CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.2 Các thành phần chính trong máy quang phổ
1.2.4 Gương trong các máy quang phổ
Các máy quang phổ thường dùng hai gương cầu lõm có thể thay đổi góc tới như trong hệ Czerny-Turner. [6]
Hình 1.10: Hệ Czerny-Turner và đường đi của tia sáng
Các gương này địi hỏi độ chính xác cao, quang sai thấp, sự ảnh hưởng của các lớp phủ bề mặt gương lên màu thực tế của mẫu thấp nên giá thành thường rất cao, từ $300 đến vài nghìn USD.
Đối với máy đo quang chế tạo nhỏ gọn sử dụng CMOS camera, do sử dụng cách tử truyền qua và detector thu kết quả là toàn bộ dải quang phổ nên sẽ chỉ cần tới một gương trực chuẩn. Tác dụng điều hướng của gương chủ yếu giúp cho thiết kế của máy nhỏ gọn hơn mà vẫn đáp ứng được điều kiện nguồn sáng xa vô cực.
1.2.4.1 Gƣơng cầu
Gương có bề mặt phản xạ hình cầu có khả năng tạo ảnh theo kiểu tương tự với thấu kính mỏng hoặc một bề mặt khúc xạ đơn giản, nhưng không có sắc sai thường đi kèm với độ tán sắc thấu kính. Vì lí do này nên đơi khi gương được dùng
thay cho thấu kính trong những quang cụ phức tạp, nhưng chúng không thể thay thế các ngun tố thấu kính hồn tồn bởi vì những quang sai khác của gương khó hiệu chỉnh hơn, nếu khơng nói là khơng thể. Mơ tả quang hình học của gương về mặt định lượng kém phức tạp hơn so với thấu kính, và cả hai có nhiều đặc trưng chung. Gương cầu có bán kính cong hồn tồn xác định kéo dài từ tâm của hình cầu và tạo một góc vng với mỗi điểm trên bề mặt. Ngồi ra, đường thẳng vẽ từ điểm chính giữa của bề mặt cầu đi qua tâm cầu được định nghĩa là trục chính hay trục quang học của gương.[4]
Trong trường hợp các tia bên trục tới trên bề mặt gương cầu (truyền song song với trục chính), tất cả tia phản xạ (hoặc phần kéo dài của chúng) sẽ hội tụ tại một tiêu điểm chung, nằm phía trước hoặc phía sau gương. Khoảng cách giữa tiêu điểm và mặt gương gọi là tiêu cự của gương. Để duy trì tính đồng nhất với thuật ngữ dùng cho thấu kính, tiêu cự của gương lõm có giá trị dương, cịn tiêu cự của gương lồi có giá trị âm. Như vậy, gương làm hội tụ các tia sáng có tiêu cự dương (tương tự với thấu kính), và gương làm phân kì các tia sáng có tiêu cự âm. Cũng tuân theo những thuật ngữ dùng cho thấu kính, mặt phẳng ngang cắt qua tiêu điểm được gọi là tiêu diện, và các tia song song phản xạ ở một góc bất kì so với trục chính sẽ đồng quy tại một số tiêu điểm nằm trên tiêu diện.
Vị trí ảnh tạo ra bởi gương cầu có thể xác định bằng thực nghiệm, bằng hình vẽ, hoặc bằng cách áp dụng cơng thức hình học. Kĩ thuật hình vẽ hay kĩ thuật đường đi tia sáng miêu tả một phương pháp dễ dàng và thơng dụng để xác định vị trí ảnh hình thành bởi gương. [4]
Khi xem xét kĩ thuật đường đi tia sáng qua gương, một tia sáng rời vật song song với trục chính bị phản xạ qua tiêu điểm, và tia ngồi trục truyền qua tiêu điểm chính bị phản xạ song song với trục chính. Ngồi ra, tia chạm tới đỉnh gương bị phản xạ theo hướng hợp với trục chính một góc bằng với góc tới (khơng minh họa), và tia truyền qua tâm cong bị phản xạ trở lại như cũ. Như đã nói ở phần trên, chỉ cần hai tia chính để xác định các thơng số hình học của ảnh. Phương trình gương
nhận được bằng cách giải cơng thức thấu kính tương ứng và thực hiện một số giả định về chiết suất và độ dày. Phương trình cơ bản nhất được gọi là công thức gương và được cho bởi quan hệ sau:
1/d0 + 1/d1 = 1/f
Trong đó d0 là khoảng cách từ vật đến mặt gương, d1 là khoảng cách giữa ảnh và gương, và f là tiêu cự của gương. Tương tự như với thấu kính, tiêu cự là dương đối với gương hội tụ (lõm) và là âm đối với gương phân kì (lồi). Khi hợp nhất vào các hệ quang học, hình dạng cầu của gương lõm và lồi cho phép chúng hoạt động như thấu kính dương và âm (tương ứng).[4]
Kích thước của ảnh hình thành bởi gương cầu lồi phụ thuộc vào vị trí của vật tương quan với tiêu điểm gương, nhưng ảnh luôn luôn là ảo, cùng chiều và nhỏ hơn vật. Trái lại, một vật nằm phía ngồi tâm cong của gương cầu lõm tạo ra ảnh thực nằm giữa tiêu điểm và tâm cong. Khi vật di chuyển đến trùng với tâm cong, gương lõm tạo ra ảnh thực bằng kích thước với vật, nhưng ngược chiều. Di chuyển vật đến gần mặt gương hơn, vật tạo ra ảnh ngược chiều và lớn hơn nó. Tại điểm nằm chính giữa gương và tâm cong của nó (tiêu điểm của gương), các tia sáng từ vật bị phản xạ trở nên song song nhau và khơng có ảnh nào được hình thành (gương chứa đầy một vật mờ mờ không nhận ra được). Nếu vật tiến đến gần gương hơn nữa, giữa tiêu điểm và mặt gương, các tia phản xạ phân kì và tạo ra ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật. Cuối cùng, khi vật nằm ngay tại mặt gương, thì ảnh một lần nữa cùng kích thước với vật.
