Quang phổ kế là gì? Giải thích Quang phổ kế UV, VIS và IR
Tác giả: Ng Ci Xuan – Thực tập sinh Nghiên cứu và Phát triển
Biên tập viên: Bryan Ng – Giám đốc Tiếp thị
Biên tập viên: Preethi – Kỹ sư hỗ trợ kỹ thuật
Published: 29 2020 tháng tư
1. Quang phổ kế là gì?
Máy quang phổ là thuật ngữ chung mô tả một thiết bị tách và đo các thành phần quang phổ của một đặc tính vật lý. Chúng là những thiết bị đo một biến liên tục trong đó các thành phần của quang phổ được tách ra từ hỗn hợp ban đầu của chúng.
Có một số biến thể của máy quang phổ xung quanh và một số loại phổ biến nhất hiện nay là máy quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), máy quang phổ khối và máy quang phổ quang học.
Máy đo phổ 1.1 NMR
Máy quang phổ NMR quan sát và đo sự tương tác của spin hạt nhân khi mẫu được đặt trong từ trường mạnh, không đổi. Tín hiệu NMR được tạo ra khi các hạt nhân tương tác với từ trường ở tần số cộng hưởng với tần số của hạt nhân.
Từ trường nội phân tử bao quanh nguyên tử trong phân tử thay đổi theo tần số cộng hưởng, do đó tiết lộ cấu trúc phân tử của mẫu.
1.2 Khối phổ kế
Máy quang phổ khối đo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của các ion và xác định thành phần của các nguyên tố có trong mẫu. Điều này hoạt động bằng cách ion hóa một mẫu, làm cho một số phân tử tích điện và tách ra theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng.
Các ion này sau đó được phát hiện bởi một thiết bị có thể phát hiện các hạt mang điện.
1.3 Quang phổ kế
Máy quang phổ quang học đo các đặc tính của ánh sáng, thường ở gần vùng quang trong phổ điện từ, tức là tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại.
Sự thay đổi trong sự hấp thụ và phát xạ của cường độ ánh sáng theo bước sóng cho phép xác định các vật liệu.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào máy quang phổ.
2. Nguyên lý làm việc của máy quang phổ
Máy quang phổ bao gồm ba thành phần chính – khe vào, cách tử và máy dò.
2.1 Khe lối vào
Ánh sáng từ nguồn đi vào khe vào và kích thước của khe sẽ xác định lượng ánh sáng có thể đo được bằng thiết bị. Kích thước khe cũng ảnh hưởng đến độ phân giải quang học của quang phổ kế, khi kích thước khe càng nhỏ thì độ phân giải càng tốt.
Chùm sáng phân kì sau khi đi qua khe và bằng cách phản xạ chùm tia phân kì trên gương chuẩn trực, chùm tia trở nên chuẩn trực. Sau đó các tia chuẩn trực hướng tới một cách tử nhiễu xạ. Cách tử hoạt động như một phần tử phân tán và chia ánh sáng thành các bước sóng cấu thành của nó.
2.2 Lưới
Máy đơn sắc sử dụng hiện tượng tán sắc quang học trong lăng kính hoặc nhiễu xạ từ các cách tử nhiễu xạ để chọn một bước sóng ánh sáng cụ thể. Trong các máy quang phổ truyền thống, lăng kính được sử dụng để phân tán ánh sáng.
Tuy nhiên, với sự phát minh ra cách tử nhiễu xạ, nó đã trở thành bộ đơn sắc được sử dụng nhiều nhất trong các máy quang phổ hiện đại vì nó có nhiều ưu điểm hơn so với lăng kính.
Cả hai thiết bị đều có khả năng tách ánh sáng thành nhiều màu, nhưng cách tử nhiễu xạ có thể được tạo ra để trải các màu trên một góc lớn hơn lăng kính. Lăng kính cũng chỉ có độ phân tán cao hơn ở vùng UV trong khi các cách tử nhiễu xạ có độ phân tán cao và liên tục trên phổ UV, VIS và IR.
