Nguyên lý và công nghệ phân tích quang phổ phát xạ hồ quang

CÔNG TY CỔ PHẦN ATT CÔNG NGHIỆP Web: atti.vn | E-mail: contact@atti.vn Tel: 04.3.7832.028 | Fax: 04.3.7832.032 Nguyên lý cơng nghệ phân tích thành phần kim loại tia quang phổ phát xạ hồ quang Page | Quang phổ phát xạ hồ quang (OES – Optical Emission Spectrometry) kỹ thuật phân tích quang phổ ứng dụng rộng rãi việc phân tích xác định thành phàn hóa học nguyên tố mẫu kim loại thép, gang, nhơm, đồng, chì, kẽm, titan… nhằm cho kết phân tích nhanh chóng xác Lịch sử phương pháp phân tích thành phần hóa học kim loại Trước việc phân tích thành phần nguyên tố hợp kim thông thường dựa vào phản ứng hóa học nguyên tố phương pháp phân tích hóa ướt Quy trình khâu cắt nhỏ mẫu phân tích, hòa tan vào dung dịch đo độ chuẩn điện dung dịch để xác định có mặt đánh giá định lượng nguyên tố có mặt hợp kim Đây trình tương đối phức tạp, nhiều thời gian lần phân tích cho kết nguyên tố, muốn xác định nhiều nguyên tố phải làm nhiều phép phân tích Tuy nhiên, số nguyên tố xác định theo phương pháp tính phức tạp phép đo Phương pháp phân tích hóa phù có độ xác bị ảnh hưởng nhiều yếu tố như:    Độ xác việc cân xác định khối lượng mẫu Độ tinh khiết tạp chất lẫn dung dịch pha chế (nước, axít…) Thao tác vận hành người phân tích Sự đời máy phân tích NHANH thành phần kim loại quang phổ phát xạ: Thông thường, sở, nhà máy sản xuất kim loại, luyện kim cần đánh giá định lượng số nguyên tố C, S, P, Si, Mn, Ni, Cr Fe, Cu, Al nhà máy sản xuất yêu cầu quan trọng phải phân tích cho kết nhanh để phân loại thép, hợp kim, nhận dạng (xác định loại) vật liệu để điều chỉnh hàm lượng nguyên tố cho mẻ đúc, luyện… Do đó, thời gian phân tích nhanh tốt tất nhiên dùng phương pháp phân tích hóa học Vào năm 1960 kỷ XX thiết bị phân tích nhanh thành phần kim loại đời với kích thước cồng kềnh cấu trúc phức tạp Ngày nay, nhờ phát triển khoa học kỹ thuật đặc biệt lĩnh vực điện tử, tin học hàng loạt thiết bị sản xuất với việc nâng cao công nghệ, nhỏ gọn kích thước độ xác cao Tuy nhiên nguyên lý thiết bị giữ nguyên, đa phần thiết bị phân tích thành phần kim loại dựa vào nguyên tắc quang phổ phát xạ Nguyễn Minh Tuấn Phòng Kinh Doanh Thiết bị QC e-mail: tuan@atti.vn Phone: 0988 736 838 Văn phòng: Số 23 lô 13B khu đô thị Trung Yên, phố Trung Hồ, Quận Cầu Giấy, Hà Nội Phòng thí nghiệm tính ( ISO/IEC-17025:2005 ) : Số 166, Tựu Liệt,Tam Hiệp, Thanh Trì, Hà Nội CƠNG TY CỔ PHẦN ATT CÔNG NGHIỆP Web: atti.vn | E-mail: contact@atti.vn Tel: 04.3.7832.028 | Fax: 04.3.7832.032 Hiện máy phân tích thành phần hoá học kim loại theo nguyên lý quang phổ phát xạ sử dụng rộng rãi toàn giới số nhà máy phòng thí nghiệm Việt Nam nhờ ưu điểm thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng, phân tích nhanh độ xác cao Page | Nguyên lý hoạt động máy quang phổ phát xạ hồ quang phân tích thành phần kim loại Mẫu kim loại cần phân tích gá kẹp vào máy điện cực Điện cực lại gọi đầu bắn hồ quang đặt máy buồng điện cực nhỏ Buồng điện cực nạp đầy khí argon (khí trơ) để đảm bảo khơng có q trình xi hóa xẩy bắn hồ quang Máy tạo xung điện hồ quan hai điên cực tạo nguồn hồ quang Nguồn hồ quang bắn phá vào mẫu kim loại mẫu kim loại phân rã thành nguyên tử ion Các nguyên tử ion nguyên tố nhận lượng phát xạ đặc trưng cho nguyên tố Vì có nhiều nguyên tố hợp chất phát quang phổ nên ánh sáng thu tập hợp nhiều ánh sáng đơn sắc giống ánh sáng trắng Toàn ánh sáng hệ truyền qua hệ thống quang học quang phổ kế máy phân tích Mỗi nguyên tố kích thích phát anh sáng đặc trưng (trừ số nguyên tố có 2) tần số riêng biệt, ánh sáng đăchj trưng nguyên tố có bước sóng (tần số) đặc trưng Mẫu bắn phá có nhiều nguyên tố nên tổ hợp tai dơn sắc nguyên tố trộn lẫn vào thành chùm ánh sáng gần trắng Bằng phương pháp phân tích phổ tần số để tách tia đơn sắc ta biết có mặt nguyên tố (dựa vào bước sóng) hàm lượng nguyên tố (dựa vào cường độ sáng ánh sáng đặc trưng đó, hay gọi bên độ tần số ánh sáng đó) Hình 1: Sơ đồ ngun lý máy phân tích quang phổ phát xạ hồ quang Các phận máy phân tích quang phổ phát xạ hồ quang Nguyễn Minh Tuấn Phòng Kinh Doanh Thiết bị QC e-mail: tuan@atti.vn Phone: 0988 736 838 Văn phòng: Số 23 lô 13B khu đô thị Trung Yên, phố Trung Hồ, Quận Cầu Giấy, Hà Nội Phòng thí nghiệm tính ( ISO/IEC-17025:2005 ) : Số 166, Tựu Liệt,Tam Hiệp, Thanh Trì, Hà Nội CƠNG TY CỔ PHẦN ATT CƠNG NGHIỆP Web: atti.vn | E-mail: contact@atti.vn Tel: 04.3.7832.028 | Fax: 04.3.7832.032   Page |       Nguồn phát hồ quang: có nhiệm vụ kích thích nguồn hồ quang để bắn phá mẫu kim loại để mẫu phát tia ánh sáng đơn sắc đặc trưng cho nguyên tố Buồng bắn hồ quang: nới mẫu gá vào để bắn phá, buồng bắn hồ quang thổi khí trơ (thường Argon) để loai bỏ hết khơng khí, Ơxy tránh mẫu bị ơxy hóa q tình bắn phá, đồng thời giúp ánh sáng quang phổ truyền môi trường khí trơ tốt hơn, nhằm giảm suy hao ánh sáng đường truyền Cách tử: chùm ánh sáng quan phổ phát qua cửa sổ quan qua khe hẹp tạo thành chùm sáng song song đến cách tử Cách tử gương phẳng có khắc vạch song song với mật độ đến hàng ngàn vạch/mm Chùm sáng trắng đến cách tử nhiễu xạ phân tán thành tia đơn sắc lệch hướng theo chiều từ ánh sáng cực tím đến tím, chàm, lam, vàng, đỏ… săc cầu vồng cách tử có độ phân dải (mật độ vạch/mm) cao tia đơn sắc tách rõ nét hơn, giúp tránh nhiễu chồng quang phổ Gương chuẩn trực phận tạo chùm tia sáng song song Ánh sáng xạ phát từ nguyên tố qua hệ thống