Phương Pháp Phân Tích Quang Học | Hoá học phân tích | Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Sóng điện từ có bả chất là các hạt foton di chuyển và dao động trong không gian với vận tốc lớn. Đó động vừa mang tính chất điện trường, vừa mang tính chất từ trường, dao động điện vuông góc với dao động từ trường. Hai tính chất điện trường và từ trường này gắn nhau chặt chẽ trong mỗi dao động của sóng. Tài liệu được sưu tầm và soạn thảo dưới dạng file PDF để gửi tới các bạn cùng tham khảo, ôn tập đầy đủ kiến thức, chuẩn bị cho các buổi học thật tốt. Mời bạn đọc đón xem!
Môn: Hoá học phân tích (HHpt) 10 tài liệu
Trường: Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 687 tài liệu
Tác giả:
Preview text:
PHẦN 1
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC
Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC 1.1 PHỔ
ĐIỆN TỪ VÀ NĂNG LƯỢNG CÁC VÙNG PHỔ KHÁC NHAU Sóng điện từ có bả
chất là các hạt foton di chuyển và dao động trong không gian với vận tốc lớn. Đó
động vừa mang tính chất điện trường, vừa mang tính chất từ trường, dao động điện
vuông góc với dao động từ trường. Hai tính chất điện trường và từ trường này gắn
nhau chặt chẽ trong mỗi dao động của sóng. Trong không gian, dao động của các
photon theo hình sin, độ dài một bước sóng được tính từ hai điểm tương tự nhau
của sóng (thí dụ từ đỉnh của sóng liền kề - hình 1.1) và được đo bằng đơn vị n (nm):1 nm = 10-6 -9 mm = 10 m = 10 Å
Hình 1.1 Sóng điện từ trong không gian
Người ta đã quan sát được và sử dụng dải phổ rất rộng của sóng điện từ,
bước sóng, từ < 0,05 Å cho đến >300 mm (sóng vô tuyến). Phương pháp phân tích
học thường sử dụng nguồn sóng điện từ có bước sóng từ vùng tử ngoại đến vù
ngoại để phân tích. Tùy theo bước sóng, mà sóng điện từ mang năng lượng khá
Khi tác dụng với vật chất, năng lượng của sóng điện từ truyền cho vật chất. Từ
của các tương tác đó, người ta có thể định tính và định lượng được chất phân tí
dao động điện từ quan trọng nhất trong phân tích quang học có độ dài sóng như
Độ dài sóng 10- 190 nm 190 -370 nm 370-800 800 - 2500 nm Miền phổ Tử ngoại xa Tử ngoại gần Khả kiến Hồng ngoại gần
Tác dụng với vật chất cho chúng chuyển lên mức
Kích thích dao động của phân
Kích thích các electron làm năng lượng cao hơn tử
Bức xạ có bước sóng 0,005 -10 nm là vùng tia X; từ 10- 200 nm gọi là tử
bị oxi trong không khí, hơi nước và nhiều chất khác như polime, thuỷ tinh hấp thụ
chỉ có thể đo ở vùng bước sóng nhỏ hơn 200nm bằng thiết bị chân không và thiế
học tốt (thạch anh). Vùng bức xạ có bước sóng 200-800 nm thường 1 , 3528 19 Le Thanh Tong HN
được sử dụng cho cả hai phương pháp quang phổ nguyên tử và phân tử. Bức xạ
sóng trong khoảng 400 ⎟ 800 nm gọi là vùng khả kiến vì mắt người ta cảm nhận
Bức xạ có bước sóng khoảng 800 ⎟ 2500 nm được gọi là vùng hồng ngoại gần. S
của chất ở miền phổ này ít được dùng trong phân tích định lượng nhưng được dù
để phân tích cấu trúc.
Năng lượng (E) của một photon được biểu diễn bằng phương trình Plăng (Plank): E C hν ; ν = C/λ như vậy λ E = h.
Trong đó: h là hằng số Plank có giá trị 6,62.10-27 erg.giây; ν - tần số dao động điệ
tốc độ ánh sáng, có giá trị bằng 3.1010 cm/giây hay 3.1017 nm/giây. Trong phân tích −
phổ hấp thụ người ta ít dùng đại lượng tần số (giây 1), mà thường dùng số sóng ν ⇔ λ (nm) = 10
số bước sóng λ trong 1 cm. Như vậy ν λ (cm) = λ 107 −
1 hay ν λ (nm) = 107. Suy ra: ν (cm 1) = (nm) ν (cm ) −1 N
Người ta cũng thường dùng độ dài sóng λ (nm) trong phân tích trắc quang.
lượng của photon phụ thuộc vào bước sóng λ của nó: E = h λC . Biểu thức này ch
các photon ở miền sóng càng ngắn thì năng lượng càng lớn. Thí dụ 1.1 Tính năng l
tăng lên theo kJ/mol khi một mol O2 hấp thụ bức xạ vùng tử ngoại bước sóng 147
Tương tự tính năng lượng tăng lên khi 1 mol CO2 hấp thụ bức xạ hồng ngoại có 2300cm-1. Giải: ∆E = h C/λ 8
2,998.10 m/s ΔE=6,626.10 j.s =1,35.10 j/pt (147nm)10 m/nm -34 -18 -9
1,35.10-18j/pt x 6,02.1023 phân tử /mol =814 kJ/mol. Năng lượng này đủ
làm đứt liên kết O=O trong phân tử oxy. C Tương tự với CO2 ΔE=h =hCν λ
= 6,626.10-34j.s x 2,998.108m/s x 2300cm-1 x 100cm/m
= 4,6.10-20j/pt x 6,02.1023 = 28kJ/mol
1.2 SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG KHI SÓNG ĐIỆN TỪ TÁC DỤNG VỚI VẬT CHẤ
1.2.1 Các kiểu biến đổi năng lượng
Theo lý thuyết lượng tử, mọi hạt nguyên tố (nguyên tử, ion hoặc phân tử) có m
thái năng lượng thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản và bình thường, ở nhiệt độ phò
hạt nguyên tố đều ở trạng thái cơ bản này. Khi photon của tia sáng đi qua hạt 2 , 3528 19 Le Thanh Tong HN
nguyên tố có khả năng hấp thụ (phù hợp về năng lượng), năng lượng của photon
cho hạt cơ bản làm cho chúng trở thành trạng thái kích thích. Tuy nhiên trạng
không bền, khoảng 10-6 - 10-9 giây, nó nhanh chóng trở về trạng thái có mức năn
thấp hơn hoặc mức cơ bản và giải toả năng lượng dưới 3 dạng chủ yếu sau:
1. Biến đổi hóa học của chất ( thí dụ chuyển hoá Fe3+ thành Fe2+). 2.
Giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (huỳnh quang)
3. Biến đổi năng lượng thành chuyển động quay, dao động của nguyên tử, chuyển dịch
electron lên mức năng lượng mới và cuối cùng là giải phóng nhiệt. Các biến đổi trên tuỳ
thuộc chất hấp thụ và năng lượng ánh sáng kích thích, tuy nhiên hai dạng biến đổ
được sử dụng nhiều trong phân tích.