Khi ánh sáng chạm vào cách tử nhiễu xạ, mỗi bước sóng được phản xạ ở một góc khác nhau. Cách tử nhiễu xạ có kích thước khác nhau cũng được sử dụng để xác định các dải bước sóng khác nhau.
Chùm tia lại trở nên phân kỳ sau khi bị phản xạ từ cách tử, do đó nó chạm vào gương thứ hai để hội tụ và hướng nó về phía máy dò.
2.3 Máy dò
Máy dò ghi lại quang phổ ánh sáng và đo cường độ ánh sáng dưới dạng hàm của bước sóng. Những dữ liệu này sau đó được số hóa và vẽ trên phần mềm dưới dạng biểu đồ.
3. Các bộ phận của Máy quang phổ
Phần trên đã nói về cách hoạt động của máy quang phổ. Trong phần này, các thành phần của máy quang phổ và sự đa dạng của từng thành phần sẽ được đề cập.
3.1 Nguồn sáng
Các nguồn sáng thường được tìm thấy trong máy quang phổ được làm bằng halogen vonfram, deuterium, hồ quang xenon, đèn LED, argon thủy ngân, kẽm hoặc laze.
3.2 Khe lối vào
Các khe có nhiều kích cỡ khác nhau, từ 5μm đến 800μm với chiều cao từ 1 mm đến 2 mm. Kích thước của khe phụ thuộc vào ứng dụng và các khe phổ biến nhất được sử dụng có chiều rộng 10, 25, 50, 100 và 200μm.
3.3 gương
Các loại gương thông dụng xung quanh thường là gương phẳng và gương cầu. Gương cầu có thể được chia thành hai loại - gương cầu lõm và gương cầu lồi. Tuy nhiên, trong máy quang phổ thường sử dụng gương cầu lõm.
3.4 Lưới nhiễu xạ
Có hai loại cách tử nhiễu xạ có sẵn trên thị trường - Cách tử quy tắc và Cách tử ba chiều.
Cách tử được trị liệu được tạo ra bằng cách khắc các rãnh vật lý lên bề mặt phản chiếu bằng cách sử dụng một công cụ dạng kim cương trên máy cai trị trong khi cách tử ba chiều được tạo ra bởi một quy trình được gọi là in thạch bản giao thoa, tạo ra một mẫu giao thoa bằng cách sử dụng hai chùm tia UV.
Cách tử quy tắc có thể được phát sáng đối với các bước sóng cụ thể và thường có hiệu suất cao hơn so với cách tử ba chiều.
Các cách tử hình ba chiều có xu hướng có dạng và khoảng cách rãnh đồng đều hơn và tạo ra ít ánh sáng lạc hơn khi chúng được tạo ra bằng phương pháp quang học.
3.5 người nắm giữ
Các mẫu thường là chất lỏng, nhưng cũng có thể kiểm tra chất khí và chất rắn. Các mẫu thường được đặt bên trong một ô trong suốt, được gọi là cuvette. Các ống nghiệm cũng có thể được sử dụng thay cho cuvet trong một số thiết bị.
Vật liệu được sử dụng để sản xuất cuvet phụ thuộc vào dải quang phổ mà máy quang phổ bao phủ. Thủy tinh silic hoặc thủy tinh thạch anh nung chảy thường được sử dụng vì chúng trong suốt qua các vùng UV đến IR.
3.6 Máy dò
Có rất nhiều loại máy dò đang được sử dụng trong các máy quang phổ khác nhau và một số máy dò thường được sử dụng là ống nhân quang (PMT), điốt quang, mảng điốt quang, thiết bị ghép điện tích (CCD), máy đo tia chớp và máy phân tích đa kênh (MCA).
