Máy quang phổ là một dụng cụ khoa học, dùng để phân tích phổ bức xạ điện từ, nó có thể hiển thị phổ bức xạ dưới dạng máy quang phổ biểu diễn sự phân bố cường độ ánh sáng theo bước sóng (trục y là cường độ, trục x là bước sóng). /tần số ánh sáng).Ánh sáng được phân tách thành các bước sóng thành phần của nó bên trong máy quang phổ bằng các bộ tách chùm, thường là lăng kính khúc xạ hoặc cách tử nhiễu xạ. Hình 1.
Hình 1 Quang phổ của bóng đèn và ánh sáng mặt trời (trái), nguyên lý tách chùm tia của cách tử và lăng kính (phải)
Máy quang phổ đóng vai trò quan trọng trong việc đo phạm vi bức xạ quang học rộng, bằng cách kiểm tra trực tiếp phổ phát xạ của nguồn sáng hoặc bằng cách phân tích sự phản xạ, hấp thụ, truyền hoặc tán xạ ánh sáng sau khi tương tác với vật liệu.Sau khi ánh sáng và vật chất tương tác, quang phổ trải qua sự thay đổi trong một dải quang phổ nhất định hoặc một bước sóng cụ thể và các tính chất của chất có thể được phân tích định tính hoặc định lượng tùy theo sự thay đổi của quang phổ, chẳng hạn như phân tích sinh học và hóa học của thành phần và nồng độ của máu và các dung dịch chưa biết, phân tích phân tử, cấu trúc nguyên tử và thành phần nguyên tố của vật liệu Hình 2.
Hình 2 Phổ hấp thụ hồng ngoại của các loại dầu khác nhau
Ban đầu được phát minh để nghiên cứu vật lý, thiên văn học, hóa học, máy quang phổ hiện là một trong những công cụ quan trọng nhất trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật hóa học, phân tích vật liệu, khoa học thiên văn, chẩn đoán y học và cảm biến sinh học.Vào thế kỷ 17, Isaac Newton có thể tách ánh sáng thành dải màu liên tục bằng cách truyền một chùm ánh sáng trắng qua lăng kính và lần đầu tiên dùng từ “Spectrum” để mô tả kết quả này. Hình 3.
Hình 3 Isaac Newton nghiên cứu quang phổ ánh sáng mặt trời bằng lăng kính.
Vào đầu thế kỷ 19, nhà khoa học người Đức Joseph von Fraunhofer (Franchofer) kết hợp với lăng kính, khe nhiễu xạ và kính thiên văn đã chế tạo ra máy quang phổ có độ chính xác và độ chính xác cao, dùng để phân tích phổ phát xạ mặt trời Hình 4. Ông lần đầu tiên quan sát thấy quang phổ bảy màu của mặt trời không liên tục mà có một số vạch tối (hơn 600 vạch rời rạc) trên đó, được gọi là "vạch Frankenhofer" nổi tiếng.Ông đặt tên cho những vạch khác biệt nhất là A, B, C…H và đếm được khoảng 574 vạch giữa B và H tương ứng với sự hấp thụ của các nguyên tố khác nhau trên quang phổ mặt trời. Hình 5. Đồng thời, Fraunhofer cũng là người đầu tiên sử dụng cách tử nhiễu xạ để thu được quang phổ vạch và tính bước sóng của vạch quang phổ.
Hình 4. Một máy quang phổ đời đầu, được nhìn bằng mắt người
Hình 5 Đường Fraun Whaffe (đường màu tối trên dải băng)
Hình 6 Quang phổ mặt trời, với phần lõm tương ứng với vạch Fraun Wolfel
Vào giữa thế kỷ 19, các nhà vật lý người Đức Kirchhoff và Bunsen, đã làm việc cùng nhau tại Đại học Heidelberg, và với công cụ ngọn lửa được thiết kế mới của Bunsen (đốt Bunsen) và thực hiện phân tích quang phổ đầu tiên bằng cách ghi lại các vạch quang phổ cụ thể của các hóa chất khác nhau (muối) rắc vào ngọn lửa đốt Bunsen.7. Họ thực hiện việc kiểm tra định tính các nguyên tố bằng cách quan sát quang phổ, và vào năm 1860 đã công bố phát hiện ra quang phổ của 8 nguyên tố và xác định sự tồn tại của các nguyên tố này trong một số hợp chất tự nhiên.Những phát hiện của họ đã dẫn đến việc tạo ra một nhánh quan trọng của hóa học phân tích quang phổ: phân tích quang phổ
Hình 7 Phản ứng ngọn lửa
Vào những năm 20 của thế kỷ 20, nhà vật lý người Ấn Độ CV Raman đã sử dụng máy quang phổ để phát hiện ra hiệu ứng tán xạ không đàn hồi của ánh sáng và các phân tử trong dung dịch hữu cơ.Ông quan sát thấy ánh sáng tới tán xạ với năng lượng cao hơn và thấp hơn sau khi tương tác với ánh sáng, sau này gọi là tán xạ Raman hình 8. Sự thay đổi năng lượng ánh sáng đặc trưng cho cấu trúc vi mô của các phân tử nên quang phổ tán xạ Raman được sử dụng rộng rãi trong vật liệu, y học, hóa học và các ngành công nghiệp khác để xác định và phân tích loại phân tử và cấu trúc của các chất.
