Phương pháp quang phổ hấp thụ dựa trên khả năng hấp thụ chọn lọc các bức xạ chiếu qua dung dịch của chất nghiên cứu trong một dung môi nhất định, độ hấp
thuận lợi, người ta thường biểu diễn và xem xét từng vùng phổ riêng biệt như vùng tử ngoại, khả kiến, hồng ngoại… Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào tần số hoặc bước sóng gọi là đường cong hấp thụ hay phổ hấp thụ. Mỗi chất đều hấp thụ chọn lọc những tần số hay bước sóng khác nhau.
Bản chất của phổ hấp thụ phân tử UV-VIS là khi ta chiếu một chùm sáng có bước sóng phù hợp đi qua một dung dịch chất màu, các phân tử hấp thụ sẽ hấp thụ một phần năng lượng chùm sáng, một phần ánh sáng truyền qua dung dịch. Xác định cường độ chùm ánh sáng truyền qua đó ta có thể xác định được nồng độ của dung dịch. Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch tuân theo định luật Bughe – Lambert – Beer [42]
A = lg = εlC (2.6) Trong đó:
A là độ hấp thụ hoặc mật độ quang;
C là nồng độ mol chất ban đầu (mol/L);
l là bề dày lớp dung dịch mà ánh sáng đi qua (cm);
ε là hệ số hấp thụ (nếu C = 1 mol/L, l = 1 cm thì ε được gọi là hệ số hấp thụ phân tử gam; nếu C = 1% (v/v), l = 1 cm thì ε được gọi là hệ số hấp thụ riêng (E)). Như vậy, độ hấp thụ của dung dịch tỷ lệ với nồng độ (C) và bề dày (l) của lớp chất khảo sát.
Chúng tôi sử dụng phổ UV-Vis để xác định bước sóng hấp thụ cực đại của thanh nano vàng. Thanh nano vàng có tính chất cộng hưởng plasmon bề mặt, nhờ đó nó có thể hấp thụ các tia bức xạ thích hợp. Ngoài ra, các hạt vàng nano dạng thanh (GNR) có tỷ số cạnh (chiều dọc/chiều ngang) càng lớn thì bước sóng hấp thụ cực đại càng dịch chuyển về vùng hồng ngoại gần. Chính vì vậy, chúng tôi dùng phổ UV-Vis để đánh giá sơ bộ tỷ số cạnh, hình thái cũng như hiệu suất tổng hợp GNR.
2.5.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua (tiếng Anh: Transmission Electron Microscopy, viết tắt: TEM) là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn. Nguyên tắc hoạt động của kính là sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật ở trạng thái rắn, mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn tơi hàng triệu lần , ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận lại bằng các máy chụp kỹ thuật số. Ngày nay kính hiển vi điện tử truyền qua với độ phân giải cao được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu các vật liệu có cấu trúc nanomet.[11]
Phương pháp TEM cho bức ảnh chân thực về kích thước hạt của vật liệu. Nhờ cách tạo ảnh nhiễu xạ, vi nhiễu xạ và nano nhiễu xạ, kỹ thuật hiển vi điện tử truyền qua còn cho biết nhiều thông tin chính xác về cách sắp xếp các nguyên tử trong mẫu, theo dõi được cách sắp xếp đó trong chi tiết từng hạt, từng diện tích cỡ micromet vuông và nhỏ hơn.[7]
TEM cũng có cấu trúc tương tự như kính hiển vi quang học với nguồn sáng - nguồn điện tử, các hệ thấu kính - hội tụ, tạo ảnh, các khẩu độ… Tuy nhiên, kính hiển vi điện tử truyền qua có ưu điểm nổi bật vì bước sóng của chùm tia điện tử ngắn hơn rất nhiều so với ánh sáng khả ki nên có thể quan sát tới kích cỡ 0,2 nm.[37] Kính hiển vi điện tử truyền qua có hình trụ cao khoảng 2m, phía trên có gắn bộ nguồn phát xạ điện tử hay súng điện tử để phát ra chùm tia điện tử. Các điện tử phát ra từ súng bắn điện tử được gia tốc bởi một điện trường lớn cỡ vài trăm kV và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (nhờ hệ thống khẩu độ và thấu kính từ), sau đó được chiếu qua một mẫu mỏng. Mật độ điện tử truyền qua ngay dưới mặt mẫu phản ánh lại tình trạng của mẫu, hình ảnh được phóng đại qua một loạt các thấu kính trung gian và cuối cùng thu được trên màn huỳnh quang.
