LUẬN văn sư PHẠM vật lý PHÂN TÍCH PHỔ HỒNG NGOẠI DÙNG PHẦN mềm OMNIC SPECTA

GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 5 SVTH: Lê Châu Lâm Phúc - Số sóng  : trong phân tích quang phổ hồng ngoại người ta còn dùng đại lượng sóng là giá trị nghịch đảo của bước sóng:  =  1 2 Tro

Trang 1

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Vương Tấn Sĩ Lê Châu Lâm Phúc

MSSV: 1087068

Lớp SP Vật Lí – Công nghệ K34

Cần Thơ – 05/2012 Cần Thơ 05/2012

Trang 2

Lời Cảm Ơn



Sau một thời gian nghiên cứu dưới sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô, cuối cùng tôi đã hoàn thành khóa học của mình khi thực hiện xong

đề tài “Phân tích phổ hồng ngoại dùng phần mềm OMNIC SPECTA”

Để có thể thực hiện hoàn tất được đề tài và đạt được kết quả, ngoài sự cố gắng của bản thân thì bên cạnh đó tôi còn nhận được rất nhiều sự động viên, giúp đỡ và cổ vũ nhiệt tình từ gia đình, thầy cô, bè bạn Nhân đây tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy Vương Tấn Sĩ đã nhiệt tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt luận văn

Tôi cũng xin cảm ơn đến tất cả mọi người đã ủng hộ, giúp đỡ và các bạn

đã nhiệt tình đóng góp ý kiến góp phần giúp tôi hoàn thành đề tài của mình Một lần nữa xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người

Sinh Viên thực hiện

Lê Châu Lâm Phúc

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



Giáo viên hướng dẫn

Trang 4

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN



Giáo viên phản biện

Trang 5

MỤC LỤC

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1

I Lý do chọn đề tài 1

II Mục đích chọn đề tài 2

III Giới hạn của đề tài 2

IV Phương pháp nghiên cứu 2

V Các bước thực hiện đề tài 3

PHẦN II: NỘI DUNG 3

A THỰC TRẠNG XUNG QUANH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 3

B NGHIÊN CỨU LÍ THUYẾT 4

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ PHÂN TÍCH QUANG HỌC 4

1.1 Bản chất và đại lượng đặc trưng của bức xạ điện từ 4

1.1.1 Tính chất sóng của bức xạ điện từ 4

1.1.2 Tính chất hạt của các bức xạ điện từ 6

1.2 Sự hấp thụ và tán sắc ánh sáng 6

1.2.1 Sự hấp thụ ánh sáng 6

1.2.2 Định luật về sự hấp thụ ánh sáng và phổ hấp thụ của một chất 6

1.2.3 Môi trường có hệ số hấp thụ âm 7

1.2.4 Sự giải tỏa năng lượng sau khi hấp thụ ánh sáng 8

1.2.5 Màu sắc của ánh sáng 8

1.2.6 Sự hấp thụ nguyên tử 9

1.2.6.1 Điều kiện để có sự hấp thụ nguyên tử 9

1.2.6.2 Một số ứng dụng của sự hấp thụ phân tử trong phân tích 10

1.2.7 Một số ứng dụng của sự hấp thụ phân tử trong phân tích 10

CHƯƠNG 2: QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ - NGUYÊN TỬ 11

2.1 Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (UV-VIS) 11

Trang 6

2.1.1.2 Vùng tử ngoại gần và vùng khả kiến 11

2.1.2 Chuyển mức năng lượng electron với hấp thụ bức xạ UV-VIS 12

2.1.3 Định luật Lambert-Beer và hệ số hấp thụ 12

2.1.3.1 Một số khái niệm 12

2.1.3.2 Định luật Lambert-Beer 13

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ UV-VIS 14

2.1.5 Điều kiện áp dụng định luật Lambert-Beer 15

2.2 Quang phổ hấp thụ phân tử 15

2.2.1 Sự hấp thụ bức xạ IR & hình thành các đỉnh trên phổ IR 15

2.2.2 Các ứng dụng của quang phổ hồng ngoại 16

2.2.3 Máy quang phổ hồng ngoại và một số chú ý khi đo 18

2.2.3.1 Máy quang phổ hồng ngoại 18

2.2.3.2 Chuẩn bị mẫu đo phổ IR 18

2.2.3.3 Một số chú ý khi ghi và xử lí phổ IR 19

2.3 Quang phổ hấp thụ và phát xạ nguyên tử 19

2.3.1 Quang phổ hấp thụ nguyên tử 19

2.3.1.1 Nguyên tắc 19

2.3.1.2 Ứng dụng 20

2.3.2 Quang phổ và phát xạ nguyên tử 20

2.3.2.1 Nguyên tắc 20

2.3.2.2 Ứng dụng 21

CHƯƠNG 3: MÁY QUANG PHỔ 21

3.1 Máy quang phổ đo phát xạ 21

3.2 Máy quang phổ đo hấp thụ 23

3.3 Máy quang phổ hấp thụ hồng ngoại 24

3.3.1 Máy quang phổ hồng ngoại dùng hệ tán sắc 25

3.3.2 Máy quang phổ hồng ngoại dùng kính lọc 26

3.3.3 Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 26

Trang 7

4.1 Nguyên lí hoạt động FTIR (Fourier Transform InfraRed) 29

4.1.1 Phổ hồng ngoại 29

4.1.2 Nguyên lí hoạt động của quang phổ kế FT-IR 30

4.2 Máy quang phổ Nicolet 6700 31

4.2.1 Các thành phần chính của máy 31

4.2.2 Cấp nguồn 33

4.2.3 Chọn và cài đặt thiết bị 34

4.2.3.1 Chọn thiết bị 34

4.2.3.2 Cài đăt thiết bị 34

4.3 Thu nhận data dung máy quang phổ Nicolet Omnic 34

4.3.1 Cài đặt một số tùy chọn cho phần mềm 34

4.3.2 Chọn file default.con 34

4.3.3 Thu nhận phổ nền 34

4.3.4 Thu nhận data của mẫu 35

4.3.5 Lưu file data 35

CHƯƠNG 5: CÁC CÔNG CỤ XỬ LÍ DỮ LIỆU 35

5.1 Công cụ chọn 35

5.1.1 Chọn một phổ 36

5.1.2 Chọn một phổ bổ sung 36

5.1.3 Bỏ chọn một phổ 36

5.1.4 Mở rộng khu vực của một phổ 36

5.1.5 Giảm kích thước hiển thị của một phổ 37

5.1.6 Di chuyển lên xuống một phổ 38

5.1.7 Di chuyển một phổ vào bảng phổ khác 38

5.1.8 Kéo phổ vào một cửa sổ quang phổ khác 38

5.1.9 Chọn các chú thích 39

5.2 Công cụ chọn vùng 39

5.2.1 Chọn một vùng của phổ 40

Trang 8

5.3.1 Định vị con trỏ trong phổ 42

5.3.2 Đánh dấu và chú thích các đỉnh phổ đã hiệu chỉnh 43

5.4 Công cụ đo độ cao đỉnh phổ có hiệu chỉnh 43

5.4.1 Đo độ cao đỉnh phổ 44

5.4.2 Đánh dấu và chú thích các đỉnh phổ đã hiệu chỉnh 45

5.5 Công cụ đo diện tích vùng đỉnh 45

5.5.1 Đo diện tích nằm bên dưới đỉnh 45

5.5.2 Chú thích đỉnh phổ với diện tích đã hiệu chỉnh 46

5.6 Công cụ chú thích 47

5.6.1 Thêm một nhãn 47

5.6.2 Chỉnh sửa một nhãn 48

5.6.3 Đổi nội dung một nhãn 48

5.6.4 Di chuyên một nhãn 48

5.6.5 Xóa một nhãn 48

5.6.6 Di chuyển các thông tin lấy mẫu 49

C THỰC HÀNH ỨNG DỤNG PHẦN MỀM OMNIC SPECTA TRONG PHÂN TÍCH PHỔ HỒNG NGOẠI 49

1 Giao diện của Omnic Specta 49

2 Thu nhận data 50

3 Xử lí data 50

3.1 Mở file data của phổ mẫu cần phân tích 50

3.2 Hiệu chỉnh ATR (ATR Correction) 51

3.3 Tự động tối ưu phổ (Auto Optimize) 53

3.4 Hiệu chỉnh mức nền (Correct Baseline) 54

3.4.1 Auto 54

3.4.2 Tùy chỉnh 54

3.5 Mịn hóa phổ (Smooth) 56

3.6 Xác định các đỉnh phổ (Peak) 57

Trang 9

3.7.2 Phổ truyền qua 59

4 Nhận dạng phổ 60

4.1 Thu nhận, xử lí data phổ của 1 mẫu phân tích 60

4.2 Nhận dạng phổ của mẫu 60

4.2.1 Tạo phổ hiệu giữa phổ mẫu và phổ chuẩn trong thư viện 62

4.2.2 Xem thông tin của phổ chuẩn 62

4.2.3 Các xử lí nhận dạng khác đối với phổ mẫu 64

PHẦN III: KẾT LUẬN 81

I NHỮNG ĐIỀU ĐẠT ĐƯỢC 81

II NHỮNG HẠN CHẾ 82

III HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 82

PHẦN IV: TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

Trang 10

GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 1 SVTH: Lê Châu Lâm Phúc

PHẦN MỞ ĐẦU

I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong thời đại công nghệ thông tin đang bùng nổ như hiện nay, việc sử dụng máy vi tính là một nhu cầu rất cần thiết của cuộc sống, vì nó có những ứng dụng thiết thực cho con người mà ta không thể phủ nhận được Sự phát triển với tốc độ như vũ bão của nó đã tác động mạnh mẽ đến tất cả các lĩnh vực của khoa học và đời sống Việc ứng dụng công nghệ thông tin vào học tập, nghiên cứu và những công việc khác đã không còn xa lạ mà trở nên phổ biến và đạt được nhiều hiệu quả khả quan

