XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH MUỐI ĂN BẰNG HỆ ĐO QUANG ĐIỆN TỬ

Ý tưởng chính của hệ là dựa vào tương tác của ánh sáng với vật chất, cụ thể là khi chiếu ánh sáng qua một dung dịch bất kì, cường độ sáng sẽ giảm do bị dung dịch hấp thụ.. Dưới tác dụng

KHOA VẬT LÝ

Nguyễn Thị Bích Trâm

XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH MUỐI ĂN

BẰNG HỆ ĐO QUANG ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Tp Hồ Chí Minh, 2017

KHOA VẬT LÝ

Nguyễn Thị Bích Trâm

XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH MUỐI ĂN

BẰNG HỆ ĐO QUANG ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn, ngoài những cố gắng của cá nhân, em còn được thầy cô, gia đình, bạn bè động viên, quan tâm giúp đỡ rất nhiều Trước khi trình bày những nội dung em đã làm được sau khi luận văn hoàn tất, em xin dành lời cảm ơn chân thành đến mọi người

Trước hết, em cảm ơn TS Ngô Thị Phương – Giảng viên hướng dẫn của em, người

đã nhiệt tình giúp đỡ em rất nhiều cả về kiến thức, kinh nghiệm trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Em xin cảm ơn Thầy Nguyễn Hoàng Long đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình xây dựng các hệ đo và quá làm thí nghiệm

Em xin cảm ơn các Thầy Cô trong khoa Vật Lý đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành được luận văn của mình

Em xin cảm ơn gia đình bạn bè đã luôn ủng hộ, động viên tinh thần, cùng em chia sẻ những trải nghiệm dù khi khó khăn hay khi hạnh phúc để em có thể vững vàng hoàn thành công việc của mình

Sau cùng, em xin chúc sức khỏe, hạnh phúc và thành công đến thầy cô, gia đình, bạn

bè Một lần nữa cảm ơn vì tất cả những điều tốt đẹp mà mọi người đã dành cho em

Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 04 năm 2017

Nguyễn Thị Bích Trâm

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn i 

Mục lục ii 

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt iv 

Danh mục các bảng v 

Danh mục các hình vẽ, đồ thị vi 

Mở đầu 1 

Chương 1 Tổng quan 3 

1.1. Tổng quan về việc xác định nồng độ dung dịch 3 

1.2. Cơ sở lí thuyết 4 

Chương 2 Giới thiệu hệ đo quang điện tử 14 

2.1 Nguyên tắc hoạt động 14

2.2 Dụng dụ thực nghiệm 16

2.3 Thiết kế hệ đo 20

Chương 3 Thực nghiệm 25 

3.1 Quá trình chọn chất tan 25

3.2 Điều kiện chung khi tiến hành thí nghiệm 26

3.3 Kết quả 29

3.4 Kết quả xác định nồng độ 33

3.5 Độ chính xác và nguyên nhân sai số của phép đo 38

3.6 So sánh kết quả thu được với máy UV VIS 38

Chương 4 Kết luận và hướng phát triển 46 

Tài liệu tham khảo 48 

Phụ lục 49  Chất lượng nước được dùng trong quá trình thí nghiệm 49  Chất lượng muối dùng trong quá trình thí nghiệm 50 

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 UV VIS: Ultra Violet – VISible (ánh sáng tử ngoại và ánh sáng khả kiến)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Mở đầu 1 

Chương 1 Tổng quan 3 

Chương 2 Giới thiệu hệ đo quang điện tử 14 

Chương 3 Thực nghiệm 25 

Bảng 1: Cách pha dung dịch 27 

Bảng 2: Kết quả điện thế đầu ra theo các nồng độ dung dịch khác nhau 33 

Bảng 3: Kết quả tính độ hấp thụ 33 

Bảng 4: Bảng số liệu điện thế đầu ra của các dung dịch đã biết 34 

Bảng 5: Kết quả tính độ hấp thụ cho các dung dịch đã biết nồng độ 35 

Bảng 6: Kết quả điện thế đầu ra và độ hấp thụ của dung dịch chưa biết nồng độ 35 

Bảng 7: Kết quả xác định nồng độ dung dịch sử dụng hệ đo quang điện tử 36 

Bảng 8: Khảo sát hệ đo thứ 5 37 

Bảng 9: Kết quả xác định nồng độ bằng máy UV VIS (làm tròn đến 2 chữ số thập phân) 44 

Chương 4 Kết luận và hướng phát triển 46 

Tài liệu tham khảo 48 

Phụ lục 49 

Chất lượng nước được dùng trong quá trình thí nghiệm 49 

Chất lượng muối dùng trong quá trình thí nghiệm 50 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Mở đầu 1 

Chương 1 Tổng quan 3 

Hình 1: Một số dụng cụ, thiết bị đo nồng độ dung dịch phổ biến 4 

Hình 2: Mối liên hệ giữa I0, IA, IR và I 4 

Hình 3: Bước sóng phổ điện từ Dải bước sóng nhìn thấy là dải màu đơn sắc thay đổi từ đỏ đến tím (VIS), liền kề là dải bước sóng tử ngoại (UV) 7 

