Laser raman là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và nguyên lý cơ bản

Raman là kỹ thuật quang phổ dựa trên hiện tượng tán xạ không đàn hồi (inelastic scattering) của ánh sáng khi tương tác với phân tử hoặc vật liệu. Photon laser ban đầu có năng lượng hν₀ va chạm với phân tử và truyền một phần năng lượng cho dao động nội tại hoặc nhận thêm năng lượng từ dao động đó, tạo ra bước sóng tán xạ lệch so với bước sóng kích thích.

Hiệu ứng Raman được mô tả bởi phương trình tần số tán xạ:
$ν_{\text{scattered}} = ν_{0} \pm ν_{\text{vib}}$
trong đó ν₀ là tần số laser kích thích, νvib là tần số dao động phân tử. Vạch lệch âm (Stokes) xuất hiện ở tần số thấp hơn ν₀ và vạch lệch dương (Anti-Stokes) ở tần số cao hơn.

Phổ Raman cung cấp “dấu vân” (fingerprint) dao động đặc trưng của liên kết hóa học, cho phép xác định nhóm chức, cấu trúc tinh thể và trạng thái hóa học của mẫu. Phương pháp này không phá hủy, không yêu cầu xử lý mẫu phức tạp và có thể đo trực tiếp trên bề mặt hoặc trong dung dịch. Thermo Fisher – Raman fundamentals

Lịch sử phát triển và khám phá

Năm 1928, C.V. Raman và K.S. Krishnan lần đầu tiên quan sát hiện tượng tán xạ quang không đàn hồi trên thủy tinh và diêm sinh, mở đầu cho quang phổ Raman. Phát hiện này được trao giải Nobel Vật lý năm 1930, khẳng định tầm quan trọng của nghiên cứu tương tác photon–phân tử.

Sau phát minh laser đầu thập niên 1960, quang phổ Raman bước vào giai đoạn phát triển vượt bậc. Nguồn laser đơn sắc và công suất cao cải thiện đáng kể tín hiệu Raman yếu, mở rộng khả năng phân tích nhiều loại mẫu với độ nhạy cao hơn hàng nghìn lần so với phổ tán xạ nhiệt thông thường.

• 1960s: Laser gas He–Ne, Argon cải thiện độ phân giải phổ.
• 1970s: CCD detector thay thế photomultiplier, tăng tỉ lệ tín hiệu/nhiễu.
• 1990s: Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) tăng cường tín hiệu nhờ kim loại nano.
• 2000s: Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) cho hình ảnh hóa nhanh.
• 2010s–nay: Time-Resolved SERS (TR-SERS) và tip-enhanced Raman (TERS).

Các cải tiến này đã đưa Raman từ phòng thí nghiệm quang học vào ứng dụng rộng rãi trong phân tích sinh học, y học và vật liệu nano. SPIE – Raman tutorial

Nguyên lý tán xạ Raman

Tán xạ Raman phát sinh khi photon tác động lên electron phân tử sinh ra dipole cảm ứng dao động. Độ lớn của tín hiệu Raman phụ thuộc vào độ phân cực (polarizability) của liên kết hóa học, cho thấy khả năng biến dạng điện tử khi đặt trong trường điện từ của ánh sáng.

• Stokes Raman: photon mất năng lượng, vạch xuất hiện ở tần số ν₀–νvib.
• Anti-Stokes Raman: photon nhận thêm năng lượng, vạch ở tần số ν₀+νvib.
• Rayleigh scattering: elastic, không đổi tần số ν₀, thường bị lọc bỏ.

Tỷ lệ cường độ Stokes/Anti-Stokes liên quan đến phân bố quanta dao động theo định luật Boltzmann:
$\frac{I_{\text{AS}}}{I_{\text{S}}}=\exp\bigl(-\tfrac{hν_{\text{vib}}}{k_BT}\bigr).$
Thông số này cho phép xác định nhiệt độ tại vùng mẫu trong một số ứng dụng chuyên sâu.

Cấu trúc phổ Raman (Stokes và Anti-Stokes)

Phổ Raman có dạng rời rạc, mỗi vạch tương ứng với một dao động phân tử đặc trưng (kéo giãn, biến dạng, gấp khúc). Vạch Stokes thường có cường độ lớn hơn do đa số phân tử ở trạng thái dao động cơ bản.

• Vạch Stokes: dễ quan sát, ứng dụng chính trong phân tích hóa học.
• Vạch Anti-Stokes: độ nhạy thấp hơn, dùng để đo nhiệt độ mẫu.
• Nhiệt độ thấp hoặc mẫu lạnh làm tăng tỉ lệ tín hiệu Stokes trên Anti-Stokes.

Lọc notch hoặc edge filters được sử dụng để loại bỏ tán xạ Rayleigh mạnh, giúp tín hiệu Raman trở nên rõ nét và dễ phân tích. Độ phân giải phổ điển hình đạt 1–5 cm–1, đủ để phân biệt nhiều vạch dao động gần nhau.

Thiết bị và hệ thống Laser Raman

Hệ thống quang phổ Raman tiêu chuẩn bao gồm nguồn laser đơn sắc, hệ tách bước sóng và đầu dò (detector). Nguồn laser phổ biến là Nd:YAG (532 nm, 785 nm) và diode laser (633 nm), đảm bảo cân bằng giữa tín hiệu Raman và nền huỳnh quang mẫu. Laser công suất từ 5 mW đến 300 mW tùy ứng dụng.

