để chế tạo các cách tử sao chép đở tốn kém hơn dùng cách tử nguyên bản. Trong trường hợp này cách tử nguyên bản được dùng làm khuôn để chế các bản sao bằng chất dẻo rồi tráng lớp kim loại mỏng lên các bản sao này thành cách tử phản xạ.
Dù là cách tử truyền qua hay phản xạ thì khoảng cách giữa cách vạch kẻ phải được đối chiếu với bước sóng của ánh sáng tới. Chẳng hạn nếu ánh sáng tới cách tử phản xạ theo một góc vuông thì góc khúc xạ r để goa thoa cùng pha là:
b m
r = λ
sin
Trong đó: b là khoảng cách giữa 2 vạch kẻ tính bằng centinmet và λ tính bằng centinmet; số hạng m biểu thị bậc và là một số nguyên. Điều này cho thấy một nhược điểm của các phân tử là ở cùng một góc có thể quan sát thấy một số sóng tương ứng với m = 1 (bậc 1), m = 2 (bậc 2)…
Chẳng hạn với máy phổ quang dùng cách tử phản xạ với 1000 vạch kẻ trên 1mm (tức b = 10-4 cm) thì hiện tượng nhiễu xạ bậc 1 của tia có λ = 700nm (700. 10-7
cm) sẽ xảy ra ở góc 44,4o : o r x r 0,7 44,4 10 10 . 700 1 sin 4 7 = → = = − − Với bậc 2 ở vùng góc này sẽ có: nm cm m r b 350 10 . 5 , 1 2 7 , 0 . 10 sin 4 5 = = = = − − λ
Tiếp tục tính với bậc 3; 4 ta sẽ được các giá trị tương ứng của λ là 233 và 175 nm.
Ta có thể dùng kính lọc để loại đi ánh sáng ở những bậc không muốn có và dùng những phương pháp đặc biệt để kẻ vạch nhằm tăng lượng sáng có bậc phản xạ thấp hơn. Nếu b lớn hơn λ nhiều quá thì góc phản xạ sẽ tiến dần tới không đối với mọi λ và như vậy sẽ không còn khuếch tán. Mặt khác hàm số sinh không thể lớn hơn 1, do đó một cách tử có b nhỏ hơn λ sẽ hoạt động như một cái gương (m = 0 sẽ là giá trị duy nhất dùng được) và lại cũng sẽ không có khuếch tán. Để sử dụng trong vùng VIS người ta thường dùng cách tử có từ 5000 đến 10000 vạch trên 1cm.
Hiện nay đã có một số máy phổ quang dùng đến 2 bộ phậ khuếch tán là 2 lăng kính hoặc 2 cách tử hoặc 1 lăng kính và một cách tử. Các đơn sắc kế kép này có độ
khuếch tán lớn hơn và vì vậy với một khe nhất định độ phân giải phổ sẽ lớn hơn (tức dải sóng truyền qua bé hơn). Ngoài ra, các đơn sắc kế kép còn khử đi được lượng sóng tạp (sóng phản xạ của các bộ phận khác nhau trong máy phổ quang) có thể đi tới khe ra và gây sai số cho việc đo độ hấp thụ.
II.4.4.3. Ngăn đựng mẫu đo
Thông thường ngăn đựng mẫu đo là một khoang trống có gắn giá đỡ cuvet nằm trên đường đi của bức xạ truyền đi từ nguồn (hay đúng hơn từ mẫu trắng) để loại đi sự hấp thụ của dung môi đến đetectơ. Giá đỡ được cấu tạo hoặc cho 1 cuvet dùng đo lần lượt mẫu trắng (hoặc dung dịch chuẩn) và mẫu nghiên cứu. Cách làm này tránh được sai số về chênh lệch bề dày của cuvet nhưng bất tiện và tốn thời giờ khi phân tích hàng loạt nhiều mẫu (phải lặp lại nhiều lần thao tác thay dung dịch và rửa tráng cuvet). Thông thường giá đở được cấu tạo cho 2 cuvet đặt song song, 1 cho mẫu trắng (hoặc dung dịch chuẩn) và 1 cho mẫu nghiên cứu. Trong trường hợp này phải chú ý đến những đôi cuvet có cùng đặc tính hấp thụ, phản xạ và bề dày. Cần nhớ là nếu ta đọc được độ hấp thụ chính xác đến ±0,5% thì sự chênh lệch (nếu có) về bề dày của bình đo cỡ 1 cm phải <0,005 cm. Thường khi mua máy ta đã được cung cấp những đôi cuvet các cỡ nhưng ngay những đôi này cũng có thể gây sai số nếu không được rửa sạch như nhau hoặc nếu để có vết ngón tay bám lên bề mặt truyền sáng vì những vết mỡ cực nhỏ cũng có thể thay đổi đáng kể các đặc tính phản xạ và hấp thụ của bình đo (cuvet).