Trường hợp thứ nhất, sự biến đổi hoá học xảy ra có thể làm tăng hoặc giảm
oxi hoá của chất bị tác động. Trường hợp thứ hai khi bị kích thích, electron nhảy
mức năng lượng cao hơn và ở trạng thái này với thời gian rất ngắn, khi trở lại
mức năng lượng thấp hơn, năng lượng giải toả dưới dạng ánh sáng, còn gọi là ánh
cấp. Do năng lượng đã bị mất một phần do biến thành nhiệt nên ánh sáng thứ cấ
sóng dài hơn so với ánh sáng kích thích.
Trường hợp thứ ba, năng lượng biến đổi thành nhiệt năng
Trong hoá phân tích, phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS có
dụng quan trọng khi nghiên cứu phức chất các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Vì vậy
phân tử và chuyển dịch electron khi phân tử nhận năng lượng từ các dạng sóng đi được xem xét.
Khi các phân tử nhận năng lượng từ sóng điện từ, phân tử chuyển lên mứ
lượng mới, tất nhiên năng lượng mà chúng nhận được lượng tử hóa và trạng th
không bền, năng lượng được chuyển hóa. Có ba dạng năng lượng được biến đổi: thứ
phân tử quay xung quanh các trục khác nhau, bây giờ ở mức năng lượng mới ch
ở mức xác định cao hơn. Thứ hai là nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong phâ
động tương đối với nhau, sau khi nhận năng lượng mới, các nguyên tử hoặc nhóm
tử dao động lắc ở mức cao hơn. Thứ ba là các electron trong hệ chuyển dịch
orbital không liên kết. Cả ba trường hợp này năng lượng nhận được nhỏ chủ yế
sóng UV-VIS, năng lượng này chỉ có thể hình thành các trạng thái dao động và q
như chuyển dịch electron nhưng chuyển dịch các electron cần năng lượng thấp nên
tất cả các dạng này biến thành nhiệt của môi trường. Đó cũng là cơ sở của phâ
hấp thụ phân tử UV-VIS để xác định nồng độ chất phân tích theo độ hấp thụ ánh
mặt liên kết, các electron trong phân tử được chia làm 4 loại:
- Electron ở các quỹ đạo bền, không tham gia liên kết, không hấp thụ UV. 3 , 3528 19 Le Thanh Tong HN
- Các electron hóa trị tham gia liên kết, loại này cần năng lượng cao mới kích thí
thường là vùng tử ngoại nên có khả năng hấp thụ UV.
- Các electron tự do không tham gia liên kết, thí dụ các cặp e của N, O, S. các này rất dễ kích thích.
- Loại cuối cùng là các electron tham gia liên kết π, loại này cũng rất dễ bị kích
đến π*. Các thí dụ về chuyển dịch electron trong phân tử foocmadehit: HCHO: = C
= C+ O- đây là kiểu chuyển dịch π → π* và e- tự do → π*. 1.2.2 Sự biến đổi năng lượ
tạo phổ hấp thụ phân tử UV-VIS.
Các phân tử, nhóm phân tử, ở điều kiện bình thường chúng tồn tại ở trạng thá
bản, trạng thái này bền vững và nghèo năng lượng (mức năng lượng cơ bản, Eo). Theo c
học lượng tử, ở trạng thái cơ bản phân tử cũng không thu và không phát bức
khi chùm sáng (photon) có năng lượng thích hợp nằm trong vùng sóng 190 - 800
vào, phân tử nhận năng lượng, trở thành trạng thái kích thích. Năng lượng tổng E
chùm sáng mà phân tử đã nhận được đó cuối cùng biến thành nhiệt năng nhưng c
chuyển hóa: E(ts) = E(e) + E(d) + E(q) (2)
E(e) là dạng chuyển mức các electron: Trong phân tử, các điện tử tham gia và
kết trong các liên kết σ, π, ngoài ra còn có các đôi điện tử không liên kết (n),
năng lượng của chùm sáng và nó chuyển lên trạng thái năng lượng cao Em. Đ
chuyển mức năng lượng: π → π* ; n → σ * và n → π *.
Chuyển hóa n → σ * xảy ra đối với phân tử chứa electron không liên kết: H
NH3; amin, rượu v.v. Chuyển hóa n → π * xảy ra đối với phân tử chứa liên kết π
andehit, xeton, chất dị vòng, azo v.v. Chuyển hóa
π → π * xảy ra đối với phân tử
liên kết π: etylen, benzen, xyclopentadienyl ...
Ed và Eq: là năng lượng quay và dao động của nguyên tử trong phân tử. Nó
hình thành khi phân tử của chất nhận năng lượng bởi chùm sáng kích thích, tuy
năng lượng thấp nên tác động của nó chỉ làm quay hoặc dao động các nguyên tử trí cân bằng.
Năng lượng mà phân tử chất hấp thu chính là năng lượng bị mất đi của chùm sán
được chiếu vào dung dịch chứa phân tử chất phân tích. Đo phần còn lại của chùm sáng
chiếu vào sau khi đi qua dung dịch phân tích, ta có phổ hấp thụ quang phân tử của chất
Vì thế phổ loại này được gọi là phổ hấp thụ quang phân tử UV-VIS.
1.2.3 Sự biến đổi năng lượng tạo phổ phát xạ nguyên tử.
Trong điều kiện bình thường, nguyên tử tồn tại ở trạng thái nghèo năng lượng
mức Eo là mức cơ bản (Nguyên lý vững bền); khi đó nó dao động trong trạng 4 , 3528 19 Le Thanh Tong HN
thái cân bằng bền, không thu, không phát bức xạ. Để đưa nguyên tử sang trạng thái
thích, một yêu cầu tiên quyết là nguyên tử ở dạng khí hay thể khí. Mẫu ban đầu c
hay lỏng, tuy nhiên sau khi chuẩn bị, mẫu ở dạng lỏng. Quá trình hóa hơi làm kh
chuyển sang rắn rồi khí, do đó: M(r) + E → M(k). Khi kích thích M(k) bằng nguồn
lượng Em, có hai khả năng: 1. Năng lượng Em không phù hợp, nguyên tử không
Em, tương tác đàn hồi và không sinh phổ.
