Ứng Dụng Máy Quang Phổ Raman Trong Thí Nghiệm

Quang phổ Raman là một kỹ thuật quang phổ phân tử, sử dụng sự tương tác của ánh sáng với vật chất để hiểu rõ hơn về cấu tạo hoặc đặc tính của vật liệu, như FTIR. Thông tin được cung cấp bởi quang phổ Raman là kết quả của quá trình tán xạ ánh sáng, trong khi quang phổ hồng ngoại phụ thuộc vào sự hấp thụ ánh sáng. Quang phổ Raman mang lại thông tin về các rung động trong và giữa các phân tử và có thể cung cấp thêm sự hiểu biết về một phản ứng. Cả quang phổ Raman và FTIR đều cung cấp một đặc tính phổ của các rung động cụ thể của một phân tử ("dấu vân tay phân tử") và có giá trị để xác định một chất. Quang phổ cấu trúc mạng tinh thể và xương sống phân tử.

Quang phổ nội tuyến Raman được sử dụng để theo dõi các quá trình kết tinh và tiết lộ các cơ chế phản ứng và động học. Kết hợp với các công cụ phân tích, dữ liệu này cho phép hiểu và tối ưu hóa phản ứng.

Khi ánh sáng tương tác với các phân tử trong chất khí, chất lỏng hoặc chất rắn, phần lớn các photon bị phân tán hoặc tán xạ ở cùng năng lượng với các photon tới. Điều này được mô tả là tán xạ đàn hồi, hoặc tán xạ Rayleigh. Một số lượng nhỏ các photon này, xấp xỉ 1 photon trong 10 triệu sẽ tán xạ ở tần số khác với photon tới. Quá trình này được gọi là tán xạ không đàn hồi, hoặc hiệu ứng quang phổ Raman, được đặt theo tên của Ngài C.V. Raman, người đã phát hiện ra quang phổ này và đã được trao giải thưởng Nobel Vật lý năm 1930 cho công trình của mình. Kể từ đó, quang phổ Raman đã được sử dụng cho một loạt các ứng dụng từ chẩn đoán y khoa đến khoa học vật liệu và phân tích phản ứng. Quang phổ Raman cho phép người dùng ghi nhận những rung động đặc trưng của một phân tử, cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách kết hợp nó, cũng như cách quang phổ tương tác với các phân tử khác xung quanh nó.

Quá trình tán xạ Raman được mô tả bởi cơ học lượng tử, là khi các photon tương tác với một phân tử, phân tử này có thể được chuyển sang trạng thái ảo ở mức năng lượng cao hơn. Từ trạng thái năng lượng cao hơn này, có thể có một vài kết quả khác nhau. Một kết quả như vậy là phân tử tự do đến mức năng lượng rung động khác với trạng thái ban đầu tạo ra một photon có năng lượng khác nhau. Sự khác biệt giữa năng lượng của photon tới và năng lượng của photon tán xạ được gọi là sự khuếch tán Raman.

Khi sự thay đổi năng lượng của photon tán xạ nhỏ hơn photon tới, sự tán xạ được gọi là tán xạ Stokes. Một số phân tử có thể bắt đầu ở trạng thái kích thích rung động và khi chúng được chuyển sang trạng thái ảo năng lượng cao hơn, chúng có thể tự do đến trạng thái năng lượng cuối cùng thấp hơn trạng thái kích thích ban đầu. Sự tán xạ này được gọi là chống Stokes.

Quang phổ FTIR thiên về sự thay đổi trong các khoảnh khắc lưỡng cực, quang phổ Raman phân tích những thay đổi trong tính phân cực của liên kết phân tử. Sự tương tác của ánh sáng với một phân tử có thể gây ra sự biến dạng của chùm electron. Biến dạng này được gọi là một sự thay đổi trong tính phân cực. Liên kết phân tử có sự chuyển đổi năng lượng cụ thể trong đó xảy ra sự thay đổi độ phân cực, tạo ra các chế độ hoạt động của quang phổ Raman. Ví dụ, các phân tử có chứa liên kết giữa các nguyên tử đồng nhân như C-C, S-S và liên kết N-N trải qua sự thay đổi độ phân cực khi các photon tương tác với chúng. Đây là những ví dụ về các liên kết tạo ra các dải quang phổ hoạt động Raman, nhưng sẽ không được nhìn thấy hoặc khó thấy trong FTIR.

Do quang phổ Raman là một hiệu ứng yếu vốn có, các thành phần quang học của Máy quang phổ Raman phải được kết hợp và tối ưu hóa tốt. Ngoài ra, vì các phân tử hữu cơ có xu hướng phát huỳnh quang lớn hơn khi sử dụng bức xạ bước sóng ngắn hơn, các nguồn kích thích đơn sắc bước sóng dài hơn, chẳng hạn như điốt laser trạng thái rắn tạo ra ánh sáng ở 785nm, thường được sử dụng.