Hình 8 Năng lượng thay đổi sau khi ánh sáng tương tác với các phân tử
Vào những năm 30 của thế kỷ 20, nhà khoa học người Mỹ, Tiến sĩ Beckman lần đầu tiên đề xuất đo độ hấp thụ của phổ tử ngoại ở từng bước sóng riêng biệt để vạch ra phổ hấp thụ hoàn chỉnh, từ đó cho biết loại và nồng độ của các chất hóa học trong dung dịch.Tuyến ánh sáng hấp thụ truyền qua này bao gồm nguồn sáng, máy quang phổ và mẫu.Phần lớn việc phát hiện thành phần và nồng độ dung dịch hiện nay đều dựa trên phổ hấp thụ truyền qua này.Ở đây, nguồn sáng được chia thành mẫu và lăng kính hoặc cách tử được quét để thu được các bước sóng khác nhau. Hình 9.
Hình.9 Nguyên tắc phát hiện độ hấp thụ -
Vào những năm 40 của thế kỷ 20, máy quang phổ phát hiện trực tiếp đầu tiên được phát minh, và lần đầu tiên, ống nhân quang PMT và các thiết bị điện tử đã thay thế máy quan sát bằng mắt người truyền thống hoặc phim chụp ảnh, có thể đọc trực tiếp cường độ quang phổ so với bước sóng. 10. Do đó, máy quang phổ với tư cách là một công cụ khoa học đã được cải thiện đáng kể về tính dễ sử dụng, đo lường định lượng và độ nhạy theo thời gian.
Hình 10 Ống nhân quang
Vào giữa đến cuối thế kỷ 20, sự phát triển của công nghệ máy quang phổ không thể tách rời khỏi sự phát triển của vật liệu và thiết bị bán dẫn quang điện tử.Năm 1969, Willard Boyle và George Smith của Bell Labs đã phát minh ra CCD (Thiết bị ghép điện tích), sau đó được cải tiến và phát triển thành ứng dụng hình ảnh bởi Michael F. Tompsett vào những năm 1970.Willard Boyle (trái), George Smith, người đoạt giải Nobel cho phát minh CCD (2009) như Hình 11. Năm 1980, Nobukazu Teranishi của NEC ở Nhật Bản đã phát minh ra một điốt quang cố định, giúp cải thiện đáng kể tỷ lệ nhiễu hình ảnh và nghị quyết.Sau đó, vào năm 1995, Eric Fossum của NASA đã phát minh ra cảm biến hình ảnh CMOS (Chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung), tiêu thụ điện năng ít hơn 100 lần so với các cảm biến hình ảnh CCD tương tự và có chi phí sản xuất thấp hơn nhiều.
Hình 11 Willard Boyle (trái), George Smith và CCD của họ (1974)
Vào cuối thế kỷ 20, sự cải tiến không ngừng của công nghệ xử lý và sản xuất chip quang điện tử bán dẫn, đặc biệt là với ứng dụng mảng CCD và CMOS trong máy quang phổ Hình 12, có thể thu được đầy đủ dải quang phổ trong một lần phơi sáng.Theo thời gian, máy quang phổ đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, bao gồm nhưng không giới hạn ở phát hiện/đo màu, phân tích bước sóng laser và quang phổ huỳnh quang, phân loại đèn LED, thiết bị cảm biến hình ảnh và ánh sáng, quang phổ huỳnh quang, quang phổ Raman, v.v. .
Hình 12 Các loại chip CCD khác nhau
Trong thế kỷ 21, công nghệ thiết kế và chế tạo các loại máy quang phổ đã dần hoàn thiện và ổn định.Với nhu cầu ngày càng tăng về máy quang phổ ở mọi tầng lớp xã hội, sự phát triển của máy quang phổ đã trở nên nhanh chóng và đặc thù hơn trong ngành.Ngoài các chỉ báo thông số quang học thông thường, các ngành công nghiệp khác nhau có yêu cầu tùy chỉnh về kích thước âm lượng, chức năng phần mềm, giao diện truyền thông, tốc độ phản hồi, độ ổn định và thậm chí cả chi phí của máy quang phổ, khiến cho việc phát triển máy quang phổ trở nên đa dạng hơn.
Thời gian đăng: 28-11-2023