Hình 3.3:a) Phổ hấp thụ của Methyl Violet đo bằng thiết bị cảm biến quang với các nồng độ Methyl Violet từ 0.005 mM – 0.03 mM. b) Phổ hấp thụ của Methyl Violet đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ Methyl Violet từ 0.005 mM – 0.03 mM.
Hình 3.3a biểu diễn phổ hấp thụ của Methyl Violet thu được từ thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone với nồng độ từ 0.005 mM - 0.030 mM. Qua đồ thị có thể thấy Methyl Violet có vùng hấp thụ nằm trong khoảng 475 đến 650 nm và độ hấp thụ tăng lên khi nồng độ tăng lên. Hình 3.3b biểu diễn phổ hấp thụ của Methyl Violet thu được từ thiết bị đo quang phổ phòng thí nghiệm (Avantes) với nồng độ tương tự từ 0.005 mM - 0.030 mM. Dạng phổ thu được từ thiết bị cảm biến quang và thiết bị phòng thí nghiệm (Avantes) gần tương tự nhau, tuy nhiên có sự khác nhau ở vị trí đỉnh hấp thụ. Đỉnh hấp thụ thu được từ thiết bị cảm biến quang là 573 nm trong khi đỉnh hấp thụ thu được từ thiết bị Avantes là 569 nm. Sự khác biệt này là do giới hạn độ nhạy của camera tại bước sóng khoảng 570 nm như đã được đưa ra ở hình 1.8. Độ hấp thụ tại bước sóng 569 nm được chọn để đưa ra đường chuẩn của hai thiết bị từ đó có thể so sánh và đánh giá độ chính xác của thiết bị cảm biến quang.
Hình 3.4:Đường chuẩn đo phổ hấp thụ của Methyl Violet bằng thiết bị cảm biến quang (ký hiệu - hình tròn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu - hình vuông) và đo tại bước sóng 569 nm với các nồng độ Methyl Violet từ 0.005 mM – 0.03 mM.
Hình 3.4 biểu diễn đường chuẩn của hai thiết bị cảm biến quang và thiết bị phòng thí nghiệm (Avantes). Hai đường gần như trùng nhau với độ dốc (slope) là 29.34 và R2 (R-square) là 0.9958 cho thiết bị Avantes; với thiết bị cảm biến quang độ dốc là 28.25 tương đương với độ nhạy là 28.25 a.u./mM vàR2 là 0.9962. Sai số của thiết bị cảm biến quang so với Avantes được tính qua độ dốc là 3.71%. LOD của thiết bị cảm biến quang với Methyl Violet là 0.97 µM. Từ so sánh trên có thể thấy độ nhạy của thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone gần như tương đương với thiết bị phòng thí nghiệm (Avantes) do đó kết quả đo phổ hấp thụ Methyl Violet từ thiết bị cảm biến quang là chính xác và độ tin cậy cao.
3.1.3 Kết quả đo phổ hấp thụ của Rhodamine B
Với Rodamine B, chúng tôi tiến hành thử nghiệm với các mẫu có nồng độ từ 0.0025 mM (2.5µM) đến 0.009 mM (9µM) lần lượt là: 0.0025, 0.005, 0.006, 0.007, 0.008, 0.009 (mM) (Bảng 3.3). Kênh Nồng độ Kênh Nồng độ 1 0.0025 mM 4 0.0070 mM 2 0.0050 mM 5 0.0080 mM 3 0.0060 mM 6 0.0090 mM Bảng 3.3:Nồng độ các mẫu Rhodamine B
Hình 3.5:a) Phổ hấp thụ của Rodamine B đo bằng thiết bị cảm biến quang với các nồng độ Rodamine B từ 0.0025 mM – 0.009 mM. b) Phổ hấp thụ của Ro- damine B đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ Rodamine B từ 0.0025
diễn phổ hấp thụ của Rodamine B thu được từ thiết bị đo quang phổ phòng thí nghiệm (Avantes) với nồng độ tương tự từ 0.0025 mM – 0.009 mM. Dạng phổ thu được từ thiết bị cảm biến quang và thiết bị phòng thí nghiệm (Avantes) gần giống nhau, cùng có vùng hấp thụ nằm trong khoảng 425 đến 600 nm và đỉnh hấp thụ tại bước sóng 553 nm. Độ hấp thụ tại bước sóng 553 nm được chọn để đưa ra đường chuẩn của hai thiết bị từ đó có thể so sánh và đánh giá độ chính xác của thiết bị cảm biến quang.
Hình 3.6:Đường chuẩn đo phổ hấp thụ của Rhodamine B bằng thiết bị cảm biến quang (ký hiệu - hình tròn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu - hình vuông) và đo tại bước sóng 563 nm với các nồng độ Rhodamine B từ 0.0025 mM – 0.009 mM.
