5. Các bƣớc thực hiện đề tài
2.11. Máy quang phổ hấp thụ hay quang phổ kế
2.11.1. Khái niệm
Máy quang phổ hấp thụ là dụng cụ dùng để đo độ hấp thụ của một chất với từng bƣớc sóng một.
2.11.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
Máy quang phổ hấp thụ đƣợc chia làm hai loại: máy quang phổ một chùm tia (hình 2.26) và máy quang phổ hai chùm tia (hình 2.27).
GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 32 SVTH: Tiết Kim Tuyến Đối với máy quang phổ một chùm tia phải đo hai lần:
Hình 2.27: Máy quang phổ hai chùm tia
Một lần đo với cuvet (hộp chứa dung dịch) chỉ chứa dung môi, một lần với dung dịch cần phân tích. Trong cả hai lần đo phải giữ cƣờng độ chùm sáng tới không đổi. Điều này thì khó bảo đảm và dẫn tới kết quả không chính xác. Để loại trừ nhƣợc điểm này ngƣời ta dùng máy quang phổ hai chùm tia. Chùm sáng đƣợc tách làm hai: một chùm đi qua cuvet đựng dung môi chuẩn, một chùm đi qua cuvet đựng dung dịch cần đo. Sau đó chúng đƣợc bố trí cùng đi vào máy thu tín hiệu để xác định tỷ số biên độ để cùng quy ra ngay độ hấp thụ A của mẫu.
Phép đo hấp thụ có thể tiến hành với vài một bƣớc sóng đơn sắc xác định, đặc trƣng. Khi đó có thể chỉ cần một đèn đơn sắc kết hợp với kính lọc hoặc dùng một tia Laser cho bƣớc sóng thích hợp.
Thông thƣờng phép đo hấp thụ đƣợc tiến hành với một vùng phổ rộng với bƣớc sóng thay đổi liên tục, các nguồn sáng hay dùng trong đo hấp thụ đèn là Wolfram – Halogen cho phổ liên tục trong miền khả kiến và hồng ngoại gần hoặc đèn D2, H2 cho phổ liên tục trong miền tử ngoại…tốt hơn cả là dùng một Laser màu có bƣớc sóng thay đổi liên tục trong vùng phổ hấp thụ cần nghiên cứu.
Cũng có thể đo hấp thụ theo kiểu đa kênh (hình 2.28), khi đó chùm sáng có phổ liên tục truyền thẳng vào cuvet mẫu rồi tới máy quang phổ đa kênh. Tín hiệu sao đó đƣợc lấy tích phân, xử lý rồi đƣa lên màn hình máy vi tính qua một chƣơng trình đã cài đặt sẵn.
Hình 2.28: Máy quang phổ hấp thụ đa kênh
2.12.MÁY QUANG PHỔ HẤP THỤ HỒNG NGOẠI
Để nghiên cứu cấu trúc dao động của phân tử ngƣời ta thƣờng dùng quang phổ hấp thụ hồng ngoại.Nhƣ đã biết sự dịch chuyển giữa các mức năng lƣợng dao động của phân tử tƣơng ứng với các bức xạ và hấp thụ nằm trong vùng ngoại. Tùy theo kiểu liên kết phân tử các nhóm hợp chất đƣợc đặc trƣng bởi nhóm tần số riêng do phải hoạt động trong vùng ánh sáng hồng ngoại nên máy quang phổ hấp thụ hồng ngoại có những đặc điểm riêng. Chẳng hạn phải chú ý tới hấp thụ bức xạ hồng ngoại của hơi nƣớc và CO2 luôn có trong không khí, hiệu suất quang học của gƣơng và cách tử, tính không ổn định của
GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 33 SVTH: Tiết Kim Tuyến nguồn sáng hồng ngoại và độ nhạy của đầu thu hồng ngoại,…Từ đó cấu trúc máy mang những đặc trƣng riêng cho vùng hồng ngoại. Hầu hết các máy quang phổ hồng ngoại phải đƣợc làm khô, giữ thiết bịtrong khí khô, sạch.Đối với máy hồng ngoại xa phải đƣợc đặt trong chân không. Có hai kiểu máy đƣợc dùng để đo phổ hấp thụ hồng ngoại:
2.12.1. Máy quang phổ hồng ngoại dùng hệ tán sắc
Trƣớc hết nó cũng có các bộ phận tƣơng tự nhƣ máy quang phổ hấp thụ trong vùng khả kiến và tử ngoại, nhƣng có những thay đổi và bố trí về nguyên tắc nhƣ sau:
Trong máy quang phổ hồng ngoại cuvet chứa mẫu thƣờng đƣợc đặt trong hệ tán sắc để khử các hiệu ứng do bức xạ hồng ngoại gây ra cũng nhƣ bức xạ nhiễm từ ngăn cuvet. Trong khi ở máy hấp thụ tử ngoại khả kiến, cuvet thƣờng đƣợc đặt sau hệ tán sắc để tránh làm phân hủy mẫu.
Chùm sáng qua mẫu và chùm chuẩn của máy hồng ngoại thƣờng đƣợc biến điệu ở tần số thấp do đầu thu hồng ngoại nói chung có phản ứng chậm.
