Thiết bị đo quang phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS)

Máy đo UV-VIS (thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử)

1. Sơ đồ thiết bị

Sơ đồ thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử được mô tả bằng sơ đồ khối ở hình 2-6 dưới đây:

so-do-may-do-uv-vis

loading...

Hình 2-6. Sơ đồ thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử

2. Nguồn sáng

Các loại đèn H2 và D2 cho ánh sáng với bước sóng từ 160-380 nm (hình 2-7)

Đèn sợi đốt vonfram cho ánh sáng từ miền 350-2200 nm (hình 2-8)

Các thiết bị UV-VIS hiện đại thường sử dụng cả hai đèn D2 và đèn sợi đốt vonfram cho miền ánh ổn định từ miền tử ngoại và miền trông thấy.

den-deuteri

Hình 2-7. Đèn Deuteri (a) và phổ phát xạ của nó (b)

den-vonfram

Hình 2-8. Đèn sợi đốt vonfram (a) và phổ phát xạ của nó (b)

3. Bộ tán sắc:

Các thiết bị phân tích quang học thường cần đến bộ tán sắc giúp việc phân chia ánh sáng thành ánh sáng đơn sắc, nó được sử dụng để chất phân tích hấp thụ hay phát xạ. Do vậy, bộ tán sắc nâng cao cả độ nhạy và độ chọn lọc. Ngoài ra, tính đơn sắc của ánh sáng tới làm tăng tính đúng đắn của phương trình toán học của định luật Lambert-Beer.

Đầu tiên, cần hiểu rằng không có có bộ tán sắc nào là có khả năng tạo ra bức xạ có bước sóng đơn sắc. Mặc dù, đầu ra của thiết bị là một miền ánh sáng liên tục được gọi là đám; Các bước sóng này phân bố ít nhiều đối xứng qua trung tâm của bước sóng danh nghĩa λ1 (nominal wavelength).

bo-tan-sac

Hình 2-9. Đầu ra của một bộ tán sắc

Như được chỉ ra ở hình 2-9, độ rộng hiệu quả của đám hay còn gọi là độ đơn sắc được định nghĩa là độ rộng của đám phổ ở chiều cao ½ của chiều cao pic. Độ đơn sắc của bộ tán sắc thay đổi rất lớn đối với các bộ tán sắc khác khau. Ví dụ, bộ tán sắc có chất lượng cao cho miền trông thấy có thể cho độ đơn sắc nhỏ hơn 1/10  nm, trong khi đó các bộ lọc trong vùng trông thấy có thể cho độ đơn sắc tới 200 nm hay lớn hơn.

Cách tử: Hầu hết bộ tán sắc trong các thiết bị phân tích hiện đại là các bản sao cách tử, nhận được bằng cách đúc từ cách tử chủ. Cách tử chủ là một kính phẳng, được đánh bóng bề mặt và được chia vạch bằng kim cương. Mặt cắt đứng được phóng đại ở hình 2-9 chỉ cho ta thấy một vài rãnh. Một cách tử sử dụng cho miền tử ngoại và trông thấy thường chứa từ 300-2000 rãnh/mm.

Cách tử được phủ lớp nhôm để nó có thể phản xạ. Một lớp mỏng SiO2 trên bề mặt nhôm để bảo vệ kim loại khỏi bị oxy hóa, điều này có thể làm giảm khả năng phản xạ của nó. Khi ánh sáng được phản xạ từ cách tử, mỗi một rãnh hoạt động như một nguồn bức xạ.  Khi các tia sáng liền kề nhau trong cùng pha, chúng tăng cường lẫn nhau, và khi chúng không cùng một pha, chúng môt phần hoặc toàn bộ triệt tiêu nhau (hình 2-10).

su-giao-thoa-song

Hình 2-10. Sự giao thoa với các song liền kề (a): cùng pha 0°, (b) 90° và  (c)180° lệch pha

Theo nguyên lý của hiện tượng giao thoa ánh sáng (hình 2-10), các cực đại sáng (constructive interference) chỉ được thấy tại những phương mà hiệu quang trình của hai tia bằng nhau và bằng số nguyên lần bước sóng (nλ).

                 nλ = a-b             (2-13)

