Cảm biến phổ là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa cảm biến phổ

Cảm biến phổ (spectral sensor) là thiết bị quang học phân tích cường độ ánh sáng theo bước sóng, chuyển đổi tín hiệu quang học thành tín hiệu điện để xác định thành phần phổ của nguồn sáng hoặc mẫu vật. Thiết bị bao gồm bộ phận thu ánh sáng, hệ tán sắc (prism, diffraction grating) và detector (CCD, photodiode array), giúp thu liên tục phổ trên dải tử ngoại (UV), khả kiến (VIS) và hồng ngoại gần (NIR).

Khả năng phân tích phổ cho phép xác định đặc trưng quang học của mẫu như độ hấp thụ, phản xạ, truyền qua và phát xạ. Dữ liệu thu được thể hiện dưới dạng biểu đồ phổ (intensity vs. wavelength), ứng dụng rộng rãi trong phân tích nồng độ hóa chất, phát hiện dấu hiệu sinh học, kiểm tra chất lượng vật liệu và giám sát môi trường.

Cảm biến phổ có thể tích hợp thành hệ thống cầm tay, gắn trên UAV, robot hoặc thiết bị di động, cho phép đo phổ trực tuyến tại hiện trường mà không cần đưa mẫu về phòng thí nghiệm. Điều này mở ra khả năng ứng dụng trong nông nghiệp chính xác, y sinh, công nghiệp và nghiên cứu khoa học.

Nguyên lý hoạt động

Ánh sáng từ nguồn hoặc phản xạ/truyền qua mẫu vật được dẫn vào cảm biến qua ống dẫn quang hoặc đầu dò. Tại khoang tán sắc, ánh sáng đi qua lăng kính hoặc mạng nhiễu xạ, tách thành các bước sóng thành phần theo góc khác nhau dựa trên định luật khúc xạ hoặc nhiễu xạ.

Detector (CCD, photodiode array hoặc InGaAs array) đặt tại mặt phẳng phân tán thu cường độ ánh sáng của từng bước sóng, chuyển đổi thành điện áp hoặc dòng điện tỉ lệ với năng lượng quang tương ứng. Mỗi điểm ảnh (pixel) của detector ghi nhận một bước sóng riêng biệt, cho phép thu phổ với độ phân giải bước sóng phụ thuộc vào cấu hình mạng tán sắc và mật độ pixel.

Định luật Beer–Lambert mô tả mối quan hệ giữa độ hấp thụ A và nồng độ c của chất trong mẫu: $A=\varepsilon\,c\,l$ trong đó ε là hệ số hấp thu, l là chiều dày quang học. Dựa trên phổ hấp thụ đo được, có thể tính nồng độ các thành phần bằng cách dựng đường chuẩn hoặc giải hệ phương trình đa thành phần.

Các loại cảm biến phổ

Cảm biến quang phổ tán sắc (grating spectrometer) sử dụng mạng nhiễu xạ với hàng nghìn rãnh trên mỗi mm, đạt độ phân giải cao (≤0.1 nm) trên dải VIS–NIR. Thiết kế này thích hợp cho phân tích chi tiết vạch phổ hẹp và đo lường thành phần hóa học với độ chính xác cao.

Cảm biến quang phổ khúc xạ (prism spectrometer) dùng lăng kính thủy tinh hoặc sapphire, có ưu điểm dải phổ rộng và ít tổn hao ánh sáng, nhưng độ phân giải thấp hơn tán sắc. Thường dùng trong ứng dụng đo nhanh và giám sát liên tục môi trường, nông nghiệp.

• Filter-based sensor: Sử dụng bộ lọc Fabry–Pérot hoặc interferential để thu từng dải bước sóng cố định, cấu hình modul dễ dạng và chi phí thấp.
• Acousto-optic tunable filter (AOTF): Điều chỉnh dải bước sóng bằng sóng siêu âm, cho phép quét phổ nhanh và linh hoạt.
• Microelectromechanical systems (MEMS) spectrometer: Miniaturized trên nền silicon, tích hợp mạng tán sắc và detector nhỏ gọn cho ứng dụng di động.

Phổ hấp thụ và phổ phát xạ

Phổ hấp thụ đo lượng ánh sáng bị mẫu hấp thụ tại mỗi bước sóng, thể hiện rõ vạch hấp thụ đặc trưng của các liên kết phân tử (C–H, O–H, N–H…) và ion kim loại. Ví dụ, phổ hấp thụ UV–Vis thường dùng để xác định nồng độ protein, nucleic acid (λₘₐₓ ~260–280 nm).

