CHƯƠNG 2. PHẦN PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH/ĐỊNH LƯỢNG THÀNH PHẦN HOÁ HỌC - PHỔ HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURIER
2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Các bộ phận và quá trình sử dụng máy đo quang phổ hồng ngoại FT-IR diễn ra như sau:
1. Nguồn: Năng lượng hồng ngoại được phát ra từ một nguồn vật đen phát sáng. Chùm tia này đi qua một lỗ điều khiển để điều khiển lượng năng lượng truyền tới mẫu (và cuối cùng là tới máy dò).
2. Máy đo giao thoa: Chùm tia đi vào máy đo giao thoa, tại đó diễn ra quá trình “mã hóa phổ”. Tín hiệu giao thoa thu được sau đó ra khỏi máy đo giao thoa đi đến mẫu.
3. Mẫu: Chùm tia đi vào khoang mẫu, tại đó chùm tia được truyền qua hoặc phản
xạ khỏi bề mặt mẫu, tùy thuộc vào loại phân tích được thực hiện. Đây là nơi các tần số năng lượng cụ thể, đặc trưng riêng của mẫu, được hấp thụ.
4. Máy dò: Chùm tia cuối cùng đi qua máy dò để đo lường cuối cùng. Các máy dò được sử dụng được thiết kế đặc biệt để đo tín hiệu giao thoa đặc biệt.
5. Máy tính: Tín hiệu đo được được số hóa và gửi đến máy tính nơi diễn ra phép biến đổi Fourier.
19
Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo bên trong máy đo quang phổ hồng ngoại FT-IR [9].
Phổ hồng ngoại cuối cùng sau đó được trình bày cho người dùng để giải thích và bất kỳ thao tác nào khác.
2.3.1. Các kỹ thuật phân tích phổ FT-IR
Có một số kỹ thuật lấy mẫu phân tích FTIR có thể được sử dụng để hiểu cấu trúc của vật liệu và xác định vật liệu, mỗi kỹ thuật có trình độ riêng [9]:
Độ phản xạ toàn phần suy giảm (Attenuated Total Reflectance – ATR): Trong quang phổ ATR, một chùm tia hồng ngoại được dẫn vào một tinh thể dày đặc và có độ khúc xạ cao ở một góc cụ thể. Chùm tia phản xạ khỏi tinh thể và tiếp xúc với mẫu. Kỹ thuật thử nghiệm ghi lại những thay đổi xảy ra trong chùm tia phản xạ sau khi nó tiếp xúc với mẫu. Quang phổ ATR chỉ yêu cầu mẫu tiếp xúc chặt chẽ với tinh thể ATR, do đó, cần chuẩn bị mẫu tối thiểu hoặc thậm chí không cần chuẩn bị mẫu để sử dụng. ATR có thể được sử dụng để phân tích nhiều loại chất rắn và tùy thuộc vào cấu trúc của tinh thể ATR, một số chất lỏng. Nó
20
đặc biệt hữu ích để phân tích các mẫu dày hoặc nhiều lớp như sơn, cao su, nhựa hoặc lớp phủ.
Phản xạ gương (Specular Reflectance – SR): Phản xạ gương, hay quang phổ SR liên quan đến việc phản xạ chùm tia IR trực tiếp khỏi bề mặt mẫu ở góc sao cho chùm tim được phản xạ hoàn toàn, hoặc phản xạ đơn lẻ và trực tiếp (trái ngược với phản xạ khuếch tán). SR thường xảy ra khi thử nghiệm các mẫu bóng, phẳng và phản xạ, chẳng hạn như thủy tinh và pha lê. Nó chủ yếu được sử dụng để đánh giá bề mặt của lớp phủ, màng mỏng còn sót lại trên bề mặt phản xạ hoặc bề mặt kim loại bị ô nhiễm.
