = 2 2 2 21 1 2 2 1 1 m r m r 2 2    = 2 1 I 2  (1.8) Trong đó: v1, v2 tốc độ của khối lƣợng m1, m2; ω là tốc độ góc; v = ω.r Momen động lƣợng L liên hệ với momen quán tính I theo biểu thức: L = Iω (1.9) nên: 2 2 2 L L T 2I 2 r    (1.10) Xét bài toán quay tử cứng theo quan điểm cơ lƣợng tử: 7 2 2 L H T 2 r    Trong hệ tọa độ cầu ta có: 0 r  ; 0     2d r drsin d d     và biết 2 2I    Toán tử Laplace là 2 2 2 2 1 1 r r r r r            nên phƣơng trình Schrodinger của nó trong hệ tọa độ cầu H ( , ) E     (1.11) 2 2 L 2 r ( , )   = E ( , )   hay: 2 2I   , E ( , )        ,   là hàm riêng của toán tử 2 I , đó là hàm cầu    , Y ,      , phải thỏa mãn phƣơng trình hàm riêng sau:  2 2 2l,m l,mI Y , l (l 1) Y     ,  Hay      l,m l,mY , l l 1 Y ,        (1.12) với quay tử cứng thì hàm cầu phụ thuộc hai số lƣợng tử: số lƣợng tử quay J và MJ - J nhận các giá trị 0,1,2,3 - MJ nhận các giá trị -J0..+J Phƣơng trình (1.12) đƣợc viết lại   J JJ,M J,M Y , J(J 1)Y ( , )        (1.13) Từ (1.12), (1.13) rút ra đƣợc:      2 22 2 2 2 J J 1 h J J 1h E J J 1 2I 8 I 8 r          (1.14) E của quay tử cứng bị lƣợng tử hóa và chỉ phụ thuộc vào số lƣợng tử J. Cơ học lƣợng tử đã chứng minh rằng phổ quay thuần túy chỉ quan sát đƣợc ở 8 phân tử có momen lƣỡng cực vĩnh cửu, tức là phân tử phải bị phân cực để tạo ra phổ quay. Các phân tử hai nguyên tử bị dị hạch có momen lƣỡng cực vĩnh cửu sẽ cho phổ quay ở trạng thái hơi. Năng lƣợng trong phổ kí đƣợc biểu diễn bằng số sóng c E h h    nên E 1 hc     (1.15) Từ (1.14) và (1.15) ta có:    J2 C E h J J 1 BJ(J 1) hc 8 I       (1.16) B = 2 C h 8 I (1.17) B là hằng số quay có đơn vị là cm-1. Với một chuyển dịch giữa hai mức cạnh nhau, mức J sang mức (J + 1), hiệu năng lƣợng quay theo số sóng (J J 1) 2B(J 1)     J J 1  là hiệu số giữa 2 trạng thái và J = 0 Sự phân tích phổ quay có thể cho các giá trị chính xác đối với momen quán tính và từ đó cho biết khoảng cách giữa hai nhân. từ phƣơng trình (1.17), momen quán tính là: 2 2 2 h h I r r 8 BC 8 BC         (1.18) Cƣờng độ của vạch phổ bất kì nào đều phụ thuộc vào: xác xuất chuyển dịch, số ban đầu của các phân tử ở mỗi mức (dân số). Ở T = const, dân số của các mức xác định bởi luật phân bố Boltzmann đánh dấu số phân tử chiếm ở mức J là NJ ở mức thấp nhất là N0, dân số tƣơng đối của mức J j 0(e e )/kTjJ 0 0 gN e N g    (1.19) 9 trong đó: gj, g0 là độ suy biến của mức j và mức thấp nhất; ej, e0 là năng lƣợng tƣơng ứng của hai mức; k là hằng số Boltzmann. Phƣơng trình (1.19) đƣợc viết lại: j 0(e e )/kTjJ 0 0 gN e N g    = 2 2J(J 1)h /8 /kT(2J 1)e   Sử dụng phƣơng tình này có thể tính đƣợc các số tƣơng đối của phân tử ở bất kì mức nào. Kết quả là sự tách giữa các vạch liên tục giảm đều đặn với sự tăng J. Sự chênh lệch này là do phân tử quay không cứng. Năng lƣợng quay đƣợc biểu diễn bởi:     22BJ J 1 DJ J 1     D là hằng số nhỏ cấp 10-4B. 1.2.2. Phổ quay của phân tử nhiều nguyên tử Phân tử nhiều nguyên tử có ba kiểu quay xung quanh ba trục vuông