Hình 2.2. Sơ đồ khối cấu trúc của kính hiển vi điện tử.
2.5.3. Nhiễu xạ tia X
tinh thể, dẫn đến các giá trị cực đại và cực tiểu nhiễu xạ. Về tính chất vật lý, nhiễu xạ tia X tương tự như nhiễu xạ điện tử, và sự khác biệt về tính chất phổ nhiễu xạ do tương tác giữa các nguyên tử. Coi chùm tia X có bước sóng λ đập vào tinh thể rắn một góc tới θ. Do tính tuần hoàn của tinh thể, các mặt phẳng tinh thể sẽ hoạt động như các cách tử nhiễu xạ đặt cách nhau đều đặn và tạo ra nhiễu xạ tia X. Nếu ta quan sát các chùm tia tán xạ theo phương phản xạ (bằng góc tới) thì hiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt [29] là:
(2.7) Như vậy, để có cực đại nhiễu xạ thì góc tới phải thỏa mãn điều kiện:
(2.8) Trong đó, là số nguyên nhận các giá trị 1, 2,...
Đây là định luật Vulf-Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể.
[11] Khi đó, cường độ chùm tia nhiễu xạ được cho bởi công thức:
(2.9) Với là hàm sóng của chùm nhiễu xạ, còn là thừa số cấu trúc (hay còn gọi là xác suất phản xạ tia X), được cho bởi:
(2.10) Ở đây, g là véctơ tán xạ của chùm nhiễu xạ, là vị trí của nguyên tử thứ trong ô đơn vị, còn là khả năng tán xạ của nguyên tử. Tổng được lấy trên toàn ô đơn vị.
Khi đó, phổ nhiễu xạ tia X phụ thuộc của cường độ nhiễu xạ với góc nhiễu xạ.
Do đó, để xác định phổ nhiễu xạ tia X ta chiếu tinh thể theo một chiều nhất định với bước sóng xác định mới có nhiễu xạ từ một họ mặt nào đó thỏa mãn công thức Bragg.
Dựa vào công thức Bragg (2.8) có thể có các phương pháp đo sau: Giữ nguyên góc tới, chỉ thay đổi bước sóng ánh sáng: Phương pháp Laue; Giữ nguyên bước sóng và thay đổi góc tới: Phương pháp tinh thể quay và Phương pháp nhiễu xạ bột [9].
Nhiễu xạ tia X dạng bột (Powder X-ray diffraction) là phương pháp sử dụng cho các mẫu là đa tinh thể. Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xác định cấu trúc tinh thể, bằng cách sử dụng một chùm tia X song song hẹp, đơn sắc, chiếu vào mẫu. Quay mẫu, chùm nhiễu xạ quay trên một đường tròn đồng tâm, ghi lại cường độ
chùm phản xạ và ghi phổ nhiễu xạ bậc nhất (n = 1). Phổ nhiễu xạ sẽ là sự phụ thuộc của cường độ nhiễu xạ vào hai lần góc nhiễu xạ (2θ).[46]. Phương pháp nhiễu xạ bột có thể xác định thành phần pha, tỷ phần pha, cấu trúc tinh thể và rất dễ thực hiện.
2.5.4. Tán xạ Raman
Tán xạ Raman là tán xạ không đàn hồi của photon bởi các phân tử kích thích ở các mức năng lượng dao động hoặc quay cao hơn. Hiệu ứng được Chandrasekhara V.
