(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu chế tạo thiết bị đo quang vùng VIS sử dụng tổ hợp cách tử đặc biệt và CMOS camera làm detector

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Bùi Anh Thƣ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO QUANG VÙNG VIS SỬ DỤNG TỔ HỢP CÁCH TỬ ĐẶC BIỆT VÀ CMOS CAMERA LÀM DETECTOR LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2015 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Bùi Anh Thƣ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO QUANG VÙNG VIS SỬ DỤNG TỔ HỢP CÁCH TỬ ĐẶC BIỆT VÀ CMOS CAMERA LÀM DETECTOR Chun ngành: Hóa phân tích Mã số: 60440118 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS Alexandder Scheeline PGS TS Tạ Thị Thảo Hà Nội - 2015 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan Luận văn thạc sỹ khoa học với đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo quang vùng VIS sử dụng tổ hợp cách từ đặc biệt CMOS camera làm detector” cơng trình nghiên cứu thân Các thơng tin tham khảo dùng luận văn lấy từ cơng trình nghiên cứu có liên quan nêu rõ nguồn gốc danh mục tài liệu tham khảo Các kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học khác Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2015 Học viên Bùi Anh Thư TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu hồn thành luận văn tơi nhận giúp đỡ tận tình Thầy Cơ, anh chị, bạn bè, đồng nghiệp, người thân gia đình quan có liên quan Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn tới GS Alexander Scheeline – người dẫn tơi thí nghiệm giai đoạn hồn thiện máy; tới PGS TS Tạ Thị Thảo – cô quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn suốt q trình thực hồn thành đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn hỗ trợ kinh phí đề tài nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ cấp thành phố Hà Nội: “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo quang cầm tay kết hợp với kit thử để phân tích nhanh lượng vết amoni, nitrit nitrat nước trường”, mã số: 01C- 02/05-2014-2 cho nghiên cứu luận văn Tôi vô biết ơn Tập thể Thầy, giáo cán nhân Bộ mơn Hóa Phân tích – trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội tạo điều kiện thuận cho tơi q trình học tập nghiên cứu Cuối xin gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè, người hết lịng ủng hộ, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt đề tài Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2015 Học viên Bùi Anh Thư i TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các thiết bị đo quang trƣờng .1 1.1.1 Giới thiệu số thiết bị đo trường Việt Nam .1 1.1.2 Các phương pháp định lượng nhanh thơng số hóa học trường 1.2 Các thành phần máy quang phổ 1.2.1 Các loại nguồn sáng sử dụng máy đo quang 1.2.1.1 Nguồn sáng Vonfram: .7 1.2.1.2 Nguồn sáng laser 1.2.1.3 Đèn thủy ngân: 10 1.2.1.4 Diode phát quang (LED): .11 1.2.2 Các quang hệ tạo tia đơn sắc (monochromator) 14 1.2.2.1 Lăng kính phân tách chùm tia: 14 1.2.2.2 Lăng kính tán sắc (lăng kính khúc xạ) 15 1.2.2.3 Bộ tách chùm tia 16 1.2.3 Cách tử .17 1.2.3.1 Cách tử khắc vạch 18 1.2.3.3 Cách tử giao thoa 18 1.2.3.4 Cách tử phẳng truyền qua .18 1.2.3.5 Cách tử giao thoa lõm 18 ii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư 1.2.4 Gương máy quang phổ 19 1.2.4.1 Gương cầu .19 1.2.4.2 Quang sai gương 22 1.2.4 Detector 23 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .25 2.1 Đối tƣợng nội dung nghiên cứu 25 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 