1.3.1 Methyl orange
Trong khoa học, Methyl orange là một chỉ số pH thường được sử dụng trong chuẩn độ axit vì nó thay đổi màu sắc ở pH của một axit cường độ trung bình, có một điểm kết thúc sắc nét rõ ràng và khác biệt của nó ở các giá trị pH khác nhau. Methyl orange hiển thị màu hồng trong môi trường axit và cho thấy màu vàng trong môi trường bazơ.
Trong công nghiệp, Methyl orange được sử dụng làm thuốc nhuộm vải, đặc biệt là ở các làng nghề thủ công. Việc sử dụng nguồn nước chưa qua xử lí từ các khu làng nghề thủ công này có thể gây hại cho sức khỏe.
1.3.1.1 Tính chất
• Trạng thái: rắn, dạng bột, màu cam
1.3.1.2 Tính độc hại
Metyl orange là một chất có độc tính mạnh, khi tiếp xúc nếu không cẩn thận sẽ gây ra nhiều nguy hại ảnh hưởng tới sức khỏe.Chất này khi tiếp xúc với da, mắt gây ra nhiều biến chứng vô cùng nguy hiểm. Nếu độc tính xâm nhập vào trong cơ thể hoặc tiếp xúc quá liều sẽ làm cho chất độc tích tụ trong các cơ quan nội tạng, lâu ngày có thể gây ra tử vong [26].
1.3.2 Methyl violet
Methyl violet là một loại thuốc nhuộm. Loại thuốc nhuộm này được dùng để nhuộm mô và dùng trong phương pháp Gram để phân loại vi khuẩn. Methyl violet có tính kháng khuẩn, kháng nấm và anthelmintic, từng được coi là chất sát trùng hàng đầu. Tác dụng y học của chất này đã được thay thế bởi các loại thuốc mới, mặc dù nó vẫn nằm trong danh sách của Tổ chức Y tế thế giới.
Trong công nghiệp, Methyl orange được sử dụng làm thuốc nhuộm vải, đặc biệt là ở các làng nghề thủ công. Việc sử dụng nguồn nước chưa qua xử lí từ các khu làng nghề thủ công này có thể gây hại cho sức khỏe.
1.3.2.1 Tính chất
• Tên quốc tế: Tris(4-(dimethylamino)phenyl)methylium chloride
• Công thức phân tử:C25H30CIN3 • Phân tử khối: 407.99 g/mol
• Trạng thái: rắn, dạng bột, màu tím
1.3.2.2 Tính độc hại
Một nghiên cứu trên chuột cho thấy tiềm năng gây ung thư tại một số cơ quan khác nhau. Methyl violet không có thông tin khoa học đầy đủ để an toàn để sử dụng trong thức ăn chăn nuôi. Methyl violet trong thức ăn chăn nuôi làm cho thức ăn bị tạp nhiễm. Nhiều quốc gia đặc biệt là Hoa Kỳ đã ban hành luật nghiêm ngặt về hóa chất này. Methyl violet dễ dàng được hấp thu vào mô từ tiếp xúc với nước. Theo nghiên cứu của Chương trình Độc học, Methyl violet gây ung thư, gây đột biến ở động vật gặm nhấm [27].
1.3.3 Rhodamine B
Rhodamine B là một hợp chất hóa học và thuốc nhuộm. Nó thường được sử dụng như thuốc nhuộm đánh dấu vết để xác định hướng và lưu tốc của dòng chảy. Thuốc
B để nhuộm màu giúp thực phẩm có màu tươi. Việc sử dụng các thực phẩm này hay nguồn nước chưa qua xử lí từ các khu chế biến này đều gây hại cho sức khỏe.
1.3.3.1 Tính chất
• Công thức cấu tạo:
• Tên quốc tế: [9-(2-carboxyphenyl)-6-diethylamino-3-xanthenylidene]-diethylammonium chloride
• Công thức phân tử:C28H31CIN2O3 • Phân tử khối: 479.02 g/mol
• Trạng thái: rắn, dạng bột, màu đỏ hoặc tím
1.3.3.2 Tính độc hại
Tại California, rhodamine B bị nghi ngờ là chất gây ung thư, do đó sản phẩm chứa nó phải được dán nhãn cảnh báo. Tại New Jersey, bảng chỉ dẫn an toàn hóa chất
nêu rằng có bằng chứng còn hạn hẹp về khả năng gây ung thư ở thí nghiệm trên động vật, và không có bằng chứng nào ở người [28].
1.3.4 Coumarin
Coumarin là một hữu cơ thơm hợp chất hóa học trong benzopyrone lớp hóa chất, mặc dù nó cũng có thể được xem như là một lớp con của lacton. Nó là một chất tự nhiên được tìm thấy trong nhiều loại thực vật và là chất kết tinh không màu ở trạng thái tiêu chuẩn.
