tìm hiểu nguyên tắc cấu tạo, hoạt động và ứng dụng máy quang phổ huỳnh quang fluoromax 4

Huỳnh quang là sự phát quang khi m t electron của phân tử hấp thụ năng lượng của m t ước sóng cụ thể, khi từ mức năng lượng cao này về mức an đầu, sẽ giải phóng năng lượng là ánh sáng..

Sinh viên thực hiện:

Văn Thùy Dương

Mã số SV: 1117583 Lớp: Sư Phạm Vật Lý- Công Nghệ Khóa: 37

Giáo viên hướng dẫn:

TS Nguyễn Trí Tuấn

Cần Thơ, Năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được đề tài luận văn này, em xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Trí Tuấn đã hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức quý giá, theo dõi và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Em cũng xin chân thành cảm ơn các anh, ch cao h c, các ạn sinh viên thực hiện luận văn tại ph ng thí nghiệm Vật liệu và ạn đã tận tình ch ảo, đ ng

vi n, giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và người thân đã luôn quan tâm, đ ng vi n và là chỗ dựa về tinh thần và vật chất cho em trong suốt quá trình

h c tập tại trường

M t lần nữa xin gửi lời cảm ơn đến tất cả m i người!

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghi n cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu, kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công ố trong ất kỳ công trình nghi n cứu nào trước đây

M i tham khảo, trích dẫn đều được ch rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Cần Thơ, ngày 27 tháng 04 năm 2015

Tác giả

Văn Thùy Dương

1 Hình 1.1 Hiện tượng quang huỳnh quang [3] 4

3 Hình 1.3 Sự phụ thu c của cường đ phổ huỳnh quang vào nồng

đ [5]

7

4 Hình 1.4 Sự phát huỳnh quang khi nồng đ pha tạp chất (a) và sự

dập tắt huỳnh quang do pha tạp với nồng đ cao ( ) [5]

8

5 Hình 1.5 Các quá trình phát quang trong tinh thể án dẫn [9] 8

6 Hình 1.6 Mô tả các quá trình ắt hạt dẫn và tái hợp hạt dẫn [9] 10

11 Hình 1.11 Sơ đồ khối của hệ đo phổ huỳnh quang [4] 16

12 Hình 1.12 Sơ đồ nguy n lý của phép đo phổ kích thích [9] 17

13 Hình 1.13 Hình ảnh nhiễm trùng trong cơ thể qua kính hiển vi [3] 20

19 Hình 2.4 B phận tạo đơn sắc của ánh sáng kích thích [6] 29

20 Hình 2.5 B phận tạo đơn sắc của ánh sáng phát xạ [6] 29

Buồng chứa mẫu [6]

26 Hình 2.11 Thiết điện tử điều khiển thụ đ ng phía tr n [6] 32

30 Hình 3.1 Phổ kích thích huỳnh quang và phát xạ của nano tinh thể

ZnS được chế tạo ằng phương pháp đồng kết tủa, với λem: 411 nm và λex: 322 nm

37

31 Hình 3.2 Phổ PLE và PL của nano tinh thể ZnS được tổng hợp

thủy nhiệt, với λem: 440 nm và λex: 280 nm

38

32 Hình 3.3 Phổ PLE và PL của t nano tinh thể ZnS chiếu xạ vi

sóng, ở ước sóng đo tại 440 nm và ước sóng kích thích

Kí hiệu -

chữ viết tắt T n tiếng Anh T n tiếng Việt

IL Intensity of luminescence Cường đ huỳnh quang

me Efecctive mass of electron Khối lượng hiệu dụng của điện tử

CPS Characters per second Ký tự tr n mỗi giây

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2.MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1

3.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1

4.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

5.CÁC BƯỚC THỰC HIỆN 2

PHẦN NỘI DUNG 3

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HUỲNH QUANG 3

1.1.Khái niệm huỳnh quang 3

1.2.Phân loại hiện tượng huỳnh quang 4

1.3.Các đặc trưng cơ bản của huỳnh quang 5

1.3.1 Phổ hấp thụ 5

1.3.2.Phổ kích thích 5

1.3.3.Phổ huỳnh quang 6

1.3.4.Cơ chế chuyển dời 8

1.3.5.Động học huỳnh quang 10

1.4.Các loại máy dùng cho phân tích huỳnh quang 11

1.4.1.Nguồn sáng dùng để kích thích huỳnh quang 11

1.4.2.Các kính lọc và máy đơn sắc 13

1.4.3.Máy quang phổ và phân cực kế 13

1.5.Các phương pháp quang phổ [4] 15

1.5.1.Phép đo phổ hấp thụ 15

1.5.2 Phép đo phổ huỳnh quang 15

1.6.Các ứng dụng của huỳnh quang 16

1.6.1.Phát hiện những bức xạ không trông thấy 17

1.6.2.Phân tích huỳnh quang phát hiện trong sinh vật và y học 18

1.6.3.Ứng dụng huỳnh quang trong kỹ nghệ 21

1.6.4.Phát hiện những di chuyển ngầm 22

1.6.5.Phân tích huỳnh quang trong khảo cổ học 23

FLUOROMAX-4 26

2.1.Giới thiệu chung 26

2.2.Cấu tạo và tính năng 27

2.2.1.Cấu tạo 27

2.2.2.Tính năng 33

2.3.Nguyên lý hoạt động 34

2.3.1.Nguyên lý vận hành cơ bản 34

2.3.2.Cách khởi động hệ thống 34

2.3.3.Phần mềm FluorEssence 35

Chương 3 ỨNG DỤNG CỦA MÁY QUANG PHỔ HUỲNH QUANG FLUOROMAX-4 37

3.1 Kết quả đo phổ huỳnh quang một số mẫu vật liệu nano 37

3.1.1 Phổ huỳnh quang của nano tinh thể ZnS tổng hợp bằng phương pháp hóa học Error! Bookmark not defined 3.1.2.Phổ huỳnh quang của nano tinh thể ZnO tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa 40

