TÌM HIỂU cấu tạo máy QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI i r

Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp phổ hồng ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác nhiễu xạ tia X, cộng hưởng từ điện tử vv… là phương pháp này cun

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

TÀI LIỆU THAM KHẢO 2

I.GIỚI THIỆU MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI 3

II.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 4

III.CẤU TẠO MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI 4

III.1.MÁY QUANG PHỔ 1 CHÙM TIA 4

III.2.MÁY QUANG PHỔ 2 CHÙM TIA 5

Bộ cấp nguồn sáng 5

Hệ tán sắc 6

Nhận tín hiệu 6

III.3.MÁY QUANG PHỔ BIẾN ĐỔI HỒNG NGOẠI FOURIER 9

IV PHẠM VI SỬ DỤNG 11

Nhận biết các chất: 11

Xác định độ tinh khiết: 12

Suy đoán về tính đối xứng của phân tử: 12

Phân tích định lượng 12

Về thực nghiệm, có 2 cách xác định độ hấp thụ A 13

1

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Douglas A Skoog, James J Leary Principles of instrumental analysis, Saunders College Publishing, 1992

2 David Harvey Modern Analytical Chemistry, Mc Graw Hill, 2000

3 Nguyễn Thị Thu Vân, Phân Tích Định Lượng, Nhà xuất bản ĐHQG TP.HCM 2004

4

http://www.scribd.com/full/34244962?access_key=key-5a0f763vp3pp4p7g9wc

5 http://www.congnghehoahoc.org/forum/showthread.php?t=913

6 http://www.scribd.com/doc/51587812/25/May-quang-ph%E1%BB%95-h

%E1%BB%93ng-ngo%E1%BA%A1i-hai-chum-tia#

I.GIỚI THIỆU MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI

Phương pháp phân tích theo phổ hồng ngoại là một trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu quả Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp phổ hồng ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia

X, cộng hưởng từ điện tử vv…) là phương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp

Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp chấp hoá học có khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hơp chất hoá học dao động với nhều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại Các đám phổ khác nhau

có mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các nhóm chức đặc trưng và các liên kết

có trong phân tử hợp chất hoá học Bởi vậy phổ thông ngoại của một hợp chất hoá học coi như "dấu vân tay", có thể căn cứ vào đó để nhận dạng chúng

Vùng bức xạ hồng ngại là một vùng phổ bức xạ điện từ rộng nằm giữa vùng trông thấy và vùng vi ba; vùng này có thể chia thành 4 vùng nhỏ

- Vùng tác dụng với phim ảnh: từ cuối vùng trông thấy đến 1,2Micro

- Vùng hồng ngoại cực gần 1,2 - 2,5Micro (1200 - 2500Micromet)

- Vùng hồng ngoại gần cũng gọi là vùng phổ dao động

- Vùng hồng ngoại xa cũng gọi là vùng quay, … 25 đến 300,400Micro

Phổ ứng với vùng năng lượng quay nằm trong vùng hồng ngoại xa, đo đạc khó khăn nên ít dùng trong mục đích phân tích

Như vậy phương pháp phân tích phổ hồng ngoại nói ở đây là vùng phổ nằm trong khoảng 2,5 - 25Micro hoặc vùng có số sóng 4000 - 400 cm-1 Vùng này cung cấp cho ta những thông tin quan trọng về các dao động của các phân tử do đó là các thông tin về cấu trúc của các phân tử

3

II.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng dao dộng của phân tử tương ứng với các bức xạ và hấp thụ nằm trong vùng hồng ngoại

Dùng máy quang phổ hấp thụ hồng ngoại để nghiên cứu cấu trúc dao dộng của các phân tử

III.CẤU TẠO MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI

Các loại máy quang phổ hồng ngoại gồm 3 loại:

 Máy quang phổ hồng ngoại 1 chùm tia

 Máy quang phổ hồng ngoại 2 chùm tia

 Máy quang phổ biến đổi hồng ngoại Fourier (Fourier Transformation infrared Spectrometer – FTIR Spectrometer)