Coumarin có giá trị y tế lâm sàng, như một công cụ điều chỉnh phù nề. Coumarin và các loại benzopyrones khác, chẳng hạn như 5,6-benzopyrone, 1,2-benzopyrone, diosmin và các loại khác, được biết là kích thích các đại thực bào để làm giảm albumin ngoại bào, cho phép tái hấp thu nhanh hơn các chất lỏng phù nề. Các hoạt động sinh học khác có thể dẫn đến sử dụng y tế khác đã được đề xuất, với mức độ bằng chứng khác nhau. Coumarin cũng được sử dụng làm môi trường khuếch đại trong một số laser màu và là chất nhạy cảm trong các công nghệ quang điện cũ.
Coumarin được sử dụng trong một số nước hoa và điều hòa vải. Coumarin đã được sử dụng như một chất tăng cường hương thơm trong thuốc lá và một số đồ uống có cồn, mặc dù nói chung nó bị cấm làm phụ gia thực phẩm có hương vị, do lo ngại về độc tính gan của nó trong mô hình động vật.
1.3.4.1 Tính chất
• Tên quốc tế: 2H-chromen-2-one
• Công thức phân tử:C9H6O2 • Phân tử khối: 146.145 g/mol
• Trạng thái: rắn, dạng bột, màu trắng
1.3.4.2 Tính độc hại
Coumarin độc hại vừa phải đối với gan và thận, mặc dù nó chỉ hơi nguy hiểm đối với con người, nhưng coumarin gây độc cho gan ở chuột, nhưng ít hơn ở chuột. Coumarin có ảnh hưởng đến sự phát triển của não có thể dẫn đến rối loạn chức năng thần kinh nhẹ ở trẻ em trong độ tuổi đi học [22].
Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone được xây dựng dựa trên nguyên lý đo quang phổ cụ thể là phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang. Thiết bị được chế tạo bằng công nghệ in 3D và được chuẩn hóa trước khi đưa vào kiểm nghiệm thực tế.
2.1 Cấu trúc thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone
2.1.1 Nguyên lý hoạt động
qua khe hẹp tới cách tử, cách tử sẽ phân tách rồi phản xạ ánh sáng thành các thành phần có bước sóng riêng biệt ở các góc khác nhau. Góc của cách tử được thiết kế để nhiễu xạ bậc nhất có thể được chiếu đến camera lens và hội tụ vào cảm biến CMOS của camera. Nhiễu xạ bậc nhất là nhiễu xạ có cường độ cao nhất giúp cho tín hiệu thu được tốt nhất.
Hình 2.2:a) Phổ của đèn LED trước (Io) và sau khi đi qua mẫu dung dịch Rhodamine B (I) được đo bằng thiết bị Avantes, b) Phổ hấp thụ của Rhodamine B sau khi được tính toán
Hình 2.2 mô tả phổ hấp thụ của Rhodamine B. Hình 2.2a biểu diễn phổ của đèn LED trước (Io) và sau khi đi qua mẫu dung dịch Rhodamine B (I) được đo bằng thiết bị quang phổ phòng thí nghiệm (Avantes). Phổ hấp thụ sẽ thu được theo công thức 1.3 của định luật Beer-Lambert. Hình 2.2b biểu diễn phổ hấp thụ của mẫu dung dịch Rhodamine B sau khi được tính toán.
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý phép đo huỳnh quang của một kênh
Hình 2.3 mô tả sơ đồ nguyên lý đo huỳnh quang của thiết bị. Mẫu được kích thích bằng một đèn laser điot, ánh sáng huỳnh quang phát ra từ mẫu sẽ được truyền tới khe hẹp. Tương tự như phép đo phổ hấp thụ, ánh sáng sau qua khe hẹp tới cách tử, cách tử sẽ phân tách rồi phản xạ ánh sáng thành các thành phần có bước sóng riêng biệt ở các góc khác nhau và hội tụ vào cảm biến CMOS của camera. Để giảm thiểu việc thu được cả ánh sáng từ nguồn kích, laser điot được đặt phía trên vuông góc với hướng thu tín hiệu.
2.1.2 Thiết kế và chế tạo
Thiết bị gồm có 4 phần chính được mô tả trong hình 2.4: (I) bộ phận khung của thiết bị;(II) bộ phận gá mẫu và nguồn sáng;(III) bộ phận cách tử;(IV) smartphone. Mô hình của thiết bị được thiết kế bằng phầm mềm AutoCad. Thiết bị sau đó được chế tạo bằng công nghệ in 3D, vật liệu được sử dụng để in là nhựa Polylactic Acids (PLA) và có màu đen để hạn chế ánh sáng từ bên ngoài cũng như ngăn việc ánh sáng bị phản xạ ở bên trong. Từng bộ phận rời rạc của thiết bị có thể in bằng công nghệ in 3D và được lắp ráp lại thành thiết bị hoàn chỉnh. Do đó thiết bị có thể vẫn có thể tháo ra để di chuyển khi cần thiết, đảm bảo tính gọn nhẹ và linh động.
