Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ dựa trên hiện tượng

Trắc nghiệm: Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ dựa trên hiện tượng

A. Giao thoa ánh sáng.

B. Tán sắc ánh sáng.

C. Khúc xạ ánh sáng.

D. Phản xạ ánh sáng

Trả lời: 

Đáp án đúng là: B. Tán sắc ánh sáng

Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ dựa trên hiện tượng tán sắc ánh sáng

Cùng Top lời giải tìm hiểu về máy quang phổ nhé!

Máy quang phổ là một thiết bị đo ngày càng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp từ nghiên cứu vật liệu, thực phẩm, điện tử, môi trường… Nó là một thiết bị gần như không thể thiếu trong các phòng thí nghiệm, giúp phân tích nhanh chóng dữ liệu, tìm ra những lỗi hoặc sai sót mà mắt thường không thể nhìn thấy được

Trong bài viết này, hãy cùng Top lời giải tìm hiểu những thông tin bổ ích về máy đo quang phổ để có cái nhìn tổng quan nhất về chức năng, công dụng cũng như cấu tạo của loại thiết bị này nhé

Trước khi bước vào tìm hiểu về máy đo quang phổ, hãy xem lại một chút về khái niệm quang phổ

1. Quang phổ là gì?

Phổ (spectrum) là một từ ngữ dùng để miêu tả một tập hợp những thuộc tính vật lý có tần số tăng dần và nằm liền kề nhau. Ví dụ như là phổ của điện, của nước nước, ánh sáng…

Vậy quang phổ (phổ của ánh sáng) sẽ là tập hợp những tia sáng có bước sóng (tần số ánh sáng) tăng dần nằm liền kề nhau. Ánh sáng ở mỗi bước sóng khác nhau sẽ có màu sắc khác nhau nên khi quan sát 1 quang phổ bạn sẽ thấy chúng có nhiều màu sắc

Một ví dụ đơn giản nhất về quang phổ đó chính là cầu vồng, như bạn đã thấy nó là một dải gồm nhiều màu sắc khác nhau

Cầu vồng được xem là một phổ của ánh sáng

2. Cấu tạo của máy quang phổ

Máy quang phổ có cấu tạo gồm những bộ phận sau:

+ Ổng chuẩn trực: bộ phận này có tác dụng biến chùm sáng đi vào khe hẹp F thành chùm tia song song nhờ vào thấu kính hội tụ.

+ Hệ tán sắc: bộ phận này gồm hai lăng kính với tác dụng làm tán sắc chùm ánh sáng vừa ra khỏi ống chuẩn trực.

+ Buồng ảnh: bộ phận này còn có tên gọi là ống ngắm hoặc buồng tối. Đây là nơi để đặt mắt vào quan sát quang phổ hoặc để thu được ảnh quang phổ của nguồn sáng cần nghiên cứu.

Bạn có biết

– Sử dụng lăng kính để tán sắc trong máy quang phổ là một thiết kế khá phổ biến ở những năm trước đây. Tuy nhiên, các dòng máy quang phổ ngày nay thường sử dụng hệ tán sắc bằng cách tử nhiễu xạ (Diffraction Gratings).

– Cách tử nhiễu xạ là một tấm kính có những rãnh song song, đặt sát nhau (có thể lên đến 2000 rãnh/mm). Nhờ cấu trúc này mà nó cho phép tách chùm tia đơn sắc chi tiết hơn, hiệu quả hơn

Buồng tối của máy quang phổ (hoặc buồng chứa mẫu): bao gồm một vách ngăn có khe hở bên trên (được gọi là Wavelenght Selector), Khe hở này sẽ cho tia sáng đơn sắc sau khi ra khỏi hệ tán sắc đi xuyên qua và vào khu vực đặt mẫu. Đây cũng là khu vực mà bạn sẽ đặt mắt để quan sát kết quả phân tích cuối cùng khi ánh sáng đi xuyên qua mẫu nên còn được gọi là ống ngắm hoặc buồng ảnh

Bộ dò (Detector):

