Thiết kế chế tạo cảm biến quang học sử dụng smartphone

14 1.8 Độ nhạy của cảm biến CMOS khi có bộ lọc Bayer và độ nhạy của cảm biến CCD sử dụng trong các máy quang phổ.. 19 1.13 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để xác định nồng độ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS MAI HỒNG HẠNH

gia đình mạnh khoẻ và đạt được nhiều thành công trong các nghiên cứu mới.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô khoa Vật lý - Trường Đại học KHTN,đặc biệt là các thầy, cô giáo trong bộ môn Quang lượng tử đã hướng dẫn tạo mọi điềukiện cho em được học tập và hoàn thành luận văn này

Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo, các cán bộ Phòng Sau đại học, Phòng Côngtác và chính trị sinh viên, trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN đã tạo điềukiện thuận lợi trong quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Hoàng, Tâm và các bạn/em khác trong nhóm

đã luôn hỗ trợ nhiệt tình cho tôi/anh trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này

I also would like to thank International Foundation for Science (IFS), holm, Sweden, and by the Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons(OPCW) grant for supporting this work

Stock-Hà Nội, tháng 1 năm 2020

Học viên

Lê Trần Thịnh

(OPCW), through a grant to Dr Hanh Hong Mai Grant NO I-2-W-6258-1

Danh sách hình vẽ x

Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt xii

1.1 Cảm biến quang học 5

1.1.1 Bộ phận nhận biết 6

1.1.2 Bộ phận chuyển đổi tín hiệu 6

1.1.3 Bộ phận thu nhận và xử lí tín hiệu 7

1.1.3.1 Ống nhân quang điện 7

1.1.3.2 Điốt quang 8

1.1.3.3 CCD 10

1.1.3.4 CMOS 12

1.1.4 Các thông số của cảm biến quang học 15

1.1.4.1 Độ nhạy, khoảng hoạt động và giới hạn phát hiện 15

1.1.4.2 Độ chọn lọc và tin cậy 16

1.1.4.3 Thời gian phản hồi 16

1.1.4.4 Tính lặp lại, độ ổn định 16

1.2 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone 17

1.2.1 Thiết bị cảm biến quang dựa trên nguyên lý đo độ màu 18

1.2.1.1 Nguyên lý đo độ màu 18

1.2.1.2 Cảm biến quang sử dụng smartphone hoạt động dựa trên nguyên lý đo độ màu và ứng dụng 20

1.2.2 Thiết bị cảm biến quang dựa trên nguyên lý đo quang phổ 23

1.2.2.1 Nguyên lý đo quang phổ 23

1.2.2.2 Cảm biến quang sử dụng smartphone hoạt động dựa trên nguyên lý đo quang phổ và ứng dụng 30

1.3 Một số chất hữu cơ độc hại có trong nước thải 34

1.3.1 Methyl orange 34

1.3.1.1 Tính chất 34

1.3.1.2 Tính độc hại 35

1.3.2 Methyl violet 35

1.3.2.1 Tính chất 35

1.3.2.2 Tính độc hại 36

1.3.3 Rhodamine B 36

1.3.3.1 Tính chất 37

1.3.3.2 Tính độc hại 37

1.3.4 Coumarin 38

1.3.4.1 Tính chất 38

1.3.4.2 Tính độc hại 39

2 Thực nghiệm 40 2.1 Cấu trúc thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone 40

2.1.1 Nguyên lý hoạt động 40

2.1.2 Thiết kế và chế tạo 42

3 Kết quả và thảo luận 623.1 Kết quả đo phổ hấp thụ của thiết bị cảm quang sử dụng smartphone 623.1.1 Kết quả đo phổ hấp thụ của Methyl Orange 623.1.2 Kết quả đo phổ hấp thụ của Methyl Violet 653.1.3 Kết quả đo phổ hấp thụ của Rhodamine B 683.2 Kết quả đo phổ huỳnh quang của thiết bị cảm biến quang sử dụngsmartphone 703.2.1 Kết quả đo phổ huỳnh quang của Coumarin 703.3 Kết quả đo phổ bằng ứng dụng xử lý ảnh 73

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN

1.1 Sơ đồ cảm biến quang học. 6

1.2 Ống nhân quang điện[24] 7

1.3 Sơ đồ nguyên lí hoạt động ống nhân quang điện[24] 8

1.4 Một số loại điốt quang của hãng Thorlab[36] 9

1.5 Burried channel capacitor CCD pixel[4] 11

1.6 Cấu trúc của CMOS[4] 13

1.7 Bộ lọc Bayer và cách thức hoạt động của bộ lọc[19] 14

1.8 Độ nhạy của cảm biến CMOS khi có bộ lọc Bayer và độ nhạy của cảm biến CCD sử dụng trong các máy quang phổ 14

1.9 Nội suy Bayer để tạo nên màu một điểm ảnh 15

1.10 Hình ảnh của điện thoại thông minh của một số hãng trên thế giới 17

1.11 Ánh sáng truyền qua dung dịch 18

1.12 Nguyên lý hoạt động của máy đo màu [17]. 19

1.13 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để xác định nồng độ streptomycin và hình ảnh camera ghi nhận được khi ánh sáng truyền qua mẫu Streptomycin)[16] 20