góc với nhau x, y, z. Nhƣng đối với phân tử thẳng, có Iz = 0. Các momen quán tính quanh hai trục x và y là Ix = Iy. Vậy thì một phân tử thẳng chỉ có một giá trị đối với momen quán tính nhƣ là một phân tử hai nguyên tử. Việc nghiên cứu phổ quay của phân tử nhiều nguyên tử thẳng đặc biệt là tƣơng tự nhƣ phân tử hai nguyên tử. Với phân tử nhƣ vậy, các mức năng lƣợng quay đƣợc tính nhƣ phƣơng trình (1.6) và momen quán tính: 2 i i i I m r  Ở đây, r là khoảng cách của khối lƣợng mi với trọng tâm của hệ. Từ số liệu của phổ có thể đánh giá đƣợc hằng số quay B và cả momen quán tính I theo công thức (1.17) sử dụng phƣơng pháp thế đồng vị. Tƣơng tự, các số liệu phổ của các phân tử nhiều nguyên tử thẳng có thể đƣợc dùng để tìm độ dài liên kết khác nhau. Các phân tử nhiều nguyên tử không thẳng đƣợc phân loại trên cơ sở của các mối liên hệ giữa các momen quán tính: - Các phân tử đỉnh cầu, nhƣ CH4, SF6, trong đó Ix = Iy = Iz - Các phân tử có đỉnh đối xứng, nhƣ CH3Cl, NH3, trong đó Ix = Iy zI 10 - Các phân tử có đỉnh bất đối xứng, nhƣ H2O, CH3OH, trong đó x y zI I I  Các phân tử đỉnh cầu có momen lƣỡng cực không vĩnh cửu, do đó các phân tử này không thể cho phổ quay thuần túy. Phổ của các phân tử đỉnh đối xứng và đỉnh bất đối xứng là những phân tử phức tạp hơn thẳng vì phải có nhiều hơn một momen quán tính chính. 1.2.3. Phổ dao động của các phân tử hai nguyên tử Dao động điều hòa một chiều là hệ, trong đó hạt có khối lƣợng m đƣợc giữ vào một điểm trên đƣờng thẳng dƣới tác dụng của một lực tỉ lệ với khoảng cách từ hạt đến điểm đó, hạt chuyển động theo hai phía dọc theo đƣờng thẳng. Lực tác dụng lên dao động tử điều hòa là: F = -kq k là mức độ liên kết hóa học. Theo cổ điển, năng lƣợng toàn phần H của hệ đƣợc diễn tả bằng công thức: 2 2p 1H T V kq 2m 2     Trong đó, T là động năng, V là thế năng, q là khoảng cách của hạt đến gốc tọa độ, k là hằng số lực, p là momen động lƣợng. Theo tiên đề của cơ lƣợng tử thì toán tử haminlton tƣơng ứng là 2 2p 1 H kq 2m 2   Thế năng không phụ thuộc thời gian, hệ ở trạng thái dừng, thỏa mãn phƣơng trình strodinger ở trạng thái dừng: H ψi =Eiψi Ở đây, ψi là hàm mô tả trạng thái của hạt dao động điều hòa một chiều tính trị riêng Ei , ta có: ' i i i iH 2mH 2mE     2 2 2 2 ' p 1H 2mH 2m kq p mkq 2m 2             11 Hay 2 2 ' 2H p a q  ( đặt a2 = mk) Đƣa thêm vào hai toán tử mới w và w w p iaq w p iaq     Xét tích của chúng 'ww (p iaq)(p iaq) H a     'ww (p iaq)(p iaq) H a     Tích www có thể đƣợc xây dựng theo hai cách khác nhau, ta có: ' ' (H awww w) H w a w    ' 'www w(H a ) wH a w    Ta có: ' 'H w wH 2a w  . Tích www tƣơng tự nhƣ trên ' 'H w wH 2a w  ta có: ' ' ' i i i i i iH w (wH 2a w) wH 2a w (2mE 2a )w           Các giá trị riêng cạnh nhau cách nhau một khoảng 2aħ. Mặt khác, 'H là tổng của các toán tử bình phƣơng nên trị riêng của nó phải là số dƣơng. ta có w ψi có thể là vecto riêng của 'H với trị riêng là: (2mEi - 2aħ) nếu nhƣ w ψi không biến thành 0. Nếu nhƣ ̂̅.