Hấp thụ hồng ngoại là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Hấp thụ hồng ngoại là hiện tượng các phân tử hấp thụ bức xạ IR gây dao động nội tại, được ứng dụng để xác định nhóm chức và cấu trúc phân tử. Kỹ thuật này dựa trên nguyên lý cơ học lượng tử và phổ kế FT-IR, cho phép phân tích định tính và định lượng nhanh, chính xác trong nhiều lĩnh vực khoa học.

Khái niệm hấp thụ hồng ngoại

Hấp thụ hồng ngoại (Infrared Absorption) là hiện tượng xảy ra khi các phân tử trong chất hấp thụ bức xạ điện từ ở vùng hồng ngoại của quang phổ, dẫn đến chuyển động dao động của liên kết hóa học trong phân tử. Khi năng lượng photon trùng khớp với mức năng lượng dao động của phân tử, hiện tượng hấp thụ xảy ra và được ghi nhận bởi thiết bị quang phổ hồng ngoại.

Trong quá trình hấp thụ, các liên kết hóa học trong phân tử dao động theo những kiểu riêng biệt như dao động kéo giãn đối xứng, không đối xứng, uốn cong trong mặt phẳng và ngoài mặt phẳng. Mỗi kiểu dao động có tần số đặc trưng phụ thuộc vào độ bền liên kết và khối lượng nguyên tử liên quan.

Hấp thụ hồng ngoại tạo ra các phổ đặc trưng cho từng loại nhóm chức hóa học, qua đó cho phép nhận diện cấu trúc phân tử và thành phần hóa học của chất. Do đó, kỹ thuật này được xem là công cụ định tính rất hiệu quả trong hóa phân tích và nghiên cứu vật liệu.

Nguyên lý vật lý và cơ học lượng tử

Hiện tượng hấp thụ hồng ngoại có thể được lý giải dựa trên cơ học lượng tử, cụ thể là mô hình dao động tử điều hòa và phân tử hai nguyên tử. Khi ánh sáng hồng ngoại chiếu vào, phân tử chỉ hấp thụ nếu sự dao động dẫn đến thay đổi mômen lưỡng cực điện, tức là phân tử phải "hoạt động IR".

Định luật Planck mô tả năng lượng photon như sau: E=hν=hcλE = h\nu = \frac{hc}{\lambda}, trong đó \(E\) là năng lượng hấp thụ, \(h\) là hằng số Planck, \(\nu\) là tần số dao động, \(\lambda\) là bước sóng và \(c\) là tốc độ ánh sáng. Dao động phân tử thường có năng lượng trong khoảng từ 4000 đến 400 cm-1 tương ứng với vùng giữa của phổ hồng ngoại.

Không phải tất cả các dao động đều hấp thụ hồng ngoại. Chỉ những dao động dẫn đến sự thay đổi trong mômen lưỡng cực điện mới tạo ra tín hiệu trong phổ IR. Ví dụ, liên kết C=O hoặc O–H có mômen lưỡng cực cao nên rất dễ phát hiện, trong khi các dao động đối xứng như N≡N không tạo tín hiệu rõ.

Phân loại vùng phổ hồng ngoại

Phổ hồng ngoại được phân chia theo dải bước sóng hoặc số sóng (cm-1) thành ba vùng chính: gần hồng ngoại (NIR), trung hồng ngoại (Mid-IR) và xa hồng ngoại (Far-IR). Mỗi vùng có đặc điểm ứng dụng và loại detector tương ứng.

Vùng phổSố sóng (cm-1)Ứng dụng tiêu biểu
Gần hồng ngoại (NIR)13000–4000Phân tích nhanh thực phẩm, dược phẩm, nông sản
Trung hồng ngoại (Mid-IR)4000–400Phân tích định tính cấu trúc nhóm chức
Xa hồng ngoại (Far-IR)400–10Vật lý chất rắn, dao động mạng tinh thể

Vùng trung IR là phổ biến nhất trong các nghiên cứu hóa học vì nó bao gồm các dao động cơ bản của các nhóm chức hữu cơ như C=O, C–H, N–H, O–H.

