ทำความสะอาดและอ่านสเปกตรัม Raman ออนไลน์: Raman shift เส้นฐานการเรืองแสง และสไปก์จากรังสีคอสมิก
คำตอบสั้น ๆ: เปิดไฟล์ JCAMP-DX, CSV/TXT หรือ SPC ในโปรแกรมดู Raman ของ MolDrawที่ใช้ฟรี หรือกด พอลิสไตรีน ถ้าแกน x เป็น nm ให้เลือกเลเซอร์เพื่อให้ได้ Raman shift เลือก กำจัดสไปก์ ปรับให้เรียบถ้าจำเป็น และเลือกเส้นฐานเพื่อลบการเรืองแสง แล้วอ่านตารางพีกพร้อมแถบที่น่าจะเป็น และส่งออก PNG หรือ CSV ที่ทำความสะอาดแล้ว ไฟล์ของคุณอยู่บนอุปกรณ์ของคุณ
ลองใช้โปรแกรมดู Raman ที่นี่
ทำไมต้องทำความสะอาดข้อมูล Raman ก่อนอ่าน
สเปกตรัม Raman ดิบแทบไม่เคยพร้อมอ่าน แถบอยู่บนเนินการเรืองแสง รังสีคอสมิกเพิ่มสไปก์ที่ดูเหมือนพีก และเครื่องมือบางเครื่องบันทึกแกน x เป็น nm การแก้แต่ละอย่างง่าย แต่รวมกันแล้วใช้เวลามากในสเปรดชีต โปรแกรมดูรวมทั้งหมดไว้ในหน้าเดียว และคุณเห็นแต่ละขั้นบนกราฟก่อนจะเชื่อถือพีก
หลักวิทยาศาสตร์โดยย่อ
Raman shift เมื่อแสงเลเซอร์กระทบตัวอย่าง ส่วนน้อยมากจะกระเจิงด้วยพลังงานที่ลดลงเพราะไปกระตุ้นการสั่น Raman shift คือการสูญเสียพลังงานนั้นในหน่วย cm⁻¹: shift = 107/λlaser − 107/λscattered โดยความยาวคลื่นทั้งสองเป็น nm แถบหนึ่งมี shift เท่าเดิมไม่ว่าใช้เลเซอร์ใด
แถบใดเข้ม การสั่นจะ Raman active เมื่อเปลี่ยนสภาพมีขั้วได้ (polarisability) ของโมเลกุล การยืดแบบสมมาตร C=C และ ring breathing ให้แถบเข้ม หมู่มีขั้ว เช่น O–H ซึ่งเข้มใน IR มักอ่อนใน Raman
สำหรับหมู่มีขั้วเหล่านั้น ให้อ่านตำแหน่งแถบในสเปกตรัม IR ทั้งสองเทคนิคเติมช่องว่างให้กัน
ในโมเลกุลที่มีจุดศูนย์กลางสมมาตร ไม่มีการสั่นใดที่ทั้ง IR active และ Raman active นี่คือกฎการกีดกันร่วม (rule of mutual exclusion) หากต้องการตรวจว่าใช้ได้หรือไม่ ให้หาหมู่จุดของโมเลกุลด้วยปลั๊กอิน Symmetry
ความยาวคลื่นเลเซอร์ การกระเจิงแรงขึ้นที่ความยาวคลื่นสั้น 532 nm จึงให้สัญญาณมากกว่าแต่มักมีการเรืองแสงมากกว่า เลเซอร์ 785 หรือ 1064 nm มักลดการเรืองแสงโดยแลกกับสัญญาณที่ลดลง
การเรืองแสงและสไปก์ การเรืองแสงเพิ่มพื้นหลังกว้างที่อาจแรงกว่าแถบ Raman มาก รังสีคอสมิกกระทบตัวตรวจวัดแบบสุ่มและให้สไปก์กว้างหนึ่งหรือสองจุด
ไฟล์ที่เปิดได้
- JCAMP-DX (.jdx, .dx) ถ้าไฟล์บันทึกความยาวคลื่นเลเซอร์ไว้ โปรแกรมดูจะอ่านค่านั้น