III.1.MÁY QUANG PHỔ 1 CHÙM TIA

Sơ đồ nguyên lý máy quang phổ 1 chùm tia

III.2.MÁY QUANG PHỔ 2 CHÙM TIA

Sơ đồ nguyên lý máy quang phổ 2 chùm tia Chùm hồng ngoại phát ra từ nguông được tách ra làm 2 phần, một đi qua mẫu, và một đi qua môi trường đo (dung môi) Rồi được bộ tạo đơn sắc tách thành từng bức xạ có tấn số khác nhau và chuyển đến detector Detector sẽ so sánh cường

độ 2 chùm tia và chuyển thành tín hiệu điện có cường độ tỷ lệ với phần bức xạ đã bị hấp thụ bởi mẫu dòng điện này có cường độ rất nhỏ nên phải nhờ bọ khuếch đại tăng lên nhiều lần trước khi chuyển đến bộ phận tự ghi vẽ lên bảng phổ hoặc đưa vào máy tính xử lý số liệu rồi in ra phổ

Máy đo phổ hồng ngoại phổ biến nhất hiện nay là loại máy gồm các bộphận chính sau:

 Bộ cấp nguồn sáng

 Bộ tách ánh sáng đơn sắc

 Bộ phận nhận tín hiệu và khuếch đại tín hiệu

 Bộ phân xử lý tín hiệu

Bộ cấp nguồn sáng

Thường dùng trong thiết bị IR là đèn Nernst chứa oxit kim loại đất hiếm hoặc cacbit silic có khả năng đốt nóng đến nhiệt độ cao và phát ra tia hồng ngoại Vì

ở nhiệt độ thường hỗn hợp này không dẫn điện nên phải dùng cách đốt nóng trước, giữa 1000 - 1800 độC, đèn này cung cấp bức xạ cực đại ở ớ =7100 cm-1 Ưu điểm của đèn là phổ phát xạ trải ra trong một vùng rộng, cường độ ổn định trong thời gian

dài Nhược điểm là năng lượng tập trung chủ yếu ở vùng trông thấy và vùng hồng ngoại gần, hơn nữa kém bền về cơ học

Đèn Globar: cũng phát bức xạ hồng ngoại liên tục và cũng thuộc loại đèn đốt nóng vật đen Cấu tạo của đèn là một thanh silicacbua dài 40-60 mm và có đường kính khoảng 4-6 mm, nhiệt độ đốt nóng khoảng 1300-1500oK phát bức xạ mạnh ở ~5200cm-1 Đèn này có thể dùng cho vùng bước sóng dài hơn Ngoài ra còn dùng một số nguồn bức xạ khác

Hệ tán sắc

Khi nghiên cứu trong vùng hồng ngoại gần có thể dùng lăng kính, cách tử thạch anh; lăng kính hay cách tử loại này ngoài vùng tử ngoại và trông thấy có thể

sử dụng cho các vùng bức xạ đến tận 2500cm-1

Đối với vùng hồng ngoại trung bình: hay vùng tinh thể NaCl (muối mỏ) cho vùng

4000 - 650cm-1 lăng kính KBr dùng ở vùng 400cm-1 và lăng kính CsI thích hợp cho vùng 270cm-1 Các loại vật liệu LiF, CaF2 cũng hay dùng

Ngày nay cách tử phẳng chiếm vai trò quan trọng Ưu điểm của nó là có thể dùng các vật liệu như Al không bị tác dụng của hơi ẩm, trong khi NaCl, KBr rất dễ

bị hỏng vì ẩm - Ngoài ra cách tử có thể dùng cho một vùng phổ rộng

Các thiết bị quang phổ hồng ngoại không tán sắc thì có thể dùng bộ lọc

"trong suốt đối với tia hồng ngoại" để cô lập bước sóng cần thiết Sơ đồ quang học của loại thiế bị này rất đơn giản và loại thiết bị này thường hay dùng trong trường hợp xác định lặp đi lặp lại một đối tượng, thường gặp trong việc kiểm tra trong công nghiệp

Nhận tín hiệu

Các bức xạ hồng ngoại có cường độ và năng lượng thấp nên thường được

sử dụng detectơ nhiệt dựa trên hiệu ứng nhiệt để phát hiện tất cả các vùng sóng hồng ngoại

