tìm hiểu nguyên tắc cấu tạo, hoạt động và ứng dụng máy quang phổ huỳnh quang fluoromax 4

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƢ PHẠM BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ TÌM HIỂU NGUYÊN TẮC CẤU TẠO, HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG MÁY QUANG PHỔ HUỲNH QUANG FLUOROMAX-4 Luận văn tốt nghiệp Ngành: SƢ PHẠM VẬT LÝ Giáo viên hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: TS Nguyễn Trí Tuấn Văn Thùy Dƣơng Mã số SV: 1117583 Lớp: Sƣ Phạm Vật Lý- Công Nghệ Khóa: 37 Cần Thơ, Năm 2015 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài luận văn này, em xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Trí Tuấn hướng dẫn, truyền đạt kiến thức quý giá, theo dõi giúp đỡ em suốt trình thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn anh, ch cao h c, ạn sinh viên thực luận văn ph ng thí nghiệm Vật liệu ạn tận tình ch ảo, đ ng vi n, giúp đỡ em trình làm luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình người thân quan tâm, đ ng vi n chỗ dựa tinh thần vật chất cho em suốt trình h c tập trường M t lần xin gửi lời cảm ơn đến tất m i người! LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghi n cứu thực Các số liệu, kết phân tích luận văn hoàn toàn trung thực chưa công ố ất kỳ công trình nghi n cứu trước M i tham khảo, trích dẫn ch rõ nguồn danh mục tài liệu tham khảo luận văn Cần Thơ, ngày 27 tháng 04 năm 2015 Tác giả Văn Thùy Dương DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hiện tượng quang huỳnh quang [3] Hình 1.2 Hiện tượng điện huỳnh quang [3] Hình 1.3 Sự phụ thu c cường đ phổ huỳnh quang vào nồng đ [5] Hình 1.4 Sự phát huỳnh quang nồng đ pha tạp chất (a) dập tắt huỳnh quang pha tạp với nồng đ cao ( ) [5] Hình 1.5 Các trình phát quang tinh thể án dẫn [9] Hình 1.6 Mô tả trình hạt dẫn tái hợp hạt dẫn [9] 10 Hình 1.7 Đ n khí thủy ngân [3] 12 Hình 1.8 Đ n dây tóc [3] 12 Hình 1.9 Ống âm cực [3] 14 10 Hình 1.10 Máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax-4 14 11 Hình 1.11 Sơ đồ khối hệ đo phổ huỳnh quang [4] 16 12 Hình 1.12 Sơ đồ nguy n lý phép đo phổ kích thích [9] 17 13 Hình 1.13 Hình ảnh nhiễm trùng thể qua kính hiển vi [3] 20 14 Hình 1.14 Vết rạn tr n dĩa men ng c [3] 22 15 Hình 1.15 Hệ thống sông Ranh sông Đanúp [3] 23 16 Hình 2.1 Hệ đo huỳnh quang Fluoromax-4 26 17 Hình 2.2 Sơ đồ ố trí quang h c [6] 27 18 Hình 2.3 Đ n chiếu sáng [6] 28 19 Hình 2.4 B phận tạo đơn sắc ánh sáng kích thích [6] 29 20 Hình 2.5 B phận tạo đơn sắc ánh sáng phát xạ [6] 29 21 Hình 2.6 Cách tử [6] 29 22 Hình 2.7 Buồng chứa mẫu [6] 31 23 Hình 2.8 Đầu thu tín hiệu [6] 31 24 Hình 2.9 Đầu thu tham chiếu [6] 32 25 Hình 2.10 Nguồn cung cấp cho đ n [6] 32 26 Hình 2.11 Thiết điện tử điều khiển thụ đ ng phía tr n [6] 32 27 Hình 2.12 Thiết điện tử 33 28 Hình 2.13 Cửa sổ phần mềm FluorEssence [6] 35 29 Hình 2.14 Bảng menu thông số [6] 36 30 Hình 3.1 Phổ kích thích huỳnh quang phát xạ nano tinh thể 37 ZnS chế tạo ằng phương pháp đồng kết tủa, với λem: 411 nm λex: 322 nm 31 Hình 3.2 Phổ PLE PL nano tinh thể ZnS tổng hợp 38 thủy nhiệt, với λem: 440 nm λex: 280 nm 32 Hình 3.3 Phổ PLE PL t nano tinh thể ZnS chiếu xạ vi 39 sóng, ước sóng đo 440 nm ước sóng kích thích 345 nm 33 Hình 3.4 Phổ PL mẫu ZnCl2/(NH4)2CO3 1/1 34 Hình 3.5 Phổ PL ZnO pH = 10, 20h, nhiệt đ từ 1900C – 41 2300C n [6] ZnO với t lệ mol 40 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu T n tiếng Anh chữ viết tắt T n tiếng Việt E Energy Năng lượng Eg Bandgap Năng lượng vùng cấm I Intensity of light Cường đ ánh sáng IL Intensity of luminescence Cường đ huỳnh quang me Efecctive mass of electron Khối lượng hiệu dụng điện tử  Wavelength Bước sóng Frequency Tần số C Concentration Nồng đ UV Ultraviolet Vùng tử ngoại VIS Visible Vùng ánh sáng nhìn thấy PMT Photomultiplier tubes Ống nhân quang Time-correlated single-photon counting B đếm photon tương quan thời gian RTC Real time control Kiểm soát thời gian thực PL Photoluminescence spectrum Phổ huỳnh quang PLE Photoluminescence Excitation Phổ kích thích huỳnh quang CPS Characters per second Ký tự tr n giây TCSPC MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 2.MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 3.