quang học đến gương chuẩn trực Gương chuẩn trực biến đổi chùm tia tới phân kỳ thành chùm tia song song để đưa sang cách tử Cảm biến thu ánh sáng (Detector) có nhiệm vụ thu nhận ánh sáng tia đơn sắc đặc trưng cho nguyên tố biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện để phục vụ cho việc hiển thị kết phân tích Có loại detector, là: CCD, ống nhân quang PMT kênh nhân quang CPM với độ nhạy độ khuếch đại khác Toàn phận đặt buồng kín gọi buồng quang học Do ánh sáng quang phổ suy hao mạnh mơi trường khơng khí, đặc biệt ánh sáng cực tím Do vậy, buồng quang học điền đầy khí trơ (Argon) bơm hút chân khơng, tùy vào loại máy tùy nhà sản xuất máy Mạch ghép nối điện tử: Tín hiệu ánh sáng từ Detector biến đổi than tín hiệu điện, mạch điện tử truyền tín hiệu máy tính phần mềm phân tích quang phổ xây dựng đường chuẩn nguyên tố Đường chuẩn xây dựng dựa việc phân tích tập hợp nhiều mẫu chuẩn có hàm lượng khác Máy tính thiết bị ngoại vi để điều khiển, hiển thị kết phân tích Nguyễn Minh Tuấn Phòng Kinh Doanh Thiết bị QC e-mail: tuan@atti.vn Phone: 0988 736 838 Văn phòng: Số 23 lơ 13B khu thị Trung Yên, phố Trung Hoà, Quận Cầu Giấy, Hà Nội Phòng thí nghiệm tính ( ISO/IEC-17025:2005 ) : Số 166, Tựu Liệt,Tam Hiệp, Thanh Trì, Hà Nội CƠNG TY CỔ PHẦN ATT CÔNG NGHIỆP Web: atti.vn | E-mail: contact@atti.vn Tel: 04.3.7832.028 | Fax: 04.3.7832.032 Page | Hình 2.1: Đường chuẩn ngun tố Crơm Nguyễn Minh Tuấn Phòng Kinh Doanh Thiết bị QC e-mail: tuan@atti.vn Phone: 0988 736 838 Văn phòng: Số 23 lơ 13B khu thị Trung Yên, phố Trung Hoà, Quận Cầu Giấy, Hà Nội Phòng thí nghiệm tính ( ISO/IEC-17025:2005 ) : Số 166, Tựu Liệt,Tam Hiệp, Thanh Trì, Hà Nội CƠNG TY CỔ PHẦN ATT CÔNG NGHIỆP Web: atti.vn | E-mail: contact@atti.vn Tel: 04.3.7832.028 | Fax: 04.3.7832.032 Page | Hình 2.2: Đường chuẩn nguyên tố Măng gan Nguyễn Minh Tuấn Phòng Kinh Doanh Thiết bị QC e-mail: tuan@atti.vn Phone: 0988 736 838 Văn phòng: Số 23 lơ 13B khu thị Trung Yên, phố Trung Hoà, Quận Cầu Giấy, Hà Nội Phòng thí nghiệm tính ( ISO/IEC-17025:2005 ) : Số 166, Tựu Liệt,Tam Hiệp, Thanh Trì, Hà Nội CƠNG TY CỔ PHẦN ATT CÔNG NGHIỆP Web: atti.vn | E-mail: contact@atti.vn Tel: 04.3.7832.028 | Fax: 04.3.7832.032 Page | Hin 2.3: Đường chuẩn nguyên tố Niken Các công nghệ đầu dò Detector cua rmáy quang phổ phát xạ hồ quang Hầu hết máy quang phổ phát xạ phân tích hợp kim dựa nguyên lý hoạt động công nghệ chế tạo khác Sự khác chủ yếu đầu dò (Detector) thu quang phổ Hiện giới sử dụng loại đầu thu (Detector) sau để sản xuất máy quang phổ phân tích thành phần kim loại:  Cơng nghệ đầu dò CCD (Charge – coupled device): CCD sử dụng phổ biến thiét bị quang học máy ảnh, máy quay phim… Nguyễn Minh Tuấn Phòng