1.14 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để xác định nồng độ tetracycline trong sữa (trái), và sự thay đổi màu sắc của ảnh chụp khi nồng độ tetracycline thay đổi với các màu hộp khác nhau (trái) A, B, C và D là các màu sắc khác nhau của hộp đựng hệ đo[12] 21

1.18 Một khe hẹp của hãng Thorlab với độ rộng khe là 200 µm [37] 25 1.19 Một số lăng kính của hãng Thorlab với các vật liệu khác nhau [35]. 26

1.20 Trong lăng kính tán sắc, chiết suất phụ thuộc vào bước sóng dẫn đến

các màu khác nhau khúc xạ ở các góc khác nhau, do đó ánh sáng trắng bị tách thành phổ [25] 26

1.21 Cách tử nhiễu xạ của hãng Thorlab [38] . 27

1.22 (a) Cách tử phản xạ: ánh sáng tới và các tia nhiễu xạ nằm về cùng

một phía của cách tử.(b) Cách tử truyền qua: ánh sáng tới và các tia nhiễu xạ nằm về hai phía của cách tử[5] 29

1.23 Cách tử nhiễu xạ lý tưởng và cách tử DVD 30

1.24 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để đo pH (trái), và kết

quả thu được từ thiết bị với các dung dịch có nồng độ pH trong khoảng

từ 4 đến 9 tăng dần tương ứng từ (i) đến (vii)[13] 31

1.25 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để đo glúcose (trái),

và kết quả thu được từ thiết bị với dung dịch ABTS/HRP/GOx khi có glucose theo thời gian[15] 32

1.26 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone đa kênh trong ứng dụng

ELISA (trái), và hình ảnh chụp được từ camera của thiết bị với các nồng độ BSA từ 0.125–1.5 mg/mL (phải)[8] 332.1 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hấp thụ của một kênh 402.2 a) Phổ của đèn LED trước (Io) và sau khi đi qua mẫu dung dịch Rho- damine B (I) được đo bằng thiết bị Avantes, b) Phổ hấp thụ của Rho- damine B sau khi được tính toán 412.3 Sơ đồ nguyên lý phép đo huỳnh quang của một kênh 42

2.4 Mô hình của toàn bộ thiết bị được dựng bằng phần mềm AutoCad 432.5 Hình vẽ phối cảnh của bộ phận gá mẫu và nguồn sáng LED sử dụng cho phép đo hấp thụ 442.6 Hình vẽ từ trên xuống của bộ phận gá mẫu 452.7 Hình vẽ phối cảnh bộ phận gá mẫu và nguồn sáng Laser điot sử dụng cho phép đo huỳnh quang 462.8 Hình vẽ phối cảnh bộ phận cách tử 472.9 Hình ảnh của thiết bị khi chưa lắp thêm phần nguồn sáng cho phép

đo huỳnh quang 48

2.10 Hình ảnh của thiết bị khi lắp thêm phần nguồn sáng cho phép đo

2.13 Sự phụ thuộc của bước sóng vào vị trí điểm ảnh (pixel) 50

2.14 Hình ảnh của laser điôt được sử dụng trong phép đo huỳnh quang(trái),

và phổ tương ứng của laser điôt (phải) 52

2.15 Công suất của laser điot theo thời gian 52

2.16 Hình ảnh của đèn LED được gắn trên thiết bị cảm biến quang sử dụng

smartphone (trái),và phổ tương ứng của đèn LED (phải) đo bằng thiết

bị cảm biến quang (nét liền) và đo bằng thiết bị Avantes (nét đứt) 53

2.17 Hai vị trí bước sóng 449 nm và 534 nm trên phổ của đèn LED . 54

2.18 Tỉ số I/Io theo thời gian (Io là cường độ sáng khi vừa bật đèn)) 55

2.19 Phổ đèn LED đo bằng thiết bị cảm biến quang tại các kênh 56

2.20 Bộ thiết bị quang phổ của hãng Avantes . 57

2.21 Thiết bị AvaSpec-ULS2048LTEC-RS-USB2 58

2.22 Hệ gá mẫu CUV-ALL-UV/VIS (trái), sợi quang FC-UVIR400-1 (phải) 59

với các nồng độ Methyl Orange từ 0.01 mM – 0.035 mM b) Phổ hấp thụ của Methyl Orange đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ Methyl Orange từ 0.01 mM – 0.035 mM. 633.2 Đường chuẩn đo phổ hấp thụ của Methyl Orange bằng thiết bị cảm biến quang (ký hiệu - hình tròn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu

- hình vuông) và đo tại bước sóng 463 nm với các nồng độ Methyl Orange từ 0.01 mM – 0.035 mM. 643.3 a) Phổ hấp thụ của Methyl Violet đo bằng thiết bị cảm biến quang với các nồng độ Methyl Violet từ 0.005 mM – 0.03 mM b) Phổ hấp thụ của Methyl Violet đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ Methyl Violet từ 0.005 mM – 0.03 mM. 663.4 Đường chuẩn đo phổ hấp thụ của Methyl Violet bằng thiết bị cảm biến quang (ký hiệu - hình tròn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu - hình vuông) và đo tại bước sóng 569 nm với các nồng độ Methyl Violet từ 0.005 mM – 0.03 mM. 673.5 a) Phổ hấp thụ của Rodamine B đo bằng thiết bị cảm biến quang với các nồng độ Rodamine B từ 0.0025 mM – 0.009 mM b) Phổ hấp thụ của Rodamine B đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ Rodamine