2. Năng lượng Em phù hợp, nguyên tử sẽ hấp thụ năng lượng Em và nhảy lên m
lượng cao, va chạm không đàn hồi. Có sự trao đổi năng lượng (cho- nhận), nguyên
kích thích lên trạng thái M(k)* và trạng thái này không bền, thời gian tồn tại ngắn
đó quay trở lại trạng thái cơ bản và phát ra năng lượng đã hấp thụ dưới dạng cá
xạ, hν, đó là phổ phát xạ của nguyên tử. Mẫu M(r) → M(k) Em + M(k) → M(k)* M(k)* → M(k)o + E(h ν
) → Phổ AES của M 1.2.4 Sự biến đổi
năng lượng tạo phổ hấp thụ nguyên tử
Tương tự trường hợp xuất hiện phổ phát xạ nguyên tử, trong điều kiện
thường, nguyên tử tồn tại ở trạng thái nghèo năng lượng, mức Eo, đó là trạng thái
Nguyên tử dao động trong trạng thái cân bằng bền, không thu & không phát ra
lượng. Để có phổ hấp thụ nguyên tử, trước hết là cần đưa nguyên tử từ trạng thá
thể rắn về thể khí, M(r) + E → M(k) bằng nguồn kích thích phù hợp. Tiếp theo,
chiếu vào đám hơi đó 1 chùm bức xạ có bước sóng λ xác định, có hai trường hợp:
lượng E của chùm bức xạ không phù hợp, nguyên tử không hấp thụ năng lượng, t
đàn hồi, không có phổ.
2. Năng lượng E của chùm bức xạ phù hợp, nguyên tử hấp thụ năng lượng và
mức năng lượng cao hơn. Va chạm không đàn hồi xảy ra hay có sự trao đổi năng
E(hν) + Mo(k) → M(k)*. Đó là quá trình hấp thụ năng lượng E của nguyên tử,
mức Ecb → Em. Đo phần còn lại của chùm sáng kích thích, thu được phổ gọi là
thụ nguyên tử. Phổ này có tính chất sau:
+ Sự tương tác của của chùm sáng đơn sắc với vật chất ở thể khí, là các nguyên tử tự
của kim loại ở mức năng lượng cơ bản Eo.
+ Sự tương tác nói trên xẩy ra đối với các vạch phổ đặc trưng và nhạy của các nguyên
+ Phổ AAS và AES phụ thuộc 3 yếu tố là: 1-Lớp electron hoá trị của nguyên tử, 2-Cấu
trúc các mức năng lượng của chúng, 3- Không gian lớp vỏ electron của nguyên tử. 5 , 3528 19 Le Thanh Tong HN
1.3 ĐẠI CƯƠNG VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC
1.3.1 Phân loại các phương pháp
Các phương pháp phân tích quang học được chia thành hai nhóm chính: nhóm
phương pháp quang phổ phân tử và nhóm các phương pháp quang phổ nguyên tử.
mỗi nhóm trên, có các phương pháp riêng, có khả năng phân tích được các chất the
chất đặc trưng của chúng. Các phương pháp phân tích quang học
Các phương pháp phân tích quang
Các phương pháp phân tích quang phổ phổ phân tử nguyên tử
Phương pháp Phương pháp hồng ngoại, khúc pháp quang phổ pháp quang phổ quang phổ hấp
huỳnh quang xạ, phân cực, đo phát xạ nguyên tử hấp thụ nguyên tử thụ phân tử UV- Các phương pháp: độ đục, ... Phương VIS Phương
Hình 1.2 Các phương pháp phân tích quang học
1.3.2 Nguyên lý cơ bản và thiết bị của một số phương pháp phân tích quang học a)
Nhóm các phương pháp quang học phân tử:
Trong các phương pháp quang phổ phân tử thì phương pháp quang phổ hấp th
phân tử UV-VIS chiếm tỷ trọng lớn, dựa trên phép đo độ hấp thụ ánh sáng sau k
chùm sáng đi qua dung dịch chứa chất phân tích. Các phân tử chất phân tích hấp
phần ánh sáng để biến thành chuyển động nhiệt. Độ hấp thụ này phụ thuộc
vào bước sóng của chùm sáng tới và tỷ lệ thuận với nồng độ chất trong dung d
vào đây ta có thể định tính và định lượng chất phân tích. Phương pháp được áp dụ
rãi để phân tích thiên nhiên và môi trường. Chúng ta đề cập kỹ phương pháp này sau.
Phương pháp huỳnh quang, là phương pháp đo bức xạ huỳnh quang của một
loại phân tử (có khả năng) khi nó chuyển từ trạng thái kích thích trở về trạng thá
Chúng ta biết bình thường các phân tử này ở trạng thái cơ bản, bền vững; tuy
cung cấp cho phân tử năng lượng phù hợp thì hệ electron trong phân tử bị kí
chuyển lên mức năng lượng mới cao hơn. Trạng thái này không bền, thời gian tồ
ngắn, khỏang 10-8 giây, khi trở về trạng thái cơ bản nó phát ra bức xạ 6 , 3528 19 Le Thanh Tong HN
đặc trưng của phân tử. Thí dụ, chiếu vào dung dịch một chùm bức xạ có năng lượn
thí dụ chùm UV thì chúng chuyển thành phân tử bị kích thích, dẫn tới phát quang.
pháp này còn gọi là quang phát quang bởi vì dùng chùm sáng sơ cấp để tạo ra c
thứ cấp. Nếu dùng năng lượng của phản ứng hóa học để kích thích phân tử sinh
sáng thì ta có phương pháp hóa phát quang. Còn nhiều năng lượng khác, tuy nhiên
phương pháp trên được sử dụng rộng rãi. Cả hai phương pháp có độ nhạy và độ
cao, tuy nhiên phạm vi áp dụng hẹp.
Phương pháp phổ hồng ngoại, nghiên cứu sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của ch
phân tích để định lượng và định tính. Chúng ta biết rằng, tùy theo năng lượng cung
cho phân tử mà nó có trạng thái khác nhau; với phương pháp phổ hồng ngoại, năng
cung cấp là các bức xạ ở vùng hồng ngoại, có năng lượng thấp (bước sóng dài từ
tương ứng với số sóng 5000-500 cm-1). Năng lượng của bức xạ hồng ngoại chỉ làm
các nguyên tử và nhóm nguyên tử dao động và quay.
Tuy nhiên, đặc điểm của phổ hồng ngoại là rất
phức tạp do năng lượng kích thích tác động tới toàn
bộ phân tử. Hơn nữa, môi trường đo cũng ảnh
hưởng nhiều tới phổ hấp thụ bởi lẽ các liên kết, đ
biệt sự tạo phức làm ảnh hưởng tới dao động củ
các nguyên tử và nhóm nguyên tử cần phân tích.
