Nghiên cứu chế tạo cấu trúc nano kim loại phục vụ quang phổ SERS tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu chế tạo cấu trúc nano kim loại bằng kĩ thuật ăn mòn laser dùng cho quang phổ tán xạ, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng

• Tác giả: Nguyễn Quang Đông
• Người hướng dẫn: TS Nguyễn Thế Bình
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Nghiên Cứu Cấu Trúc Nano Kim Loại Cho SERS
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƢỜNG BỀ MẶT (SERS)
• 1.1. Tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt
• 1.2. Plasmon và cộng hƣởng plasmon bề mặt
• 1.3. Cơ chế của hiệu ứng Tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt (SERS)
• 1.4. Hệ số tăng cƣờng (Enhancement factor - EF)
• 1.5. Các cấu trúc nano plasmonic cho hiệu ứng SERS
• 1.6. Một số ứng dụng của SERS
• 1.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
• 2.1. Phƣơng pháp chế tạo hạt nano kim loại bằng ăn mòn laser
• 2.2. Một số phƣơng pháp chế tạo cấu trúc nano kim loại trong chất lỏng
• 2.3. Khái niệm về ăn mòn laser xung (pulsed laser ablation- PLA)
• 2.4. Cơ chế tạo thành hạt nano kim loại trong chất lỏng bằng phƣơng pháp PLA
• 2.5. Một số sơ đồ chế tạo hạt nano bằng phƣơng pháp PLA
• 2.6. Các phƣơng pháp xác định cấu trúc, hình thái, kích thƣớc hạt nano kim loại. Các thiết bị sử dụng để nghiên cứu SERS
• 2.7. Thiết bị chính: Laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230
• 2.8. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.9. Hệ thu phổ tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt
• 2.10. Các vật liệu, hóa chất sử dụng trong nghiên cứu của luận án
• 2.11. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO KIM LOẠI BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĂN MÒN LASER (PLA)
• 3.1. Nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ thiết bị chế tạo hạt nano kim loại bằng phƣơng pháp PLA
• 3.1.1. Thiết kế và lắp đặt hệ thiết bị chế tạo hạt nano kim loại sử dụng laser Nd:YAG
• 3.1.2. Xây dựng quy trình chế tạo hạt nano kim loại bằng phƣơng pháp PLA
• 3.2. Nghiên cứu chế tạo hạt nano vàng bằng phƣơng pháp PLA
• 3.2.1. Chế tạo hạt nano vàng trong nƣớc
• 3.2.2. Chế tạo hạt nano vàng trong ethanol
• 3.3. Nghiên cứu chế tạo hạt nano bạc bằng phƣơng pháp PLA
• 3.3.1. Chế tạo hạt nano bạc trong nƣớc khử ion
• 3.3.2. Chế tạo hạt nano bạc trong nƣớc cất
• 3.3.3. Chế tạo hạt nano bạc trong ethanol
• 3.4. So sánh và kết luận
• 3.5. Nghiên cứu chế tạo hạt nano đồng bằng phƣơng pháp PLA
• 3.5.1. Chế tạo hạt nano đồng trong nƣớc khử ion
• 3.5.2. Chế tạo hạt nano đồng trong nƣớc cất
• 3.5.3. Chế tạo hạt nano đồng trong ethanol
• 3.6. Nghiên cứu chế tạo hạt nano Platin bằng phƣơng pháp PLA
• 3.6.1. Chế tạo hạt Platin trong nƣớc khử ion
• 3.6.2. Chế tạo hạt Platin trong ethanol
• 3.7. Nghiên cứu chế tạo hạt nano hợp kim Au/Ag trong nƣớc bằng kỹ thuật laser
• 3.7.1. Quy trình chế tạo hạt nano hợp kim bằng kỹ thuật laser
• 3.7.2. Nghiên cứu chế tạo hạt nano hợp kim Au/Ag trong nƣớc bằng kỹ thuật cảm ứng laser
• 3.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ CẤU TRÚC NANO KIM LOẠI CHO HIỆU ỨNG SERS VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH
• 4.1. Nghiên cứu chế tạo đế SERS trên bề mặt silic
• 4.2. Quy trình chế tạo đế SERS bằng phƣơng pháp ngƣng đọng trực tiếp keo hạt nano kim loại
• 4.3. Nghiên cứu chế tạo các đế SERS phủ hạt nano Au, Ag, Cu, Pt trên bề mặt silic
• 4.4. Nghiên cứu ảnh hƣởng của mật độ hạt nano Au trên đế silic và đánh giá hệ số tăng cƣờng SERS
• 4.5. Nghiên cứu chế tạo đế SERS trên bề mặt thủy tinh
• 4.6. Nghiên cứu chế tạo đế SERS bằng phƣơng pháp coffee-ring
• 4.7. Khảo sát ảnh hƣởng của số lần phủ lớp hạt Au và xác định hệ số tăng cƣờng SERS
• 4.8. Nghiên cứu chế tạo đế SERS trên bề mặt kim loại đồng
• 4.9. Nghiên cứu chế tạo đế SERS phủ hạt nano Au trên bề mặt đồng
• 4.10. Nghiên cứu chế tạo đế SERS phủ hạt nano hợp kim Au/Ag trên bề mặt đồng
• 4.11. Nghiên cứu chế tạo đế SERS trên bề mặt DVD
• 4.12. Xử lý và khảo sát bề mặt đĩa DVD
• 4.13. Nghiên cứu chế tạo đế SERS trên đĩa DVD
• 4.14. Khảo sát hiệu quả tăng cƣờng SERS của đế Au/DVD
• 4.15. Nghiên cứu chế tạo đế SERS trên bề mặt đồng cấu trúc nano nhờ ăn mòn laser
• 4.16. Nghiên cứu chế tạo bề mặt đồng cấu trúc nano nhờ ăn mòn laser
• 4.17. Nghiên cứu chế tạo đế SERS trên bề mặt đồng cấu trúc nano nhờ ăn mòn laser
• 4.18. Khảo sát hiệu ứng SERS trên đế Au/CuK5
• 4.19. Khảo sát một số khả năng ứng dụng của SERS trong y sinh
• 4.20. Khảo sát phổ SERS của Glucose
• 4.21. Khảo sát phổ SERS của Amoxicillin Trihydrate
• 4.22. Khảo sát phổ SERS của Tetracyline
• 4.23. Khảo sát phổ SERS của Malachite Green
• 4.24. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
• CÁC KẾT QUẢ CÔNG BỐ CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu cấu trúc nano kim loại cho SERS

