Bài giảng Quang học kỹ thuật và ứng dụng: Chương 3 - TS. Phạm Thị Hải Miền

Bài giảng Quang học kỹ thuật và ứng dụng - Chương 3: Phương pháp phổ hồng ngoại cung cấp cho người học các kiến thức: Cơ sở lý thuyết, máy quang phổ hồng ngoại, phương pháp phổ hồng ngoại Fourier (FTIR), một số ứng dụng trong y sinh học. Mời các bạn cùng tham khảo.

CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI Cơ sở lý thuyết Máy quang phổ hồng ngoại Phương pháp phổ hồng ngoại Fourier (FTIR) Một số ứng dụng y sinh học CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CƠ SỞ LÝ THUYẾT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phổ hấp thu hồng ngoại phổ dao động - quay hấp thu xạ hồng ngoại chuyển động dao động chuyển động quay bị kích thích Bức xạ hồng ngoại có độ dài sóng từ 0,8 đến 1000μm chia thành ba vùng: Cận hồng ngoại (near infrared): λ = 0,8 – 2,5 μm (12500 - 4000 cm-1) Trung hồng ngoại (medium infrared): λ = 2,5 – 25 μm (4000 - 400 cm-1) Viễn hồng ngoại (far infrared): λ = 25 – 1000 μm (400 - 10 cm-1) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phổ hồng ngoại (phổ dao động – quay) Phổ dao động PT NT PT nhiều NT CuuDuongThanCong.com Phổ quay PT NT PT nhiều NT https://fb.com/tailieudientucntt Dao động phân tử nguyên tử Khi kéo dãn AB xuất lực F kéo AB vị trí cân bằng: F  k r Tần số dao động riêng:   2 Trong đó: k m m1m2 k - số lực ; m  m1  m2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Mức lƣợng dao động phân tử nguyên tử Khi dao động tử thực dao động, tác dụng lực hồi phục F Er: dE F   r  k r  k (r  r0 ) dr E  k r  r    E0  Cơ học cổ điển Suy ra: r  Theo học lượng tử, lượng toàn phần E nhận dãy giá trị gián đoạn: 1  E  h  n   2   Cơ học lượng tử Trong đó: Er - hệ ứng với chuyển dịch ∆r E0 - hệ ứng với vị trí cân (r = r0) n - số lượng tử dao động ( n = 0,1,2,3…) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Đƣờng cong mức lƣợng dao động phân tử nguyên tử Dao động điều hịa Dao động khơng điều hịa 1  E  h  n   2  1 E  h (n  )  Ahv(n  ) 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Điều kiện hấp thụ xạ hồng ngoại: Phân tử có thay đổi momen lưỡng cực điện dao động  Theo qui tắc này, phân tử có nguyên tử giống ko cho hiệu ứng phổ dao động Δn=±1 (chỉ với dao động điều hoà, với dao động phi điều hồ Δn 2, 3) Một phân tử hấp thụ xạ hồng ngoại tần số dao động tự nhiên phần phân tử (tức nguyên tử hay nhóm nguyên tử tạo thành phân tử đó) dao động tần số xạ tới CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Dao động phân tử nhiều nguyên tử  Dao động co giãn: có thay đổi độ dài liên kết nguyên tử  Dao động biến dạng: có thay đổi góc liên kết Dao động biến dạng gọi dao động uốn Phân tử có N ngun tử khơng thẳng hàng có (3N-6) dao động chuẩn phổ dao động phân tử có (3N-6) đám phổ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phổ quay phân tử nguyên tử r m1 r1 m2 r2 Các mức lượng quay Quay tử cứng Năng lượng chuyển động quay: E j  h2 8 I j ( j  1) Trong : I – momen quán tính j – số lượng tử quay, j=0,1,2,… Ej h v j   j ( j  1) h 8 I CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nguồn sáng: Nguồn phát xạ Miền phổ (cm-1) Đèn sợi đốt vonfram Hồng ngoại gần, miền nhìn thấy (2500-5000) Thanh nén ZrO2, ThO2,… Hồng ngoại gần trung bình (400-5000) Thanh cacbon-silic Hồng ngoại gần trung bình (300-5000) Bộ đơn sắc: - Vùng hồng ngoại gần: dùng lăng kính, cách tử thạch anh - Vùng hồng ngoại trung bình xa: dùng tinh thể NaCl (muối mỏ) cho vùng 4000 - 650cm-1 lăng kính KBr dùng vùng 400 cm-1 lăng kính CsI thích hợp cho vùng 270cm-1 - Các máy phổ hồng ngoại hệ chế tạo theo kiểu biến đổi Fourier (Fourier Transformation Infrared Spectrometer-FTIR Spectrometer) Trong máy này, người ta dùng giao thoa (giao thoa kế) Michelson thay cho tạo đơn sắc CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Cuvet đựng mẫu: NaCl KBr KCl Polyetylen λ, μm 0,25 – 17 0,25 – 25 0,30 – 20 16 – 300  , cm-1 40000 – 590 40000 – 400 33000 – 500 625 – 33 Detector: a Detector nhiệt: dựa hiệu ứng nhiệt xạ hồng ngoại gây ra, phản hồi tần số; - Ưu điểm: dùng vùng phổ rộng, bao gồm vùng trông thấy lẫn vùng hồng ngoại vận hành nhiệt độ phòng - Nhược điểm: thời gian phản hồi chậm độ nhạy thấp b Detector photon: dựa tương tác photon tới loại bán dẫn Ưu điểm: độ nhạy cao thời gian phản hồi nhanh - Nhược điểm: nhiệt độ phòng, detectơ làm việc vùng phổ hẹp, thường giới hạn vùng hồng