B từ 0.0025 mM – 0.009 mM. 683.6 Đường chuẩn đo phổ hấp thụ của Rhodamine B bằng thiết bị cảm biến quang (ký hiệu - hình tròn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu - hình vuông) và đo tại bước sóng 563 nm với các nồng độ Rhodamine

B từ 0.0025 mM – 0.009 mM. 69

3.7 a) Phổ huỳnh quang của Coumarin đo bằng thiết bị cảm biến quang với các nồng độ Coumarin từ 0.002 mM – 0.017 mM b) phổ huỳnh quang của Coumarin đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ Coumarin

từ 0.002 mM – 0.017 mM. 713.8 Đường chuẩn đo phổ huỳnh quang của Coumarin bằng thiết bị cảm biến quang (ký hiệu - hình tròn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu - hình vuông) và đo tại bước sóng 526 nm với các nồng độ Coumarin

từ 0.002 mM – 0.017 mM. 723.9 Giao diện của Ứng dụng (App) sau khi xử lý ảnh và cho ra đồ thị biểu diễn phổ hấp thụ theo bước sóng của Rohdamin B ở sáu kênh. 74

3.2 Nồng độ các mẫu Methyl Violet 65

3.3 Nồng độ các mẫu Rhodamine B 68

3.4 Nồng độ các mẫu Coumarin 70

3.5 Nồng độ các mẫu Rhodamine B 73

PLA - Polylactic Acids

CCD - Charge Coupled Device - linh kiện tích điện kép

CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor - bán dẫn oxit kim loạibù

LOD - Limit of detection - giới hạn phát hiện

AuNP - Gold nanoparticle - hạt nano vàng

ELISA - Enzyme-linked Immunosorbent assay - xét nghiệm miễn dịch enzymepha rắn

LED - Light Emitting Diode - điốt phát quang

trình đã được xả trực tiếp vào đường ống, các chất ô nhiễm hữu cơ, các kim loại đãthâm nhập vào nguồn nước Không chỉ ở các khu công nghiệp thì ngay các làng nghềthủ công truyền thống hay khu chăn nuôi, chế biến thực phẩm nước thải từ các hoạtđộng sản xuất không được xử lí cũng được thải trực tiếp ra môi trường, đặc biệt chúngthường nằm ngay trong khu dân cư [1] Ô nhiễm nước không chỉ ảnh hưởng trực tiếpđến môi trường mà còn là mối nguy hại lớn với sức khỏe người dân Theo thống kêmỗi năm có đến 9000 người chết vì ô nhiễm nguồn nước, và phát hiện 100.000 trườnghợp ung thư mỗi năm mà nguyên nhân chính là do sử dụng nguồn nước ô nhiễm [2].Khảo sát 37 xã mang tên “làng ung thư” đã có 1.136 người chết vì các bệnh ung thư.Ngoài ra, còn có 380 người ở các xã lân cận cũng chết bởi ung thư [3].

Hiện nay, để đánh giá mức độ ô nhiễm đã có rất nhiều phương pháp lý, hóa đượcđưa vào sử dụng Trong các phương pháp lý nổi bật là phép đó quang học (huỳnhquang, hấp thụ, truyền qua), đây là những một trong những phép đo nhanh, chính xác,không phá hủy mẫu và thường được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu, xác định địnhlượng sự có mặt của các chất trong mẫu ở nồng độ rất thấp Để tiến hành các phép

đo này, người ta thường sử dụng các thiết bị phân tích quang phổ đắt tiền và đượcđặt cố định trong phòng thí nghiệm Mặc dù các thiết bị này có độ nhạy, độ tin cậycao, và khả năng xác định sự có có mặt của các chất ở nồng độ rất thấp nhưng chúng

phục những khó khăn này, các nhà khoa học đang hướng tới việc phát triển các thiết

bị quang học cầm tay, nhỏ gọn, với độ tin cậy cao, đặc biệt là phát triển các cảm biếnquang học cầm tay sử dụng điện thoại thông minh (smartphone) [9][10][7][6]

Trong những năm gần đây, smartphone đang dần trở nên phổ biến và là một phầntrong cuộc sống hàng ngày của chúng ta Smartphone ngày càng được trang bị những

vi xử lí mạnh mẽ với khả năng tính toán cực lớn cùng với đó là những công nghệ bêntrong smartphone cung cấp nhiều tính năng cho các ứng dụng khác nhau Đặc biệtcác smartphone hiện nay đều được tích hợp thêm camera (máy ảnh kĩ thuật số) Với

sự phát triển của công nghệ cảm biến ảnh CMOS, chất lượng của các camera trênsmartphone đang có những cải tiến và nâng cấp vượt trội Nhiều nhóm nghiên cứutrên thế giới hiện đang tích cực phát triển hoặc chuyển đổi smartphone thành công cụcảm biến quang học cho các ứng dụng khác nhau như đo quang phổ [9], đo độ màu[10], cảm biến cộng hưởng plasmon bề mặt [7], nhận diện thuốc [6]