3.1.3.Phổ huỳnh quang của nano tinh thể ZnO tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt 41

PHẦN KẾT LUẬN 42

1.NHỮNG ĐIỀU ĐẠT ĐƯỢC 42

2.NHỮNG HẠN CHẾ 42

3.HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

và Công nghệ vật liệu mới Hiện nay ngày càng có nhiều phương pháp cũng như các thiết mới ứng dụng lý thuyết của phổ h c được sử dụng không ch trong

ph ng thí nghiệm mà cả trong công nghiệp nhằm kiểm tra, đánh giá chất lượng của sản phẩm, xác đ nh những tính chất đặc iệt trong công nghệ chế tạo vật liệu mới và các thiết mới được sử dụng trong các lĩnh vực của cu c sống M t trong các phương pháp phân tích phổ được sử dụng trong luận văn này là phương pháp phổ huỳnh quang

Huỳnh quang là sự phát quang khi m t electron của phân tử hấp thụ năng lượng của m t ước sóng cụ thể, khi từ mức năng lượng cao này về mức an đầu, sẽ giải phóng năng lượng là ánh sáng Với cùng m t ước sóng kích thích, phổ huỳnh quang của các chất phát huỳnh quang khác nhau là khác nhau

Trong thực tế, phổ huỳnh quang có nhiều ứng dụng như: sinh h c, khoa h c sự sống, hóa h c, khoa h c vật liệu, mỹ phẩm… Các sản phẩm máy Quang phổ huỳnh quang của HORIBA Jo inYvon có thể đáp ứng được tất cả các mục đích ứng dụng của máy quang phổ huỳnh quang, cho phép thu được các phép đo huỳnh quang tốt nhất, làm cho công việc nghi n cứu trở n n dễ dàng, có đ lặp lại và chính xác cao Máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax – 4 là thiết phân tích quang phổ huỳnh quang nhỏ g n, để àn, có đ nhạy lý tưởng cho ph ng thí nghiệm nghiên cứu ti n tiến, phân tích thông thường và kiểm soát chất lượng với rất nhiều ứng dụng khác nhau như khoa h c vật liệu, y sinh, hóa dược, đ a chất… Với nhiều tính năng ưu việt được đổi mới li n tục để phù hợp với điều kiện phát triển ngày càng cao của các ph ng thí nghiệm về việc phân tích phổ huỳnh quang, Fluoromax là

d ng sản phẩm đáng tin cậy n n em đã ch n “Tìm hiểu nguy n tắc cấu tạo, hoạt

đ ng và ứng dụng máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax-4” làm đề tài luận văn

của mình

2.MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiểu nguy n tắc cấu tạo, hoạt đ ng của máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax-4 và ứng dụng để thực hiện phép đo của m t số vật liệu kích thước nano

3.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

- Tìm hiểu chung về huỳnh quang, các tính chất và ứng dụng của nó

- Tìm hiểu nguy n tắc cấu tạo, nguy n lý hoạt đ ng của máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax-4

- Thực hiện phép đo m t số mẫu vật liệu nano có sẵn

4.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp nghi n cứu lý luận: dựa tr n các cơ sở lý thuyết

- Tiến hành viết luận văn và làm thực nghiệm

- Hoàn thành luận văn

- Báo cáo

PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HUỲNH QUANG

1.1 Khái niệm huỳnh quang

Thuật ngữ huỳnh quang lần đầu ti n được E.Videman đưa ra năm 1888 Videman đề ngh g i ánh sáng huỳnh quang là ánh sáng phát sinh do tác dụng của các nguy n nhân n ngoài mà không làm tăng nhiệt đ của vật phát sáng Sau đó, Videman chính xác hóa đ nh nghĩa này khi g i ánh sáng huỳnh quang là ánh sáng mạnh hơn ánh sáng của vật phát sáng ở nhiệt đ tương ứng

Tuy nhi n, đ nh nghĩa khái niệm huỳnh quang do Videman đưa ra không cho phép phân iệt huỳnh quang với ánh sáng phản xạ và tán xạ Thật vậy, ánh sáng phản xạ hay tán xạ của nguồn sáng n ngoài gây ra có thể lớn hơn nhiều so với ức

xạ nhiệt của vật ở vùng phổ cho trước

Do đó Vavilốp đề ngh ổ sung đ nh nghĩa của Videman ằng ti u chuẩn thời gian kéo dài Theo Vavilốp n n g i huỳnh quang là ức xạ dôi ra so với ức xạ nhiệt của vật trong trường hợp: sau khi tắt ức xạ kích thích, ức xạ huỳnh quang vẫn tiếp tục kéo dài trong m t khoảng thời gian nào đó Trong những trường hợp khác nhau, Vavilốp đã ch rõ các giá tr thời gian phát sáng này khác nhau khoảng

từ 10-10 giây đến m t chu kỳ của dao đ ng sáng [1]