ψi bằng 0 thì vecto riêng có thể viết là ψ0 ứng với trị riêng thấp nhất của E0 ’ của toán tử ̂ . Do đó ta có: ' ' 0 0 0(H a ) (E a ) 0       E0 ’ = aħ Các trị riêng còn lại cách nhau một khoảng là 2aħ, đối với trạng thái thứ v ta có: ' ' 0E E 2av a 2va     , 12 ' v 1 E 2a (v ) 2   v là số nguyên. Khi ấy trị riêng của toán tử H là: ' ' v H Ev H 2mH H E 2m 2m      ' v v E 2a 1 E (v ) 2m 2m 2    thay a km vào v h km 1 E (v ) 2 m 2    theo cơ cổ điển ta có: 0 1 k 2 m    nên ta có: v 0 1 E h (v ) 2    Với v = 0,1,2 đƣợc gọi là số lƣợng tử dao động. Giải phƣơng trình strodinger ta tìm đƣợc hàm trị riêng ψi mô tả trạng thái của hạt dao động một chiều. Ứng mỗi mức năng lƣợng xó một hàm sóng tƣơng ứng. Sự dịch chuyển dao động chỉ xảy ra nếu phân tử có momen lƣỡng cực thăng giáng. Phân tử hai nguyên tử đồng hạch không quan sát thấy phổ dao động. Nhƣng phân tử hai nguyên tử dị hạch có phổ dao động xuất hiện. Khi v = 0 thì Ev 0, nhƣ vậy khi phân tử không dao động nó vẫn chứa một năng lƣợng nhất định và gọi là năng lƣợng điểm không. E = E2 – E1 = hν[v + 1 + 1 2 - (v + 1 2 )], E = hν không phụ thuộc vào v. Vì phân tử thực không dao động điều hòa (dao động với biên độ thay đổi) nên phƣơng trình năng lƣợng của nó đƣợc bổ chính theo công thức: 2 2 v 1 h v 1 E h (v ) (v ) 2 4D 2      13 D là năng lƣợng phân li của phân tử Quy tắt lựa chọn với phân tử dao động  v = ±1, ±2 Nhƣ vậy khi phân tử dao động có thể tiếp nhận các bƣớc chuyển năng lƣợng sau: v = 0  v = 1 gọi là dao động cơ bản v = 0  v = 2 gọi là dao động cao mức 1 v = 0  v = 3 gọi là dao động cao mức 2 v = 0  v = 4 gọi là dao động cao mức 3 . v = 0  v = n gọi là dao động cao mức n -1. Tuy nhiên, xác suất của các bƣớc chuyển này (cƣờng độ vạch phổ) giảm dần khi bậc dao động tăng. Hình 1.1: Đƣờng cong thế năng của dao động không điều hòa Hình 1.2: Mức năng lƣợng của phân tử dao động Nhiệt phân li D0 đối với một liên kết A-B có thể tính đƣợc bằng cách thay năng lƣợng điểm 0 bằng De; cực tiểu của đƣờng cong thế năng. D0(A - B) = De – E0 Đối với một dao động điều hòa: D0(A-B) = De - 1 2 hν0 14 và một dao động điều hòa: D0(A - B) = De - e 1 1 1 h 2 2        Đó là phƣơng pháp có giá trị để xác định độ dài liên kết hóa học. 1.2.4. Dao động quay của phân tử Khi kích thích năng lƣợng thích hợp thƣờng xảy ra quá trình phân tử vừa quay vừa dao động gọi là dao động quay của phân tử. Năng lƣợng dao động quay bằng tổng năng lƣợng quay và năng lƣợng dao động: Edq = Eq + Ed = (v + 1/2)hv + BhcJ(J + 1) Đối với phân tử dao động quay phải tuân theo quy tắc lựa chọn J = ±1và v = ±1. Đối với phân tử thực phải có hệ số điều chỉnh. - Nhánh R J = +1 v = +1, phù hợp với quy luật cấm - Nhánh P J = -1 v = +1, phù hợp với quy luật cấm - Điểm Q J = 0 v = +1, không xảy ra sự kích thích Theo quy tắt lựa chọn trên, phổ dao động quay của các phân tử gồm hai nguyên tử có hai nhánh P và R, điểm Q = 0. 