• Quy trình kết tinh
• Nhận dạng đa hình
• Phản ứng trùng hợp
• Phản ứng hydro hóa
• Tổng hợp hóa học
• Xúc tác sinh học và xúc tác Enzymatic
• Hóa học dòng chảy
• Giám sát quá trình sinh học
• Phản ứng tổng hợp

Mặc dù quang phổ Raman và FTIR cung cấp thông tin miễn phí và thường có thể thay thế cho nhau, nhưng có một số khác biệt thực tế ảnh hưởng đến sự tối ưu cho một thử nghiệm nhất định. Hầu hết các phân tử đối xứng sẽ cho phép cả hoạt động quang phổ Raman và quang phổ IR. Trong một phân tử có chứa sự nghịch chuyển, các dải quang phổ Raman và các dải quang phổ IR sẽ loại trừ lẫn nhau, tức là liên kết sẽ là quang phổ Raman hoạt động hoặc nó sẽ hoạt động quang phổ IR nhưng nó sẽ không phải là cả hai. Một nguyên tắc chung là các nhóm chức năng có thay đổi lớn về lưỡng cực rất mạnh trong quang phổ IR, trong khi các nhóm chức năng có thay đổi lưỡng cực yếu hoặc có mức độ đối xứng cao sẽ được nhìn thấy rõ hơn trong quang phổ Raman.

• Phân tích các liên kết carbon trong các hợp chất không vòng và vòng thơm là điểm ưu tiên
• Các liên kết rất khó nhìn thấy trong quang phổ FTIR (tức là 0-0, S-H, C = S, N = N, C = C, v.v.)
• Kiểm tra các hạt trong dung dịch rất quan trọng, ví dụ: đa hình
• Chế độ tần số thấp hơn rất quan trọng (ví dụ: Vô cơ-Ôxít)
• Phản ứng trong môi trường nước được điều tra
• Các phản ứng trong đó quan sát qua cửa sổ phản ứng dễ dàng và an toàn hơn (ví dụ: phản ứng xúc tác áp suất cao, trùng hợp)
• Phân tích các chế độ mạng tần số thấp hơn là điều đáng quan tâm
• Phân tích điểm đầu, điểm cuối và tính ổn định của phản ứng sản phẩm đối với phản ứng hai pha và keo

Chọn Quang phổ FTIR khi:

• Nghiên cứu các dung dịch phản ứng 
• Phản ứng trong đó chất phản ứng, thuốc thử, dung môi và các phản ứng huỳnh quang
• Liên kết có thay đổi lưỡng cực mạnh rất quan trọng (ví dụ: C = O, O - H, N = O)
• Phản ứng trong đó thuốc thử và chất phản ứng ở nồng độ thấp
• Phản ứng trong đó các dải dung môi mạnh trong quang phổ Raman và có thể tràn ngập tín hiệu của các loài chủ chốt
• Phản ứng trong đó các chất trung gian hình thành là quang phổ IR hoạt động

Quang phổ Raman cung cấp nhiều lợi thế. Do các thiết bị đo quang phổ Raman sử dụng tia laser trong vùng khả kiến, nên cáp quang silica mềm có thể được sử dụng để kích thích mẫu và thu thập bức xạ tán xạ, và các loại cáp này có thể khá dài nếu cần thiết. Vì ánh sáng nhìn thấy được sử dụng, thủy tinh hoặc thạch anh có thể được sử dụng để giữ mẫu. Trong nghiên cứu về các phản ứng hóa học, điều này có nghĩa là đầu dò quang phổ Raman có thể được đưa vào phản ứng hoặc có thể thu thập quang phổ Raman qua cửa sổ, ví dụ như trong một vòng lặp mẫu phản ứng bên ngoài hoặc cell dòng chảy. Cách tiếp cận thứ hai loại bỏ khả năng ô nhiễm dòng mẫu. Khả năng sử dụng thạch anh hoặc Sapphire cao cấp làm vật liệu cửa sổ có nghĩa là các cell áp suất cao có thể được sử dụng để thu được quang phổ Raman của các phản ứng xúc tác. Trong nghiên cứu về chất xúc tác, quang phổ operando sử dụng hiệu ứng Raman khá hữu ích để nghiên cứu tại chỗ, phản ứng thời gian thực trên bề mặt xúc tác. Một ưu điểm khác của quang phổ Raman là các liên kết hydroxyl không đặc biệt hoạt động quang phổ Raman, khiến cho quang phổ quang phổ Raman trong môi trường nước trở nên đơn giản. Quang phổ Raman được cân nhắc là khó bị phá hủy, mặc dù một số mẫu có thể bị ảnh hưởng bởi bức xạ laser. Một xem xét cần phải được thực hiện khi lựa chọn kỹ thuật này là làm thế nào huỳnh quang một mẫu cụ thể có thể. Hiện tượng tán xạ Raman là một hiện tượng yếu và huỳnh quang có thể tràn vào tín hiệu gây khó khăn cho việc thu thập dữ liệu chất lượng. Vấn đề này thường có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng nguồn kích thích bước sóng dài hơn.