Tro ng đó n = ±1, ±2, ±3, …  Khi n = ±1 gọi là nhiễu xạ bậc nhất (first-order diffraction), khi n = ±2 gọi là nhiễu xạ bậc 2 (second-order diffraction)

nguyen-ly-nhieu-xa-cach-tu

Hình 2-11. Nguyên lý nhiễu xạ từ một loại cách tử 

Trên hình 2-11, góc tới θ là dương, góc nhiễu xạ Φ cũng dương theo hướng ngược với hướng từ θ, theo qui ước Φ là âm. Có khả năng cho Φ cùng phía với hướng thường như θ, trong trường hợp này Φ là dương. Ở trên hình 2-10, a = dsinθ và b=-dsinΦ (do Φ là âm nên sinΦ là âm). Thay vào phương trình 2-11 ta có điều kiện để có cực đại sáng:

nλ = a-b = d(sinθ +sinΦ)                   (2-13)

Ở đây, d là khoảng cách giữa hai vạch liền kề. Ứng với mỗi một góc tới θ, có hàng loạt góc phản xạ, trong đó Φ là góc ở bước sóng xác định sẽ tạo ra cực đại sáng.

Độ phân giải: đo khả năng tách hai pic ở gần nhau. Độ phân giải càng cao thì sự khác nhau giữa hai bước sóng ∆λ có thể phân biệt được càng nhỏ. Độ phân giải của cách tử:

\frac{\lambda}{\Delta \lambda}=n.N    (2-14)

ở đây,λ là bước sóng, n là bậc nhiễu xạ, N là số vạch trên cách tử nhiễu xạ được chiếu sáng.

Phương trình (2-14) chỉ ra rằng, nếu chúng ta thiết kế với độ phân giải là 104 với bậc nhiễu xạ bậc nhất, nhất thiết phải có 104 vạch ở trên cách tử. Nếu cách tử  có độ dài 10cm, cách tử phải có số vạch 103 vạch/cm.

4. Cuvet đựng mẫu

 cuvet

Hình 2-12. Các loại cuvet đựng mẫu

Cuvet đựng mẫu thường làm bằng thủy tinh (làm việc trong vùng trông thấy) hoặc bằng thạch anh (làm việc trong miền tử ngoại và trông thấy) như được chỉ ra ở hình vẽ 2-12.

5. Detector

Các tính chất của bộ chuyển đổi tín hiệu bức xạ điện từ:

  • Phản hồi nhanh chóng với các với các bức xạ mang năng lượng thấp trên một miền bước sóng rộng.
  • Tạo ra tín hiệu điện để có thể dễ dàng khuếch đại và có độ nhiễu thấp.
  • Tín hiệu được tạo ra bởi đầu dò tỉ lệ thuận với cường độ của tín hiệu của đầu vào Detector làm việc trong miền UV-VIS thường dùng là ống quang (phototubes) làm việc trong miền từ 150-1000 nm (hình 2-13).

ong-quang-dien

Hình 2-13. Ống quang và các phụ kiện

Mặt lõm của bề mặt catot được phủ một lớp vật liệu quang điện, chẳng hạn như một kim loại kiềm hay các oxit kim loại. Các vật liệu quang điện có xu hướng phát xạ electron khi bị kích thích. Khi một điện áp được đặt vào các điện cực, các electron chạy theo anot (dạng dây), tạo ra một dòng có thể dễ dàng được khuếch đại, hiện thị và ghi lại.

Số electron được đẩy ra từ bề mặt của quang điện tỉ lệ thuận với bức xạ tia tới tấn công bề mặt này. Với điện áp khoảng 90V, các electron này có thể tới được anot và cho một dòng tỉ lệ thuận với cường độ tia tới.

Một số ứng dụng phương pháp đo quang (đo UV-VIS)

Việc ứng dụng phương pháp quang phổ đo quang không chỉ ở phân tích định lượng mà nó còn được ứng dụng để nghiên cứu trạng thái cân bằng trong dung dịch như xác định hằng số phân ly của các axit hữu cơ, hằng số cân bằng của phản ứng tạo phức và thành phần phức chất.

1. Phân tích các chất trong hỗn hợp

Độ hấp thụ của một hỗn hợp bằng tổng độ hấp thụ của các chất trong thành phần hỗn hợp. Chúng ta có thể lấy một ví dụ về ứng dụng phân tích các thành phần trong một hỗn hợp gồm hai chất X và Y như bài toán cho dưới đây.

