BÀI GIẢNG QUANG PHỔ RAMAN - CHƯƠNG 2 Thiết Bị Và Kĩ Thuật Thực Hành.

Ví dụ : với laser Ar+, độ rộng dải band width khoảng 0,1cm-1, còn cường độ những vạch lận cận thì rất yếu, chúng dễ dàng bị loại trừ bằng cách dùng kính lọc hoặc máy tiền đơn sắc.. - Đườ

CHƯƠNG II : THIẾT BỊ VÀ KỸ THUẬT THỰC HÀNH

2.1 - Các bộ phận chính của quang phổ kế Raman

- Năm bộ phận chủ yếu của quang phổ kế Raman là :

 Nguồn kích thích, thường là laser khí liên tục (CW)

 Hệ chiếu sáng mẫu và hệ thu ánh sáng tán xạ

 Bộ phận giữ mẫu

 Máy đơn sắc hoặc máy quang phổ

 Hệ thu, bao gồm một detector , máy khuếch đại và thiết bị hiển thị tín hiệu

- Hình 2.1 minh họa sơ đồ lắp đặt các thành phần chủ yếu trên Hiện nay, rất nhiều quang phổ kế Raman được thiết kế theo mô hình này

- Trong những năm gần đây, người ta lắp thêm máy vi tính để điều khiển thiết bị, xử lý số liệu và đưa vào sử dụng các nguồn laser kích thích ở vùng tử ngoại (UV) và cận hồng ngoại (NIR)

 Thường dùng laser sóng liên tục : Ar+ (351.1nm – 514.5nm) , Kr+ (337.4nm – 676.4nm) ,

He – Ne (632.8nm)

 Laser xung : Nd:YAG, diode, laser excimer ( dùng cho phổ Raman cộng hưởng UV và phổ Raman phân giải theo thời gian

- Laser là nguồn kích thích lý tưởng của phổ Raman chủ yếu do đặc tính của chùm laser :

 Công suất lớn

Các vạch đơn của laser CW có thể dễ dàng đạt đến công suất 1-2W, với laser xung có thể cung cấp công suất cực đại (peak) đến 10-100MW

 Độ đơn sắc cao

Ví dụ : với laser Ar+, độ rộng dải (band width) khoảng 0,1cm-1, còn cường độ những vạch lận cận thì rất yếu, chúng dễ dàng bị loại trừ bằng cách dùng kính lọc hoặc máy tiền đơn sắc

 Đường kính chùm tia laser nhỏ

- Đường kính chùm tia laser nhỏ (1-2mm), có thể giảm đến khoảng 0,1mm bằng cách sử dụng hệ thấu kính đơn giản Do đó, toàn bộ thông lượng bức xạ có thể được hội tụ trên một mẫu nhỏ, điều này có lợi cho việc nghiên cứu các chất lỏng có thể tích rất bé (khoảng micro lít), các tinh thể nhỏ (khoảng 1mm3)

- Trong quang phổ học micro – Raman, người ta có thể nghiên cứu những mẫu có kích thước đường kính 2 m

 Chùm laser hầu như hoàn toàn phân cực thẳng

Điểu này thuận lợi cho việc đo tỉ số khử phân cực Như đã biết, tỉ số này cung cấp thông tin quan trọng về sự đối xứng của dao động mà nó không thể thiếu trong việc giải đoán phổ

 Có thể tạo ra những chùm laser có khoảng cách thay đổi bước sóng rộng bằng cách sử dụng laser màu và các thiết bị khác

2.2.1 – Laser khí liên tục (CW)

- Laser khí liên tục chủ yếu hoạt động trong vùng khả kiến của phổ điện từ

- Hình dưới đây minh họa cho những thành phần cơ bản của một laser ion khí hiếm

 Môi trường hoạt tính : khí Ar hoặc Kr được chứa trong ống plasma

 Ống phóng điện chứa khí thường là ống thủy tinh hoặc ống thạch anh, đường kính khoảng

từ 1 đến vài centimet, độ dài từ vài centimet đến vài mét Bên trong ống thường đặt các điện cực Cathod có thể oxit hoặc kim loại có nhiệm vụ phát xạ điện tử Nếu là phóng điện cao tần thì điện cực được bao ở ngoài ống