– Với sự tích hợp của Detector thay vì đưa mắt vào quan sát buồng tối như trên những thiết bị cũ, ánh sáng đi qua mẫu sẽ chiếu vào bộ dò, qua bộ xử lý tín hiệu để hiển thị thông số phân tích trực tiếp lên màn của thiết bị

– Các bộ dò quang và đi-ốt phát quang thường được sử dụng trong các máy quang phổ cho vùng cực tím hoặc vùng ánh sáng nhìn thấy được. Đối với phân tích các tia ở vùng hồng ngoại các bộ dò thường làm bằng linh kiện quang dẫn PbS hoặc điôt quang InGaAs

3. Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ

- Thông thường thì Quang phổ kế xác định phân bố cường độ ánh sáng theo bước sóng của ánh sáng do khối vật chất nào đó tự phát ra, hoặc phản xạ hay truyền qua nó. Những khối vật chất khác nhau có đặc tính phát quang hay hấp thụ ánh sáng với các bước sóng, hay mức năng lượng của photon, xác định. Chúng thường được nói đến là các vạch quang phổ. Đo cường độ ánh sáng ở các bước sóng (hay các vạch phổ) đặc trưng này cho phép xác định tỷ lệ (hay hàm lượng) của chất tương ứng trong mẫu vật cần nghiên cứu.

- Phân tích quang phổ có hai dạng đo cơ bản dựa trên nguồn phát sáng:

+ Quang phổ phát xạ: Phân tích quang phổ của ánh sáng do mẫu vật phát ra khi được nung nóng đến nhiệt độ cần thiết, hoặc vốn là các khối vật chất nóng sáng như Mặt Trời, các vì sao,... Trong trường hợp này có thể xác định được cả nhiệt độ của mẫu vật.

+ Quang phổ hấp thụ: Dùng ánh sáng chiếu dọi vào khối vật chất, và quan sát phần ánh sáng phản xạ hay truyền qua mẫu vật.

- Phần lớn các phân tích quang phổ thực hiện ở vùng ánh sáng nhìn thấy. Một số khác thực hiện ở vùng hồng ngoại, tử ngoại, tia X. Tuy nhiên không thấy nói đến sử dụng vùng tia gamma.

- Trong quang phổ kế thì phần cơ bản nhất, là dẫn chùm ánh sáng chứa thông tin đưa tới khối khúc xạ để phân tách ánh sáng theo bước sóng, rồi tới đầu dò để xác định cường độ sáng tại mỗi bước sóng.

- Trong quang phổ phát xạ thì vạch phổ đặc trưng hiện ra là vạch sáng, ví dụ "quang phổ phát xạ plasma cảm ứng". Chúng dễ đo và phân tách với nền tối của phổ. Tuy nhiên việc nung nóng thường làm phá hủy mẫu vật, nên phương cách đo này thường được dùng trong phân tích hàm lượng nguyên tố. Ngoài ra nó được dùng trong nghiên cứu vũ trụ xác định thành phần vật chất ở các ngôi sao phát sáng, hoặc trong kiểm tra chất lượng ánh sáng của các kiểu đèn chiếu sáng.

- Trong quang phổ hấp thụ thì vạch phổ đặc trưng hiện ra là vạch tối, nên dễ bị nhiễu loạn. Tuy nhiên phép đo không gây phá hủy mẫu, nên thường được dùng trong phân tích hàm lượng hợp chất, đặc biệt là xác định hàm lượng chất hữu cơ. Lựa chọn vùng phổ cần chú ý đến mẫu vật có xảy ra hiện tượng huỳnh quang với ánh sáng đó hay không.

- Trong thực tế đầu dò chỉ có thể phát hiện ánh sáng trong dải bước sóng δλ và cường độ tối thiểu xác định. Chúng hiện ra trong chỉ tiêu kỹ thuật của máy đo cụ thể nào đó, là "độ phân giải phổ" và "độ nhạy".