Hiện nay huỳnh quang được đ nh nghĩa là sự phát quang khi phân tử hấp thụ năng lượng dạng nhiệt (phonon) hoặc dạng quang (photon) Ở trạng thái cơ ản S0, phân tử hấp thụ năng lượng từ môi trường n ngoài và chuyển thành năng lượng của các electron, nhận năng lượng các electron này sẽ chuyển l n mức năng lượng cao hơn, g i là trạng thái kích thích S, đây là m t trạng thái không ền, do đó electron sẽ mau chóng nhường năng lượng dưới dạng nhiệt để về trạng thái kích thích nhưng năng lượng thấp hơn S0, thời gian tồn tại của electron giữa mức năng lượng S  S0 vào khoảng 10-9 đến 10-12 giây [2]

Sau khi về trạng thái kích thích S, electron lại m t lần nữa phát năng lượng dưới dạng photon để về mức thấp hơn, hiện tượng này g i là huỳnh quang phân tử Cùng là hiện tượng nhận năng lượng từ môi trường ngoài sau đó phân tử phát xạ photon, nhưng cần phân iệt sự khác nhau giữa quang phổ huỳnh quang (fluorescence) với quang phổ lân quang (phosphorescence) và quang phổ phát xạ (emission) Sự khác iệt cơ ản giữa huỳnh quang và lân quang là thời gian tồn tại của electron ở trạng thái kích thích, ở huỳnh quang là rất thấp cỡ 10-9

giây, còn lân quang cỡ mili giây Sự khác nhau cơ ản giữa phát xạ với huỳnh quang và lân quang là mức phát năng lượng để chuyển về trạng thái cơ ản, quang phổ phát xạ hấp thụ ao nhi u năng lượng từ n ngoài sẽ phát xạ ấy nhi u dưới dạng photon

để chuyển về trạng thái an đầu, c n huỳnh quang và lân quang thì không, do quá trình phát xạ năng lượng của nó có 2 ước, ước 1 phát xạ dưới dạng nhiệt, ước 2

mới phát xạ photon, n n năng lượng photon khi phát xạ sẽ không thể tương đương năng lượng mà phân tử đã hấp thụ trước đó

1.2.Phân loại hiện tƣợng huỳnh quang

Các hiện tượng đa dạng của huỳnh quang có thể phân loại theo những dấu hiệu khác nhau

Phân loại theo thời gian kéo dài, người ta phân iệt ức xạ ngắn – d ch quang (fluorescence) và ức xạ kéo dài – lân quang (phosphorescence) các thuật ngữ này

cũ hơn thuật ngữ chung là huỳnh quang (luminescence) Việc phân loại này không

c n ý nghĩa vì người ta quan sát được huỳnh quang với thời gian kéo dài rất khác nhau, và sự phát triển của các phương pháp đo cho phép đo thời gian huỳnh quang kéo dài trong m i ậc thời gian kể cả d ch quang kéo dài đến nano giây và ngay cả pi-cô giây Đôi khi t n g i lân quang c n giữ để ch quá trình mà trạng thái si u ền nào đó xảy ra trước khi huỳnh quang, chẳng hạn, sự ắt điện tử ở các ẫy trong chất

án dẫn hoặc sự đ nh xứ của các phân tử tr n mức si u ền

Việc phân loại quan tr ng nhất của hiện tượng huỳnh quang dựa theo cơ chế của các quá trình tham gia

Hình1.1 Hiện tượng quang huỳnh

kích thích, phổ huỳnh quang của các chất phát huỳnh quang khác nhau là khác nhau

1.3.Các đặc trƣng cơ bản của huỳnh quang

1.3.1.Phổ hấp thụ

Nói m t cách chặt chẽ, phổ hấp thụ không thu c vào những đặc trưng của huỳnh quang Tuy nhi n để hiểu quá trình kích thích huỳnh quang ta cần phải iết phổ hấp thụ

Giả sử có m t chùm ánh sáng đơn sắc song song đến vuông góc tr n m t lớp song phẳng của m t chất không khuếch tán có chiều dày l Như đã iết, cường đ ánh sáng khi chùm tia đi qua lớp chất sẽ giảm theo đ nh luật Bourger

I (x) = I0e-kx Nếu ỏ qua sự phản xạ tr n mặt giới hạn và sự giao thoa thì chùm đi qua sẽ có cường đ :

I (l) = I0e-kl Đại lượng k, có thứ nguy n cm-1, được g i là hệ số hấp thụ

Sự phụ thu c của k() vào tần số  hoặc vào ước sóng  của ức xạ được g i

là phổ hấp thụ Chúng ta chú ý rằng k() = k(), trong đó  = c /  B n cạnh k dùng

để đặc trưng sự hấp thụ người ta c n dùng tiết diện hấp thụ hiệu dụng:

 = k / N Trong đó N là số phân tử của chất hấp thụ trong 1cm3 Do đó  có thứ nguy n cm2 Ngoài ra người ta c n dùng m t đại lượng không thứ nguy n