3.7 Giao diện
Hầu hết các hệ thống máy quang phổ giao tiếp với máy tính qua USB, RS-232 hoặc Ethernet. Với những tiến bộ công nghệ, các hệ thống mới hơn có thể truyền dữ liệu không dây bằng Wi-Fi và Bluetooth.
3.8 Software
Có thể tích hợp nhiều phần mềm để sử dụng với máy quang phổ trong việc thu thập dữ liệu. Hầu hết các công ty sản xuất thiết bị cũng cung cấp phần mềm tương thích với máy quang phổ mà họ sản xuất. Ví dụ, máy quang phổ của StellarNet đi kèm với phần mềm của họ có tên là SpectraWiz.
Ngoài phần mềm làm sẵn như vậy, những phần mềm khác cho phép bạn viết mã và tạo chương trình cũng như tùy chỉnh chương trình theo nhu cầu của bạn, ví dụ LabVIEW, Visual C, C#, VB, VBA cho MS Excel và MATLAB.
4. Sử dụng Quang phổ kế
Có một số cách sử dụng cho máy quang phổ.
Một ví dụ là máy quang phổ UV sử dụng dải quang phổ 200 – 400nm, được lắp đặt với khe vào có chiều rộng 200μm, cùng với cách tử ba chiều có kích thước rãnh 2400g/mm và với máy dò CCD 2000 pixel, có thể phát hiện tạp chất trong các phân tử hữu cơ – chẳng hạn như benzen, đó là tạp chất phổ biến được tìm thấy trong cyclohexane và sự hiện diện của nó có thể dễ dàng được phát hiện bằng sự hấp thụ của nó với cực đại ở 255nm trong quang phổ.
5. Các loại Quang phổ kế
Quang phổ kế có thể được phân loại theo hai cách. Cách thứ nhất là theo bước sóng của chúng trong khi cách thứ hai là theo tính chất tương tác ánh sáng của chúng.
5.1 Bước sóng
5.1.1 Tia cực tím (UV)
Quang phổ UV sử dụng ánh sáng trong dải bước sóng UV từ 200 – 400nm để đo lượng ánh sáng mà mẫu hấp thụ hoặc phản xạ và để xác định nồng độ các nguyên tố trong mẫu.
Các electron trong mẫu được kích thích từ trạng thái cơ bản lên trạng thái năng lượng cao hơn khi các phân tử hấp thụ năng lượng phát ra từ tia UV. Lượng năng lượng mà các electron có tỷ lệ thuận với độ dài của bước sóng mà chúng có thể hấp thụ.
Việc xác định mẫu được thực hiện bằng cách so sánh quang phổ được tạo ra khi mẫu hấp thụ tia UV với quang phổ của các hợp chất đã biết.
Máy quang phổ UV thường sử dụng đèn hồ quang deuterium, hồ quang xenon hoặc đèn halogen vonfram. Loại cách tử được sử dụng thường là cách tử ba chiều và máy dò được sử dụng thường là PMT, photodiode, photodiode array hoặc CCD. Các máy dò thường đi kèm với kích thước pixel là 14μm x 200μm.
Máy quang phổ UV thường được sử dụng trong các ngành như Khoa học vật liệu, Kiểm soát chất lượng, Hóa dầu, Thực phẩm & Nông nghiệp, Khoa học đời sống, Linh kiện quang học, v.v.
Nó cũng thường được sử dụng trong các ứng dụng như phát hiện tạp chất, sự hiện diện hay vắng mặt của bất kỳ nhóm chức năng nào trong hợp chất, xác định hợp chất, làm sáng tỏ cấu trúc của hợp chất hữu cơ, v.v.
5.1.2 Hiển thị (VIS)
Máy quang phổ VIS hoạt động tương tự như máy quang phổ UV, ngoại trừ việc nó sử dụng ánh sáng trong vùng khả kiến của phổ điện từ, tức là bước sóng từ 400nm đến 700nm, để xác định các hợp chất không tương tác với ánh sáng UV.