Đa số các thiết kế gương khơng có dạng cầu xử sự tương tự như các gương lồi và lõm đơn giản khi xét ánh sáng truyền qua vùng bên trục (gần trục chính). Trong thực tế, nhiều hình dạng gương về cơ bản có thể xem khơng khác mấy với gương cầu ở khía cạnh này. Tuy nhiên, khi xét các tia sáng truyền xa trục chính thì sự lệch bắt đầu xuất hiện và những mối quan hệ hình học mới, phức tạp hơn, tồn tại giữa vật, ảnh và các tiêu điểm. Ngoài ra, độ lớn và mức độ khắc nghiệt của sự
quang sai của gương này thường khác với gương kia, và hiện tượng này chắc chắn phải xảy ra khi thiết kế các hệ thống quang sử dụng những loại gương này.
1.2.4.2 Quang sai của gƣơng
Khi tia sáng bên trục bị phản xạ khỏi mặt gương cầu hoặc khơng cầu, thì ảnh tạo ra hội tụ rõ nét. Tuy nhiên, các tia sáng tập hợp từ tất cả các điểm phân bố trên vật và lệch nhiều khỏi trục chính thường tạo ra các tiêu điểm khác nhau (phụ thuộc vào hình dạng gương) có ngun nhân do một hiện tượng đã được ghi nhận kĩ lưỡng là sự quang sai. Hiện tượng này được minh họa trong hình 4 cho đa số các khuyết điểm phổ biến, sự quang sai cầu, trong đó các tia tới song song ở khoảng cách càng xa trục chính đem lại tiêu điểm càng gần mặt gương. Khi đặt một màn hứng nhỏ tại mặt phẳng tiêu bên trục và rời dời nó về phía gương, thì sẽ tìm được một điểm, nơi đó kích thước ảnh hội tụ đến nhỏ nhất. Vùng này được gọi là vòng sai lạc ít nhất.
Hình 1.11: Quang sai ở gương cầu lõm
Sự quang sai cầu có thể làm giảm hoặc loại trừ bằng cách thay đổi thiết kế gương. Chẳng hạn, gương parabol sẽ tạo ra mẫu phản xạ tương tự như gương cầu lõm, nhưng hình học gương parabol có điều chỉnh để mang tất cả các tia phản xạ tới
một tiêu điểm chung. Một phương pháp nữa là phủ chất lên mặt sau của thấu kính mặt khum cầu và sử dụng sự khúc xạ ánh sáng qua nguyên tố thấu kính thủy tinh để làm giảm quang sai cầu. Gương hình elip vốn dĩ khơng có quang sai cầu tại các tiêu điểm của elipsoid, và với gương hyperbol cũng tương tự (Hình 1.11).
Sự quang sai ngoài trục, chẳng hạn loạn thị xảy ra khi vật nằm xa trục chính của gương. Các tia tới phát ra từ vật chạm tới gương ở góc xiên và kết quả là hình thành hai đường vng góc nhau thay vì là một ảnh điểm. Gương parabol, khơng có quang sai cầu, thường chứng tỏ một mức độ loạn thị đáng kể đối với các ảnh nằm ở vị trí xa trục. [3] Vì lí do này nên gương phản xạ parabol ứng dụng của chúng thường dành cho những dụng cụ, ví dụ kính thiên văn và đèn pha rọi, dùng để chiếu ra hoặc thu thập các tia sáng song song.
1.2.4 Detector
Khi một bức ảnh được chụp bằng camera, ánh sáng đi qua thấu kính và rơi vào cảm biến ảnh. Cảm biến ảnh bao gồm các điểm ảnh (pixel) ghi nhận lượng ánh sáng chạm tới chúng. Các cảm biến này chuyển đổi lượng ánh sáng nhận được thành số các electron. Ánh sáng càng mạng, càng nhiều electron được hình thành. Các electron được quy đổi ra điện thế và chuyển thành số. Tín hiệu bao gồm các con số được phân giải bởi mạch điện trong camera. [10]
Hiện tại, có hai cơng nghệ chính được sử dụng trong cảm biến ảnh là CCD (Charge-couple Device/ Thiết bị tích điện kép) và CMOS (Complementary Metal- oxide Semiconductor/ Bán dẫn bổ sung oxit kim loại).
Phạm vi nhạy sáng của một detector được xác định bởi kích thước của điểm ảnh (pixel) và điện dung của silicon cấu tạo nên nó, khoảng 20000 electron trên một micro-mét vng (20000e/µm2). Cảm biến CCD được phát minh năm 1973. Tới năm 1988, CCD có điểm ảnh kích thước 26µm, tương đương 676 µm2, có khả năng chứa 13,5 triệu electron.[8]
Tuy nhiên, để đo được quang phổ hấp thụ, cảm biến phải có khả năng chứa nhiều electron hơn mức đó, khoảng 50 triệu electron. Điều đó chỉ có thể đáp ứng bởi các cảm biến mảng đi ốt (diode array).[2]
Cho đến năm 2009, detector dùng để đo ánh sáng phát ra (những loại tín hiệu nhỏ) là chip CCD và CMOS, đối với phổ hấp thụ (có tín hiệu lớn hơn) phải dùng tới mảng đi ốt (diode array) hoặc CCD loại lớn.
Lượng electron tín hiệu mà một điểm ảnh riêng lẻ của cảm biến có thể thu thập và truyền tải một cách hoàn chỉnh của cảm biến CCD là khoảng 250,000 electron trên một pixel (kích thước 25 µm2) và của cảm biến CMOS là khoảng 20,000 electron trên một pixel (kích thước 1.4 µm2
).
Đối với các cảm biến thường dùng trong phép đo độ hấp thụ (CCD), mảng diode có kích thước 2.5 mm, tương đương với 108 electron có thể thu thập. Tuy nhiên giá thành của cảm biến này chiếm tỷ trọng cao trong giá thành thiết bị và nếu có thể thay bằng loại cảm biến có hiệu năng nhận lượng tử ánh sáng thấp hơn (như CMOS) thì giá thiết bị sẽ giảm đáng kể. [28]
Tuy nhiên, khả năng này rất ít được đề cập. Trên thế giới cũng chưa có nghiên cứu nào đặt ra và giải quyết vấn đề này. Do vậy, giải thưởng sáng tạo khoa học hàng năm của Hiệp hội Quang phổ Hoa Kỳ đã được trao cho nghiên cứu nhằm sử dụng cảm biến CMOS vào các mục tiêu đo lường trong khoa học.[25] Trở ngại lớn trong q trình nghiên cứu chính là: hiện tại các CMOS camera được sử dụng nhiều nhất trong các thiết bị smartphone và máy ảnh nên định hướng sản xuất chip CMOS chỉ nhằm đáp ứng nhu cầu của người sử dụng, tập trung vào việc tự chỉnh sáng/tối, tăng màu sắc và chi tiết v.v...Khi bước sóng hiển thị trên ảnh đã bị đổi khác so với thực tế, các giá trị khơng cịn tuyến tính, [13], [14], việc đưa chip CMOS làm detector cho thiết bị đo quang gặp khó khăn, nhưng khơng phải không thực hiện được.
Khi tìm hiểu chi tiết về cấu tạo và các thành phần máy đo quang, sự kết hợp tình cờ giữa các cách tử đã dẫn tới hệ cách tử đặc biệt trong nghiên cứu này, [23],
[24] phạm vi nhạy sáng của cảm biến ảnh được gấp lên nhiều lần, mở ra khả năng sử dụng chip CMOS vào phép đo quang phổ hấp thụ trên các thiết bị cầm tay [27].
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1 Đối tƣợng và nội dung nghiên cứu. 2.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu 2.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu
Chế tạo thiết bị đo quang trên cơ sở các linh kiện quang học như cách tử, gương cầu và camera được nhập khẩu từ nước ngoài. Phần khung vỏ, thiết bị và các bộ phận khác chế tạo trong nước.
2.1.2 Nội dung nghiên cứu
Với mục tiêu chính là nghiên cứu chế tạo thiết bị đo quang cầm tay vùng VIS thì các cơng việc chính sẽ được tập trung nghiên cứu bao gồm:
+ Nghiên cứu chế tạo phần cứng máy đo quang.