Hình 4: Phổ UV VIS của một số chất [1] 8 

Hình 5: Sơ đồ máy phân tích quang phổ UV VIS 9 

Hình 6: Cuvette chứa mẫu 10 

Hình 7: Cuvette trong bộ phận chứa cuvette 10 

Hình 8: Cấu tạo thiết bị nhận biết (ống nhân quang điện) [2] 11 

Hình 9: Tế bào quang điện 11 

Hình 10: Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ UV VIS một chùm tia 12 

Hình 11: Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ UV VIS hai chùm tia 12 

Chương 2 Giới thiệu hệ đo quang điện tử 14 

Hình 12: Dạng của đường chuẩn để xác định nồng độ dung dịch 15 

Hình 13: Laser khí HeNe 16 

Hình 14: Laser bán dẫn 16 

Hình 15: Ống chữ T trong bộ phận chứa mẫu 17 

Hình 16: Ống chữ T và ống đựng mẫu 17 

Hình 19: Cảm biến CASSY LAB2 19 

Hình 20: Kính phân cực 19 

Hình 21: Chân đỡ 19 

Hình 22: Thấu kính 19 

Hình 23: Thấu kính 19 

Hình 24: Sơ đồ khối tổng quát 20 

Hình 25: Sơ đồ hệ đo đầu tiên 20 

Hình 26: Hệ đo đầu tiên 20 

Hình 27: Sơ đồ khối hệ thứ hai 21 

Hình 28: Hệ đo thứ hai 21 

Hình 29: Sơ đồ khối hệ thứ ba 22 

Hình 30: Hệ đo thứ ba 22 

Hình 31: Sơ đồ khối hệ thứ tư 23 

Hình 32: Hệ đo thứ tư với nguồn laser dùng pin 23 

Hình 33: Hệ đo thứ tư với nguồn laser dùng pin sạc được 23 

Hình 34: Sơ đồ khối hệ thứ năm 24 

Hình 34: Hệ đo thứ năm với nguồn laser dùng pin 24 

Hình 35: Hệ đo thứ năm với nguồn laser dùng pin sạc được 24 

Chương 3 Thực nghiệm 25 

Hình 37: Dạng đồ thị điện thế thu được khi khảo sát hệ đo đầu tiên 29 

Hình 38: Dạng đồ thị điện thế thu được khi khảo sát hệ đo thứ hai 30 

Hình 39: Dạng đồ thị điện thế thu được khi khảo sát hệ đo thứ ba 31 

Hình 40: Dạng đồ thị điện thế thu được khi khảo sát hệ đo thứ 3 sau khi bật được khoảng hai giờ 31 

Hình 41: Dạng đồ thị điện thế thu được khi khảo sát hệ đo thứ 5 32 

Hình 42: Đường chuẩn thể hiện mối quan hệ giữa độ hấp thụ A và nồng độ dung

dịch CM. 34 

Hình 43: Đường chuẩn để xác định nồng độ dung dịch chưa biết 35 

Hình 44: Độ ổn định về giá trị điện thế đầu ra khi bật laser khí HeNe trong khoảng thời gian khoảng 2 giờ 36 

Hình 46: Giao diện Spectra measurement của phần mềm đi kèm máy UV VIS 39 

Hình 47: Thiết lập khoảng bước sóng sẽ xác định độ hấp thụ 39 

Hình 48: Kết quả thu được sau khi quét base line 40 

Hình 49: Phổ hấp thụ của dung dịch muối ăn ở 3 nồng độ khác nhau 40 

Hình 50: Giao diện Spectra Analysis 41 

Hình 51: Giao diện Peak find 41 

Hình 52: Giao diện Quantitative measurement sau khi thiết lập giá trị bước sóng muốn khảo sát 42 

Hình 53: Giao diện Quantitative measurement sau khi xác định độ hấp thụ của nước cất và 1 dung dịch đã biết nồng độ 43 

Hình 54: Dạng đường chuẩn thu được sau khi đo độ hấp thụ của các mẫu đã biết nồng độ 43 

Hình 55: Các thông số của đường chuẩn 44 

Hình 56: Xác định nồng độ dung dịch chưa biết 44 

Chương 4 Kết luận và hướng phát triển 46 

Tài liệu tham khảo 48 

Phụ lục 49 

MỞ ĐẦU

Trong thực tế, luôn luôn tồn tại nhu cầu xác định nồng độ dung dịch muối ăn, ví dụ, trong hoạt động sản xuất nông nghiệp hay nuôi trồng thủy sản để đảm bảo chất lượng nước phù hợp với hoạt động sản xuất Trên thị trường hiện nay đã có nhiều dụng cụ phục vụ cho mục đích này như tỉ trọng kế, tỉ trọng kế tay đòn, khúc xạ kế, các máy