Ngoài ra, các dung môi cũng có khả năng hấp thụ
Hình 1.3: bức xạ hồng ngoại, cho nên cần tránh các dun
Phổ hồng ngoại của dibutylphtalat
môi phân cực như nước và ancol.
Phương pháp khúc xạ, là phương pháp xác định chất dựa trên tính chất khúc
của ánh sáng chiếu qua hai môi trường có chiết xuất khác nhau trong đó một môi t
của chất nghiên cứu. Cơ sở của phương pháp là tia sáng đi từ môi trường A
trường B, có chiết suất khác nhau sẽ bị lệch hướng hay còn gọi là khúc xạ ở nơ
Độ khúc xạ này phụ thuộc vào nồng độ của chất có trong môi trường mẫu. Tuy
thay ví đo độ khúc xạ, người phân tích đo chiết suất của mẫu phân tích. Để đị
chất, người phân tích chỉ cần so sánh chiết xuất của mẫu phân tích với chiết xuất
chuẩn, đã biết nồng độ.
Phương pháp phân cực, nghiên cứu góc quay của mặt phẳng ánh sáng phân cực. Nh
đề cập ở trên, sóng điện từ nói chung hay chùm sáng nói riêng vừa có tính chất
có tính chất từ, thực chất là chùm các hạt photon phóng đi, đồng thời dao độn
không gian với tốc độ rất lớn. Chúng có tính chất điện và tính chất từ, thể hiện
dao động theo hình sin, trên hai mặt phẳng vuông góc với nhau và vuông góc với
chuyển của các hạt (hình 1.1). Vấn đề là nếu chiếu chùm sáng qua mộ 7 , 3528 19 Le Thanh Tong HN
trường vật chất (thí dụ tinh thể hoặc dung dịch chất của một số chất), là các ch
năng cho những tia sáng có dao động trên một mặt phẳng nhất định đi qua, thì tia
dao động ở một mặt phẳng nhất định vuông góc với hướng của tia sáng đó gọi là
phân cực. Có một số chất có khả năng làm quay mặt phẳng dao động của tia
chúng chiếu qua vật chất đó. Các chất đó còn được gọi là các chất quang hoạt. N
quay của tia sáng phụ thuộc vào bản chất của chất, nồng độ dung dịch chất quang
đây, căn cứ vào góc quay của mặt phẳng phân cực, có thể định lượng được chất ph
Ngoài các phương pháp trên, phương pháp phổ tia X, nghiên cứu sự nhiễu xạ
(chủ yếu) của tia X khi chiếu vào mẫu. Nhờ cấu trúc tinh thể của chất, làm cho ti
nhiễu xạ với đặc trưng riêng, từ đó có thể định tính và định lượng chất phân tích.
Phương pháp phổ Raman, đo tần số dao động ( mv ) của phân tử khi chiếu
sáng kích thích có tần số 0 v h
ay bước sóng xác định (laser) trong vùng nhìn thấy
dịch chất phân tích, ở góc 90o so với tia tới sau khi đã loại chùm sáng huỳnh quan
Những phương pháp này được sử dụng không những định tính và định lượng m
còn nghiên cứu cấu trúc của chất.
Mỗi phương pháp đề cập ở trên có thiết bị tương ứng để phân tích. Đặc điểm
của các thiết bị này là sử dụng sóng điện từ nghiên cứu mẫu ở trạng thái phân
lỏng hoặc rắn. Các máy đo có ba phần chức năng cơ bản:
+ Phần phát nguồn sóng điện từ, thường là đèn phát các bức xạ có bước són
nhau. Chức năng của phần này cung cấp một chùm sóng điện từ có năng lượng
chất cần thiết chiếu vào mẫu đo để bộc lộ tính chất của mẫu đo.
Nguồn bức xạ điện từ để chiếu vào mẫu
Phân giải phổ Xử lý tín
(có thể đơn sắc hoặc không)
Hình 1.4: Sơ đồ chức năng máy quang phổ phân tử
+ Phần phân giải phổ, phần này có thể đặt trước hoặc sau mẫu phân tích,
máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS có cả hai loại phân giải phổ đặt ở trướ
cuvet chứa mẫu. Chức năng của phần này là phân giải chùm tia có nhiều bước
sắc) thành những chùm tia có một bước sóng (đơn sắc). Phần này đặc biệt quan
quyết định giá thành của máy đo bởi lẽ, máy càng phân giải phổ tốt, tính chọn
nhạy của phép đo càng cao.
+ Phần xử lý tín hiệu, sau khi chiếu vào mẫu phân tích và phân giải tín hiệu
được khuyếch đại trong nhân quang điện, tích phân, số hóa và ghi lại. b) Nhóm các
phương pháp quang phổ nguyên tử
Nhóm này gồm phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử, có nguyên lý dựa
bức xạ của nguyên tử khi nó từ trạng thái bị kích thích chuyển về trạng thái năng 8 , 3528 19 Le Thanh Tong HN
lượng cơ bản. Đối với phương pháp phát xạ nguyên tử, để kích thích được phổ c
lượng lớn, với nhiệt độ 2000-5000oC. Các nguyên tử của nguyên tố nào đó khi ch
trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ.
bức xạ đặc trưng và cường độ bức xạ của nguyên tố mà định tính và định lượng
phân tích. Ngày nay do tiến bộ của khoa học, dặc biệt trong lĩnh vực điện tử, phư
quang phổ phát xạ nguyên tử có độ nhạy tương đối cao, có thể đạt 1.10 -6% dùng
tích nhanh và đồng thời nhiều chất.
Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử dựa trên sự hấp thụ của các nguy
ở trạng thái tự do (trạng thái hơi) đối với các bức xạ mà chính nó có thể phát ra
thích, tất nhiên là cùng bước sóng. Phương pháp có độ chọn lọc và độ nhạy cao
dụng rộng rãi hơn phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử.
Các máy quang nguyên tử có 3 chức năng.
Tạo phổ nguyên tử Phân giải phổ Xử lý tín hiệu
Hình 1.5: Sơ đồ chức năng máy quang phổ nguyên tử
Chức năng thứ nhất là tạo phổ nguyên tử, gồm bộ phận nguyên tử hóa mẫu
tích. Sau đó, với các máy phát xạ cần kích thích phát xạ, còn máy đo quang phổ
nguyên tử cần có nguồn phát bức xạ phù hợp để chiếu vào hơi nguyên tử.