Detectơ hỏa điện thường được dùng trong thiết bị phổ hồng ngoại Đó là một thanh mỏng chất hỏa điện nằm giữa hai điện cực tạo ra một tụ điện Các chất hỏa điện thường dùng là triglixin sunfat (TGS) được biến tínhvới dơteri (DTGS)

7

Các detectơ: Trừ vùng bức xạ hồng ngoại gần có thể dùng tế bào quang điện như ở máy quang phổ tử ngoại - nhìn thấy, còn với những vùng bước sóng dài hơn người ta thường dùng các loại detectơ khác; có thể chia làm 2 loại detectơ nhiệt và detectơ photon

Detectơ nhiệt: Dựa trên hiệu ứng nhiệt do bức xạ hồng ngoại gây ra, có thể phản hồi đối với mọi tần số

Vì năng lượng bức xạ hồng ngoại thấp nên tín hiệu ở detectơ cũng thấp nên cần thiết có 1 bộ tiền khuyếch đại (preamplifier) lắp vào detectơ

Để xác định được các tín hiệu đó, các detectơ nhiệt cần có thời gian phản hồi ngắn

và nhiệt được hấp thụ cần được tiêu tán nhanh Điều kiện thứ 2 là yêu cầu khó khăn nhất, vì sự truyền nhiệt không phải là quá trình nhanh

Sau đây là một vài kiểu detectơ nhiệt

* Bolomet(bolometer): thường gồm 1 vật dẫn là kim loại mỏng Khi bức xạ IR đập vào vật dẫn, nhiệt độ của nó thay đổi Vì điện trở của vật dẫn kim loại thay đổi theo nhiệt độ, độ biến thiên điện trở được coi là độ đo lượng bức xạ đập vào bolomet Người ta lắp bolomet thành 1 nhánh của cầu wheastone, khi không có tia IR đập vào bolomet cầu cân bằng Khi tia IR đập vào bolomet, do sự thay đổi điện trở, cầu mất cân bằng, tạo nên một dòng điện chạy qua điện kế; cường độ dòng cho ta biết cường độ bức xạ đập vào detectơ Thời gian phản hồi 4 msec

* Cặp nhiệt điện: gồm 2 đầu, mỗi đầu hàn 2 dây làm tư các vật liệu có hệ số nhiệt

độ cao Nếu hai đầu hàn này được tiếp xúc với các nhiệt độ khác nhau, một điện thế nhỏ sẽ xuất hiện giữa hai đầu nối Trong phép đo hồng ngoại, một đầu nối này (được gọi là đầu lạnh) được giữ ở nhiệt độ không đổi và không tiếp xúc với bức xạ

IR, còn đầu kia (gọi là đầu nóng) tiếp xúc với tia IR,dưới tác dụng của IR nhiệt độ của đầu nối này tăng Sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 đầu nối tạo ra một thế hiệu, phụ thuộc vào lượng bức xạ IR đập vào đầu nóng Thời gian phản hồi của cặp nhiệt điện khoảng 60 msec

Ngoài ra còn dùng các thermistor, chế tạo từ các hỗn hợp oxit kim loại nóng chảy như oxit mangan, Co, Ni vv … sự vận hành của thermistor cũng tương tự như bolomet

Ngoài ra, người ta cũng còn dùng một số detetơ nhiệt khác

Các detectơ nhiệt có thể dùng được trong một vùng phổ rộng, bao gồm cả vùng

trông thấy lẫn vùng hồng ngoại và vận hành ở nhiệt độ phòng.

Nhược điểm chủ yếu của các detectơ nhiệt là thời gian phản hồi chậm và độ nhạy thấp so với một số detectơ khác

b, detectơ photon: là loại detectơ mới, nhạy hơn, dựa trên sự tương tác giữa photon tới và một loại bán dẫn Ví dụ khi bức xạ IR chiếu vào những chất bán dẫn như sunfua chì, telurua chì, độ dẫn điện của nó tăng lên và tạo ra dòng lớn hơn

Thời gian phản hồi - 0,5 msec

Detectơ photon có độ nhạy cao và thời gian phản hồi nhanh nhưng có nhiều nhược điểm trong thực hành ở nhiệt độ phòng, các detectơ này chỉ làm việc được trong một vùng phổ hẹp, thường giới hạn trong vùng hồng ngoại gần Muốn mở rộng vùng làm việc phải làm lạnh sâu (ví dụ giữ trong nitơ lỏng)