Hình 3.6 biểu diễn đường chuẩn của hai thiết bị cảm biến quang và thiết bị phòng thí nghiệm (Avantes). Hai đường gần như trùng nhau với độ dốc (slope) là 94.50 và R2 (R-square) là 0.9966 cho thiết bị Avantes; với thiết bị cảm biến quang độ dốc là 98.86 tương đương với độ nhạy là 98.86 a.u./mM vàR2 là 0.9956. Sai số của thiết bị cảm biến quang so với Avantes được tính qua độ dốc là 4.61%. LOD của thiết bị cảm biến quang với Rodamine B là 0.074 µM. Từ so sánh trên có thể thấy độ nhạy của thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone gần như tương đương với thiết bị phòng thí nghiệm (Avantes) do đó kết quả đo phổ hấp thụ Rodamine B từ thiết bị cảm biến quang là chính xác và độ tin cậy cao.
3.2 Kết quả đo phổ huỳnh quang của thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone
3.2.1 Kết quả đo phổ huỳnh quang của Coumarin
Để thử nghiệm đo huỳnh quang chúng tôi tiến hành xác định nồng độ của chất hữu cơ Coumarin. Coumarin là hóa chất sử dụng để chỉ thị trong sinh học và là chất tạo màu phụ gia bị cấm trong công nghiệp thực phẩm.
Kênh Nồng độ Kênh Nồng độ
1 0.002 mM 4 0.010 mM 2 0.005 mM 5 0.015 mM 3 0.007 mM 6 0.017 mM
650 nm. Đơn vị của cường độ là đơn vị không thứ nguyên (arbitrary unit – a.u.).
Hình 3.7:a) Phổ huỳnh quang của Coumarin đo bằng thiết bị cảm biến quang với các nồng độ Coumarin từ 0.002 mM – 0.017 mM. b) phổ huỳnh quang của Coumarin đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ Coumarin từ 0.002 mM – 0.017 mM.
Hình 3.7a biểu diễn phổ huỳnh quang của Coumarin thu được từ thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone với nồng độ từ 0.002 mM – 0.017 mM. Hình 3.7b biểu diễn phổ huỳnh quang của Coumarin thu được từ thiết bị đo quang phổ phòng thí nghiệm (Avantes) với nồng độ tương tự từ 0.002 mM – 0.017 mM. Kết quả thu được từ hai thiết bị đều có vùng phổ huỳnh quang nằm trong khoảng từ 475 nm đến 625 nm. Dạng phổ thu được từ thiết bị cảm biến quang và thiết bị phòng thí nghiệm (Avantes) khác biệt là do giới hạn độ nhạy của camera tại bước sóng khoảng 570 nm
như đã được đưa ra ở hình 1.8. Chúng tôi chọn bước sóng 526 nm để đưa ra đường chuẩn của hai thiết bị từ đó có thể so sánh và đánh giá độ chính xác của thiết bị cảm biến quang.
Hình 3.8:Đường chuẩn đo phổ huỳnh quang của Coumarin bằng thiết bị cảm biến quang (ký hiệu - hình tròn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu - hình vuông) và đo tại bước sóng 526 nm với các nồng độ Coumarin từ 0.002 mM – 0.017 mM.
Hình 3.11 biểu diễn đường chuẩn của hai thiết bị cảm biến quang và thiết bị phòng thí nghiệm (Avantes). Hai đường gần như trùng nhau với độ dốc (slope) là 485.66 và R2 (R-square) là 0.9981 cho thiết bị Avantes; với thiết bị cảm biến quang độ dốc là 494.63 tương đương với độ nhạy là 494.63 a.u./mM vàR2 là 0.9980. Sai số của thiết bị cảm biến quang so với Avantes được tính qua độ dốc là 1.84%. LOD của thiết bị cảm biến quang với Coumarin là 0.072 µM. Từ so sánh trên có thể thấy độ
3.3 Kết quả đo phổ bằng ứng dụng xử lý ảnh
Để thử nghiệm việc xử lý ảnh bằng ứng dụng, tôi tiến hành đo phổ hấp thụ của Rohdamin B. Mẫu Rohdamin B có nồng độ từ 0.0025 mM (2.5 µM) đến 0.009 mM (9µM) lần lượt là: 0.0025, 0.005, 0.006, 0.007, 0.008, 0.009 (mM) tương ứng với các kênh 1, 2, 3, 4, 5, 6. Hình 3.9 là giao diện của Ứng dụng (App) sau khi xử lý ảnh và cho ra đồ thị biểu diễn phổ hấp thụ theo bước sóng của Rohdamin B ở sáu kênh.