1.2.5. Dao động chuẩn của phân tử Các nguyên tử trong phân tử dao động theo ba hƣớng gọi là dao động chuẩn của phân tử. Đối với phân tử có cấu tạo nằm trên đƣờng thẳng, số dao động chuẩn của phân tử có N nguyên tử tối đa bằng 3N – 5 và 3N – 6 đối với phân tử không thẳng. Mỗi dao động chuẩn có một năng lƣợng nhất định, tuy nhiên có trƣờng hợp 2, 3 dao động chuẩn có một mức năng lƣợng. Các dao động chuẩn có cùng một mức năng lƣợng gọi là dao động thoái biến. Ngƣời ta phân biệt dao động chuẩn thành hai loại: - Dao động hóa trị (kí hiệu là ν) là những dao động làm thay đổi chiều dài liên kết của các nguyên tử trong phân tử nhƣng không làm thay đổi góc liên kết. - Dao động biến dạng (kí hiệu δ) là những dao động làm thay đổi góc liên kết nhƣng không làm thay đổi chiều dài liên kết của các nguyên tử trong phân tử. Mỗi loại dao động còn đƣợc phân chia thành dao động đối xứng và bất đối xứng. 15 Ví dụ: - Phân tử CO2 thẳng có 3N – 5 = 3.3 – 5 = 4 dao động chuẩn trong đó có 2 dao động hóa trị (một đối xứng và một bất đối xứng) và 2 dao động biến dạng đối xứng. - Phân tử nƣớc không thẳng có 3N – 6 = 3.3 – 6 = 3 dao động chuẩn trong đó có hai dao động hóa trị và một dao động biến dạng đối xứng. Điều kiện kích thích dao động: không phải khi nào có ánh sáng chiếu vào phân tử cũng có phổ hồng ngoại. Khi ánh sáng chiếu vào phân tử, phân tử dao động, trong quá trình dao động momen lƣỡng cực của phân tử khác 0 và độ phân cực α của phân tử không đổi mới xuất hiện phổ. Nếu mômen lƣỡng cực bằng 0 và độ phân cực khác 0 thì phổ hồng ngoại không hoạt động. 1.2.6. Phổ electron của phân tử hai nguyên tử Phổ electron bao gồm các sự chuyển giữa các trạng thái electron và quan sát đƣợc ở vùng nhìn thấy tử ngoại. Kết quả là mỗi bang của phổ electron có một số vạch tinh vi sinh ra do sự thay đổi đồng thời năng lƣợng dao động và quay. Các quy tắc chọn lọc đối với phổ electron rất phức tạp nói chung dùng các quy tắc sau: - Các dịch chuyển electron, trong đó spin của hai trạng thái phải nhƣ nhau đối với các dịch chuyển đƣợc phép. - Các dịch chuyển giữa các trạng thái đối xứng và phản xứng là đƣợc phép. Các dịch chuyển trong cùng tính đối xứng bị cấm. - Các dịch chuyển sau đây là đƣợc phép: sự thay đổi thành phần momen góc obitan dọc theo trục giữa các hạt nhân là 0, +1 hay -1. Một nguyên lí quan trọng dùng để giải thích phổ electron là Fanck-condon. Theo nguyên lí này, một sự chuyển electron xảy ra nhanh đến mức một phân tử dao động không kịp làm thay đổi khoảng cách giữa các hạt nhân của nó trong quá trình chuyển. Điều đó xảy ra do sự chuyển động của electron nhanh hơn hạt nhân rất nhiều. Từ việc nghiên cứu phổ electron có thể thu đƣợc thông tin về năng lƣợng dao động - quay và khoảng cách giữa các nhân và năng lƣợng phân li của phân tử. Hơn 16 nữa, có thể thu đƣợc thông tin về cấu trúc electron của phân tử. 1.3. Ứng dụng của phổ phân tử 1.3.1. Phổ kế hồng ngoại Phổ kế hồng ngoại thông dụng hiện nay là loại tự ghi, hoạt động theo nguyên tắc nhƣ sau: Chùm tia hồng ngoại phát ra từ nguồn đƣợc tách ra hai phần, một đi qua mẫu và