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 4.PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .2 5.CÁC BƢỚC THỰC HIỆN PHẦN NỘI DUNG Chƣơng 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HUỲNH QUANG 1.1.Khái niệm huỳnh quang .3 1.2.Phân loại tƣợng huỳnh quang .4 1.3.Các đặc trƣng huỳnh quang 1.3.1 Phổ hấp thụ .5 1.3.2.Phổ kích thích 1.3.3.Phổ huỳnh quang .6 1.3.4.Cơ chế chuyển dời 1.3.5.Động học huỳnh quang 10 1.4.Các loại máy dùng cho phân tích huỳnh quang 11 1.4.1.Nguồn sáng dùng để kích thích huỳnh quang 11 1.4.2.Các kính lọc máy đơn sắc 13 1.4.3.Máy quang phổ phân cực kế 13 1.5.Các phƣơng pháp quang phổ [4] .15 1.5.1.Phép đo phổ hấp thụ .15 1.5.2 Phép đo phổ huỳnh quang 15 1.6.Các ứng dụng huỳnh quang .16 1.6.1.Phát xạ không trông thấy 17 1.6.2.Phân tích huỳnh quang phát sinh vật y học 18 1.6.3.Ứng dụng huỳnh quang kỹ nghệ .21 1.6.4.Phát di chuyển ngầm 22 1.6.5.Phân tích huỳnh quang khảo cổ học 23 i 1.6.6.Phân tích huỳnh quang nông nghiệp 24 Chƣơng 2.GIỚI THIỆU VỀ MÁY QUANG PHỔ HUỲNH QUANG FLUOROMAX-4 26 2.1.Giới thiệu chung 26 2.2.Cấu tạo tính 27 2.2.1.Cấu tạo 27 2.2.2.Tính .33 2.3.Nguyên lý hoạt động 34 2.3.1.Nguyên lý vận hành 34 2.3.2.Cách khởi động hệ thống 34 2.3.3.Phần mềm FluorEssence .35 Chƣơng ỨNG DỤNG CỦA MÁY QUANG PHỔ HUỲNH QUANG FLUOROMAX-4 37 3.1 Kết đo phổ huỳnh quang số mẫu vật liệu nano 37 3.1.1 Phổ huỳnh quang nano tinh thể ZnS tổng hợp phƣơng pháp hóa học Error! Bookmark not defined 3.1.2.Phổ huỳnh quang nano tinh thể ZnO tổng hợp phƣơng pháp đồng kết tủa 40 3.1.3.Phổ huỳnh quang nano tinh thể ZnO tổng hợp phƣơng pháp thủy nhiệt .41 PHẦN KẾT LUẬN 42 1.NHỮNG ĐIỀU ĐẠT ĐƢỢC 42 2.NHỮNG HẠN CHẾ 42 3.HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 ii Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương PHẦN MỞ ĐẦU 1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Phổ h c (Spectroscopy) phương pháp đo phân tích ức xạ điện từ hấp thụ hay ức xạ điện tử, phân tử, nguy n tử hay ion mẫu đo d ch chuyển từ m t mức lượng cho phép đến m t mức lượng khác Việc xác đ nh thành phần hóa h c, cấu trúc, tính chất hóa lý tr n ề mặt khối vật liệu có ý nghĩa quan tr ng Công nghệ vi điện tử, Quang điện tử Công nghệ vật liệu Hiện ngày có nhiều phương pháp thiết ứng dụng lý thuyết phổ h c sử dụng không ch ph ng thí nghiệm mà công nghiệp nhằm kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm, xác đ nh tính chất đặc iệt công nghệ chế tạo vật liệu thiết sử dụng lĩnh vực cu c sống M t phương pháp phân tích phổ sử dụng luận văn phương pháp phổ huỳnh quang Huỳnh quang phát quang m t electron phân tử hấp thụ lượng m t ước sóng cụ thể, từ mức lượng cao mức an đầu, giải phóng lượng ánh sáng Với m t ước sóng kích thích, phổ huỳnh quang chất phát huỳnh quang khác khác Trong thực tế, phổ huỳnh quang có nhiều ứng dụng như: sinh h c, khoa h c sống, hóa h c, khoa h c vật liệu, mỹ phẩm… Các sản phẩm máy Quang phổ huỳnh quang HORIBA Jo inYvon đáp ứng tất mục đích ứng dụng máy quang phổ huỳnh quang, cho phép thu phép đo huỳnh quang tốt nhất, làm cho công việc nghi n cứu trở n n dễ dàng, có đ lặp lại xác cao Máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax – thiết phân tích quang phổ huỳnh quang nhỏ g n, để àn, có đ nhạy lý tưởng cho ph ng thí nghiệm nghiên cứu ti n tiến, phân tích thông thường kiểm soát chất lượng với nhiều ứng dụng khác khoa h c vật liệu, y sinh, hóa dược, đ a chất… Với nhiều tính ưu việt đổi li n tục để phù hợp với điều kiện phát triển ngày cao ph ng thí nghiệm việc phân tích phổ huỳnh quang, Fluoromax d ng sản phẩm đáng tin cậy n n em ch n “Tìm hiểu nguy n tắc cấu tạo, hoạt đ ng ứng dụng máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax-4” làm đề tài luận văn 2.MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiểu nguy n tắc cấu tạo, hoạt đ ng máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax-4 ứng dụng để thực phép đo m t số vật liệu kích thước nano 3.