đo điện tử Mỗi dụng cụ đều có những ưu điểm riêng Tỉ trọng kế và tỉ trọng kế tay đòn có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng, giá thành thấp Khúc xạ kế và các máy đo điện

tử có độ chính xác cao

Xuất phát từ ý tưởng thiết kế hệ đo dung dịch muối ăn, mục tiêu của đề tài là thiết kế một hệ đo phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu từ những dụng cụ đơn giản và những thiết bị, phương tiện thí nghiệm có sẵn trong phòng thí nghiệm Vật Lý nâng cao, khoa Vật Lý, trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh Song song với

đó là việc nghiên cứu để bước đầu sử dụng phần mềm hỗ trợ trong việc ghi đo và xử

lí số liệu để giảm bớt công sức cho người sử dụng và tiết kiệm thời gian

Ý tưởng chính của hệ là dựa vào tương tác của ánh sáng với vật chất, cụ thể là khi chiếu ánh sáng qua một dung dịch bất kì, cường độ sáng sẽ giảm do bị dung dịch hấp thụ Từ cơ sở đó, luận văn này mong muốn thiết kế được một hệ đo có thể đo được nồng độ dung dịch thông qua việc chiếu một chùm tia sáng qua dung dịch đó và đi tìm độ hấp thụ Để định lượng được sự hấp thụ chiếu ánh sáng qua dung dịch, sau khi ánh sáng đi qua dung dịch cần có một photo detector Dưới tác dụng của ánh sáng, photo detector tạo ra các quang điện tử, từ đó xuất hiện một giá trị điện thế, sau đó, giá trị điện thế này được ghi đo và xử lí để tính độ hấp thụ Từ mối quan hệ giữa nồng

độ dung dịch và độ hấp thụ sẽ tính được nồng độ dung dịch chưa biết Trong quy trình vừa trình bày ở trên thì các quang điện tử được photo detector tạo ra đóng vai trò hết sức quan trọng, đó là lí do ngay từ tên đề tài đã đề cập đến các quang điện tử

Đối với cá nhân, người thực hiện đề tài mong muốn học hỏi thêm kiến thức mới và

kĩ năng thực nghiệm trong quá trình thực hiện đề tài và đóng góp một phần công sức hoàn thiện một tư liệu nhỏ có thể phục vụ cho việc giảng dạy, nghiên cứu tại khoa

Vật Lý Có thể sử dụng hệ đo giống như một mô hình trực quan để giảng dạy kiến thức liên quan đến ứng dụng định luật Lambert-Beer hoặc để sinh viên hiểu rõ hơn cấu tạo và nguyên tắc hoạt động chung của máy quang phổ UV VIS trong việc xác định định lượng nồng độ một dung dịch chưa biết, bên cạnh việc thao tác với máy

UV VIS hiện có tại phòng thí nghiệm Vật Lý nâng cao, khoa Vật Lý, trường Đại học

Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh Xa hơn nữa, ngoài hệ đo, đây có thể là tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên khóa sau khi tiến hành các đề tài tương tự vì chính bản thân người thực hiện thì đây là đề tài đầu tiên, việc tìm hiểu các thông tin tốn không

ít công sức và hầu hết các tài liệu đều là tiếng Anh

Nội dung của luận văn gồm 4 chương, nội dung tóm tắt của các chương như sau

Chương 1 Tổng quan

Giới thiệu ý tưởng chính và cơ sở lí thuyết của đề tài

Chương 2 Giới thiệu hệ đo quang điện tử

Giới thiệu các dụng cụ được sử dụng trong quá trình thiết kế các hệ đo, sơ đồ khối và hình ảnh thực tế, đặc điểm của các hệ đo đã xây dựng

Chương 3 Thực nghiệm

Trình bày các kết quả thu được từ các hệ đo đã xây dựng trong quá trình làm thực nghiệm

Chương 4 Kết luận và hướng phát triển

Trình bày các nhận xét và các kết luận rút ra từ kết quả thực nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Nội dung chính của luận văn là xác định nồng độ dung dịch muối ăn bằng hệ đo quang điện tử, kết quả đo sẽ được kiểm tra bằng máy quang phổ UV VIS Trước khi đi vào nội dung chính ở các chương sau, đầu tiên, chương Tổng quan sẽ trình bày các nội dung cơ bản về việc xác định nồng độ dung dịch, ý tưởng chính, cơ sở lý thuyết của

hệ đo quang điện tử và giới thiệu máy quang phổ UV VIS

1.1 Tổng quan về việc xác định nồng độ dung dịch

Hiện nay, đã có nhiều thiết bị khác nhau để đo nồng độ dung dịch muối nói riêng và

đo nồng độ dung dịch nói chung, dựa trên việc ứng dụng các kiến thức khoa học khác nhau Dưới đây sẽ tóm tắt ngắn gọn một số thiết bị phổ biến và nguyên tắc cơ bản của các thiết bị đo nồng độ dung dịch