Nghiên cứu về cấu trúc nano kim loại cho SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) đã thu hút sự chú ý lớn trong cộng đồng khoa học. SERS là một kỹ thuật mạnh mẽ cho phép phát hiện các phân tử ở nồng độ rất thấp nhờ vào hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman. Cấu trúc nano kim loại, đặc biệt là các hạt vàng và bạc, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu ứng này. Việc hiểu rõ về cơ chế hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của SERS là rất cần thiết để phát triển các ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực như y sinh, hóa học và môi trường.

1.1. Cấu trúc nano kim loại và tính chất quang học

Cấu trúc nano kim loại có khả năng tạo ra các plasmon bề mặt khi tương tác với ánh sáng. Hiện tượng này dẫn đến sự tăng cường đáng kể của tín hiệu Raman. Các yếu tố như kích thước, hình dạng và khoảng cách giữa các hạt nano ảnh hưởng đến tính chất quang học của chúng. Nghiên cứu cho thấy rằng các hạt nano hình cầu có hiệu suất tốt nhất trong việc tăng cường tín hiệu SERS.

1.2. Ứng dụng của SERS trong phân tích hóa học

SERS đã được áp dụng rộng rãi trong phân tích hóa học, đặc biệt là trong việc phát hiện các chất độc hại và các hợp chất sinh học. Kỹ thuật này cho phép phát hiện các phân tử ở nồng độ femtomolar, mở ra cơ hội cho các ứng dụng trong y học và môi trường. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng SERS có thể được sử dụng để phát hiện nhanh chóng các bệnh truyền nhiễm thông qua việc phân tích mẫu sinh học.

