Ta hãy xét lần lượt từng thành phần của hệ trên và sẽ chỉ hạn chế trong phạm vi đo độ hấp thụ trong vùng ánh sáng tử ngoại – khả biến (US – VIS).
Nguồn bức xạ Bộ lọc sóng Bình mẫu Bộ lọc sóng Máy thu Cái ngắt (Có thể là máy đọc, máy ghi hoặc máy tính)
II.4.4.1. Nguồn sáng
Nói chung mọi nguồn sáng, kể cả ánh sáng mặt trời và ánh sáng đèn trong phòng đều có thể dùng làm nguồn bức xạ cho các phép đo quang, nhưng không phải nguồn sáng nào cũng thỏa mãn yêu cầu về độ ổn định. Vì trong phạm vi chương trình này ta chỉ xét vùng ánh sáng US – VIS nên khoảng bước sóng cần xét đến là từ 200nm đến 800nm (2000÷8000A). Trong số các nguồn sáng có bước sóng phù hợp ta có thể kể: hồ quang xenon, hồ quang cacbon, đèn hiđro và đèn tungsten. Hồ quang xenon rất gần giống phổ của mặt trời nên thường được dùng để nghiên cứu năng lượng mặt trời. Hồ quang cacbon ít được dùng vì không bền và không bảo đảm yêu cầu ổn định. Đèn hiđro là thông dụng để đo vùng UV, đặc biệt nó có hiệu suất tăng nhanh ở những bước sóng < 375nm và có thể xuống đến 165nm nhưng ở các bước sóng <200nm thì bản thân của sổ thạch anh cũng hấp thụ. Có thể dùng đèn đơteri thay cho đèn hiđro vì có khoảng phổ cơ bản như nhau và có năng lượng bức xạ lớn hơn nhiều nhưng sẽ rất đắt tiền. Đèn tóc tungsten (vomfram) có năng lượng pic ở gần vùng hồng ngoại và chỉ có 15% công suất trong vùng khả biến và một ít trong vùng UV nhưng nó lại rẻ tiền và có thể tạo được nguồn sáng bền, khá ổn định, rất đáng tin, nên đèn này được dùng rất rộng rãi để đo ở vùng khả biến (VIS).
Năng lượng bức xạ của một nguồn phụ thuộc vào điện áp làm việc theo phương trình:
P = kVx
Trong đó k là một hằng số và x là số mũ tùy thuộc vào loại nguồn. với đèn tungsten x có giá trị giữa 3 và 4. Vì có sự phụ thuộc năng lượng này mà điện áp phải rất ổn định, thí dụ nếu x = 4 thì một dao động ở điện áp làm việc bằng 1% sẽ gây ra một dao động ở năng lượng phát ra bằng 4%.
II.4.4.2. Bộ lọc sóng
Số nguồn sáng vừa nêu là những nguồn sáng liên tục vì tạo được một khoảng bức xạ có bước sóng liên tiếp nhau, nhưng trong phương pháp phổ hấp thụ phân tử ta lại cần có những bước sóng nhất định thích hợp cho từng chất nghiên cứu, vì thế sự có mặt của một bộ lọc sóng trong thiết bị đo quang là cần thiết. Thực ra ta cũng có thể đo độ hấp thụ với một nguồn sáng liên tục mà không cần có bộ lọc sóng. Đó là trường hợp của thiết bị đo quang đơn giản nhất có tên là sắc kế hay máy so màu. Ở đây người ta dùng mắt để so sánh cường độ màu của dung dịch nghiên cứu với dung dịch chuẩn,
nguồn sáng là ánh sáng ban ngày. Cách làm này không chính xác lắm và không áp dụng được hỗn hợp chất màu dù là đơn giản nhất (2 chất). Một biến dạng khác của phương pháp này là thay đổi chiều dày của lớp dung dịch chuẩn hoặc dung dịch nghiên cứu cho đến khi mắt thấy được hai dung dịch ấy có độ hấp thụ (màu) bằng nhau tức Ax
(độ hấp thụ của chất nghiên cứu) = As (độ hấp thụ của dung dịch chuẩn). Lúc này áp dụng định luật Beer ta có:
εε ε
εlxCx = lxCx( chung vì cùng một chất được xét) Rút ra:Cx /Cs =ls /lx =R(vì ls và lx đều đo được dể dàng).
Cuối cùng Cx = RCs (mà Cx là nồng độ dung dịch chuẩn đã biết)
Đây là trường hợp của sắc kế Duboscq có độ chính xác đến ± 5% nhưng cũng chỉ dùng được cho dung dịch chỉ chứa một chất màu.
Cũng có những nguồn bức xạ chỉ cho được một số bước sóng nhất định như tia lade heli-neon cho bức xạ có bước sóng 632,8 nm ít được dùng trong phổ hấp thụ phân tử vì chỉ có thể thích hợp cho một chất nào đó trong khi thực tế phân tích lại thường đòi hỏi đo nhiều khi ở 2,3 bước sóng; hồ quang thủy ngân cho một số bức xạ vạch (chứ không liên tục) nhưng chỉ có bức xạ với bước sóng 435,8 nm là hay được dùng còn các vạch khác đều ít phù hợp.
Như vậy thiết bị đo quang phổ biến đều dùng nguồn sáng liên tục và cần có thiết bị lọc sóng để chọn bước sóng thích hợp mà chất nghiên cứu có thể hấp thụ được. Bộ lọc sóng đơn giản nhất là kính lọc; các thiết bị đo quang dùng kính lọc được gọi là máy đo quang (quang kế) hoặc sắc kế (nếu đo trong vùng VIS).
Một vùng kính lọc cho dải sóng hẹp thường gồm 2 kính lọc: một kính A hấp thụ mạnh miền trên của một bước sóng nào đó và một kính B hấp thụ mạnh miền dưới của bước sóng đó. Phần sóng được kính lọc tổ hợp này cho qua là đường C trên hình :
Qua đây ta thấy kính lọc không thể chỉ cho qua một bước sóng riêng như tia lade mà cho qua một dải sáng hẹp có “bước sóng danh nghĩa” được biểu thị bằng độ truyền qua cực đại (điểm cực đại của pic truyền qua, tức đỉnh đường C). Điều cần quan tâm nữa là chiều rộng của đường C đo tại điểm giữa của chiều cao pic, đại lượng này biểu thị dải sóng truyền qua và khi dải càng rộng thì độ truyền qua của kính càng bé.
Một loại kính lọc thứ hai thường được dùng nữa là kính lọc giao thoa. Kính gồm một màng điện moi lỏng được ép giữa hai màng kim loại mỏng nữa trong suốt, tráng trên hai tấm thủy tinh. Khi dòng sáng đến kính lọc thì sẽ có một phần ánh sáng đi qua được tấm thủy tinh thứ nhất, phần ánh sáng này sẽ được tấm thủy tinh thứ hai phản chiếu lại một phần và gây nên hiện tượng giao thoa giống trường hợp nhiễu xạ tia X. Ta sẽ thấy có hiện tượng giao thoa cùng pha (các biên độ hợp lại với nhau) với dòng sáng tới (nếu bước sóng thích hợp) hoặc có hiện tượng giao thoa nghịch pha (các biên độ bù trừ nhau) nếu bước sóng không thích hợp .Bước sóng thích hợp có thể tính được theo: m nl 2 = λ
Trong đó: n là chỉ số chiết suất của điện môi;
l là bề dày màng điện môi và m là một số nguyên gọi là bậc.