Tỉ trọng kế hoặc tỉ trọng kế tay đòn dùng khi không yêu cầu độ chính xác cao Tỉ trọng kế hoạt động dựa trên tỉ trọng của dung dịch muối với tỉ trọng của nước, chính

là dựa vào lực đẩy Archimedes Kết quả đo được là tỉ trọng, nhưng có thể thông qua các bảng chuyển đổi để thu được nồng độ dung dịch

Khúc xạ kế: các khúc xạ kế này đo nồng độ muối theo cơ sở là hiện tượng khúc xạ ánh sáng Khi ánh sáng truyền qua hai môi trường trong suốt không đồng nhất, nó sẽ

bị khúc xạ Góc khúc xạ phụ thuộc vào chiết suất của môi trường, và chiết suất này lại phụ thuộc vào nồng độ dung dịch, từ đó bằng cách đo góc khúc xạ, và thông qua tính toán, có thể tìm ra nồng độ dung dịch

Đo độ mặn bằng máy đo điện tử: Máy đo độ mặn là phương pháp đo được sử dụng trong hoạt động sản xuất công nghiệp Máy hoạt động trên cơ sở muối tồn tại dưới dạng ion Natri mang điện dương và ion Chloride mang điện âm di chuyển tự do trong nước, khi cung cấp một điện trường, các điện tích dương và điện tích âm sẽ chuyển động dưới tác dụng của điện trường, điện tích dương sẽ chuyển động về điện cực âm,

điện tích âm sẽ chuyển động về điện cực dương, dựa vào dòng chuyển động này, máy

sẽ tính toán và cho ra kết quả

Các thiết bị trên ứng dụng các kiến thức thuộc các lĩnh vực khác nhau để phục vụ mục đích đo nồng độ dung dịch Ngoài các kiến thức đó, còn có thể đo được nồng độ dung dịch nhờ áp dụng định luật Lambert - Beer Trên cơ sở tìm hiểu các phương pháp phổ biến ở Việt Nam và định luật Lambert – Beer, luận văn này mong muốn thiết kế được một hệ đo quang điện tử để đo nồng độ dung dịch, được chế tạo từ các vật liệu có sẵn tại phòng thí nghiệm Vật Lý nâng cao

Hình tỉ trọng

kế

Hình tỉ trọng kế tay đòn

Hình khúc xạ kế Hình máy đo độ mặn

điện tử

Hình 1: Một số dụng cụ, thiết bị đo nồng độ dung dịch phổ biến

1.2 Cơ sở lí thuyết

1.2.1 Định luật Lambert - Beer

1.2.1.1 Định luật Bouguer - Lambert

Khi chiếu chùm bức xạ đơn sắc có cường độ I0 qua một lớp dung dịch có bề dày l thì cường độ bức xạ đơn sắc I bao giờ cũng nhỏ hơn I0

Dựa vào thực nghiệm, 2 nhà bác học Bouguer và Lambert đã đưa ra định luật hấp thụ ánh sáng

I = Ioe-K l (1)

Trong đó, K: hệ số hấp thụ (phụ thuộc bản chất của dung dịch và bước sóng của bức

xạ điện từ), l là bề dày dung dịch

1.2.1.2 Định luật Lambert - Beer

Khi áp dụng định luật Bouguer – Lambert cho dung dịch có bề dày l chứa chất hấp thụ có nồng độ C Beer đã đưa ra định luật Lambert-Beer:

“Với cùng bề dày của lớp dung dịch hệ số hấp thụ K tỉ lệ với nồng độ của chất hấp thụ của dung dịch.”

Thế vào (1), ta được I = I0eKl

 I = I0.10 lC (2) Trong đó, C : nồng độ dung dịch (mol/l)

l : bề dày của cuvet đựng trong dung dịch (cm)

 : hệ số hấp thụ phân tử, phụ thuộc bản chất của chất hấp thụ, bước sóng

 của bức xạ đơn sắc và nhiệt độ

Độ truyền qua T được định nghĩa là tỉ lệ giữa cường độ chùm sáng đơn sắc sau đi qua dung dịch (I) với cường độ chùm sáng chiếu vào (I0)

T = = 10lC

Độ hấp thụ được định nghĩa

A = - logT= - log =  l C

Ý nghĩa của độ truyền qua và độ hấp thụ: Nếu độ truyền qua T = 30%, thì 30% photon

đi qua các mẫu đi đến đầu dò và 70% khác được hấp thu bởi các mẫu Độ hấp thụ thì kém trực quan hơn, nếu A = 0, không có photon được hấp thụ, và nếu A = 1.00, thì 90% photon được hấp thu; chỉ có 10% đến đầu dò Nếu A = 2.00, thì 99% photon được hấp thu; chỉ 1% đến đầu dò

Mặc dù khái niệm độ hấp thụ kém trực quan hơn độ truyền qua nhưng mối quan hệ giữa độ hấp thụ và nồng độ lại tiện lợi hơn khi tính toán và ứng dụng định luật Lambert Beer vào các dụng cụ thực tế, và như vậy, thông thường, người ta sử dụng