Hai đầu ống được gắn kín bằng hai bản phẳng song song, với độ dày khoảng 3 – 5mm và lệch so với trục ống một góc bằng góc Brewster

 Nguồn bơm sẽ tạo một dòng điện rất cao phóng qua khí này Các điện tử sẽ va chạm, làm ion hóa chất khí, từ đó làm tăng mật độ trạng thái kích thích

Các photon phát ra bị phản xạ nhiều lần giữa hai gương Khi sự tích lũy các photon đạt đến giá trị ngưỡng phát laser thì chùm laser sẽ truyền ra ngoài qua gương output

 Người ta làm lạnh ống plasma bằng nước bao bọc chung quanh ống để khử hiệu ứng dồn khí từ cathod đến anod và hiện tượng nhả khí bẩn

 Hốc cộng hưởng gồm hai gương : gương có độ phản xã cao và gương ngõ ra (output) đều được mạ để phản xạ ánh sáng có bước sóng mong muốn và cho truyền qua tất cả những ánh sáng có bước sóng khác

 Lăng kính : có tác dụng tách vạch, buộc laser chỉ hoạt động ở bước sóng mong muốn ( chỉ phát ra một vạch)

Lăng kính có thể lấy ra khỏi hốc cộng hưởng Khi đó, hai gương sẽ cho phép laser tạo sự cộng hưởng ở nhiều dịch chuyển laser một cách đồng thời (phát ra nhiều vạch) Trong điều kiện này, công suất ra sẽ rất cao và dùng để kích thích laser màu

 Cửa số Brewster :

Tác dụng của cửa số Brewster :

+ Khi đo tỷ số phân cực ta cần một nguồn kích thích được phân cực hoàn toàn

+ Hai cửa sổ Brewster nghiêng một góc iB được xác định bới tani B n, trong đó n là chiết suất của vật liệu làm cửa sổ Như đối với thạch anh trong vùng khả kiến thì 55,6o

B

i 

Ở góc Brewster, chùm ra của laser hầu như phân cực hoàn toàn theo một phương cố định Bức

xạ phân cực thẳng trong mặt phẳng tới không bị mất mát do phản xạ và triệt tiêu những bức xạ có phân cực vuông góc với mặt phẳng tới

Tại sao lại dùng cửa số Brewster ?

+ Một yêu cầu khi chế tạo ống phóng điện là phải đảm bảo tiêu hao ở hai đầu ống nhỏ Tiêu hao

ở đây cơ bản là do phản xạ từ hai mặt phẳng của hai tấm thủy

tinh ở hai đầu Sự tiêu hao lớn sẽ làm giảm hệ số phẩm chất của

buồng cộng hưởng quang học và sẽ hạn chế tự kích phần lớn

những dịch chuyển trong chất khí

+ Hệ số phản xạ từ bề mặt phân cách bởi hai môi trường có chiết

suất khác nhau phụ thuộc vào góc tới, vào chiết suất và vào dạng

phân cực của tia sáng

+ Khi chiếu bức xạ dưới một góc tới nào đó đến một tấm phiến thì

phản xạ từ tấm phẳng này phụ thuộc rất nhiều vào chiều của mặt phân

cực của bức xạ tới

+ Hệ số phản xạ của bức xạ phân cực phẳng sẽ lớn nhất khi mặt phân

cực vuông góc với mặt tới :

2

sin ' sin '

i i R

i i





+ Hệ số phản xạ của bức xạ phân cực phẳng sẽ nhỏ nhất khi mặt phân

cực trùng với mặt tới

 

2 //

tan ' tan '

i i R

i i



//

'

'

0 tan

2 sin cos

sin

sin

sin

tan

cos

o o o o

o o

o

o

o

o o

i

n

i

i

i n i





+ Như vậy, khi chiếu vào tấm phiến một bức xạ dưới một góc tới i o, với tani o n, trong đó n là chiết của tấm phiến thì bức xạ sẽ truyền qua hoàn toàn, không bị tiêu hao, tấm phiến khi đó được coi như trong suốt đối với bức xạ

+ Nhờ định luật Brewster ta có thể giảm được tiêu hao ở hai đầu ống phóng khí Muốn vậy thì phải đặt tấm phiến sao cho pháp tuyến của nó lệch với trục ống một góc bằng góc Brewster + Ở góc Brewster, chùm ra của tia laser hầu như được phân cực hoàn toàn

