Phổ Raman Bù Trừ Không Gian (Sors) Để Nghiên Cứu Bề Mặt

SORS là gì?

Phổ Raman bù trừ không gian – Spatially Offset Raman Spectroscopy (SORS) là một loại quang phổ rung động cho phép phân tích thành phần hóa học cụ thể của vật liệu bên dưới bề mặt của chúng, cho phép mô tả đặc tính không phá hủy của vật liệu tán xạ khuếch tán bên dưới bề mặt.

Phổ Raman sử dụng sự tán xạ không đàn hồi của ánh sáng đơn sắc để tạo ra quang phổ duy nhất cho một mẫu. Phương pháp này thường liên quan đến việc phát hiện các photon dịch chuyển đỏ phát sinh từ ánh sáng đơn sắc truyền năng lượng cho chuyển động rung của phân tử.

Tín hiệu của SORS được định nghĩa bởi độ dịch chuyển Raman được biểu thị bằng số sóng tương đối (cm^–1) và bản thân nó là biểu thức của sự khác biệt giữa số sóng tuyệt đối của bước sóng laser (1/λ_L) và số sóng tuyệt đối của photon phát ra Raman (1/λ_R). Vùng phổ của phổ Raman do máy quang phổ thu được gọi là dải phổ và thường là 0–4.000 cm^–1, nơi có hầu hết các chế độ rung động, với tín hiệu được phát hiện ở số sóng 0 cm^–1 biểu thị các photon từ laser tới.

Lợi ích của phương pháp SORS ứng dụng trong cuộc sống là gì?

Phổ Raman cho phép phân tích hóa học chính xác các vật thể ẩn dưới bề mặt che khuất, lên đến vài milimet. Nó có thể được sử dụng để phân tích xương dưới da, viên thuốc bên trong chai nhựa, thuốc nổ bên trong hộp đựng và viên thuốc giả trong vỉ thuốc. Ngoài ra, đã có những tiến bộ trong việc phát triển các kỹ thuật chẩn đoán y tế không xâm lấn sâu bằng phương pháp này.

Những đặc điểm của phương pháp SORS

Hình 1 cho thấy các loại đầu dò SORS khác nhau như a) phổ Raman thông thường, tín hiệu Raman được thu thập từ vùng chiếu sáng laser. b) Phổ Raman bù trừ không gian dạng điểm (SORS) sử dụng vùng chiếu sáng điểm gần và vùng thu thập được dịch chuyển lẫn nhau bởi độ lệch không gian (Δs). c) SORS thu thập vòng sử dụng hình học chiếu sáng dạng điểm với tín hiệu Raman được thu thập qua một vòng. d) SORS chiếu sáng vòng, hoặc SORS ngược, sử dụng vùng chiếu sáng dạng vòng, với tín hiệu Raman được thu thập qua vùng giống điểm ở tâm của vòng. e) Trong SORS lệch tiêu điểm, vùng chiếu sáng và vùng thu thập vẫn chồng lên nhau phần lớn và kích thước của chúng được kiểm soát bằng cách di chuyển mẫu so với quang học thu thập. f) Trong phổ Raman truyền qua (TRS), vùng chiếu sáng và vùng thu thập nằm ở các phía đối diện của mẫu. Trong tất cả các cấu hình, chùm tia chiếu sáng và chùm tia thu thập được dán nhãn lần lượt là L (laser) và R (Raman).

Hình 1. Các biến thể của SORS.

Điều này ảnh hưởng đến việc lựa chọn bước sóng laser khi chọn máy quang phổ. Sử dụng bước sóng ngắn có thể tạo ra tín hiệu tuyệt đối mạnh hơn, nhưng điều quan trọng là phải cân bằng điều này với các yếu tố khác. Các photon trong phạm vi khả kiến ​​và IR là an toàn, nhưng những photon có năng lượng cao hơn, như tia X, có thể trở thành bức xạ ion hóa và có khả năng gây tổn thương tế bào ngay cả ở công suất thấp, đặc biệt là trong các vật liệu sinh học. Do đó, việc lựa chọn các photon có năng lượng cao nhất không phải lúc nào cũng khả thi.

Các bước sóng dài hơn có thể cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên huỳnh quang trong nhiều mẫu sinh học, vì nhiều mẫu như vậy chứa các hợp chất phát huỳnh quang dưới ánh sáng xanh lục. Do đó, các bước sóng từ 785 - 1024 nm thường được sử dụng cho các mẫu sinh học. Các tia laser xanh lục ở 532 nm thường được sử dụng khi huỳnh quang ít là vấn đề vì chúng tăng cường tín hiệu Raman. Bước sóng kích thích 1064 nm được chứng minh là có thể phát hiện các hóa chất qua các rào cản như thùng chứa, giúp giảm thiểu hiệu quả các vấn đề huỳnh quang từ hóa chất mục tiêu. Thông thường, laser Ti:Sapphire được bơm bằng ánh sáng 532 nm từ laser Nd:YAG tần số tăng gấp đôi cung cấp nguồn laser có thể điều chỉnh trong phạm vi 690-860 nm.