một đi qua môi trƣờng đo – tham chiếu (dung môi) rồi đƣợc bộ tạo đơn sắc tách thành từng bức xạ có tần số khác nhau và chuyển đến detector. Detector sẽ so sánh cƣờng độ hai chùm tia và chuyển thành tín hiệu điện có cƣờng độ tỉ lệ với phần bức xạ đã bị hấp thu bởi mẫu. Dòng điện này có cƣờng độ rất nhỏ nên phải nhờ bộ khuếch đại tăng lên nhiều lần trƣớc khi chuyển sang bộ phận tự ghi vẽ lên bản phổ hoặc đƣa vào máy tính xử lý số liệu rồi in ra phổ. 1.3.2. Các máy phổ hồng ngoại thế hệ mới – Phƣơng pháp FT – IR (Fourrier Transformation InfraRed) hoạt động dựa trên sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của vật chất cần nghiên cứu. Phƣơng pháp này ghi nhận các dao động đặc trƣng của các liên kết hóa học giữa các nguyên tử. Phƣơng pháp này cho phép phân tích với hàm lƣợng chất mẫu rất thấp và có thể phân tích cấu trúc, định tính và cả định lƣợng. Có thể đạt dộ nhạy rất cao ngay cả khi mẫu chỉ có bề dày cỡ 50 nm. Trong các máy này, ngƣời ta dùng bộ giao thoa (giao thiết kế) Michelson thay cho bộ tạo đơn sắc. – Máy quang phổ hồng ngoại gần (FT-NIR) đƣợc sử dụng rộng rãi trong phân tích hóa học ƣớt. Đây là một công cụ nhanh và chính xác để phân tích mẫu lỏng, rắn và vật liệu keo mà không làm phá hủy mẫu, tiết kiệm chi phí bằng cách giảm thời gian thực hiện và hóa chất sử dụng. 1.3.3. Ứng dụng Các số liệu ghi nhận đƣợc từ phổ hồng ngoại cung cấp rất nhiều thông tin về chất nghiên cứu. Dƣới đây là một số ứng dụng của phƣơng pháp quang phổ hồng ngoại - Đồng nhất các chất: từ sự đồng nhất về phổ hồng ngoại của hai mẫu hợp chất có thể kết luận sự đồng nhất về bản chất của hai mẫu hồng ngoại với mức độ chính xác khá cao. 17 - Xác định cấu trúc phân tử: từ tần số của các vân phổ hấp thu cho phép kết luận sự có mặt của các nhóm chức trong phân tử, nghĩa là số liệu hồng ngoại có thể giúp xác định cấu trúc phân tử của chất nghiên cứu. - Nghiên cứu động học phản ứng: sẽ ghi đƣợc trực tiếp đƣờng cong biểu diễn sự thay đổi cƣờng độ hấp thu theo thời gian ở miền phổ đã chọn do sự tạo thành sản phẩm phản ứng hay mất điều kiện tác chất ban đầu. - Nhận biết các chất: hiện nay ngƣời ta đã công bố một số tuyển tập phổ hồng ngoại của các chất và các tần số nhóm đặc trƣng. - Xác định độ tinh khiết: đám phổ riêng biệt của hợp chất không tinh khiết thƣờng độ rõ nét bị giảm, sự xuất hiện thêm các đám phổ sẽ làm “nhoè” phổ. Khi tạp chất có sự hấp thụ mạnh IR mà ở đó thành phần chính không hấp thụ hoặc hấp thụ yếu thì việc xác định rất thuân lợi. - Suy đoán về tính đối xứng của phân tử - Phân tích định lƣợng: khả năng ứng dụng phổ hồng ngoại nhƣ là một ngành của phân tích định lƣợng phụ thuộc trang thiết bị và trình độ của các phòng thí nghiệm. Ngày nay, sự ra đời của các máy quang phổ hồng ngoại hiện đại, sự tăng tỷ lệ tín hiệu nhiễu làm cho việc phân tích định lƣợng càng thêm chính xác và do đó mở rộng đƣợc phạm vi phân tích định lƣợng. 