Như chúng ta đã biết, Vật lí là một môn học thu hút học sinh và những ai đam mê nó chính vì môn học này mang tính chất thực nghiệm Kiến thức vật lí rất rộng lớn, có nhiều vấn đề mà khi ta nghiên cứu thì sẽ có rất nhiều ứng dụng phục vụ cuộc sống của chúng ta Chẳng hạn ta học điện thì công dụng mà điện đem lại cho ta quá rõ ràng, đèn thì được thắp sáng, điện được cung cấp để phục vụ cho các hoạt động của nhà máy, cơ quan, xí nghiệp, trường học,…; học về cơ nhiệt để ta biết được các ứng dụng của nó trong đời sống hằng ngày như đun nước, các hoạt động của động cơ nhiệt, các trò chơi vận động có liên quan đến kiến thức cơ học trong vật lí như: nhảy cao, bơi lội, nhảy xà,… Nhưng bên cạnh đó có những kiến thức mà ta chỉ nghe chứ chưa thấy rõ những ứng dụng cụ thể của chúng Lấy ví dụ như khi ta nghiên cứu quang phổ, ta chỉ hiểu lý thuyết chứ chưa thấy ứng dụng trong cuộc sống Đôi khi chúng ta chỉ nghe nó được phục vụ trong y học mà việc để hiểu rõ cụ thể về nó thì chưa hoàn toàn Đặc biệt cụ thể mỗi phổ có ý nghĩa như thế nào, có hình dạng ra sao và do đâu nó được cấu trúc như vậy, cấu tạo và thành phần hóa học bên trong như thế nào Do cấu trúc hóa học phức tạp vậy, liệu bàn tay thủ công

có làm và bộ óc giới hạn của con người có thể hiểu, phân tích và ghi nhớ hết được hay không Đó còn đòi hỏi sự đầu tư nghiên cứu kĩ và sâu hơn

Như đã nói ở trên, do sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin, nên việc ứng dụng các phần mềm để xử lí phục vụ cho công việc nghiên cứu khoa học ngày càng phổ biến Một trong những phần mềm thì sự tiện ích mà OMNIC đem lại cũng rất có giá trị

Trang 11

khi ta nghiên cứu các vấn đề liên quan đến quang phổ Nó sẽ giúp chúng ta xử lí tốt một mẫu phổ mà thủ công ta khó có thể làm được Có thể kể ra nhiều dạng quang phổ khác nhau như quang phổ hấp thu tử ngoại khả kiến (UV-VIS), quang phổ hấp thu phân tử, quang phổ hấp thu và phát xạ nguyên tử… Nhưng ở đây ta chỉ nghiên cứu một mảng nhỏ

đặc biệt cụ thể là phổ hồng ngoại Chính vì những lí do trên mà tôi chọn đề tài: “ PHÂN

TÍCH PHỔ HỒNG NGOẠI DÙNG PHẦN MỀM OMNIC SPECTA” làm đề tài luận

văn tốt nghiệp của mình Đây là đề tài mà tôi rất thích thú bởi vì nó mang lại cho tôi rất nhiều kiến thức mới cũng như giúp tôi hiểu thêm về quang phổ và cách thức sử dụng phần mềm

II MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu cách phân tích phổ hồng ngoại dưới sự hỗ trợ của phần mềm OMNIC SPECTA, nó sẽ giúp chúng ta hiểu bản chất cụ thể của từng mẫu phổ, thành phần hóa học, cũng như các thông tin cụ thể có trong mẫu phổ Thông qua phần mềm ta có thể biết được những mẫu phổ nào có tính chất gần giống nhau, cho ta một kết quả thật chính xác

về mẫu phổ đó, từ đây chính là bước đệm giúp y học khai thác tốt những ứng dụng của phổ vào trong nghiên cứu và công việc chữa bệnh đạt kết quả cao nhất

III GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Do thời gian thực hiện đề tài có giới hạn nên chưa thể phân tích hết tất cả các mẫu phổ, mà chỉ thực hiện một số mẫu mang tính chất minh họa Mặt khác việc nghiên cứu để hiểu rõ về phần mềm OMNIC SPECTA chưa được tường tận nên việc phân tích cho ra kết quả còn hạn chế rất nhiều Ở đây ta chọn một số mẫu chuẩn có sẵn nên việc phân tích chưa rộng, ta không thu mẫu từ máy quang phổ nên vệc phân tích chỉ mang tính chất lí thuyết nên chưa đạt kết quả tốt nhất và cũng chưa mang tính thực tế cao

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Tìm tòi và nghiên cứu lí thuyết quang phổ

- Tìm hiểu kĩ phần mềm OMNIC SPECTA

- Nhờ sự hướng dẫn và gợi ý của giáo viên

Trang 12

V CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Nhận đề tài, tài liệu, đĩa có phần mềm OMNIC SPECTA

- Đọc tài liệu nghiên cứu nội dung lí thuyết có liên quan, cài đặt phần mềm trên máy tính và tìm hiểu cách sử dụng

- Viết đề cương, sườn bài nhờ giáo viên hướng dẫn nhận xét

A THỰC TRẠNG XUNG QUANH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Thời đại công nghệ thông tin phát triển vượt bậc như hiện nay và những ứng dụng mà

nó mang lại rất thiết thực trong mỗi lĩnh vực cho cuộc sống của chúng ta Đặc biệt khi ta nghiên cứu những gì mang tính chất vi mô thì càng phải đòi hỏi tính chính xác cao thì lẽ

đó nên không thể thiếu sự trợ giúp tích cực từ máy tính và sự hỗ trợ đắc lực của các phần mềm

Trong các ngành liên quan đến phổ chẳng hạn như hóa học, dược, y học khi cần nghiên cứu đến mẫu phổ mà nếu không có phần mềm xử lí thông tin thì khó có thể đạt kết quả tốt nhất Xung quanh chúng ta đều có thể nói mọi thứ đều là đối tượng nghiên cứu của y học, nhưng từ những mẫu thực tế qua máy quét nên ta chỉ có thể thu được một hình dạng phổ Và tới đây thì giá trị của phần mềm cụ thể là OMNIC SPECTA sẽ giúp xử lí

Trang 13

thông tin để cho ra kết quả rõ ràng về thành phần hợp chất đặc trưng ở các đỉnh phổ, hàm lượng chính xác nhất Từ đây ta mới có thể ứng dụng vào phân loại, kiểm nghiệm cho ra các sản phẩm, phục vụ nhu cầu của cuộc sống Với xu hướng phát triển của đất nước, thì việc nghiên cứu bằng thủ công phải được thay bằng những công nghệ tiên tiến nên việc ứng dụng phần mềm OMNIC SPECTA về phân tích phổ hồng ngoại sẽ giúp mang lại những hiệu quả tốt nhất, tiết kiệm được thời gian công sức, tiền của, nhưng đặc biệt tính chính xác được nâng cao hơn

B NGHIÊN CỨU LÍ THUYẾT

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ PHÂN TÍCH QUANG HỌC

1.1 Bản chất và đại lượng đặc trưng của bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ gồm nhiều loại khác nhau như: sóng radio, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn th ấy được, tia tử ngoại, tia X, tia … Về bản chất chúng vừa có tính chất sóng vừa

có tính chất hạt

1.1.1 Tính chất sóng của bức xạ điện từ

Các bức xạ điện từ là những dao động lan truyền theo 1 phương với vận tốc của ánh sáng trong chân không với 2 thành phần là điện trường và từ trường, chúng dao động vuông góc với phương truyền của bức xạ trong 2 mặt phẳng vuông góc với nhau Chính thành phần điện trường của bức xạ điện từ tương tác với các nguyên tử hoặc phân tử gây nên hiệu ứng phổ hấp thu nguyên tử hay phân tử cũng như 1 số các hiệu ứng khác đối với

nguyên tử và phân tử

Các đặc trưng cho dao động của bức xạ là bước sóng và tần số sóng

- Bước sóng () là đại lượng đặc trưng cho các bức xạ điện từ Bước sóng được đo theo các đơn vị độ dài là mét và các ước số hay bội số của mét Một số đơn vị thường dùng là nm và m

