Đo mẫu rắn bằng kỹ thuật phản xạ khuếch tán trong UV-Vis

Sử dụng quả cầu tích phân trong phân tích mẫu rắn bằng UV-Vis

Trong phép đo UV-Vis thông thường, các mẫu được đo ở chế độ truyền qua. Do vậy mẫu phải trong suốt và cho phép ánh sáng có thể truyền qua được, trong đó hiện tượng khúc xạ và tán xạ có thể bỏ qua được, và do đó toàn bộ phần chùm sáng còn lại khi đi qua cuvet đo sẽ đến thẳng detector. Vì vậy, chế độ đo truyền qua chỉ áp dụng được cho các mẫu lỏng, khí.

Chế độ đo truyền qua

Chế độ đo phản xạ - khuếch tán

Tuy nhiên, đối với các mẫu không trong suốt như các mẫu rắn thì chùm sáng không xuyên qua được mà bị tán xạ (phản xạ-khuếch tán), có nghĩa là bị phản xạ theo rất nhiều hướng khác nhau do bề mặt của chất rắn không thực sự bằng phẳng. Vì vậy, nếu bố trí detector ở 1 vị trí xác định thì chỉ có 1 phần rất nhỏ các tia phản xạ mới có cơ hội đi vào detector và gây ra sai số lớn khi đo cũng như không có được độ lặp lại cao.

Vai trò của quả cầu tích phân là hội tụ các tia tán xạ vào detector. Cầu tích phân là quả cầu kín dạng rỗng, phía trong được phủ bởi một lớp hợp chất có hệ số hấp thụ vô cùng thấp giúp phản xạ hoặc tán xạ ánh sáng hoàn toàn mà không bị suy giảm cường độ. Trên quả cầu có thể có một vài cửa sổ là vị trí để tiếp nhận chùm sáng kích thích vị trí đặt detector.

Có 2 phương án đặt mẫu tùy vào chế độ đo:

-     Với chế độ đo truyền qua, mẫu được đặt ở lối vào của chùm sáng trên cầu tích phân. Cấu hình này giúp cho việc đo đạc sự tán xạ của các hệ keo hoặc mẫu rắn với hiệu quả tốt hơn so với máy UV-Vis truyền thống; Cầu tích phân sẽ gom toàn bộ tia tán xạ và hội tụ vào detector.

-     Ở chế độ đo phản xạ-khuếch tán, mẫu được đặt phía sau cầu tích phân. Cấu hình này có thể đo được cả quá trình phản xạ-khuếch tán và sự phản xạ toàn phần (giống như sự phản xạ ánh sáng trên gương phẳng).

Ứng dụng cầu tích phân để đo phổ UV-Vis cho các đối tượng là chất rắn có hình dạng hoặc bề mặt ghồ ghề như tế bào năng lượng mặt trời, vải sợi, các mẫu bột rắn, viên rắn, các chất bán dẫn…

Các yếu tố quyết định hiệu năng của cầu tích phân

Phía trong cầu tích phân được phủ một lớp hợp chất có khả năng phản xạ-khuếch tán cực tốt

(~100%) các bức xạ trong vùng UV-Vis. Hiện nay một số chất được sử dụng làm lớp phủ như sau:

-    Lớp phủ Spectralon. Đây là lớp vật liệu trên cơ sở Teflon có khả năng phản xạ trên 99%

ánh sáng trong vùng 300-900 nm, và khoảng 95% trong vùng 250-300 nm;

-     Lớp phủ bằng BaSO₄ hoặc MgO có giúp giảm giá thành của phụ kiện, nhưng hệ số phản xạ kém hơn so với Spectralon, chỉ đạt cỡ 95-96%.

Khi ánh sáng tương tác với mẫu sẽ tạo ra các tia tán xạ theo nhiều hướng khác nhau, các tia tán xạ này va đập vào thành trong củ cầu tích phân và bị tán xạ nhiều lần cho đến khi thoát ra được cửa sổ đề đi vào detector.

Do tia tán xạ mới liên tục tạo thành do quá trình tương tác của chùm tia tới với mẫu, cộng với quá trình phản xạ nhiều lần của tia tán xạ trong cầu tích phân sẽ làm mọi điểm trên thành cầu tích phân nhanh chóng đạt đến trạng thái ổn định và cường độ chùm sáng ở lối ra (tức là đầu vào detector) lớn hơn cường độ của chùm tia tới (ở lối vào cầu tích phân).

Chính vì cường độ lối ra lớn hơn cường độ lối vào nhiều lần nên phụ kiện này mới có tên gọi là cầu tích phân. Tỉ số giữa cường độ chùm tia ở lối ra so với chùm tia ở lối vào được gọi là độ bội, kí hiệu là M. Do vậy, một cầu tích phân có giá trị M càng lớn sẽ có hiệu năng càng tốt.

Bảng: Giá trị diện tích mặt cầu, tỉ lệ % cửa sổ, độ bội M và tỉ lệ % suy giảm của ánh sáng tới trên detector có kích thước 8mm x 8mm trên các cầu tích phân có kích thước khác nhau.

Diện tích bề mặt của cầu tích phân được tính bằng biểu thức π x d² . Bảng 1 là diện tích bề mặt của cầu tích phân có kích thước khác nhau với độ rộng cửa sổ detector đều bằng 8mm x 8mm (64mm²).

Thông thường một cầu tích phân sẽ có độ bội M trong khoảng 10-30 và % suy giảm là 2-8%. Từ bảng 1 có thể nhận thấy kích thước cầu tích phân càng lớn càng tốt và kích thước cửa sổ detector càng nhỏ càng tốt.

Một số ứng dụng của đo mẫu rắn bằng UV-Vis:

-    Xác định độ sáng của vật liệu (sơn, bột màu, giấy, vải sợi…);

-    Xác định độ màu của đá vôi, cẩm thạch, hoa cương;

-    Xác định khả năng bảo vệ của lớp phủ chống tia UV;

-    Xác định khả năng lọc của kính chống nắng;

-    Xác định hiệu quả chống phản xạ của các lớp phủ;

-    Xác định độ phản xạ khuếch tán của các mẫu bột;

-    Xác định hàm lượng của chất nhuộm trên vải sợi;

-    Tính độ rộng vùng cấm của các vật liệu bán dẫn;

-    Sự thay đổi của hàm lượng hemoglobin, melanin trong các mẫu sinh học;

-    Và nhiều ứng dụng khác.

Nguồn: Yamaguchi.vn