Kỹ thuật phổ kế FT-IR

FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) là phương pháp phổ kế hiện đại, thay thế phương pháp truyền thống sử dụng đơn sắc kế. FT-IR ghi nhận toàn bộ dải phổ cùng lúc thay vì quét từng bước sóng đơn lẻ, giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao độ phân giải.

Thiết bị FT-IR sử dụng giao thoa kế Michelson để tạo ra giao thoa ánh sáng hồng ngoại, sau đó sử dụng biến đổi Fourier để chuyển tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số. Kết quả là một phổ hấp thụ có độ chính xác cao và khả năng lặp lại tốt.

Hệ thống FT-IR gồm các thành phần chính: nguồn IR (thường là Globar), giao thoa kế, buồng mẫu, detector (MCT hoặc DTGS) và máy tính xử lý. Thiết bị còn hỗ trợ nhiều kỹ thuật đo: hấp thụ truyền qua, phản xạ toàn phần (ATR), phản xạ khuếch tán (DRIFTS) cho nhiều loại mẫu.

Phân tích định tính và định lượng

Hấp thụ hồng ngoại cho phép xác định sự hiện diện của các nhóm chức nhờ phổ hấp thụ đặc trưng. Phổ hấp thụ của từng loại liên kết hóa học có vùng tần số riêng biệt, tạo điều kiện thuận lợi để định tính cấu trúc phân tử. Ví dụ:

  • Dao động kéo giãn C=O: khoảng 1700 cm-1
  • Dao động kéo giãn O–H: khoảng 3200–3500 cm-1
  • Dao động C–H aliphatic: khoảng 2800–3000 cm-1

Trong phân tích định lượng, người ta sử dụng định luật Beer-Lambert để liên hệ độ hấp thụ ánh sáng với nồng độ chất trong mẫu:

A=εclA = \varepsilon \cdot c \cdot l

Trong đó \(A\) là độ hấp thụ, \(\varepsilon\) là hệ số hấp thụ mol, \(c\) là nồng độ và \(l\) là chiều dài quang học của cuvet.

Ứng dụng trong các lĩnh vực

Hấp thụ hồng ngoại được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp:

  • Hóa học: nghiên cứu cấu trúc phân tử, kiểm tra độ tinh khiết
  • Dược phẩm: phân tích nguyên liệu đầu vào, kiểm tra đồng nhất viên nén
  • Thực phẩm: kiểm tra hàm lượng chất béo, protein, độ ẩm
  • Môi trường: giám sát khí ô nhiễm (CO2, NOx, SO2)
  • Pháp y: nhận diện dấu vết hữu cơ, ma túy, chất nổ

Đặc biệt, các thiết bị cầm tay FT-IR đang được triển khai trong hiện trường để kiểm tra nhanh mà không cần xử lý mẫu phức tạp.

Ưu điểm và hạn chế

Bảng dưới đây trình bày một số ưu điểm và hạn chế chính của kỹ thuật hấp thụ hồng ngoại:

Ưu điểmHạn chế
Không phá hủy mẫu, thao tác đơn giảnKhông thích hợp với các hợp chất vô cơ không hoạt động IR
Thời gian đo nhanh, cho phổ đầy đủBị ảnh hưởng bởi nước và CO2
Có thể phân tích cả chất rắn, lỏng, khíMẫu cần đồng nhất và có độ dày phù hợp

Việc xử lý phổ bằng phần mềm chuyên dụng cũng đóng vai trò quan trọng giúp loại bỏ nhiễu và tăng độ tin cậy cho phân tích.

Xu hướng và nghiên cứu mới

Các nghiên cứu hiện đại tập trung phát triển thiết bị FT-IR di động, tích hợp cảm biến thông minh và trí tuệ nhân tạo. Nhờ đó, việc phân tích mẫu tại hiện trường trở nên khả thi và hiệu quả hơn.