- Tần số sóng () là số dao động mà bức xạ điện từ thực hiện trong một giây Như vậy tần số sóng có thể được tính theo công thức: =



c

(1), c: vận tốc ánh sáng

Trang 14

- Số sóng ( ): trong phân tích quang phổ hồng ngoại người ta còn dùng đại lượng sóng là giá trị nghịch đảo của bước sóng:

 =



1

(2) Trong đó bước sóng  được đo bằng centimet nên thứ nguyên của số sóng là cm-1

Vì trong các môi trường khác nhau vận tốc lan truyền của bức xạ là khác nhau cho nên các giá trị bước sóng  và số sóng  sẽ bị thay đổi khi bức xạ truyền từ môi trường này sang môi trường khác Riêng đại lượng tần số sóng  luôn không thay đổi

Bảng 1 Một số miền bức xạ điện từ, tần số và các ứng dụng của chúng

Ánh sáng quang

học

Hồng ngoại xa 1012 – 1014

Phổ IR (Infrared) Hồng ngoại gần 1014 – 4.1014

X, huỳnh quang tia X, nhiễu xạ tia X

Trang 15

Ánh sáng quang học là một phần trong phổ các bức xạ điện từ có tần số nằm trong khoảng 1012

– 1017 Hz Ánh sáng quang học được chia làm 3 miền hồng ngoại, miền nhìn thấy và miền tử ngoại Bảng 1 là một số vùng trên phổ bức xạ điện từ và ứng dụng của nó trong các phương pháp phân tích phổ khác nhau

1.1.2 Tính chất hạt của các bức xạ điện từ

Theo quan điểm hạt, bức xạ điện từ là các hạt mang năng lượng được lan truyền với vận tốc ánh sáng Các hạt mang năng lượng đó được gọi là các photon Các bức xạ điện từ khác nhau có các năng lượng khác nhau

Khi năng lượng của bức xạ điện từ phù hợp với chênh lệch năng lượng giữa các trạng thái năng lượng của nguyên tử hoặc phân tử sẽ gây ra các hiệu ứng thích hợp Muốn có hiệu ứng thì bước sóng của bức xạ điện từ phải thỏa mãn phương trình:

Giả sử có một môi trường đồng tính được giới hạn bởi hai mặt phẳng song song với

bề dày l, một chùm sáng có cường độ I0 rọi vuông góc lên mặt trước môi trường và gọi cường độ của ánh sáng phát ra mặt sau môi trường là I

Bên trong môi trường, hãy tưởng tượng tách ra một lớp mỏng bề dày dx, gọi cường

độ ánh sáng tại mặt trước của lớp mỏng đó là i và tại mặt sau của nó là i+di với di<0 Khi

đó độ giảm cường độ di được xem là tỷ lệ với cường độ i tới lớp và bề dày của lớp dx:

di = - k.i.dx (4)

hệ số k được gọi là hệ số hấp thụ của môi trường

Bỏ qua phần năng lượng ánh sáng phản xạ và tán xạ, biến đổi và lấy tích phân hai vế

ta có:

Trang 16



I l

I

kdx i

di

0

I = I0e-kl (5)Đây là biểu thức của định luật hấp thụ ánh sáng: Khi độ dày của lớp môi trường tăng theo cấp số cộng, cường độ sáng giảm theo cấp số nhân

Định luật này được gọi là định luật Lambert Một số tài liệu khác cho rằng Bouguer là người đầu tiên thiết lập được nó bằng lí thuyết và thực nghiệm nên gọi là định luật Bouguer

Khi đo hệ số k để kiểm nghiệm định luật người ta thấy có thể bỏ qua phần ánh sáng tán xạ nhưng nhất thiết phải tính đến phần ánh sáng phản xạ Định luật nghiệm đúng với chùm sáng có cường độ biến thiên khá rộng nhưng khi cường độ ánh sáng lớn thì hệ số hấp thụ sẽ giảm

Hệ số k là độ giảm cường độ tỷ đối do sự hấp thụ của môi trường trên một đơn vị bề dày Đối với các chất trong suốt khác nhau hệ số k có giá trị khác nhau và rất nhỏ Phần lớn các chất gặp trong thực tế có hệ số k biến thiên theo bước sóng

Đường cong biểu diễn khả năng hấp thụ của một chất theo bước sóng (tần số hay số sóng) được gọi là đường cong hấp thụ hay phổ hấp thụ của chất đó

Thực nghiệm cho thấy phổ hấp thụ của các chất rắn và lỏng thường chứa những dải hấp thụ rộng với hệ số k có giá trị lớn trong một miền phổ rộng hàng chục đến hàng trăm nanomet Chỉ có các khí loãng mới gồm những dải hấp thụ hẹp Nhiệt độ và áp suất càng thấp thì dải hấp thụ càng hẹp

1.2.3 Môi trường có hệ số hấp thụ âm

Thông thường hệ số hấp thụ k của các môi trường là dương và ánh sáng truyền qua môi trường bị làm yếu đi Nhưng cũng có một số môi trường có hệ số hấp thụ k âm với một số bước sóng nào đó của bức xạ Khi đó cường độ bức xạ tương ứng được tăng dần lên khi đi sâu vào môi trường này Môi trường trở thành máy khuếch đại ánh sáng Môi trường có hệ số hấp thụ âm là cơ sở để thực hiện máy phát lượng tử ánh sáng

Trang 17

Ví dụ: Hồng ngọc (tinh thể Al2O3 có một lượng nhỏ tạp Cr2+) khi được chiếu ánh sáng mạnh có khả năng khuếch đại bức xạ 694,4nm; hỗn hợp khí Heli và Neon với tỷ lệ p

= 510 ở áp suất thấp (0,5mmHg) khi được kích thích phóng điện có khả năng khuếch đại

3 bức xạ có bước sóng 3390nm, 1150nm và 632,8nm

1.2.4 Sự giải tỏa năng lượng sau khi hấp thụ ánh sáng

Theo thuyết lượng tử, mỗi hạt sơ cấp (nguyên tử, ion, phân tử) có một hệ thống các trạng thái năng lượng Ở nhiệt độ thường hầu hết các hạt sơ cấp đều ở trạng thái có năng lượng thấp nhất – trạng thái cơ bản Khi một photon ánh sáng đi gần hạt đó, sự hấp thụ có thể xảy ra và chỉ có thể xảy ra khi năng lượng photon đó mang đúng bằng chênh lệch năng lượng giữa trạng thái cơ bản và một trạng thái cao hơn của hạt đó Khi đó năng lượng của photon truyền sang hạt sơ cấp này và nó sẽ được chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn – trạng thái kích thích

M + h = M*

Sau một thời gian rất ngắn (cỡ 10-9

– 10-6 s) tiểu phân ở trạng thái kích thích phục hồi trở lại trạng thái cơ bản có mức năng lượng thấp hơn Quá trình này có thể diễn ra dưới các hình thức khác nhau:

- Khi phục hồi năng lượng thừa được truyền cho các tiểu phân của môi trường xung quanh làm môi trường nóng lên một chút: M*  M + nhiệt

- Sự phục hồi được thông qua sự phân hủy quang hóa của M* thành chất mới hoặc bằng phát huỳnh quang

- Sự phục hồi có kèm theo phát xạ (huỳnh quang, lân quang), đây là sự phục hồi có bức xạ

Trang 18

Bảng 2 Màu của các dải bức xạ chính trong vùng ánh sáng trắng

1.2.6.1 Điều kiện để có sự hấp thụ nguyên tử

Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất giữ được tính chất của nguyên tố Nguyên tử bao gồm hạt nhân và các electron chuyển động quanh không gian của hạt nhân trong các orbital Trong điều kiện bình thường nguyên tử không thu hay phát ra năng lượng dưới dạng các bức xạ Đó là trạng thái bền vững và nghèo năng lượng nhất của nguyên tử Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái hơi nguyên tử tự do, nếu có chùm tia sáng chiếu vào đám hơi nguyên tử đó thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ bức xạ có bước sóng nhất định ứng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ Lúc đó nguyên tử đã nhận năng lượng từ các tia bức xạ và chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản Đó là tính chất đặc trưng của nguyên tử ở trạng thái hơi Quá trình

đó được gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử Phổ sinh ra trong quá trình này được gọi là phổ hấp thụ nguyên tử

Khi nguyên tử hấp thụ năng lượng sẽ làm thay đổi mức năng lượng của electron trong nguyên tử nên phổ nguyên tử cũng là phổ electron Electron trong nguyên tử tham gia hấp thụ hay phát xạ là các electron lớp ngoài cùng vì nó dễ bị kích thích nhất

Nếu năng lượng mà nguyên tử hấp thụ là E thì theo công thức (3) ta có:

Trang 19

điện từ là không liên tục Do đó phổ hấp thụ nguyên tử lộ các vạch hấp thụ tại các bước sóng tương ứng

