Sự giao thoa giữa cường độ tín hiệu và nền huỳnh quang thường là yếu tố quyết định khi xem xét bước sóng kích thích cho quang phổ Raman. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu nền huỳnh quang có thể bị loại bỏ hoàn toàn?
Quang phổ Raman tia cực tím – Ultra Violet Raman (UV Raman) sử dụng một tia laser cực tím (UV) để kích thích phổ Raman của mẫu. Phổ Raman là sự lệch tần số của ánh sáng được phân tán khi qua mẫu. Sự lệch tần số này phản ánh các dao động phân tử đặc trưng, cung cấp thông tin về cấu trúc hóa học, thành phần và tính chất của các vật liệu nghiên cứu. UV Raman có ưu điểm là có thể phân tích các mẫu có chứa chất hữu cơ, các hợp chất có hiệu ứng huỳnh quang mạnh, và các vật liệu sử dụng trong công nghệ nano.
UV Raman là một chiến lược để tạo điều kiện thuận lợi cho điều đó. Bài viết này xem xét những ưu điểm của nó, những khó khăn kỹ thuật mà nó đã vượt qua và một số ứng dụng hấp dẫn. Xuyên suốt, Raman cộng hưởng tia cực tím (UVRR) cũng được trình bày chi tiết, một phương pháp có thể tạo ra sự tăng cường tín hiệu đáng kể và cải thiện độ đặc hiệu phân tích trong những trường hợp thích hợp.
1. Tránh sự ảnh hưởng của huỳnh quang
Hiệu suất hiệu dụng của thang tán xạ Raman trái ngược với bước sóng kích thích lũy thừa 4 (1/λex4), do đó thể hiện một trường hợp hấp dẫn đối với sự kích thích tia cực tím. Về mặt lý thuyết, điều này có nghĩa là sự kích thích bằng tia UV ở bước sóng 248 nm có thể tạo ra tín hiệu mạnh hơn gấp 20 lần so với ở bước sóng 532 nm hoặc lớn hơn 100 lần so với ở bước sóng 785 nm. Tuy nhiên, trong thực tế, có một lý do thuyết phục hơn cho việc kích thích UV Raman: loại bỏ huỳnh quang nền.
Nhiều phân tử hoạt động dựa trên Raman cũng thể hiện sự phát huỳnh quang khi bị kích thích bằng tia laser, dẫn đến một nền rộng thường được tăng cường nhiều bậc độ lớn hơn tín hiệu Raman. Sự phát xạ rộng này có thể hội tụ với toàn bộ phổ Raman khi sử dụng ánh sáng khả kiến. Điều này có thể làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của phổ Raman hoặc che khuất hoàn toàn nó.
Khi cấu trúc phân tử phức tạp thì nền huỳnh quang lớn nhất. Điều này được quan sát thấy trong các hợp chất hữu cơ và các mẫu sinh học nhưng cũng có thể xảy ra nếu có tạp chất huỳnh quang trong mẫu.
Việc giảm huỳnh quang có thể đạt được bằng cách sử dụng bước sóng dài hơn như 785 hoặc 830 nm. Hơn nữa, việc loại bỏ huỳnh quang gần như hoàn toàn có thể thực hiện được khi sử dụng bước sóng 1064 nm, mặc dù một số mẫu sinh học vẫn trải qua quá trình gia nhiệt không mong muốn khi bị kích thích bằng Raman ở bước sóng 1064 nm.
Ngoài ra, việc kích thích và thu giữ phổ Raman ở các bước sóng bên dưới cửa sổ huỳnh quang, sử dụng UV Raman, là một lựa chọn khác để giúp giảm thiểu huỳnh quang. Nói chung, huỳnh quang xảy ra ở bước sóng dài hơn 300 nm, do đó, bằng cách sử dụng tia laser kích thích ở hoặc dưới 266 nm, phạm vi quang phổ hoàn chỉnh 4000 cm-1 bao phủ dấu vân tay và các dải chức năng có thể được thu thập khá dễ dàng mà ít hoặc không có nền gây nhiễu. Hơn nữa, việc sử dụng nguồn kích thích trong phạm vi UV có thể dẫn đến sự cải thiện cộng hưởng lớn của tín hiệu Raman đối với một số mẫu: phương pháp này được gọi là quang phổ Raman cộng hưởng.