Từng thời kỳ phải kiểm tra lại các đôi cuvet và nếu thấy các đặc tính của chúng bị thay đổi thì cần chuẩn hóa lại.
Giá đỡ cuvet phải được gắn vào khoang của máy thế nào để cuvet thật vuông góc với đường sáng để tránh bớt thất thoát do phản xạ và các cuvet phải được đặt ở vị trí đúng như nhau trên đường sáng.
Cần đặc biệt lưu ý đến việc dùng các cuvet hình trụ (sẵn có vì rẻ tiền) vì khó đặt đúng chỗ và khó chọn đôi có bề dày như nhau.
Để đo ở miền sóng VIS ta có thể dùng cuvet bằng thủy tinh, còn nếu đo ở miền UV thì phải dùng cuvet bằng thạch anh hoặc silica nung chảy.
Về phần dung môi cũng cần chú ý rằng tuy đã dùng mẫu trắng để loại đi ảnh hưởng hấp thụ của dung môi nhưng vẫn phải chọn dung môi thật trong suốt trong miền
sóng được đo để tránh hiện tượng năng lượng năng lượng bị dung môi không đủ trong suốt hấp thụ mạnh và lượng sáng đến đetectơ bị giảm đi nhiều.
II.4.4.4. Các đetectơ
Đetectơ là tên gọi chung của một loại thiết bị tiếp nhận thông tin dưới dạng một tín hiệu nào đó như điện, cơ, quang hoặc nhiệt… rồi chuyển hóa thành một tín hiệu tương ứng giúp người sử dụng nhận ra. Trong phương pháp đo quang thì tín hiệu cần tiếp nhận là các bức xạ điện từ có bước sóng khác nhau.
Đối với máy đo quang đơn giản thì mắt người là một đetectơ, nhưng mắt người chỉ nhạy cảm với bức xạ có bước sóng từ 400 đến 700 nm đặc biệt là với bức xạ có bước sóng ~ 600 nm (màu vàng) và mắt người không thể phân biệt được hỗn hợp bức xạ có bước sóng khác nhau (ngay cả khi chỉ gồm 2 màu).
Trong các máy phổ quang hiện nay đetectơ được dùng phổ biến là loại đetectơ bức xạ có khả năng chuyển hóa tín hiệu quang thành tín hiệu điện nhờ một bộ biến năng. Yêu cầu cơ bản là tín hiệu đo được cuối cùng S phải tỉ lệ thuận với tín hiệu năng lượng bức xạ ban đầu P:
S α P hoặc S = kP
Hằng số k biểu thị độ nhạy của đetectơ và đetectơ càng có độ nhạy cao thì càng được dùng để đo những cường độ sáng càng bé. Tuy nhiên càng lưu ý rằng cả khi không có ánh sáng chiếu vào đetectơ nhiều khi ta vẫn thấy có một tín hiệu điện nền, được gọi là dòng tới d tức là:
S = kP + d
Cách phổ biến thường dùng để loại trừ dòng tới là chỉnh tín hiệu để có S=0 khi
P=0 trước mỗi phép đo. Cũng cần lưu ý rằng trong thực tế rất khó xác định được hằng số k vì phải cần đến một nguồn sáng chuẩn và phải tính toán được mọi thất thoát giữa nguồn và đetectơ. Ngoài ra k lại còn biến đổi theo bước sóng. Tuy vậy trong thực tế ta thường không cần để ý đến k vì ta không đo trực tiếp P mà lại đo A = log P0/P. Như vậy khi đo mẫu trắng (hay chất chuẩn) ta được tín hiệu S0 = k P0 và khi đo chất nghiên
cứu được S=k P thì độ hấp thụ sẽ là: S S k S k S p P A 0 0 log 0 / log / log log = = =
Tùy khả năng chuyển hóa tín hiệu của đetectơ mà ta có thể có các đetectơ quang điện (chuyển hóa tín hiệu quang thành tín hiệu điện) rất được sử dụng phổ biến trong
nhiều máy phổ quang hiện đại và các đetectơ nhiệt điện (chuyển hóa được tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện)…
II.4.5. Cấu tạo của một máy đo độ hấp thụ quang
Trước khi xét cụ thể cấu tạo của một máy đo độ hấp thụ quang nào đó ta cần nhận thức rõ rằng cho đến hiện nay đã có rất nhiều kiểu máy đo với giá cả rất khác nhau, từ một vài triệu đồng đến hàng tỉ đồng. Như vậy, tùy hoàn cảnh cụ thể của từng trường hợp mà ta có thể tiếp xúc với loại máy này hoặc máy kia. Vì thế trong phạm vi tài liệu này ta không thể giới thiệu được đủ đại diện của các kiểu máy mà chỉ có thể giới thiệu một kiểu phổ biến nào đó để làm thí dụ cụ thể.