Nguyên lý hoạt động của các thiết bị này đó là sử dụng một nguồn sáng ở bênngoài (LED, Laser, nguồn đèn) chiếu vào mẫu, ánh sáng sau khi tương tác với mẫu

sẽ được đưa qua hệ thống thấu kính và cách tử để tán xạ và cuối cùng là được chiếutới CMOS của smartphone Các CMOS này có thể được sử dụng như một đầu dò(detetor) để xử lý các tín hiệu quang học đưa với độ tin cậy cao Cùng với sự pháttriển mạnh mẽ của công nghệ CMOS kết hợp những đặc tính nổi bật của smartphonenhư có khả năng kết nối internet, các phần mềm ứng dụng thông minh, dễ sử dụng,hiển thị dễ dàng nên các thiết bị cảm biến quang học dựa trên điện thoại thông minh

có những đặc tính nổi trội như giá thành rẻ, nhỏ gọn, dễ sử dụng, dễ vận chuyển vàthân thiện với người dùng

Mặc dù các thiết bị quang học được phát triển dựa trên smartphone có những ưuđiểm nổi bật, hứa hẹn nhiều tiềm năng nhưng đây vẫn là một hướng nghiên mới và

công nghiệp dệt nhuộm và công nghiệp thực phẩm như Rohdamin B, Methyl Violet,Methyl Orange và Coumarin trong nước.

Thiết bị sử dụng cách tử nhiễu xạ từ DVD, phần khung được làm từ vật liệuPolylactic Acids (PLA) sử dụng công nghệ in 3D Thiết bị có băng thông 300nm (từ400nm đến 700nm) với độ phân giải 0,168 nm/pixel Đặc biệt thiết bị cho phép đođược nhiều mẫu trong một phép đo giúp tiết kiệm thời gian nhưng vẫn giữ được thiết

kế đơn giản Sau khi được chế tạo thiết bị được thử nghiệm trong việc xác định nồng

độ các chất hữu cơ độc hại, bị cấm trong công nghiệp dệt nhuộm và công nghiệp thựcphẩm Độ chính xác của thiết bị được đánh giá thông qua việc so sánh với kết quả thuđược từ thiết bị đo trong phòng thí nghiệm

Luận văn bao gồm 4 chương:

• Chương 1: Tổng quan

Trình bày tổng quan về cảm biến quang học cũng như nguyên lý hoạt độngchung thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone dựa trên phép đo độ màu vàphép đo quang phổ Trình bày một số ứng dụng của các thiết bị cảm biến quangdựa trên smartphone

• Chương 2: Thực nghiệm

Trình bày quy trình xây dựng thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone dựatrên phép đo quang phổ và chuẩn hóa thiết bị

• Chương 3: Kết quả và thảo luận

Khảo sát thiết bị cảm biến quang dựa trên smartphone Trình bày kết quả thuđược từ phép đo hấp thụ và huỳnh quang để xác định nồng độ các chất hữu cơđộc hại, bị cấm trong công nghiệp dệt nhuộm và công nghiệp thực phẩm như

Rohdamin B, Methyl Violet, Methyl Orange và Coumarin trong nước.

• Chương 4: Kết luận

Kết luận chung của toàn luận văn

quang học Cảm biến quang học có khả năng thu nhận tin hiệu quang từ các đối tượngcần nhận biết sau đó chuyển đổi thành tín hiệu điện có thể xử lí và đọc được.

So với các loại cảm biến khác như cảm biến điện tử, điện hóa, hóa học hoặc cơhọc, cảm biến quang nổi bật với những ưu điểm như cho kết quả nhanh, chính xác, ít

bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài và đặc biệt là không phá hủy mẫu Cảm biếnquang học được sử dụng nhiều trong hóa phân tích và vật lý, như đo phổ huỳnh quang,phổ tán xạ Raman, đo độ màu và bề mặt cộng hưởng plasmon

Cảm biến quang học sẽ bao gồm 3 bộ phận chính như trong hình 1.1: (1) Bộphận nhận biết dùng để tạo ra các tín hiệu quang đặc trưng của các đối tượng cầnnhận biết (2) Bộ phận chuyển đổi tín hiệu đóng vai trò chuyển đổi tín hiệu phức tạpthành tín hiệu đã được phân tách (3) Bộ phận thu nhận và xử lí tín hiệu đóng vai tròtiếp nhận các tín hiệu quang và chuyển đổi thành tín hiệu điện có thể xử lí và đọcđược, từ đây đưa ra thông tin về đối tượng cần nhận biêt

Hình 1.1: Sơ đồ cảm biến quang học.

1.1.1 Bộ phận nhận biết

Bộ phận nhận biết có chức năng tương tác với các đối tượng cần nhận biết đượcđưa vào hệ thống cảm biến nhằm tạo ra tín hiệu quang đặc trưng Các đối tượng nhậnbiết là các mẫu chất hóa học dưới những dạng như dung dịch, dạng màng, bột, Trong các cảm biến đo phổ huỳnh quang, bộ phận nhận biết là nguồn sáng cókhả năng kích thích mẫu để tạo ra ánh sáng huỳnh quang Trong các cảm biến đo độmàu và đo phổ hấp thụ, bộ phận nhận biết là nguồn sáng có phổ nằm trong vùng hấpthụ của mẫu

1.1.2 Bộ phận chuyển đổi tín hiệu

Tín hiệu quang từ bộ phận nhận biết đi tới bộ phận chuyển đổi thường là ánhsáng đa sắc Các ánh sáng này sau khi ra khỏi bộ phận chuyển đổi sẽ trở thành các tiađơn sắc Bộ phận chuyển đổi tín hiệu thường là một hệ thống các linh kiện quang học

là linh kiện thuộc lớp ống chân không như ống nhân quang điện hay lớp linh kiện bándẫn như photodiode, CCD, CMOS,

1.1.3.1 Ống nhân quang điện

Ống nhân quang điện hay PMT (photomultiplier tube) là một linh kiện điện tửthuộc lớp ống chân không, tuy nhiên nó đặc biệt cực kỳ nhạy với ánh sáng trong vùng

tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại gần Ống nhân quang điện cho phép nhân dòng điệnđược tạo ra bởi ánh sáng lên 100 triệu lần (160 dB) do đó nó có thể nhận biết đến từngphoton riêng lẻ khi ánh sáng tới vô cùng yếu [24]

Hình 1.2: Ống nhân quang điện [24].