Nhưng nguyên tử không hấp thụ tất cả các bức xạ mà nó có thể phát ra trong quá trình phát xạ Quá trình hấp thụ chỉ xảy ra với các vạch phổ nhạy, các vạch đặc trưng và các vạch cuối cùng của nguyên tố Cho nên đối với các vạch phổ đó quá trình hấp thụ và phát

xạ là hai quá trình ngược nhau

1.2.6.2 Một số ứng dụng của sự hấp thụ nguyên tử trong phân tích

Tùy thuộc giá trị E là dương hay âm mà quá trình phát xạ hay hấp thụ xảy ra Quá trình huỳnh quang xảy ra khi nguyên tử ở trạng thái kích thích bị mất một phần năng lượng trước khi trở về trạng thái cơ bản kèm theo sự phát xạ ra các bức xạ có năng lượng thấp hơn của bức xạ mà nó nhận được để chuyển lên trạng thái kích thích (ánh sáng kích thích) Do vậy điều kiện cụ thể của nguồn năng lượng dùng để nguyên tử hóa mẫu sẽ quyết định quá trình nào xảy ra là chính

Các ứng dụng của phổ hấp thụ nguyên tử có thể được phân loại theo nguồn năng lượng được nguyên tử hấp thụ (bức xạ, nhiệt, tia lửa điện, plasma…) và quá trình hấp thụ, phát xạ hay huỳnh quang Trong phân tích thường áp dụng các loại phương pháp sau:

- Quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometric - AAS)

- Quang phổ phát xạ nguyên tử (Atomic Emission Spectrocopy - AES)

- Quang phổ phát xạ nguyên tử với nguồn plasma (Inductively Coupled Plasma - ICP)

- Quang phổ huỳnh quang nguyên tử

1.2.7 Một số ứng dụng của sự hấp thụ phân tử trong phân tích

Ứng với sự hấp thụ các bức xạ tử ngoại (UV) có năng lượng lớn có thể dẫn đến sự chuyển từ mức năng lượng E0 lên mức năng lượng E2, sự hấp thụ bức xạ khả kiến (VIS) ứng với sự chuyển lên mức năng lượng E1 Nói cách khác sự hấp thụ bức xạ tử ngoại – khả kiến làm thay đổi mức năng lượng electron Ee và là nguồn gốc của phổ UV-VIS Do

đó phổ UV-VIS là phổ electron

Trang 20

Còn sự hấp thu năng lượng của tia hồng ngoại (IR) chỉ dẫn đến thay đổi các mức năng lượng dao động và chuyển động quay (E và Er) Vì vậy phổ IR thường được gọi là phổ dao động

Những ứng dụng phổ biến của phổ phân tử trong phân tích có thể là:

- Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (UV-VIS)

- Quang phổ hồng ngoại (IR)

- Quang phổ huỳnh quang…

CHƯƠNG 2: QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ - NGUYÊN TỬ

2.1 Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (UV-VIS)

2.1.1 Tính chất vùng phổ tử ngoại khả kiến

Trong phổ các bức xạ điện từ, các tia tử ngoại và khả kiến chỉ chiếm một lượng rất hẹp nằm trong khoảng từ 2 nm – 760 nm Giản đồ năng lượng cho thấy các bức xạ UV và VIS có năng lượng khá lớn nên có thể ảnh hưởng đến các mức năng lượng của electron Tính chất của nguồn cung cấp bức xạ cũng như bộ phận phát hiện của 2 vùng này có nhiều điểm tương đồng nên trong các thiết bị áp dụng phổ tử ngoại thường phối hợp cho

cả vùng khả kiến Người ta chia phổ tử ngoại khả kiến thành các vùng: tử ngoại xa, tử ngoại gần và khả kiến

2.1.1.1 Vùng tử ngoại xa

Vùng tử ngoại xa gồm các tia bức xạ có bước sóng dưới 200nm Vùng này ít được dùng vì có năng lượng khá cao nên có thể phá vỡ liên kết trong phân tử các chất Mặt khác các tia vùng này bị hầu hết các dung môi hấp thụ mạnh thậm chí có thể hóa hơi dung môi, oxy trong không khí cũng hấp thụ mạnh bức xạ có bước sóng 180nm Ngay thạch anh vật liệu thường dùng để làm cốc đo cũng hấp thụ các tia vùng này

2.1.1.2 Vùng tử ngoại gần và vùng khả kiến (VIS)

Vùng tử ngoại gần gồm các tia bức xạ có bước sóng trong khoảng từ 200nm đến 400nm Còn vùng khả kiến gồm các tia bức xạ có bước sóng trong khoảng từ 400nm đến 800nm

Trang 21

Năng lượng của các tia thuộc vùng này có thể làm thay đổi năng lượng electron trong phân tử Các máy đo độ hấp thụ UV-VIS thông thường làm việc được với các bức xạ 190-900nm Thạch anh không hấp thụ các tia tử ngoại nên để đo phổ trong vùng tử ngoại có thể sử dụng cốc đo loại này (cốc quartz) Với các tia nhìn thấy có thể dùng cốc thủy tinh, thậm chí cốc thủy tinh hữu cơ để đo Các loại cốc này có giá thành rẻ hơn rất nhiều so với cốc quartz

2.1.2 Sự chuyển mức năng lượng electron với hấp thụ bức xạ UV-VIS

Các bức xạ UV-VIS có năng lượng khá lớn nên có khả năng làm thay đổi mức năng lượng của các electron từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích Các electron tham gia vào hiệu ứng này có thể là:

- Các electron  trong các liên kết đơn C-C hay C-H,

- Các electron  trong các liên kết bội, hệ thống thơm…

- Các electron n của cặp electron tự do không tham gia liên kết của O, N, các halogen…

Độ bội của trạng thái năng lượng cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ các bức xạ Electron trong phân tử có thể quay xung quanh mình theo 2 chiều ngược nhau có số lượng

tử spin trái dấu nhau (-½và ½) Spin tổng S bằng tổng spin của các electron lớp ngoài Độ bội của trạng thái năng lượng được tính bằng 2 lần giá trị tuyệt đối của spin tổng bằng 0

và có độ bội là 1 được gọi là trạng thái đơn bội hay trạng thái S (Singlet) Nếu 2 electron

đó có spin cùng dấu thì độ bội là 3 và được gọi là trạng thái tam bội hay trạng thái T (Triplet) Những sự chuyển trạng thái S0 lên S* và T0 lên T* là có thể xảy ra nhưng sự chuyển trạng thái S0 lên T* rất khó xảy ra

2.1.3 Định luật Lambert-Beer và hệ số hấp thụ

2.1.3.1 Một số khái niệm

* Độ truyền qua (T - transmittance):

Khi chiếu một chùm tia đơn sắc có cường độ I0 qua một dung dịch có chiều dày (tính

bằng cm) Sau khi bị dung dịch hấp thụ, cường độ chùm tia còn lại là I Độ truyền qua T

được tính dưới dạng % theo công thức:

Trang 22

T = 0

Độ hấp thụ A còn được gọi là mật độ quang (D) hoặc độ tắt (E)

2.1.3.2 Định luật Lambert – Beer và các hệ số hấp thụ

* Định luật Lambert – Beer được phát triển từ định luật Lambert, hệ số k trong biểu thức I = I0.e-kI được biểu diễn qua nồng độ và một hệ số khác nhau (sau khi chuyển đổi cơ

số của logarit) Theo định luật Lambert-Beer thì:

L là bề dày của dung dịch (cm)

C là nồng độ của dung dịch (mol/l)

- Nếu nồng độ tính theo mol/l, khi l = 1cm và C = 1M thì với (4) khi đó

A =  nên  được gọi là hệ số hấp thụ mol

- Nếu nồng độ C tính theo phần trăm (kl/tt) và l tính theo cm thì:

Trang 23

Hệ số hấp thụ mol  hay được sử dụng trong mô tả tính chất quang phổ của các chất hữu cơ, còn trong phân tích kiểm nghiệm thường dùng hệ số hấp thụ riêng 1 %

nó Do đó khi chọn dung môi để chuẩn bị dung dịch đo phổ UV-VIS ngoài việc dựa vào

độ tan của chất cần nghiên cứu còn phải tính đến cả khả năng hấp thụ của chính dung môi Trong quang phổ UV-VIS, dung môi thường được dùng là ethanol 950

hay methanol

* Nồng độ và các tương tác khác trong dung dịch:

Khả năng hấp thụ UV-VIS của dung dịch chỉ tỉ lệ tuyến tính với nồng độ trong một khoảng thích hợp Khi dung dịch quá loãng hay quá đặc có thể gây ra các sai lệch về hóa học do sự phân li (ion hóa) hay tạo các sản phẩm trùng lạ (dimer, trimer…) mà chúng có