độ hấp thụ để báo cáo, tính toán…, ứng dụng để xác định nồng độ mẫu dung dịch Giả sử các tham số thực nghiệm không đổi, từ định luật Lambert – Beer ta thu được đường dự báo mối quan hệ giữa độ hấp thụ của mẫu dung dịch và nồng độ phân tích,

từ đó suy ra nồng độ cần tìm

Trong thực tế, để xác định nồng độ dung dịch, cần chuẩn bị một loạt các mẫu chuẩn

có nồng độ biết trước Đo độ hấp thụ, ta sẽ có được số liệu dùng làm đường chuẩn, chính là đồ thị của độ hấp thụ và nồng độ có dạng đường thẳng Các dung dịch chưa biết nồng độ được phân tích sau đó bằng cách đo độ hấp thụ và sử dụng đường chuẩn

UV VIS nghĩa là Ultraviolet-Visible, tức là vùng tử ngoại và vùng ánh sáng khả kiến, violet (tím) là màu có bước sóng ngắn nhất trong vùng ánh sáng nhìn thấy Trong phổ

UV VIS, có một những bước sóng con người không thể nhìn thấy nhưng với một số loài chim, bò sát hay côn trùng như loài ong có thể nhìn thấy được ánh sáng trong

vùng tử ngoại Đặc biệt, một số loại cây, hoa còn có thể chịu được ánh sáng vùng tử ngoại

Hình 3: Bước sóng phổ điện từ Dải bước sóng nhìn thấy là dải màu đơn sắc thay đổi từ đỏ đến tím (VIS), liền kề là dải bước sóng tử ngoại (UV)

Vùng phổ này thường được chia làm 3 vùng chủ yếu: cận tử ngoại (UV) (185–400 nm), khả kiến (VIS) (400–700 nm) và cận hồng ngoại (IR) (700–1100 nm)

1.2.2.2 Các đặc điểm của phổ UV VIS

Phổ UV VIS là đồ thị biểu diễn tập hợp tất cả độ hấp thụ tương ứng với các bước chuyển năng lượng của một phân tử, nhóm ion phân tử theo bước sóng khi có sự tương tác giữa phân tử với bức xạ điện từ

Phổ UV VIS có dạng hình Gauss, là phổ đám, cực đại hấp thu là một khoảng giá trị

 Các giá trị hấp thu tương ứng với 3 loại bước chuyển: Bước chuyển điện tử, dao động và quay tương ứng về năng lượng: E(e) >> E(d) >> E(q)

Vùng phổ UV VIS là vùng nằm ở cận tử ngoại (UV) cho đến cận hồng ngoại (IR) Được xác định từ khoảng 180-1100nm

Đây là vùng phổ đã được nghiên cứu nhiều và được áp dụng nhiều về mặt định lượng, quá trình định lượng được tiến hành bằng cách đo ở một vài bước sóng hấp thu của hợp chất, sau đó áp dụng định luật Lambert - Beer để tính toán

1.2.2.3 Cơ chế của sự hấp thụ

Sự hấp thụ là sự tương tác của các photon của bức xạ với các ion hay phân tử của mẫu, chỉ xảy ra khi có sự tương ứng giữa năng lượng photon và năng lượng các điện

tử ngoài cùng (của ion hay phân tử) hấp thụ Kết quả là có sự biến đổi năng lượng điện tử của phân tử, chính vì vậy phổ UV VIS được gọi là phổ điện tử

Sự hấp thụ năng lượng điện tử trong vùng sóng ánh sáng tử ngoại gần (190-400nm)

và khả kiến (400-780nm) của các chất gây ra sự chuyển dịch của các điện tử từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích

Các quang phổ kế UV VIS đo độ truyền quang T hay độ hấp thụ A của bức xạ khi truyền qua mẫu lỏng

Biểu đồ biển diễn sự tương quan giữa cường độ hấp thu theo bước sóng của một chất

được gọi là phổ UV VIS của chất ấy trong điều kiện xác định

Hình 4: Phổ UV VIS của một số chất [1]

1.2.2.4 Thiết bị quang phổ hấp thụ UV VIS

Hình 5: Sơ đồ máy phân tích quang phổ UV VIS

Gồm các bộ phận cơ bản: nguồn sáng, bộ phận chứa mẫu (cuvette), bộ phận nhận biết (detector)

Ngoài ra còn một nguồn sáng khác là đèn xenon tạo ra cường độ liên tục trên toàn

bộ vùng UV VIS Tuy nhiên, vì độ nhiễu từ đèn xenon rất lớn so với hai loại đèn trên cho nên đèn xenon chỉ được dùng trong các phép đo phản xạ khuếch tán, khi cường