Monochromator phân tách tia tán xạ theo bước sóng, thường dùng lưỡi gương vạch lưới (grating) với độ phân giải 1–2 cm–1. Đầu dò CCD làm mát bằng Peltier cho phép thu nhận phổ với độ nhạy cao và tỉ lệ tín hiệu/tạp âm lớn hơn 10³. Bộ lọc notch hoặc edge lọc tia Rayleigh mạnh, chỉ để lại tín hiệu Raman.

• Laser excitation: Nd:YAG, Ar+, diode laser.
• Monochromator: grating 1800–2400 lines/mm.
• Detector: back-thinned CCD, PMT.
• Optics: đầu dò sợi quang, hệ confocal cho phép mapping.

Hệ confocal cải thiện độ phân giải không gian (<0,5 µm) và thu phổ tại các điểm hoặc miền chọn trước. Đầu dò sợi quang linh hoạt cho phép đo in situ trong phòng thí nghiệm hoặc tại hiện trường. Horiba Scientific – Raman systems

Phương pháp chuẩn bị mẫu và đo đạc

Mẫu rắn được nghiền mịn hoặc ép pellet, đảm bảo bề mặt phẳng, đồng nhất để giảm tán xạ khuếch tán. Kính cell dung dịch thường làm từ quartz hoặc sapphire để tránh huỳnh quang nền cao. Độ dày màng mỏng (<100 µm) phù hợp cho ứng dụng đo phiếm diện.

Trong SERS, mẫu được phủ lên bề mặt kim loại nano (Ag, Au) tạo hiệu ứng tăng cường điện trường cục bộ, gia tăng tín hiệu lên 10⁶–10¹⁰ lần. Tỷ lệ shot-to-shot thấp, đòi hỏi chuẩn hóa mật độ hạt nano và khoảng cách giữa mẫu – bề mặt kim loại. Nature Protocols – SERS substrates

• Chuẩn bị rắn: nghiền, ép pellet, đánh bóng.
• Chuẩn bị dung dịch: pha loãng, cell quartz.
• SERS: kim loại nano Ag/Au, tự lắp ráp hoặc in vi mô.
• Mapping: quét điểm, tạo ảnh Raman 2D.

Ứng dụng trong phân tích hóa học và vật liệu

Phổ Raman xác định cấu trúc phân tử, nhóm chức và trạng thái tinh thể của polymer, khoáng vật, gốm sứ và vật liệu composite. Độ phân giải cao cho phép phân biệt cấu trúc tinh thể polymorphs (đá thạch anh vs. thạch anh?) và vết tạp chất ở ngưỡng ppm.

Trong công nghệ bán dẫn, Raman đo ứng suất (stress) và biến dạng (strain) nhờ dịch chuyển vạch dao động mạng tinh thể; độ chính xác ±0,1 cm–1 tương đương biến dạng 0,01%. Ứng dụng trong kiểm tra wafer Si, GaN và graphene. ScienceDirect – Raman stress analysis

Ứng dụng trong y sinh và y tế

Raman imaging phân biệt mô ung thư và lành tính dựa vào phổ đặc trưng của protein, lipid và DNA. Nghiên cứu cho thấy độ chính xác phân loại >95% cho ung thư vú và ung thư da. Đầu dò cầm tay hoặc endoscope tích hợp Raman cho phép chẩn đoán in vivo.

Khả năng phát hiện vi sinh vật ở ngưỡng 10²–10³ CFU/mL nhờ SERS giúp theo dõi vi khuẩn kháng kháng sinh. Cảm biến dựa trên SERS nhận diện protein bệnh lý, DNA đích với độ đặc hiệu cao. Analytical Chemistry – SERS biosensors

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm Raman gồm không phá hủy mẫu, khả năng đo trong môi trường ẩm và nhiệt độ cao, độ chọn lọc cao nhờ phổ “fingerprint” dao động. Không cần nhuộm màu hay gắn nhãn hóa học, giảm sai số từ xử lý mẫu.

Hạn chế chính là tín hiệu yếu (tỉ lệ Rayleigh/Raman ~106), dễ bị nền huỳnh quang mẫu gây nhiễu. Laser công suất cao có thể làm nóng và phân hủy mẫu. Giải pháp: sử dụng SERS, time-gated detection hoặc excitation bước sóng dài (1064 nm) để giảm nền huỳnh quang.

Xu hướng công nghệ và triển vọng tương lai

Miniaturization: thiết bị Raman cầm tay và tích hợp smartphone đang thương mại hoá, phục vụ phân tích hiện trường cho an ninh, thực phẩm và y tế. Thiết kế quang học siêu nhỏ gọn với nguồn VCSEL chip và detector CMOS.

Coherent Raman (CARS, SRS) cho hình ảnh hóa động học nhanh (<1 ms/pixel) và độ tương phản cao, ứng dụng trong tế bào sống. AI và machine learning hỗ trợ giải phổ tự động, phân loại mẫu với cơ sở dữ liệu lớn, cho độ chính xác >99% trong công nghiệp dược và môi trường.

• Handheld Raman modules: tích hợp IoT.
• Fiber-optic probes for in vivo diagnostics.
• AI-driven spectral analysis platforms.

Tài liệu tham khảo

• Long DW. The Raman Effect. Wiley; 2002.
• Ferraro JR, Nakamoto K. Introductory Raman Spectroscopy. Academic Press; 2003.
• Thermo Fisher Scientific. “Raman Spectroscopy”. https://www.thermofisher.com/materials-analysis/raman-spectroscopy.html
• Horiba Scientific. “Raman Capabilities”. https://www.horiba.com/en_en/raman-capabilities/
• SPIE. “Raman Spectroscopy Tutorial”. https://spie.org/publications/tutorial-books/raman-spectroscopy
• Analytical Chemistry. SERS biosensors. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.0c03043