độ hấp thụ khác dạng phân tử hay đơn phân tử Sai lệch hóa học còn có thể xảy ra hoặc tăng theo nồng độ do phản ứng của chất nghiên cứu với các chất lạ hay tạo phức với các ion trong dung dịch Để hạn chế sai lệch này người ta thường dùng mẫu trắng của mẫu phân tích Việc dùng mẫu trắng càng cần thiết khi sử dụng các phản ứng “tạo màu” nhằm tạo ra khả năng hấp thụ ánh sáng của dung dịch nghiên cứu Bên cạnh đó các nhà nghiên cứu phải xác định khoảng nồng độ mà khả năng hấp thụ phụ thuộc tuyến tính vào nồng

độ Việc xác định này được tiến hành bằng thực nghiệm

* Thiết bị:

Định luật Lambert - Beer chỉ hoàn toàn đúng với chùm tia đơn sắc Vì với 1 chất ở các bước sóng khác nhau các hệ số hấp thu thường khác nhau Chùm tia sáng đơn sắc thì định luật càng đúng Yếu tố ảnh hưởng của thiết bị dễ thấy nhất là khả năng tạo chùm tia

đơn sắc qua nó

Ngoài ra khi chiếu chùm tia qua mẫu đo, ngoài việc truyền thẳng qua dung dịch, chùm tia có thể còn chịu ảnh hưởng của các hiện tượng quang học khác như phản xạ,

Trang 24

khuếch tán…đặc biệt là hiện tượng tán xạ do dung dịch không đồng nhất về mặt quang học Do vậy dung dịch phải trong suốt để hạn chế hiện tượng phản xạ, tán xạ, khuếch tán ánh sáng…

2.1.5 Điều kiện áp dụng định luật Lambert – Beer

Từ các yếu tố ảnh hưởng nêu trên có thể rút ra các điều kiện cơ bản để có thể áp dụng định luật Lambert – Beer trong tính toán như sau:

- Thiết bị phải có khả năng tạo ra chùm tia có độ đơn sắc nhất định Độ đơn sắc càng cao càng tốt

- Chất thử phải bền trong dung dịch và bền dưới tác dụng của tia UV-VIS

- Dung dịch phải nằm trong khoảng nồng độ thích hợp

- Dung dịch phải trong suốt để hạn chế tối đa các hiện tượng quang học khác

2.2 Quang phổ hấp thụ phân tử

2.2.1 Sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại và hình thành các đỉnh trên phổ IR

Bức xạ hồng ngoại bắt đầu từ vùng nhìn thấy đến vùng vi sóng, được kéo dài từ 0,5m - 1000m

Tuy nhiên người ta quan tâm và sử dụng nhiều bức xạ thuộc vùng 1m - 25m

* Các kiểu dao động của phân tử:

Ở nhiệt độ bình thường các liên kết của các hợp chất đã có sự dao động như sự chuyển dạng của phân tử Hấp thụ bức xạ hồng ngoại làm tăng các dao động này Có hai loại dao động phân tử là dao động hóa trị và dao động biến dạng

- Dao động hóa trị (valence vibration, stretching) là chuyển động chu kì dọc theo trục liên kết làm thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử có liên kết với nhau trong phân

tử

- Dao động biến dạng (deformation vibration, bending) có thể bao gồm thay đổi góc giữa các liên kết hoặc chuyển động của nhóm các nguyên tử so với phần còn lại của phân tử…có thể là các dao động xoắn, uốn, cắt kéo…

Hãy hình dung hai khối cầu nối với nhau bằng một lò xo không trọng lượng thì năng lượng cần thiết để uốn cong bé hơn rất nhiều so với năng lượng để kéo chúng ra xa hay ép

Trang 25

chúng lại gần nhau hơn Chính vì thế mà năng lượng cần cho dao động biến dạng yêu cầu

bé hơn năng lượng cần cho dao động hóa trị tương ứng Bức xạ hồng ngoại có bước sóng lớn hơn 100m được phân tử hữu cơ hấp thụ và chuyển thành năng lượng quay cực phân

tử Sự hấp thụ năng lượng cũng được lượng tử hóa do đó phổ quay của phân tử bao gồm những vạch rõ rệt

Bức xạ hồng ngoại ở trong vùng 1m - 100m được phân tử hữu cơ hấp thụ và chuyển thành năng lượng dao động phân tử và trên phổ xuất hiện những đỉnh rộng hơn vì năng lượng dao động bao giờ cũng kèm theo một số biến thiên năng lượng quay Năng lượng của bức xạ hồng ngoại không đủ để làm thay đổi trạng thái năng lượng của electron

mà chỉ đủ để thay đổi trạng thái dao động nên phổ IR còn được gọi là phổ dao động

2.2.2 Các ứng dụng của quang phổ hồng ngoại

Cường độ của các đỉnh trên phổ hồng ngoại không chi tiết như trong phổ UV-VIS mà chỉ có tính chất tương đối nên ít được sử dụng để định lượng Vì thế quang phổ hồng ngoại chủ yếu được ứng dụng cho định tính các hợp chất

Có 2 ứng dụng chính phổ hồng ngoại như một công cụ phân tích là nhận ra các nhóm chức đặc biệt trong phân tử và định tính các chất bằng cách so sánh với phổ chuẩn Tuy vậy, với sự phất triển của kĩ thuật chuyển dạng Fourier (FT: Fourier Transform) quang phổ hồng ngoại FTIR ngày càng được ứng dụng để định lượng nhiều hơn

Trong quá trình phân lập cũng như tổng hợp hóa học những đỉnh đặc trưng cho các nhóm chức có thể giúp nhận diện cấu trúc của hợp chất chưa biết hay dự kiến tổng hợp ra Với quang phổ hồng ngoại người ta có thể phân biệt giữa 1 aldehyd và 1 ceton hay giữa 1 amin và 1 amid bằng cách xem xét các dữ liệu phổ thu được từ hợp chất phân tích Tuy nhiên trừ các chất rất đơn giản, phổ hồng ngoại của tất cả các chất là rất phức tạp vì vậy thường cần phải biện giải phổ để xác định các nhóm chức có trong hợp chất Trên phổ IR

có thể có hơn 10% đỉnh khó mà gán chính xác cho các nhóm chức cụ thể vì thế nhiều khi phải nhờ hỗ trợ từ kết quả của phổ khối, phổ cộng hưởng từ hạt nhân, thậm chí cả phổ tử ngoại

Trang 26

Đối với hầu hết các hợp chất dạng của phổ IR là đơn nhất và đặc trưng trong vùng

1350 – 750cm-1 được gọi là vùng vân tay (fingerprint) Người ta thường dựa vào tín hiệu phổ trong vùng này để kết luận sự không có mặt của 1 nhóm chức nào đó Nếu trên phổ không có các đỉnh đặc trưng của nhóm chức trong vùng này có thể kết luận là phân tử của chất được ghi phổ không có các nhóm chức này Tuy nhiên cũng cần chú ý một vài đặc trưng có thể cho đỉnh yếu hay đỉnh quá rộng rất khó quan sát

Những vùng quan trọng khác thường được chú ý trong khi biện luận phổ IR là vùng

4000 -2500cm-1 và 2000 – 1500cm-1 Đây là vùng xuất hiện dao động hóa trị của liên kết

đi hydro và vùng dao động của các liên kết bội như anken, carbonyl Dưới đây là 1 số đỉnh đặc trưng trên phổ IR (cm-1

)

* Dao động hóa trị -O-H:

- Không có liên kết hydro: 3600

Trang 27

2.2.3 Máy quang phổ hồng ngoại và một số chú ý khi đo

2.2.3.1 Máy quang phổ hồng ngoại

Máy quang phổ hồng ngoại hiện nay là các máy 2 chùm tia gồm có các bộ phận chính: nguồn bức xạ hồng ngoại, ngăn đựng mẫu đo, bộ phận đơn sắc hóa, hệ thống quang học và bộ phận phát hiện

Bức xạ hồng ngoại được phát ra từ nguồn đốt nóng bằng điện dưới dạng dây tóc hay ống, được điều chế bằng các zirconi oxyd, thori, ceri hay bằng silic carbid

Bộ phận phát hiện có thể là một cặp nhiệt điện hay điện trở nhiệt Chênh lệch tín hiệu giữa 2 chùm tia được khuếch đại và chuyển trực tiếp ra máy ghi hay máy vẽ thành phổ IR, thông thường là biểu thị độ truyền qua T theo số sóng Thời gian ghi phổ bị giới hạn bởi tốc độ di chuyển của bút ghi Kĩ thuật chuyển dạng Fourier cho phép thực hiện đồng thời nhiều quá trình quét với tốc độ cao và các dữ liệu thu được từ các quá trình riêng lẻ được máy tính xử lí kết hợp và nhiễu đường nền bị loại bỏ trước khi phổ được in ra Mặc dù quang phổ FTIR khá đắt nhưng có thể cho phổ phân giải cao nhanh và chỉ cần một lượng mẫu nhỏ Cho nên kĩ thuật này đặc biệt hữu ích trong phân tích nhanh các hợp chất được tách ra khỏi cột sắc kí