độ cao của tia sáng được quan tâm hàng đầu

Thiết bi ̣ ta ̣o bức xa ̣ đơn sắc

Có nhiệm vụ thu nhâ ̣n chùm bức xa ̣ đa sắc phát ra từ đèn, phân tı́ch ánh sáng đa sắc thành cách chùm đơn sắc, cho bức xa ̣ đơn sắc đi qua

Có hai loa ̣i thiết bi ̣ phổ biến là lăng kı́nh và cách tử

Bô ̣ phâ ̣n chứa mẫu (Cuvette)

Tia bức xạ đơn sắc sau đi được tách ra sẽ đi đến bộ phận chứa mẫu, thông thường là một ống (cốc) nhỏ gọi là cuvette Cuvette được làm bằng nhựa, thủy tinh hay thạch anh để chứa mẫu đo

Cuvette phải hoàn toàn trong suốt ở tất cả các bước sóng vì bất kỳ sự hấp thụ nào từ cốc cũng làm giảm khoảng hấp thụ tuyến tính của mẫu đo

Cuvette được làm bằng nhựa không thể dùng với tất cả dung môi và hấp thụ mạnh có bước sóng dưới 300nm, nên không thích hợp với việc đo ở vùng này Đặc tính của từng loại cuvette phụ thuộc vào nhà sản xuất

Cuvette làm bằng thuỷ tinh bền hơn hấp thụ mạnh ở vùng dưới 320 nm bởi vậy không thích hợp đo ở vùng này

Cuvette bằng tha ̣ch anh trong suốt cho đến tận dưới 210nm Cuvette tốt nhất hiện nay

là cuvette tổng hợp với chất lượng cao, có thể trong suốt đến dưới 190nm.Bề dày của cuvette đo có thể từ 0,1 đến 10 cm nhưng hay dùng nhất là cuvette có bề dày 1 cm Đôi khi các cuvette dày hơn cũng được dùng đối với những chất có nồng độ thấp hoặc

có độ hấp thụ kém

Thiết bi ̣ nhâ ̣n biết (Detector)

Có tác dụng cảm nhận bức xạ điện từ sau khi bị hấp thụ và chuyển lượng bức xạ này thành dòng điện Cường độ dòng điện thu được là tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ đập vào bề mặt catot Diode quang điện hay ốnng nhân quang điện là những thiết bị hữu dụng trong việc đo xác định các bức xa ̣

Hình 6: Cuvette chứa

mẫu

Hình 7: Cuvette trong bộ phận chứa cuvette

Ống nhân quang điê ̣n có chức năng tổ hợp các tín hiệu chuyển đổi qua vài giai đoạn khuyếch đại trong thân của ống Bản chất của nguyên liệu làm cathode là xác định độ nhạy của phổ Một nhân quang điện đơn tạo ra độ nhạy tốt trên toàn bộ khoảng UV VIS Loại detector này sinh ra độ nhạy cao ở mức ánh sáng thấp Tuy nhiên, trong lĩnh vực áp dụng phân tích quang phổ, độ nhạy cao thường đi đôi với nồng độ thấp dẫn đến độ hấp thụ thấp

Hình 8: Cấu tạo thiết bị nhận biết (ống nhân quang điện) [2]

Diode quang điê ̣n được sử dụng trong các máy đo quang phổ có đô ̣ nhiễu thấp ở cường đô ̣ cao, giúp phát hiê ̣n chı́nh xác sự khác nhau giữa mẫu trắng vào mẫu thử Trước kia, diode quang có độ nhạy thấp trong khoảng UV thấp, nhưng vấn đề này đã được hiệu chỉnh trong các detector hiện đại Giới hạn phát hiện xấp xỉ 170-1100 nm đối với detector sử dụng silicon Các máy quang phổ hiện đại có một dãy các detector diode quang thay vì một detector

Hình 9: Tế bào quang điện

1.2.2.5 Mô ̣t số loa ̣i máy quang phổ

Có hai loa ̣i máy quang phổ: máy mô ̣t chùm tia và máy hai chùm tia

Máy quang phổ mô ̣t chùm tia

Hình 10: Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ UV VIS một chùm tia

Đươ ̣c thiết kế đầu tiên khá đơn giản, giá thành thấp Có hai loa ̣i máy quang phổ: quang phổ thông thường và diode array

Ưu điểm: Giá thành thấp, thông lượng bức xạ đi qua cao và như vậy độ nhạy cao Nhươ ̣c điểm: Có khoảng lệch thời gian khi tiến hành đo giữa các chuẩn cũng như mẫu xác định Điều này đã xảy ra với những thiết bị cũ, những thiết bị hiện đại với những tính năng cao và ổn định đã khắc phục nhược điểm này Vì vậy máy quang phổ một chùm tia vẫn có những ứng dụng cao trong các phòng thí nghiê ̣m

Máy quang phổ hai chùm tia

Hình 11: Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ UV VIS hai chùm tia

Máy hai chùm tia đã được phát triển để loại bỏ sự thay đổi của cường độ đèn giữa các lần đo mẫu trắng và mẫu thử Ở loại này một bộ phận đóng ngắt ánh sáng được đặt trên đường đi của hệ quang học gần nguồn sáng Bộ phận đóng ngắt này chuyển