18 Chƣơng 2 ỨNG DỤNG CỦA PHỔ PHÂN TỬ TRONG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC PHÂN TỬ 2.1. Cở sở lý thuyết của phƣơng pháp phân tích phổ Raman 2.1.1. Sự xuất hiện của phổ Raman Khi một chùm ánh sáng đi qua một chất trong suốt, một phần nhỏ tia tới bị phản xạ. Tần số của chùm tán xạ có thể khác hay không khác với tia tới. Nếu chùm tán xạ có cùng tần số với tia tới, thì nó tán xạ Rayleigh. Loại tán xạ này có thể đƣợc coi là sự tán xạ đàn hồi của một photon do một phân tử cho nên nó không làm thay đổi tần số của tia tới. Năm 1928, Raman đã chứng minh rằng nếu ánh sáng tán xạ là đơn sắc thì phổ tán xạ gồm có các tần số khác bổ sung vào tần số tia tới. Sự tán xạ này của ánh sáng với sự thay đổi trong tần số của nó nói chung đƣợc quy là sự tán xạ Raman. Nguồn gốc của phổ Raman: khi mổ photon hνi của bức xạ tới va chạm vào một phân tử ở trạng thái với năng lƣợng Ei và nếu là tán xạ không đàn hổi thì nó có thể nhƣờng năng lƣợng cho phân tử hay lấy mất năng lƣợng của phân tử. Cho ν là tần số của photon phát xạ và E là năng lƣợng của trạng thái ấy thì theo nguyên lí bảo toàn năng lƣợng, hiệu năng lƣợng giữa 2 trạng thái: i E h h     Hay: r r E h       Hay: r i E w w h      Ở đây: r , hay r là hiệu của tần số tia tán xạ và tia tới và nói chung đƣợc biết là chuyển dịch Raman. Nếu năng lƣợng đƣợc truyền cho phân tử, nghĩa là νi > ν thì các vạch Raman 19 tán xạ đƣợc tạo nên ở phía bƣớc sóng dài, đƣợc gọi là vạch Stoke. Mặt khác, khi một phân tử bị kích thích truyền cho photon một phần năng lƣợng của nó, nghĩa là νi < ν, các vạch quan sát thấy từ phía bƣớc sóng ngắn đƣợc gọi là vạch Anti-stoke. Về mặt thực nghiệm, ngƣời ta quan sát thấy các tần số Raman ở trong khoảng 100 - 4000 cm -1 tức là nằm trong vùng phổ hồng ngoại. 2.1.2. Nguyên tắc cấu tạo của thiết bị quang phổ Raman 2.1.2.1. Nguyên tắc hoạt động Mẫu phân tích sau khi đƣợc kích thích bởi bức xạ laser sẽ phát ra ánh sáng tán xạ. Tán xạ Raman đƣợc thu lại cùng với các bức xạ khác qua kính hiển vi và đƣa tất cả các bức xạ này vào cùng hệ quang. Hệ quang sẽ phân tách và loại bỏ các bức xạ tạp, chọn lọc và đƣa tín hiệu Raman vào dectector. Dectector ghi lại các tín hiệu Raman, sau đó thông qua bộ phận xử lí số liệu, các tín hiệu quang đƣợc biến đổi thành tín hiệu điện tử và cho ta phổ Raman của mẫu phân tích. 2.1.2.2. Nguyên tắc cấu tạo cơ bản Máy quang phổ Raman đƣợc phát triển bởi nhiều công ty, nhiều hãng sản xuất khác nhau. Nhƣng về cơ bản nó bao gồm 5 bộ phận sau: Nguồn laser, bộ phận đựng mẫu, quang phổ kế, detecter, hệ quang. Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ Raman 20 Trong đó: - Nguồn Laser Khi sử dụng nguồn laser kích thích, vấn đề quan trọng nhất đƣợc đặt ra đó là nó có gây ra hiện tƣợng huỳnh quang đối với mẫu phân tích hay không. Trong trƣờng hợp khả năng xảy ra huỳnh quang cao thì laser laser hồng ngoại gần (NIR) sẽ là sự lựa chọn thích hợp. Có nhiều loại laser với bƣớc sóng đủ cao để giảm bớt hiện tƣợng huỳnh quang nhƣng nguồn laser hay đƣợc dùng nhất là nguồn laser xung quanh