- CSV หรือ TXT สองคอลัมน์: Raman shift หรือความยาวคลื่นเป็น nm แล้วตามด้วยความเข้ม
- SPC รูปแบบไบนารีของ Thermo/Galactic (รูปแบบใหม่)
โปรแกรมดูตรวจหน่วยและหัวตารางเพื่อหาแกนที่เป็น nm เลือกหลายไฟล์เพื่อซ้อนกัน หากต้องการฝึก ให้ดาวน์โหลดไฟล์ตัวอย่าง .jdx ซึ่งเป็นสเปกตรัมไซโคลเฮกเซนเป็น nm จากเลเซอร์ 785 nm ตัวอย่างทั้งหมดเป็นข้อมูลจำลอง
วิธีทำความสะอาดและอ่านสเปกตรัมทีละขั้น
- กด เปิดไฟล์รามาน หรือวางไฟล์ลงในกล่อง หรือกดตัวอย่าง: พอลิสไตรีน, กราฟีนเทียบกับแกรไฟต์, ซิลิคอน, ไซโคลเฮกเซน หรือ ไฟล์ .jdx ตัวอย่าง (nm, เลเซอร์ 785 nm)
- ใต้ เลเซอร์และแกน x เลือก 532, 633, 785 หรือ 1064 nm หรือ อื่น ๆ เพื่อพิมพ์ค่า ถ้าไฟล์ที่เป็น nm ตรวจไม่พบ ให้เลือก แกน x ของไฟล์เป็นความยาวคลื่นใน nm
- ใต้ ทำความสะอาดข้อมูล เลือก กำจัดสไปก์ เพิ่ม เกณฑ์ ถ้าแถบแคบจริงถูกแตะ
- เลือก ปรับให้เรียบแบบ Savitzky-Golay เฉพาะกับข้อมูลที่มีสัญญาณรบกวน โดยใช้ หน้าต่าง ขนาดเล็ก
- เลือก เส้นฐาน: กำลังสองน้อยที่สุดแบบอสมมาตร พร้อมแถบเลื่อน ความแข็ง λ และ p หรือ พหุนาม พร้อม อันดับ เมื่อเลือก แสดงข้อมูลก่อนแก้และเส้นฐาน ไว้ ให้ตรวจว่าเส้นประสีแดงอยู่ใต้พีก
- อ่าน Peaks and likely bands ใช้แถบเลื่อน ความเด่นของพีก เพื่อแสดงพีกมากขึ้นหรือน้อยลง
- หากต้องการเปรียบเทียบไฟล์ ให้เลือก ปรับมาตรฐาน แล้วกด ส่งออก PNG หรือ ส่งออก CSV
โปรแกรมดูทำอะไรได้บ้าง
| แกน x | แปลง nm เป็น Raman shift สำหรับเลเซอร์ 532, 633, 785, 1064 nm หรือค่าที่กำหนดเอง |
|---|---|
| สไปก์ | หาจุดแคบที่สูงกว่าจุดข้างเคียงมากแล้วเติมให้เรียบ กราฟแสดงจำนวนสไปก์ที่ลบออก |
| การปรับให้เรียบ | Savitzky–Golay หน้าต่าง 5 ถึง 21 จุด อันดับ 2 ถึง 4 |
| เส้นฐาน | Asymmetric least squares หรือพหุนาม แสดงเป็นเส้นประสีแดง |
| พีก | shift ความสูง และ FWHM ของพีกได้ถึง 25 พีก แต่ละพีกจับคู่กับตารางช่วงแถบ Raman ที่พบบ่อย |
| การตรวจคาร์บอน | ตำแหน่ง D, G และ 2D, ID/IG, I2D/IG ความกว้างของ 2D และหมายเหตุเรื่องจำนวนชั้นและข้อบกพร่อง |
| ส่งออก | PNG ของกราฟ และ CSV ของสเปกตรัมที่มองเห็นและทำความสะอาดแล้ว |
วิธีใช้งานในชั้นเรียนและในห้องปฏิบัติการ
- การระบุพอลิเมอร์: ตัวอย่างพอลิสไตรีนแสดงแถบ ring breathing ที่เข้มใกล้ 1001 cm⁻¹ และแถบ C=C แอโรมาติกใกล้ 1602 cm⁻¹ หลังลบการเรืองแสง