25 2.1.2 Nội dung nghiên cứu 25 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 26 2.2.1 Phương pháp nghiên cứu chế tạo máy đo quang .26 2.2.2 Phương pháp đánh giá thiết bị đo qua phân tích nitrit amoni 26 2.3 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 27 2.3.1 Dụng cụ chế tạo máy 27 2.3.2 Hóa chất 27 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo quang cầm tay 31 3.1.1 Nghiên cứu lựa chọn nguồn sáng 31 3.1.2 Nghiên cứu lựa chọn nguồn nuôi thiết bị 35 3.1.3 Nghiên cứu lựa chọn cách tử chế tạo tổ hợp cách tử 38 3.1.4 Nghiên cứu lựa chọn gương .44 3.1.5 Nghiên cứu lựa chọn cuvett 48 3.1.6 Lựa chọn lắp đặt detector 51 3.2 Ứng dụng phần mềm Spectroburst để xử lý tín hiệu hình ảnh 54 3.2.1 Nguyên tắc xây dựng 54 iii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư 3.2.2 Giao diện cách sử dụng .59 3.3 Đánh giá đặc tính thiết bị đo phân tích nitrit amoni phƣơng pháp trắc quang .63 3.3.1 Phổ hấp thụ lý thuyết dung dịch phức màu .63 3.3.2 Độ phân giải máy 65 3.3.3 Đánh giá độ chụm qua phép đo Nitrit 65 3.3.4 Độ 67 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 iv TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1: Thiết bị đo đơn tiêu (pH, độ dẫn, độ đục, DO) .1 Hình 1.2: Thiết bị đo đa tiêu trường Hình 1.3: Các thiết bị đo quang cầm tay hãng HANNA bán kèm với kit thử (từ 160 USD đến 1500 USD) .4 Hình 1.4: Thiết bị đo quang cầm tay hãng khác Hình 1.5: Phổ ánh sáng khả kiến .6 Hình 1.6: Năng lượng nguồn sáng phát ánh sáng khả kiến Hình 1.7: Cấu trúc laser khí Argon-Ion Hình 1.8: Cấu tạo diode phát ánh sáng trắng 14 Hình 1.9: Lăng kính tán sắc .15 Hình 1.10: Hệ Czerny-Turner đường tia sáng 19 Hình 1.11: Quang sai gương cầu lõm 22 Hình 3.1: Quang phổ khả kiến đèn thủy ngân qua lỗ kim 50µm 32 Hình 3.2: Quang phổ khả kiến đèn thủy ngân qua lỗ kim 400µm 32 Hình 3.3: Phổ hấp thụ ánh sáng thu từ đèn LED 33 Hình 3.4: Cấu tạo đèn LED dùng cho thiết bị đo quang cầm tay 34 Hình 3.5: Quang phổ hình ảnh đèn LED qua lỗ kim 50µm 34 Hình 3.6: Hộp chiết áp kèm với thiết bị 36 Hình 3.7: Sơ đồ mạch điện hộp chiết áp 36 Hình 3.8: Nguồn nuôi thiết bi sử dụng USB kết nối máy tính .37 Hình 3.9: Mơ hình nghiên cứu khoảng cách góc quay cách tử 39 Hình 3.10: Dạng phổ quan sát qua chiếu thay đổi vị trí cách tử .39 Hình 3.11: Sơ đồ bố trí mặt quay cách tử 40 Hình 3.12: Quang phổ thu điều chỉnh mặt quay cách tử TN3 41 Hình 3.13: Ảnh SEM bề mặt cách tử 42 Hình 3.14: Hình ảnh hệ thấu kính sơ đồ lắp đặt hệ thấu kính thiết bị 44 Hình 3.15: Ảnh phổ thu sử dụng thấu kính đơn 45 Hình 3.16: Vị trí đặt gương parabol lệch tâm (OAP mirror) máy chế tạo 46 Hình 3.17: Chi tiết thiết kế gương parabol lệch tâm (Edmund Optic) .46 Hình 3.18: Ảnh phổ thu sử dụng thấu kính Edmund Optic 46 Hình 3.19: Ảnh phổ thu sử dụng thấu kính đơn 47 Hình 3.20: Ảnh phổ thu sử dụng parabol lệch tâm .48 Hình 3.21: Cuvet lựa chọn cho thiết bị đo quang cầm tay 50 Hình 3.22: Vị trí buồng cuvet máy đo 51 v TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư Hình 3.23: Sơ đồ chi tiết Camera (a) thông số cụ thể camera lựa chọn thiết bị chế tạo (b) 53 Hình 3.24: Hình ảnh chụp màu sắc ánh sáng trắng sau qua mẫu qua cách tử 55 Hình 3.25: Giao diện đâu tiên phần mềm 60 Hình 3.26: Cửa sổ thiết lập thông số 60 Hình 3.27: Trải phẳng quang phổ .61 Hình 3.28: Phổ hấp thụ phức màu tạo thuốc thử Griess cải tiến (bên trái) phức inđohymol (bên phải) máy UV-1650 PC 64 Hình 3.29: Phổ hấp thụ phức màu tạo thuốc thử Griess cải tiến (bên