vùng 780nm. Đây là loại laser đƣợc tạo ra dựa trên sự phát quang từ các bán dẫn. Loại nguồn laser này thƣờng đƣợc thiết kế nhỏ gọn, giá thành rẻ và có khả năng kích thích đƣợc cho nhiều mẫu khác nhau. Vì vậy mà loại laser này càng phổ biến trong các máy quang phổ Raman, nhất là trong các máy quang phổ Raman cầm tay. Một loại laser khác đƣợc sử dụng đó là: laser Nd:YAG, nguồn laser này cho bƣớc sóng 1064 nm và thƣờng đƣợc sử dụng trong các máy FT-Raman. Đối với những mẫu phát huỳnh quang yếu thì ngƣời ta sử dụng các nguồn laser với các bƣớc sóng khoảng 470 - 650 nm. Các nguồn laser này thƣờng dựa trên ion Ar + và còn có một số loại khác. Tất cả các loại này đều có thể cung cấp một nguồn laser với công suất lớn, dễ xảy ra hiện tƣợng phá hủy mẫu đo. Các tính năng chính của hai nhóm laser trên đó là: nguồn laser với bƣớc sóng kích thích trong vùng nhìn thấy thƣờng cho tín hiệu tốt hơn, do đó tín hiệu dễ phát hiện hơn bởi vì dòng photon Raman mạnh, nhờ thế mà detector đi cùng với nó thƣờng đơn giản và có thể xảy ra hiện tƣợng huỳnh quang làm che phủ tín hiệu Raman và vì năng lƣợng lớn nên mẫu phân tích dễ bị phá hủy. Các thiết bị sử dụng với nguồn laser kích thích trong vùng nhìn thấy NIR ít nhạy hơn các thiết bị sử dụng với laser trong vùng nhìn thấy. Nhƣng bù lại, tín hiệu đƣờng nên có xu hƣớng thấp hơn, vì vậy việc ghi tín hiệu Raman dễ dàng hơn. - Thiết bị đựng mẫu Phƣơng pháp phân tích quang phổ Raman đƣợc xem nhƣ là một phƣơng pháp phân tích nhanh, không cần chuẩn bị mẫu. Nên có thể thu phổ Raman trực tiếp trên bề mặt mẫu qua dầu đo nhanh, đo mẫu bên trong các bao bì lớn thông qua các đầu dò quang học; đo mẫu bằng curvet; đo mẫu rắn, mẫu viên bằng thiết bị giữ mẫu, 21 Việc lựa chọn các thiết bị lấy mẫu thƣờng đƣợc quyết định bởi bản chất của mẫu phân tích. Tuy nhiên, khi lấy mẫu cần phải cân nhắc khối lƣợng mẫu, tốc độ đo, độ an toàn của nguồn laser, độ tái lặp của phép đo để tối ƣu hóa các thiết bị lấy mẫu nhằm thu đƣợc tín hiệu Raman rõ nhất. - Quang phổ kế Cũng nhƣ các loại quang phổ kế khác, quang phổ trong máy Raman có chức năng chính là phân tích ánh sáng dựa theo bƣớc sóng đƣợc thể hiện trên phổ đồ Raman. Có 2 loại quang phổ kế đó là: quang phổ kế phân tán và quang phổ kế không phân tán. Quang phổ kế phân tán dựa trên sự nhiễu của các bức xạ tán xạ thông qua hệ cách từ. Các quang phổ kế này đƣợc sử dụng cùng với các nguồn laser kích thích từ vùng 400 nm đến 785 nm. Đặc điểm chính của loại quang phổ kế này là rất nhạy tuy nhiên thiết bị này có độ phân giải ở các vùng khác nhau trên phổ đồ không đồng đều. Các loại quang phổ kế này khác phổ biến và đƣợc sử dụng phổ biến mang lại hiệu quả cao. Vấn đề lớn của các quang phổ kế này làm ảnh hƣởng đến hiệu quả của máy quang phổ đó là ánh sáng lạc. Phần lớn bắt nguồn từ ánh sáng laser của nguồn kích thích truyền đến hệ thống quang học. Khi cƣờng độ nguồn mạnh hơn nhiều so với tán xạ Raman thì chúng ta không thể phát hiện đƣợc tín hiệu Raman. Để