Phổ phát xạ ghi nhận cường độ ánh sáng phát ra khi nguyên tử/phân tử trở về trạng thái cơ bản sau khi được kích thích bởi nguồn năng lượng (đèn plasma, laser). Phổ phát xạ nguyên tố (AES) dùng trong phân tích thành phần kim loại, đo vạch phát xạ đặc trưng của từng nguyên tố (Fe, Ca, Na, K…).

Loại phổ	Nguyên lý	Ứng dụng
Hấp thụ UV–Vis	Đo A(λ) theo Beer–Lambert	Protein, nucleic acid, chất tạo màu
Phát xạ nguyên tố (AES)	Kích thích plasma/laser	Phân tích kim loại trong môi trường, vật liệu
Phổ phản xạ NIR	Đo ánh sáng phản xạ	Đo độ ẩm, hàm lượng cacbonhydrat trong nông sản

So sánh phổ hấp thụ và phát xạ kết hợp phân tích đa phương pháp, tăng độ tin cậy và mở rộng khả năng đánh giá thành phần, cấu trúc và điều kiện vật lý của mẫu trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng thực tế.

Thành phần cấu tạo chính

Nguồn sáng trong cảm biến phổ thường sử dụng đèn halogen cho dải VIS–NIR và đèn deuterium cho dải UV, đảm bảo bề rộng phổ và tính ổn định cường độ. Một số hệ thống tích hợp laser diode hoặc LED để cung cấp bước sóng đơn sắc, phục vụ phân tích đặc thù như đo pH hoặc phân tích sinh học.

Hệ tán sắc gồm prism hoặc diffraction grating, chia ánh sáng thành thành phần bước sóng theo góc lệch. Mạng nhiễu xạ với mật độ rãnh cao (600–1200 rãnh/mm) cho độ phân giải bước sóng tốt (≤0.1 nm), trong khi prism ưu tiên độ truyền qua cao và chi phí sản xuất thấp hơn.

Detector như CCD hoặc photodiode array chuyển quang năng thành tín hiệu điện. Detector InGaAs array mở rộng khả năng thu phổ đến 1700 nm, trong khi CMOS cho chi phí thấp và tích hợp dễ dàng với hệ thống nhúng. Phần mềm xử lý tích hợp thực hiện hiệu chuẩn, trích xuất dữ liệu, phân tích peak và hiển thị phổ trực quan.

• Nguồn sáng: halogen, deuterium, LED, laser diode.
• Hệ tán sắc: prism, diffraction grating, AOTF.
• Detector: CCD, CMOS, InGaAs array.
• Phần mềm: hiệu chuẩn bước sóng, phân tích peak, lưu trữ dữ liệu.

Hiệu chuẩn và đo lường

Hiệu chuẩn bước sóng sử dụng đèn huỳnh quang chuẩn như Hg, Ne để xác định sai số từng điểm ảnh. Sau khi ghi phổ chuẩn, khoảng cách pixel được ánh xạ sang đơn vị bước sóng, đảm bảo độ chính xác <0.2 nm trên toàn dải đo.

Hiệu chuẩn cường độ dựa trên nguồn chuẩn NIST hoặc chuẩn đèn tungsten, tạo hệ số hiệu chỉnh để bù đắp đáp ứng detector không đều và tổn hao quang học. Việc hiệu chuẩn định kỳ giúp duy trì độ tin cậy và so sánh dữ liệu giữa các thiết bị khác nhau.

• Hiệu chuẩn bước sóng: đèn Hg, Ne, mapping pixel→λ.
• Hiệu chuẩn cường độ: chuẩn NIST, đèn tungsten, hệ số bù đáp ứng.
• Đường chuẩn định lượng: nồng độ chuẩn (c₁…cₙ) vs. A(λ₀).

Xử lý tín hiệu

Dữ liệu phổ thô chứa nhiễu ngẫu nhiên và nền tán xạ, thường áp dụng filter Savitzky–Golay để làm mịn giữ nguyên peak. Phương pháp moving average đơn giản nhưng có thể làm biến dạng đường cong nếu cửa sổ quá rộng.