Ống nhân quang điện thông thường được cấu tạo như hình 1.5, bao gồm mộtống thủy tinh được hút chân không, một photocathode, một anode, rất nhiều dynode

và một số linh kiện bổ trợ khác Khi các photon tới photocathode, các electron củaphotocathode sẽ hấp thụ năng lượng của photon và thoát khỏi nguyên tử Bản thânphotocathode được làm từ vật liệu cảm quang thích hợp có công thoát electron thấp

do đó electron dễ dàng bật khỏi photocathode Eletron phát xạ sau đó sẽ được điềuhướng và gia tốc bởi điện trường của thấu kính tĩnh điện và di chuyển tới dynode Khiđập vào dynode, electron làm bật ra thêm electron mới (electron thứ cấp) với hệ sốnhân phụ thuộc vật liệu phủ mặt dynode và động lượng electron, và thường cỡ 5 lần.Dãy dynode có hình dạng và vị trí thích hợp nhằm thực hiện nhiều lần khuếch đại, vàkết thúc ở anode, tạo ra dòng xung điện.

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lí hoạt động ống nhân quang điện [24].

Sở hữu độ khuếch đại cao, nhiễu thấp, đáp ứng siêu nhanh cùng dải tần số làmviệc lớn, tất cả những điều này khiến cho ống nhân quang điện hiên nay vẫn giữ vaitrò quan trọng không thể thay thế trong nhiều lĩnh vực như các thiết bị của ngành vật

lý hạt cơ bản, thiên văn, chẩn đoán y tế, thiết bị nhìn đêm

Hình 1.4: Một số loại điốt quang của hãng Thorlab [36].

Thông thường thì điốt có dòng điện dò, ở điốt quang gọi là dòng tối, là dòng khikhông có photon chiếu vào Dòng điện qua điốt quang là tổng của dòng quang điện

và dòng dò Để tăng độ nhạy cảm biến thì công nghệ chế tạo phải hạn chế được dòngdò

Điốt quang có ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử, đặc biệt là các thiết bị

đo đạc, giám sát, truyền dẫn thông tin, điều khiển, liên quang đến ánh sáng Tùy vàomục đích sử dụng mà điốt quang được chế tạo bằng các loại vật liệu khác nhau dẫnđến việc có các vùng hoạt động riêng biệt

Chất bán dẫn Ký hiệu hóa học Vùng bước sóngSilicon Si 190 - 1100Germani Ge 400 - 1700Arsenua indi InAs 800 - 2600Sulfua chì(II) PbS 1000 – 3500Tellua cadmi-thủy ngân HgCdTe 400 – 14.000

Tellua cadmi CdTe 5000 – 20.000

Bảng 1.1: Một số loại vật liệu thường được dùng trong chế tạo điốt quang [23].

1.1.3.3 CCD

Cảm biến CCD (Charged Coupled Device) hay linh kiện điện tử kép được phátminh năm 1970 bởi Willard Boyle và George Smith tại Bell Laboratories, USA (Nobel2009) CCD ban đầu được phát triển làm bộ nhớ dạng thanh ghi dịch, tuy nhiên việclinh kiện này nhạy với ánh sáng cho thấy một tiềm năng lớn Nó đã tạo nên một cuộccách mạng về máy ảnh, chụp ảnh số

Hình 1.5: Burried channel capacitor CCD pixel [4].

Mỗi điểm ảnh của CCD là một tụ điện MOS (Metal - kim loại, Oxide - oxit vàSemiconductor - bán dẫn) Như trên hình vẽ tụ điện MOS bao gồm một phiến silicbán dẫn loại p-n Trên bề mặt silic loại n có một lớp oxit cách điện và một màng mỏngkim loại trên nó Khi một điện thế được đặt vào hai đầu của tụ MOS, nó sẽ sinh ra mộtđiện trường làm cho điện tử linh động của bán dẫn bị hút về điện cực đồng thời đẩy

lỗ trống ra xa Kết quả là hình thành một vùng nghèo hạt tải trong bán dẫn, đồng thời

về mặt điện thế, vùng nghèo tương ứng với hố thế do đó nếu có electron được sinh

ra trong đó thì sẽ bị giữ lại Khi có ánh sáng (photon) chiếu vào, các điện tử sinh ra

do hiệu ứng quang điện ở vùng nghèo này bị giữ lại, nói cách khác tụ điện được tíchđiện Vậy vùng nghèo hay tụ điện tích điện do ánh sáng dọi vào tạo ra, ánh sáng càngmạnh thì tụ điện tích điện càng nhiều Cuối cùng, điện tích ở mỗi tụ sẽ được đưa rangoài trở thành tín hiệu điện áp, lưu trữ rồi xuất ra khỏi cảm biến dưới dạng tín hiệutương tự [4]