đường của tia sáng giữa đường đến mẫu trắng và mẫu thử rồi đến detector Nó sẽ quay ở một tốc độ sao cho việc đo liên tiếp giữa mẫu trắng và mẫu thử sẽ xảy ra vài lần trong một giây, bởi vậy sẽ hiệu chỉnh đuợc sự thay đổi của cường độ đèn trong thời gian đo

So sánh với máy một chùm tia, máy hai chùm tia có hệ quang học phức tạp hơn nên độ nhạy giảm Để được độ nhạy cao phải đo trong thời gian dài

Thông thường, độ ổn định cao của máy hai chùm tia là lý do chính trong việc thiết

kế của máy quang phổ hiệu năng cao Tuy nhiên, với những tiến bộ gần đây về đèn

và thiết kế điện mà đã tăng được độ ổn định của loại một chùm tia và dẫn đến sự quay trở lại của máy một chùm tia Máy một chùm tia có độ nhạy cao và dễ sử dụng

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU HỆ ĐO QUANG ĐIỆN TỬ

Trong chương 2 Giới thiệu hệ đo quang điện tử sẽ trình bày nguyên tắc chung của các hệ đo quang điện tử, sơ đồ tổng quát và sơ đồ của các hệ đo đã xây dựng Mỗi hệ

đo sẽ được phân tích điểm cần phải khắc phục từ đó cải tiến xây dựng hệ đo mới

2.1 Nguyên tắc hoạt động

Nguyên tắc hoạt động của hệ mối quan hệ định lượng giữa độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch muối ăn và nồng độ dung dịch trong định luật Lambert – Beer để tìm ra nồng độ dung dịch chưa biết trên cơ sở đường chuẩn được xây dựng từ mối quan hệ giữa độ hấp thụ và nồng độ một dãy dung dịch đã biết

Cụ thể, ta có mối quan hệ giữa độ hấp thụ A và nồng độ C, tuy nhiên, hệ đo quang điện tử trong luận văn này cho kết quả đầu ra không phải là giá trị độ hấp thụ A mà

là giá trị điện thế được tạo ra bởi chùm tia sáng sau khi qua dung dịch tác động lên photodiode Về cơ bản, các máy đo UV VIS thương mại cũng sử dụng cùng một nguyên tắc [4] Tuy nhiên, đối với các sản phẩm thương mại luôn đi kèm với phần mềm xử lí số liệu để số liệu cung cấp cho người dùng luôn là giá trị A thông qua các quá trình tính toán thực hiện bởi các bộ vi xử lí bên trong, còn đối với hệ đo quang điện tử trong luận văn này, kết quả A sẽ được tính thủ công với sự trợ giúp của máy tính cá nhân

Trên thực tế làm thí nghiệm cho thấy, không chỉ có quá trình hấp thụ của dung dịch muối ăn làm giảm cường độ chùm tia sáng mà còn các quá trình khác xảy ra khi ánh sáng đi qua dung môi (nước cất) cũng ảnh hưởng đến cường độ ánh sáng Io cho nên, cần thiết phải đo cường độ ánh sáng nền bên ngoài khi làm thí nghiệm Các kết quả thực nghiệm cho thấy, khi không có ánh sáng chiếu vào photodiode, vẫn có một giá trị điện thế được ghi nhận thông qua bộ khuếch đại Sự ảnh hưởng của các giá trị này

sẽ được hiệu chỉnh bằng cách trừ đi sau khi đo các giá trị khi có ánh sáng và dung dịch muối ăn

Ở chương tổng quan, ta đã có biểu thức

Dựa vào giá trị A vừa tính và giá trị C đã biết sẽ vẽ được đường chuẩn nhằm xác định nồng độ dung dịch chưa biết

Giá trị V0 ở đây là điện thế đo được khi không có ánh sáng đi qua dung dịch, đôi khi còn được gọi là dòng tối, Vdm là giá trị khi thu được khi ánh sáng đi qua ống đựng nước cất, khi đó vẫn có sự hấp thụ ánh sáng do thủy tinh và do nước, việc đưa hai giá trị V0 và Vdm để đưa giá trị độ hấp thụ khi không có ánh sáng về 0

Sau khi có được giá trị độ hấp thụ của các dung dịch đã biết nồng độ, ta sẽ tiến hành xây dựng đường chuẩn, có dạng như sau để xác định nồng độ dung dịch chưa biết thông qua việc đo độ hấp thụ của nó

Hình 12: Dạng của đường chuẩn để xác định nồng độ dung dịch

Trong quá trình tiến hành thí nghiệm xây dựng hệ đo đã thử sử dụng hai loại nguồn sáng: laser khí HeNe và laser bán dẫn