Chức năng thứ hai giống như thiết bị quang phân tử, đó là phân giải phổ. Chức
năng thứ ba cũng tương tự thiết bị trong máy quang phân tử, đó là phần xử lý tín
gồm nhân quang điện, tích phân và ghi tín hiệu. Như vậy tất cả các thiết bị quan
có chung chức năng phân giải phổ và xử lý tín hiệu. Chúng ta lần lượt xem xét
này trong phần các phương pháp riêng ở phần sau. 1.4 MỘT SỐ THIẾT BỊ QUAN
TRỌNG TRONG CÁC MÁY PHÂN TÍCH QUANG HỌC
1.4.1 Nguồn ánh sáng tử ngoại- khả kiến (UV-VIS)
1. Các nguồn sáng UV-VIS
Nguồn sáng trong các máy đo quang phổ là bộ phận cực kỳ quan trọng, nó
định tới độ nhạy và độ chọn lọc của phép phân tích các mẫu thực tế. Tuy nhiên,
đo là vô hạn, rất đa dạng về loại và hàm lượng, điều đó cũng có nghĩa phải có
vùng phổ khác nhau để thích ứng với các chất. Điều khó khăn của các nhà c
không thể tìm ra một nguồn sáng có năng lượng cao đáp ứng nhu cầu phân tí
vùng phổ. Có nghĩa là người ta chỉ có thể chế tạo ra các nguồn sáng mà thích một vùng phổ nào đó. 9 , 3528 19 Le Thanh Tong HN
Hình 1.3 biểu diễn năng lượng của một số phổ theo độ dài bước sóng sinh ra
nguồn khác nhau trong vùng nhìn thấy (VIS). Đường màu vàng (noon sunlight) mô
phân bố năng lượng ánh sáng khả kiến từ phổ ánh sáng Mặt Trời tự nhiên phản x
Trăng. Đường này cho thấy mức năng lượng ở các vùng phồ tương đối đồng đều,
vùng 500-600nm có năng lượng cao nhất. Đường màu đỏ biểu diễn năng lượng tươ
của ánh sáng đèn volfram ở các vùng phổ khả kiến. Rõ ràng là năng lượng ánh
volfram tăng theo bước sóng. Các đường cong phân bố năng lượng các vùng phổ
nguồn sáng khác còn lại cho thấy chúng không đồng đều theo bước sóng, đặc biệ
nguồn sáng laser, năng lượng chỉ tập trung ở một vùng phổ với bước sóng (655nm).
Hình 1.6 Năng lượng
của các vùng phổ sinh ra từ một số nguồn sáng Đường cong màu xanh đậm đặc
trưng cho đèn hơi thủy ngân, cho thấy năng
lượng của đèn này yếu so với các đèn khác, tuy nhiên nó có cực đại ở một vài
Một số cực đại năng lượng có mặt trong phổ đèn hơi phóng điện xuất hiện là kết
từng đường phổ chồng lên nhau phát sinh từ hơi thủy ngân.
Do có rất nhiều loại đèn khác nhau phát sinh nguồn sáng cho máy đo nên
phần này chúng ta nghiên cứu một số nguồn sáng được phân loại theo cơ chế hình
2. Nguồn nóng sáng
Nguồn nóng sáng gồm đèn sợi đốt volfram (W), đèn sợi đốt volfram có bổ
khí halogen vào môi trường làm việc nên còn gọi là đèn halogen và đèn hồ quang
loại này được gọi là nóng sáng bởi vì nguyên lý phát ra ánh sáng khi bị đốt nóng lượng điện. 10 3528, 19 Le Thanh Tong HN
Đèn volffram được William David Coolidge phát hiện vào năm 1910, phát s
ánh sang trong vùng nhìn thấy. Đèn có nguyên lý hoạt động khá đơn giản, đó là
volffram hoạt động như một điện trở, khi cấp cho điện trở này một nguồn điện, nó
nóng tỏa ra nhiều nhiệt và ánh sáng. Nhiệt độ bề mặt của dây tóc volfram lúc ho
cao, thường trung bình khoảng 2550o C đối với một bóng đèn thương mại chuẩn 10
Đèn phát ra ánh sáng ở vùng khả kiến, là vùng phổ khá rộng, từ khoảng 300n
vùng tử ngoại, tới gần 1400nm, trong vùng hồng ngoại. Để sợi tóc volfram không
hóa khi ở nhiệt độ cao, người ta đặt nó trong môi trường khí trơ, như Ar, Xe h
trong bầu thủy tinh kin. Các chất khí này làm tăng hiệu suất của đèn nóng sáng
làm giảm lượng volfram bốc hơi rồi lắng xuống bên trong bóng thủy tinh bao ngoà
đèn tạo ra một lượng rất lớn ánh sáng và nhiệt, nhưng ánh sáng chỉ chiếm có 5
tổng năng lượng mà chúng phát ra.
Các đèn halogen, thực chất là đèn volffram cải tiến, người ta đưa thêm một í
hoặc brom vào chất khí bên trong đèn để volfram bốc hơi quay trở lại dây tóc,
tuổi thọ của đèn hơn nhiều so với những chiếc đèn sử dụng chất khí khác. Đèn
halogen, được phát triển đầu tiên bởi công ty General Electronic vào những năm
dành cho việc thắp sáng các đầu mút cánh máy bay phản lực siêu âm, có khả n
ánh sáng rất đều trong suốt quãng tuổi thọ của đèn. Ngoài ra, đèn halogen nhỏ hơ
suất cao hơn so với đèn volfram có cường độ tương ứng. Tuổi thọ của một b
volfram-halogen có thể lên tới 10 năm, dưới những điều kiện lí tưởng nhất.
Hình 1.7 Một số đèn volffram và
volfram-halogen Dây tóc của đèn volfram-halogen thường là những sợi xoắn rất chặt gắ
trong một vỏ bao thủy tinh borosilicate-halide (thường gọi là thạch anh nấu chảy). N
độ cao lúc hoạt động đã giới hạn việc sử dụng bóng đèn volfram-halogen cho các
chiếu sáng, tuy nhiên đèn nguồn cho các máy đo có công suất thường 30-50 watt. K
ghép các đèn volfram-halogen với ống dẫn sáng sợi quang, thiết bị quang học được
kế dễ dàng hơn và nhỏ gọ hơn các máy đo truyền thống. 11 3528, 19 Le Thanh Tong HN
Các đèn nóng sáng hiện đại có nguồn gốc từ đèn hồ quang carbon do Humphr
Davy phát minh, chúng tạo ra ánh sáng bằng sự phóng điện hồ quang giữa hai que
(hoặc các điện cực dây tóc) khi đặt một hiệu điện thế cao giữa các điện cực. 3. Ng
sáng huỳnh quang
Đèn huỳnh quang thủy ngân có cấu tạo và nguyên lý hoạt động khác với đèn
đốt thông thường. Đèn gồm ống thủy tinh kín chứa các điện cực, được phủ m
photpho. Người ta lấy hết không khí trong ống thủy tinh đó đi và đưa vào các kh
Ar, Xe, Ne hoặc hơi thủy ngân. Nguyên lý hoạt động của đèn dựa trên cơ sở sự
phóng điện qua chất khí. Khi cấp một điện áp giữa hai cực của đèn cùng với ngu
elechron, sự phóng điện giữa các điện cực xảy ra, dẫn tới sự va chạm giữa dòn
truyền qua các điện cực và các nguyên tử và ion trong chất khí. Khi các electro
dòng va chạm với các nguyên tử hơi thủy ngân, chúng kích thích electron trong
nguyên tử này lên trạng thái năng lượng cao. Năng lượng này được giải phóng dư
bức xạ tử ngoại khi các electron trong nguyên tử thủy ngân rơi trở lại trạng thá
Bức xạ tử ngoại sau đó tác động vào lớp phosphor phủ bên trong, kích thích nó
ra ánh sáng trắng rạng rỡ mà chúng ta nhìn thấy từ đèn huỳnh quang. Đèn huỳnh
hiệu suất phát ánh sáng khả kiến gấp khoảng 2 đến 4 lần, tạo ra ít hao phí nhiệt
tuổi thọ gấp 10 đến 20 lần so với các đèn nóng sáng.