4 Cuvét đựng mẫu và cách chuẩn bị mẫu để phân tích

Cuvét: Chuẩn bị mẫu và đưa mẫu vào phân tích bằng phổ hồng ngoại là vấn đều phức tạp Vật liệu làm cuvét phải "trong suốt" và trơ ở vùng hồng ngoại, trong khi

đó thuỷ tinh, thạch anh nói chung không thích hợp cho việc phân tích bằng phổ hồng ngoại Vật liệu được dùng rộng rãi là các halogenua kim loại kiềm, nhất là NaCl, là vật liệu "trong suốt" cho đến tận số sóng 625cm-1 Mặt cuvét làm bằng các halogenua kim loại kiềm dễ bị hơi ẩm tác dụng và bị mờ, cần phải thường xuyên đánh bóng lại

Tia sáng sau khi đi qua mẫu đo sẽ bị hấp thụ một phần còn lại được đưa qua bộ phận nhận tín hiệu biến tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện với dòng rất nhỏ Cường độ dòng điện phụ thuộc vào ánh sáng bị hấp thụ nhiều hay ít Thông thường dòng điện này rất nhỏ nên phải có bộ phận khuếch đại để dòng điện mạnh lên và sau

đó đưa vào máy tính để vẽ phổ đồ và xử lý số liệu

9

III.3.MÁY QUANG PHỔ BIẾN ĐỔI HỒNG NGOẠI FOURIER

Sơ đồ nguyên lý máy quang phổ biến đổi hông ngoại Fourier

Các máy phổ hồng ngoại thế hệ mới được chế tạo theo kiểu biến đổi Fourier

(Fourier Transformation Infrared Spectrometer-FTIR Spectrometer) Trong các

máy này, người ta dùng bộ giao thoa (giao thoa kế) Michelson thay cho bị tạo đơn sắc

Giao thoa kế Michelson là thiết bị tách chùm bức xạ thành hai thành phần

có cường độ bằng nhau rồi sau đó kết hợp trỏ lại thành bức xạ có cường độ thay đổi theo thời gian Sự thay đổi cường độ bức xạ này là do quảng đường đi của hai bức

xạ bị tách ra không giống nhau Giá trị I(t) là hàm của hiệu số hai quãng đường đi nói trên Giao thoa kế gồm một gương cố định, gương di động (có thể di chuyển tịnh tiến trên một đường thẳng nằm ngang) đặt vuông góc nhau và bộ phận chia chùm sáng S chùm bức xạ từ nguồn đi qua bộ phận tách S chia thành hai chùm bức

xạ vuông góc, một chùm đi đến gương cố định còn một chùm đi đến gương di động khi gặp gương chúng phản xạ trở lại bộ phận tách S Đến đây mỗi chùm lại chia đôi, một nữa đi về nguồn còn một nữa đi qua mẫu đo đến detector Như vậy, chùm bức xạ đến mẫu đo gồm hai bức xạ nhập lại có thời gian trễ khác nhau nên cường độ bức xạ thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào quãng đường d của bức xạ đến gương di động

Cấu tạo giao thoa kế Michelson Detector sẽ ghi nhận sự biến đổi cường độ bức xạ theo quảng đường d rồi chuyển thành tín hiệu điện Tín hiệu điện đầu tiên thu được dưới dạng hàm của điện thế V theo quãng đường V=f(d), được máy tính dùng phép biến đổi Fourier chuyển thành hàm của cường độ I theo nghịch đảo của quãng đường d ( tức d-1 hay số sóng v) :

V = f(d)→I = f(v)

Máy quang phổ biến đổi hồng ngoại fourier gồm các bộ phận chính :