Dụng cụ này cũng có thể xác định nồng độ của các chất trong mẫu bằng cách đo cường độ truyền qua hoặc độ hấp thụ của nó.
Đèn halogen, đèn xenon và đèn LED vonfram thường được sử dụng làm nguồn sáng trong máy quang phổ VIS.
Nó sử dụng cùng một loại cách tử và máy dò nhiễu xạ như một máy quang phổ UV. Máy quang phổ VIS cũng chủ yếu được sử dụng trong các ngành công nghiệp và ứng dụng tương tự như máy quang phổ UV.
5.1.3 Hồng ngoại (IR)
Máy quang phổ hồng ngoại sử dụng các chuyển đổi dao động của phân tử hữu cơ với ánh sáng hồng ngoại để xác định vật liệu trong phổ hồng ngoại.
Ánh sáng hồng ngoại có thể được chia thành ba phần trong khoảng từ 700nm đến 1mm - hồng ngoại gần, trung bình và xa, tương quan với quang phổ khả kiến.
Các photon từ giữa IR trở đi chỉ có thể tạo ra các kích thích dao động trong các nguyên tử có liên kết cộng hóa trị và không thể kích thích các electron do năng lượng không đủ lớn.
Mẫu hấp thụ bức xạ hồng ngoại và tương ứng về mặt năng lượng với những rung động này. Điều này cho phép ghi lại phổ hấp thụ của các hợp chất và phổ này là duy nhất cho từng hợp chất.
Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), thu thập dữ liệu trên phạm vi rộng, sử dụng phép biến đổi Fourier để chuyển đổi dữ liệu thô thành phổ.
IR gần, trung bình và xa lần lượt sử dụng đèn vonfram-halogen, đèn cầu và đèn thủy ngân. Loại cách tử được lắp đặt thường là cách tử có thước. Máy quang phổ NIR thường sử dụng điốt quang InGaAs với kích thước pixel là 25μm x 500μm trong khi máy quang phổ MIR sử dụng máy dò nhiệt điện với kích thước pixel là 48.5μm x 48.5μm và máy quang phổ FIR sử dụng phóng to a-Si hoặc VOx có kích thước pixel 75μm x 75μm.
Điều này thường có thể được tìm thấy trong các ngành công nghiệp như dược phẩm, an toàn môi trường, thực phẩm và vật liệu. Các ứng dụng sử dụng máy quang phổ IR bao gồm đặc tính protein, khám phá không gian, xác định các hợp chất, phân tích chất bán dẫn kích thước nano, v.v.
5.2 Tương tác
5.2.1 Hấp thụ
Như tên gọi của nó, quang phổ hấp thụ đo sự hấp thụ bức xạ, như một hàm của bước sóng hoặc tần số, của một mẫu với nguồn.
Mẫu hấp thụ năng lượng từ nguồn và cường độ hấp thụ thay đổi theo tần số, sự biến đổi này sau đó tạo ra phổ hấp thụ. Phương pháp quang phổ này được thực hiện trên phổ điện từ.
Quang phổ hấp thụ được sử dụng để xác định các hợp chất có trong một mẫu và để đo nồng độ của nó. Quang phổ UV, VIS và IR được đề cập ở trên là những ví dụ về quang phổ hấp thụ.
Nguồn sáng phổ biến nhất được sử dụng trong phép đo phổ hấp thụ là đèn catốt rỗng và PMT được sử dụng làm máy dò. Điều này thường được sử dụng trong viễn thám, thiên văn học và vật lý nguyên tử và phân tử.
5.2.2 Phản xạ
Quang phổ phản xạ đo lượng ánh sáng bị phản xạ hoặc tán xạ từ một mẫu.
Các photon từ nguồn bị phản xạ từ mẫu hoặc bị khúc xạ qua mẫu được cho là bị phân tán.
Các photon phân tán này sau đó được phát hiện và ghi lại. Điều này dẫn đến biểu đồ phản xạ so với bước sóng.
