Cơ sở lý thuyết của quang phổ raman và ứng dụng trong phân tích thực phẩm

Khái niệm về phổ tán xạ Raman
Quang phổ Raman là một kỹ thuật quang phổ dựa trên sự tán xạ không đàn hồi ánh sáng đơn
sắc của mẫu phân tích: tức là, khi ta chiếu nguồn ánh sáng đơn sắc lên mẫu phân tích ta thu
được dòng ánh sáng tán xạ trở lại có tần số bị thay đổi so tần số của nguồn sáng ban đầu.


Khái niệm về phổ tán xạ Raman
Quang phổ Raman là một kỹ thuật quang phổ dựa trên sự tán xạ không đàn hồi ánh sáng đơn
sắc của mẫu phân tích: tức là, khi ta chiếu nguồn ánh sáng đơn sắc lên mẫu phân tích ta thu
được dòng ánh sáng tán xạ trở lại có tần số bị thay đổi so tần số của nguồn sáng ban đầu.


Lịch sử quang phổ Raman

 Năm 1928 chandrasekhra vekata Raman
phát hiện ra hiện tượng tán xạ Raman với
nguồn sáng là mặt trời, qua một kính viễn
vọng thu nhận ánh sáng.

 Vào những năm 1930, nguồn ánh sáng kích
thích là đèn thủy ngân.


Lịch sử quang phổ Raman

1962, laser ra đời

Hiện tượng tán xạ Raman được quan sát rõ
ràng hơn với nguồn sáng laser.

Nguyên lý phổ tán xạ Raman

 Ánh sáng bao gồm các photon mang năng lượng xác định bằng E = h ν = h.c/ λ trong đó h
là hằng số Plank còn ν là tần số các photon của ánh sáng.

 Khi ánh sáng truyền qua môi trường vật chất trong suốt thì phần lớn ánh sáng truyền thẳng
và một phần nhỏ bị tán xạ.

 Dựa vào tần số ánh sáng tán xạ sau khi chiếu nguồn ánh sáng lên mẫu, người ta chia ra

nhiều loại tán xạ khác nhau: tán xạ Rayleigh (ν không đổi), tán xạ Raman (ν thay đổi)  chỉ
có tán xạ Raman là hữu ích trong nghiên cứu đặc điểm phân tử vật chất.


Nguyên lý phổ tán xạ Raman


Cấu tạo thiết bị quang phổ Raman:
1. Nguồn ánh sáng kích thích (Tia laser)
2. Hệ thống chiếu sáng mẫu và hệ thống quang thu ánh sáng tán xạ
3. Bộ chọn bước sóng (bộ lọc hoặc quang phổ kế)
4. Đầu dò (đầu dò chuỗi diode quang, CCD hoặc PMT)
5. Bộ phận khuếch đại và thu nhận tín hiệu Raman



Nguồn ánh sáng kích thích (tia laser):
Một mẫu thường được chiếu sáng bởi một chùm laser trong vùng tử ngoại (UV), khả kiến
(Vis) hoặc cận hồng ngoại (NIR).

 Thường laze khí hay dùng là argon cho 2 vạch phát xạ mạnh tại bước sóng 514 và 488
nm.

 Nguồn laze Nd:YAG thường có bước sóng phát xạ 1064nm.
 Laze diode với nhiều bước sóng phát xạ hơn, nhưng hay dùng nhất là ở bước sóng
976, 830, và 785nm


Bộ chọn bước sóng:
Mục đích: tách tán xạ Rayleigh ra khỏi tán xạ Raman, loại bỏ khả năng gây nhiễu cho bộ phận
thu tín hiệu Raman.
Các phương pháp:

 Sử dụng bộ lọc nhiễu (Notch Filter): đo được các chế độ Raman tần số thấp <100 cm-1
 Tán xạ nhiều cấp (Quang phổ kế cấp 2 hoặc cấp ba):
cho phép thu được phổ Raman mà không cần sử dụng các bộ lọc nhiễu, các chế độ
Raman hoạt động ở tần số thấp 3–5cm-1 có thể được phát hiện hiệu quả.

 Sử dụng cách tử holographicánh sáng lạc có cường độ thấp hơn so với ánh sáng lạc
phát sinh từ cách tử dòng với cùng mật độ rãnh.


