Quang Phổ Raman là gì? Và những câu hỏi thường gặp về lý thuyết và cách sử dụng

Quang phổ Raman là một kỹ thuật phân tích không phá hủy dựa trên sự tán xạ không đàn hồi của các photon liên quan đến các dạng dao động khác nhau của phân tử. Phát hiện này của C. V. Raman vào năm 1928 đã dẫn đến một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả để xác định cấu trúc của các phân tử đơn giản, phương pháp này tiếp tục trở nên phổ biến trong cộng đồng khoa học.

Khi tia laser từ máy quang phổ tương tác với mẫu, năng lượng ánh sáng tán xạ trở lại bị dịch chuyển thu được phổ Raman, phổ này cung cấp thông tin có giá trị về cấu trúc hóa học. Bài viết này đề cập đến một số câu hỏi thường gặp nhất về quang phổ Raman liên quan đến lý thuyết đằng sau nó và cách nó có thể được sử dụng trong thực tế.

Nhấn vào một câu hỏi dưới đây để chuyển trực tiếp đến chủ đề đó:

Quang phổ Raman là gì?
Những loại vật liệu nào có thể được đo bằng Raman?
Huỳnh quang ảnh hưởng như thế nào đến kết quả khi đo với Raman?
Thông tin gì có thể thu được từ phổ Ramanha?
Làm cách nào để đọc phổ Raman?
Lợi ích của việc sử dụng quang phổ Raman?
Raman có thể được sử dụng để xác định các chất chưa biết cũng như xác minh vật chất. Sự khác biệt là gì?
Ai nên sử dụng Raman, cũng như ở đâu, khi nào, như thế nào và tại sao?
SERS là gì và nó có thể giúp tôi như thế nào?

1. Quang phổ Raman là gì?

Raman là một dạng quang phổ phân tử được quan sát dưới dạng ánh sáng tán xạ không đàn hồi khi mẫu bị kích thích bởi tia laser. Trong khi hầu hết sự tán xạ xảy ra là đàn hồi, thì khoảng 1 trong 10⁶ quá trình tán xạ tương tác với phân tử thông qua các dao động kéo dài và uốn cong liên kết dẫn đến ánh sáng tán xạ Raman. Được dịch chuyển bởi các tương tác phân tử này, các photon Raman được phát hiện được xử lý thành phổ liên quan đến các liên kết đặc trưng trong một phân tử, cung cấp cho người dùng một công cụ phân tích vô giá cho lấy dấu vân tay phân tử. «Dấu vân tay» này được sử dụng chủ yếu để nhận dạng vật liệu và ngày càng nhiều được sử dụng cho định lượng.

Lưu ý: quang phổ dao động phân tử chỉ phát hiện hai hoặc nhiều nguyên tử có liên kết phân tử giữa chúng — muối, ion và kim loại yêu cầu các phương pháp phân tích khác.

2. Những loại vật liệu nào có thể được đo bằng Raman?

Quang phổ Raman có thể được sử dụng để xác định hầu hết các vật liệu có đủ lượng và độ tinh khiết và/hoặc ở dạng hỗn hợp đơn giản. Raman có thể xác định hàng nghìn chất rắn và chất lỏng bao gồm dược phẩm, nguyên liệu đầu vào cho thực phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân, các chất được kiểm soát và tiền chất liên quan cũng như chất cắt, vũ khí khủng bố, hóa chất độc hại và không độc hại, dung môi và phương pháp xử lý nông nghiệp (ví dụ: thuốc bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu rầy).

Độ nhạy dự kiến của quang phổ Raman khi phân tích các chất khác nhau.