* Bảng 1 – Các laser khí điển hình trong vùng phổ khả kiến :

( Định luật Brewster)

Từ bảng 1, ta có nhận xét :

+ Vì cường độ ánh sáng tán xạ tỉ lệ với 4, nên nếu ở cùng điều kiện thì vạch 488nm của laser

Ar+ tạo nên ánh sáng tán xạ có cường độ mạnh hơn gấp 2,8 lần so với cường độ tán xạ do vạch 632,8nm do laser He – Ne tạo ra

+ Để loại bỏ những vạch không cần thiết, người ta dùng bộ lọc giao thoa, thuận lợi hơn cả là dùng các bộ tiền đơn sắc ( lăng kính, cách tử)

+ Các vạch phổ của laser khí rất nét và nằm khá tách biệt nhau

2.2.2 – Laser màu :

- Đặc điểm của laser màu :

 Môi trường hoạt chất là dung dịch của chất màu hữu cơ (có đặc trưng là tổ hợp vòng benzen, vòng pyridine, vòng azine ) trong dung môi như nước hay rượu etyl và rượu metyl

 Tính chất của laser màu : tần số biến đổi được, hệ số khuếch đại lớn

 Độ rộng vạch phát khá lớn

 Sử dụng bơm quang học để tạo mật độ đảo lộn

 Hiện nay có tới 200 chất màu dùng làm hoạt chất và dải bước sóng của những chất màu năm trong miền 300 -1300nm Bằng cách chọn chất màu thích hợp ta có thể thay đổi liên tục bước sóng phát ra trong vùng này

- Laser màu dùng để mở rộng vùng bước sóng cho sự kích thích tán xạ Raman

- Về cơ bản có ba loại laser màu điển hình :

o Laser màu được bơm bằng laser khí liên tục

o Laser màu được bơm bằng laser xung

o Laser màu được bơm bằng đèn flash

Sơ đồ laser màu có bước sóng điều chỉnh được

Bảng 2 - Công suất và bước sóng của laser màu Spectra – Physics Model 375 được bơm bằng laser ion Argon và laser ion Krypton

2.2.3 – Các loại laser khác :

- Laser rắn Nd:YAG (Neodymium-doped yttrium aluminum garnet)

 Có thể làm việc ở chế độ xung hoặc liên tục

 Ở nhiệt độ phòng (300K), với công suất ngưỡng bơm là 1370W thì laser này cho công suất phát bức xạ 1064nm là 10W

 Với bước sóng 1064nm hoạt động ở chế độ liên tục được sử dụng làm nguồn kích thích trong hệ FT – Raman

 Trong chế độ xung , các họa tần thứ hai 532nm, thứ ba 355nm, thứ tư 266nm được sử dụng cho phổ Raman cộng hưởng trong vùng tử ngoại và phổ Raman phân giải theo thời gian

 Bằng việc kết hợp các họa tần này với laser màu có thể bao phủ toàn bộ vùng phổ từ 185 –

880 nm không còn một khoảng trống nào

- Các laser khác : laser diode, laser excimer, laser Nitơ…

Bảng 3 - Một số đặc trưng của laser ND:YAG và của một vài laser khác

2.3 – Hệ chiếu sáng mẫu :

 Do tán xạ Raman yếu nên yêu cầu là : chùm laser phải được hội tụ chính xác vào mẫu và bức xạ tán xạ phải được thu nhận một cách hiệu quả nhất

 Về yêu cầu thứ nhất có thể thực hiện một cách dễ dàng bởi vì đặc điểm của tia laser là có bán kính nhỏ (1-2mm), nếu sử dụng một hệ thấu kính đơn giản còn có thể giảm bán kính xuống còn 0,1mm Do đó, thuận lợi cho việc hội tụ chính xác chùm laser lên mẫu

 Yêu cầu thứ hai, sự kích thích và thu nhận bức xạ từ mẫu có thể thực hiện được bằng một vài cấu hình quang học sau :

- Cấu hình tán xạ ngược (180o hoặc 135o) được sự dụng phổ biến bởi vì :

+ Tránh được hiện tượng hấp thu ở các mẫu dung dịch màu

+ Có thể đo đồng thời tán xạ Raman và hấp thu trong vùng UV – khả kiến

+ Có thể thu được phổ Raman đơn tinh thể của các tinh thể nhỏ mà chỉ cần một mặt tốt trên tinh thể cho mỗi hướng