2. Raman cộng hưởng tia cực tím (UVRR)
Tán xạ Raman truyền thống là một hiện tượng cực kỳ yếu và xảy ra ở một mức độ nào đó bất kể bước sóng kích thích được sử dụng. Tuy nhiên, nếu năng lượng của laser kích thích tương ứng với sự chuyển tiếp điện tử bên trong phân tử đang được xem xét kỹ lưỡng, thì tín hiệu có thể được cải thiện theo hệ số 102-106: một phương pháp gọi là quang phổ Raman cộng hưởng.
Ngay cả sự kích thích gần quá trình chuyển đổi điện tử của một phân tử cũng có thể tạo ra ‘tiền cộng hưởng’, mang lại tín hiệu nhiều hơn 5-10 lần. Raman cộng hưởng cho phép đo nhanh với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu lớn hơn và cho phép đo nồng độ giảm hoặc thậm chí phát hiện dấu vết.
Một ưu điểm khác của Raman cộng hưởng là độ chọn lọc cao hơn vì sự tăng cường tín hiệu chỉ xảy ra đối với các chuyển tiếp điện tử tương ứng với bước sóng laser. Điều này có thể cho phép kích thích thuận lợi một phân tử trong nền mẫu phức tạp, hoặc tăng cường có chọn lọc tín hiệu từ một nhóm con cụ thể trong đại phân tử.
Raman cộng hưởng tia cực tím (UVRR) sử dụng sự cộng hưởng của tia UV với các nhiễm sắc thể và chất thơm trong các phân tử sinh học phức tạp để kiểm tra cấu trúc và động lực học của protein và axit nucleic, từ quá trình gấp nếp đến tương tác và thay đổi trong môi trường. Việc lựa chọn bước sóng sẽ giải quyết cấu trúc cụ thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng, khuếch đại tín hiệu của nó một cách có chọn lọc để tạo ra phổ Raman tương đối đơn giản mặc dù mẫu phức tạp.
3. Những tiến bộ trong thiết bị đo Raman UV
Bước sóng ngắn của tia UV đòi hỏi nhiều hơn từ thiết bị dùng cho tán xạ Raman. Mặc dù việc lựa chọn có thể bị hạn chế, nhưng các thành phần có sẵn trên thị trường hiện nay giúp UV Raman và UVRR có thể truy cập được cho nhiều ứng dụng hơn bao giờ hết. Các tia laser UV nhỏ gọn, giá cả phải chăng với tuổi thọ và công suất cao hơn đã giúp giảm kích thước của hệ thống UV Raman. Chúng bao gồm hai lựa chọn đáng mong đợi nhất, laser ion kim loại cathode rỗng NeCu ở bước sóng 248,6 nm và laser Nd: YAG bơm điốt bốn lần ở bước sóng 266 nm.
Về mặt phát hiện, máy quang phổ được sử dụng phải có cả độ phân giải cao và thông lượng cao. Chỉ cần ~27 nm trong dải phổ để tạo ra phổ Raman 4000 cm-1 nếu laser kích thích là 248 nm; Độ phân giải 0,1 nm tương đương với 16 cm-1. Điều này yêu cầu bộ lọc thông dài được sử dụng để loại bỏ tán xạ Rayleigh phải dốc hơn nhiều so với các bộ lọc nhìn thấy được của nó.
Do đó, để thu được đủ tín hiệu trong thời gian đo hợp lý, xét đến dải phổ hẹp trong vùng UV, máy quang phổ đòi hỏi thông lượng cực cao. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng quang học hiệu quả, đầu vào khẩu độ số cao và máy dò nhạy. Việc phát hiện độ nhạy của tia UV Raman là rất quan trọng để duy trì thời gian phơi sáng ngắn và giảm đáng kể khả năng hư hỏng đối với các mẫu mỏng manh, chẳng hạn như vật liệu sinh học.