 Nguồn sáng

 Giao thoa kế

 Detectơ

 Máy tính

Nguồn sáng

Nguồn sáng cho phổ kế FT-IR cũng là đèn Nernst, đèn global, phát ra bức

xạ hồng ngọai liên tục

Giao thoa kế

Gồm một guơng cố định, một gương di động và bộ tách quang Bộ

táchquang được chế tạo từ một số vật liệu khác nhau tùy thuộc vào vùng hồngngoại

xa hay gần, mỗi loại vật liệu được sử dụng cho một vùng giới hạn bước sóng

11

Bảng vật liệu chế tạo bộ phận tách quang Vật liệu Vùng bức xạ hồng ngoại

Ge/Csl, NaCl, KBr 5000 – 400 IR trung bình

Detector

Nguyên tắc cơ bản của detectơ là khi một photon đập vào mặt của mộtchất rắn sẽ làm bật ra các electron, sau đó các electron này chuyển động vàđập vào bề mặt chất rắn và lại làm bật ra electron với số lượng lớn hơn nhiềulần Chất rắn đó phải là những chất bán dẫn và mỗi chất tương ứng với một vùng bức xạ hồng ngoại khác nhau

Một số chất bán dẫn làm detector là vùng phổ hồng ngoại tương ứng

Vật liệu detetor Vùng phổ IR cm-1

DTGS (detector triglycin sunfat) 5000 - 400

IV PHẠM VI SỬ DỤNG.

Nhận biết các chất:

Trước khi ghi phổ hồng ngoại, nói chung ta đã có thể có nhiều thông tin về hợp chất hoặc hỗn hợp cần nghiên cứu, như: trạng thái vật lý, dạng bên ngoài, độ tan, điểm nóng chảy, điểm cháy, đặc biệt là lịch sử của mẫu

Nếu có thể thì cần biết chắc mẫu là chất nguyên chất hay hỗn hợp Sau khi ghi phổ hồng ngại, nếu chất nghiên cứu là hợp chất hữu cơ thì trước tiên nghiên cứu vùng dao động co giãn của H để xác định xem mẫu thuộc loại hợp chất vòng thơm hay

mạch thẳng hoặc cả hai Sau đó nghiên cứu các vùng tần số nhóm để xác định có hay không có các nhóm chức

Trong nhiều trường hợp việc đọc phổ (giải phổ) và tìm các tần số đặc trưng không đủ để nhận biết một cách toàn diện về chất nghiên cứu, nhưng có lẽ là có thể suy đoán được kiểu hoặc loại hợp chất

Cũng cần tránh khuynh hướng cố gắng giải và gán cho mọi đám phổ quan sát thấy, nhất là những đám phổ vừa và yếu trong vùng phổ phức tạp.Mỗi khi phát hiện một loại chất, người ta so sánh phổ của chất nghiên cứu với phổ của chất nguyên chất tương ứng để có thể nhận định đúng

Hiện nay người ta đã công bố một số tuyển tập phổ hồng ngoại của các chất

và các tần số nhóm đặc trưng

Xác định độ tinh khiết:

Phổ hồng ngoại được dùng để xác định độ tinh khiết của các chất

Khi thích hợp chất không tinh khiết thì thường độ rõ nét của đám phổ riêng biệt bị giảm, sự xuất hiện thêm các đám phổ sẽ làm "nhoè" phổ Khi tạp chất có sự hấp thụ mạnh IR mà ở đó thành phần chính không hấp thụ hoặc hấp thụ yếu thì việc xác định rất thuân lợi Ví dụ có thể nhận ra một lượng nhỏ xeton trong hidrocacbon vì hidrocacbon thực tế không hấp thụ vùng phổ - 1720cm-1 là số sóng đặc trưng cho nhóm C = O

Phương pháp này thường được dùng để kiểm tra sản xuất rất nhiều loại hoá chất ở quy mô công nghiệp

Suy đoán về tính đối xứng của phân tử:

Ví dụ xét xem phân tử NO2 là phân tử gồm các nguyên tử thẳng hàng hay

có cấu tạo uốn võng Thực tế cho thấy phổ hấp thụ IR của NO2 có 3 đám ở 750,

1323, 1616cm-1 (không giống như CO2 chỉ có 2 đám phổ, nên phân tử NO2 phải

có cấu tạo uốn võng

Phân tích định lượng

Khả năng ứng dụng phổ hồng ngoại như là một ngành của phân tích định lượng phụ thuộc trang thiết bị và trình độ của các phòng thí nghiệm Ngày nay, sự

13