Hình 1.8 đèn huỳnh quang với hơi thủy ngân
Một đặc điểm quan trọng của nguồn sáng huỳnh quang là chúng phát ra n
bước sóng thường tập trung trong những dải hẹp gọi là phổ vạch. Thí dụ đèn h
thường dùng để chiếu sáng đường phố do electron va chạm với nguyên tử natri, kích
nó làm cho electron trong nguyên tử chuyển lên mức năng lượng cao hơn, tuy nhi
thái kích thích này không bền, khi nguyên tử trở về trạng thái cơ bản, phát ra
đặc trưng ở 589 nm (màu vàng). Những bóng đèn loại này phát ra ánh sáng màu
mạnh, với hơn 95% ánh sáng phát xạ gồm ánh sáng 589nm và hầu như không
sóng nào khác nữa. Có thể chế tạo các đèn phóng điện khí phát ra phổ gần nh
ngoài phổ vạch cố hữu của các đèn thuộc loại này. Giải pháp kĩ thuật phổ biến n
lên bề mặt bên trong ống các hạt phosphor, chúng sẽ hấp 12 3528, 19 Le Thanh Tong HN
thụ bức xạ do dòng khí phát ra và biến đổi nó thành phổ ánh sáng khả kiến rộng, lam tới đỏ.
Đèn huỳnh quang xenon (phóng điện hồ quang)
Bên trong chứa các chất khí xenon (hoặc hơi thủy ngân), thường được dùng làm
nguồn sáng cho một số phép phân tích huỳnh quang.
Đèn có cấu tạo và nguyên lý hoạt động của đèn tuýp, bóng xenon không có
mà thay vào đó là hai điện cực đặt trong một ống thủy tinh thạch anh, cách n
khoảng ngắn trong một bầu chứa khí xenon và muối kim loại. Khi cung cấp điện
đến 25.000 V giữa hai điện cực, trong bầu khí sẽ xuất hiện một tia hồ quang (tươ
khi hàn điện). Để có thể tạo ra được điện thế cao như vậy, hệ thống cần có m
động (ignitor). Ngoài ra, để duy trì tia hồ quang, một chấn lưu (ballast) sẽ cung
áp khoảng 85 V trong suốt quá trình đèn hoạt động. Tia hồ quang sẽ làm bay
muối kim loại nằm bên trong bầu thủy tinh chứa khí xenon. Trong va chạm với
tử muối bay hơi, các electron trong dòng hồ quang sẽ bị đẩy vào quỹ đạo có n
cao hơn, để rồi khi chúng quay về quỹ đạo ban đầu sẽ giải phóng một lượng
thừa, tạo ra ánh sang huỳnh quang. Màu của ánh sáng phát ra (hay bước sóng củ
phụ thuộc vào mức độ chênh lệch năng lượng của electron và vào tính chất hóa
muối kim loại được dùng trong bầu khí xenon.
Hình 1.6 Đèn phóng điện hồ quang
Một đèn hồ quang tiêu biểu sáng gấp 10 đến 100 lần so với đèn volfram, và
mang lại chùm sáng đơn sắc rực rỡ khi kết hợp với các bộ lọc giao thoa lưỡng sắ
ngoài đặc biệt. Đèn hồ quang không có dây tóc, sự phóng điện hồ quang năng l
giữa hai điện cực sinh ra ánh sáng cường độ mạnh, phụ thuộc vào sự ion hóa chấ
trong đèn. Nói chung, đèn hồ quang có thời gian sống trung bình 200-500 giờ. Các
quang thủy ngân có công suất từ 50 đến 200 watt thường gồm hai điện cực hàn
áp suất hơi thủy ngân cao bên trong ống thủy tinh thạch anh. 13 3528, 19 Le Thanh Tong HN
Đèn hồ quang thủy ngân và xenon không cho cường độ rọi đồng đều trong to
phổ bước sóng từ tử ngoại tới hồng ngoại. Phần lớn sức mạnh của đèn hồ quang
tiêu hao trong phổ tử ngoại gần và xanh lam, với đa số cực đại cường độ cao
trong ngưỡng 300-450nm, trừ một vài cực đại có bước sóng cao hơn nằm trong v
xanh lục. Trái lại, đèn hồ quang xenon có sản lượng rộng hơn và đồng đều hơn
khả kiến, và không biểu hiện các cực đại cường độ phổ rất cao đặc trưng nh
quang thủy ngân. Tuy nhiên, đèn xenon lại kém hiệu quả trong vùng tử ngoại, và
một lượng lớn sức mạnh của chúng trong vùng hồng ngoại, nên đòi hỏi phải điề
cẩn thận và phải loại trừ tình trạng quá nhiệt nếu sử dụng các đèn này.
4. Đèn bức xạ Đơteri, Hydro (Deuterium, Hydrogen)
Cả hai loại đèn này phát ra ánh sáng liên tục, trong đó đèn đơteri phát ánh s
vùng tử ngoại còn đèn hydrogen phát ánh sáng vùng khả kiến.
Đèn dơteri và hydro có cấu tạo gồm cực kim loại hình lá và sợi đốt phủ o
thời là điện cực để sinh ra các electron, đặt gần nhau trong bầu thủy tinh thạch
hết không khí trong bầu đèn và nạp lượng nhỏ khí dơteri, D2 (hoặc hydro) vào đèn
trong đèn vẫn duy trì áp suất thấp. Các điện cực này được cấp một điện thế thấ
40V. Nhờ điện thế này, giữa các sợi đốt và các điện cực xuất hiện ngọn lửa hồ kích thích phổ cho D . 2
Cơ chế sinh phổ được giải thích là dưới tác
động của nhiệt độ hồ quang và điện trường ở áp su
thấp, phân tử D2 ban đầu bị kích thích, tuy nhiên cũn
như các phân tử bị kích thích khác, chúng không bền
dễ dàng phân ly thành hai nguyên tử cùng với mộ
lượng năng lượng nhất định được thoát ra dưới dạng
bức xạ tử ngoại trước khi chuyển trở lại trạng thái b đầu.