trái) phức inđohymol (bên phải) máy đo quang tự chế tạo .64 Hình 3.30: Độ phân giải thiết bị đo bậc phổ khác .65 Hình 3.31: Độ lặp lại độ hấp thụ quang mẫu nitrit 0,5ppm 67 Hình 3.32: Đường chuẩn phân tích nitrit (A- C(ppm) bước sóng 458 nm 68 Hình 3.33: Đường chuẩn xác định amoni (A- C(ppm) máy đo quang tự chế tạo 68 Bảng 1.1: Bước sóng ánh sáng khả kiến màu sắc nhận Bảng 1.2: Các vạch phổ mạnh đèn thủy ngân phát xạ gồm: .10 Bảng 3.1: Độ hấp thụ quang dung dịch phức màu nitrit đo lặp lại 65 vi TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AC Alternating current Dòng xoay chiều CCD Charge-couple device Cảm biến tích điện kép CMOS Complementary Metal – Oxide – Cảm biến bán dẫn có bổ sung Semiconductor oxit kim loại COD Chemical oxygen demand Nhu cầu oxi hóa hóa học DO Dissolved oxygen Oxy hòa tan LED Light-emitting diode Đèn đi-ốt phát quang OAP Off-axis parabola Parabol lệch trục ORP Oxidation - Reduction Potential Thế oxi hóa - khử SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét TDS Total dissolved solids Tổng chất rắn hòa tan TSS Total suspended solids Tổng chất rắn lơ lửng UV Ultraviolet Tia tử ngoại UVA Ultraviolet A Tia tử ngoại A UVC Ultraviolet C Tia tử ngoại C VIS Visible Nhìn vii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư Vị trí bậc (nx, ny) phụ thuộc vào (βx, βy) Tham số hóa bán kính bậc bước sóng r0 Nếu β(λref) nx=1 xref, thì:    xref  r0 tan  sin 1 ref  dx   (0.1) Trong r0 dx hai ẩn số; r0 phụ thuộc vào vị trí tâm ảnh (x0,y0) chùm quang phổ Các biến đổi giả sử đặt nhằm tối ưu hóa phương trình tìm β0 khơng đề cập tới báo cáo Kết sau:   1/2   n   d tan 1 cos  tan  n , n     x ,0 inc x ,1 y ,1   x ,0       d x ,0       1   nx ,0   d x ,0 tan cos inc tan   nx ,1 , n y ,1     1    d x ,0    tan       n y ,0   d y ,0 tan 1 sin inc tan   nx ,1 , n y ,1          d y ,0         n y ,0   d y ,0 tan 1 sin inc tan   nx ,1 , n y ,1     1        d y ,0           nx ,1    d x ,1   n  sin 1  x ,1   ny ,1   d   y ,1   n  sin 1  y ,1 (0.2) tan   nx,1 , ny ,1   tan nx ,1  tan ny ,1 (0.3) (0.4)   nx ,1 , ny ,1   tan 1   tan  ny ,1    tan  n  x ,1   (0.5) 0,inc  1  nx.1 , ny ,1   1    (0.6) Trang 58 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ n x ,0 , n y ,0  tan 1 tan  y ,0 tan  x ,0 Bùi Anh Thư   n   d y ,0 tan 1 1  y ,0  tan sin     1  tan   n   d x ,0 tan 1 1  x ,0  tan sin     sin    tan   nx ,1 , ny ,1      d y ,0  (0.7) cos inc tan   nx ,1 , ny ,1      d x ,0  inc  Các liệu đầu vào bao gồm: khoảng cách rãnh cách tử, góc quay cách tử bước sóng [13], [22] Kết đầu tọa độ (r, θ) Các tính tốn câu lệnh từ tính tốn để tạo nên phần mềm thực giáo sư Alexander Scheeline ( Mỹ) yêu cầu phải bảo mật code phần mềm  Thu thập liệu từ quang phổ trải phẳng: Quét qua quang phổ phẳng để đọc tổ hợp màu pixel thuộc bậc phổ (Red, Green, Blue) Dùng thuật tốn loại bỏ bậc phổ khơng đáng tin cậy lấy giá trị trung bình dải phổ bậc làm kết cho bậc phổ 3.2.2 Giao diện cách sử dụng  Giao diện phần mềm Tên phần mềm: SpectroBurst.exe Hình 3: Giao diện đầu tiên: lựa chọn nguồn hình ảnh, lấy theo thời gian thực trực tiếp từ camera, truy xuất file hình ảnh có từ trước để phân tích Điều cho phép đọc kết khác từ hình ảnh, dùng để phân tích sâu hơn, nhiều ý nghĩa so với việc đo mẫu lần kết series máy cầm tay khác Trang 59 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư Hình 3.25: Giao diện đâu tiên phần mềm Hình 3.44 kết nghiên cứu lựa chọn thông số định dạng ảnh, độ xoay cách tử, thời gian