- ตรวจการสอบเทียบ: ซิลิคอนผลึกให้แถบคมหนึ่งแถบที่ 520.7 cm⁻¹ และไซโคลเฮกเซนเป็นมาตรฐาน shift ที่ใช้บ่อย เปรียบเทียบสเปกตรัมอ้างอิงของคุณกับค่าที่ทราบ
- แกรฟีนและคาร์บอน: โหลด Graphene vs graphite แล้วเปรียบเทียบรูปร่างแถบ 2D และอัตราส่วน D/G หากต้องการดูว่าคาร์บอนสร้างพันธะกับออกซิเจนมากเพียงใด ให้ฟิตบริเวณ C 1s ของสเปกตรัม XPS
- สอน Raman shift: เปิดไฟล์ตัวอย่าง .jdx ที่เป็น nm แล้วสลับเลเซอร์เพื่อดูว่าการแปลงขึ้นกับเลเซอร์อย่างไร
เคล็ดลับและข้อจำกัด
- เส้นฐานที่ตามข้อมูลใกล้เกินไปอาจกินแถบกว้าง ใน ALS ค่า λ ที่ใหญ่ขึ้นให้เส้นที่แข็งขึ้น ในพหุนาม อันดับที่ต่ำลงจะโค้งน้อยลง
- การปรับให้เรียบทำให้แถบคมต่ำลงและกว้างขึ้น ใช้หน้าต่างเล็กที่สุดที่ได้ผล และเปรียบเทียบ FWHM เฉพาะระหว่างสเปกตรัมที่ผ่านการประมวลผลแบบเดียวกัน
- การระบุแถบมาจากช่วงทั่วไป โปรแกรมดูใช้หมู่อินทรีย์เมื่อมีพีกการยืด C–H และใช้แถบของคาร์บอนและอนินทรีย์เมื่อไม่มี ยืนยันการระบุด้วยข้อมูลอ้างอิง
- ความสูงของแถบขึ้นกับเลเซอร์ ระบบแสง และตัวตรวจวัด ให้ทำ normalise เพื่อเปรียบเทียบรูปร่าง ไม่ใช่ความเข้มสัมบูรณ์
- CSV ใช้ค่า shift ของสเปกตรัมแรกกับสเปกตรัมที่มองเห็นทั้งหมด สเปกตรัมอื่นจึงถูกประมาณค่าในช่วง
คำถามและคำตอบ
ทำไมสเปกตรัม Raman ของฉันจึงอยู่บนพื้นหลังที่ลาดเอียงขนาดใหญ่
มักเป็นการเรืองแสงจากตัวอย่างหรือสิ่งเจือปน ซึ่งมักแรงกว่าสัญญาณ Raman มาก ความยาวคลื่นเลเซอร์ที่ยาวขึ้น เช่น 785 หรือ 1064 nm มักช่วยลดได้ ในโปรแกรมดู ให้เลือกเส้นฐานเพื่อหักส่วนที่เหลือออก
Raman shift ขึ้นกับความยาวคลื่นเลเซอร์หรือไม่
ไม่ shift คือพลังงานที่แสงสูญเสียให้กับการสั่น แถบจึงอยู่ที่ cm⁻¹ เดิมไม่ว่าใช้เลเซอร์ใด แต่ความยาวคลื่นสัมบูรณ์ของแสงที่กระเจิงเปลี่ยนไป ไฟล์ที่เป็น nm จึงต้องระบุความยาวคลื่นเลเซอร์
จะแยกสไปก์จากรังสีคอสมิกกับแถบจริงได้อย่างไร
สไปก์กว้างเพียงหนึ่งหรือสองจุดและปรากฏที่ตำแหน่งสุ่ม ถ้าบันทึกสเปกตรัมใหม่ มันจะย้ายที่หรือหายไป แถบจริงกว้างกว่าและปรากฏซ้ำในทุกการวัด
ควรเลือกเส้นฐานแบบ ALS หรือพหุนาม
ลอง asymmetric least squares ก่อนสำหรับพื้นหลังการเรืองแสงที่โค้ง ใช้พหุนามสำหรับพื้นหลังที่เรียบและโค้งเล็กน้อย ทั้งสองกรณี ให้ตรวจว่าเส้นประสีแดงอยู่ใต้พีกและไม่ตัดเข้าไปในแถบกว้าง