II. Thách thức trong nghiên cứu cấu trúc nano kim loại cho SERS

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng nghiên cứu về cấu trúc nano kim loại cho SERS cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc chế tạo các hạt nano đồng nhất với kích thước và hình dạng mong muốn. Ngoài ra, sự ổn định của các hạt nano trong môi trường thực tế cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét. Các nghiên cứu hiện tại đang tìm kiếm các phương pháp mới để cải thiện độ bền và hiệu suất của các cấu trúc nano này.

2.1. Vấn đề chế tạo hạt nano đồng nhất

Chế tạo hạt nano đồng nhất là một thách thức lớn trong nghiên cứu SERS. Các phương pháp chế tạo hiện tại như ăn mòn laser và tổng hợp hóa học thường gặp khó khăn trong việc kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt. Việc phát triển các phương pháp mới có thể giúp cải thiện tính đồng nhất và hiệu suất của hạt nano.

2.2. Ảnh hưởng của môi trường đến hiệu suất SERS

Môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của SERS. Các yếu tố như pH, nhiệt độ và nồng độ ion có thể làm thay đổi tính chất quang học của hạt nano. Nghiên cứu cần tập trung vào việc hiểu rõ các yếu tố này để tối ưu hóa điều kiện thử nghiệm và cải thiện độ nhạy của SERS.

III. Phương pháp tổng hợp cấu trúc nano kim loại cho SERS

Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp cấu trúc nano kim loại cho SERS. Một trong những phương pháp phổ biến là ăn mòn laser, cho phép tạo ra các hạt nano với kích thước và hình dạng chính xác. Ngoài ra, các phương pháp như tổng hợp hóa học và phương pháp sol-gel cũng được sử dụng rộng rãi. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu.

3.1. Phương pháp ăn mòn laser

Phương pháp ăn mòn laser là một kỹ thuật hiệu quả để chế tạo hạt nano kim loại. Kỹ thuật này sử dụng laser để làm bay hơi vật liệu kim loại, sau đó các hạt nano được hình thành trong môi trường chất lỏng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số laser như công suất và thời gian chiếu có thể ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của hạt nano.

3.2. Phương pháp tổng hợp hóa học

Tổng hợp hóa học là một phương pháp phổ biến khác để chế tạo hạt nano kim loại. Phương pháp này thường sử dụng các tác nhân khử để tạo ra hạt nano từ các muối kim loại. Mặc dù phương pháp này có thể tạo ra hạt nano với kích thước nhỏ và đồng nhất, nhưng việc kiểm soát các điều kiện phản ứng là rất quan trọng để đạt được hiệu suất SERS tốt nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của SERS

Nghiên cứu về cấu trúc nano kim loại cho SERS đã mang lại nhiều kết quả khả quan. Các ứng dụng thực tiễn của SERS trong y sinh và phân tích hóa học đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu. Việc phát hiện nhanh chóng các chất độc hại và các hợp chất sinh học là một trong những ứng dụng nổi bật. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng SERS có thể được sử dụng để phát hiện các bệnh truyền nhiễm và các chất gây ô nhiễm trong môi trường.

4.1. Ứng dụng trong y sinh

SERS đã được áp dụng trong y sinh để phát hiện nhanh chóng các bệnh truyền nhiễm. Nghiên cứu cho thấy rằng SERS có thể phát hiện các biomarker trong mẫu sinh học với độ nhạy cao. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các thiết bị chẩn đoán nhanh và hiệu quả.

4.2. Ứng dụng trong phân tích môi trường

SERS cũng được sử dụng để phát hiện các chất ô nhiễm trong môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng SERS có thể phát hiện các hợp chất độc hại trong nước và không khí với độ nhạy cao. Việc áp dụng SERS trong phân tích môi trường có thể giúp cải thiện chất lượng môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu SERS

Nghiên cứu về cấu trúc nano kim loại cho SERS đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng của SERS. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá mới trong các lĩnh vực y sinh, hóa học và môi trường. Việc phát triển các phương pháp chế tạo mới và cải thiện độ nhạy của SERS sẽ là những hướng đi quan trọng trong thời gian tới.