loại bỏ tín hiệu này ngƣời ta phải sử dụng nhiều hệ thống lọc khác nhau để không cho ánh sáng kích thích truyền đến detector. Quang phổ kế không phân tán hầu hết đƣợc kết hợp với thiết bị biến điệu FT của tín hiệu và nó cần phân tách số sóng bằng phƣơng pháp vật lí. Các thiết bị này đƣợc sử dụng để định tính các chất hoặc để phát hiện các thay đổi nhỏ trên Raman. Tuy nhiên thiết bị này có độ nhạy tƣơng đối thấp so với phổ kế phân tán. - Detector Trong quá trình phát triển công nghệ Raman đã có một số loại detector đƣợc đƣa vào sử dụng nhƣ máy đếm photon, photodiode array, nhƣng detector CCD (Charge Coupled Device) đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong các thiết bị Raman hiện đại. Vì vậy chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu về detector CCD. CCD có bản chất là một chất bán dẫn silicon, đƣợc sắp xếp nhƣ một dải các 22 yếu tố cảm quang. Nó tạo ra các quang điện từ, mỗi quang điện từ nhƣ một tải nhỏ để lƣu giữ tín hiệu quang truyền đến. Các tải trên các pixel ở hàng trên cùng đƣợc chuyển từ trái sang phải và đƣợc đọc bởi bộ chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu số. Để đọc tất cả các tín hiệu trên toàn vùng, hàng trên cùng đƣợc đọc trƣớc bằng cách di chuyển từng vị trí từ trái sang phải, sau khi đọc xong hàng đó, hàng dƣới lại đƣợc chuyển lên trên và quá trình trên đƣợc lặp lại. Ƣu điểm chính của CCD so với các detector đa kênh khác là độ nhiễu thấp, hiệu suất lƣợng tử cao và độ nhạy trong phạm vi bƣớc sóng rộng. - Hệ quang Tùy thuộc vào cách kích thích ánh sáng và cách thu tín hiệu từ mẫu mà hệ quang có các cấu hình 180o, 90o hoặc có thể sử dụng sợi quang để kích thích và thu tín hiệu Raman. Trong cấu hình 180o các chùm tia laser và chùm ánh sáng tán xạ nằm trên cùng một trụ. Cấu hình này đang đƣợc sử dụng rộng rãi bởi vì không cần thiết phải điều chỉnh thêm chùm laser và bộ phận thu tín hiệu quang. Cấu hình 90o tạo ra một góc giữa chùm kích thích và chùm tán xạ thu đƣợc. Cấu hình này không có nhiều ý nghĩa thực tế. Trên thực tế, ngƣời ta thƣờng sử dụng sợi quang đa chế độ, loại sợi này tuy khá cồng kềnh với đƣờng kính từ 50 - 600 µm nhƣng lại rất thuận tiện để kết hợp tia laser với thiết bị thu thập tán xạ. Khi sử dụng thiết bị này, chúng ta đồng thời phải thực hiện hai việc: thu tán xạ Raman và loại bỏ ánh sáng lạc. Hiện nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, các máy quang phổ raman đƣợc phát triển với hiệu lực phân tích cao và đƣợc ứng dụng rộng rãi. 2.1.3. Ứng dụng phổ Raman trong phân tích cấu trúc phân tử - Ƣu điểm: + Không yêu cầu chuẩn bị mẫu nên sẽ tiết kiệm đƣợc thời gian, không cần sử dụng thêm các công cụ hỗ trợ tiết kiệm đƣợc công sức và tiết kiệm kinh phí. + Không cần phải xâm lấn vào các cấu tạo bên trong mẫu vì vậy không làm gián đoạn hoặc gây hao phí trong quá trình sản xuất. 23 + Phƣơng pháp quang phổ Raman có thể phân tích đƣợc chỉ với một lƣợng mẫu nhỏ. + Phép phân tích vừa đơn giản, vừa không phải chuẩn bị