Máy quang phổ là gì? Ứng dụng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Máy quang phổ là gì? 

Máy quang phổ là thiết bị đo lường quang học dùng để phân tích chùm ánh sáng phức tạp thành các thành phần đơn sắc. Nhờ khả năng xác định chính xác thành phần hóa học, máy được ứng dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm, sản xuất công nghiệp, kiểm định chất lượng.

Cấu tạo máy quang phổ gồm những bộ phận nào?

Cấu tạo máy quang phổ bao gồm có những bộ phận sau đây: 

• Ống chuẩn trực: Biến chùm sáng từ khe hẹp thành tia song song.
• Hệ tán sắc (2 lăng kính): Tách ánh sáng thành các bước sóng đơn sắc.
• Buồng ảnh: Thu và phân tích quang phổ (gọi tắt: ống ngắm/buồng tối).

Nguyên lý hoạt động của máy quang phổ như thế nào?

Máy hoạt động dựa trên hiện tượng tán sắc – phân tách ánh sáng trắng thành dải màu đơn sắc (đỏ, cam, vàng,...). Sự khác biệt về chiết suất của lăng kính với từng bước sóng giúp xác định thành phần vật chất.

Ứng dụng máy quang phổ trong công nghiệp, y tế và nghiên cứu

• Phân tích thành phần hợp kim (kiểm tra chất lượng thép, nhôm).
  • Máy quang phổ giúp xác định các hàm lượng thành phần có bên trong khối vật chất. Chúng giúp quá trình này đỡ mất nhiều thời gian và công sức hơn trước đây.
  • Có thể nói, đây chính là ứng dụng quan trọng nhất của máy quang phổ. Ứng dụng này đặc biệt rất phù hợp với các ngành nghiên cứu và khảo sát.
• Phát hiện tạp chất độc hại (bao bì thực phẩm, dược phẩm).
  • Máy quang phổ có khả năng dễ dàng xác định được hàm lượng các thành phần có bên trong mẫu xét nghiệm.
  • Nhờ đó, những thành phần độc hại sẽ được phát hiện ra. Ứng dụng này thường được nhiều nhà quản lý chất lượng chọn lựa vào quy trình kiểm tra chất lượng cho những chiếc bao bì được dùng để đóng gói thực phẩm.
• Nghiên cứu vật liệu mới (năng lượng mặt trời, vật liệu nano).
  • Trong những ứng dụng nghiên cứu khoa học, máy quang phổ là dụng cụ quang học dùng để giúp các nhà khoa học tìm ra được nguyên tố Heli trên bề mặt của mặt trời ngay cả trước khi phát hiện ra sự có mặt trên trái đất.
  • Qua đó, con người chúng ta cũng biết được rằng loại quang phổ thu được từ ánh sáng mặt trời chính là một loại quang phổ vạch hấp thụ. 

Máy quang phổ OES Foundry Master Expert được dùng trong luyện kim để kiểm tra nhanh thành phần hợp kim.

Các loại quang phổ

Có ba loại quang phổ cơ bản: 

1. Quang phổ liên tục
2. Quang phổ vạch phát xạ
3. Quang phổ vạch hấp thụ

Quang phổ liên tục

Quang phổ liên tục (hay Continuous Spectrum) là một dải sáng có màu thay đổi liên tục từ đỏ đến tím. 

Theo Wikipedia, quang phổ liên tục là một tập hợp các giá trị có thể đạt được đối với một số đại lượng vật lý như năng lượng, bước sóng được mô tả tốt nhất là một khoảng các số thực, trái ngược hoàn toàn với quang phổ rời rạc, một tập hợp các giá trị có thể đạt được rời rạc theo nghĩa của toán học, nơi có một khoảng cách rõ ràng giữa mỗi giá trị và giá trị tiếp theo.

Thông thường, quang phổ liên tục có thể chỉ là một mô hình thuận tiện cho một quang phổ rời rạc mà các giá trị của nó quá gần để có thể phân biệt, ví dụ như trong các phonon của một tinh thể.

Trong hệ lượng tử, quang phổ liên tục thường có liên quan đến các hạt tự do như các nguyên tử trong khí, electron trong chùm electron, hoặc cũng có thể là electron dải dẫn điện trong kim loại. 