Có thể thực hiện nhận dạng phân tử bằng cách so sánh phổ Raman đã đo được với phổ từ các mẫu chuẩn được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu thư viện.

Tất cả các tham số độ sâu đều cho thấy sự gia tăng khi độ lệch không gian tăng, như mong đợi, phản ánh đặc tính cơ bản của SORS là độ lệch không gian tăng dẫn đến việc thăm dò sâu hơn bên trong ma trận. Bằng cách so sánh các biểu đồ có chiều dài vận chuyển khác nhau (xem Hình 2).

Hình 2. Biểu đồ độ sâu phân vị 10%, 50% (trung vị) và 90% so với độ lệch không gian thu được từ mô phỏng Monte Carlo cho ba chiều dài vận chuyển tiêu biểu.

Úng dụng củ thể của phương pháp SORS

Nghiên cứu về phương pháp phân tích xuyên da dưới bề mặt của cá hồi bằng SORS với bước sóng kích thích ở 830 nm.

Trong Hình 3, kết quả của một loạt phép đo qua phần tối của da được cung cấp. Ở độ lệch không gian bằng không, các đặc điểm nổi bật của quang phổ là huỳnh quang nền và các đặc điểm quang phổ rộng có khả năng liên quan nhiều nhất đến protein và sắc tố của da cá hồi. Ở độ lệch không gian 3 và 4 mm, các dải Raman liên quan đến thịt cá bắt đầu xuất hiện trong quang phổ. Bốn đỉnh nổi bật nhất (tức là xung quanh 1660 cm^–1 (cis C = C stretch), 1440 cm^–1 (CH₂ scissoring), 1300 cm^–1 (CH₂ twist) và 1266 cm^–1 (symmetric = C–H rocking)) đều chủ yếu liên quan đến các thành phần lipid của thịt cá hồi. Ở độ lệch không gian 5 và 6 mm đánh dấu các lựa chọn tối ưu cho phép đo Raman qua da cá hồi tối màu. Sử dụng độ lệch cao hơn 6 mm có thể làm giảm tín hiệu trên nhiễu.

Hình 3. Phổ Raman và SORS thông thường thu được từ các phép đo được thực hiện trên các mẫu cá hồi nguyên vẹn thông qua phần tối của da cá hồi. Phổ được chuẩn hóa và tách dọc theo trục cường độ để rõ ràng hơn.

Các dòng sản phẩm cho Raman

Intins hân hạnh giới thiệu đến khách hàng bộ sản phẩm Raman toàn diện của Ocean Optic. Bộ sản phẩm bao gồm laser kích thích, máy quang phổ, đầu dò Raman, giá đỡ mẫu cho cuvet, chất nền SERS và kính an toàn. Hơn nữa, Intins còn cung cấp phần mềm tính toán tín hiệu Raman và thậm chí là phần mềm tùy chỉnh theo mong muốn của khách hàng. Khách hàng có thể mua toàn bộ hệ thống Raman theo khuyến nghị của Intins hoặc chọn bất kỳ sản phẩm nào phù hợp với thiết lập của mình.

Máy quang phổ

Hiện nay, có hai dòng máy quang phổ được sử dụng cho các ứng dụng Raman như QE Pro-Raman+ và NIRQuest+1064 Raman. QE Pro-Raman+ có độ dịch chuyển Raman ở 4429 cm¯¹ (532 nm), 2820 cm¯¹ (638 nm), 3002 cm¯¹ (785 nm), thời gian tích hợp là 8 ms – 3600 giây, trong khi NIRQuest+1064 Raman được sử dụng cho 2400 cm¯¹ (1064 nm).

Laser Raman

Chúng tôi cung cấp laser công suất cao ở các bước sóng kích thích Raman 532 nm, 638 nm, 785 nm và 1064 nm. Các laser diode đa chế độ này tạo ra các vạch quang phổ hẹp, có trình điều khiển laser tích hợp và sử dụng làm mát nhiệt điện để có hiệu suất tối ưu.

Đầu dò Raman

Đầu dò cho bước sóng 532 nm, 785 nm và các bước sóng khác phù hợp cho cả phòng thí nghiệm và công nghiệp.

Giá đỡ Raman

Ocean Optics cung cấp giá đỡ mẫu để phân tích Raman chất lỏng và chất rắn. Giá đỡ RM-SERS-SHS chứa một chất nền SERS bằng thủy tinh tiêu chuẩn và gắn vào đầu dò Raman. Giá đỡ RM-LQ-SHS giữ các lọ và cuvet. Nó có nắp từ tính giúp đặt mẫu dễ dàng, chặn ánh sáng xung quanh và cải thiện độ chính xác của phép đo Raman.

Đế SERS

Chất nền quang phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS) cho phép bạn thực hiện các phép đo nhanh, có thể lặp lại để xác định và định lượng các chất phân tích hoạt động SERS. Hóa chất hoạt động SERS là các hạt nano vàng (Au) và bạc (Ag). Tuổi thọ lưu trữ của nó là 1 tháng hoặc 1,5 tháng.