Sau đây là một số hướng dẫn chung:

Hầu hết các phân tử có liên kết cộng hóa trị đều hoạt động Raman; tuy nhiên, bản chất và cường độ tín hiệu của chúng có thể khác nhau.
Người ta ước tính rằng 80% hoạt chất dược phẩm (API) và tá dược phổ biến rất phù hợp để xác định nguyên liệu thô (RMID) bằng quang phổ Raman.
Raman là một kỹ thuật lý tưởng cho dung dịch nước, vì tín hiệu của nước không gây nhiễu tín hiệu của chất tan.
Một số muối, hợp chất ion và kim loại không thích hợp cho phân tích Raman.
Huỳnh quang là một trong những thách thức lớn nhất đối với Raman, vì nó có thể lấn át tín hiệu từ tán xạ Raman.

3. Huỳnh quang ảnh hưởng như thế nào đến kết quả khi đo với Raman?

Theo truyền thống, huỳnh quang là hạn chế lớn nhất đối với Raman. Đó là một quá trình phát ra hiệu năng quá mức, gây ra nhiễu nền áp đảo trong phổ Raman và che khuất các đỉnh Raman. Các chất tự nhiên (chẳng hạn như sợi thực vật), vật liệu có màu đậm và các chất có chất pha chất dễ phát huỳnh quang đều có thể không tạo ra kết quả tốt trên quang phổ Raman. May mắn thay, hạn chế này không phải là không thể vượt qua.

Một giải pháp phổ biến là dịch chuyển bước sóng laser kích thích ra xa bước sóng hấp thụ của vật liệu – điển hình là 532, 638 hoặc 785 nm. Lựa chọn bước sóng phổ biến nhất để giảm hiệu ứng huỳnh quang là 1064 nm.

Làm thế nào để bạn biết bước sóng nào là phù hợp nhất? Đọc Ghi chú ứng dụng của chúng tôi để biết một số cách thức sau.

Application Note: Chọn bước sóng laser phù hợp nhất cho ứng dụng Raman của bạn

Metrohm Raman sử dụng phương pháp độc quyền của riêng mình trong MIRA XTR DS, một hệ thống Raman 785 nm cầm tay đã được chứng minh có trang bị tính năng loại bỏ huỳnh quang. Tìm hiểu thêm về giải pháp độc đáo này trong tài liệu chuyên khảo của chúng tôi.

White Paper: Định tính vật liệu 785 nm không có huỳnh quang với MIRA XTR DS

4. Thông tin gì có thể thu được từ phổ Raman?

Các đỉnh trong phổ Raman rất hẹp, giúp nâng cao tính đặc hiệu và tính chọn lọc. Do đó, nó có thể phân biệt các vật liệu rất giống nhau hoặc xác định các chất cần phân tích trong hỗn hợp. Raman rất tốt cho việc làm sáng tỏ cấu trúc của các phân tử, bao gồm cả khả năng kết nối và độ bão hòa. Các đỉnh peak ‘’dấu vân tay’’ đặc trưng trong phổ Raman có thể được sử dụng để phân biệt giữa các loại rất giống nhau, chẳng hạn như các chất đồng phân và các chất khác nhau bởi một nhóm chức năng duy nhất.

Quang phổ Raman có thể giúp người dùng quan sát tiến trình của phản ứng hóa học, sự khác biệt về độ kết tinh giữa các dạng đa hình và sự thay đổi năng lượng liên kết phát sinh từ ứng suất tác dụng lên vật liệu. Ghi chú ứng dụng sau đây cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn nữa về nghiên cứu này.

Application Note: Quang phổ Raman di động để nghiên cứu đa hình và theo dõi sự chuyển đổi đa hình

Cường độ trong phổ Raman tỷ lệ thuận với nồng độ mẫu và cũng có thể được sử dụng để phân tích định lượng. Tìm hiểu thêm trong ghi chú ứng dụng của chúng tôi dưới đây.