Nói cách khác, vị trí và động lượng của hạt tự do có quang phổ liên tục nhưng nếu các hạt này bị giới hạn trong một không gian bị hạn chế, quang phổ của nó sẽ bị rời rạc.

Quang phổ vạch phát xạ

Quang phổ vạch phát xạ (hay Emission Spectrum) là hệ thống các vạch màu riêng rẽ nằm trên một nền tối

Đặc điểm của quang phổ vạch phát xạ đó là mỗi nguyên tố có đặc điểm quang phổ đặc trưng riêng. Màu sắc của các vạch sáng của quang phổ vạch phát xạ của mỗi nguyên tố cũng là duy nhất.

Mỗi nguyên tố hóa học sẽ có quang phổ đặc trưng riêng cho nguyên tố đó. Dựa vào đặc điểm này, ta cũng có thể nhận biết các chất hóa học có trong hợp chất.

Cũng giống như quang phổ hấp thụ, quang phổ vạch phát xạ cũng dựa trên việc phân tích vị trí của các vạch màu để xác định các nguyên tố hóa học.

Quang phổ hấp thụ

Quang phổ hấp thụ (hay Absorbtion Spectrum) là quang phổ thu được trên nền của quang phổ liên tục với cách thể hiện chính là các vạch phổ màu tối. 

Đơn giản hơn, quang phổ hấp thụ sẽ có dạng các vạch tối trên nền của quang phổ liên tục. 

Điều kiện phát sinh của loại quang phổ này là khi chúng ta chiếu một loại ánh sáng trắng qua bất kỳ một khối khí hoặc hơi đã bị nung nóng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của nguồn sáng trắng sẽ tạo ra chúng.

Top 3 loại máy quang phổ được sử dụng nhiều nhất

Máy quang phổ lăng kính 

Đây là dòng sản phẩm thường được sử dụng với mục đích phân tích một chùm ánh sáng phức tạp thành những thành phần đơn sắc khác nhau. 

Cấu tạo máy quang phổ lăng kính khá đơn giản, chúng bao gồm có ba bộ phận chính: 

• Ống chuẩn trực
• Hệ tán sắc
• Buồng ảnh

Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ lăng kính dựa trên những bước sau đây: 

1. Chiếu vào khe hẹp F của máy quang phổ lăng kính một chùm ánh sáng.
2. Nhờ thấu kính L1, chùm ánh sáng đó sẽ được biến thành chùm tia song song.
3. Sau khi đi vào lăng kính, chùm tia song song sẽ được tách ra thành hai chùm sáng song song có màu sắc và lệch sang hai phương hoàn toàn khác nhau.

Máy quang phổ huỳnh quang tia X (XRF)

Đây là dòng sản phẩm thường được ứng dụng để phân tích các thành phần nguyên tố có trong vật liệu. 

• Ứng dụng: "Phân tích kim loại quý, khoáng sản, kiểm tra RoHS trong điện tử.

Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ huỳnh quang tia X tuân thủ theo trình tự như sau: 

1. Chiếu tia X vào vật thể.
2. Một phần tia X sẽ bị hấp thu, trong khi đó, phần còn lại sẽ xuyên qua vật thể.
3. Tùy vào thành phần hóa học và độ dày của vật thể, mỗi vật thể sẽ có mức độ hấp thu và xuyên qua.

Máy quang phổ laser (LIBS)

Công nghệ LIBS sử dụng một nguồn laser để làm bốc hơi vật liệu mẫu, trong quá trình này, các nguyên tử bên trong vật liệu bị kích thích dẫn đến một nguồn sáng đặc trưng được phát ra bởi các nguyên tố trong vật liệu. 

Cảm biến nhận dạng các dấu hiệu ánh sáng và chuyển dữ liệu đến máy phân tích. Máy phân tích xác định tính chất hóa học và cấu tạo của kim loại. 

Cuối cùng, máy phân tích so sánh phần trăm nguyên tố, hóa học và thành phần với thư viện cấp để xác nhận nhanh hợp kim.

Ví dụ: "Máy Vulcan sử dụng công nghệ LIBS để kiểm tra hợp kim trong chế tạo máy bay."

Để biết thêm thông tin chi tiết sản phẩm, bạn có thể liên lạc trực tiếp với chúng tôi để được hỗ trợ tốt nhất.