Các hệ thống quang phổ phản xạ thường sử dụng laze, điốt siêu phát quang, đèn LED hoặc đèn halogen làm nguồn sáng và CCD, điốt quang hoặc MCA làm máy dò.
Máy quang phổ phản xạ được sử dụng trong ngành y tế để cung cấp thông tin về nồng độ mô và cũng có thể được sử dụng trong các ngành như khoa học môi trường và địa chất.
5.2.3 Chuyển tiền
Quang phổ truyền qua đề cập đến phép đo lượng ánh sáng đi qua một mẫu không đổi.
Nó có liên quan rất nhiều đến quang phổ hấp thụ, do đó chúng có chung một thiết lập.
Quang phổ truyền qua sẽ có cực đại cao nhất ở bước sóng mà ở đó sự hấp thụ yếu nhất khi có nhiều ánh sáng đi qua mẫu hơn.
Tùy thuộc vào dải quang phổ, các nguồn ánh sáng khác nhau được sử dụng. Đèn LED, đèn halogen vonfram hoặc đèn deuterium thường được sử dụng. Các máy dò điển hình được chọn là điốt quang và CCD. Điều này thường được sử dụng trong phân tích dược phẩm.
5.2.4 Huỳnh quang
Như đã đề cập trong quang phổ UV, các electron trong mẫu bị kích thích khi nó hấp thụ ánh sáng và chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái điện tử cao hơn bao gồm nhiều trạng thái dao động khác nhau.
Các electron bị kích thích có thể chuyển sang trạng thái cơ bản của chúng bằng cách phát ra một photon và quá trình này được gọi là huỳnh quang.
Vì các electron có thể rơi vào bất kỳ mức dao động nào trong số các mức dao động khác nhau ở trạng thái cơ bản, nên các photon phát ra sẽ chứa những lượng năng lượng khác nhau, và do đó có cường độ và bước sóng khác nhau.
Do đó, quang phổ huỳnh quang được định nghĩa là phép đo lượng huỳnh quang từ một mẫu. Nó thường sử dụng ánh sáng trong phạm vi UV hoặc VIS để kích thích các điện tử.
Độ huỳnh quang được đo bằng máy quang phổ huỳnh quang và nó đo các đặc điểm khác nhau của huỳnh quang, chẳng hạn như cường độ và sự phân bố bước sóng của phát xạ. Quang phổ phát xạ sau đó cho biết bước sóng nào mà các mẫu phát ra.
Dụng cụ đo huỳnh quang được gọi là máy đo huỳnh quang. Máy đo huỳnh quang thường sử dụng tia laze, đèn LED, hồ quang xenon hoặc đèn hơi thủy ngân làm nguồn sáng. Điốt quang hoặc PMT thường được chọn làm máy dò trong quang phổ huỳnh quang.
Phương pháp quang phổ này thường được tìm thấy trong các ngành y tế, sinh hóa và giám sát môi trường. Các ứng dụng bao gồm chẩn đoán ung thư trong mô người, phát hiện tạp chất hoặc nhận dạng và đo nồng độ các chất, và phát hiện nhiều loại vi khuẩn, vi-rút và ký sinh trùng gây nhiễm trùng
5.2.5 Tán xạ
Khi ánh sáng đi qua vật chất, phần lớn nó tiếp tục theo hướng ban đầu, tuy nhiên, một phần nhỏ bị tán xạ theo các hướng khác.
Kỹ thuật này dựa trên lý thuyết tán xạ Raman. Hiệu ứng tán xạ là sự tán xạ không đàn hồi của các photon bởi vật chất, có nghĩa là có sự thay đổi hướng của ánh sáng và năng lượng bị mất bởi các photon sau khi tương tác với mẫu.
Thông thường, các phân tử sẽ nhận được năng lượng dao động từ các photon tới.