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương - Tìm hiểu chung huỳnh quang, tính chất ứng dụng - Tìm hiểu nguy n tắc cấu tạo, nguy n lý hoạt đ ng máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax-4 - Thực phép đo m t số mẫu vật liệu nano có sẵn 4.PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp nghi n cứu lý luận: dựa tr n sở lý thuyết - Phương pháp thực nghiệm 5.CÁC BƢỚC THỰC HIỆN - Nhận đề tài - Nghi n cứu lý thuyết - Viết đề cương - Tiến hành viết luận văn làm thực nghiệm - Hoàn thành luận văn - Báo cáo Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương nm (đối với ánh sáng phát xạ) Blazing khắc rãnh m t góc đặc iệt, để tối ưu hóa đ phản xạ cách tử m t vùng phổ ri ng Các ước sóng lựa ch n để tối ưu hóa ánh sáng kích thích vùng tử ngoại vùng nhìn thấy ánh sáng phát xạ vùng tử ngoại cao đến vùng hồng ngoại gần Mỗi cách tử phủ m t lớp MgF2 để chống lại oxy hóa Hệ thống sử dụng điều khiển trực tiếp cho cách tử, có khả quét phổ l n đến 200 nm/s, với đ xác lớn 0.5 nm khả lặp lại 0.3 nm b.Khe Cổng vào cổng phận đơn sắc có khe điều ch nh li n tục điều khiển ởi phần mềm FluorEssence Chiều r ng khe phận đơn sắc kích thích xác đ nh dải ánh sáng chiếu tới tr n mẫu Các khe phận tạo đơn sắc ánh sáng phát xạ điều khiển cường đ tín hiệu huỳnh quang ghi lại ằng đầu thu tín hiệu Khi cài đặt chiều r ng khe, trade-off cường đ tín hiệu so với đ phân giải quang phổ Các khe mở r ng nhiều ánh sáng chiếu vào mẫu đầu thu đ phân giải giảm xuống Các khe thu hẹp đ phân giải nhận cao tín hiệu giảm Cài đặt khe cho cường đ cuối cao đáp ứng y u cầu tuyến tính đầu thu, với đ phân giải sắc nét đủ để phân iệt đặc trưng phổ Đ r ng khe cài đặt dải đơn v chiều r ng khe (mm) Dưới dải đơn v , đ r ng khe phận đơn sắc cài đặt m t lúc dải xác đ nh ởi đ tán sắc phận đơn sắc Thông dải (nm) = chiều r ng khe (mm) x đ tán sắc (nm/mm) Đ tán sắc máy đơn sắc FluoroMax-4 4.25 nm/mm cách tử 1200 khe/mm Dưới ảng hiển th đ r ng khe chuẩn với thông dải tương ứng chúng Đ r ng khe (mm) Thông dải (nm) Thông dải làm tròn (nm) 0.50 2.125 1.175 4.994 2.00 8.500 8.5 2.2.1.3.Buồng chứa mẫu (3) M t gương hình xuyến h i tụ chùm tia từ phận tạo đơn sắc ánh sáng kích thích đến mẫu Khoảng 8% ánh sáng kích thích tách ằng tách chùm tia đến điôt quang tham chiếu Huỳnh quang mẫu sau thu nhận chuyển trực tiếp tới quang phổ kế phát xạ 30 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương Buồng chứa mẫu trang th m phụ kiện tùy ch n khác ống sợi quang để có chùm tia kích thích đến điều khiển mẫu trở lại chùm tia phát xạ đến phận tạo ánh sáng đơn sắc phát xạ Hình 2.7.Buồng chứa mẫu (gồm kệ giữ mẫu có chia đ ệ để mẫu) [6] 2.2.1.4.Các đầu thu (5 6) Mỗi máy quang phổ FluoroMax-4 ao gồm đầu thu: a.Đầu thu tín hiệu Đầu thu tín hiệu đầu thu đếm photon Đầu thu m t ống nhân quang R928P gửi tín hiệu đến uồng đếm photon Đ nhạy ánh sáng đầu thu khoảng từ 180-850 nm, với số đếm giây tối đa < 1000 (cps) Dải tuyến tính để đếm photon 0-2 triệu cps Dải hoạt đ ng l n đến khoảng 1-2 triệu cps Tr n triệu cps, mạch xung photon tích tụ giảm hệ số tín hiệu nhiễu làm cho đầu thu sụt giảm đ nhạy tuyến tính Hình 2.8.Đầu thu tín hiệu [6] b.Đầu thu tham chiếu (mẫu chuẩn) Đầu thu tham chiếu thu nhận tín hiệu đ n xenon để điều ch nh ước sóng thời gian phụ thu c ngõ ánh sáng đ n Đầu thu điôt quang silic để gia 31 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương tăng ánh sáng tử ngoại, đặt trước ngăn để mẫu Nó y u cầu phân cực bên đ nhạy tốt ánh sáng có ước sóng từ 190-980 nm Ngõ thu nhận ởi uồng ngõ vào d ng điện có cường đ từ 0-12 A Hình 2.9.