Kênh Nồng độ Kênh Nồng độ
1 0.0025 mM 4 0.0070 mM 2 0.0050 mM 5 0.0080 mM 3 0.0060 mM 6 0.0090 mM
Hình 3.9:Giao diện của Ứng dụng (App) sau khi xử lý ảnh và cho ra đồ thị biểu diễn phổ hấp thụ theo bước sóng của Rohdamin B ở sáu kênh.
Từ đồ thị có thể thấy phổ hấp thụ của Rohdamine B tăng khi nồng độ trong dung dịch tăng lên và dạng phổ hấp thụ của Rohdamin B thu được tương đương với thiết bị phòng thí nghiệm Avantes. Ứng dụng gần như tương đương với kết quả xử lí trên máy tính. Từ đó có thể thấy Ứng dụng có độ tin cậy cao và có thể sử dụng trong thực tế.
độc trong nước. Nghiên cứu đã thu được những kết quả như sau:
• Chế tạo được cảm biến quang học sử dụng smartphone từ những linh kiện có giá thành thấp với thiết kế đơn giản có thể đo được 6 mẫu cùng lúc trong một phép đo.
• Đo phổ hấp thụ của các chất Methyl Orange, Methyl Violet, Rodamine B bằng nguồn đèn LED. Cường độ của đỉnh phổ hấp thụ đặc trưng của từng chất tăng khi nồng độ các chất đó trong dung môi tăng. Từ đó tác giả đã đưa ra đường chuẩn (calibration curve) và so sánh với kết quả thu được từ máy quang phổ trong phòng thí nghiệm, đường chuẩn cảm biến quang dựa trên smartphone và máy quang phổ gần như trùng với nhau đã chứng minh độ nhạy, độ tin cậy của cảm biến. Cụ thể là, cảm biến có thể xác định được nồng độ Methyl Orange trong dải từ 5µM đến 30µM với LOD là 0.97µM và độ nhạy là 32.28 a.u./mM; Methyl Violet trong dải nồng độ từ 10µM đến 35 µM với LOD là 0.88µM và độ nhạy là 28.25 a.u./mM; Rhodamine B trong dải nồng độ từ 2.5 µM đến 9 µM với LOD là 0.074µM và độ nhạy là 98.86 a.u./mM.
• Đo phổ huỳnh quang của chất Coumarin bằng nguồn đèn Laser có bước sóng 405 nm. Cường độ của phổ huỳnh quang của Coumarin tăng khi nồng độ trong dung môi tăng. Tác giả cũng đưa ra đường chuẩn (calibration curve) và so sánh
với kết quả thu được từ máy quang phổ trong phòng thí nghiệm, đường chuẩn của hai thiết bị song song với nhau đã chứng minh độ nhạy, độ tin cậy của cảm biến. Với Coumarin, cảm biến có thể xác định được nồng độ trong dải từ 2µM đến 17µM với giới hạn đo là 0.072µM và độ nhạy là 494.63 a.u./mM.
• Phát triển ứng dụng xử lí ảnh chạy trên các thiết bị điện tử như smartphone, tablet. Phần mềm có khả năng xử lí nhanh và tự động nhằm tiết kiệm thời gian đồng thời giúp cho những người không được đào tạo về Quang học và xử lý ảnh vẫn thể sử dụng dễ dàng.
[1] http://dwrm.gov.vn/index.php?language=vi&nv=news&op=Tai-nguyen- nuoc/Xu-ly-nuoc-thai-do-thi-con-nhieu-thach-thuc-5623 [2] http://ytdphanoi.gov.vn/695n/o-nhiem-moi-truong-nuoc-va-mot-so-van-de-ve- suc-khoe.html [3] http://dwrm.gov.vn/index.php?language=vi&nv=news&op=Tai-nguyen- nuoc/Tren-ca-nuoc-co-37-lang-ung-thu-do-nguon-nuoc-o-nhiem-nang-4022
Tài liệu tiếng Anh
[4] Catalin Matasaru, Markku HAUTA-KASARI, CTO Petri PIIRAINEN (2014),
Mobile Phone Camera Possibilities for Spectral Imaging, Defended at the Uni- versity of Eastern Finland, Joensuu, Finland
[5] Christopher Palmer, Erwin Loewen, DIFFRACTION GRATING HANDBOOK
(6th), Newport Corporation, 20 - 62
[6] Hojeong Yu, Huy M. Le, Eliangiringa Kaale, Kenneth. D. Long, Thomas Layloff, Steven S. Lumetta, Brian T. Cunningham (2016), Characterization of drug au- thenticity using thin-layer chromatography imaging with a mobile phone, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 125 (2016) 85–93
[7] Kort Bremer1, Bernhard (2015), Rothoptic surface plasmon resonance sensor system designed for smartphones, Optical Express, Vol. 23, No. 13
[8] Li-Ju Wang, Yu-Chung Chang, Rongrong Sun, Lei Li (2017), A multichan- nel smartphone optical biosensor for high-throughput point-of-care diagnostics, Biosensors and Bioelectronics 87 (2017), 686–692
[9] Md Arafat Hossain, John Canning, Kevin Cook, Abbas Jamalipour (2016),Opti- cal fiber smartphone spectrometer, Optical Letter, Vol. 41, No. 10
[10] Md Arafat Hossaina, John Canning, Sandra Ast, Teh Li Yen, Peter Rutledge, Abbas Jamalipour (2014), A smartphone fluorometer – the lab-in-a-phone, Ad- vanced Photonics, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2014), paper SeTh2C.1.