5.1. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế tạo hạt nano mới và cải thiện độ ổn định của chúng trong môi trường thực tế. Việc tối ưu hóa các điều kiện thử nghiệm cũng sẽ giúp nâng cao hiệu suất của SERS.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp

SERS có tiềm năng lớn trong các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực phân tích và kiểm tra chất lượng sản phẩm. Việc phát triển các thiết bị SERS nhỏ gọn và dễ sử dụng sẽ mở ra cơ hội cho việc áp dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) Chƣơng này trình bày tổng quan các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã có về hiệu ứng SERS, cơ chế của hiệu ứng SERS, các cấu trúc nano plasmonic khác nhau cho hiệu ứng SERS và một số khả năng ứng dụng của SERS. 20 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm sử dụng trong luận án Chƣơng này trình bày về phƣơng pháp chế tạo hạt nano kim loại bằng kỹ thuật laser, các phƣơng pháp và thiết bị sử dụng để xác định hình dạng, kích thƣớc, phân bố hạt nano để nghiên cứu chế tạo đế SERS và khảo sát phổ SERS. Chương 3: Nghiên cứu chế tạo hạt nano kim loại bằng kỹ thuật laser Chƣơng này trình bày các kết quả nghiên cứu thiết kế, xây dựng hệ thiết bị chế tạo hạt nano kim loại bằng phƣơng pháp PLA và sử dụng phƣơng pháp này chế tạo hạt nano kim loại (vàng, bạc, đồng, platin.) và hạt nano hợp kim Au/Ag phục vụ cho mục đích tạo ra các cấu trúc nano plasmonic thích hợp cho hiệu ứng SERS. Chương 4: Nghiên cứu chế tạo một số cấu trúc nano kim loại cho hiệu ứng SERS và khảo sát một số khả năng ứng dụng của SERS trong y sinh Các kết quả nghiên cứu chế tạo một số cấu trúc nano plasmonic sử dụng hạt nano kim loại chế tạo trong chƣơng 3 sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 4.

Quy trình chế tạo và khả năng tăng cƣờng tán xạ Raman của các cấu trúc này (đế SERS) đƣợc xác định thông qua việc khảo sát phổ Raman của dung dịch Rhodamine 6G ở các nồng độ khác nhau. Sử dụng cấu trúc nano kim loại đã chế tạo, chúng tôi đã tìm hiểu khả năng ứng dụng SERS trong phân tích một số dƣợc liệu, hóa chất đang đƣợc quan tâm trong y sinh. Kết quả khảo sát sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng này. Kết luận Tổng kết, đánh giá tóm tắt các kết quả đạt đƣợc.

Các kết quả và nội dung nghiên cứu của luận án đƣợc thể hiện ở 12 công trình đã đƣợc công bố trong các Tạp chí khoa học, kỷ yếu Hội nghị khoa học chuyên ngành ở trong nƣớc và quốc tế. 21 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƢỜNG BỀ MẶT (SERS) Trong chƣơng này chúng tôi nghiên cứu tổng quan về tán xạ Raman, tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt (SERS), đặc biệt tập trung vào cơ chế hiệu ứng SERS, cách tính hệ số tăng cƣờng SERS và các cấu trúc nano kim loại khác nhau cho hiệu ứng SERS cũng nhƣ một số ứng dụng của SERS trong thực tiễn. Đây là cơ sở để phân tích, định hƣớng nội dung nghiên cứu, lựa chọn phƣơng pháp nghiên cứu và giải thích kết quả nghiên cứu của luận án. Tán xạ Raman Từ đầu thế kỷ 20 nhiều nhà vật lý đã tiên đoán rằng bức xạ bị tán xạ bởi phân tử không chỉ chứa photon với tần số ánh sáng tới mà còn gồm photon với tần số bị thay đổi.