Đối với phân tích phản ứng, quang phổ Raman nhạy cảm với nhiều nhóm chức năng nhưng đặc biệt khi thu được thông tin liên kết phân tử, cung cấp dấu vân tay phân tử độc đáo của riêng nó. Do quang phổ Raman sử dụng độ phân cực của liên kết và có khả năng đo tần số thấp hơn, nên nó rất nhạy cảm với các dao động mạng tinh thể mang lại cho người dùng thông tin đa hình có thể bị quang phổ FTIR thách thức. Điều này cho phép quang phổ Raman được sử dụng rất hiệu quả để nghiên cứu quá trình kết tinh và các quá trình phức tạp khác.

Máy quang phổ Raman nhỏ gọn, hiện đại bao gồm một số thành phần cơ bản, bao gồm cả tia laser đóng vai trò là nguồn kích thích để tạo ra sự tán xạ quang phổ Raman. Thông thường, laser trạng thái rắn được sử dụng trong các thiết bị đo quang phổ Raman hiện đại với các bước sóng phổ biến là 532nm, 785nm, 830 nm và 1064nm. Các laser bước sóng ngắn hơn có mặt cắt tán xạ Raman cao hơn nên tín hiệu thu được lớn hơn, tuy nhiên tần số huỳnh quang cũng tăng ở bước sóng ngắn hơn. Vì lý do này, nhiều hệ thống đo quang phổ Raman có laser 785nm. Năng lượng laser được truyền đến và thu thập từ mẫu bằng cáp quang. Một bộ lọc notch hoặc edge được sử dụng để loại bỏ sự tán xạ Rayleigh và chống Stokes và ánh sáng tán xạ Stokes còn lại được truyền cho một phần tử tán sắc, điển hình là cách tử hình ba chiều. Một máy dò CCD thu được ánh sáng, dẫn đến quang phổ Raman. Do tán xạ quang phổ Raman mang lại tín hiệu yếu, điều quan trọng nhất là các thành phần chất lượng cao, phù hợp với quang học được sử dụng trong máy quang phổ Raman.

Khi quang phổ được thu thập nhất quán trong suốt quá trình thử nghiệm, nó có thể xuất được "video phân tử" cung cấp thông tin chính liên quan đến động học, cơ chế và hình thức thay đổi trong quá trình phản ứng. Theo truyền thống, phân tích này đã được thực hiện bởi các nhà quang phổ học có kiến thức chuyên môn trong việc tìm kiếm các lĩnh vực quan tâm chính và xu hướng các wavenumbers theo thời gian. Tuy nhiên, những tiến bộ trong phần mềm (như tính năng 'Tìm xu hướng' trong iC Raman 7) đã cho phép chuyên môn này được tự động hóa theo cách mà các chuyên gia và những người mới sử dụng có thể dễ dàng trích xuất thông tin nhanh chóng để nhanh chóng và tự tin đưa ra quyết định 

Kết cấu nhỏ gọn. ReactRaman kết hợp tốt nhất trong hiệu suất lớp học với thiết kế linh hoạt. Máy quang phổ nhỏ, nhẹ và ổn định nhiệt, mang lại kết quả vượt trội bất cứ nơi nào cần thiết.

Kết quả nhanh, chính xác. Được tối ưu hóa để theo dõi tại chỗ, ReactRaman cung cấp quang phổ chính xác, nhạy, có thể dễ dàng chuyển đổi thành kết quả với One Click Analytics¬ ™ trong iC Raman 7.

Nền tảng tích hợp. Kết hợp với Mid-IR, Đặc tính hạt và Lò phản ứng hóa học tự động để hiểu và kiểm soát toàn diện.

Chia sẻ chuyên môn. Với hơn 30 năm chuyên môn phân tích phản ứng, chúng tôi cam kết phát triển các giải pháp hiệu suất cao để các nhà khoa học có thể giải quyết các vấn đề hóa học đầy thách thức.

Quang phổ ReactRaman là một phần của dòng sản phẩm tích hợp, bao gồm:

• ReactIR trong máy quang phổ FTIR tại chỗ
• Đặc tính hạt nội tuyến ParticleTrack và ParticleView
• Lò phản ứng tổng hợp hóa học EasyMax, OptiMax và RX-10
• Lấy mẫu tự động nội tuyến EasySampler

Được thiết kế đặc biệt để phát triển hóa học và quy trình, các công cụ này được kết hợp trên nền tảng phần mềm iC mạnh mẽ để cung cấp sự hiểu biết toàn diện về quy trình.