Câu hỏi: Độ hấp thụ A của 1 dd X và Y nguyên chất và hỗn hợp (X+Y) với cuvet có bề dày b= 1,00cm tại 1 bước sóng λ= 420nm và 505nm có các giá trị là :

Chất       Nồng độ, M       A (λ= 420nm)  A (λ= 505nm)
X            1,00×10-4 0,982             0,216
Y 2,00×10-4 0,326             1,262
X+Y Cx+Cy 0,820             0,908

Giải:

Biểu thức toán học của định luật Lambert- Beer ta có

A=ε×b×C

Trong đó:        A là độ hấp thụ là một đại lượng không thứ nguyên

b là bề dày của cuvet đựng mẫu, cm              C là nồng độ chất nghiên cứu, M              ε  là độ hấp thụ mol,  M-1cm-1

(với 1 cuvet cố định b =1,00 cm = const)

A=ε×1(cm)×C

Từ bảng số liệu thực nghiệm ta có:

Ta có thể thiết lập hệ phương trình dựa trên số liệu độ hấp thụ đo được ở bước sóng 420 và 505nm.

\frac{A_{1}}{b[X]}\times C_{x} + \frac{A_{2}}{b[Y]}\times C_{y}=0,812

\frac{A_{3}}{b[X]}\times C_{x} + \frac{A_{4}}{b[Y]}\times C_{y}=0,908

Thay số liệu thực ngiệm vào ta có:

\frac{0,982}{1,00.10^{-4}}\times C_{x} + \frac{0,326}{2,00.10^{-4}}\times C_{y}=0,812

\frac{0,216}{1,00.10^{-4}}\times C_{x} + \frac{1,262}{2,00.10^{-4}}\times C_{y}=0,908

Hệ phương trình tương đương với:

 9820×Cx + 1630×Cy = 0,820

2160×Cx + 6310×Cy = 0,908

=>Cx= 6,23×10-5( M) và CY = 1,22×10-4(M)

2. Xác định thành phần phức chất trong dung dịch bằng phương pháp dãy đồng phântử gam (phương pháp biến thiên liên tục_Continuous Variation)

Để xác định hệ số hóa học trong phản ứng tạo phức chất người ta hay dùng phương pháp dãy đồng phân tử gam. Phương pháp này chỉ đúng cho trường hợp hệ thống tạo thành một phức, không có phản ứng phụ như thủy phân, trùng hợp hay phân ly.

Giả sử P tác dụng với thuốc thử X để cho phức PXn theo phản ứng:

P + nX ⇋ PXn    (2-16)

Với hằng số cân bằng:

 K_{cb}=\frac{[PX_{n}]}{[P][X]^{n}}    (2-17)

Từ phương trình (2-17) cho thấy khi tăng nồng độ thuốc thử X thì lượng phức tạo thành sẽ tăng lên. Nếu pha một dãy dung dịch trong đó lượng tương đối của P và X khác nhau, nhưng lượng chung của chúng không đổi, thì sẽ có một dung dịch có nồng độ PXn cực đại. Thành phần của dung dịch này sẽ phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của Pvà X cũng như Kcb. Nếu pha chế dãy dung dịch xuất phát từ dung dịch P và X có nồng độ phân tử gam (mol/l) giống nhau, trong từng dung dịch của dãy, tổng nồng độ phân tử gam của P và X là không đổi, còn tỉ lệ nồng độ P với nồng độ X thay đổi (dung dịch đồng phân tử). Dung dịch có thành phần phức chất cực đại là dung dịch mà trong đó tỉ lệ nồng độ của Me và R bằng thành phần của chúng trong phức chất.

Giả sử P và X có khả năng tạo ra ba phức PX, PX2 và PX3. Nếu một phức chiếm ưu thế chả hạn PX2, thì người ta có thể sử dụng phương pháp dãy đồng phân tử để xác định thành phần phức.

Thủ tục truyền thống khi xác định là trộn P và X và pha loãng đến một thể tích  sao cho tổng nồng độ của [P] + [X] = const. Độ hấp thụ (thường chọn bước sóng tia tới ứng với cực đại hấp thụ) được đo với từng dung dịch. Xây dựng đồ thị mối quan hệ giữa độ hấp thụ và phần mol của X. Độ hấp thụ cực đại đạt được chỉ ra thành phần phức chiếm ưu thế (hình 1-13).

Các điều lưu ý khi sử dụng phương pháp biến thiên liên tục:

  • Đảm bảo tính đúng đắn của định luật Lambert-Beer.
  • Giữ lực ion không đổi và pH ổn định (có thể sử dụng dung dịch đệm).
  • Đo ở nhiều hơn một bước sóng tia tới; cực đại hấp thụ xảy ra ở cùng phần mol cho mỗi bước sóng.
  • Làm thí nghiệm với tổng nồng độ Me + R khác nhau.

do-thi-tao-phuc-ly-tuong

Hình 2-14. Đồ thị dạng lý tưởng cho sự tạo phức PX, PX2 và PX3

theo phương pháp dãy đồng phân tử gam

 do-thi-tao-phuc-day-dong-phan-tu-gam

Hình 2-15. Đồ thị thực nghiệm cho sự tạo phức ML2 theo phương pháp dãy đồng phân tử gam

3. Xác định thành phần phức chất trong dung dịch bằng phương pháp đường cong bãohòa (mole-ratio method)

Đây là phương pháp phổ biến, có thể ứng dụng trong trường hợp phương pháp biến dãy đồng phân tử không cho kết quả tốt. Đối với các phản ứng có hiệu ứng phổ hấp thụ, luôn luôn ta có thể xây dựng được đường cong bão hòa.