D2 + Ee → D2* → D' + D" + hν
Đèn có thể phát ra bức xạ liên tục bởi vì D2
thể nhận rất nhiều mức năng lượng khác nhau cũng
như bị kích thích ở nhiều mức năng lượng khác nha
dẫn tới chùm bức xạ của chúng rất đa dạng về bư
Hình 1.7 Đèn sóng. đơteri
Một đặc điểm của hai loại đèn này là tùy thuộc vào hình dạng và độ rộng
giữa các điện cực mà hình thành chùm bức xạ với kích thước khác nhau. Đèn đơter
phát ra bức xạ từ 160 nm, tuy nhiên đây là vùng phổ bị vật liệu hấp thụ, kẻ cả 14 3528, 19 Le Thanh Tong HN
thủy tinh thạch anh, do vậy các nhà chế tạo sản xuất đèn này làm việc từ 190nm 4
Đèn hydro có cấu tạo và cơ chế làm việc giống với đèn đơteri, tuy nhiên đèn
bức xạ với vùng phổ tới 800nm.
5. Đèn diode phát quang
Đèn diode phát quang là nguồn chiếu sáng xuất hiện vào thế kỉ 21. LED, v
của Light Emitting Diode là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng
ngoại. Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép
khối bán dẫn loại n. Nó hoạt động giống với nhiều loại điốt bán dẫn. Đó là khố
loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối
(chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch
khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n ch
Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi
điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống). Ở biên giới hai bên mặt tiếp
số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướ
với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng nă
dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng nhất định.
Hình 1.8 Đèn diode phát quang
Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng ph
khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng (và màu sắc của
hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn. Đèn
thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong khoảng 1,5 đế
tuy nhiên thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do đó, LED rất dễ bị hư h
điện thế ngược gây ra. 15 3528, 19 Le Thanh Tong HN
Đèn có đặc điểm tiêu thụ năng lượng tương đối thấp, dòng từ 10 đến 100 m
và thời gian hoạt động lâu dài của diode phát quang khiến cho những nó trở thàn
sáng hoàn hảo khi chỉ yêu cầu cường độ chiếu ánh sáng trắng ở mức trung bình.
thể được cấp bằng pin nên nhỏ gọn, ít tổn hao nhiệt, công suất thấp và giá thành
phát quang hiện nay đã được kiểm tra và thương mại hóa trong nhiều ứng dụng
như làm tín hiệu giao thông, mật hiệu, đèn flash, và đèn chiếu sáng kiểu vòng g
cho kính hiển vi. Ánh sáng do đèn LED trắng phát ra có phổ nhiệt độ màu tươ
đèn hơi thủy ngân, loại đèn thuộc danh mục chiếu sáng ban ngày. Phổ phát xạ
LED trắng được biểu diễn trong hình 3, cực đại phát tại 460nm là do ánh sáng
phát ra bởi diode bán dẫn gallium nitride, còn vùng phát sáng rộng cường độ cao
550 và 650nm là do ánh sáng thứ cấp phát ra bởi phosphor phủ bên trong lớp vỏ
Sự tổng hợp các bước sóng tạo ra ánh sáng “trắng” có nhiệt độ màu tương đối ca
bước sóng thích hợp cho việc chụp ảnh và quan sát ở kính hiển vi quang học.
6. Đèn Laser Cấu tạo
Hình 1.9: Cấu tạo và cơ chế hoạt động của laser.
1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích)
2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích)
3) gương phản xạ toàn phần
4) gương bán phản xạ
5) tia laser
Đèn gồm buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser,
nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Nguyên lý hoạt động:
Một ví dụ về cơ chế hoạt động của laser có thể được miêu tả cho laser thạch anh
buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu, là một chất đặc biệt có
năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. • . Dưới sự tá
của hiệu điện thế cao, các electron của thạch anh di chuyển từ mức năng lượng th
mức năng lương cao tạo nên trạng thái kích thích. Ở mức năng lượng cao, một số
sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng được gọi photon.
• Các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, va phải cá
nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm
photon cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây c
khuyếch đại dòng ánh sáng. 16 3528, 19 Le Thanh Tong HN
• Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương để tăng
suất khuếch đại ánh sáng.
• Một số photon ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu. Tia sáng chính là tia laser.
Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon kh
bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng công hưởng có 2 mặt chắn
đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần ph
một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất las
lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuếc đại lên nhiều
chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chấ loại laser.
1.4.2 Thiết bị phân giải phổ trong các máy quang phổ
a) Phân giải phổ bằng lăng kính
Lăng kính là vật liệu làm bằng thủy tinh hoặc thạch anh, hình tam giác. Tùy
vật liệu làm lăng kính mà chúng có chiết xuất khác nhau. Khi sóng điện từ đi
kính nó bị khúc xạ vì chỉ số khúc xạ phụ thuộc vào bước sóng và chiết suất của
Tia sáng có bước sóng càng ngắn, thì khúc xạ càng nhiều và ngược lại. Lăng kính
suất càng lớn thì tia sáng cũng khúc xạ càng nhiều và ngược lại.
Hình 1.10 Phân giải phổ bằng lăng kính
Lăng kính ABC có chiết suất n, khác với chiết suất của môi trường. Khi
chùm sáng có bước sóng λ và góc tới α vào lăng kính có chiết suất n, tia ló có góc
đi qua lăng kính. D là góc lệch giữa tia tới và tia ló ra khỏi lăng kính. Công thứ cho một lăng kính là: A D + Sin =và A n.sin 2 2 dD dλ 2sin(A/2) . 2 2 = dλdn − 1 n sin (A/2) 17 3528, 19 Le Thanh Tong HN
Nếu góc A là 60o thì độ tán sắc góc có thể tính theo công thức: dD dλ 2 . 2 = dλdn − (1 n )
Biểu thức trên có thể hiểu là độ tán sắc của lăng kính tỷ lệ thuận với chiết
nó, tỷ lệ nghịch với độ dài bước sóng tới. Lăng kính phân giải phổ không tuyến
cả các bước sóng. Lăng kính thủy tinh chỉ phù hợp trong vùng nhìn thấy (400-8
lăng kính quắc hay silic nung chảy làm việc tốt trong cả vùng nhìn thấy và vùng
tuy nhiên lăng kính thủy tinh và silic nung chảy hấp thụ tia sóng trong vùng tử
nhìn thấy nhiều nên vật liệu làm lăng kính tốt nhất là quắc.