Đầu thu tham chiếu [6] Cả đầu thu tham chiếu đầu thu tín hiệu có tập tin hiệu ch nh yếu tố chạy cho chúng, hiệu ch nh cho ước sóng phụ thu c thành phần quang h c Các tập tin tạo nhà sản xuất HORIBA Jobin Yvon Inc cho thiết xử lý liệu thông qua phần mềm điều khiển FluorEssence 2.2.1.5.Các thiết điện tử điều khiển (1a 7) Phía sau n phải máy quang phổ huỳnh quang FluoroMax-4 lắp vào mạch điện tử để chạy đ n, thiết , máy quét phận đo Hình 2.10 Nguồn cung cấp cho đ n [6] Hình 2.11.Thiết điện tử điều khiển phụ phía àn quang h c [6] 32 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn Mạch điều khiển phận đơn sắc ánh sáng kích thích SVTH: Văn Thùy Dương Mạch điều khiển đơn sắc ánh sáng phát xạ Buồng chứa mẫu Nguồn AC, DC cung cấp l c Hệ điều khiển trực tiếp đơn sắc kích thích Hệ điều khiển trực tiếp as đơn sắc phát xạ Bảng điều khiển phụ Phát xạ PMT B đếm photon PMT Hình 2.12.Thiết điện tử n [6] 2.2.1.6.Hệ thống máy tính phần mềm (không có tr n sơ đồ) Không hiển th tr n sơ đồ máy chủ cài đặt sử dụng phần mềm FluorEssence M t máy in card mạng sử dụng cho việc in ấn Phần mềm FluorEssence chạy hệ điều hành windows điều khiển tất tương tác với máy quang phổ huỳnh quang 2.2.2.Tính • T số tín hiệu nhiễu phổ Raman nước 6000:1 sử dụng phương pháp FSD 16000:1 sử dụng phương pháp RMS • Đầu đếm dạng Photon cho đ nhạy tối ưu • Tốc đ quét nhanh l n đến 80 nm/giây • Phần mềm FluorEssence thông minh sử dụng hệ điều hành Windows • Các tập tin lưu trữ để xem lại toàn thông số thí nghiệm • Phụ kiện phát ề mặt trước • Kính hiển vi huỳnh quang phụ kiện đa dạng • B phận đo phân cực d hướng • B phận điều khiển nhiệt đ ( ể điều nhiệt) • B phận đ c MicroMax™ Plate 33 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương • B phận khởi đ ng • B phận chặn lưu lượng • B phận chuẩn đ tự đ ng • B phụ kiện đo từ xa ằng sợi quang • B đếm đơn photon tương quan thời gian (TCSPC) để xác đ nh thời gian sống huỳnh quang • B phận đo phospho để xác đ nh thời gian phát quang lâu dài 2.3.Nguyên lý hoạt động 2.3.1.Nguyên lý vận hành Hệ đo huỳnh quang Fluoromax-4 gồm hai máy đơn sắc có cách tử kép Máy đơn sắc thứ tạo nguồn đơn sắc kích thích cho phép thay đổi ước sóng kích thích vào mẫu, máy đơn sắc thứ hai để phân tích tín hiệu phát từ mẫu Nguồn sáng kích thích m t đ n xenon nuôi ằng nguồn đặt h p ảo vệ với quạt làm ngu i Ánh sáng từ đ n xenon công suất 150W chiếu qua máy đơn sắc thứ sau tới mẫu Tín hiệu huỳnh quang từ mẫu phát phân tích qua máy đơn sắc thứ hai thu ởi nhân quang điện, sau qua tách sóng tín hiệu chuẩn cuối đưa vào xử lý B xử lý vừa có chức phân tích tín hiệu thu được, vừa có chức điều khiển hệ máy đơn sắc Tín hiệu thu từ mẫu ghép nối với máy tính xử lý ằng phần mềm FluorEssence Để đo tín hiệu huỳnh quang, ta cố đ nh giá tr ước sóng kích thích máy đơn sắc thứ quét ước sóng máy đơn sắc thứ hai Phổ huỳnh quang thu cho iết phụ thu c tín hiệu huỳnh quang phát từ mẫu vào ước sóng 2.3.2.Cách khởi động hệ thống 1.Mở máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax-4 Mở công tắc nguồn sang v trí ON 2.Mở thiết Các thiết phụ trợ phụ trợ ao gồm ể nhiệt đ , Micromax,… 3.Mở tất thiết Thiết ngoại vi cho máy chủ ngoại vi ao gồm máy in máy vẽ 4.Khởi đ ng máy chủ 5.Click vào iểu tượng FluorEssence Windows Thiết khởi đ ng, sau cửa sổ FluorEssence xuất 34 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương Hình 2.12.Cửa sổ phần mềm FluorEssence [6] 2.3.3.Phần mềm FluorEssence Nhà sản xuất HORIBA cung cấp phần mềm quang phổ huỳnh quang thiết kế xác cho loại thí nghiệm Phần mềm chạy hệ điều hành Windows, điều khiển tất phận hệ thống, từ điều khiển đ r ng khe cổng vào cổng máy quang phổ, đến tăng đ thu, điều ch nh tập tin hệ thống, tự đ ng hóa hàng loạt trình… Ngoài ra, phần mềm c n thực mô hình sau thử nghiệm ằng cách sử dụng kỹ thuật toán h c, th m vào kỹ thuật hiển th đồ h a ti n tiến xuất liệu thông qua nhiều đ nh dạng tập tin phổ iến V ng tuần hoàn cách vận hành máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax-4 ạn: • Cửa sổ làm việc đơn giản giúp việc thu thập liệu trực quan, người dùng ình thường • Với đầu thu số h c, việc tổng hợp tín hiệu đầu vào từ máy thu khác vào m t phương trình ( ao gồm toán h c chức siêu việt khác) thật dễ dàng, xuất liệu đ nh dạng phù hợp với ứng dụng ạn • Ch n cửa sổ đặc iệt Real Time Control (RTC) để tối ưu hóa thông số chạy ạn trước thực quét ảnh • Miễn phí video hướng dẫn sử dụng phần mềm FluorEssence, giúp người dùng dễ dàng tìm hiểu 35 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn • Chạy m t loạt phụ kiện ao gồm nhiệt đ nhiều SVTH: Văn Thùy Dương phân cực, đ c đĩa cực nhỏ, ể • Tự đ ng điều ch nh đ r ng khe ngõ ánh sáng đ n • Thay đổi giá tr nhiệt đ , ước sóng đ r ng khe ằng cách cài đặt Hình 2.13.Bảng menu thông số [6] Phần mềm xử lý FluorEssence với đ xác cao kết hợp với công cụ quản lý liệu Origin giúp đơn giản hóa hoạt đ ng ph ng thí nghiệm ạn Với phần mềm FluorEssence ạn xem liệu, vẽ đồ th , xử lý quản lý liệu, ao gồm sở nhập xuất r ng lớn, xem thao tác thực hành, ứng dụng số h c, đ nh ch n l c tích hợp khác 36 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương CHƢƠNG ỨNG DỤNG CỦA MÁY QUANG PHỔ HUỲNH QUANG FLUOROMAX-4 3.1.Kết đo phổ huỳnh quang số mẫu vật liệu nano 3.1.1.Phổ huỳnh quang nano tinh thể ZnS tổng hợp phƣơng pháp hóa học Các phép đo phổ huỳnh quang xem phép đo hữu hiệu để đánh giá tính chất quang vật liệu Trong nghi n cứu chúng tôi, tính chất quang nano tinh thể ZnS khảo sát sử dụng hệ đo Fluoromax-4 sử dụng đ n kích Xenon có công suất 150 W B đơn sắc kích thích cách tử kép, đ phân giải 0,3 nm, đ xác ước sóng 0,5 nm, tốc đ quét 200 nm/s (cách tử kép) Các phép đo thực nhiệt đ ph ng, ph ng thí nghiệm Huỳnh Quang, Trường Đại h c Cần Thơ Hình 3.1 Phổ kích thích huỳnh quang phát xạ nano tinh thể ZnS chế tạo ằng phương pháp đồng kết tủa, với λem: 411 nm λex: 322 nm Hình 3.1 phổ kích thích huỳnh quang huỳnh quang nano tinh thể ZnS chế tạo ằng phương pháp đồng kết tủa Hình 3.1 phổ huỳnh quang đặc trưng nano tinh thể ZnS nhận kích thích mẫu với ước sóng 322 nm Phổ huỳnh quang vùng khảo sát đặc trưng ởi m t dải phổ r ng, có cường đ phát xạ mạnh ất đối xứng, mở r ng phía ước sóng dài Cực đại đ nh phát xạ xác đ nh v trí 411 nm Cần lưu ý vùng khảo sát này, cố gắng không quan sát phát xạ tương ứng với chuyển mức vùng –vùng ZnS mà có nằm vùng 342 nm, tương ứng với đ r ng vùng cấm ZnS Phổ huỳnh quang nhận hình 3.1 có dạng phổ v trí lượng đ nh tương tự công ố trước phổ huỳnh quang nano tinh thể ZnS 37 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương không pha tạp với v trí đ nh nằm khoảng 410  420 nm [7] Cho đến nay, đ nh huỳnh quang 410-420 nm quan sát nano tinh thể ZnS giải thích tái hợp của cặp điện tử – lỗ trống li n quan đến sai hỏng n i, khuyết tật mạng ZnS (intrinsic defects) hay sai hỏng ề mặt vốn có mật đ cao nano tinh thể Việc không quan sát phát xạ chuyển mức vùng – vùng mẫu nano tinh thể ZnS chế tạo theo chuyển mức cạnh tranh mạnh chiếm ưu hoàn toàn ởi k nh tái hợp phát xạ thông qua sai hỏng trạng thái ề mặt thảo luận tr n Từ kết khảo sát giản đồ nhiễu xạ tia X tr n, thấy nano tinh thể mà chế tạo có kích thước nhỏ cỡ 2-3 nm nằm khoảng chí nhỏ giá tr án kính Bohr exciton ZnS ( 2,5 nm) Do tr n sở lý thuyết hiệu ứng giam giữ lượng tử, dự đoán có d ch chuyển xanh đ nh phổ kích thích vùng phổ hấp thụ mẫu mà chế tạo Thực vậy, kết khảo sát phổ kích thích huỳnh quang tương ứng với phổ phát xạ đ nh 411 nm trình ày tr n hình 3.1a cho thấy, phổ nhận ao gồm hai đ nh rõ nét ước sóng 272 322 nm So với đ nh PLE ZnS khối  344 nm rõ ràng có m t d ch đ nh phía bước sóng ngắn (năng lượng cao), khoảng 70 nm 22 nm Như thảo luận tr n, d ch đ nh ch giải thích hệ hiệu ứng giam giữ lượng tử xảy nano tinh thể có kích thước gần ằng nhỏ kích thước án kính Bohr exciton vật liệu đó, trường hợp nano tinh thể ZnS Hình 3.2 Phổ PLE PL nano tinh thể ZnS tổng hợp thủy nhiệt, với λem: 440 nm λex: 280 nm Hình 3.2 phổ huỳnh quang mẫu nano tinh thể ZnS chế tạo ằng phương pháp thủy nhiệt nhiệt đ 2000C h, h h có chất hoạt đ ng ề mặt acrylamide Để so sánh phổ PLE mẫu chế tạo 38 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương trình ày hình 3.2 Có thể thấy tương tự mẫu chế tạo ằng phương pháp đồng kết tủa, phổ PLE mẫu thủy nhiệt ao gồm hai dải kích thích với cực đại ước sóng 280 320 nm Ở có d ch chuyển phía ước sóng ngắn, tức phía lượng cao ( lue shift) cỡ 64 nm 24 nm so với ZnS khối, tương tự nano tinh thể ZnS chế tạo ằng phương pháp đồng kết tủa Phổ huỳnh quang vùng khảo sát ch có m t dải phát xạ nhất, có cường đ mạnh trải r ng vùng ước sóng từ 350-600 nm Phổ huỳnh quang hai mẫu chế tạo với thời gian thủy nhiệt h khác iệt, phổ huỳnh quang mẫu chế tạo có chất hoạt đ ng ề mặt d ch