Raman cùng sinh viên của ông là Kariamanickam S. Krishnan phát hiện trong chất lỏng năm 1928 trong bài báo có tên “A new radiation” . Cùng năm đó nhưng với nghiên cứu khác, Grigory Landsberg và Leonid Mandelstam phát hiện hiệu ứng trong tinh thể. Hiệu ứng này được Adolf Smekal tiên đoán vào năm 1923. [4]
Khi các photon tán xạ từ một nguyên tử hoặc phân tử, hầu hết các photon đều bị tán xạ đàn hồi (tán xạ Rayleigh), sao cho các photon tán xạ có cùng năng lượng (tần số và bước sóng) như các photon tới. Một phần nhỏ các photon tán xạ (xấp xỉ 1 phần 10 triệu) là tán xạ bới kích thích, với các photon tán xạ có tần số khác với, và thường là thấp hơn, photon tới. Trong chất khí, tán xạ Raman có thể xảy ra với sự thay đổi năng lượng của một phân tử do chuyển tiếp sang mức năng lượng khác (thường là cao hơn).[32] Quá trình tán xạ Raman được mô tả bởi cơ học lượng tử, là khi các photon tương tác với một phân tử, phân tử này có thể được chuyển sang trạng thái ảo ở mức năng lượng cao hơn. Từ trạng thái năng lượng cao hơn này, có thể có một vài kết quả khác nhau do phân tử tự do đến mức năng lượng rung động khác với trạng thái ban đầu tạo ra một photon có năng lượng khác nhau. Sự khác biệt giữa năng lượng của photon tới và năng lượng của photon tán xạ được gọi là sự khuếch tán Raman. Khi sự thay đổi năng lượng của photon tán xạ nhỏ hơn photon tới, sự tán xạ được gọi là tán xạ Stokes. Một số phân tử có thể bắt đầu ở trạng thái kích thích rung động và khi chúng được chuyển sang trạng thái ảo năng lượng cao hơn, chúng có thể tự do đến trạng thái năng lượng cuối cùng thấp hơn trạng thái kích thích ban đầu. Sự tán xạ này được gọi là chống Stokes [49]. Qua hiệu ứng tán xạ Raman ta thu được một dạng quang phổ, gọi là quang phổ Raman, quang phổ Raman phân tích những thay đổi trong tính phân cực của liên kết phân tử. Sự tương tác của ánh sáng với một
trong đó xảy ra sự thay đổi độ phân cực, tạo ra các chế độ hoạt động của quang phổ Raman. Trong nghiên cứu về các phản ứng hóa học, điều này có nghĩa là đầu dò quang phổ Raman có thể được đưa vào phản ứng hoặc có thể thu thập quang phổ Raman. Cách tiếp cận thứ hai loại bỏ khả năng ô nhiễm dòng mẫu. Khả năng sử dụng thạch anh hoặc Sapphire cao cấp làm vật liệu cửa sổ có nghĩa là các cell áp suất cao có thể được sử dụng để thu được quang phổ Raman của các phản ứng xúc tác. Trong nghiên cứu về chất xúc tác, quang phổ operando sử dụng hiệu ứng Raman khá hữu ích để nghiên cứu tại chỗ, phản ứng thời gian thực trên bề mặt xúc tác. Một ưu điểm khác của quang phổ Raman là các liên kết hydroxyl không đặc biệt hoạt động làm cho quang phổ quang phổ Raman trong môi trường nước trở nên đơn giản. Quang phổ Raman được cân nhắc là khó bị phá hủy, mặc dù một số mẫu có thể bị ảnh hưởng bởi bức xạ laser. Hiện tượng tán xạ Raman là một hiện tượng tán xạ yếu và huỳnh quang có thể tràn vào tín hiệu gây khó khăn cho việc thu thập dữ liệu một cách chất lượng. Vấn đề này thường có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng nguồn kích thích bước sóng dài hơn. [40]
Đối với phân tích phản ứng, do quang phổ Raman sử dụng độ phân cực của liên kết và có khả năng đo tần số thấp hơn, nên nó rất nhạy cảm với các dao động mạng tinh thể mang lại cho người dùng thông tin đa hình điều này cho phép quang phổ Raman được sử dụng rất hiệu quả để nghiên cứu quá trình kết tinh và các quá trình phức tạp khác. Để đo tán xạ ra Raman, ta sử dụng máy quang phổ Raman. Một máy quang phổ Raman tiên tiến, nhỏ gọn bao gồm một số thành phần cơ bản và một tia laser được sử dụng làm nguồn kích thích để tạo ra tán xạ Raman.. Thông thường, laser trạng thái rắn được sử dụng trong các thiết bị đo quang phổ Raman hiện đại với các bước sóng phổ biến là 532 nm, 785 nm, 830 nm và 1064 nm. Laser có bước sóng ngắn hơn tín hiệu thu được lớn hơn, tuy nhiên tần số huỳnh quang cũng tăng ở bước sóng ngắn hơn. Vì lý do này, nhiều hệ thống đo quang phổ Raman có laser 785 nm.
Năng lượng laser được truyền đến và thu thập từ mẫu bằng cáp quang. Một bộ lọc notch hoặc edge được sử dụng để loại bỏ sự tán xạ Rayleigh và chống Stokes và ánh sáng tán xạ Stokes còn lại được truyền cho một phần tử tán sắc, điển hình là cách tử hình ba chiều. [49]