Hình 2.4:Mô hình của toàn bộ thiết bị được dựng bằng phần mềm AutoCad
- Bộ phận khung của thiết bị: Bộ phận này có nhiệm vụ gắn kết và cố định tất cả các bộ phận khác tạo thành một khối. Đồng thời nó cũng đóng vai trò của một khoang kín giúp tránh ánh sáng từ bên ngoài.
- Bộ phận gá mẫu và nguồn sáng: Bộ phận nguồn sáng gồm nguồn sáng cho phép đo phổ hấp thụ và nguồn sáng cho phép đo phổ huỳnh quang với thiết kế riêng biệt để phù hơp với mục đích sử dụng.
Hình 2.5:Hình vẽ phối cảnh của bộ phận gá mẫu và nguồn sáng LED sử dụng cho phép đo hấp thụ
- Bộ phận gá mẫu và nguồn sáng cho phép đo hấp thụ: được thiết kế dựa trên sơ đồ nguyên lý hình 2.5. Nguồn sáng kích thích là các đèn LED tương ứng với các cuvett chứa dung dịch của chất cần đo. Đèn LED được sử dụng là loại đèn LED sáng trắng có dải phổ từ 400 đến 700 nm. Ánh sáng từ các đèn LED sau khi được hấp thụ qua mẫu sẽ truyền đến cách tử. Để làm tăng độ phân giải cũng như tỉ lệ tín hiệu/nhiễu của thiết bị bằng cách lắp thêm các khe hẹp hơn. Khe mặc định của thiết bị có độ rộng là 1 mm.
Hình 2.6:Hình vẽ từ trên xuống của bộ phận gá mẫu
Để thiết bị có thể đo được sáu mẫu cùng một lúc, vị trí của các kênh được điều chỉnh để ánh sáng từ cả sáu kênh đều đến được cách tử nhiễu xạ. So với trục chính của 2 kênh trung tâm, thì hai trục của hai kênh bên phải và hai kênh bên trái trục chính nghiêng một góc làα được thể hiện trong hình 2.6. Qua khảo sát tôi thấy với gócα =
Hình 2.7:Hình vẽ phối cảnh bộ phận gá mẫu và nguồn sáng Laser điot sử dụng cho phép đo huỳnh quang
- Bộ phận gá mẫu và nguồn sáng cho phép đo huỳnh quang: được thiết kế dựa trên sơ đồ nguyên lý hình 2.7. Nguồn sáng kích thích là các Laser điot tương ứng với các cuvett chứa dung dịch của chất cần đo. Laser điôt được sử dụng có bước sóng khoảng 409 nm. Ánh sáng từ các Laser điot ở vị trí tương ứng được chiếu từ trên xuống mẫu trong cuvette. Ánh sáng huỳnh quang phát ra từ mẫu sẽ chiếu tới khe hẹp, sau đó truyền đến cách tử.
Hình 2.8:Hình vẽ phối cảnh bộ phận cách tử
- Bộ phận cách tử: Cách tử được sử dụng trong thiết bị là một phần của đĩa DVD với chu kì cách tử là 1300 vạch/mm. Ánh sáng từ khe hẹp được truyền tới cách tử nhiễu xạ sẽ được phân tách và phản xạ tới cảm biến CMOS của camera. Cách tử được thiết kế đặt nghiêng một góc là β như trong hình 2.8. Qua khảo sát thì với góc
β =18o sẽ cho tín hiệu thu được là tốt nhất.
- Smartphone: Thiết bị được thử nghiệm với smartphone Samsung Galaxy S6. Samsung Galaxy S6 sử dụng chip CMOS IMX240 với độ phân giải là 16 megapixels (5312 x 2988). Chip CMOS này sử dụng bộ lọc Bayer RGB do đó thiết bị có dải phổ hoạt động từ 400 đến 700 nm.
Hình 2.9:Hình ảnh của thiết bị khi chưa lắp thêm phần nguồn sáng cho phép đo huỳnh quang
đèn Thủy ngân (Newport), đây là một nguồn sáng thông dụng để chuẩn hóa các máy quang phổ. Đèn thủy ngân có 3 đỉnh đặc trưng ở các bước sóng 436nm, 546nm và 579nm. Một phương pháp phổ biến khác cũng hay được sử dụng đó là dùng hai laser có bước sóng nằm trong vùng hoạt động của thiết bị.