Để đo phổ kích thích về nguy n tắc người ta dùng hai máy đơn sắc M t máy dùng để tách tần số kích thích, máy thứ hai để tách m t vùng nào đó của phổ huỳnh quang Máy đơn sắc thứ hai (có thể thay thế ằng kính l c) được đặt ở m t tần số xác đ nh, c n máy thứ nhất thì quét tần số kích thích Sự xuất hiện các laser có tần

số điều ch nh cho phép không dùng máy đơn sắc thứ nhất n n trong nhiều trường hợp có ưu điểm lớn Tr n cơ sở này, quang phổ kích thích được phát triển khá mạnh

mẽ

1.3.3 Phổ huỳnh quang

Phổ huỳnh quang có thể iểu th ằng ất kỳ đại lượng năng lượng nào: ằng thông lượng S(), ằng công suất W(), hoặc ằng đ chói B() Trong m i trường hợp, phổ huỳnh quang là đại lượng có tính chất của mật đ phổ Do đó phổ huỳnh quang phụ thu c vào việc lấy đại lượng nào làm iến số đ c lập: tần số  hay ước sóng  (hoặc số lượng tử trong m t khoảng tần số) Ví dụ đối với công suất ức xạ (cũng như đối với các đại lượng khác)

1.3.3.1.Sự phụ thu c của cường đ phổ huỳnh quang vào nồng đ

Mối quan hệ giữa cường đ phổ huỳnh quang và nồng đ có thể diễn tả qua

đ nh luật Beer Xét ánh sáng truyền qua môi trường tích cực: I0 là cường đ ánh sáng chiếu, I là cường đ ánh sáng truyền qua

Phần hấp thụ là I oI I o[ 1  exp( bC)]

Cường đ huỳnh quang sẽ t lệ với số photon hấp thụ và hiệu suất huỳnh quang F

là t số giữa số photon phát xạ và photon hấp thụ, phụ thu c vào nồng đ :

F = (Io-I) F f() g() = Io F [1-exp(-bC)] f() g()

Với f(): hệ số kích thước xác đ nh ởi góc khối của ức xạ huỳnh quang

g(): hiệu suất của đầu thu phụ thu c vào ước sóng huỳnh quang chiếu vào đầu thu

Do áng sáng kích thích thường có cường đ thay đổi theo thời gian, tín hiệu huỳnh quang sẽ không đo như m t giá tr tuyệt đối mà thường iểu diễn thành dạng tương đối tức là đã so sánh với giá tr chuẩn của nồng đ đã iết

Nồng đ Hình 1.3 Sự phụ thu c của cường đ phổ huỳnh quang vào nồng đ [5]

1.3.3.2.Sự dập tắt huỳnh quang

Như ta đã thấy ở tr n hình 1.3: có m t giá tr nồng đ xác đ nh tại đó cường đ huỳnh quang là cực đại Nếu nồng đ lớn hơn giá tr này thì cường đ huỳnh quang suy giảm Ta g i sự suy giảm cường đ huỳnh quang là sự dập tắt huỳnh quang

Sự dập tắt huỳnh quang có rất nhiều nguy n nhân gây ra, m t trong các nguy n nhân là do tạp chất Với loại vật liệu phát quang nhất thiết phải có tâm quang Sự dập tắt huỳnh quang có thể có hai loại:

 Sự tự dập tắt huỳnh quang: là do các tâm quang va chạm với nhau và mất năng lượng

 Sự dập tắt huỳnh quang do tạp chất: do các tâm quang va chạm với các phân tử tạp, hoặc là li n kết với tạp do vậy mất năng lượng [5]

Dưới đây ta xét huỳnh quang từ vật liệu pha tạp cao: khi pha tạp các ion với nồng đ cao mục đích là tăng hiệu suất phát huỳnh quang Tuy nhi n khi nồng đ pha tạp lớn hơn giá tr tới hạn có thể dẫn đến làm giảm hoặc dập tắt huỳnh quang Điều này được g i là sự dập tắt do nồng đ cao Xác suất truyền năng lượng tới các ion n cạnh lớn hơn xác suất phân rã phát xạ, do vậy các di chuyển kích thích ở trong mẫu có thể qua hàng triệu ion trước khi phát ra ức xạ Điều này có thể được giải thích trên hình 1.4

Hình 1.4.Sự phát huỳnh quang khi nồng đ pha tạp chất (a) và sự dập tắt huỳnh quang do pha tạp với nồng đ cao ( ) [5]

1.3.4.Cơ chế chuyển dời

Bức xạ là quá trình ngược với hấp thụ Các electron chuyển l n mức năng lượng cao do nhận được năng lượng từ n ngoài (chẳng hạn do sự hấp thụ ánh sáng) Tuy nhi n trạng thái kích thích là không ền, sau m t khoảng thời gian nào

đó g i là thời gian sống kích thích, electron chuyển về mức năng lượng thấp hơn, và giải phóng năng lượng Nếu năng lượng được giải phóng ra dưới dạng ánh sáng, thì

ta g i đó là sự phát xạ (phát quang) Như vậy, sự phát quang gắn liền với quá trình tái hợp hạt dẫn Nếu ch vẽ giản đồ năng lượng ỏ qua vectơ sóng K có thể minh

h a các khả năng phát quang trong án dẫn như sau:

Hình 1.5 Các quá trình phát quang trong tinh thể án dẫn [9]

Trạng thái kích thích

Trong m i trường hợp, khi điều kiện cân ằng vi phạm đều xảy ra quá trình hồi phục nhằm đưa trạng thái không cân ằng về trạng thái cân ằng Quá trình tái hợp trong án dẫn có ản chất ngược lại so với quá trình hấp thụ Nó làm giảm nồng đ hạt tải trong án dẫn Quá trình tái hợp được phân loại theo nhiều phương diện khác nhau

 Theo cách giải phóng năng lượng của quá trình ta có thể kể m t số dạng tái hợp sau:

 Tái hợp ức xạ (hay tái hợp photon):là quá trình tái hợp mà năng lượng giải phóng ra dưới dạng các photon Quá trình tái hợp ức xạ g i là huỳnh quang

 Tái hợp không ức xạ (hay tái hợp phonon): là quá trình tái hợp mà năng lượng giải phóng ra được truyền cho dao đ ng mạng tinh thể, nghĩa là làm phát sinh các phonon

 Tái hợp Auger (là dạng tái hợp không ức xạ): khi năng lượng được truyền cho hạt thứ a làm cho hạt dẫn này "nóng" l n Hạt dẫn "nóng" này qua số lần tán xạ tr n các ion nút mạng truyền hết năng lượng cho mạng tinh thể Xác suất của tái hợp Auger thường không lớn vì đ i hỏi của sự "gặp gỡ" cùng m t lúc a hạt dẫn

 Theo cơ chế vật lý của quá trình có thể chia thành các dạng sau:

 Tái hợp vùng - vùng (tái hợp cơ ản hay tái hợp trực tiếp)

M t điện tử tự do trực tiếp "gặp" m t lỗ trống và tái hợp với nhau Thực chất

là m t điện tử ở tr n vùng dẫn chuyển mức xuống m t trạng thái trống trong vùng hóa tr

Nếu bán dẫn có vùng cấm thẳng (cực tiểu của vùng dẫn và cực đại của vùng hóa tr ở cùng m t giá tr của vectơ sóng) thì quá trình tái hợp không đ i hỏi có sự tham gia của phonon Xác suất của sự chuyển mức thẳng này thường lớn Tái hợp thẳng vùng-vùng đặc trưng ởi sự mở r ng phổ về phía năng lượng thấp khi nhiệt

đ tăng, trong khi đó phía năng lượng thấp phổ chặn ởi  = Eg

Nếu án dẫn có vùng cấm xi n (cực tiểu của vùng dẫn và cực đại của vùng hóa tr không ở cùng m t giá tr của vectơ sóng), thì quá trình tái hợp đ i hỏi có sự tham gia (phát xạ hay hấp thụ) của phonon Xác suất của sự chuyển mức xi n thường nhỏ hơn xác suất của sự chuyển mức thẳng

Nếu trong án dẫn đồng thời xảy ra các chuyển dời thẳng lẫn chuyển dời xi n thì phổ huỳnh quang sẽ quan sát được hai dải: dải sóng dài do chuyển dời xiên và dải sóng ngắn do chuyển dời thẳng

 Tái hợp qua tâm (tái hợp gián tiếp)

Quá trình tái hợp thông qua sự "môi giới" của m t tâm ắt (tâm tái hợp) Các tâm tái hợp thường có mức năng lượng nằm gần giữa vùng cấm và có khả năng tương tác với vùng dẫn và vùng hóa tr như nhau

Những quá trình có thể xảy ra đối với các tâm đó được iểu diễn như hình 1.6,

ao gồm:

{a}- Khuyết tật trung h a ắt m t điện tử tự do

{b}- Khuyết tật tích điện âm tha điện tử vào vùng dẫn

{c}- Khuyết tật trung h a ắt m t lỗ trống từ vùng hóa tr

{d}- Khuyết tật tích điện dương "thả" m t lỗ trống vào vùng hóa tr (nghĩa là ắt

m t điện tử từ vùng hóa tr )

{e}- Khuyết tật ắt m t điện tử từ vùng dẫn, tích điện âm và ắt m t lỗ trống từ vùng hóa tr (thả điện tử vào vùng hóa tr ) làm cho m t cặp điện tử - lỗ trống tái hợp

{f}- Khuyết tật ắt lỗ trổng từ vùng hóa tr , tích điện dương và ắt điện tử từ vùng dẫn và làm cho m t cặp lỗ trống - điện tử tái hợp với nhau

Hình 1.6.Mô tả các quá trình ắt hạt dẫn và tái hợp hạt dẫn [9]

1.3.5.Động học huỳnh quang

Thời gian kéo dài huỳnh quang, chính xác hơn là đường cong đ ng h c khi tăng và tắt huỳnh quang sau khi ắt đầu hay tắt kích thích, là đặc trưng quan tr ng nhất của huỳnh quang Chính đ ng h c huỳnh quang cho phép phán xét về những quá trình xảy ra giữa hấp thụ năng lượng kích thích và ức xạ huỳnh quang Trong những trường hợp đơn giản nhất, các quá trình trung gian này (ví dụ, các quá trình hồi phục) xảy ra rất nhanh và đ ng h c huỳnh quang được xác đ nh ởi xác suất

d ch chuyển ức xạ và không ức xạ từ trạng thái kích thích và không kích thích

Trong những trường hợp phức tạp hơn, khi sự ức xạ huỳnh quang là kết quả của những quá trình d ch chuyển năng lượng hoặc ắt các hạt tải điện tích trong các ẫy hoặc d ch chuyển đến trạng thái si u ền, thì đ ng h c huỳnh quang có thể rất phức tạp Với huỳnh quang tái hợp, xuất hiện sự phụ thu c phi tuyến n n đ ng h c phụ thu c vào cường đ kích thích cũng như trạng thái kích thích của chất Đ ng h c huỳnh quang đơn giản nhất là sự tắt theo hàm mũ sau khi thôi kích thích

I’ (t) = F t I t t dt

t

)()

0 ' 