- Vì rằng trong hóa phân tích quang phổ thì xác định định lượng cường độ sáng là việc bất khả thi và không cần thiết, nên trong phân tích người ta thực hiện theo quy trình đo so sánh với mẫu chuẩn, tức là so kết quả với các mẫu có hàm lượng vật chất biết trước để tính ra cho mẫu vật cần phân tích. Quy trình đo có các bước:

+ Đo với các mẫu trắng

+ Đo với các mẫu chuẩn

+ Đo các mẫu thử

- Thời gian được phép đo mẫu vật giữa hai lần chuẩn tùy thuộc thiết bị đo, và thường được nhà cung cấp thiết bị nêu trong hướng dẫn sử dụng.

4. Các loại máy quang phổ

a. Máy quang phổ lăng kính

Máy quang phổ lăng kính biến những chùm tia sáng phức tạp thành những chùm tia sáng đơn giản từ đó giúp chúng ta dễ dàng xác định được những thành phần có trong vật chất. Ngoài ứng dụng trong phòng thí nghiệm, nó còn có là sản phẩm rất hữu ích trong cuộc sống hàng ngày. Máy quang phổ lăng kính giúp chúng ta xác định độ an toàn của đồ ăn thông qua phân tích, phát hiện thành phần độc hại có trong đồ ăn hàng ngày.

* Cấu tạo:

+ Bộ phận chính của máy quang phổ lăng kính:

+ Ống chuẩn mực: biến chùm tia sáng phân kỳ thành chùm tia song song nhờ thấu kính hội tụ.

+ Hệ tán sắc: gồm 2 lăng kính có tác dụng tán sắc những chùm tia mới đi ra từ ống chuẩn trực từ đó biến tia sáng đa sắc thành đơn sắc.

+ Ống ngăm và buồng ảnh (hay buồng tối): dùng để quan sát tia sáng bằng mắt

* Quy trình hoạt động:

+ Đặt vật cần nghiên cứu ở một vị trí xác định

+ Chiếu chùm sáng từ vật vào ống chuẩn trực của máy quang phổ lăng kính

+ Khi qua ống chuẩn trực, chúng sẽ được thấu kính hội tụ chuyển thành các chùm tia song song.

+ Các chùm tia này sẽ di chuyển đến lăng kính ở hệ tán sáng và bị tách ra. Sau khi rời khỏi đây, sẽ có những tia sáng đơn sắc song song với màu sắc riêng biệt và bị lệch thành hai phương

+ Ở buồng ảnh, ta thu được quang phổ của nguồn sáng.

b. Máy quang phổ UV – VIS

+ Máy quang phổ UV – VIS có tên đầy đủ là máy quang phổ hấp thụ phân tử ngoại khả kiến UV – VIS. Nó được sử dụng trong thu, phân li và ghi lại phổ của một vùng phổ quang học nhất định.

+ Máy quang phổ UV – VIS gồm 2 loại:

+ Máy quang phổ UV – VIS một chùm tia

+ Máy quang phổ UV – VIS hai chùm tia

* Phổ UV – VIS:

- Phổ UV – VIS hay phổ hấp thụ phân tử UV – VIS, là loại phổ được sinh ra do sự tương tác giữa các điện tử hóa trị trong các liên kế d, p với đôi điện tử n trong phân tử hay nhóm phân tử của các chất có chùm tia sáng kích thích thich hợp tạo nên.

- Phổ hấp thụ phân tử UV – VIS là phổ đám gồm các cực đại và cực tiểu của phổ nằm tại các bước sóng xác định tùy thuộc vào cấu trúc cùng loại liên kết trong phân tử hay nhóm nguyên tử.

* Cấu tạo:

+ Máy quang phổ UV – VIS ao gồm những thành phần cơ bản sau:

+ Nguồn sáng: đóng vai trò cung cấp bức xạ tương thích với quá trình đo, thường là các chùm bức xạ đa sắc.

+ Bộ phận đơn sắc hóa: bao gồm kính lọc, lăng kính, cách tử và khe sáng

+ Buồng đo: Khoang hấp thu quang phổ là vùng tối và nằm nơi cuối cùng của đường truyền, sau khi tia bức xạ đơn sắc được phân tách sẽ di chuyển đến đó.

+ Detector: bộ phận có nhiệm vụ ghi nhận, xử lý tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Nó sẽ cảm nhận bức xạ điện từ sau khi bị hấp thụ và chuyển đổi chúng thành dòng điện.