Và sự tiên đoán này đã đƣợc khẳng định vào 1928 với thí nghiệm tán xạ ánh sáng trên chất lỏng Benzen do Chandresekhara Venkata Raman (Ấn Độ) thực hiện. Raman đã đƣợc giải Nobel và từ đó hiện tƣợng tán xạ này đƣợc mang tên tán xạ Raman [2,4,7,73]. Quan sát phổ ánh sáng tán xạ từ Benzen, Raman quan sát thấy xuất hiện một vạch phổ rất mạnh tƣơng ứng với tần số của ánh sáng tới gọi là vạch tán xạ Rayleigh 0, ngoài ra còn có những vạch yếu hay rất yếu đƣợc phân bố đối xứng ở cả hai phía của vạch Rayleigh (Hình 1. Những vạch có tần số nhỏ hơn tần số ánh sáng tới (i < 0) gọi là vạch tán xạ Stokes, những vạch có tần số lớn hơn tần số ánh sáng tới (i > 0) gọi là vạch tán xạ đối Stokes.

Dịch chuyển tần số của các vạch này so với vạch Rayleigh  =0-i là đặc trƣng cho mỗi vật chất và không phụ thuộc vào tần số của ánh sáng tới [2,46,79]. 22 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Các vạch tán xạ Stokes Các vạch tán xạ đối Stokes Hình 1. Vạch tán xạ Rayleigh ( a ) và các vạch tán xạ Stokes (b ) , đối Stokes ( c ) trong phổ tán xạ Raman [1,4] Quy luật của tán xạ Raman là: + Trong ánh sáng tán xạ, ngoài tần số của ánh sáng tới (bức xạ Rayleigh) còn có các tần số khác bị dịch đi so với tần số ánh sáng tới (bức xạ Stokes và đối Stokes). + Độ dịch chuyển giữa các vạch tán xạ Raman và vạch tán xạ Rayleigh  i   0  i   0  i' (i  1, 2 , 3 , .) phụ thuộc tần số  0 của ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bản chất của môi trƣờng tán xạ.

Các nghiên cứu cho thấy khoảng dịch tần số  i đúng bằng tần số dao động riêng của phân tử cấu tạo nên môi trƣờng. Một hệ phân tử có thể có nhiều tần số dao động riêng nên có thể có các độ dịch chuyển Stokes và đối Stokes khác nhau. + Cƣờng độ ánh sáng của thành phần Stokes lớn hơn thành phần đối Stokes. Khi nhiệt độ tăng thì cƣờng độ thành phần đối Stokes tăng nhanh.

Ngƣời ta đã phát hiện ra hiện tƣợng tán xạ này còn xảy ra trên nhiều chất lỏng, dung dịch và cả các chất ở thể khí và rắn (dạng bột hoặc tinh thể). Hiện tƣợng tán xạ này đã đƣợc dùng để phân tích thành phần của nhiều chất cũng nhƣ nghiên cứu cấu trúc phân tử của chúng. Để có hiệu ứng tán xạ Raman cần có một bức xạ có độ đơn sắc cao. Với sự xuất hiện của Laser, nguồn bức xạ đơn sắc lý tƣởng cho hiệu ứng tán xạ Raman, quang phổ học Raman đã có bƣớc phát triển vƣợt bậc và trở thành một phƣơng pháp không thể thiếu cho phép cung cấp những thông tin quan trọng về phân tử và các quá trình biến đổi hoá học của chúng.

Phổ tán xạ Raman khi 23 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] kích thích bằng Laser cho phép ghi đƣợc phổ của những lƣợng mẫu rất nhỏ khoảng vài miligram hoặc cỡ vài trăm microliter, với dải rộng của nhiệt độ và áp suất. Chất lỏng, dung dịch, bột tinh thể và đơn tinh thể đều có thể thu đƣợc phổ tán xạ Raman. Thậm chí ngƣời ta có thể nghiên cứu đƣợc các mẫu màng và tán xạ Raman đƣợc ghi từ bề mặt mẫu.2 là một ví dụ về sơ đồ thu phổ Raman kích thích bằng laser. Mẫu Phổ kế 0 Cấu hình tán xạ 90 Mẫu Phổ kế 0 Cấu hình tán xạ 180 Hình 1.