2.2.3.2 Chuẩn bị mẫu đo phổ IR

Phổ hồng ngoại có thể đo được với các mẫu rắn, lỏng, và khí

Các mẫu khí hay các chất lỏng có độ sôi thấp được đưa vào các cốc đo có độ dài quang học tương đối lớn khoảng vài chục cm

Các chất lỏng có thể đo trực tiếp hay dưới dạng dung dịch Thông thường các mẫu lỏng được ép giữa 2 cửa sổ muối với doăng mỏng Nếu dùng dung môi thì dung môi phải hoàn toàn khan Nếu phải đo toàn phổ thì phải dùng các cặp dung môi thích hợp, thường dùng là carbon tetraclorid (hầu như không hấp thụ trên 1333cm-1) và carbon disulfide (ít hấp thụ dưới 1333cm-1

)

Các mẫu rắn được phân tán trong KBr hoặc KCl đã sấy khô với tỉ lệ khoảng 1:200 rồi

ép dưới dạng film mỏng dưới áp lực cao có hút chân không để loại bỏ hơi ẩm Cũng có thể trộn thành bột nhão chất rắn cần đo phổ với một lượng dầu parafin hay chất lỏng phù hợp khác và ép bột nhão giữa 2 tấm phẳng trong suốt với hồng ngoại

Trang 28

Trong những trường hợp cần ghi phổ bằng phản xạ nhiều lần, mẫu được chuẩn bị với tấm thali bromo-iodid bằng cách bốc hơi dung dịch của chất cần đo trong dung môi thích hợp hay đặt mẫu rắn tiếp xúc đồng đều trên tấm

2.2.3.3 Một số chú ý khi ghi và xử lí phổ IR

Không 1 qui tắc nghiêm ngặt nào trong biện luận phổ IR, tuy nhiên có 1 số yêu cầu đề

ra trước khi biện luận như sau:

- Phổ phải có độ phân giải và cường độ thích hợp

- Chất đo phổ phải tinh khiết

- Thiết bị phải được chuẩn hóa đúng số sóng (tần số, bước sóng) thường với bản film polystyrene chuẩn

- Chuẩn bị mẫu đo phải thực hiện đúng kĩ thuật, nếu dùng đến dung môi thì cần phải

ghi rõ tên dung môi, nồng độ và bề dày của cốc đo

- Cần chú ý các đỉnh yếu (như là các đỉnh của alkyn và nitril…) nếu cần thiết phải ghi lại phổ với nồng độ mẫu cao hơn

2.3 Quang phổ hấp thụ và phát xạ nguyên tử

Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử là phương pháp xác định nồng độ các nguyên tố trong một chất bằng cách đo độ hấp thụ bức xạ bởi hơi nguyên tử tự do của nguyên tố đó được hóa hơi từ chất thử Phương pháp được tiến hành ở bước sóng của một

trong những vạch hấp thu của nguyên tử cần xác định

2.3.1 Quang phổ hấp thụ nguyên tử

2.3.1.1 Nguyên tắc

Khi nguyên tử ở trạng thái hơi có thể hấp thụ các bức xạ có bước sóng xác định Phổ hấp thụ của các nguyên tử là phổ vạch Vì vậy muốn thực hiện được phép đo quang phổ nguyên tử hấp thu nguyên tử (AAS) cần phải có các quá trình sau:

- Chọn các điều kiện và trang thiết bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu thành trạng thái hơi của nguyên tử tự do

- Chiếu chùm tia sáng thích hợp (với nguyên tố cần phân tích và còn được gọi là bức

xạ cộng hưởng) qua đám hơi nguyên tử vừa tạo ra ở trên Các nguyên tử của nguyên tố cần phân tích trong đám hơi sẽ hấp thu một phần bức xạ và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử

Trang 29

Phần bức xạ bị hấp thu phụ thuộc vào nồng độ của nguyên tử đó trong môi trường hấp thu

- Nhờ các bộ phận của máy quang phổ mà người ta thu, phân ly, và chọn vạch phổ của nguyên tố cần nghiên cứu và đo cường độ của nó

2.3.1.2 Ứng dụng

Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử có thể định lượng được hầu hết các nguyên tố kim loại và một số á kim như As, B nếu như có nguồn bức xạ cộng hưởng Do vậy phương pháp được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp hóa dược, trong sinh hóa, trong ngành dược, trong phân tích lương thực với một số ứng dụng cụ thể như sau:

- Xác định các nguyên tố vi lượng trong các dịch sinh học như huyết tương, máu, dịch não tủy…

- Định lượng các yếu tố vi lượng trong thuốc: Cu, Zn, Fe, Cr, Mn, thành phần dịch truyền

- Xác định hàm lượng của các nguyên tố độc trong môi trường, vật liệu bao gói như

As, Bi, Hg, Pb…

Có thể áp dụng các kĩ thuật định lượng đã được giới thiệu trong chương quang phổ UV-VIS Trong quá trình định lượng cần chuẩn bị mẫu hết sức cẩn thận: dụng cụ phải không được dính các nguyên tố cần định lượng tốt nhất dùng dụng cụ polyetylen dùng một lần, dung môi hóa chất sử dụng đòi hỏi độ tinh khiết cao, khi mang mẫu có độ tinh khiết cao Đặc biệt với kĩ thuật lò, tuy độ nhạy cao nhưng chịu ảnh hưởng đáng kể của tạp chất

2.3.2 Quang phổ phát xạ nguyên tử

2.3.2.1 Nguyên tắc

Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử là phương pháp xác định nồng độ các nguyên tố trong một chất bằng cách đo cường độ các vạch phát xạ của hơi nguyên tử của nguyên tố được hóa hơi từ chất đó Phương pháp được tiến hành ở bước sóng tương ứng với các vạch phát xạ này

Trang 30

2.3.2.2 Ứng dụng

Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử chủ yếu được sử dụng để định hàm lượng các kim loại có trong các dung dịch hay dịch sinh học Việc định lượng được thực hiện bằng cách so sánh các dung dịch thử với các dung dịch chuẩn các nguyên tố cần xác định trước khi điều chỉnh giá trị đọc được về không bằng mẫu trắng Ứng dụng phổ biến nhất của quang phổ phát xạ là định lượng các kim loại kiềm và kiềm thổ Trong các bệnh viện, quang phổ phát xạ nguyên tử được áp dụng phổ biến trong sinh hóa để làm điện giả đồ với các kim loại chủ yếu như Na, K, Ca và theo dõi hàm lượng Li trong máu với các bệnh nhân tâm thần được điều trị bằng lithi carbonat

CHƯƠNG 3: MÁY QUANG PHỔ 3.1 Máy quang phổ đo phát xạ

Trong quang phổ phát xạ, mẫu nghiên cứu được kích thích phát sáng bằng nhiều cách khác nhau (hồ quang, tia điện trong phân tích phát xạ, kích thích bằng chiếu sáng trong huỳnh quang, tán xạ Raman…) Tùy theo năng lượng kích thích các phân tử có thể phân

ly thành nguyên tử tự do rồi phát xạ hoặc phát xạ ngay ở trạng thái phân tử Do đó bức xạ phát ra có thể nằm trong vùng tử ngoại, khả kiến hoặc hồng ngoại Bức xạ này mang thông tin về mẫu nghiên cứu cần được phân tích bằng một máy quang phổ Người ta cần biết các thành phần đơn sắc cũng như phân bố cường độ bức xạ của chúng theo bước sóng Các máy quang phổ đo bức xạ sẽ đáp ứng những yêu cầu này Bộ phận chính trong máy quang phổ là hệ tán sắc Tùy theo bức xạ cần khảo sát nằm trong vùng phổ nào, cường độ mạnh hay yếu, cần năng suất phân giải cao hay thấp…ta phải sử dụng máy quang phổ có cấu tạo phù hợp Chẳng hạn nếu bức xạ nghiên cứu là tử ngoại thì lăng kính, thấu kính phải bằng thạch anh để truyền qua tốt vùng phổ tử ngoại, nếu cần năng suất phân giải cao thì phải dùng cách tử thay cho lăng kính…

Trên thực tế có rất nhiều loại máy quang phổ cấu trúc khác nhau, tuy nhiên về cơ bản cấu trúc gồm: khe máy lối vào, hệ tán sắc, khe máy lối ra kết hợp với một hệ thu phổ Thông thường trong máy quang phổ, người ta sử dụng một khe ở lối ra, kết hợp với một mô tơ bước làm quay cách tử, từng thành phần đơn sắc của phổ sẽ lướt qua khe và được thu trên tế bào quang điện hoặc nhân quang điện Máy quang phổ hoạt động như vậy

Trang 31

được gọi là máy quang phổ đơn kênh Năng lượng ánh sáng thu được chuyển thành tín hiệu điện, sau khi khuếch tán có thể đưa vào máy tự ghi hoặc xử lí và số hóa rồi hiển thị trên màn hình máy tính

Nếu tách rời hệ thu phổ chỉ có khe sáng lối ra thì máy quang phổ gọi là máy đơn sắc, cho các ánh sáng đơn sắc sau khe lối ra Dùng nguồn sáng phổ liên tục chiếu vào khe máy lối vào, quay cách tử ta sẽ được các bước sóng đơn sắc khác nhau ở lối ra