Cảm biến CCD mảng đơn (một chiều) được dùng trong các máy fax, máy scan,

và máy đo quang phổ Cảm biến CCD mảng hai chiều được sử dụng trong máy quay,máy ảnh kĩ thuật số, webcam,

1.1.3.4 CMOS

Cảm biến CMOS (Complementary metal oxide semiconductor) hay bán dẫn oxitkim loại bù là một loại cảm biến hình ảnh được sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số.Chúng được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1993 tại phòng thí nghiệm Jet PropulsionLaboratory (JPL) với mục tiêu sản xuất một cảm biến có hiệu suất tương đương vớicác cảm biến CCD

Tương tự như CCD, cảm biến CMOS cũng bao gồm các phẩn tử nhạy cảm vớiánh sáng tạo thành một mảng, mỗi phần tử có khả năng tạo ra tín hiệu tỷ lệ thuận vớiánh sáng tới

Tuy nhiên về cấu trúc và cách thức hoạt động của CMOS thì có sự khác biệt sovới CCD Mỗi điểm ảnh của CMOS là một photodiode ghép nối với một mạch tíchhợp (IC) bao gồm một tụ điện cùng nhiều transistor bổ trợ xung quanh Ban đầu tụđiện sẽ được nạp đầy bằng một điện thế Khi quá trình thu ánh sáng băt đầu, điện tíchcủa tụ điện sẽ từ từ chuyển sang photodiode, tốc độ chuyển này tỉ lệ thuận với cường

độ ánh sáng tới Kết thúc quá trình thu ánh sáng, điện tích còn lại trong tụ sẽ được đọc

và chuyển đổi thành tín hiệu số [4]

Hình 1.6: Cấu trúc của CMOS [4].

Cảm biến CMOS với tốc độ chuyển đổi tín hiệu nhanh nên được sử dụng trongcác máy ảnh kĩ thuật số, máy quay phim với tốc độ cao,

Các phần tử của cảm biến CMOS hay CCD chỉ có thể thu được ánh sáng Để cóthể chụp ảnh có màu sắc, người ta phủ lên trên cảm biến một bộ lọc Bayer giúp cácphần tử này có thể thu được những màu riêng biệt Bộ lọc Bayer gồm các mảng Red,Green, và Blue được xếp xen kẽ với nhau như hình 1.7 [19]

Hình 1.7: Bộ lọc Bayer và cách thức hoạt động của bộ lọc [19].

Mỗi mảng Red, Green, và Blue có độ nhạy riêng với từng vùng bước sóng vàthường có dạng như hình 1.8 Do sự có thêm bộ lọc Bayer, độ nhạy của cảm biếnCMOS bị ảnh hưởng dẫn đến có những vùng kém nhạy vào khoảng 500 nm và 570nm

Hình 1.8: Độ nhạy của cảm biến CMOS khi có bộ lọc Bayer và độ nhạy của cảm biến

CCD sử dụng trong các máy quang phổ

Hình 1.9: Nội suy Bayer để tạo nên màu một điểm ảnh

Màu sắc của một điểm ảnh được tính theo nội suy Bayer căn cứ trên tín hiệu thuđược từ bốn phần tử xung quanh với các giá trị của RGB (hình 1.9) Cường độ ánhsáng (Luminance) có thể được tính từ các giá trị RGB thông qua công thức [11]:

Luminance= 0.299 ∗ R + 0.587 ∗ G + 0.114 ∗ B (1.1)

1.1.4 Các thông số của cảm biến quang học

1.1.4.1 Độ nhạy, khoảng hoạt động và giới hạn phát hiện

Độ nhạy có thể được hiểu là sự thay đổi tín hiệu quang đo được tương ứng với

sự thay đổi lượng chất của đối tượng cần nhận biết Tùy thuộc vào bản chất của đốitượng cần nhận biết và quá trình chuyển đổi tín hiệu có thể xây dựng được đồ thị thểhiện sự phụ thuộc của tín hiệu đầu ra và nồng độ của đối tượng, đồ thị này gọi là "đồthị hiệu chỉnh" - đường chuẩn (calibration curve)

Khoảng hoạt động của cảm biến là khoảng tuyến tính của đồ thị hiệu chỉnh; và

độ dốc của đoạn tuyến tính này chính là độ nhạy của cảm biến

Giới hạn phát hiện (limit of dectection - LOD) là giá trị nhỏ nhất mà cảm biến

có thể phát hiện sự hiện diện đối tượng cần nhận biết nhưng không cần định lượngnồng độ chính xác LOD của cảm biến đối với một đối tượng cần nhận biết được tính

toán theo công thức [30]:

1.1.4.3 Thời gian phản hồi

Thời gian phản hồi có thể hiểu là khoảng thời gian từ khi đối tượng nhận biếtđược đưa vào cảm biến đến khi có sự thay đổi ở đầu thu để đưa ra tín hiệu Với cáccảm biến quang học, thời gian phản ứng là phụ thuộc vào thời gian ánh sáng di chuyểntrong hệ quang học và thời gian xử lí của đầu thu Do đó thời gian phản ứng là rấtngắn gần như là tức thời