Đầu dò:
Mục đích: Thu tín hiệu tán xạ Raman
Các loại đầu dò:

 Đầu dò đơn điểm: Ống nhân quang đếm photon (PMT)  tốn nhiều thời gian
 Đầu do đa kênh như đầu dò chuỗi diot quang (PDA)
 Cảm biến điện tích kép (CCD) phổ biến nhất hiện nay

Các biện pháp tăng cường tín hiệu Raman:
Raman kích thích:
Sử dụng một xung laser rất mạnh với cường độ điện trường > 109V/cm chuyển tới 50% năng lượng
xung laser vào vạch liên kết ở tần số Stokes (υ 0 - υm) đầu tiên.
CARS - Raman phản Stokes kết hợp:
Là một dạng quang phổ Raman “phi tuyến” khác. Thay vì chỉ có một nguồn laser truyền thống, 2
nguồn laser cộng tuyến rất mạnh được chiếu vào mẫu.
Raman cộng hưởng (RR):

Khi tần số laser kích thích được chọn sao cho bằng tần số của trạng thái kích thích điện tử của
một số dạng phân tử màu có thể tạo ra tán xạ Raman mạnh thay vì tạo ra huỳnh quang.


Các biện pháp tăng cường tín hiệu Raman:
SERS và SERRS (Quang phổ Raman tăng cường bề mặt và SERS cộng hưởng):
Tín hiệu Raman từ các phân tử được hấp thụ trên bề mặt của một kim loại xác định có thể được tăng
lên 5 – 6 lần so với tín hiệu Raman của cùng phân tử đó khi ở dạng thể tích khối.
SERRS: khắc phục nhược điểm khó giải phổ của SERS do phổ của nó giống phổ Raman cộng hưởng
thông thường.


Ưu điểm của quang phổ Raman:

 Không cần chuẩn bị mẫu.
 Giảm thiểu nhiễu do nước
 Không bị nhiễu bởi CO2 và H2O trong không khí
 Không cần phá mẫu
 Độ nhạy cao, dữ liệu cho nhiều thông tin hữu ích.
 Có thể định tính và định lượng các chất trong mẫu.

 Có sẵn thư viện phổ Raman của 16,000 hợp chất, để tra cứu trực tiếp
 Dụng cụ chứa mẫu không cần làm sạch, làm khô ở chân không cao (các vật liệu thủy tinh, nước, nhựa… có
phổ Raman rất yếu nên không ảnh hưởng đến quá trình phân tích).

 Phân tích trong dãy phổ rộng: tử ngoại, khả kiến, cận hồng ngoại.


Nhược điểm của quang phổ Raman:

 Thiết bị đắt tiền
 Có thể làm nóng mẫu, thay đổi trạng thái vật lý, đốt cháy, làm phân hủy mẫu (chất màu, các hạt
nhỏ truyền nhiệt kém)

 Bị ảnh hưởng bởi hiện tượng huỳnh quang gây nhiễu (bước sóng laser trùng dải hấp phụ các gốc
tạo màu)


Ứng dụng của quang phổ Raman:

 Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: hóa học, sinh học, địa chất, dược, pháp y, kiểm nghiệm môi
trường, khoa học vật liệu…

 Ứng dụng trong thực phẩm: định tính, định lượng thành phần hóa học của mẫu thực phẩm.



Ứng dụng SERS trong phân tích GABA (Vidhu S. Tiwari & cs, 2015):

 Sử dụng nguồn phát laser diode ở bước sóng 785 nm, sử dụng bộ lọc nhiễu lọc ánh sáng tán

xạ, lõi tinh thể sợi quang (HC-PCF) khuếch đại các tín hiệu Raman, và đầu dò cảm biến điện
tích kép (CCD) để thu tín hiệu Raman

 Ngưỡng phát hiện GABA: ở nồng độ 10-4M trong dung dịch nước.


Ứng dụng SERS trong phân tích GABA (Vidhu S. Tiwari & cs, 2015):

 Sử dụng nguồn phát laser diode ở bước sóng 785 nm, sử dụng bộ lọc nhiễu lọc ánh sáng tán

xạ, lõi tinh thể sợi quang (HC-PCF) khuếch đại các tín hiệu Raman, và đầu dò cảm biến điện
tích kép (CCD) để thu tín hiệu Raman

 Ngưỡng phát hiện GABA: ở nồng độ 10-4M trong dung dịch nước.