Trong vùng hồng ngoại, (vùng 10-25∝m) tất cả các vật liệu trên đều không phù
hợp, người ta phải chế tạo lăng kính bằng KBr.
b) Phân giải phổ bằng cách tử.
Cách tử có hai loại là phản xạ và truyền qua. Cách tử phản xạ được chế tạo
tấm nhôm phẳng hoặc lõm, khắc rất nhiều các rãnh nhỏ song song (650-3600 vạch
1mm). Để bảo vệ cách tử sau khi tạo rãnh, người ta phủ một lớp mỏng SiO . 2
Hình 1.11 Cách tử
phân giải phổ
Cách tử được điều chế như vậy giống những khe hẹp cỡ nm. Khi chiếu chùm
điện từ vào cách tử, gặp những khe hẹp cỡ nm xảy ra hiện tượng nhiễu xạ. Tùy
độ rộng của khe hẹp và tùy thuộc vào bước sóng của tia tới, góc phản xạ r có mλ nhau theo biểu thức: d
Sinr = trong đó r là góc phản xạ, d là độ rộng vạch trên
là bước sóng tới (cm), m là bậc nhiễu xạ, là các số nguyên.
Nhờ hiện tượng này, nếu quay cách tử theo các góc khác nhau, ta có thể đón
các tia điện từ có bước sóng nhất định (đơn sắc).
Cách tử là một phương pháp phân giải hiện đại, ngày nay được trang bị cho hầu
máy quang phổ do ưu điểm gọn nhẹ và vùng làm việc của máy quang phổ rộng.
được khoảng phổ phân giải rộng hơn, người ta có thể kết hợp việc dùng lăng kính
tử hoặc hai cách tử có khe hẹp khác nhau. 18 3528, 19 Le Thanh Tong HN
1.4.3 Thiết bị khuếch đại, nhân quang điện (photomultiplier tube) Thiết bị có dạng ống,
có chức năng chuyển tín hiệu quang (hν) thành tín hiệu điện, đồng thời khuếch đại
với độ khuếch đại có thể đạt hàng triệu lần. Tín hiệu quang học là những photon
vào nhân quang điện được chuyển thành
dòng electron. Các cực 2,3,4,5,6 thường
là các kim loại kiềm, được áp các thế
khác nhau, thế ở cực sau dương hơn cực
trước để tăng tốc cho e. Những thiết bị
khuếch đại hiện nay có thể nhân một photon thành 107 electron.
Hình 1.12 Thiết bị nhân quang điện
1.4.4 Nạp mẫu trong các máy phổ nguyên tử
a) Thiết bị tạo aerosol
Aerosol là hỗn hợp lỏng-khí dạng sương, được chế tạo dựa trên nguyên
Bernoulli. Ngày nay hầu hết các máy đo AAS, AES và ICP-AES, ICP-MS sử
nguyên lý này để đưa mẫu vào ngọn lửa hoặc plasma.
Hình 1.13 Hiệu ứng Bernoulli
Theo nguyên lý Bernoulli, áp
suất ở thành ống tỷ lệ nghịch với tốc độ dòng chảy (không khí hoặc dung dịch).
dòng chảy càng cao, áp suất trên thành ống càng giảm. Hơn nữa, áp suất không đ
điểm khác nhau trong dòng chảy. Trong một đường ống, áp suất ở thành ống nhỏ
suất ở trung tâm dòng chảy.
Trong hình 1.12, do cấu tạo của đường dẫn, tốc độ dòng ở đoạn có đường
nhỏ hơn dòng ở đoạn đường kính nhỏ, tốc độ dòng ở vị trí 2 cao hơn vị trí 1
thành ống tại hai vị trí này chênh lệch nhau khá rõ. 19 3528, 19 Le Thanh Tong HN
Áp dụng hiệu ứng này, tại vị trí số 2, nếu ta nối với một dung dịch thì dun
được đưa vào dòng chảy. Nếu dòng chảy là khí có tốc độ cao, các hạt dung dịch
được phun ra, còn gọi là sương.
Có rất nhiều cách tạo aerosol, tuy nhiên phổ biến nhất là thiết bị hình B tron
1.13a, hoàn toàn giống nguyên lý đã nêu ở trên.
b) Nạp mẫu dạng aerosol vào ngọn lửa và vùng plasma
Trên hình A của 1.14a cách bố trí dung dịch đưa vào dòng khí là một đường dẫn
thủy tinh đồng tâm với đường dẫn khí nhưng nhỏ hơn. Khi có dòng khí (Ar) chảy
tạo áp suất thấp tại đầu mút của đường dẫn dung dịch, hệ quả là dung dịch bị
dòng Ar và tạo thàng aerosol (sương). Hình
1.14a A - Bộ phận chế tạo Aerosol theo kiểu dòng đồng tâm B - Bộ phận chế tạo
Aerosol theo kiểu dòng cắt ngang Hình
1.14b C - Bộ phận chế tạo Aerosol theo kiểu Babington
D - Bộ phận chế tạo Aerosol theo kiểu đĩa phẳng
Trên hình C và D của 1.13b, cách bố trí các đường dung dịch mẫu và khí cắ
không hoàn toàn vuông góc, cũng tạo được aerosol.
c) Nạp mẫu ở dạng bột mịn vào ngọn lửa và vùng plasma
Đối với các chất rắn có nhiều cách đưa vào vùng ngọn lửa hoặc plasma như sau:
tiếp vào ngọn lửa qua thiết bị chuyên dụng; Hóa hơi mẫu theo phương pháp nhiệt
dưa vào ngọn lửa; Dùng hồ quang, tia lửa điện hoặc tia laser để hóa hơi mẫu v
ngọn lửa; Dùng thiết bị tạo sương R-L-K từ huyền phù chất R 20 3528, 19 Le Thanh Tong HN
(tương tự như tạo aerosol); Bắn phá chất rắn bằng dòng điện tích dưới áp suất thấp
Hình 1.14.c là kiểu nhiệt điện hóa hơi đưa
mẫu vào ngọn lưa.
Nhờ một nguồn điện có công suất lớn,
mẫu được nung ở nhiệt độ cao 3000-
5000oC làm hóa hơi mẫu. Dòng khí mang
(Ar) sẽ đưa mẫu vàu vùng nguyên tử hóa.
Hình 1.14.d Tổng kết các kiểu đưa mẫu vào ngọn lửa.
hình thành ion và nguyên tử chất phân tích đưa vào ngọn lửa
d) Tổng kết các kiểu đưa mẫu vào ngọn lửa.