1.1.4.4 Tính lặp lại, độ ổn định

Tính lặp lại của cảm biến quang học được tính toán dựa trên sai số của phép đo

Độ ổn định là sự thay đổi không đáng kể của cảm biến quang khi có hoặc không cóđối tượng nhận biết sau thời gian sử dụng Độ ổn định phụ thuộc trực tiếp vào cấu trúc

và thiết kế của cảm biến quang

xử lý di động ngày càng mạnh mẽ, điện thoại thông minh có thể tiến hành đa nhiệm,

xử lí được một số tác vụ như máy tính Kết nối dễ dàng với các thiết bị ngoại vi cũngnhư Internet thông qua wi-fi, bluetooth giúp điện thoại thông minh dễ dàng chia sẻ

dữ liệu cũng như lưu trữ hay truy cập từ các máy chủ Đặc biệt với sự phát triển củacông nghệ cảm biến ảnh, điện thoại thông minh giờ sở hữu cho mình máy ảnh với độnhạy sáng cùng độ phân giải cao Do đó nó đang thu hút sự chú ý lớn từ các nhómnghiên cứu trên thế giới nhằm tạo ra một thiết bị cảm biến quang dựa trên điện thoạithông minh với cấu trúc đơn giản, nhỏ gọn và giá thành thấp nhưng vẫn cho một kếtquả đáng tin cậy Việc có cho mình những ứng dụng thân thiện với người dùng cũnggiúp cho các thiết bị này dễ sử dụng hơn không cần yêu cầu khắt khe để vận hành nhưnhững thiết bị trong phòng thí nghiệm

Hình 1.10: Hình ảnh của điện thoại thông minh của một số hãng trên thế giới

Cảm biến CMOS của camera sẽ đóng vai trò là đầu thu, tuy nhiên cũng cótrường hợp sử dụng cảm biến ánh sáng trên smartphone làm đầu thu Nguồn sángkích thích mẫu có thể đèn LED, laser, Halogen bên ngoài hay chính flash của cameratrên smartphone Các thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone thường được pháttriển dựa trên nguyên lý hoạt động của máy quang phổ hoặc máy đo độ màu.

1.2.1 Thiết bị cảm biến quang dựa trên nguyên lý đo độ màu

1.2.1.1 Nguyên lý đo độ màu

Thiết bị đo độ màu đóng vai trò quan trọng trong khoa học với nhiệm vụ chính

là kiểm tra nồng độ của dung dịch bằng cách đo độ hấp thụ của nó đối với bước sóngánh sáng cụ thể Thiết bị được sử dụng trong hóa phân tích và vật lý Nguyên lý hoạtđộng của thiết bị dựa trên định luật Beer-Lambert [20]

Hình 1.11: Ánh sáng truyền qua dung dịch

Độ hấp thụ của mẫu sẽ được tính toán theo định luật Beer-Lambert (hình 1.11):

A= −logI

Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động của máy đo màu [17].

Hình 1.12 mô tả nguyên lý hoạt động của thiêt bị đo độ màu Đầu tiên, ánh sángkích thích được đưa vào trong thiết bị thông qua một khe hẹp bằng cách chiếu trựctiếp hoặc dẫn truyền bằng sợi quang [21]

Khe hẹp có độ mở rất nhỏ có chức năng hạn chế lượng ánh sáng đi vào trongthiết bị Với hầu hết thiết bị đo độ màu, ánh sáng phân kỳ bên trong sẽ được hội tụbằng một thấu kính Ánh sáng sau đó được đưa qua một kính lọc nhằm tạo ra ánhsáng đơn sắc, với các thiết bị hiện nay bây giờ, các kính lọc dần được thay thế bằngcác thiết bị đơn sắc [17]

Ánh sáng đơn sắc sau đó được chiếu qua cuvette chứa dung dịch chất cần đo vàđược thu lại bằng cảm biến thường là điốt quang Tín hiệu điện từ điốt quang sẽ được

số hóa gửi đến máy tính để xứ lí và hiển thị dưới dạng cường độ của một bước sóng

1.2.1.2 Cảm biến quang sử dụng smartphone hoạt động dựa trên nguyên

lý đo độ màu và ứng dụng

Các thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone dựa trên nguyên lý máy đo độmàu thường có thiết kế khá đơn giản Thiết bị này bao gồm một nguồn sáng đơn sắcthường là LED một màu, thấu kính và bộ phận gá cuvett chứa mẫu Tất cả các thànhphần được đặt trong một hộp hay ống kín nối liền với camera hoặc cảm biến sáng củađiện thoại

Hình 1.13: Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để xác định nồng độ

strep-tomycin và hình ảnh camera ghi nhận được khi ánh sáng truyền qua mẫu Streptomycin)[16]

nguồn kích thích kết hợp cùng chất xúc tác AuNP (hạt nano vàng) Kích thước củathiết bị tương đối nhỏ gọn Streptomycin trong mẫu dạng dung dịch được kết hợp cùngAuNP sẽ tạo ra phản ứng hóa học làm thay đổi độ hấp thụ của dung dịch tùy thuộcvào nồng độ của streptomycin Thiết bị của nhóm có LOD là 12.3 nM thấp hơn cả sovới tiêu chuẩn của kháng sinh ở các nước như Mỹ hay Trung Quốc [16].