4. Ứng dụng của tia cực tím Raman
Việc thăm dò UV Raman đã được thực hiện cho nhiều ứng dụng, chỉ một số trong đó khai thác được những lợi ích bổ sung của Raman cộng hưởng UV. Trong lĩnh vực đo khí, thử nghiệm UV Raman đã cho thấy đây là một kỹ thuật khả thi để đo áp suất và phát hiện vết nitơ. Nó cũng đã được đưa vào sử dụng trong nghiên cứu quá trình đốt cháy và phân tích sự trộn lẫn nhiên liệu/không khí.
Là một công cụ để phân tích vật liệu ở trạng thái rắn, nó có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về các đặc tính cấu trúc, quang học và điện tử của vật liệu được sản xuất cho thiết bị điện tử. Trong lĩnh vực phát triển kim cương, UV Raman có thể giúp xác định và đánh giá các tạp chất có khả năng phát huỳnh quang mạnh với Raman6 nhìn thấy được.
Việc hạn chế nền huỳnh quang kết hợp với việc tăng cường cộng hưởng tín hiệu mang lại cho UV Raman lợi thế để phát hiện dấu vết của chất phân tích trong các mẫu phức tạp. Những phạm vi này bao gồm từ việc phát hiện cocaine trong nước bọt cho đến sự hiện diện của các chất gây ô nhiễm môi trường như PAH gây ung thư. Ngay cả việc giảm hoàn toàn nền cũng đã được chứng minh là hỗ trợ cho việc xác định đặc tính của các mẫu thực phẩm có màu, phát huỳnh quang mạnh bao gồm đồ uống sẫm màu và dầu ăn.
UV Raman cũng là phương pháp được ưa chuộng để phát hiện các mối đe dọa nổ và tác nhân chiến tranh hóa học của lực lượng an ninh. Cần lưu ý rằng đây không phải là ứng dụng dành cho máy quang phổ cấp độ nghiên cứu vì các hệ thống này yêu cầu tia laser công suất cao và quang học rất đặc biệt để đạt được khoảng cách làm việc dài cần thiết.
Tuy nhiên, Raman cộng hưởng tia cực tím đã có tác động lớn nhất như một phương pháp khả thi để thăm dò cấu trúc và động lực phân tử trong các hệ thống sinh học. Nó cho phép kích thích đặc biệt một phân đoạn quan tâm cụ thể, cục bộ trong đại phân tử, chẳng hạn như axit amin hoặc axit nucleic. Khi làm như vậy, nó chỉ cải thiện tín hiệu từ cấu trúc phụ đó để cung cấp phổ Raman tương đối sạch từ bên trong các mẫu có độ phức tạp cao. Điều này làm cho nó trở nên vô giá đối với các nghiên cứu về cấu trúc và sự gấp nếp của protein, cũng như ảnh hưởng của môi trường hoặc sự tương tác với các phân tử khác.
Do đó, UVRR cũng có thể trở thành một công cụ giám sát cực kỳ hữu ích trong xử lý sinh học.13 Nó thậm chí còn được nghiên cứu để sử dụng trong việc theo dõi phương thức hoạt động của kháng sinh đối với các cặp kháng sinh/vi khuẩn cụ thể.
(Để biết thêm chi tiết về các ứng dụng này, hãy khám phá danh sách tham khảo UV Raman bên dưới.)
5. Kết luận
Sự tiến bộ trong các công nghệ cần thiết để sử dụng UV Raman, chẳng hạn như tia laser nhỏ gọn và máy quang phổ Raman WP 248 mới đã góp phần giúp kỹ thuật mạnh mẽ này ngày càng trở nên phổ biến. Hơn nữa, hơn bao giờ hết UVRR phù hợp cho nhiều ứng dụng từ phân tích vật liệu và phát hiện dấu vết đến nghiên cứu cấu trúc và động lực sinh học.
Việc đưa tia UV vào bộ thiết bị Raman của bạn mang lại cơ hội thu được quang phổ không có huỳnh quang và khả năng cải thiện tín hiệu thông qua UVRR đối với một số mẫu, do đó bổ sung cho phổ rộng các bước sóng khả kiến và NIR hiện có cho quang phổ Raman.