Ft ir là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) là kỹ thuật quang phổ tiên tiến tận dụng interferogram thu được từ máy quang phổ Michelson để xác định “dấu vân tay” phân tử thông qua phổ hấp thụ ở vùng hồng ngoại. FTIR đã trở thành phương pháp chuẩn trong phân tích hóa học nhờ khả năng phân tích đa dạng mẫu như khí, lỏng, chất rắn và màng mỏng, với độ nhạy cao và thời gian đo nhanh.

Ứng dụng FTIR trải rộng từ hóa phân tích, khảo sát cấu trúc polymer, xác định chức năng hóa học đến giám sát phản ứng động học quang hóa. Phần mềm điều khiển tích hợp thuật toán nhanh biến đổi Fourier (FFT) giúp chuyển tín hiệu thời gian từ interferogram thành phổ cường độ – số sóng, tối ưu tín-nhiễu và cho phép thực hiện nhiều quét trung bình để nâng cao độ chính xác.

FTIR không phá hủy mẫu, yêu cầu chuẩn bị đơn giản và cho phép phân tích in situ trong các điều kiện môi trường khác nhau (nhiệt độ, độ ẩm), hỗ trợ giám sát liên tục quá trình tổng hợp vật liệu, biến đổi pha hoặc phản ứng xúc tác trong công nghiệp. Tính linh hoạt và độ tin cậy cao biến FTIR thành công cụ không thể thiếu trong phòng thí nghiệm hiện đại.

Nguyên lý FTIR

FTIR dựa trên interferometer kiểu Michelson, trong đó chùm tia hồng ngoại tách làm hai nhánh qua gương cố định và gương di động, sau đó giao thoa tạo interferogram. Tín hiệu thu được là cường độ tổng phụ thuộc vào mất pha tương đối giữa hai chùm tia khi gương di động thay đổi vị trí.

Interferogram i(x) (cường độ theo độ dịch chuyển gương x) chứa thông tin phổ đầy đủ của mẫu. Áp dụng biến đổi Fourier, ta thu được phổ cường độ I(ν) theo số sóng ν:

$I(\nu) = \int_{-\infty}^{\infty} i(x)\,e^{-2\pi i\nu x}\,dx$

Kỹ thuật này cho phép thu phổ toàn bộ dải hồng ngoại (4000–400 cm⁻¹) chỉ trong một lần quét, giảm thiểu thời gian đo và tăng độ phân giải phổ bằng cách điều chỉnh bước dịch chuyển gương nhỏ. Tín-nhiễu (S/N) cải thiện qua trung bình nhiều quét và nhờ cơ chế multiplex advantage.

Thiết bị và thành phần

Máy FTIR cơ bản gồm bốn thành phần chính: nguồn tia hồng ngoại (IR source), interferometer Michelson, khoang chứa mẫu (sample compartment) và detector. Nguồn Globar (Silicon Carbide) phát phổ mid-IR rộng, cho phép phân tích đa dạng mẫu; tungsten–halogen dùng cho near-IR.

• Interferometer: gương cố định và gương di động giữ độ chính xác nanomet, đảm bảo tiếng vọng (fringe) đều và độ phân giải cao.
• Khoang mẫu: linh hoạt đổi giữa chế độ transmission, reflectance (ATR, DRIFT) hoặc gas cell, thích hợp đo chất rắn, lỏng và khí.
• Detector: loại DTGS hoạt động ở nhiệt độ phòng, độ nhạy vừa phải; MCT (Mercury Cadmium Telluride) làm lạnh bằng N₂ lỏng cho S/N cao, đặc biệt ở vùng fingerprint.

Hệ thống điều khiển và xử lý số hóa tích hợp thực hiện quét gương, ghi interferogram, chạy thuật toán FFT và hiển thị phổ với các chức năng baseline correction, smoothing, peak picking và library search, giúp xác định nhanh chóng chức năng nhóm và cấu trúc phân tử.

Kỹ thuật chuẩn bị mẫu

Chế độ transmission thích hợp cho chất rắn mỏng (pellet KBr) và màng mỏng nhựa hoặc polymer. Hạt mẫu trộn KBr tỉ lệ ~1 % mẫu, ép thành pellet trong máy ép dùng lực ~10 ton, cho đĩa mỏng trong suốt IR.

ATR (Attenuated Total Reflection) sử dụng prism kim loại (ZnSe, diamond) cho phép đo trực tiếp chất rắn hoặc chất lỏng mà không cần gây phá hủy. Sức ép giữa mẫu và prism tạo ra trường điện từ cận bề mặt, ánh xạ bước sóng 4000–400 cm⁻¹.

DRIFT (Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform) đo bột hoặc bề mặt thô bằng cách chiếu tia IR lên mẫu rải bột trên nền hỗ trợ (KBr, Kaolin) và thu tín hiệu phản xạ tán xạ. Phương pháp này hữu ích cho vật liệu xốp, bột và xúc tác rắn.