Chuẩn độ nền (baseline correction) loại bỏ ảnh hưởng của tín hiệu nền bằng cách lấy mẫu vùng không có peak hoặc sử dụng polynomial fitting bậc thấp. Kết quả phổ sau xử lý thể hiện peak rõ nét, dễ phân tích cường độ và bước sóng trung tâm.

Phân tích thành phần phổ sử dụng deconvolution để tách các peak gần nhau và chemometrics như PCA, PLS để xác định thành phần hỗn hợp. Phương pháp này cải thiện khả năng định lượng và giảm sai số do xếp chồng phổ.

• Smoothing: Savitzky–Golay, moving average.
• Baseline correction: polynomial fitting, asymmetric least squares.
• Deconvolution: tách peak, Lorentz/Gauss fitting.
• Chemometrics: PCA, PLS, MCR-ALS.

Ứng dụng thực tiễn

Trong nông nghiệp, cảm biến phổ gắn UAV đo phản xạ NIR và VIS để đánh giá độ chín trái cây, hàm lượng chlorophyll, độ ẩm và stress do hạn hán (USDA ARS). Phụ thuộc chỉ số NDVI, NDRE tạo bản đồ sức khỏe cây trồng theo thời gian thực.

Trong y sinh, cảm biến phổ dùng đo hấp thụ UV–Vis để xác định nồng độ protein, DNA/RNA, phát hiện dấu ấn sinh học như HbA1c trong điều trị tiểu đường. Hệ thống miniaturized spectrometer tích hợp microfluidic cho phép đo mẫu máu nhỏ giọt, ứng dụng tại giường bệnh.

Ngành	Ứng dụng	Công nghệ
Nông nghiệp	Đánh giá sức khỏe cây trồng	UAV + NIR/VIS sensor
Y sinh	Phân tích sinh hóa mẫu máu	Microfluidic + UV–Vis
Công nghiệp	Kiểm tra chất lượng dược phẩm	Raman spectrometer
Môi trường	Giám sát khí nhà kính	FTIR gas analyzer

Cảm biến di động gắn smartphone đo phổ phản xạ giúp ứng dụng trong kiểm tra chất lượng thực phẩm và giám sát ô nhiễm không khí, tăng tính tiếp cận cộng đồng và giảm chi phí triển khai (NTNU Spectroscopy Group).

Thách thức và giới hạn

Độ phân giải bước sóng phụ thuộc vào thiết kế mạng tán sắc và mật độ pixel detector, thường khó đạt đồng thời dải rộng và phân giải cao. Thiết bị miniaturized thường đánh đổi phân giải để giảm kích thước và chi phí.

Nhiễu nền do tán xạ nội ống quang, ánh sáng tán xạ từ bề mặt mẫu và nhiễu điện từ ảnh hưởng đến độ nhạy. Hiệu chuẩn và xử lý tín hiệu phức tạp tăng khối lượng công việc và yêu cầu phần mềm mạnh.

• Độ phân giải vs. dải quét: trade-off thiết kế.
• Nhiễu nền: tán xạ, nhiệt, điện từ.
• Chi phí cao: mạng tán sắc chính xác, detector nhạy.
• Yêu cầu hiệu chuẩn định kỳ và xử lý phức tạp.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Miniaturization bằng MEMS và photonic integrated circuits (PIC) cho phép tích hợp mạng tán sắc và detector trên chip silicon, giảm kích thước xuống mm và năng lượng tiêu thụ thấp. Thiết bị Lab-on-Chip với khả năng phân tích phổ tại điểm đo (point-of-care) đang được phát triển mạnh.

Kết hợp machine learning trong phân tích phổ tự động, xây dựng mô hình dự đoán nồng độ và tính chất mẫu từ dữ liệu phổ lớn. Thuật toán deep learning cho phép nhận dạng pattern trong phổ phức tạp như hỗn hợp hợp chất hoặc hỗn hợp khí.

• MEMS spectrometer: tích hợp chip, low-power.
• PIC devices: mạng tán sắc trên nền silicon photonics.
• AI-driven analysis: CNN, RNN cho xử lý phổ.
• Portable IoT sensors: kết nối cloud, real-time monitoring.

Tài liệu tham khảo

• NIST – Sensor Science Division
• USDA ARS – National Sorghum Laboratory
• NTNU Spectroscopy Group
• Optica – Journal of the Optical Society
• ScienceDirect – Spectral Sensor Overview