Khi xây dựng đường cong bão hòa thì người ta giữ nồng độ một cấu tử không thay đổi (thường là cấu tử Me) còn thay đổi nồng độ cấu tử kia. Đo độ hấp thụ của các dung dịch trong dãy. Xây dựng đồ thị mối quan hệ A-CR/CMe. Nếu phức bền thì đồ thị thu được sẽ có điểm gãy ứng với hoành độ \frac{C_{R}}{C_{Me}}=n.

duong-cong-bao-hoa-cho-phuc

Hình 2-16. Đường cong bão hòa cho phức 1:1 và 1;2. Phức 1:2 bền hơn,

được chỉ ra bởi độ cong ít hơn gần hệ số tỉ lượng.

 

10 Replies to “Thiết bị đo quang phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS)”

  1. Chào ad. Có thể cho em hỏi một câu: Em đang làm thí nghiệm phân tích thực phẩm xác định hàm lượng sắt bằng phương pháp uv-vis, khi đem đi đo thì tài liệu cho sẵn là đo ở giá trị lambda max 510nm. Vậy giá trị đó từ đâu ra vậy ạ? Xin cám ơn ạ

    1. Chào bạn.
      Giá trị lambda max như bạn nhắc đến ở đây là giá trị có được từ thực nghiệm, có nhiều cách thực nghiệm để xác định nó nhưng có 2 cách phổ biến nhất mình thấy:
      1. Sử dụng máy đo UV-VIS: đo lặp lại 1 cuvet chứa dung dịch sau phản ứng ở nồng độ thích hợp( sao cho độ hấp thụ cực đại khi đo ở giữa khoảng đo của máy), tăng dần bước sóng( lambda) từ bước sóng 210 nm(UV) đến 800nm (Vis), mỗi lần đo tăng bước sóng 1-2 đơn vị. Tại giá trị bước sóng nào mà độ hấp thụ là lớn nhất thì bước sóng đó chính là lambda max. Tuy nhiên phương pháp này sử dụng khi PTN chỉ có máy đo UV-Vis vì mất khá nhiều công, với những PTN có máy sắc ký lỏng đầu dò UV-Vis (một số hãng đặt tên là đầu dò DAD, nguyên lý cũng như nhau) thì sẽ có cách xác định thứ 2.
      2. Sử dụng HPLC với đầu dò UV-Vis( DAD): sử dụng cột mao quản ( đoạn ống dẫn dài có đường kính trong tương đương với các ống dẫn trong máy), tiêm một thể tích lớn sau đó quét phổ 3D với dải bước sóng từ 210-800nm (thấp đến cao), phổ 3D này có 3 trục tương ứng: thời gian, bước sóng, độ hấp thụ. Biết tọa độ đỉnh cao nhất của phổ 3D này sẽ có được bước sóng hấp thụ cực đại.

        1. Hoàn toàn được bạn ạ, tuy nhiên bạn phải xác định mục đích đo của mình( đo bề dày hay đo nồng độ chất hấp thụ chứa trong màng polymer. Nếu đo nồng độ chất trong màng polymer thì bề dày của mẫu chuẩn và mẫu cần đo phải giống nhau, và chất phải phân tán đều trong màng)

          1. Dạ ad cho em hỏi là lamda max của một chất khi sử dụng trong uv-vis hay trong hplc có đầu dò uv-vis có giống nhau không ạ. Em muốn xác định hàm lượng một chất, nhưng em chỉ tìm được lamda max của chất đó khi đo bằng hplc, liệu em có thể sử dụng lamda max đó để đo bằng máy đo uv-vis không ạ?

  2. Cho em hỏi để kiểm tra thiết bị máy UV- VIS hằng ngày thì mình dùng dung dịch gì ạ?, dung dịch K2Cr2O7 thì chỉ kiểm
    tra được cùng UV, còn vùng Vis mình có thể dùng dung dịch gì ạ?

Gửi phản hồi

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.