Máy quang phổ là một thiết bị quan trọng trong lĩnh vực khoa học và công nghệ, đặc biệt trong các ngành hóa học, vật lý, sinh học và y học. Thiết bị này giúp phân tích thành phần của các chất dựa trên phổ ánh sáng mà chúng hấp thụ hoặc phát xạ. Vậy máy quang phổ là gì và hoạt động như thế nào?
1. Máy quang phổ là gì?
Về mặt hình thức, máy quang phổ là một thiết bị khoa học có thể tách một tính chất vật lý nhất định (như bước sóng hoặc khối lượng) thành các phổ hoặc phạm vi riêng lẻ và đo lường chúng.
Tuy nhiên, theo cách nói thông tục, thuật ngữ “máy quang phổ” thường dùng để chỉ một số loại công cụ phân tích hóa học cụ thể dùng để đo cách một loại bức xạ điện từ nhất định tương tác với vật chất tại các điểm khác nhau của quang phổ điện từ.
Nói một cách đơn giản, bạn có thể sử dụng máy quang phổ để xác định xem một nguyên tố hóa học nào đó có trong (hoặc không có trong) mẫu bạn đang phân tích hay không. Tất cả những gì bạn cần biết để đạt được điều này là cách các nguyên tố hóa học khác nhau hoạt động khi tiếp xúc với bức xạ điện từ trong một quang phổ cụ thể – có thể là tia X, ánh sáng hồng ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy được (khả kiến).
2. Có những loại máy quang phổ nào?
Theo nghĩa rộng nhất, máy quang phổ là bất kỳ dụng cụ nào được sử dụng để đo sự thay đổi của một đặc điểm vật lý trong một phạm vi nhất định; tức là một quang phổ. Đây có thể là quang phổ tỉ lệ khối lượng trên điện tích (trong trường hợp của máy quang phổ khối), sự thay đổi của tần số cộng hưởng hạt nhân (trong máy quang phổ NMR) hoặc sự thay đổi trong quá trình hấp thụ và phát xạ ánh sáng theo bước sóng (trong máy quang phổ quang học).
2.1 Máy quang phổ khối
Máy quang phổ khối xác định thành phần hóa học của mẫu bằng cách đo khối lượng của các phân tử tạo nên mẫu, đúng như tên gọi của nó.
Khái niệm chính đằng sau chức năng của máy quang phổ khối là tỷ lệ khối lượng trên điện tích — mối quan hệ giữa khối lượng của hạt (về cơ bản là số lượng) và điện tích của hạt đó. Trong máy quang phổ khối, tỷ lệ khối lượng trên điện tích của các hạt tạo nên mẫu được đo thông qua quá trình ion hóa — bắn phá mẫu bằng các electron tích điện âm.
Máy quang phổ khối phát hiện quá trình phân mảnh này và vẽ kết quả trên biểu đồ gọi là phổ khối. Và vì các nguyên tố hóa học khác nhau, cùng với các hạt tạo nên chúng, có phổ khối riêng, nên có thể xác định chính xác khối lượng và điện tích của các hạt trong mẫu.
Do đó, điều này cho phép bạn xác định cấu trúc phân tử của mẫu và cuối cùng là thành phần hóa học của nó.
Nếu tất cả những điều này nghe có vẻ phức tạp, thì đó là vì nó đúng là như vậy — phép đo phổ khối là một kỹ thuật phân tích hóa học rất nhạy nhưng cũng rất tinh vi. Do đó, nó chủ yếu được sử dụng trong các thí nghiệm khoa học và thử nghiệm phân tích, chẳng hạn như xác định niên đại và theo dõi đồng vị.
2.2 Máy quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
Máy quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) xác định cấu trúc vật lý và phân tử của mẫu bằng cách đo cách hạt nhân của các nguyên tử trong mẫu hoạt động khi tiếp xúc với từ trường mạnh.
Máy quang phổ NMR thường được sử dụng trong hóa học hữu cơ để xác định các phân tử hoặc hợp chất hữu cơ cụ thể trong mẫu, chẳng hạn như protein. Tuy nhiên, vì máy quang phổ NMR thường rất lớn và đắt tiền nên các ứng dụng thường chỉ giới hạn trong nghiên cứu khoa học chứ không phải mục đích thương mại.
2.3 Máy quang phổ quang học
Máy quang phổ quang học đo ánh sáng được mẫu hấp thụ trong một phần nhất định của quang phổ điện từ. Thông tin này có thể được sử dụng để xác định thành phần hóa học của mẫu.