chuyển phía lượng cao với đ nh phổ d ch từ 465 nm l n 445 nm Hình 3.3 Phổ PLE PL t nano tinh thể ZnS chiếu xạ vi sóng, ước sóng đo 440 nm ước sóng kích thích 345 nm Hình 3.3 phổ huỳnh quang mẫu nano ZnS trước chiếu xạ vi sóng sau chiếu xạ vi sóng thời gian 15 phút 60 phút Có thể dễ dàng nhận thấy với việc chiếu xạ tăng chiếu xạ, kích thước hạt tăng l n (xác đ nh từ giản đồ nhiễu xạ tia X), đ nh phát xạ xanh dương có xu hướng d ch chuyển phía ước sóng dài Cũng giống thảo luận tr n, xuất đ nh phát xạ xanh dương mẫu ZnS không pha tạp ch giải thích tồn sai hỏng n i trạng thái ề mặt nano tinh thể có kích thước nm Phổ kích thích huỳnh quang mẫu nano tinh thể ZnS chưa chiếu xạ (đường đứt nét, hình 3.3) ao gồm hai dải phát xạ cường đ đ nh lượng cao ( 280 nm) yếu so với đ nh c n lại với cực đại 345 nm Lưu ý rằng, v trí phổ PLE quan sát vật liệu khối 340-345 nm Tham khảo tài liệu công ố nano tinh thể ZnS, chưa thấy có m t tài liệu xác nhận việc có m t li n hệ chặt chẽ v trí đ nh phát xạ sai hỏng/trạng thái ề mặt 39 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương 3.1.2.Phổ huỳnh quang nano tinh thể ZnO tổng hợp phƣơng pháp đồng kết tủa Phổ huỳnh quang ZnO có m t điểm chung có hai vùng phát xạ chính: phát xạ vùng tử ngoại (UV) tái hợp trực tiếp điện tử từ vùng dẫn với lỗ trống vùng hóa tr phát xạ r ng vùng nhìn thấy (420 nm -750 nm) tái hợp điện tử vùng dẫn với tâm sâu trạng thái sai hỏng gây [8] Hình 3.4 mẫu chế tạo t lệ mol ZnCl2/(NH4)2CO3 1/1, phổ PL có hai đ nh phát xạ: phát xạ UV 375 nm phát xạ r ng vùng xanh lục – cam Khi nung nhiệt đ từ 300°C đến 400°C, cường đ đ nh phát xạ UV tăng phát xạ vùng xanh lục – cam giảm dần, điều giải thích tinh thể ZnO kết tinh tốt nung nhiệt đ cao, nhóm OH giải hấp thụ tr n ề mặt hạt nano tinh thể nung đến 400°C, nhiệt đ nung cao 400°C, sai hỏng tr n ề mặt tinh thể tăng l n nhóm OH gắn kết vào hạt nano ZnO, gây sai hỏng tr n mạng tinh thể, dẫn đến mật đ sai hỏng tinh thể tăng l n, phát xạ vùng xanh lục – cam có cường đ mạnh Hình 3.4 Phổ PL mẫu ZnO với t lệ mol ZnCl2/(NH4)2CO3 1/1 Từ kết phổ PL thu cho thấy, điều kiện nhiệt đ nung tiền chất an đầu có ảnh hưởng quan tr ng đến tính chất quang nano tinh thể ZnO Và việc 40 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương tiếp tục nghi n cứu th m để hiểu rõ chế phát quang nano tinh thể ZnO cần thiết 3.1.3.Phổ huỳnh quang nano tinh thể ZnO tổng hợp phƣơng pháp thủy nhiệt Hình 3.5 kết phổ quang huỳnh quang mẫu ZnO ta thay đổi yếu tố nhiệt đ ZnO thu có hai vùng phát xạ chính: vùng tử ngoại gần đ nh phát xạ ước sóng từ 372 – 384 nm, vùng ánh sáng khả kiến với ước sóng đ nh từ 519 – 600 nm Kết nghi n cứu cho thấy nhiệt đ ảnh hưởng rõ rệt đến phổ quang huỳnh quang mẫu ZnO, nhiệt đ 190, 210, 230oC dạng phổ thay đổi không đáng kể cường đ đ nh phát xạ Vùng tử ngoại gần phát xạ gần dập tắt nhiệt đ 190, 210, 230 oC Phát xạ vùng tử ngoại gần giải thích tái hợp lỗ trống vùng hóa tr với điện tử vùng dẫn (tái hợp vùng – vùng), c n phát xạ vùng nhìn thấy trạng thái sai hỏng gây nút khuyết oxi điền kẽ oxi, kẽm mạng gây Sự tăng cường cường đ vùng 500 nm, nguy n nhân ảnh hưởng nhiệt đ Khi nhiệt đ cao, nguy n tử oxi dễ khuếch tán n khuyết tật thiếu oxi tăng l n làm giảm phát quang chuyển tiếp vùng – vùng Hình 3.5 Phổ PL ZnO pH = 10, 20h, nhiệt đ từ 1900C – 2300C 41 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương PHẦN KẾT LUẬN 1.NHỮNG ĐIỀU ĐẠT ĐƢỢC  Qua trình nghi n cứu lý thuyết quang phổ huỳnh quang trình ày m t số kiến thức vật lý ản khái niệm, phân loại, đặc trưng ản huỳnh quang m t số ứng dụng quan tr ng nghi n cứu đời sống  Sau tìm hiểu cấu tạo hoạt đ ng máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax-4, ứng dụng để đo phổ huỳnh quang vật liệu nano tinh thể ZnS ZnO Kết cụ thể sau:  Vật liệu nano tinh thể ZnS chế tạo ằng phương pháp hóa h c: phương pháp đồng kết tủa mạng polymer, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp tổng hợp hóa h c với hỗ trợ vi sóng Các nano tinh thể ZnS không pha tạp dù chế tạo ằng phương pháp khác có chung m t số đặc tính quang h c như: có m t dải phổ huỳnh