Phản xạ-Hấp thụ – Phổ hấp thụ phản xạ hồng ngoại (Infrared Reflection Absorption Spectroscopy - IRAS): IRAS đo lượng chùm tia hồng ngoại phản xạ được hấp thụ khi đi qua mẫu bằng cách đo bước sóng của chùm tia sau khi tiếp xúc với mẫu. IRAS được sử dụng để nghiên cứu các mẫu mỏng như cặn bã, thực vật hoặc màng dưới lớp đơn còn sót lại trên bề mặt phản xạ.
Truyền dẫn – Phổ truyền dẫn hồng ngoại (Infrared Transmission Spectroscopy – ITS): ITS hoạt động rất giống IRAS, ngoại trừ bức xạ hồng ngoại đi trực tiếp qua các mẫu khí, lỏng hoặc rắn cần thử nghiệm. Sự thay đổi quang phổ thu được sau khi chùm tia đi qua mẫu giúp người thử nghiệm hiểu được mẫu chứa những gì. Giống như IRAS, phổ truyền dẫn hồng ngoại thường được sử dụng cho các mẫu rất mỏng (thường thì các mẫu được phân tích qua phổ truyền hồng ngoại không dày hơn vài chục micromet).
Quang âm – Phổ quang âm hồng ngoại (Infrared Photoacoustic Spectroscopy - PAS): Kỹ thuật phân tích này liên quan đến việc tiếp xúc mẫu với bức xạ hồng ngoại không liên tục theo thời gian. Khi mẫu hấp thụ bức xạ hồng ngoại, các bức xạ hấp thụ đó được chuyển thành nhiệt bên trong mẫu, tạo ra tín hiệu quang âm. Bằng cách đo tín hiệu quang âm này, các nhà phân tích có thể xác định cấu trúc và thành phần của mẫu. PAS rất hữu ích để đánh giá các mẫu ở dạng nguyên bản, nguyên vẹn của chúng, vì vậy nó thường được sử dụng nhất trên các mẫu không thể bị nghiền nát hoặc tiếp xúc với hóa chất, chẳng hạn như xương, vỏ sò và các vật liệu hữu cơ nhạy cảm khác.
2.3.2. Đọc kết quả đo quang phổ hồng ngoại FT-IR
21
Trục X hay trục ngang - đại diện cho quang phổ hồng ngoại, biểu diễn cường độ của quang phổ hồng ngoại. Các đỉnh, còn được gọi là dải hấp thụ, tương ứng với các dao động khác nhau của các nguyên tử trong mẫu khi tiếp xúc với vùng hồng ngoại của quang phổ điện từ. Đối với IR tầm trung, số sóng trên quang phổ hồng ngoại được biểu diễn trong khoảng từ 4.000 đến 400 cm-1. Trục Y hay trục dọc - biểu diễn lượng ánh sáng hồng ngoại được truyền hoặc hấp thụ bởi vật liệu mẫu đang được phân tích [9].
Các dải hấp thụ nhìn thấy khi vật liệu hấp thụ ánh sáng hồng ngoại thường được nhóm thành hai loại: Tần số nhóm và tần số dấu vân tay phân tử.
- Tần số nhóm là đặc trưng của các nhóm nhỏ nguyên tử hoặc nhóm chức năng như CH2, OH và C=O. Các loại dải này thường được nhìn thấy trên 1500cm-1 trong quang phổ hồng ngoại và chúng thường chỉ có ở một nhóm chức năng cụ thể, khiến chúng trở thành phương tiện đáng tin cậy để xác định các nhóm chức năng trong một phân tử.
- Đối với tần số vân tay, đây là những tần số đặc trưng của toàn bộ phân tử, chúng cho biết những gì đang diễn ra bên trong phân tử. Các loại hấp thụ này thường được nhìn thấy dưới 1500 cm-1 trong quang phổ hồng ngoại. Tuy nhiên, một số nhóm chức năng cũng sẽ hấp thụ trong vùng này. Do đó, vùng quang phổ này ít đáng tin cậy hơn để nhận dạng, nhưng việc không có dải hấp thụ thường mang tính chỉ định hơn so với sự hiện diện của dải hấp thụ trong vùng này.
Hình 2.3. Quy trình đo mẫu của máy quang phổ hồng ngoại FT-IR [9].