Application Note: Phân tích định lượng Polyme hòa tan trong nước bằng Máy quang phổ i-Raman EX

5. Làm cách nào để đọc phổ Raman?

Mặc dù phổ Raman có dải phổ từ 0 – 4000 cm^-1, hầu hết các ứng dụng đều có thể đáp ứng với dải phổ hẹp hơn. Vùng vân tay, 400 – 1800 cm^-1, tiết lộ phần lớn môi trường phân tử của các nguyên tử. Điều này là đủ để xác định các chất chưa biết và xác minh vật liệu (xem hình ảnh bên dưới), cả hai đều dựa trên sự đồng nhất của cấu trúc phân tử.

Bên ngoài vùng vân tay, chuỗi carbon đơn giản và liên kết hydro đóng góp rất ít vào việc nhận dạng vật liệu. Tuy nhiên, vùng có số sóng cao đang được nghiên cứu tích cực trong lĩnh vực y tế để nghiên cứu bệnh ung thư, các vấn đề về răng ở người và nhiên liệu sinh học. Các ứng dụng thích hợp như cấu trúc tinh thể trong khoáng chất, đá quý, cơ kim và chất bán dẫn yêu cầu thông tin dưới 400 cm^-1.

6. Những lợi ích của việc sử dụng quang phổ Raman là gì?

Raman là một kỹ thuật phân tích mạnh mẽ:

Tính đặc hiệu và tính chọn lọc hóa học cao
Ít hoặc không cần chuẩn bị mẫu
Ít hoặc không có chi phí tiêu hao
Phân tích không phá hủy
Nhanh chóng — từ việc thu thập dữ liệu đến kết quả chỉ trong vài giây
Giao diện người dùng đơn giản = dễ sử dụng
Phân tích không tiếp xúc, xuyên bao bì
Lấy mẫu linh hoạt
Yếu tố hình thức linh hoạt — từ hệ thống để bàn đến hệ thống cầm tay

Tóm lại, sự hấp dẫn của quang phổ Raman là khả năng ứng dụng rộng rãi của nó đối với những người không phải là kỹ thuật viên, trong các môi trường không được thiết lập theo kiểu truyền thống. Raman đưa các khả năng phân tích hóa học ra khỏi phòng thí nghiệm và cung cấp khả năng nhận dạng vật liệu tức thời ngay tại nơi cần thiết: tại bến tiếp nhận, trong các cơ sở sản xuất thực phẩm, bảo tàng, phòng thí nghiệm bí mật, để phân tích quy trình hoặc thậm chí ở biên giới. Tất cả đều là những tình huống lý tưởng được hưởng lợi từ thế mạnh của Raman.

Hàng loạt Raman trong thế giới thực của chúng tôi chứng minh lợi ích của Raman cầm tay trong các thiết lập không cần kỹ thuật.

Real World Raman: Simplifying Incoming Raw Material Inspection

Real World Raman: MIRA DS in Action

Real World Raman: Exposing fentanyl-laced, counterfeit, and illegal drugs

7. Raman có thể được sử dụng để định tính các chất chưa biết cũng như xác minh vật chất. Sự khác biệt là gì?

Định tính các chất chưa biết là đo sự tương đồng phổ giữa chất chưa biết và phổ thư viện. Phương pháp nhận dạng này dễ thực hiện, nhanh chóng và phù hợp để sử dụng với các thư viện hóa học có thể tùy chỉnh, mở rộng. Một ví dụ về kỹ thuật này là thử nghiệm tại chỗ một túi bột trắng nhỏ bị tịch thu tại một điểm dừng giao thông, cung cấp nhanh chóng bằng chứng về hành vi phạm pháp tại điểm tiếp xúc mà không làm cho cơ quan chức năng phải đối mặt với bất kỳ mối nguy tiềm ẩn nào. Tải tài liệu chuyên khảo của chúng tôi bên dưới để biết thêm thông tin về chủ đề này.