Máy quang phổ, còn được gọi là máy quang phổ, là loại máy quang phổ phổ biến nhất. Trên thực tế, chúng được sử dụng rộng rãi trong cả ứng dụng khoa học và thương mại đến mức từ “máy quang phổ” thường dùng để chỉ một loại máy quang phổ quang học.
Tuy nhiên, “máy quang phổ quang học” là thuật ngữ chung cho nhiều loại thiết bị. Ba loại máy quang phổ quang học phổ biến nhất là:
- Máy quang phổ tử ngoại-nhìn thấy (UV-Vis), được sử dụng để đo cách mẫu hấp thụ ánh sáng tử ngoại-nhìn thấy để xác định thành phần hóa học của mẫu
- Máy quang phổ cận hồng ngoại , được sử dụng để đo độ hấp thụ ánh sáng cận hồng ngoại của mẫu và sau đó xác định thành phần hóa học của mẫu
- Máy quang phổ Raman , đo sự tán xạ Raman của các photon trong mẫu để xác định cấu trúc phân tử của nó
Điểm chung của tất cả các loại máy quang phổ quang học là các phần khác nhau của quang phổ điện từ có thể được sử dụng để xác định định lượng danh tính hóa học của mẫu, cho dù là quang phổ điện tử thông qua UV/Vis hay quang phổ rung động thông qua NIR và Raman.
Như đã đề cập, máy quang phổ quang học là loại máy quang phổ được sử dụng rộng rãi nhất trong cả lĩnh vực khoa học và thương mại do có giá cả phải chăng, tính linh hoạt và độ chính xác tương đối.
Ba loại máy quang phổ quang học phổ biến kể trên mặc dù khác nhau về mặt khoa học đằng sau chúng, nhưng chúng rất giống nhau về mặt cấu tạo, ứng dụng và lợi ích.
Máy quang phổ tử ngoại (máy quang phổ UV-Vis)
Thuật ngữ máy quang phổ có thể dùng để chỉ khá nhiều loại dụng cụ đo ánh sáng, với định nghĩa chính xác tùy thuộc vào lĩnh vực khoa học hoặc công nghiệp. Trong mọi trường hợp, thuật ngữ ‘ảnh’ được sử dụng để chỉ máy quang phổ dùng để đo định lượng cường độ ánh sáng theo bước sóng. Trong nghiên cứu học thuật (đặc biệt là các phòng thí nghiệm hóa học và sinh học), thuật ngữ máy quang phổ được sử dụng cụ thể để chỉ máy quang phổ đo độ hấp thụ ánh sáng của mẫu và định nghĩa đó sẽ được sử dụng ở đây.
Máy quang phổ huỳnh quang
Máy quang phổ huỳnh quang được sử dụng để đo phát xạ huỳnh quang (hay nói chung hơn là phát quang) từ một mẫu. Các thuật ngữ máy quang phổ huỳnh quang và máy quang phổ huỳnh quang/phát quang có thể hoán đổi cho nhau và các nhà sản xuất khác nhau gọi chúng bằng các tên khác nhau.
Máy quang phổ Raman
Máy quang phổ Raman được sử dụng để đo sự tán xạ Raman của ánh sáng từ một mẫu. Thiết kế của máy quang phổ Raman thông thường tương tự như máy quang phổ huỳnh quang nhưng có một vài điểm khác biệt chính. Nguồn sáng trắng và bộ đơn sắc kích thích có trong máy quang phổ huỳnh quang được thay thế bằng tia laser.
3. Máy quang phổ quang học hoạt động như thế nào?
Mặc dù các loại máy quang phổ quang học khác nhau dựa trên các hiện tượng vật lý khác nhau và hoạt động khác nhau, nhưng nguyên lý hoạt động cơ bản của tất cả chúng đều giống nhau.
Hệ thống quang phổ toàn quang học sẽ chiếu ánh sáng qua mẫu, tiếp nhận ánh sáng và giải thích cách ánh sáng bị mẫu ảnh hưởng để xác định thành phần hóa học của mẫu.
Do đó, có một số thành phần mà bạn sẽ tìm thấy trong bất kỳ loại máy quang phổ quang học nào:
Nguồn sáng, thường là đèn phát ra ánh sáng đi qua mẫu. Loại nguồn sáng chính xác phụ thuộc vào phần quang phổ điện từ mà máy quang phổ hoạt động. Ví dụ, máy quang phổ UV-Vis thường sử dụng đèn xenon, có khả năng phát ra cả ánh sáng cực tím và ánh sáng khả kiến. Mặt khác, máy quang phổ NIR thường có đèn halogen vonfram, vì chúng bao phủ toàn bộ dải ánh sáng gần hồng ngoại. Cuối cùng, máy quang phổ Raman sử dụng tia laser vì chúng cung cấp cường độ cao cần thiết để điều khiển tán xạ Raman.