quang mạnh r ng từ 350-650 nm với cực đại phổ tương ứng ước sóng 411, 440 465 nm; Phổ kích thích huỳnh quang có cấu trúc hai đ nh đ nh có lượng cao nằm vùng ước sóng từ 270-290 nm, đ nh có lượng thấp nằm vùng ước sóng từ 320-345 nm So sánh với phổ kích thích huỳnh quang ZnS khối ch ao gồm m t đ nh kích vùng ước sóng 342-345 nm, phổ kích thích huỳnh quang nano ZnS rõ ràng có d ch chuyển xanh phía lượng cao lớn đạt đến 60 nm (~0.8 eV) Sự phát xạ mạnh nano tinh thể ZnS không pha tạp giải thích sai hỏng n i (intrinsic defects) trạng thái ề mặt nano tinh thể gây n n, d ch chuyển xanh phổ kích thích huỳnh quang giải thích ảnh hưởng hiệu ứng giam giữ lượng tử xảy nano tinh thể có kích thước nhỏ giá tr án kính Bohr exciton ZnS  Vật liệu nano tinh thể ZnO chế tạo ằng phương pháp đồng kết tủa phương pháp thủy nhiệt Phổ huỳnh quang mẫu nano tinh thể ZnO thay đổi nhiệt đ cho thấy có hai vùng phát xạ chính: phát xạ vùng tử ngoại gần 370-390 nm chuyển mức vùng – vùng phát xạ vùng xanh lục – cam ~ 520-580 nm sai hỏng khuyết tật oxi, kẽm gây Khi nhiệt đ cao, nguy n tử oxi dễ khuếch tán n khuyết tật thiếu oxi tăng l n làm giảm phát quang chuyển tiếp vùng – vùng Như vậy, cường đ đ nh phát xạ có thay đổi theo điều kiện nhiệt đ chế tạo, t lệ tiền chất an đầu, thời gian ủ nhiệt 42 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương Nhờ có Fluoromax-4 mà việc xử lý mẫu nhanh chóng thực hiện, phép phân tích có đ nhạy cao giúp tìm hiểu thông tin cấu trúc, trình truyền lượng tâm phát quang… Với thiết kế nhỏ g n để àn, đ nhạy cao, có ch n l c dễ sử dụng n n Fluoromax-4 m t công cụ hỗ trợ đắc lực cho nhà nghi n cứu khoa h c nói chung nhà phân tích phổ nói riêng 2.NHỮNG HẠN CHẾ Do thời gian thực đề tài có giới hạn n n n i dung kiến thức chưa tìm hiểu sâu, chưa khai thác hết ứng dụng mà máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax-4 đem lại Mặt khác ta ch ch n m t vài mẫu để đo phân tích tính chất quang n n chưa hoàn toàn thấy tính vượt tr i máy M t khó khăn gặp phải trình làm luận văn việc tìm kiếm tài liệu li n quan đến máy quang phổ Fluoromax-4 c n nhiều hạn chế Các tài liệu chủ yếu sử dụng ằng tiếng anh n n phi n d ch lại có phần chưa chuẩn xác 3.HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Việc sử dụng máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax-4 để phân tích phổ huỳnh quang mở r ng hoàn thiện m i mặt Li n tục cập nhật đổi kỹ thuật để phân tích kỹ sâu hơn, khai thác hết tính ưu việt máy để có kết phân tích mẫu hoàn thiện chuẩn xác 43 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Văn Thích, Nguyễn Đại Hưng – “Huỳnh quang” – Nhà xuất ản Đại h c Quốc gia Hà N i [2] Webside: vi.wikipedia.org [3] Webside: w.w.w.google.com.vn [4] Nguyễn Văn Ng c - 2009 – Đề tài “Phổ hấp thụ huỳnh quang nano tinh thể án dẫn CdS CdS-ZnS chế tạo AOT” [5] T.S.Nguyễn Ng c Trung – “Phổ huỳnh quang” [6] Horiba Jobin Yvon - 2006 - Fluoromax-4 Manual [7] Nguyễn Trí Tuấn – 2012 - Đề tài “Nghiên cứu tổng hợp khảo sát tính chất quang nano tinh thể bán dẫn ZnS pha tạp Cu Mn”, Luận án tiến sĩ khoa h c vật liệu, Hà N i [8] Nguyễn Th Búp – 2014 – đề tài “Tổng hợp khảo sát tính chất quang vật liệu ZnO cấu trúc nano”, Luận văn thạc sĩ [9] Hoàng Anh Tuấn – Đề tài “Nghiên cứu chế tạo số tính chất quang vật liệu nano bột màng ZnS-Ni”, luận văn thạc sĩ khoa h c 44 [...]... nhiều lớp ạc và điện môi có đ dày đã được tính toán trước li n quan đến vùng phổ làm việc 1 .4. 3 .Máy quang phổ và phân cực kế a .Máy quang phổ và máy đơn sắc : Trong nghi n cứu và phân tích huỳnh quang thường người ta không những cần xác đ nh cường đ tích phân của ánh sáng huỳnh quang mà c n cần phải iết sự phân ố năng lượng tỷ đối trong phổ huỳnh quang Để đo sự phân ố năng lượng trong phổ huỳnh quang cần... nhiều vùng phổ nghi n cứu, trong khi có kích thước thiết nhỏ g n Hình 1.10 .Máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax- 4 b .Phổ quang kế : Khi nghi n cứu huỳnh quang thì việc đo phổ hấp thụ của chất cần nghi n cứu cũng là rất cần thiết, nhất là khi muốn hiệu ch nh sự hấp thụ thứ cấp Trong ph ng thí nghiệm hiện