Hình 1.14: Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để xác định nồng độ

tetra-cycline trong sữa (trái), và sự thay đổi màu sắc của ảnh chụp khi nồng độ tetracycline thay đổi với các màu hộp khác nhau (trái) A, B, C và D là các màu sắc khác nhau của hộp đựng hệ đo[12]

Một nhóm nghiên cứu từ Thái Lan cũng đã đưa ra thiết bị nhằm nhận biết cycline trong sữa (hình 1.14) Trước khi được tiền hành đo, mẫu được tách chiết pharắn (Solid phase extraction) Nguồn sáng kích thích là đèn huỳnh quang và ánh sáng

tetra-từ mẫu được thu trực tiếp bằng camera, tất cả hệ đo được đặt trong một hộp kín LODcủa thiết bị là 0.5 µg/ml, tuy nhiên nhược điểm của thiết bị này đòi hỏi quá trình xử

lí mẫu tương đối phức tạp[12]

Hình 1.15: Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để xác định nồng độ thủy

ngân[14]

Ngoài ra thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone dựa trên nguyên lý đo

độ màu còn có những ứng dụng khác như phát hiện kim loại nặng Nhóm nghiêncứu khác từ Trung Quốc đã phát triển thiết bị đánh giá nồng độ ion thủy ngân (Hg+)(hình 1.15) Thiết bị sử dụng một đèn LED có bước sóng là 532 nm làm nguồn kíchthích cùng chất xúc tác AuNP Điểm đặc biệt của thiết kế là thay vì sử dụng cảm biếnCMOS của camera họ sử dụng cảm biến ánh sáng phía trước màn hình do đó thiết bị

có kích thước tương đối nhỏ gọn với chiều dài chỉ 42 mm, đường kính 12 mm và nặng3.5g [14]

Các thiết bị trên có những ưu điểm như thiết kế đơn giản, nhỏ gọn do hệ thốngquang bên trong không cần phải có những bộ phận phân tách ánh sáng như lăng kínhhay cách tử nhiễu xạ Các thiết bị cũng cho kết quả nhanh do quá trính xử lý ảnh haytín hiệu không tốn nhiều thời gian Tuy nhiên chúng có chung một nhược điểm đó là

1.2.2.1 Nguyên lý đo quang phổ

Thiết bị đo quang phổ đóng vai trò quan trọng trong khoa học với nhiệm vụchính là phân tách ánh sáng thành các mảng màu riêng biệt được gọi là quang phổ Từquang phổ, các nhà khoa học xác định được thành phần hóa học của chất phát ra ánhsáng đó Thiết bị này ban đầu được phát triển trong các nghiên cứu của vật lý, thiênvăn học và hóa học

Hình 1.16: Nguyên lý hoạt động của máy quang phổ [29].

Hình 1.16 mô tả nguyên lý hoạt động của thiết bị đo quang phổ Đầu tiên, ánh

sáng được đưa vào máy quang phổ thông qua một khe hẹp bằng cách chiếu trực tiếphoặc dẫn truyền bằng sợi quang.

Khe hẹp có độ mở rất nhỏ có chức năng hạn chế lượng ánh sáng đi vào trongthiết bị đo quang phổ Với hầu hết thiết bị đo quang phổ, ánh sáng phân kỳ bên trongthiết bị đo quang phổ sẽ được chuẩn trực bởi một gương lõm và chiếu tới một cách tử.Cách tử là thành phần quan trọng có nhiệm vụ tán sắc ánh sáng thành các thành phần

Hình 1.18: Một khe hẹp của hãng Thorlab với độ rộng khe là 200 µm [37].

Độ rộng khe có nhiều kích cỡ khác nhau từ rất nhỏ 5 µm đến rất lớn 800 µm vớichiều cao từ 1 mm đến 2 mm Các máy quang phổ hiện nay phần lớn đều có khe hẹp

có thể điều chỉnh độ rộng Việc lựa chọn độ rộng khe tùy thuộc vào loại phép đo vàứng dụng

Lăng kính

Lăng kính là một quang cụ trong suốt với các bề mặt được đánh bóng Các gócgiữa các bề mặt sẽ quyết định tính chất của lăng kính Lăng kính thường có dạng hìnhtam giác và các mặt xung quang hình chữ nhật Tùy vào vật liệu chế tạo lăng kính sẽcho phép truyền qua những bước sóng xác định Các vật liệu thường được sử dụngnhư là thủy tinh, nhựa và fluorite [25]

Hình 1.19: Một số lăng kính của hãng Thorlab với các vật liệu khác nhau [35].

Vận tốc của ánh sáng thay đổi khi nó truyền từ môi trường này sang môi trườngkhác Điều này dẫn đến việc khúc xạ ánh sáng và (nguyên lý Huygen) Góc lệch củaánh sáng phụ thuộc vào góc mà chùm ánh sáng tới tạo với bề mặt lăng kinh và tỉ sốgiữa chiết suất của hai môi trường (định luật Snell) Đồng thời trong lăng kính xảy rahiện tượng tán sắc do chiết suất của vật liệu phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tới.Hiện tượng này làm cho ánh sáng với bước sóng khác nhau sẽ khúc xạ và ra khỏi lăngkính với góc khác nhau, tạo ra hiệu ứng tương tự như cầu vồng Do đó nó được sửdụng để tách một chùm ánh sáng trắng thành phổ của các thành phần màu cấu thànhnó

Hình 1.20: Trong lăng kính tán sắc, chiết suất phụ thuộc vào bước sóng dẫn đến các

màu khác nhau khúc xạ ở các góc khác nhau, do đó ánh sáng trắng bị tách thành phổ [25]