Phần lớn ánh sáng bị tán xạ có năng lượng không thay đổi và đây là hiện tượng tán xạ Rayleigh. Tán xạ Raman được tạo thành từ một phần cực nhỏ của các photon tán xạ (khoảng 1 phần 10 triệu).
Bằng cách phân tích sự thay đổi rung động trong mẫu, các đặc tính như thành phần hóa học, độ kết tinh và tương tác phân tử có thể được xác định. Như đã đề cập ở trên, tán xạ Raman rất yếu, do đó cần có máy quang phổ có độ nhạy cao để kiểm tra ánh sáng.
Nhạc cụ này thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp như hóa học, vật lý, dược phẩm, nghệ thuật và y tế. Nó giúp xác định các phân tử và kiểm tra liên kết hóa học, mô tả đặc điểm và nghiên cứu cấu trúc của vật liệu, phát hiện thuốc giả trong bao bì, nghiên cứu khoáng chất sinh học, v.v.
6. Máy quang phổ Raman
Quang phổ Raman dựa trên sự tương tác của ánh sáng (thường là tia laser) với các liên kết hóa học của vật liệu.
Ánh sáng được phân tán trực tiếp ra khỏi mẫu và đi qua một bộ lọc để loại bỏ các hạt khỏi tán xạ Rayleigh.
Ánh sáng còn lại từ tán xạ Raman sau đó được dẫn đến một cách tử nhiễu xạ trước khi đi về phía máy dò.
Cuối cùng nó tạo ra phổ Raman trong đó mỗi đỉnh và cường độ có thể cung cấp một số thông tin về mẫu.
Máy quang phổ Raman chỉ sử dụng tia laser sóng liên tục làm nguồn sáng.
Các tia laser trong dải quang phổ từ đỏ đến NIR thường được sử dụng, tuy nhiên, việc sử dụng các tia laser nhìn thấy có màu xanh lam và xanh lục đang gia tăng trong những năm gần đây.
Nó cũng sử dụng cách tử ba chiều làm bộ đơn sắc và CCD làm máy dò.
7. Máy đo quang phổ Vs. Máy quang phổ
Mọi người thường nhầm lẫn giữa máy đo quang phổ (spectrometer) và máy đo quang phổ hấp thụ (spectrophotometer). Máy đo quang phổ hấp thụ là một thiết bị đo các đặc tính truyền và hấp thụ ánh sáng theo bước sóng của vật liệu.
Nó thường xử lý ánh sáng trong phạm vi từ tia cực tím gần đến ánh sáng khả kiến đến tia hồng ngoại gần. Bản thân máy quang phổ chứa một quang phổ kế cũng như một nguồn sáng để chiếu sáng mẫu tốt hơn.
Nguyên lý hoạt động tương tự như quang phổ kế, trong đó một bộ đơn sắc được sử dụng để chọn bước sóng ánh sáng chiếu tới mẫu. Tùy thuộc vào độ mờ của mẫu, ánh sáng được phản xạ hoặc truyền qua. Sau đó máy dò sẽ ghi lại cường độ của ánh sáng phản xạ hoặc truyền qua.
Điều này được lặp lại với bộ đơn sắc ở các bước sóng khác nhau để máy dò đo sự thay đổi cường độ ánh sáng. Đầu ra cuối cùng sẽ là một phổ hấp thụ như một hàm của bước sóng.
8. Mua Máy Quang Phổ Ở Đâu Đáng Tin cậy?
Bây giờ bạn đã biết quang phổ kế là gì và các ứng dụng của nó, bạn nên biết nơi mua một chiếc đáng tin cậy. Bạn có thể mua các máy quang phổ đáng tin cậy từ Wavelength Opto-Electronic.
Chúng tôi là nhà phân phối máy quang phổ StellarNet, cung cấp máy quang phổ để đo UV, VIS và NIR, từ bước sóng 190 – 2300nm. Máy quang phổ StellarNet được thiết kế để có thể di động và nhỏ gọn không có bộ phận chuyển động.