White Paper: Identifying Narcotics in Complex Samples

Tính chọn lọc của Raman cũng làm cho nó trở thành một kỹ thuật tuyệt vời để xác minh các vật liệu đã biết, xác nhận tính nhất quán, độ tinh khiết và chất lượng của nguyên liệu thô cho các nhà sản xuất thực phẩm, dược phẩm, sản phẩm chăm sóc da và tóc, mỹ phẩm, v.v. Phương pháp xác minh phát hiện những khác biệt nhỏ về phổ bằng cách chiếu từng phổ mẫu lên một mô hình. Điều này cho kết quả ‘’đạt’’ hoặc ‘’không đạt’’ dựa trên mức độ phù hợp của phổ mẫu với mô hình. Tìm hiểu thêm về xác minh bằng quang phổ Raman trong tài liệu chuyên khảo sau.

White Paper: Verification, p-values, and Training Sets for the Mira P

8. Ai nên sử dụng Raman, cũng như ở đâu, khi nào, như thế nào và tại sao?

Bất cứ ai yêu cầu phân tích vật liệu tổng quan, lĩnh vực khoa học hoặc trong công nghiệp, bao gồm:

Chuyên gia quốc phòng/an ninh
Nhà hóa học
Nhà phân tích pháp chứng
Công nhân bến nhận hàng
Người làm việc trong lĩnh vực nghiên cứu và giáo dục

Trong phòng thí nghiệm, tại các cơ sở sản xuất, hiện trường vụ án hoặc tại biên giới.

Các hệ thống di động và cầm tay có thể cùng người dùng di chuyển trực tiếp đến địa điểm thử nghiệm.

Khi cần xác định, xác minh hoặc phân biệt các chất tinh khiết—đặc biệt là khi xử lý các loại bột trắng và vật liệu tổng hợp không xác định.

Quy trình làm việc có hướng dẫn và tự động giảm quy trình lấy mẫu xuống ba hoặc bốn bước, cho kết quả sau vài giây mà không gặp bất kỳ rắc rối nào.

Để xác định tính nhất quán của các thành phần, tìm hiểu xem chất đó có nguy hiểm hay không, nhận dạng chất đáng ngờ hoặc xác nhận danh tính của vật liệu.

9. SERS là gì và nó có thể giúp tôi như thế nào?

Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) là một kỹ thuật Raman chuyên dụng giúp người dùng phát hiện hàm lượng vết của các chất. Không phải tất cả các vật liệu đều hoạt động với SERS, nhưng các vật liệu hoạt động với SERS mạnh có thể được phát hiện ở mức phần triệu (ppm, mg/L) hoặc phần tỷ (ppb, µg/L). SERS cũng có thể được sử dụng để phát hiện một thành phần cụ thể trong hỗn hợp hoặc xác định thuốc nhuộm và vật liệu có màu đậm, vì nó bị ảnh hưởng huỳnh quang.

Thách thức lớn nhất đối với SERS là phát hiện hợp chất mục tiêu trong các chất nền phức tạp, bao gồm cả trong nước, thuốc viên (ví dụ: dược phẩm được quản lý, thuốc không kê đơn hoặc thuốc bán trên đường phố) và nhiều loại thực phẩm. Với kinh nghiệm và điều tra, các thuộc tính độc đáo của phân tích SERS có thể được khai thác bằng cách chuẩn bị mẫu đơn giản.

Tìm hiểu thêm về cách SERS so sánh với Raman trong bài đăng trên blog trước đây của chúng tôi.

Raman vs SERS… What’s the Difference?

Kết luận

Cuối cùng, quang phổ Raman là một kỹ thuật lý tưởng để định tính vật liệu hoặc xác minh vật liệu đã biết cho cả người dùng có kỹ thuật và không kỹ thuật trong nhiều môi trường khác nhau. Raman được thực hiện dễ dàng, bảo toàn mẫu và có thể được sử dụng để phân tích hàng ngàn vật liệu. Để tìm hiểu thêm về Raman và nhiều lợi ích của nó, hãy xem các bài viết blog khác, Ghi chú ứng dụng và tài liệu chuyên khảo của chúng tôi.