Bộ chọn bước sóng, cho phép ánh sáng được chia thành các bước sóng riêng lẻ. Trong trường hợp ánh sáng khả kiến, điều này có nghĩa là các màu riêng lẻ. Sự nhiễu xạ ánh sáng này rất cần thiết cho quá trình quang phổ học, vì nó cho phép máy quang phổ đo cách mẫu tương tác với ánh sáng có bước sóng cụ thể. Loại cơ bản và thiết yếu nhất của bộ chọn bước sóng là lăng kính. Tuy nhiên, hầu hết các máy quang phổ hiện đại đều dựa vào một bộ gương có mạng nhiễu xạ thay thế, vì nó cho phép phân tách ánh sáng chính xác hơn.
Một bộ tách sóng quang, có chức năng tiếp nhận và diễn giải ánh sáng đã đi qua mẫu. Các bộ tách sóng quang trong hầu hết các máy quang phổ quang học đều tương tự như các bộ tách sóng quang trong máy ảnh kỹ thuật số, có khả năng hấp thụ đồng thời ánh sáng trên toàn bộ quang phổ điện từ của nó. Loại bộ tách sóng quang này còn được gọi là thiết bị ghép điện tích (CCD), bao gồm một mảng các cảm biến nhạy sáng. Các cảm biến này thu ánh sáng, xử lý ánh sáng và cho phép thiết bị hình dung hành vi của ánh sáng dưới dạng đồ thị hoặc biểu đồ.
4. Máy quang phổ được sử dụng để làm gì?
Mặc dù máy quang phổ quang học có thể rất hữu ích trong các thí nghiệm khoa học, nhưng chúng thường được sử dụng nhiều nhất trong sản xuất như một biện pháp kiểm soát chất lượng.
Do khả năng xác định thành phần hóa học của mẫu một cách nhanh chóng và chính xác, máy quang phổ quang học đặc biệt hữu ích trong việc xác định sự hiện diện của tạp chất hoặc các nguyên tố lạ trong dung dịch.
Tuy nhiên, ứng dụng của các thiết bị này không dừng lại ở đó. Sau đây là một số ngành công nghiệp phụ thuộc nhiều vào máy quang phổ quang học và mục đích của chúng:
Hóa dầu
Phổ cận hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong hóa dầu để xác định chỉ số octan của xăng. Đó là vì chỉ số octan được xác định bằng nồng độ của một số hydrocarbon và hợp chất hữu cơ trong nhiên liệu, mà máy quang phổ NIR đặc biệt nhạy cảm.
Sản xuất thực phẩm và đồ uống
Máy quang phổ quang học thường được sử dụng trong sản xuất thực phẩm và đồ uống như một công cụ kiểm soát chất lượng. Chúng giúp đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng an toàn để tiêu thụ và nồng độ của một số thành phần trong sản phẩm (như chất dinh dưỡng đa lượng) phù hợp với các yêu cầu của luật pháp và ngành. Ví dụ, quang phổ UV-Vis thường được sử dụng để đo nồng độ caffeine trong đồ uống có chứa caffeine. Trong khi đó, quang phổ NIR thân thiện với hợp chất hữu cơ được sử dụng để đo lượng chất béo, protein, carbohydrate và các chất dinh dưỡng thiết yếu khác trong thực phẩm mà không làm ảnh hưởng đến bao bì cuối cùng.
Sản xuất dược phẩm
Phổ quang học và đặc biệt là phổ Raman được sử dụng rộng rãi trong sản xuất dược phẩm để theo dõi nồng độ các thành phần dược phẩm hoạt tính (API) trong thuốc. Vì máy quang phổ Raman có thể rất nhỏ gọn và di động, nên chúng cho phép thử nghiệm tại chỗ bằng cách sử dụng sản phẩm cuối cùng, điều này có thể tiết kiệm rất nhiều thời gian và công sức khi đảm bảo chất lượng thuốc.
Kết luận
Máy quang phổ là một công cụ quan trọng trong phân tích khoa học và công nghiệp, giúp xác định thành phần và nồng độ các chất một cách chính xác. Việc lựa chọn đúng loại máy quang phổ và vận hành đúng cách sẽ giúp tối ưu hiệu quả phân tích và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Hy vọng bài viết này đã giúp bạn hiểu rõ máy quang phổ là gì và ứng dụng của nó trong thực tế.
Tham khảo bài viết khác: Máy ép thủy lực
Trả lời
Bạn phải đăng nhập để gửi bình luận.