Trong đó F(t) là hàm số kích thích chuẩn hóa

1.4.Các loại máy dùng cho phân tích huỳnh quang

1.4.1.Nguồn sáng dùng để kích thích huỳnh quang

Trong phân tích và nghi n cứu huỳnh quang truyền thống, người ta thường dùng vùng xanh và tím của phổ khả kiến hoặc dùng vùng tử ngoại để kích thích những chất nghi n cứu Tuy nhi n dùng vùng tử ngoại để kích thích thì thuận lợi hơn vì mắt không nhìn thấy tia tử ngoại n n ánh sáng tử ngoại phản xạ hoặc khuếch tán tr n chất nghi n cứu không cản trở việc quan sát sự huỳnh quang của chất nghi n cứu Các nguồn sáng dùng để kích thích huỳnh quang gồm có :

a.Bức xạ của mặt trời : Trong phân tích huỳnh quang người ta có thể dùng vùng 4000A0 hay 2860A0 của ức xạ mặt trời để kích thích

b.Hồ quang điện xoay chiều hay m t chiều : Hồ quang điện ức xạ rất mạnh trong vùng từ 4000A0

đến 2000A0, phần c n lại của ức xạ nằm trong vùng khả kiến có thể dùng kính l c để khử đi

c.Tia điện : Tia điện được dùng trong trường hợp cần thiết phải kích thích ằng những ức xạ ở vùng tử ngoại xa (cho đến 1850A0) Người ta hay dùng tia điện để làm nguồn sáng trong phép phân tích những khoáng chất và m t số những tinh thể huỳnh quang

d.Đ n khí : Đ n khí là nguồn sáng chủ yếu dùng để kích thích trong phân tích huỳnh quang Các tia tử ngoại ức xạ từ các đ n khí là do sự phóng điện xảy ra trong môi trường khí Đ n khí dùng thông dụng nhất để kích thích huỳnh quang là

đ n thủy ngân Áp suất của khí thủy ngân trong đ n ảnh hưởng rất nhiều đến phổ

ức xạ của đ n Do đó các đ n thủy ngân chia thành 3 loại : đ n thủy ngân áp suất thấp, đ n thủy ngân áp suất cao, và đ n thủy ngân áp suất si u cao

Hình 1.7.Đ n khí thủy ngân [3]

e.Đ n dây tóc : Trong phân tích huỳnh quang người ta dùng đ n dây tóc khi muốn sử dụng vùng ước sóng ngắn của phổ khả kiến để kích thích chất nghi n cứu

Hình 1.8.Đ n dây tóc [3]

f.Ống âm cực : Trong khi phân tích huỳnh quang các khoáng sản và m t vài loại tinh thể huỳnh quang người ta dùng tia âm cực để kích thích

Hình 1.9.Ống âm cực [3]

1.4.2.Các kính lọc và máy đơn sắc

a.Kính l c hấp thụ : Loại kính l c này phần lớn là những tấm thủy tinh màu hoặc những ản nhựa mỏng Đôi khi người ta cũng dùng những kính l c ằng những dung d ch hoặc ằng những chất khí thích hợp

b.Kính l c giao thoa : Hiện nay kính l c giao thoa ngày càng được sử dụng nhiều, do tiến của kĩ thuật sản xuất màng mỏng quang h c Các kính l c này thực chất là những giao thoa kế nhiều chùm tia Đó là những ản ằng thủy tinh hay thạch anh tr n đó người ta tráng nhiều lớp ạc và điện môi có đ dày đã được tính toán trước li n quan đến vùng phổ làm việc

1.4.3.Máy quang phổ và phân cực kế

a.Máy quang phổ và máy đơn sắc :

Trong nghi n cứu và phân tích huỳnh quang thường người ta không những cần xác đ nh cường đ tích phân của ánh sáng huỳnh quang mà c n cần phải iết sự phân ố năng lượng tỷ đối trong phổ huỳnh quang Để đo sự phân ố năng lượng trong phổ huỳnh quang cần phải có quang lực lớn M t điều cần chú ý nữa là phần lớn các phổ huỳnh quang là những đám khá r ng cho n n dù có dùng máy có đ tán sắc lớn cũng không thể phân ly các đám thành những vạch ri ng iệt, thành thử người ta thường dùng những máy có quang lực lớn và đ tán sắc vừa phải để nghi n cứu các phổ huỳnh quang

Trước đây, để phân tích huỳnh quang người ta hay dùng máy quang phổ có đặc trưng như máy ISP-51, ISP-66… SPM-2 của Nga và Đông Đức Các máy tr n dùng tốt trong vùng phổ khả kiến M t số máy này có nhược điểm là đ tán sắc của

nó ở vùng khả kiến là thấp, tuy nhi n quang lực của chúng lại khá lớn Hiện nay, các máy quang phổ và máy đơn sắc cách tử của hãng Jo in-Yvon-Spex (Pháp) đang được dùng phổ iến, chúng có đ phân giải phổ và quang lực hợp lý đáp ứng cho nhiều vùng phổ nghi n cứu, trong khi có kích thước thiết nhỏ g n

Hình 1.10.Máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax-4

b.Phổ quang kế :