Phương pháp	Mẫu	Ưu điểm	Hạn chế
Transmission	Pellet KBr, film	phổ chuẩn, độ phân giải cao	Chuẩn bị phức tạp
ATR	Chất rắn, lỏng	Nhanh, không phá hủy	Độ sâu thăm dò hạn chế
DRIFT	Bột, xúc tác	Phù hợp bề mặt thô	Yêu cầu đối chiếu KU

Thu thập dữ liệu và biến đổi Fourier

Trong quá trình đo, interferogram được ghi lại khi gương di động quét qua một hành trình xác định, thường vài mm, tương ứng với độ phân giải thường từ 0.5–4 cm⁻¹. Tín hiệu interferogram i(x) đại diện cho tổng cường độ ánh sáng IR giao thoa, chứa thông tin phổ nguyên thủy.

Thuật toán Fourier nhanh (FFT) chuyển đổi dữ liệu thời gian–tín hiệu thành phổ công suất theo số sóng:

$I(\nu) = \int_{-L}^{L} i(x)\,e^{-2\pi i\nu x}\,dx$

Trong đó L là biên độ quét gương, ν là số sóng. Kỹ thuật multiplex advantage cho phép thu toàn bộ phổ trong một lần quét duy nhất, khác với quét đơn bước bước quét truyền thống, giúp tăng tín-nhiễu .

Quá trình tiền xử lý phổ thường bao gồm:

• Baseline correction: loại bỏ đường nền trôi để làm phẳng phổ.
• Smoothing: giảm nhiễu ngẫu nhiên mà không làm mất độ phân giải đỉnh.
• Normalization: chuẩn hóa cường độ để so sánh mẫu với thư viện dữ liệu.

Giải thích phổ

Sau khi biến đổi Fourier, phổ FTIR biểu diễn cường độ hấp thụ/tỉ lệ truyền qua theo số sóng (cm⁻¹). Các đỉnh hấp thụ tương ứng với dao động đặc trưng liên kết hóa học trong phân tử.

Vùng số sóng (cm⁻¹)	Nhóm chức năng	Loại dao động
4000–3000	OH, NH	Kéo dài, kéo
3000–2800	CH2, CH3	Kéo dài methyl/methylene
2250–2100	C≡N, C≡C	Kéo dài triple bond
1750–1650	C=O	Kéo dài carbonyl
1600–1500	C=C arom	Kéo dài đôi liên hợp
1500–400	Fingerprint	Rộng, hỗn hợp dao động

Việc gán đỉnh phải dựa trên thư viện phổ tham chiếu và phân tích phối cảnh hóa học của mẫu. Các phần mềm chuyên dụng cung cấp chức năng peak deconvolution để tách các đỉnh chồng chéo.

Ứng dụng

• Hóa phân tích: xác định nhanh nhóm chức và thành phần hỗn hợp trong dung dịch, bột hoặc màng mỏng .
• Polymer: theo dõi quá trình trùng hợp, xác định độ chuyển pha và phân tích biến đổi cấu trúc do nhiệt độ hay phá hủy.
• Sinh học và y dược: nhận diện phân tử sinh học, kiểm tra độ nguyên chất dược phẩm, phân tích mẫu mô và kháng thể.
• Công nghiệp thực phẩm: kiểm tra độ ẩm, chất béo, protein và chất phụ gia trong sản phẩm.
• Giám sát phản ứng: FTIR in situ theo dõi động học phản ứng hóa học trong thời gian thực, ứng dụng trong xúc tác và tổng hợp hữu cơ .

Ưu điểm và hạn chế

• Ưu điểm: không phá hủy mẫu, yêu cầu chuẩn bị tối thiểu, phổ rộng 4000–400 cm⁻¹, khả năng đo khí, lỏng, rắn.
• Ưu điểm: tốc độ thu phổ nhanh (<1 phút), độ nhạy cao, tín-nhiễu cải thiện nhờ multiplex advantage.
• Hạn chế: phổ bị can thiệp bởi nước (H₂O) và CO₂; cần bảo đảm môi trường khô và tinh khiết khí đo.
• Hạn chế: độ phân giải phổ giới hạn bởi độ dài quét gương và apodization, thường 0.5–4 cm⁻¹.

Tiến triển và xu hướng tương lai

FTIR imaging kết hợp camera focal plane array cho phép quét ảnh phổ ở không gian, tạo bản đồ thành phần hóa học của vật liệu với độ phân giải không gian ~10 µm. Nano-FTIR sử dụng sợi nano e tip-enhanced techniques đạt độ phân giải dưới 20 nm cho phân tích bề mặt .

FTIR vi sai thời gian thực (time-resolved FTIR) cho phép theo dõi quá trình động học phản ứng với độ phân giải thời gian dưới giây, ứng dụng trong nghiên cứu xúc tác khí hóa và quang hóa. Kết hợp AI và machine learning trong giải phổ tự động, nhận dạng mẫu và phát hiện bất thường phổ sẽ gia tăng khả năng phân tích tự động và chính xác hơn.

References

• Thermo Fisher Scientific. “FTIR Spectroscopy Academy.” Link.
• NIST. “Introduction to Fourier transform spectroscopy.” NVL Publications.
• Bruker. “Guide to FT-IR Spectroscopy.” Link.
• NIST. “Quantitative Infrared Database.” WebBook.
• Esnal, I. et al. “Nano-FTIR: Nanoscale infrared spectroscopy with a spatial resolution below 20 nm.” Applied Spectroscopy, 2020.