Một đặc trưng của máy quang phổ là năng suất phân giải của máy Với một cấu hình xác định thì năng suất phân giải của máy phụ thuộc vào năng suất phân giải của hệ tán sắc (cách tử, lăng kính) và năng suất phân giải của CCD trong trường hợp thu đa kênh Ta có thể thay đổi cách tử với số vạch khác nhau để có được năng suất phân giải mong muốn trong vùng phổ làm việc Thông thường các nhà sản xuất máy quang phổ đều gợi ý mua kèm theo một tập hợp các cách tử làm việc ở các vùng phổ khác nhau với số vạch/mm khác nhau Các cách tử holography có 1200v/mm, 1800v/mm hoặc 2400v/mm trong khi cách tử thông thường chỉ từ 600 – 1200 vạch/mm Cách tử phản xạ đều có bước sóng phản xạ mạnh nhất đặc trưng và hoạt động trong một vùng bước sóng nhất định

Khe máy (lối vào và lối ra cũng là một bộ phận quan trọng ảnh hưởng năng suất phân giải và chất lượng phổ thu được Độ rộng khe cần được thay đổi tùy theo cường độ ánh sáng tới Thay đổi độ cao sử dụng của khe lối vào cho phép khảo sát phổ ở các vùng khác nhau của nguồn sáng

Với máy quang phổ MS – 125 độ rộng khe vào có thể thay đổi từ 25-1500m và độ cao từ 3 – 12 mm

Khác với máy quang phổ đơn kênh, trong máy thu phổ đa kênh, ở lối ra không dùng khe sáng mà đặt trực tiếp mạng diode (Diode Array PDA) hoặc CCD (Charge coupled device) thu đồng thời toàn bộ phổ của tín hiệu ánh sáng tới Phương pháp chụp ảnh cổ điển thực chất cũng là thu phổ đa kênh, tuy nhiên thay vì phổ được xử lí và hiển thị trên màn hình máy tính chỉ là các vạch phổ với độ đen thay đổi nhũ tương của kính ảnh Các tấm PDA hoặc CCD được đặt trên mặt phẳng tiêu của buồng tối sẽ chuyển tín hiệu quang của phổ đẫ được phân giải thành tín hiệu điện, sau xử lí tín hiệu được hiển thị trên màn

Trang 32

hình Trong trường hợp này hệ tán sắc (cách tử) được đặt cố định, không cần quay bởi một motor bước

Công nghệ quang – điện tử hiện đại đã cho phép người ta chế tạo những máy quang phổ ảnh (Imaging Spectrograph) thu phổ dưới dạng vạch phổ như trên kính ảnh nhưng hiện trên màn hình máy tính Không những thế, nếu sử dụng độ cao của khe nhiều tín hiệu quang được đồng thời đưa vào (bằng các sợi quang) Khi đó phổ của nhiều tín hiệu đồng thời được hiển thị trên màn hình monitor để so sánh và phân tích

Để có được năng suất phân giải cao người ta chế tạo các máy quang phổ cách tử kép

Để thiết kế hệ máy quang phổ cách tử kép người ta ghép nối tiếp hai hệ đơn sắc giống hệt nhau, ví dụ như hệ máy quang phổ cách tử kép MS257 model 77719 của hãng Oriel (USA) Việc ghép nối tiếp giúp làm tăng quang trình Năng suất phân giải và do đó là giới hạn phân li một máy đơn Phổ lối ra của máy đơn sắc thứ nhất được tán sắc một lần nữa bởi máy đơn sắc thứ hai Về lí thuyết nếu loại trừ được quang sai, hệ đơn sắc kép cho độ tán sắc gấp hai lần hệ đơn Cụ thể trong trường hợp này một máy đơn sắc MS257 mode

77719 có độ tan sắc 0,31mm/nm, giới hạn phân li 0,10nm khi ghép thành hệ đơn sắc kép

sẽ có độ tán sắc 0,62mm/nm, giới hạn phân li 0,07nm

3.2 Máy quang phổ đo hấp thụ

Cơ sở của quang phổ hấp thụ là định luật Lambert – Beer Khi chùm sáng cường độ I0

truyền tới một môi trường độ dày l, do ánh sáng bị hấp thụ một phần, cường độ ánh sáng lối ra còn lại là I Nếu cường độ ánh sáng tới không lớn và nếu các hiện tượng phản xạ tán

xạ không đáng kể thì cường độ ánh sáng lối ra tuân theo định luật Lambert như sau:

I = I0.exp(-kl) Trong đó k là hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bản chất môi trường hấp thụ và nồng độ chất hấp thụ C Theo Beer: k = .C

Kết hợp lại ta có định luật Lambert – Beer: I = I0exp(-.C.l)

Thông thường trong quang phổ hấp thụ người ta đo độ truyền qua T = I/I0 hoặc độ hấp thụ

A = -logT = -log{-.C.l)} = (.C.l).log10e = 0,434(.C.l)

Trang 33

Nếu l = 1cm, C = 1mol/l ta có A = 

Để xác định độ hấp thụ A theo bước sóng ta dùng đến máy quang phổ hấp thụ Có thể chia máy quang phổ hấp thụ làm hai loại:

- Máy quang phổ một chùm tia

- Máy quang phổ hai chùm tia

Trong máy quang phổ một chùm tia phải đo hai lần: một lần với cuvet chỉ chứa dung môi, một lần với dung dịch cần phân tích Trong cả hai lần đo phải giữ cường độ chùm sáng tới không đổi Điều này là khó bảo đảm và dẫn tới kết quả không chính xác Để loại trừ nhược điểm này người ta dùng máy quang phổ hai chùm tia Chùm sáng tới được tách làm hai: một chùm đi qua cuvet chứa dung dịch cần đo Sau đó chúng được bố trí cùng đi vào máy thu tín hiệu để xác định tỉ số biên độ và quy ra ngay độ hấp thụ A của mẫu Phép đo độ hấp thụ có thể tiến hành với một vài bước sóng đơn sắc xác định, đặc trưng, khi đó có thể chỉ cần một đèn đơn sắc kết hợp với kính lọc hoặc dùng một tia laser cho bước sóng thích hợp

Thông thường phép đo phổ hấp thụ được tiến hành với một vùng phổ rộng với bước sóng thay đổi liên tục Các nguồn sáng hay dùng trong đo phổ hấp thụ là đèn Volfram – Halogen cho phổ liên tục trong miền tử ngoại Tốt hơn cả là dùng một laser màu có bước sóng thay đổi liên tục trong vùng phổ hấp thụ cần nghiên cứu

Cũng có thể thu phổ hấp thụ theo kiểu đa kênh Khi đó chùm sáng có phổ liên tục truyền thẳng vào cuvet mẫu rồi tới máy quang phổ đa kênh Tín hiệu sau đó được lấy tích phân, xử lí rồi đưa lên màn hình máy tính qua một chương trình đã cài đặt sẵn

3.3 Máy quang phổ hấp thụ hồng ngoại

Để nghiên cứu cấu trúc dao động của phân tử người ta thường dùng phổ hấp thụ hồng ngoại Sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng dao động (quay) của phân tử tương ứng với các bức xạ và hấp thụ mạnh trong vùng hồng ngoại Tùy theo kiểu liên kết phân tử các nhóm hợp chất được đặc trưng bởi những nhóm tần số riêng Do phải hoạt động trong vùng ánh sáng hồng ngoại nên máy quang phổ hấp thụ hồng ngoại có những đặc điểm riêng Chẳng hạn phải chú ý đến sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của hơi nước và CO2 luôn

có trong không khí, hiệu suất quang học của gương và cách tử, tính không ổn định của

Trang 34

nguồn sáng hồng ngoại và độ nhạy của đầu thu hồng ngoại Hầu hết các máy quang phổ hồng ngoại phải được làm khô, sạch (có thể là khí trơ) Đối với máy hồng ngoại xa phải được đặt trong chân không Đối với vùng hồng ngoại trung bình nguồn sáng thường là sứ đốt nóng, đầu thu là cặp nhiệt điện…

Có ba kiểu máy được dùng để đo phổ hấp thụ hồng ngoại:

- Máy quang phổ hồng ngoại dùng hệ tán sắc

- Máy quang phổ hồng ngoại dùng kính lọc

- Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

3.3.1 Máy quang phổ hồng ngoại dùng hệ tán sắc

Trước hết nó cũng có những bộ phận tương tự như máy quang phổ hấp thụ trong vùng khả kiến và tử ngoại, nhưng có những bố trí và thay đổi về nguyên tắc như sau:

Trong máy quang phổ hồng ngoại cuvet chứa mẫu thường đặt trước hệ tán sắc để khử các hiệu ứng do bức xạ hồng ngoại gây ra cũng như bức xạ nhiễu từ ngăn cuvet Trong khi ở máy hấp thụ tử ngoại khả kiến, cuvet thường đặt sau hệ tán sắc để tránh làm phân hủy mẫu