Sơ đồ thu phổ tán xạ Raman kích thích bằng laser [73] Tán xạ Raman là hiện tƣợng bức xạ điện từ tƣơng tác với các phân tử vật chất. Chúng ta sẽ xem xét vấn đề trên cả hai quan điểm cổ điển và lƣợng tử. Theo quan điểm cổ điển về tán xạ Raman hệ phân tử đƣợc xem nhƣ những mômen lƣỡng cực dao động điều hoà, hệ các lƣỡng cực này sẽ phát ra bức xạ khi tƣơng tác với một trƣờng điện từ. Sóng ánh sáng với tần số  0 đƣợc đặc trƣng bằng cƣờng độ điện trƣờng Ek : Ek  E0 cos 2 0t (1.1) trong đó E0 là biên độ của cƣờng độ điện trƣờng, 0 là tần số sóng tới.

Khi sóng ánh sáng tƣơng tác với phân tử sẽ xuất hiện mômen lƣỡng cực điện cảm ứng i (i  x, y, z) có độ lớn tỷ lệ thuận với cƣờng độ điện trƣờng Ek : i   Ek (1.2) 24 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] trong đó  đƣợc gọi là độ phân cực hay hệ số phân cực của phân tử, nó phụ thuộc vào cấu trúc, tính chất của phân tử và là hàm của các dao động chuẩn của phân tử. Đối với những phân tử không đối xứng cao tức là những phân tử có cấu trúc bất đẳng hƣớng, hệ số phân cực của phân tử theo các phƣơng khác nhau của hệ toạ độ linh động xyz gắn chặt với phân tử cũng khác nhau. Vì thế, trong trƣờng hợp tổng quát, biểu thức (1.2) đƣợc viết dƣới dạng ma trận:  x   xx Ex   xy E y   xz Ez  y   yx Ex   yy E y   yz Ez (1.3)  z   zx Ex   zy E y   zz Ez Một cách ngắn gọn ta có thể viết biểu thức (1.3) dƣới dạng: i  ik Ek (1.4) k Trong hệ toạ độ linh động xyz , các hệ số ik lập thành một tenxơ bậc ba đối xứng (  ik   ki ) gọi là tenxơ phân cực:   xx xy xz     ik    yx yy yz  (1.5)     zx zy zz    Đối với phân tử, ta có thể chọn đƣợc một hệ toạ độ linh động xyz gắn chặt với nó sao cho các thành phần không chéo của tenxơ phân cực (1. Khi đó biểu thức (1.3) có dạng:  x   xx Ex  y   yy E y (1.6)  z   zz Ez Đối với những phân tử có tính đối xứng cao tức là những phân tử có cấu trúc đẳng hƣớng (đối xứng cầu) thì  xx  yy  zz  , ik (i  k )  0.

Khi đó tenxơ phân cực (1.5) là một vô hƣớng và các thành mômen lƣỡng cực điện cảm ứng (1.6) của phân tử đƣợc xác định bằng biểu thức: i   ik Ek (1.7) trong đó i  k lần lƣợt bằng x , y , z 25 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trong phân tử có ba dạng chuyển động dẫn đến hình thành phổ đó là: sự chuyển động của các điện tử trong trƣờng lực của khung hạt nhân, sự dao động của các hạt nhân quanh vị trí cân bằng của chúng và chuyển động quay của toàn bộ phân tử trong không gian. Nếu xem phân tử không dao động và quay thì hệ số phân cực của phân tử chỉ đƣợc xác định bởi khả năng biến dạng của lớp vỏ điện tử của phân tử dƣới tác dụng điện trƣờng của ánh sáng tới. Khi đó hệ số phân cực  của phân tử là không đổi và mômen lƣỡng cực điện cảm ứng cũng biến thiên điều hòa với tần số bằng tần số  0 của ánh sáng tới. Các phân tử trở thành những lƣỡng cực điện cảm ứng bức xạ sóng điện từ với tần số  0 và gây ra tán xạ Rayleigh.