nay người ta hay dùng các máy quang phổ để đo phổ hấp thụ, ví dụ các máy quang phổ UV-VIS đo phổ hấp... Nguy n tắc của phép đo phổ huỳnh quang là dùng nguồn sáng kích thích, với năng lượng nhất đ nh phát ra từ đ n làm phổ kích thích phát xạ huỳnh quang của mẫu Tín hiệu phát xạ huỳnh quang đưa vào hệ đo để xử lý rồi phân tích thành ước sóng của phổ và được vẽ ra tr n máy vi tính Mẫu Máy đơn sắc Máy đơn sắc Đ n Điều khiển B xử lý Nhân quang điện Máy tính Hình 1.11.Sơ đồ khối của hệ đo phổ huỳnh quang [4] 1.5.3.Phép... màu sắc và cường đ ánh sáng huỳnh quang mà chúng phát ra hoàn toàn như nhau Th m vào đó kí sinh trùng Cysticercus cellulosae và kí sinh trùng Cysticercus ovis c n sống hay đã chết vẫn phát huỳnh quang như nhau 25 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương CHƢƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ MÁY QUANG PHỔ HUỲNH QUANG FLUOROMAX- 4 2.1.Giới thiệu chung Máy quang phổ huỳnh quang FluoroMax- 4 là m... dùng máy quang phổ có đặc trưng như máy ISP-51, ISP-66… SPM-2 của Nga và Đông Đức Các máy tr n dùng tốt trong vùng phổ khả kiến M t số máy này có nhược điểm là đ tán sắc của nó ở vùng khả kiến là thấp, tuy nhi n quang lực của chúng lại khá lớn Hiện nay, các máy quang phổ và máy đơn sắc cách tử của hãng Jo in-Yvon-Spex (Pháp) đang được dùng phổ iến, chúng có đ phân giải phổ và quang lực hợp lý đáp ứng. .. của hiện tượng huỳnh quang dựa theo cơ chế của các quá trình tham gia Hình1.1 Hiện tượng quang huỳnh Hình 1.2 Hiện tượng điện huỳnh quang [3] quang [3] Người ta cũng phân loại hiện tượng huỳnh quang theo cách kích thích nó Như huỳnh quang do ánh sáng kích thích thì g i là quang- huỳnh quang, do điện trường kích thích thì g i là điện -huỳnh quang, do tia X kích thích thì g i là tia X -huỳnh quang, do các... phóng xạ -huỳnh quang, do các phản ứng hóa h c kích thích thì g i là hóa -huỳnh quang v.v… Với cùng m t ước sóng 4 Luận văn đại h c GVHD: TS.Nguyễn Trí Tuấn SVTH: Văn Thùy Dương kích thích, phổ huỳnh quang của các chất phát huỳnh quang khác nhau là khác nhau 1.3.Các đặc trƣng cơ bản của huỳnh quang 1.3.1 .Phổ hấp thụ Nói m t cách chặt chẽ, phổ hấp thụ không thu c vào những đặc trưng của huỳnh quang Tuy... nh I và I0 sau đó tính Iht tại ước sóng đó Đường Iht xác đ nh phổ hấp thụ tương đối của môi trường 1.5.2.Phép đo phổ huỳnh quang Hiện tượng huỳnh quang có nguồn gốc từ các chuyển dời ức xạ giữa các mức năng lượng của điện tử khi vật liệu kích thích Trong trường hợp vật liệu kích thích ằng ánh sáng ta có phổ quang huỳnh quang Phổ quang huỳnh quang iểu diễn sự phụ thu c của cường đ huỳnh quang vào ước... cường đ huỳnh quang suy giảm Ta g i sự suy giảm cường đ huỳnh quang là sự dập tắt huỳnh quang Sự dập tắt huỳnh quang có rất nhiều nguy n nhân gây ra, m t trong các nguy n nhân là do tạp chất Với loại vật liệu phát quang nhất thiết phải có tâm quang Sự dập tắt huỳnh quang có thể có hai loại:  Sự tự dập tắt huỳnh quang: là do các tâm quang va chạm với nhau và mất năng lượng  Sự dập tắt huỳnh quang do... tượng này g i là huỳnh quang phân tử Cùng là hiện tượng nhận năng lượng từ môi trường ngoài sau đó phân tử phát xạ photon, nhưng cần phân iệt sự khác nhau giữa quang phổ huỳnh quang (fluorescence) với quang phổ lân quang (phosphorescence) và quang phổ phát xạ (emission) Sự khác iệt cơ ản giữa huỳnh quang và lân quang là thời gian tồn tại của electron ở trạng thái kích thích, ở huỳnh quang là rất thấp ... Dương - Tìm hiểu chung huỳnh quang, tính chất ứng dụng - Tìm hiểu nguy n tắc cấu tạo, nguy n lý hoạt đ ng máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax- 4 - Thực phép đo m t số mẫu vật liệu nano có sẵn 4. PHƢƠNG... quang, Fluoromax d ng sản phẩm đáng tin cậy n n em ch n Tìm hiểu nguy n tắc cấu tạo, hoạt đ ng ứng dụng máy quang phổ huỳnh quang Fluoromax- 4 làm đề tài luận văn 2.MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiểu. .. ỨNG DỤNG CỦA MÁY QUANG PHỔ HUỲNH QUANG FLUOROMAX- 4 3.1.Kết đo phổ huỳnh quang số mẫu vật liệu nano 3.1.1 .Phổ huỳnh quang nano tinh thể ZnS tổng hợp phƣơng pháp hóa học Các phép đo phổ huỳnh quang