* Cách sử dụng máy quang phổ UV – VIS:

+ Về cơ bản, máy quang phổ UV – VIS cũng hoạt động tương tự như các máy quang phổ khác.

+ Phổ mà vật chất hấp thụ phần lớn là các năng lượng ánh sáng của một trong những bước sóng ánh sáng tới bới các nguyên tố, phân tử có trong vật chất.

+ Kết hợp cùng với sự chuyển đổi năng lượng ngay trong vật chất tạo nên những thay đổi nhất định. Các chùm sáng từ vật chất đã trở nên phức tạp hơn.

+ Với cấu tạo, cấu trúc và các thành phần nguyên tố, phân tử khác nhau dã tạo nên khả năng hấp thụ ánh sáng của mỗi vật chất là không giống nhau. Nó sé hấp thụ năng lượng phụ thuộc vào khả năng của mình. Từ đó, chúng ta có thể sử dụng máy quang phổ để xác định được hàm lượng của chất, các thành phần cấu tạo và có mặt trong vật chất thông qua sự phân tích chùm sáng.

c. Máy quang phổ huỳnh quang tia X

Máy quang phổ huỳnh quang tia X được sử dụng để phân tích thành phần nguyên tố trong vật liệu.

- Hoạt động:

- Khi chiếu tia X vào một vật thể thì một phần của tia X sẽ bị hấp thụ bởi vật thể và phần còn lại thì xuyên qua.

- Phụ thuộc vào thành phân hóa học tạo nên vật thể cùng độ dày của chúng mà có mức độ hấp thụ và xuyên qua khác nhau.

d. Máy quang phổ kế (Spectrophotometer)

- Định nghĩa:

Quang phổ kế hay còn gọi là máy quang phổ Spectrophotometer là thiết bị phân tích ảnh sáng, biến chùm tia sáng phức tạp thành đơn giản và được ứng dụng rất nhiều trong cá phòng thí nghiệm, nhà máy,...

- Phân loại:

Máy quang phổ Spectrophotometer chia thành 2 loại:

+ Quang phổ phát xạ: Thành phần định tính của vật chất có thể được xác định và phân tích khi đun nóng chúng đến 1 nhiệt độ nhất định nào đó.

+ Quang phổ hấp thụ: Chiếu tia sáng lên vật và quan sát chùm sáng phản xạ hoặc đường chuyền qua vật chất đó.

5. Ứng dụng của máy quang phổ

- Máy quang phổ giúp xác định các hàm lượng thành phần có bên trong khối vật chất. Chúng giúp quá trình này đỡ mất nhiều thời gian và công sức hơn trước đây. Có thể nói, đây chính là ứng dụng quan trọng nhất của máy quang phổ. Ứng dụng này đặc biệt rất phù hợp với các ngành nghiên cứu và khảo sát.

- Máy quang phổ có khả năng dễ dàng xác định được hàm lượng các thành phần có bên trong mẫu xét nghiệm. Nhờ đó, những thành phần độc hại sẽ được phát hiện ra. Ứng dụng này thường được nhiều nhà quản lý chất lượng chọn lựa vào quy trình kiểm tra chất lượng cho những chiếc bao bì được dùng để đóng gói thực phẩm.

- Trong những ứng dụng nghiên cứu khoa học, máy quang phổ là dụng cụ quang học dùng để giúp các nhà khoa học tìm ra được nguyên tố Heli trên bề mặt của mặt trời ngay cả trước khi phát hiện ra sự có mặt trên trái đất. Qua đó, con người chúng ta cũng biết được rằng loại quang phổ thu được từ ánh sáng mặt trời chính là một loại quang phổ vạch hấp thụ.

- Ngoài ra, máy quang phổ còn được ứng dụng trong các nền công nghiệp chế tạo máy bay, ô tô, tàu hỏa,... Bên cạnh đó, dòng máy này còn được sử dụng trong quá trình phân tích nhanh các loại hợp kim hoặc những mảnh kim loại có kích cỡ nhỏ,...