[11] Nahid Negar, Drew Williams, Jaclyn Schwartz, Sheikh Iqbal Ahamed1, and Roger O. Smith Smartphone-based Light Intensity Calculation Application for Accessibility Measurement, RESNA Annual Conference - 2014
[12] Prinya Masawat, Antony Harfield, Anan Namwong (2015), An iPhone-based digital image colorimeter for detecting tetracycline in milk, Food Chemistry 184 (2015) 23–29
[13] Sibasish Dutta, Dhrubajyoti Sarma, and Pabitra Nath (2015),Ground and river water quality monitoring using a smartphone-based pH sensor, AIP Advances 5, 057151 (2015)
[14] Wei Xiao, Meng Xiao, Qiangqiang Fu, Shiting Yu, Haicong Shen, Hongfen Bian, Yong Tang (2016),A Portable Smart-Phone Readout Device for the Detec- tion of Mercury Contamination Based on an Aptamer-Assay Nanosensor, Sensors 2016, 16, 1871
[15] Yi Wang, Xiaohu Liu, Peng Chen, Nhung Thi Tran, Jinling Zhang, Wei Sheng Chia, Souhir Boujday, Bo Liedberg (2016), Smartphone spectrometer for colori-
Acta 2017, Vol. 966, 81-89 [17] https://byjus.com/chemistry/colorimeter [18] https://blog.oceanoptics.com/5-great-things-favorite-spectrometers [19] https://en.wikipedia.org/wiki/Bayer_filter [20] https://en.wikipedia.org/wiki/Beer-Lambert_law [21] https://en.wikipedia.org/wiki/Colorimeter_(chemistry) [22] https://en.wikipedia.org/wiki/Coumarin [23] https://en.wikipedia.org/wiki/Photodiode [24] https://en.wikipedia.org/wiki/Photomultiplier [25] https://en.wikipedia.org/wiki/Prism [26] https://en.wikipedia.org/wiki/Methyl_orange [27] https://en.wikipedia.org/wiki/Methyl_violet [28] https://en.wikipedia.org/wiki/Rhodamine_B [29] https://en.wikipedia.org/wiki/Spectrometer [30] https://sisu.ut.ee/lcms_method_validation/93-estimating-lod [31] https://www.avantes.com/products/accessories/item/266-cuvette-sample- holders [32] https://www.avantes.com/products/fiber-optics/item/262-fiber-optic-cables [33] https://www.avantes.com/products/spectrometers/sensline/item/333-avaspec- uls-tec
[34] http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=13374
[35] https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=142
[36] https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=285
[37] https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=1464
Hong Hanh Mai, Tran Thinh Le, “Test edible oil authenticity by using smart- phone based spectrometer”, Computer Optics, 2019 (accepted)
Sáng chế sở hữu trí tuệ
1.Mai Hồng Hạnh,Lê Trần Thịnh(2019).
Tên sáng chế:Thiết bị đo nồng độ chất hữu cơ có trong dung dịch
Số đơn sáng chế: 1-2019-07222. Loại sáng chế: G01J3/00
Chủ đơn: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội
2.Mai Hồng Hạnh,Lê Trần Thịnh(2019).
Tên sáng chế:Thiết bị đo nồng độ chất hữu cơ có trong dung dịch
Số đơn sáng chế: 1-2019-07223. Loại sáng chế: G01J3/00
Báo cáo hội nghị
Tran Thinh Le, Hong Hanh Mai, “Multichannel smartphone based spectrom- eter and its application in analyzing enhancement of photocatalytic degradation of methyl blue by Zinc Oxide Nanorods”, 2019 Hanoi International Symposium on Ad- vanced Materials and Devices (HISAMD2019), 01/2019