+ Có thể thu được phổ ở nhiệt độ thấp với mẫu rất nhỏ

* Tuy nhiên, cấu hình này cũng có hạn chế, như tiếng ồn do sự tán xạ Raman do bản thân thủy tinh của lớp bọc hay cuvét chứa mẫu

- Với cấu hình quang học dùng thấu kính, do thủy tinh hấp thụ mạnh tia tử ngoại nên cấu hình này gặp khó khăn khi tiến hành đo trong vùng tử ngoại

- Cấu hình tán xạ dùng gương rất thuận lợi khi tiến hành đo trong vùng tử ngoại

-Hệ quang học dùng để thu nhận bức xạ tán xạ gồm một hệ thấu kính tiêu sắc : một thấu kính dùng để thu bức xạ và một thấu kính dùng để hội tụ bức xạ

Để đặc trưng cho khả năng hội tụ ánh sáng của một thấu kính người ta đưa ra số F, được

định nghĩa như sau :

f F D



Trong đó : f là tiêu cự của thấu kính, D là đường kính của thấu kính

 F càng nhỏ thì khả năng hội tụ của thấu kính càng lớn.

 Để thu nhận được lượng ánh sáng nhiều nhất và tận dụng được hết khả năng của hệ cách

tử trong bộ đơn sắc thì giá trị của F phải phù hợp với bộ đơn sắc.

2.4 – Máy đơn sắc :

a) Máy đơn sắc đơn :

(Máy đơn sắc đơn Czerny-Turner)

Bức xạ được hội tụ tại khe B của máy đơn sắc

Bức xạ sau khi đi qua khe B sẽ đến gương chuẩn trực C Khe B ở vị trí tiêu điểm của gương lõm

C, vì thế ánh sáng phản xạ từ C là chùm sáng song song và đi đến cách tử D Tại đây, chùm bức

xạ sẽ bị tách ra thành cách thành phần đơn sắc

Các ánh sáng đơn sắc sẽ được chỉnh hướng bởi gương E và đi ra ngoài qua khe ra F

Nhược điểm :

 Khó có thể loại trừ hết ánh sáng nhiễu có nguồn gốc từ ánh sáng không bị nhiễu xạ mà tán

xạ trên bề mặt cách tử

 Do ánh sáng tán xạ Raman rất yếu nên sẽ bị ánh sáng nhiễu trên che lấp

b) Máy đơn sắc đôi :

Để khắc phục nhược điểm của máy đơn sắc đơn, người ta dùng máy đơn sắc đôi

D : cách tử ( có thể quay được)

C : gương chuẩn trực ( biến chùm

sáng tán xạ thành chùm sáng song song đi đến cách tử)

E : gương buồng ( chức năng hội tụ

chùm tia từ cách tử)

 Hệ đơn sắc đôi có thể xem như gồm hai hệ đơn sắc đơn giống nhau ghép nối tiếp Điều này có nghĩa là phổ ở lối ra của máy đơn sắc thứ nhất sẽ tiếp tục được tán sắc một lần nữa

ở máy đơn sắc thứ hai Việc tăng quang trình của tia sáng, việc tán sắc trên hai cách tử sẽ tăng độ phân giải của máy

 Về lý thuyết, nếu loại trừ được quang sai thì hệ đơn sắc kép cho độ tán sắc gấp hai lần hệ đơn sắc đơn

 Với cách bố trí thích hợp, ta có thể hạn chế được ánh sáng nhiễu

c) Máy đơn sắc ba :

 Máy đơn sắc ba có khả năng khử nhiễu mạnh hơn máy đơn sắc đôi

 Máy đơn sắc ba cho phép quan sát được các dải Raman gần sát vạch Rayleigh

 Một máy đơn sắc ba có thể xem như sự kết hợp của một máy đơn sắc đôi và một quang phổ kế

 Sơ đồ này trên dùng để thu nhận các tín hiệu Raman cùng lúc nhiều kênh

* Hiện nay, các hệ thống Raman chất lượng cao được thiết kế bằng sự kết hợp một máy quang phổ đơn tầng, detector CCD ( Charge – couple divice) và một vài bộ lọc có khả năng khử bức

xạ Rayleigh với hiệu suất cao

* Những yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải của quang phổ kế :

 Gọi L là cạnh của cách tử hình vuông D là bán kính của gương chuẩn trực 1 2 2

4D L

Từ công thức : F f

D

 Muốn cho F nhỏ thì f nhỏ Nhưng khi f nhỏ thì độ phân giải của quang phổ kế sẽ giảm.