ngoại gần Muốn mở rộng vùng làm việc phải làm lạnh sâu (ví dụ giữ nitơ lỏng) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân tích định lượng theo phương pháp phổ hồng ngoại dựa vào định luật Lambert – Beer: I0 A  lg( )    Cl I Xác định độ hấp thụ A: phương pháp đường chuẩn; phương pháp đường Hạn chế phƣơng pháp phổ hồng ngoại: - Cuvet đựng mẫu thường làm NaCl, KBr mềm, dễ bị biến dạng Cuvet bị tác động hố học dung mơi - Do hiệu ứng liên hợp phân tử chất hịa tan dẫn đến thay đổi tần số hấp thụ, hình dáng, cường độ hấp thụ - Máy quang phổ hồng ngoại không đủ độ phân giải cần thiết nên không đủ khả đo đám phổ có tần số hẹp - Chỉ riêng phổ hồng ngoại đơi chưa thể biết chất ngun chất hay chất hỗn hợp có trường hợp chất có phổ hồng ngoại giống CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt PHƢƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI FOURIER (FTIR) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giao thoa kế Michelson CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ưu điểm máy hồng ngoại biến đổi Fourier: - Việc sử dụng giao thoa kế cho phép khe sáng rộng nên cường độ xạ vào detector lớn - Các bước sóng xác định xác (độ phân giải cao) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC - Ánh sáng cận hồng ngoại truyền sâu 1-2 cm vào thể  chụp ảnh cận hồng ngọai trình phẫu thuật, chụp ảnh khối u - Máy “infrascanner” (máy chụp ảnh não) ứng dụng công nghệ tia hồng ngoại ngắn vơ hại, nhìn xun qua hộp sọ để phát huyết khối bên não; xây dựng ảnh chức não - Hemoglobin hấp thụ hồng ngoại mạnh phụ thuộc nhiều vào mức ơxy hố, máy quang phổ cận hồng ngoại nhạy với nồng độ ôxy hoá hemoglobin Hai tham số liên quan trực tiếp đến lưu lượng máu, dung tích máu, tốc độ ơxy hố …chấn đốn lão hố tế bào quan thể (não, động tĩnh mạch…); đo khác biệt nồng độ oxygen máu để đánh giá hoạt động não - Đo lường nồng độ glucose máu - Máy chụp quang học tuyến vú (để phát ung thư vú) - Tìm ven máu - Chẩn đoán bệnh giãn tĩnh mạch chân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH TĨNH MẠCH BẰNG KỸ THUẬT QUANG HỌC CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phổ hấp thụ của số chất có da mạch máu  Sự hấp thụ ánh sáng tĩnh mạch định hemoglobin, melanin nước Hemoglobin có hai loại oxyhemoglobin deoxyhemoglobin  Trong vùng khả kiến: hemoglobin melanin chất hấp thụ Dựa vào tính chất hấp thụ tĩnh mạch xác định vị trí tĩnh mạch chiếu ánh sáng khả kiến  Trong vùng cận hồng ngoại, hemoglobin nước chất hấp thụ Ánh sáng hồng ngoại gần 700 – 1000 nm bị hấp thụ mơ da xuyên sâu tới mạch máu lớp mô da CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH TĨNH MẠCH BẰNG ÁNH SÁNG KHẢ KiẾN 21 Kết thử nghiệm tay trước sau chiếu sáng Kết so sánh với thiết bị nước (Veinlite) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH TĨNH MẠCH BẰNG KỸ THUẬT HỒNG NGOẠI GẦN CuuDuongThanCong.com CCD camera LENs IR Filter POL ND LEDs + POL https://fb.com/tailieudientucntt CCD camera: camera có độ nhạy cao với ánh sáng cận hồng ngoại Kính lọc hồng ngoại (Infrared filter - F IR): chặn ánh sáng khả kiến, cho phép tia hồng ngoại qua hệ thống quang học đến CCD camera Kính lọc cường độ (Neutral density filter – ND): giảm cường độ ánh sáng đến CCD camera, đặc biệt hữu dụng chụp lại hình ảnh có thời gian phơi sáng dài nguồn sáng mạnh Kính phân cực (POL): tăng cường thêm vào độ tương phản dùng để giảm bớt phản chiếu môi trường xung quanh Thấu kính hội tụ: phóng to hình ảnh mạch máu nhỏ mạch máu vị trí ngón tay Nguồn sáng hồng ngoại gần: LED công suất cao 850 nm, cơng suất 3W CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÌNH ẢNHTĨNH MẠCH QUA ÁNH SÁNG CẬN HỒNG NGOẠI 24 Tm ngón tay sử dụng LED 850nm 940nm Tm bàn tay cổ tay sử dụng LED 850nm CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... – 17 0,25 – 25 0 ,30 – 20 16 – 30 0  , cm-1 40000 – 590 40000 – 400 33 000 – 500 625 – 33 Detector: a Detector nhiệt: dựa hiệu ứng nhiệt xạ hồng ngoại gây ra, phản hồi tần số; - Ưu điểm: dùng vùng... MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC - Ánh sáng cận hồng ngoại truyền sâu 1-2 cm vào thể  chụp ảnh cận hồng ngọai trình phẫu thuật, chụp ảnh khối u - Máy “infrascanner” (máy chụp ảnh não) ứng dụng...  Cơ học cổ điển Suy ra: r  Theo học lượng tử, lượng tồn phần E nhận dãy giá trị gián đoạn: 1  E  h  n   2   Cơ học lượng tử Trong đó: Er - hệ ứng với chuyển dịch ∆r E0 - hệ ứng với