Kinh Doanh Thiết bị QC e-mail: tuan@atti.vn Phone: 0988 736 838 Văn phòng: Số 23 lô 13B khu đô thị Trung Yên, phố Trung Hồ, Quận Cầu Giấy, Hà Nội Phòng thí nghiệm tính ( ISO/IEC-17025:2005 ) : Số 166, Tựu Liệt,Tam Hiệp, Thanh Trì, Hà Nội CƠNG TY CỔ PHẦN ATT CÔNG NGHIỆP Web: atti.vn | E-mail: contact@atti.vn Tel: 04.3.7832.028 | Fax: 04.3.7832.032 Page | Hình ảnh chip CCD Các máy quang phổ truyền thống thường ứng dụng cơng nghệ cảm biến ánh sáng CCD cho đầu dò Các điốt quang biến lượng ánh sáng thành tín hiệu điện Điện áp sử dụng để nạp điện cho tụ điện Sau khoảng thời gian nạp tất chuyển mạch đóng lại truyền mức lượng nạp sang ghi Sau thời gian truyền kết thúc, chuyển mạch mở tụ điện lại nạp lại Dữ liệu từ ghi chuyển sang chuyển đổi A/D sau đưa vào máy vi tính PC để xử lý Nguyên lý hoạt động CCD Nguyễn Minh Tuấn Phòng Kinh Doanh Thiết bị QC e-mail: tuan@atti.vn Phone: 0988 736 838 Văn phòng: Số 23 lơ 13B khu thị Trung Yên, phố Trung Hoà, Quận Cầu Giấy, Hà Nội Phòng thí nghiệm tính ( ISO/IEC-17025:2005 ) : Số 166, Tựu Liệt,Tam Hiệp, Thanh Trì, Hà Nội CÔNG TY CỔ PHẦN ATT CÔNG NGHIỆP Web: atti.vn | E-mail: contact@atti.vn Tel: 04.3.7832.028 | Fax: 04.3.7832.032 Theo công nghệ này, toàn ánh sáng CCD thu dạng ánh sáng trắng (hỗn hợp nhiều quang phổ) phần mềm phân tích phổ xác định bước sóng độ lớn vạch quang phổ từ xác định nguyên tố hàm lượng chúng hợp kim Do vậy, máy quang phổ theo công nghệ CCD có đặc điểm sau: Page |        Độ nhạy trung bình: phát nguyên tố từ ppm trở lên, khơng phát ngun tố có hàm lượng thấp cỡ ppm số ứng dụng đặc biệt đòi hỏi độ nhạy phát cao Dải quang phổ: CCD phát hầu hết bước sóng ánh sáng có dải bước sóng từ 140-800nm, số ngun tố có bước song VUV Ơxy, Nitơ, Hyđrơ khơng phát Độ xác xác bị ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm môi trường Độ xác lặp lại mức trung bình Mức độ phổ biến cao, giá thành mức thấp so với cơng nghệ khác Một CCD thu motj dải bước sóng liên tục (thường sử dụng 16 CCD để thu dải phổ từ 140-800nm) Có thể nâng cấp khả phân tihs thêm nguyên tố, thêm mà không cần lắp đặt thêm CCD Tuy nhiên, máy quang phổ cơng nghệ CCD lại có kích thước nhỏ gọn, ứng dụng nhiều kim loại, thiết kế động đặc biệt giá thành thấp nên phù hợp cho việc phân tích nhanh trường cơng tác phân loại sản phẩm nhận dạng mác hợp kim  Công nghệ ống nhân quang PMT (Photomultiplier tube) Nhằm đáp ứng u cầu phân tích phòng thí nghiệm khắc phục nhược điểm máy quang phổ công nghệ CCD, năm gần hãng chế tạo phát tiển công nghệ ống nhân quang điện tử (hay gọi cơng nghệ PMT) ứng dụng cho phòng thí nghiệm u cầu kết phân tích đạt độ xác độ nhạy cao Nguyen lý ống nhân quang Nguyễn Minh Tuấn Phòng Kinh Doanh Thiết bị QC