Do đó, để độ phân giải tốt nhất thì phải chọn D lớn; điều này đòi hỏi sử dụng cách tử lớn và đắt

tiền

Thông thường, các quang phổ kế Raman thường có giá trị trong khoảng từ 5 đến 10

Ví dụ : máy đơn sắc đôi hiệu Spex 1403/4 có F = 7,8 với f = 0,85m, cách tử có kích thước 110x110mm

Như vậy, ta thấy cách tử ảnh hưởng đến độ phân giải của máy

+ Cách tử :

Cấu tạo của cách tử gồm đế quang học với một số lớn các rãnh song song cách đều nhau

Có hai loại : cách tử nhiễu xạ, cách tử truyền qua

Phương trình cách tử nhiễu xạ : m sin sin

d



Trong đó: d là chu kỳ cách tử ( khoảng cách giữa hai vạch liên tiếp của cách tử)

m là bậc của quang phổ ( có thể mang giá trị âm hoặc dương)

Từ công thức (1) giải thích nguyên nhân tán sắc của cách tử Với một cách tử thì m, d không đổi Chiếu đến cách tử một chùm sáng không đơn sắc dưới góc tới  , từ công thức (1) ta thấy ứng với mỗi giá trị bước sóng  sẽ có một giá trị góc nhiễu xạ  Điều đó có nghĩa là cách tử đã tách chùm sáng không đơn sắc thành từng tia sáng đơn sắc lệch theo từng góc khác nhau

+ Năng suất phân giải của cách tử :

- Để đánh giá cho khả năng tách hai vạch ở cùng một bậc m, có bước sóng gần nhau  và

 , người ta dùng đại lượng năng suất phân giải R

- Công thức năng suất phân giải của cách tử : R

d





 hay R m k L (2) Trong đó : k là hằng số cách tử ( số vạch trên một đơn vị chiều dài hay số vạch khắc trên 1mm)

m là bậc của quang phổ

- Từ công thức (2), ta rút ra nhận xét sau :

@ Cách tử xác định độ phân giải của quang phổ kế Cách tử có số khe càng nhiều trên milimet thì độ tán sắc càng lớn và do đó độ phân giải càng cao

@ Phổ bậc 1 – vân nhiễu xạ bậc 1, tập trung khoảng 70% năng lượng Các phổ bậc có bậc càng cao thì cường độ càng nhỏ Nên thông thường người ta dùng phổ bậc 1, đôi khi đến bậc 2 @ Để độ phân giải cao thì phải sử dụng cách tử có chiều dài L lớn và hằng số cách tử k lớn, nhưng việc tăng chiều dài chỉ giới hạn ( dài nhất là 15cm)

@ Sử dụng cách tử với1800 khe/mm, máy đơn sắc đôi Spex 1403 có thể bao vùng phổ từ

31000 cm-1 đến 11000cm-1 Tuy nhiên nếu dùng cách tử có mật độ khe cao hơn (2400 và 3600 khe/mm) thì khoảng phổ này bị giảm đi

Sự mất mát tín hiệu do tăng độ phân giải có thể bù lại bằng cách tăng độ rộng khe

 Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải phổ :

• Độ rộng khe (SW)

Nhận xét :

- Dải 459cm-1 của CCl4 được quét ở các dải qua BP 1, 2, 3, 4 cm-1

- Giữ khoảng cách giữa các điểm lấy dữ liệu không đổi, khi tăng dải qua BP thì hình dạng phổ

bị thay đổi

- Cường độ tín hiệu sẽ tăng khi SW tăng nên cường độ sẽ được điều chỉnh cho thích hợp bằng cách hạ từ từ công suất laser bởi vì công suất tín hiệu tỉ lệ thuận với   P o SW2, trong

đó P o là công suất của chùm laser tới

• Tốc độ của cách tử (khoảng cách giữa các điểm lấy dữ liệu ).