CHƯƠNG 1: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU
1.7. Các phương pháp phân tích vật liệu
1.7.3. Phương pháp quang phổ hồng ngoại (FT-IR)
FT-IR là kỹ thuật phân tích để tìm vết hay nhận dạng vật liệu hữu cơ, một số vật liệu vô cơ và nhóm chức hiện diện trong mẫu thử. Các mẫu thử có thể ở dạng rắn, lỏng hay hơi. Độ phõn giải khụng gian xấp xỉ 50 àm của kớnh hiển vi nhưng tốt nhất là mẫu
3 mm để có độ nhạy tối đa. Các mẫu này được tác động dùng tia hồng ngoại (phi kim)
để tạo ra phổ cú độ dài súng trong tầm 2-25 àm (5000 – 400 cm-1).
FTIR là một cách ít trực quan để có được những thông tin tương tự như khi dùng UV-Vis. Thay vì chiếu 1 chùm tia đơn sắc tới mẫu, kỹ thuật này đã chiếu chùm ánh sáng chứa nhiều tần số cùng 1 lúc, và đo bao nhiêu tia đó được hấp thụ bởi mẫu. Tiếp theo, các chùm tia được sửa đổi để có sự kết hợp tần số khác nhau, từ đó cho được điểm dữ liệu thứ hai. Quá trình này đc lặp đi lặp lại nhiều lần. Sau đó, một máy tính sẽ đưa tất cả các dữ liệu và các hoạt động ngược lại để suy ra những gì đã đc hấp thụ tại mỗi bước sóng.
Chùm ánh sáng mô tả ở trên được tạo ra bằng cách: bắt đầu với 1 ánh sáng băng thông rộng một-nguồn chứa toàn bộ các bước sóng có thể đo được. Cho ánh sáng đó chiếu vào một giao thoa kế Michelson (giống cái gương). Gương này có thể di chuyển, mỗi bước sóng của ánh sáng trong các chùm tia được chặn lại và truyền đi theo chu kì. Các sóng khác nhau được điểu chỉnh ở mức độ khác nhau, do đó tại mỗi thời điểm, các chùm ra khỏi giao thoa có quang phổ khác nhau.
Cơ sở của phổ hồng ngoại là sự thay đổi trạng thái dao động, quay của phân tử hóa chất dưới tác dụng bức xạ hồng ngoại.
Tia hồng ngoại được chia thành 3 vùng:
+ Vùng hồng ngoại gần: 12.500 – 4000 cm-1.
+ Vùng hồng ngoại: 4000 – 200 cm-1
+ Vùng hồng ngoại xa: 200 – 10 cm-1
Thông thường vùng hồng ngoại (4000 – 400 cm-1) được sử dụng nhiều nhất.
Nguyên tắc: Khi hấp thụ năng lượng trong vùng hồng ngoại sẽ xảy ra dao động của
các nguyên tử trong phân tử. Các nguyên tử trong phân tử dao động theo ba hướng trong không gian gọi là dao động riêng của phân tử. Số dao động riêng của phân tử có N nguyên
tử tối đa bằng (3N – 5) đối với phân tử thẳng như CO2 và bằng (3N – 6) đối với phân tử không thẳng như H2O. Mỗi dao động riêng ứng với một mức năng lượng nhất định, năng lượng để làm chuyển các mức dao động này là khá bé, tương đương với năng lượng bức
xạ hồng ngoại. Tuy nhiên, không phải bất cứ phân tử nào cũng có khả
32
năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại để có hiệu ứng phổ dao động mà chỉ có những phân tử khi dao động gây ra sự thay đổi momen lưỡng cực điện mới có khả năng hấp thụ bức
xạ hồng ngoại.
Người ta phân biệt các dao động riêng thành hai loại:
+ Dao động hóa trị (kí hiệu là υ) là những dao động làm thay đổi chiều dài liên kết của các nguyên tử trong phân tử nhưng không làm thay đổi góc liên kết.
+ Dao động biến dạng (kí hiệu là δ) là những dao động làm thay đổi góc liên kết nhưng không làm thay đổi chiều dài liên kết của các nguyên tử trong phân tử.
Mỗi loại dao động còn được phân chia thành dao động đối xứng (kí hiệu là υs và δs) và bất đối xứng (kí hiệu là υas và δas). Những dao động này làm thay đổi môm n lưỡng cực điện của liên kết sẽ làm xuất hiện tín hiệu hồng ngoại.
Phương pháp phổ hồng ngoại dựa trên cơ sở của sự tương tác giữa chất cần phân
tích với các tia đơn sắc có bước sóng nằm trong miền hồng ngoại (400-4000 cm-1). Kết quả của sự tương tác sẽ dẫn tới chất nghiên cứu hấp thu một phần năng lượng và làm giảm cường độ tia tới. Lúc này, phân tử sẽ thực hiện dao động làm thay đổi góc liên kết và độ dài liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử. Sự hấp thụ bức xạ điện từ của phân tử tuân th o phương trình Lambert - Beer:
Trong đó:
D : mật độ quang.
Io, I : cường độ ánh sáng trước và sau khi qua chất phân tích.
ε : hệ số hấp thụ.
l: bề dày cuvet.
C: nồng độ chất cần phân tích (mol/L).
Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang vào bước sóng gọi là phổ hấp thụ hồng ngoại.
Mỗi cực đại trong phổ IR đặc trưng cho sự có mặt của một nhóm chức hoặc dao động của một liên kết. Do đó, có thể dựa vào các tần số đặc trưng này để dự đoán sự có mặt của các liên kết hoặc nhóm chức trong phân tử chất nghiên cứu.
33
Ứng dụng:
- Nhận dạng lớp phủ polymer, sợi, vật liệu đóng gói và composites
- Phân tích vết tích chất khí
- Nhận dạng được hầu hết các chất hữu cơ dạng rắn hay lỏng và polymers
- Phân tích hỏng hóc-nhận dạng chất nhiễm bẩn khi đóng gói linh kiện và vi điện
tử, chất nhuộm màu hữu cơ, quá trình lưu chất, và giảm cấp của hợp chất hay phân hủy
- Nhận dạng chất kết dính, chất tẩy, rửa
- Kiểm tra chất lượng-so sánh các mẫu tốt và xấu
- Kiểm tra từng phần và độ sạch
- Vật liệu sinh học
34