- Laser khí HeNe: bước sóng đỏ, 632.8 nm, do Leybold sản xuất

ăn ở khoảng 193 nm, thuộc vùng tử ngoại xa, khó tìm được dụng cụ và cũng không

an toàn khi phải tiếp xúc trong một khoảng thời gian dài Tuy nhiên, chính điều này cũng là khó khăn lớn nhất cho hệ để thu được một kết quả chính xác

Khi dùng laser HeNe, trở ngại lớn nhất là bước sóng nhưng cũng đồng thời có một điểm cộng nhỏ, vì laser hoàn toàn đơn sắc, khác với ánh sáng được tách ra từ một nguồn, khi đó, chùm tia đi qua dung dịch thực tế không hoàn toàn đơn sắc mà là một dải bức xạ Độ rộng của dải bức xạ này ảnh hưởng đến độ tuyến tính của đường chuẩn

2.2.2 Bộ phận chứa mẫu

Bộ phận chứa mẫu được hạn chế ảnh hưởng của ánh sáng bên ngoài bằng cách đặt trong hộp đen

Hình 15: Ống chữ T trong bộ phận chứa mẫu

Ống đựng mẫu là một trong những bộ phận quan trọng nhất của hệ, quyết định đến tính chính xác của phép đo

Mẫu trong hệ đo được dùng bằng ống chữ T, chiều dài 95.04 mmvà cũng đã thử chế tạo dụng cụ chứa mẫu riêng để thuận tiện cho việc đo đạc Dụng cụ được chế tạo có cùng độ dài và cùng chất liệu để tăng tính tin cậy cho kết quả

Hình 16: Ống chữ T và ống đựng mẫu.

Nếu so với bề dày thông thường của cuvette (khoảng 1 cm) trong các máy quang phổ

UV VIS thì chiều dài của ống chữ T lớn hơn rất nhiều lần, tuy nhiên, do hệ đo đang

đo ở bước sóng không phải là bước sóng đỉnh của phổ hấp thụ nên sự hấp thụ sẽ

không đủ rõ ràng nếu đường đi của tia sáng qua dung dịch quá ngắn Do đó, mặc dù trong phòng thí nghiệm có hai cuvette thạch anh chất lượng tốt nhưng hệ vẫn ưu tiên

sử dụng ống chữ T để đảm bảo độ hấp thụ đủ lớn thuận tiện hơn cho công việc xử lí,

so sánh số liệu

Còn một điều cần lưu ý nữa khi tiến hành thí nghiệm đối với ống chữ T: hai mặt phân cách của ống làm bằng thủy tinh Ở đây, do điều kiện tiến hành thí nghiệm sử dụng ánh sáng đỏ nên không ảnh hưởng nhiều đến kết quả Tuy nhiên, nếu sử dụng bước sóng nhỏ hơn, sẽ cần lưu ý đến độ hấp thụ của thủy tinh, do khi này độ hấp thụ của thủy tinh lớn, gây sai số cho phép đo

Ngoài ra, khi sử dụng hệ đo với laser bán dẫn, có sử dụng các ống đựng mẫu tự thiết

kế để giảm thời gian đo đạc mẫu

2.2.3 Bộ phận ghi nhận tín hiệu đầu ra

Sau khi ánh sáng đi qua dung dịch sẽ đi đến photo detector và kết quả thu được là một giá trị điện thế, tuy nhiên, do giá trị này quá nhỏ nên cần thêm bộ khuếch đại để tăng giá trị lên

Cả photo detector, bộ khuếch đại đều do Leybold sản xuất và có chất lượng tốt

Hình 17: Photodetector Hình 18: Bộ khuếch đại

Giá trị điện thế đầu ra sẽ được ghi nhận bằng phần mềm Cassy Lab 2 để thuận tiện hơn cho việc ghi nhận một khối lượng lớn dữ liệu trong một khoảng thời gian khá ngắn

Hình 19: Cảm biến CASSY LAB2

2.3 Thiết kế hệ đo

Hệ đo gồm ba thành phần chính: nguồn sáng, trong các hệ đo đã xây dựng đều sử dụng nguồn laser; bộ phận chứa dung dịch và bộ phận ghi nhận điện thế đầu ra sau khi ánh sáng đi qua photo diode, trong các thí nghiệm sử dụng cảm biến CASSY LAB2 để thực hiện công việc này

Hình 24: Sơ đồ khối tổng quát

2.3.1 Hệ đo đầu tiên

Hình 25: Sơ đồ hệ đo đầu tiên

So với sơ đồ khối chung, hệ đo đầu tiên sử dụng thêm hệ thấu kính và giới hạn độ lớn của chùm tia để giảm cường độ chùm ánh sáng, tạo chùm tia song song nhưng có độ tập trung để dễ dàng đi qua mẫu

Hình ảnh thực tế

Hình 26: Hệ đo đầu tiên

Nội dung cần cải tiến

Do sử dụng màn chắn để giới hạn cường độ tia sáng nên bị ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng

Nội dung cần cải tiến

Giá trị điện thế đầu ra thu được vẫn chưa ổn định