Khi nghi n cứu huỳnh quang thì việc đo phổ hấp thụ của chất cần nghi n cứu cũng là rất cần thiết, nhất là khi muốn hiệu ch nh sự hấp thụ thứ cấp Trong ph ng thí nghiệm hiện nay người ta hay dùng các máy quang phổ để đo phổ hấp thụ, ví dụ các máy quang phổ UV-VIS đo phổ hấp thụ (hay phổ truyền qua) trong vùng phổ tử ngoại và vùng phổ nhìn thấy Chúng ta cũng có thể tự lắp m t máy quang phổ như vậy (phổ quang kế) theo sơ đồ đơn giản gồm m t máy đơn sắc và m t phận thu quang điện B phận thu này là những nhân quang điện loại này hay loại khác tùy theo vùng phổ sử dụng D ng quang điện đo được, được xử lý và lưu giữ, thể hiện ở các hình thức mong muốn Cần chú ý rằng do đ nhạy của đầu thu quang điện và đ tán sắc của máy quang phổ phụ thu c vào ước sóng, do vậy để đo phổ huỳnh quang m t cách chính xác thì ta cần phải chuẩn lại hệ thống thu ánh sáng huỳnh quang theo m t nguồn sáng mẫu nào đó mà sự phân ố năng lượng theo ước sóng của nó đã được iết trước

c.Phân cực kế và phân cực nghiệm :

Phân cực kế và phân cực nghiệm cho phép chúng ta phát hiện sự phân cực của ánh sáng huỳnh quang và đo đ phân cực của nó B phận chủ yếu của những máy này là những lăng kính phân cực Các lăng kính phân cực giữ vai tr như kính phân cực và kính phân tích Việc đo đ phân cực có thể quan sát ằng mắt thường hoặc dùng phương pháp quang điện

1.5.Các phương pháp quang phổ

1.5.1.Phép đo phổ hấp thụ

Khi có nguồn năng lượng từ n ngoài tới kích thích môi trường thì sẽ xảy ra quá trình hấp thụ của môi trường đó Nguồn năng lượng kích thích có nhiều dạng khác nhau, ở đây ta xét nguồn năng lượng kích thích là ánh sáng

Phổ hấp thụ quang h c có vai tr đặc iệt quan tr ng trong nghi n cứu các hạt nano Hiệu ứng giam giữ lượng tử được thể hiện m t cách rõ ràng qua sự d ch chuyển về phía xanh da trời ( lue shift) của ờ hấp thụ theo sự giảm kích thước của chấm lượng tử vì đ r ng vùng cấm, các li n kết hoá h c của tinh thể, các mức năng lượng nằm trong vùng cấm của án dẫn Ngoài ra phổ hấp thụ quang h c là cách nhanh nhất để xác đ nh sự hình thành các chấm lượng tử vì đ r ng vùng cấm của các chấm lượng tử lớn hơn nhiều so với vật liệu khối

Mối li n hệ giữa cường đ tương đối của ánh sáng truyền qua (I) với cường đ ánh sáng tới (I0) được iểu diễn qua công thức:

kl kl

e I

I e

I

0 0

trong đó, k là hệ số hấp thụ, l là đ dày của mẫu

Nếu ỏ qua sự phản xạ, tán xạ, cường đ hấp thụ tương đối của môi trường được tính như sau:

Đây là công thức tính đường cong thực nghiệm diễn tả sự phụ thu c của hệ

số ức xạ theo ước sóng Tại mỗi ước sóng, ta xác đ nh I và I0 sau đó tính Iht tại ước sóng đó Đường Iht xác đ nh phổ hấp thụ tương đối của môi trường

1.5.2.Phép đo phổ huỳnh quang

Hiện tượng huỳnh quang có nguồn gốc từ các chuyển dời ức xạ giữa các mức năng lượng của điện tử khi vật liệu kích thích Trong trường hợp vật liệu kích thích ằng ánh sáng ta có phổ quang huỳnh quang Phổ quang huỳnh quang iểu diễn sự phụ thu c của cường đ huỳnh quang vào ước sóng phát xạ dưới kích thích ằng ánh sáng với ước sóng nhất đ nh nào đó

Nguy n tắc của phép đo phổ huỳnh quang là dùng nguồn sáng kích thích, với năng lượng nhất đ nh phát ra từ đ n làm phổ kích thích phát xạ huỳnh quang của mẫu Tín hiệu phát xạ huỳnh quang đưa vào hệ đo để xử lý rồi phân tích thành ước sóng của phổ và được vẽ ra tr n máy vi tính

Hình 1.11.Sơ đồ khối của hệ đo phổ huỳnh quang [4]

1.5.3.Phép đo phổ kích thích huỳnh quang

Phổ kích thích thu được từ phép đo cường đ của ức xạ huỳnh quang tại m t ước sóng cố đ nh, trong khi tần số hoặc ước sóng của nguồn kích thích được quét với cường đ không đổi Trong thực tế thì do cường đ của ánh sáng kích thích tại mỗi tần số là khác nhau n n phổ kích thích thường được hiệu ch nh ằng cách chia cường đ của ức xạ huỳnh quang IHQ() cho cường đ phổ của nguồn kích thích

IO() Phổ kích thích thu được là sự phụ thu c của cường đ huỳnh quang vào tần số hay ước sóng của ánh sáng kích thích:

)(

)()

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý của phép đo phổ kích thích [9]

Máy đơn sắc

Nhân quang điện

Máy đơn sắc thứ hai được đ nh v ở m t v trí cố đ nh, máy đơn sắc thứ nhất quét trong dải tần số của ánh sáng kích thích cần khảo sát Đầu thu 2 sẽ cho ta phổ

IHQ(), đầu thu so sánh sẽ cho ta phổ I0() Cường đ của phổ kích thích vì vậy sẽ phụ thu c vào xác suất chuyển hấp thụ từ trạng thái cơ ản l n trạng thái kích thích