Ngoài một số vật liệu sẵn có như nguồn sáng trắng (ví dụ đèn LED), pin, cuvet rất dễ mua với giá thành rẻ thì các vật liệu khác như cách tử, gương cầu parabol chưa bán sẵn ở thị trường Việt Nam nên sẽ được đặt mua của nước ngồi để kết quả có độ chính xác cao. Một số chi tiết khác như vỏ máy, buồng tối cuvet cần phải tìm cơ sở đúc với độ chính xác cao tại Việt Nam để tiết kiệm chi phí.
Để có thiết bị ghi nhận hình ảnh tối ưu, cần nghiên cứu lựa chọn nguồn sáng, loại cách tử, vị trí đặt cách tử, số lượng cách tử, và cách sắp xếp vị trí của chúng, khoảng cách giữa mẫu đo và nguồn sáng với cách tử, cách đặt gương, khả năng tạo buồng tối ... sao cho cường độ ánh sáng của bức ảnh chụp là tốt nhất, lặp lại và có độ khơng đảm bảo đo (uncertainty) nhỏ nhất và thiết bị gọn nhẹ.
+ Nghiên cứu đánh giá các đặc tính của thiết bị đo và so sánh với máy trắc quang thơng thường trong phịng thí nghiệm:
Phần các thí nghiệm này sẽ tập trung vào đánh giá các thông số cơ bản tới thiểu, của thiết bị đo đáp ứng các yêu cầu đối với mỗi phương pháp phân tích như độ phân giải, độ chụm, độ chính xác, độ khơng đảm bảo đo…[7]
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1 Phương pháp nghiên cứu chế tạo máy đo quang
Phương pháp thu thập thông tin, nghiên cứu tài liệu: tra cứu thơng tin có liên quan đến nghiên cứu chế tạo thiết bị đo quang trên cơ sở các phản ứng trắc quang hoặc tiêu chuẩn phân tích trong phịng thí nghiệm. Những số liệu đã cơng bố trên các ơng trình khoa học có liên quan, thừa hưởng các nghiên cứu đã có sau đó nghiên cứu chế tạo và phát triển tiếp. Các nghiên cứu liên quan đến gia cơng cơ khí thiết bị sẽ th trực tiếp bên ngoài.
Phương pháp thực nghiệm: tìm điều kiện tối ưu trên cơ sở khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và lựa chọn nguyên liệu chế tạo thiết bị sao cho đạt được độ ổn định, chính xác, gọn nhẹ và giá thành giảm.
2.2.2 Phương pháp đánh giá thiết bị đo qua phân tích nitrit và amoni
Để đánh giá thiết bị đo, các thí nghiệm được thực hiện với thiết bị đối chứng là mẫu máy thương mại Shimadzu đối với các chỉ tiêu nitrit [21] và amoni.
Độ phân giải: là giá trị nhỏ nhất để phân biệt được các giá trị. Trong thiết bị đo sử dụng CMOS camera, độ phân giải sẽ được tính tốn thơng qua số pixel của bức ảnh.
Độ chính xác:
a) Độ chụm của thiết bị được xác định dựa trên các thí nghiệm
+ Độ chụm lặp lại: So sánh phổ hấp thụ qua các lần đo trong cùng một ngày ở các mức nồng độ khác nhau của cùng một dung dịch. Mỗi lần đo sẽ lưu lại 5 ảnh phổ và so sánh độ hấp thụ đối đa (Amax)
b) Độ đúng: So sánh độ đúng của thiết bị chế tạo với máy UV-VIS 1650PC Shimadzu trên cùng một chỉ tiêu phân tích và hóa chất, thuốc thử.
LOD thiết bị: Được đánh giá qua nồng độ nhỏ nhất của chất phân tích cho tỷ số tín hiệu/nhiễu (S/N) bằng 3. Tỷ số S/N được tính bằng 1/RSD (với RSD là độ lệch chuẩn tương đối thí nghiệm đo lặp lại mẫu trắng thiết bị trong cùng điều kiện như với mẫu phân tích) hay cịn gọi là nồng độ chất phân tích nhỏ nhất mà thiết bị phát hiện được theo qui tắc 3.
LOD phương pháp: tính tốn từ LOD thiết bị đối với trường hợp nền mẫu thực và qua các bước xử lý mẫu với chất phân tích.
2.3 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị.
2.3.1 Dụng cụ chế tạo máy
Gương: gương parabol lệch trục (30o), tiêu cự 25,4 mm của EdmunOptic. Cuvett: cuvett nhựa hình trụ vng, mỗi cạnh 10 mm.
Cách tử: tấm cách tử nhựa A4 trong suốt tán xạ theo 2 trục, 200 rãnh/mm. Lỗ kim (pinhole): đường kính 50 – 250 µm, được đục bằng lazer của