Sử dụng quả cầu tích phân trong phân tích mẫu rắn bằng UV-Vis
Trong phép đo UV-Vis thơng thường, các mẫu được đo ở chế độ truyền qua. Do vậy mẫu phải trong suốt và cho phép ánh sáng cĩ thể truyền qua được, trong đĩ hiện tượng khúc xạ và tán xạ cĩ thể bỏ qua được, và do đĩ tồn bộ phần chùm sáng cịn lại khi đi qua cuvet đo sẽ đến thẳng detector. Vì vậy, chế độ đo truyền qua chỉ áp dụng được cho các mẫu lỏng, khí.
Tuy nhiên, đối với các mẫu khơng trong suốt như các mẫu rắn thì chùm sáng khơng xuyên qua được mà bị tán xạ (phản xạ-khuyếch tán), cĩ nghĩa là bị phản xạ theo rất nhiều hướng khác nhau do bề mặt của chất rắn khơng thực sự bằng phẳng. Vì vậy, nếu bố trí detector ở 1 vị trí xác định thì chỉ cĩ 1 phần rất nhỏ các tia phản xạ mới cĩ cơ hội đi vào detector và gây ra sai số lớn khi đo cũng như khơng cĩ được độ lặp lại cao.
Vai trị của quả cầu tích phân là hội tụ các tia tán xạ vào detector. Cầu tích phân là quả cầu kín dạng rỗng, phía trong được phủ bởi một lớp hợp chất cĩ hệ số hấp thụ vơ cùng thấp giúp phản xạ hoặc tán xạ
ánh sáng hồn tồn mà khơng bị suy giảm cường độ. Trên quả cầu cĩ thể cĩ một vài cửa sổ là vị trí để tiếp nhận chùm sáng kích thích vị trí đặt detector.
Cĩ 2 phương án đặt mẫu tùy vào chế độ đo:
- Với chế độ đo truyền qua, mẫu được đặt ở lối vào của chùm sáng trên cầu tích phân. Cấu hình này giúp cho việc đo đạc sự tán xạ của các hệ keo hoặc mẫu rắn với hiệu quả tốt hơn so với máy UV-Vis truyền thống; Cầu tích phân sẽ gom tồn bộ tia tán xạ và hội tụ vào detector.
- Ở chế độ đo phản xạ-khuyếch tán, mẫu được đặt phía sau cầu tích phân. Cấu hình này cĩ thể đo được cả quá trình phản xạ-khuyếch tán và sự phản xạ tồn phần (giống như sự phản xạ ánh sáng trên gương phẳng).
Ứng dụng cầu tích phân để đo phổ UV-Vis cho các đối tượng là chất rắn cĩ hình dạng hoặc bề mặt ghồ ghề như tế bào năng lượng mặt trời, vải sợi, các mẫu bột rắn, viên rắn, các chất bán dẫn…
Các yếu tố quyết định hiệu năng của cầu tích phân
Phía trong cầu tích phân được phủ một lớp hợp chất cĩ khả năng phản xạ-khuyếch tán cực tốt (~100%) các bức xạ trong vùng UV-Vis. Hiện nay một số chất được sử dụng làm lớp phủ như sau:
- Lớp phủ Spectralon. Đây là lớp vật liệu trên cơ sở Teflon cĩ khả năng phản xạ trên 99% ánh sáng trong vùng 300-900 nm, và khoảng 95% trong vùng 250-300 nm.
- Lớp phủ bằng BaSO4 hoặc MgO cĩ giúp giảm giá thành của phụ kiện, nhưng hệ số phản xạ kém hơn so với Spectralon, chỉ đạt cỡ 95-96%.
Khi ánh sáng tương tác với mẫu sẽ tạo ra các tia tán xạ theo nhiều hướng khác nhau, các tia tán xạ này va đập vào thành trong của cầu tích phân và bị tán xạ nhiều lần cho đến khi thốt ra được cửa sổ đề đi vào detector. Do tia tán xạ mới liên tục tạo thành do quá trình tương tác của chùm tia tới với mẫu, cộng với quá trình phản xạ nhiều lần của tia tán xạ trong cầu tích phân sẽ làm mọi điểm trên thành cầu tích phân nhanh chĩng đạt đến trạng thái ổn định và cường độ chùm sáng ở lối ra (tức là đầu vào detector) lớn hơn cường độ của chùm tia tới (ở lối vào cầu tích phân). Chính vì cường độ lối ra lớn hơn cường độ lối vào nhiều lần nên phụ kiện này mới cĩ tên gọi là cầu tích phân.
Tỉ số giữa cường độ chùm tia ở lối ra so với chùm tia ở lối vào được gọi là độ bội, kí hiệu là M. Do vậy, một cầu tích phân cĩ giá trị M càng lớn sẽ cĩ hiệu năng càng tốt.
64 65
Bảng: Giá trị diện tích mặt cầu, tỉ lệ % cửa sổ, độ bội M và tỉ lệ % suy giảm của ánh sáng tới trên detector cĩ kích thước 8mm x 8mm
trên các cầu tích phân cĩ kích thước khác nhau.
Diện tích bề mặt của cầu tích phân được tính bằng biểu thức π x d2 . Bảng 1 là diện tích bề mặt của cầu tích phân cĩ kích thước khác nhau với độ rộng cửa sổ detector đều bằng 8mm x 8mm (64 mm2).
Thơng thường một cầu tích phân sẽ cĩ độ bội M trong khoảng 10-30 và % suy giảm là 2-8%. Từ bảng 1 cĩ thể nhận thấy kích thước cầu tích phân càng lớn càng tốt và kích thước cửa sổ detector càng nhỏ càng tốt.
Một số ứng dụng của đo mẫu rắn bằng UV-Vis:
- Xác định độ sáng của vật liệu (sơn, bột màu, giấy, vải sợi…) - Xác định độ màu của đá vơi, cẩm thạch, hoa cương
- Xác định khả năng bảo vệ của lớp phủ chống tia UV - Xác định khả năng lọc của kính chống nắng
- Xác định hiệu quả chống phản xạ của các lớp phủ - Xác định độ phản xạ khuyếch tán của các mẫu bột - Xác định hàm lượng của chất nhuộm trên vải sợi - Tính độ rộng vùng cấm của các vật liệu bán dẫn
- Sự thay đổi của hàm lượng hemoglobin, melanin trong các mẫu sinh học - Và nhiều ứng dụng khác
PHỊNG KỸ THUẬT CƠNG TY CP YAMAGUCHI VIỆT NAM