1.6.Các ứng dụng của huỳnh quang

1.6.1.Phát hiện những bức xạ không trông thấy

M t phần quan tr ng trong phân tích huỳnh quang là phát hiện và nghi n cứu những ức xạ không trông thấy ằng mắt như tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X, tia

…

a.Phát hiện các tia hồng ngoại

Khá nhiều tinh thể huỳnh quang có tính chất nhiệt huỳnh quang Dưới tác dụng của nhiệt đ các điện tử nằm ở những mức đ nh xứ sâu giải phóng khỏi đó để

l n vùng dẫn và tái hợp để phát ánh sáng huỳnh quang Tia hồng ngoại cũng có tác dụng như nhiệt đ n n tia hồng ngoại cũng có thể gây ra hiện tượng huỳnh quang Trong trường hợp này có thể xảy ra 2 khả năng Khả năng thứ nhất là khả năng ức

xạ ánh sáng huỳnh quang khi điện tử được giải phóng để chuyển l n vùng dẫn rồi trở về trạng thái cơ ản Như vậy với loại tinh thể huỳnh quang này thì khi chiếu tia hồng ngoại nó sẽ phát ánh sáng Khả năng thứ hai là khả năng làm tắt ánh sáng huỳnh quang khi các điện tử trở về trạng thái cơ ản mà không ức xạ Như vậy ở đây khi chiếu tia hồng ngoại tr n ề mặt của tinh thể huỳnh quang sẽ xuất hiện những vùng tối Rõ ràng là có thể lợi dụng cả hai khả năng này để phát hiện tia hồng ngoại

Ví dụ khi chiếu tia hồng ngoại tr n tinh thể huỳnh quang kiềm thổ kích hoạt ằng các loại đất hiếm như Ce, Sm hay Eu thì tinh thể này sẽ phát huỳnh quang Với loại tinh thể huỳnh quang kiềm thổ có thể phát hiện những tia hồng ngoại có ước sóng dài đến 1,7 m Ngược lại khi chiếu tia hồng ngoại tr n tinh thể huỳnh quang Sulfua kẽm kích hoạt ằng nguy n tố Cu và Co thì ánh sáng huỳnh quang của tinh thể này sẽ dập tắt

Phát hiện các tia tử ngoại

Như đã iết tia tử ngoại có thể kích thích sự huỳnh quang của phần lớn các chất huỳnh quang Để phát hiện m t cách đ nh tính tia tử ngoại thường người ta dùng thủy tinh uranin Loại thủy tinh này dưới tác dụng của tia tử ngoại sẽ phát ánh sáng màu xanh lá cây Tuy nhi n cường đ huỳnh quang của loại thủy tinh này đối với ước sóng nhỏ hơn 300 nm giảm đi rất nhiều vì sự hấp thụ của ngay chính thủy tinh Thủy tinh uranin không dùng để đo đ nh lượng tia tử ngoại vì hệ số hấp thụ của thủy tinh không đều khi ước sóng thay đổi trong vùng phổ tử ngoại Thuận tiện hơn người ta dùng thạch anh nung chảy với Ce Thạch anh chứa Ce huỳnh quang màu xanh da trời khi kích thích ằng ánh sáng tử ngoại có ước sóng từ 380

đến 250 nm Ưu điểm chủ yếu của thạch anh chứa Ce là hệ số hấp thụ của nó trong vùng phổ đang xét khá đều đặn

Để ghi những ức xạ nằm trong vùng tử ngoại chân không ( < 180 m) người ta không thể dùng các loại kính ảnh thông thường vì lớp nhũ tương tr n kính hấp thụ khá mạnh các tia tử ngoại Để khắc phục trở ngại này người ta tráng tr n lớp nhũ tương m t lớp dầu kỹ thuật Dưới tác dụng của tia tử ngoại dầu sẽ huỳnh quang

Để chụp tia X người ta dùng các màn huỳnh quang ằng CaWO4, MgWO4 hay ZnS.Ag Các màn huỳnh quang màu xanh nước iển hoặc màu tím pha xanh nước iển Khi đặt các màn này tr n kính ảnh rồi chụp tia X thì ánh sáng huỳnh quang do tia X kích thích sẽ tác dụng l n nhũ tương kính ảnh mạnh gấp nhiều lần so với khi chụp trực tiếp tia X

1.6.2.Phân tích huỳnh quang phát hiện trong sinh vật và y học

a.Hiển vi huỳnh quang

Hiện nay vấn đề nghi n cứu sử dụng huỳnh quang được khá nhiều người chú

ý Trong hiển vi huỳnh quang, người ta hoặc là nghi n cứu sự huỳnh quang của chính đối tượng nghi n cứu hoặc là nghi n cứu huỳnh quang của đối tượng sau khi

đã nhu m ằng các chất thích hợp Những thuốc nhu m này g i là những chất huỳnh quang hiện sắc Những chất huỳnh quang hiện sắc thường dùng các chất xaten, tiadin, acridin và m t số những sắc tố huỳnh quang khác như clôrôfin, prôfirin

Hiển vi huỳnh quang dùng để nghi n cứu sự huỳnh quang của các vitmin A,

B2, B6, m t số dẫn suất của vitamin B1, acid nikôtin và m t số những hợp chất khác Trong trường hợp này người ta có thể theo dõi những nơi tập trung các chất kể tr n nằm trong những cơ quan khác nhau của cơ thể và ngay cả trong từng tế ào; đồng