Hình 2.11:Hình ảnh đèn thủy ngân (trái), và phổ đèn thủy ngân thu được từ thiết bị Avantes (phải)
Hình 2.12 là kết quả đo phổ đèn thủy ngân bằng thiết bị cảm biến quang. Qua đồ thị có thể thấy thiết bị cảm biến quang cũng thu được 3 đỉnh đặc trưng của đèn thủy ngân. Từ đây đưa ra sự tương quan giữa bước sóng thu được và vị trí tương ứng với điểm ảnh (pixel) trên camera. Hình 2.13 là đường tuyến tính thể hiện sự phụ thuộc của bước sóng vào vị trí của điểm ảnh giúp quy đổi thang vị trí diểm ảnh sang bước sóng.
Hình 2.12:Phổ đèn thủy ngân thu được từ thiết bị cảm biến quang sử dụng smart- phone
∆Dlà số lượng điểm ảnh (pixel) giữa 2 bước sóng trên
Qua tính toán độ phân giải trung bình các kênh của thiết bị là 0.168 nm/pixel.
2.3 Nguồn sáng 2.3.1 Laser
Nguồn sáng kích thích sử dụng trong phép đo huỳnh quang là Laser điot từ Trung Quốc trên thị trường. Theo công bố của nhà sản xuất Laser có bước sóng là 405
±5 nm. Kết quả đo thực tế cho thấy Laser điôt có bước sóng là 409 nm.
Một trong những yêu cầu của phép đo phổ huỳnh quang là sự ổn định của nguồn sáng kích thích theo thời gian, do đó tôi tiến hành khảo sát sự biến thiên công suất của laser điôt theo thời gian để lựa chọn thời điểm đo thích hợp.
Hình 2.14:Hình ảnh của laser điôt được sử dụng trong phép đo huỳnh quang(trái), và phổ tương ứng của laser điôt (phải)
Hình 2.15 là đồ thị thể hiện sự biến thiến công suất của laser điôt theo thời gian. Qua đồ thị có thể thấy trong 10 phút đầu công suất laser chưa ổn định. Sau 10 phút công suất laser gần như là ổn định. Do đó tôi lựa chọn thời điểm đo là 10 phút sau khi laser được khởi động.
cường độ của các nguồn laser) nên chúng tôi thiết lập một hệ số tỉ đối giữa các kênh và sử dụng hệ số tỉ đối này để chuẩn hóa thiết bị.
2.3.2 LED
Hình 2.16:Hình ảnh của đèn LED được gắn trên thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone (trái),và phổ tương ứng của đèn LED (phải) đo bằng thiết bị cảm biến quang (nét liền) và đo bằng thiết bị Avantes (nét đứt)
Nguồn sáng kích thích sử dụng trong phép đo hấp thụ là LED trắng ấm với bước sóng có bước sóng nằm trong khoảng từ 400 - 700 nm và có dạng phổ thu được như trong hình 2.16.
khác biệt về dạng phổ thu được từ thiết bị cảm biến quang và thiết bị Avantes. Điều này có thể được giải thích là do giới hạn độ nhạy của camera tại các khoảng bước sóng gần 500 nm và 570 nm như đã được đưa ra ở hình 1.8.
Hình 2.17:Hai vị trí bước sóng 449 nm và 534 nm trên phổ của đèn LED.
Một trong những yêu cầu của phép đo phổ hấp thụ là sự ổn định của nguồn sáng kích thích theo thời gian, do đó tôi tiến hành khảo sát sự biến thiên của đèn LED, cụ thể là đo cường độ ánh sáng tại hai vị trí bước sóng 449 nm và 534 nm (hình 2.17) theo thời gian để xác định thời gian đo thích hợp.
Hình 2.18:Tỉ sốI/Iotheo thời gian (Io là cường độ sáng khi vừa bật đèn))
Do phép đo phổ hấp thụ liên quan trực tiếp đến cường độ tỉ đốiI/Ionên sự phục thuộc của tỉ sốI/Io theo thời gian tại 2 bước sóng 449 nm và 534 nm được biểu diễn trong hình 2.18. Qua đồ thị có thể thấy ở vị trí bước sóng 534 nm, cường độ tỉ đối gần như không có sự thay đổi và ổn định trong suốt thời gian đo, tuy nhiên ở vị trí bước sóng 449 nm, cường độ tỉ đối có sự biến thiên và đạt trạng thái ổn định sau khoảng 1 phút. Do đó thời gian đo phổ hấp thụ thích hợp được tiến hành sau 1 phút bật đèn LED.
Hình 2.19:Phổ đèn LED đo bằng thiết bị cảm biến quang tại các kênh