e-mail: tuan@atti.vn Phone: 0988 736 838 Văn phòng: Số 23 lô 13B khu đô thị Trung Yên, phố Trung Hồ, Quận Cầu Giấy, Hà Nội Phòng thí nghiệm tính ( ISO/IEC-17025:2005 ) : Số 166, Tựu Liệt,Tam Hiệp, Thanh Trì, Hà Nội CƠNG TY CỔ PHẦN ATT CÔNG NGHIỆP Web: atti.vn | E-mail: contact@atti.vn Tel: 04.3.7832.028 | Fax: 04.3.7832.032 Cấu tạo nguyên lý hoạt động PMT hình Catốt quang thu nhận ánh sáng giải phóng điện tử (electron) Các điện tử tăng tốc di chuyển tới điện cực trung gian Tại điện cực trung gian này, điện tử va chạm với bề mặt điện cực làm giải phóng thêm điện tử Quá trình tiếp tục tất điện cực khác kết anốt thu nhiều điện tử Do từ tín hiệu nhỏ ban đầu ta thu tín hiệu lớn catốt với hệ số Page | nhân lên tới 106 Ưu điểm cơng nghệ PMT dòng tối nhỏ (dòng điện sinh nhiệt độ khơng có ánh sáng chiếu vào catốt), dải quang phổ rộng (từ bước sóng cực tím tới bước sóng hồng ngoại), độ nhạy cao Nhược điểm công nghệ PMT ống PMT thu quang phổ bước sóng đơn sắc, mà máy quang phổ phân tích hợp kim sử dụng cơng nghệ PMT phải sử dụng nhiều phần tử PMT có kích thước lớn giá thành cao  Công nghệ kênh nhân quang CPM (Channel Photomultiplier) Về nguyên lý hoạt động công nghệ CPM (Channel Photomutipler) tương tự PMT Catốt thu nhận ánh sáng giải phóng điện tử Các điện tử đưa vào kênh bán dẫn hẹp cong Mỗi điện tử va chạm vào thành bên kênh dẫn giải phóng thêm điện tử Do từ tín hiệu nhỏ ban đầu ta thu tín hiệu lớn catốt với hệ số nhân lên tới 108 Ưu điểm cơng nghệ CPM dòng tối nhỏ (dòng điện sinh nhiệt độ khơng có ánh sáng chiếu vào catốt), dải quang phổ rộng, độ nhạy cao (cao cơng nghệ), kích thước nhỏ PMT Cũng công nghệ PMT, nhược điểm công nghệ CPM ống CPM thu quang phổ bước sóng đơn sắc, mà máy quang phổ phân tích hợp kim sử dụng cơng nghệ CPM phải sử dụng nhiều phần tử CPM có kích thước lớn giá thành cao Nguyễn Minh Tuấn Phòng Kinh Doanh Thiết bị QC e-mail: tuan@atti.vn Phone: 0988 736 838 Văn phòng: Số 23 lơ 13B khu thị Trung Yên, phố Trung Hoà, Quận Cầu Giấy, Hà Nội Phòng thí nghiệm tính ( ISO/IEC-17025:2005 ) : Số 166, Tựu Liệt,Tam Hiệp, Thanh Trì, Hà Nội ... 2.3: Đường chuẩn nguyên tố Niken Các cơng nghệ đầu dò Detector cua rmáy quang phổ phát xạ hồ quang Hầu hết máy quang phổ phát xạ phân tích hợp kim dựa nguyên lý hoạt động công nghệ chế tạo khác... lượng nguyên tố (dựa vào cường độ sáng ánh sáng đặc trưng đó, hay gọi bên độ tần số ánh sáng đó) Hình 1: Sơ đồ nguyên lý máy phân tích quang phổ phát xạ hồ quang Các phận máy phân tích quang phổ phát. .. nhỏ gọn, dễ sử dụng, phân tích nhanh độ xác cao Page | Nguyên lý hoạt động máy quang phổ phát xạ hồ quang phân tích thành phần kim loại Mẫu kim loại cần phân tích gá kẹp vào máy điện cực Điện