Chùm sáng qua mẫu và chùm chuẩn của máy hồng ngoại thường được biến điệu ở tần

số thấp (5 – 30Hz) do đầu thu hồng ngoại nói chung có phản ứng chậm

Máy hấp thụ hồng ngoại thường là hai chùm tia để khử sự hấp thụ hồng ngoại của dung môi, của môi trường không khí Với cấu trúc hai chùm tia sẽ tránh được tính không

ổn định của nguồn sáng và đầu thu đối với bức xạ hồng ngoại

Vì cường độ của nguồn bức xạ hồng ngoại thay đổi khá nhiều đối với các vùng phổ khác nhau nên một số máy có cài đặt chương trình điều khiển khe máy nhằm bù trừ sự thay đổi này để giữ cho cường độ bức xạ đi vào máy có cường độ gần không đổi Khi cường độ ánh sáng yếu bắt buộc phải mở rộng khe và chấp nhận năng suất phân giải giảm

Trong hệ tán sắc của các máy hấp thụ hồng ngoại, các lăng kính thường làm bằng tinh thể NaCl, LiF hay CaF2…Tuy nhiên những tinh thể này khó bảo quản và đắt tiền nên người ta thường thay bằng cách tử phản xạ Những cách tử dùng cho vùng hồng ngoại cần

Trang 35

có hằng số cách tử lớn hơn khi dùng trong vùng khả kiến Số vạch khoảng 120 vạch/mm

Độ tán sắc thường là 10 nm/mm

Độ hội tụ hay chuẩn trực chùm tia, thay cho dùng thấu kính người ta dùng gương phản xạ Các gương này có đế thường là thủy tinh Pyrex mạ nhôm để tránh giãn nở vì nhiệt Các cuvet, của sổ cũng đều làm bằng vật liệu trong suốt đối với ánh sáng hồng ngoại

3.3.2 Máy quang phổ hồng ngoại dùng kính lọc

Một số máy quang phổ hấp thụ hồng ngoại đặc chủng có thể chỉ cần dùng kính lọc thay cho hệ tán sắc Tiện lợi của nó là gọn nhẹ, linh hoạt di chuyển Loại này thường được dùng để phân tích các chất khí như cyanide hydro, acrylonitric, carbon monoxit, hydrocarbon clorirat

Để tăng quãng đường đi lại của chùm sáng trong môi trường khí hấp thụ ở thiết bị này

có bố trí một cặp gương phản xạ

3.3.3 Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

Một bộ phận quan trọng của máy hồng ngoại biến đổi Fourier là giao thoa kế Michelson Một chùm sáng hẹp từ nguồn được tách ra làm hai nhờ bản bán mạ P, đi đến 2 gương phẳng Phản xạ G1 và G2 Một trong hai gương đó có thể dịch chuyển tịnh tiến được còn gương kia cố định Để quang trình của hai chùm tia gần như nhau khi tới máy thu người ta đặt thêm một bản Q giống hệt P nhưng không bán mạ Giả sử nguồn sáng đơn sắc bước sóng  và được tách ra làm hai chùm sáng có hiệu quang trình bằng 0 khi tới đầu thu Hai chùm sáng tới là kết hợp nên sẽ giao thoa cho vân sáng đầu thu Nếu ta dịch chuyển gương G1 một khoảng /4 thì hiệu quang trình của hai chùm tia sẽ bằng /2 Kết quả là giao thoa cho vân tối trên đầu thu Như vậy khi gương G1 dịch chuyển tịnh tiến một đoạn đủ dài x (nhiều lần của /4) thì trên đầu thu sẽ xuất hiện lần lượt các vân sáng tối liên tiếp

Thành phần tín hiệu xoay chiều do đầu thu ghi được S(x) phụ thuộc vào độ dịch chuyển x có thể mô tả như sau:

S(x) = k.Jcos(4πx/)

Trang 36

Trong đó k là hằng số, J là cường độ bức xạ nguồn bước sóng 

Trong phổ hồng ngoại thay cho tần số và bước sóng người ta hay dùng số sóng:

Do đó f = (2.)/c với  và c là tần số và vận tốc ánh sáng tương ứng Ví dụ, số sóng hồng ngoại trung bình u~ : 1000cm-1 tương ứng tần số  = 3.1013 Hz Giả sử gương dịch chuyển với tốc độ v = 1mm/s thì tần số của tín hiệu thu được: f = (2.)/c = 200Hz

Như vậy, giao thoa kế Michelson cho phép biến đổi ánh sáng có tần số rất cao thành một tín hiệu tần số thấp hơn nhiều (nằm trong vùng sóng âm)

Trong thực tế, ánh sáng tới không đơn sắc, mỗi tần số đơn sắc sẽ cho một hình giao thoa và giao thoa đồ tổng hợp là tổng tất cả các dao động với tần số thay đổi từ -  đến +

Đường biểu diễn I theo  chính là phổ của ánh sáng tới

Muốn xác định phổ I của ánh sáng hồng ngoại nào đó chỉ cần ghi giao thoa đồ tổng hợp S(x) rồi bằng phép biến đổi Fourier sẽ suy ra được I

Với công nghệ máy tính hiện nay phép tính này trở nên khả thi và giải quyết nhanh chóng

Trang 37

Theo công thức trên, để tính một cách chính xác cần phải dịch chuyển gương từ - đến +  nhưng thực tế chỉ có thể dịch gương một khoảng (x)max Giá trị này giới hạn độ phân giải của máy Độ phân giải của máy liên hệ với (x)max như sau:

max

~

) /(

1 ) ( u pl  x

Như vậy khi gương có thể dịch 1 cm thì độ phân giải là 1 cm-1

(u pl  

nên với độ phân giải trên ta thu được  = 0,1nm Độ phân giải này không thua kém hệ tán sắc dùng cách tử

120 vạch/mm

Nếu dùng lăng kính hồng ngoại thì độ phân giải vào khoảng  = 100nm

So với máy quang phổ hồng ngoại dùng hệ tán sắc, máy quang phổ biến đổi Fourier

Trang 38

3.3.4 Máy quang phổ Nicolet 6700 FTI

CHƯƠNG 4: MÁY QUANG PHỔ NICOLET NGUYÊN LÍ HOẠT

Trang 39

Phổ có dạng hình các vân tay tượng trưng cho các đỉnh hấp thu tương ứng tần số dao động giữa các kết nối của nguyên tử tạo thành mẫu Độ cao của đỉnh cho biết số lượng chất có trong mẫu

4.1.2 Nguyên lí hoạt động của quang phổ kế FT-IR

Phép trắc phổ FT-IR được phát triển để vượt qua hạn chế của thiết bị do hiện tượng tán sắc Khó khăn chính là việc xử lí quét mẫu chậm Một phương pháp đo đồng thời tất

cả các tần số của tín hiệu hồng ngoại là rất cần thiết Để giải quyết vấn đề, người ta đưa ra giải pháp là dùng một thiết bị quang học đơn giản là giao thoa kế để tạo ra một tín hiệu duy nhất có chứa tất cả các tần số của tín hiệu hồng ngoại đã được mã hóa Tín hiệu này được đo rất nhanh cỡ 1s

Hầu hết các giao thoa kế sử dụng thiết bị tách chùm tia từ một chùm tia hồng ngoại tới thành hai chùm tia:

- Một chùm phản xạ trên một gương phẳng đặt ở một nơi cố định

- Một chùm phản xạ trên một gương phẳng di động trên một khoảng cách thiết bị tách chùm tia cỡ vài mm

Hai chùm tia phản xạ lần lượt trên các gương lại tái hợp nhau tại thiết bị tách tia tạo

ra hiện tượng giao thoa Hình giao thoa có đặc tính duy nhất là mọi điểm data trên hình (là một hàm theo vị trí của gương đang dịch chuyển) tạo nên một tín hiệu mang thông tin là mọi tần số của tín hiệu hồng ngoại

Điều này có nghĩa là khi hình giao thoa được đo, tất cả các tần số hồng ngoại đồng thời cũng được đo Như vậy dùng giao thoa kế sẽ mang đến kết quả đo cực kì nhanh

Vì các nhà phân tích yêu cầu phổ tần số để thực hiện nhận dạng mẫu trong khi tín hiệu giao thoa đo được không giải thích trực tiếp được điều gì nên cần phải giải mã Tín hiệu được giải mã ra phổ tần sử dụng thuật toán “Phép biến đổi Fourier”

Quang phổ kế Nicolet 6700 dùng kĩ thuật FT-IR hỗ trợ tìm ra các vật liệu chưa biết, xác định định tính và định lượng các thành phần có trong hợp chất một cách nhanh chóng

Trang 40

4.2 Máy quang phổ Nicolet 6700

4.2.1 Các thành phần chính của máy

- Các bộ phận nhìn từ bên ngoài

- Các bộ phận bên trong

Định dạng
Số trang	92
Dung lượng	4,59 MB