Phổ raman là gì? Các công bố khoa học về Phổ raman

Phổ Raman là gì?

Phổ Raman là kết quả phân tích của hiện tượng tán xạ Raman, một quá trình trong đó ánh sáng bị tán xạ không đàn hồi khi tương tác với phân tử hoặc tinh thể vật chất. Khi ánh sáng đơn sắc, thường từ nguồn laser, chiếu vào mẫu vật, phần lớn photon tán xạ theo cơ chế đàn hồi (Rayleigh scattering) mà không thay đổi năng lượng, nhưng một phần rất nhỏ photon (~1/10^7) trải qua sự thay đổi năng lượng do tương tác với dao động nội phân tử. Phổ Raman ghi nhận sự thay đổi tần số này, từ đó cung cấp thông tin đặc trưng về cấu trúc phân tử, liên kết hóa học và trạng thái vật liệu [Nguồn: Britannica].

Nguyên lý của hiện tượng Raman

Hiện tượng Raman dựa trên sự tương tác giữa ánh sáng và dao động vật lý của các phân tử. Khi photon va chạm với một phân tử, nó có thể:

• Trải qua tán xạ đàn hồi (Rayleigh), năng lượng không đổi.
• Trải qua tán xạ không đàn hồi (Raman), năng lượng photon thay đổi do chuyển giao năng lượng với phân tử.

Có hai dạng phổ Raman chính:

• Stokes Raman: Photon mất năng lượng, xuất hiện khi phân tử ở trạng thái cơ bản hấp thụ năng lượng dao động.
• Anti-Stokes Raman: Photon thu thêm năng lượng, ít phổ biến hơn vì cần phân tử đã ở trạng thái dao động kích thích.

Biểu thức toán học

Chênh lệch năng lượng giữa photon tới và photon tán xạ được mô tả bằng công thức:

$\Delta E = h(\nu_i - \nu_s)$

Trong đó:

• $\Delta E$: Chênh lệch năng lượng (Joule hoặc eV)
• $h$: Hằng số Planck ($6.626 \times 10^{-34}$ Js)
• $\nu_i$: Tần số ánh sáng tới (Hz)
• $\nu_s$: Tần số ánh sáng tán xạ (Hz)

Đặc điểm chính của phổ Raman

Phổ Raman thể hiện các tín hiệu dao động phân tử dưới dạng các đỉnh trong đồ thị cường độ ánh sáng tán xạ theo độ dịch Raman (Raman shift):

• Độ dịch Raman (cm^-1): Chênh lệch tần số giữa ánh sáng tới và tán xạ, tính bằng đơn vị số sóng (wavenumber).
• Vị trí đỉnh: Tương ứng với kiểu dao động nội phân tử như kéo giãn, uốn gập, xoắn.
• Cường độ đỉnh: Tỷ lệ với độ thay đổi phân cực của phân tử trong quá trình dao động.
• Độ rộng nửa đỉnh (FWHM): Cung cấp thông tin về mức độ trật tự tinh thể, ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất.

Ứng dụng của phổ Raman

Nhờ khả năng phân tích không phá hủy và độ đặc hiệu cao, phổ Raman có ứng dụng rộng rãi:

Trong hóa học

• Xác định thành phần hóa học, cấu trúc liên kết và dạng đồng phân.
• Theo dõi phản ứng hóa học trong thời gian thực.

Trong vật lý và vật liệu

• Phân tích đặc tính của vật liệu 2D như graphene, MoS₂.
• Đánh giá ứng suất, biến dạng trong vi cấu trúc vật liệu bán dẫn [Nguồn: ACS Nano Letters].

Trong sinh học và y học

• Chẩn đoán ung thư bằng nhận diện dấu hiệu phân tử bất thường.
• Quan sát tế bào sống, mô và vi khuẩn mà không cần nhuộm màu [Nguồn: Nature Methods].

Trong khảo cổ và nghệ thuật

• Xác định sắc tố trong tranh vẽ, phân tích gốm sứ cổ đại, đá quý.
• Định danh vật liệu bảo quản hoặc chất gây ô nhiễm.

Các biến thể hiện đại của phổ Raman

Để cải thiện độ nhạy và khả năng ứng dụng, nhiều biến thể của phổ Raman được phát triển:

• SERS (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy): Tăng cường tín hiệu Raman hàng triệu lần nhờ hiệu ứng bề mặt plasmon kim loại nano [Nguồn: Accounts of Chemical Research].
• TERS (Tip-Enhanced Raman Spectroscopy): Kết hợp với kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) để đạt độ phân giải nano.
• Resonance Raman Spectroscopy: Tín hiệu tăng mạnh khi bước sóng laser gần với bước sóng hấp thụ điện tử của mẫu.
• Stimulated Raman Scattering (SRS): Tăng cường khả năng ghi hình Raman nhanh chóng trong sinh học sống.
• Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS): Kỹ thuật phi tuyến cho tín hiệu mạnh hơn nhiều so với Raman thông thường.

Ưu điểm và hạn chế của phổ Raman

Ưu điểm

• Không phá hủy mẫu, phân tích nhanh.
• Không yêu cầu chuẩn bị mẫu phức tạp.
• Phân tích mẫu ở pha rắn, lỏng hoặc khí.
• Nhạy cảm cao với liên kết hóa học và cấu trúc nội phân tử.

Hạn chế

• Tín hiệu tán xạ yếu, cần nguồn laser mạnh và detector nhạy.
• Nền huỳnh quang có thể gây nhiễu mạnh tín hiệu Raman.
• Giới hạn độ sâu thâm nhập khi nghiên cứu mẫu sinh học dày.

So sánh phổ Raman và phổ hồng ngoại (IR)

Tiêu chí	Phổ Raman	Phổ hồng ngoại (IR)
Nguyên lý	Tán xạ ánh sáng	Hấp thụ ánh sáng
Đặc trưng cảm ứng	Thay đổi phân cực phân tử	Thay đổi moment lưỡng cực
Ứng dụng	Vật liệu vô cơ, mẫu nước, sinh học	Phân tử hữu cơ, mẫu khô, khí
Ảnh hưởng nền	Nhạy với huỳnh quang	Ít ảnh hưởng nền

Kết luận

Phổ Raman là công cụ phân tích mạnh mẽ, cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc phân tử, vật liệu và hệ sinh học mà không gây tổn thương mẫu vật. Với sự phát triển của các biến thể công nghệ như SERS, TERS và SRS, phổ Raman đang mở rộng ứng dụng vào chẩn đoán y học, nghiên cứu vật liệu nano và bảo tồn di sản văn hóa. Tính không phá hủy, độ phân giải hóa học cao và khả năng phân tích trực tiếp đã đưa phổ Raman trở thành một trong những kỹ thuật phân tích quan trọng nhất của thế kỷ 21.