phơi sáng Cho phép định vị tâm ảnh manually auto Hình 3.26: Cửa sổ thiết lập thông số Trang 60 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư Hình 3.27: Trải phẳng quang phổ Bromocresol Green Trên số 15 lựa chọn để phân tích sâu vào hình ảnh Các lựa chọn với tùy chỉnh chi tiết phần cứng thiết bị, phục vụ đắc lực cho mục tiêu nghiên cứu sâu phát triển thiết bị hướng tới công dụng khác Đối với người sử dụng, tùy thuộc vào mục đích ứng dụng, phân phối phần tương ứng  Hướng dẫn sử dụng phần mềm Chú ý: Phần mềm viết cho đối tượng có nhu cầu nghiên cứu, phân tích sâu tất tiêu dải phổ (đây điểm mạnh đặc biệt sáng chế) Trong giới hạn báo cáo này, bỏ qua nhiều phần không sử dụng tới phần mềm Bước 1: Kết nối thiết bị đo quang cầm tay với máy tính qua cổng UBS Bước 2: Khởi động phần mềm, chọn chế độ phân tích nhanh Simple Sequence Trang 61 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư Bước 3: Chọn Load Default Parameter, cửa sổ pop-up, chọn file SpectroClickASCIIDefault.txt Bước 4: Bắt đầu đo mẫu - Cho vật chắn sáng vào buồng cuvet chọn Dark Signal Execute - Cho mẫu trắng vào buồng cuvet chọn Get Blank or Reference - Cho mẫu cần đo vào buồng cuvet chọn Get Unknow or Sample Trang 62 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư Bước 5: Tính tốn kết quả: Chọn Compute Spectrum and Plot, phần mềm tự động tính tốn cho kết độ hấp thụ mẫu Bước 6: Lưu trữ kết quả: Chọn Save All Files để lưu hình ảnh số liệu trích xuất từ ảnh vào file Excel nhằm thuận tiện cho tính tốn sau cần 3.3 Đánh giá đặc tính thiết bị đo phân tích nitrit amoni phƣơng pháp trắc quang 3.3.1 Phổ hấp thụ lý thuyết dung dịch phức màu Kết đo phổ hấp thụ dung dịch phức màu tạo kit thử dung dịch nitrit amoni chuẩn thu hình 3.28 Thực nghiệm cho thấy, cực đại hấp thụ phức nitrit đạt λmax = 520 nm phức màu indothymol λmax = 693nm Các bước sóng giống với λmax tài liệu tham khảo Với dung dịch phức màu thu được, đo máy đo quang tự chế ạo, trích xuất giá trị độ hấp thụ quang dạng file excel biểu thị phụ thuộc độ hấp thụ quang theo bước sóng thu phổ hấp thụ hình 3.29 Trang 63 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư Hình 3.28: Phổ hấp thụ phức màu tạo thuốc thử Griess cải tiến (bên trái) phức inđohymol (bên phải) máy UV-1650 PC 0,25 0,4 A A 0,35 0,2 0,3 0,25 0,15 0,2 0,1 0,15 0,1 0,05 0,05 420 470 520 nm 570 500 550 600 650 nm 700 Hình 3.29: Phổ hấp thụ phức màu tạo thuốc thử Griess cải tiến (bên trái) phức inđohymol (bên phải) máy đo quang tự chế tạo Kết thực nghiệm cho thấy có dịch chuyển bước sóng cực đại hai chất màu phía sóng ngắn Đây điểm hạn chế phần thời điểm chưa hiệu chỉnh bước sóng hấp thụ cần cải tiến Tuy nhiên, với dung dịch có nồng độ chất phân tích khác khơng có thay đổi cực đại hấp thụ nên hồn tồn định lượng cách định độ hấp thụ quang bước sóng cực đại Một điểm khác biệt thiết bị chế tạo theo Trang 64 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư nguyên tắc chiếu thẳng chùm sáng trắng vào mẫu phân tích phân giải phổ nên phổ hấp thụ xuất nhiều cực đại hấp thụ tương ứng với nhiều nhóm có tính chất hấp thụ ánh sáng, khác với ddeeteector nhân quang điện chế thiết bị tạo cho ánh sáng đơn sắc qua dung dịch có màu 3.3.2 Độ phân giải máy Độ phân giải máy phụ thuộc vào bậc quang phổ lựa chọn Đối với ánh sáng 500nm, quang phổ bậc cho độ phân giải 20nm, bậc 10nm bậc 6nm (hình 3.30) 50 μm aperture  10 nm resolution 25 μm aperture  nm resolution 488 nm bandpass filter, λ = nm (David Brady/Centice would say λ