Trước hết, về các kiểu máy ta có thể tạm thời phân loại như sau:
- Kiểu máy dùng toàn bộ phổ khả biến (VIS) của nguồn để đo màu “tổng hợp” của đối tượng nghiên cứu, được gọi chung là máy so màu (sắc kế).
- Kiểu máy dùng kính lọc để chọn sóng thích hợp cho từng đối tượng nghiên cứu được gọi chung là máy so màu dùng kính lọc (quang kế có kính lọc).
- Kiểu máy dùng đetectơ quang điện để đo năng lượng bức xạ ở một hoặc nhiều bước sóng đều được gọi là máy quang phổ (quang phổ kế).
- Kiểu dùng bộ phận khuếch tán (lăng kính hoặc cách tử hoặc cả hai) để tách được bức xạ thành những dãi sóng hẹp đơn sắc đều được gọi chung là máy phổ quang (phổ quang kế).
Sơ đồ tổng quát của mọi kiểu máy đã được trình bày ở phần đầu chương này. Bây giờ ta xét cụ thể một thí dụ là máy phổ quang đơn giản được dùng rất rộng hiện nay là máy Spectronic 20 có dạng ngoài (A) và sơ đồ quang học (B) được vẽ ở hình 18.6 dưới đây.
Nguồn sáng trong máy là một đèn tóc vonfam. Bức xạ sẽ đi qua hệ thấu kính và khe vào tối một cách tử phản xạ sao để được khuếch tán thành nhiều dải có bước sóng khác nhau. Núm chỉnh bước sóng (cam bước sóng) sẽ giúp ta chọn được bước sóng thích hợp cho phép đo đi qua khe ra tới mẫu đo. Ngăn để mẫu của máy này có thể dùng được cho các cuvet hình trụ và cả cho các ống nghiệm rẻ tiền với điều kiện các ống đem dùng phải thật đồng nhất. Cuối cùng bức xạ sẽ đi tới đetectơ là một ống quang điện để chuyển hóa tín hiệu quang thành tín hiệu điện, được khuếch đại lên rồi đưa vào sơ đồ cầu có thước chia độ theo thang độ truyền qua tuyến tính (từ 0 đến 100%) và theo thang độ hấp thụ phi tuyến tính.
Khi dùng ống quang điện nhạy cảm với màu xanh thì máy sẽ hoạt động được trong khoảng bức xạ có bước sóng từ 340 đến 650 nm còn nếu dùng ống quang điện nhạy cảm với màu đỏ thì ta có thể mở rộng khoảng bức xạ đến cỡ bước sóng 960 nm nhưng cần dùng thêm kính lọc đỏ cho khoảng mở rộng này.
Máy này rẻ tiền, dễ thao tác nhưng có độ chính xác không cao lắm 1 – 2 %. Muốn có những độ chính xác cao hơn ta cần có những máy hiện đại hơn. Đến nay tại nhiều cơ sở nghiên cứu đã có những máy với hai nguồn sáng (một nguồn là đên hidro hoặc đèn