Máy hấp thụ hồng ngoại thƣờng là hai chùm tia để khử sự hấp thụ hồng ngoại của dung môi, của môi trƣờng không khí. Với cấu trúc hai chùm tia sẽ tránh đƣợc tính không ổn định của nguồn sáng và đầu thu đối với bức xạ hồng ngoại.
Hình 2.29:Sơ đồ máy hấp thụ hồng ngoại điển hình
1-Nguồn sáng; 2-Cuvet mẫu; 3-Cuvet chuẩn; 4-Nêm quang học; 5-Cách tử; 6-Động cơ biến điệu; 7-Motor điều khiển; 8-Bộ phận ghi phổ; 9-Motor điều khiển
Vì cƣờng độ của nguồn bức xạ hồng ngoại thay đổi khá nhiều đối với các vùng phổ khác nhau nên một số máy có cài đặt chƣơng trình điều khiển khe máy nhằm bù trừ sự thay đổi nay để giữ cho cƣờng độ bức xạ đi vào máy không đổi. Khi cƣờng độ ánh sáng yếu bắt buộc phải mở rộng khe và chấp nhận năng suất phân giải giãm nhƣ hình 2.29.
2.12.2. Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
Bộ phận quang trọng của máy quang phổ hồng ngoại biến đổiFourier là giao thoa kế Michenlson.Sơ đồ giao thoa kế đƣợc trình bày nhƣ hình 2.30. Một chùm sáng hẹp từ nguồn tách ra làm hai nhờ bản bán mạ P, đi đến hai gƣơng phẳng G1 và G2. Một trong hai gƣơng có thể dịch chuyển tịnh tiến đƣợc còn gƣơng kia thì cố định. Để quang trình của hai chùm tia gần nhƣ nhau khi tới máy thu ngƣời ta đặt thêm một bản Q giống hệt P nhƣng không bán mạ. Giả sử nguồn sáng đơn sắc bƣớc sóng 𝜆 và đƣợc tách ra làm hai chùm sáng có hiệu quang trình bằng 0 khi tới đầu thu. Hai chùm sáng tới là kết hợp nên sẽ cho giao thoa vân sáng tại đầu thu. Nếu ta dịch chuyển gƣơng G1 một khoảng 𝜆/4 thì hiệu quang trình của hai chùm tia sẽ bằng 𝜆/2. Kết quả là giao thoa cho vân tối trên đầu thu. Nhƣ vậy, khi gƣơng G1dịch chuyển một đoạn x thì trên đầu thu sẽ xuất hiện lần lƣợt các vân sáng tối liên tiếp nhƣ trên hình 2.31.
GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 34 SVTH: Tiết Kim Tuyến
Hình 2.30:Sơ đồ máy quang phổ Fourier
Hình 2.31: Các vân giao thoa ở đầu thu
So với máy quang phổ hồng ngoại dùng hệ tán sắc thì máy quang phổ biến đổi Fourier có những ưu điểm:
Máy quang phổ biến đổi Fourier không dùng khe mang toàn bộ ánh sáng từ nguồn có thể đến đầu thu, nhờ vậy đo đƣợc phổ cƣờng độ yếu
Máy quang phổFourierthu đƣợc toàn bộ phổ một cách đồng thời trong khi các máy quang phổ thông thƣờng ghi tuần tự từng vạch phổ và muốn quét toàn bộ phổ thì cần một thời gian nhất định. Nhƣ vậy, phổ thu đƣợc chƣa chắc đã phản ánh đúng quá trình động học đang xét. Hơn nữa việc thu phổ nhất thời sẽ tránh đƣợc các can nhiễu do đầu thu gây ra trong quá trình ghi. Đặc biệt đối với máy thu hồng ngoại trung bình và xa. Trong vùng hồng ngoại xa hiện nay chƣa có máy nào so sánh đƣợc với máy quang phổ biến đổi.Máy quang phổ biến đổi đƣợc dùng chủ yếu trong vùng hồng ngoại nhƣng hoàn toàn có thể áp dụng cho vùng khả kiến, tử ngoại.
2.12.3. Máy quang phổ hồng ngoại dùng kính lọc
Một số máy quang phổ hấp thụ hồng ngoại đặc chủng có thể chỉ cần dùng kính lọc thay cho hệ tán sắc. Tiện lợi của nó là gọn nhẹ, linh hoạt di chuyển, loại này thƣờng đƣợc dùng để phân tích các chất khí nhƣ cyanide hydro, acrylonitric, carbon mỗnit, hydrocarbon clorirat…
GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 35 SVTH: Tiết Kim Tuyến
Hình 2.32:Sơ đồ máy quang phổ dùng kính lọc 1. Nguồn sáng
2. Chopper 3. Kính lọc
4. Cửa sổ vào buồng chứa khí 5. Gƣơng phản xạ
6. Hệ thu và xử lý số liệu
Để tăng quảng đƣờng đi lại của chùm sáng trong môi trƣờng khí hấp thụ ở thiết bị này có bố trí một cặp gƣơng phản xạ. Hình 2.32 là sơ đồ một máy quang phổ hồng ngoại dùng kính lọc. Nguồn sáng là một đèn sợi Nicrom hoặc thay bằng một nguồn laser.[1]