Các hướng nghiên cứu nổi bật bao gồm:

  • Kết hợp FT-IR với Raman để tăng độ phân giải và phân biệt đồng phân
  • Ứng dụng vật liệu nano trong chế tạo detector siêu nhạy
  • Phát triển thư viện phổ mở cho nhận diện tự động

Những tiến bộ này mở rộng khả năng ứng dụng FT-IR trong y sinh học, sản xuất thông minh và kiểm soát chất lượng theo thời gian thực.

Tài liệu tham khảo

  1. Thermo Fisher – How IR Spectroscopy Works
  2. ScienceDirect – Advances in FT-IR Technology
  3. PerkinElmer – Infrared Spectroscopy Guide
  4. NIST – Infrared Spectroscopy Program
  5. Bruker – FT-IR Overview

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề hấp thụ hồng ngoại:

Những yếu tố pháp lý ảnh hưởng đến tài chính nước ngoài Dịch bởi AI
Journal of Finance - Tập 52 Số 3 - Trang 1131-1150 - 1997
TÓM TẮTSử dụng mẫu gồm 49 quốc gia, chúng tôi chỉ ra rằng những quốc gia có bảo vệ nhà đầu tư yếu kém, được đo lường bằng cả tính chất của các quy định pháp luật và chất lượng thực thi pháp luật, có thị trường vốn nhỏ hơn và hẹp hơn. Những phát hiện này áp dụng cho cả thị trường chứng khoán và thị trường nợ. Cụ thể, các quốc gia có hệ thống pháp luật dân sự Pháp có...... hiện toàn bộ
#bảo vệ nhà đầu tư #thị trường vốn #quy định pháp luật #thực thi pháp luật #pháp luật dân sự Pháp #hệ thống pháp luật thông thường
Sự Tương Phản Trong Độ Ướt Giữa Các Khoáng Chất Kaolinite và Illite: Đặc Trưng Bằng Phổ Hấp Thụ Infrared và X-Ray Dịch bởi AI
Cambridge University Press (CUP) - Tập 45 - Trang 184-193 - 1997
Một đá chứa nước là một cấu trúc địa chất có tính rỗng nằm trong sự tiếp xúc với hai chất lỏng, nước mặn và dầu. Kiến thức cải thiện về độ ướt của đá là rất quan trọng để ước lượng lượng dầu thô trong các nguồn tài nguyên dưới lòng đất. Ngành công nghiệp dầu khí đã quan sát thấy rằng sự tương phản về độ ướt trong các đá chứa nước trầm tích thường có sự tương quan lớn với sự hiện diện của các loại ...... hiện toàn bộ
#đá chứa nước #độ ướt #dầu thô #đất sét #illite #kaolinite #phổ hấp thụ tia X #phổ hồng ngoại biến đổi Fourier #asphaltenes
Kiểm soát cơn co giật bằng liệu pháp thuốc chống động kinh ở 517 bệnh nhân ngoại trú lớn tuổi tại Trung tâm Động kinh Kork Dịch bởi AI
Epileptic Disorders - Tập 14 Số 4 - Trang 379-387 - 2012
TÓM TẮTĐể đánh giá hiệu quả của liệu pháp thuốc chống động kinh hiện đại (AED), chúng tôi đã thu thập dữ liệu từ 517 bệnh nhân ngoại trú lớn tuổi liên tiếp được giới thiệu đến trung tâm của chúng tôi từ tháng Ba đến tháng Tám năm 2011. Tổng cộng, có 211 bệnh nhân (40,8%) được điều trị bằng liệu pháp đơn, 208 bệnh nhân (40,2%) bằng sự kết hợp của hai AED, và đối với...... hiện toàn bộ
Liệu pháp nén bằng găng tay phẫu thuật không ngăn ngừa bệnh lý thần kinh ngoại biên do paclitaxel: kết quả từ thử nghiệm giai đoạn 2 mù đôi Dịch bởi AI
BMC Cancer - Tập 21 Số 1 - 2021
Tóm tắt Giới thiệu Bệnh lý thần kinh ngoại biên do hóa trị (CIPN) là một tác dụng phụ phổ biến của paclitaxel (PTX). Chưa có biện pháp phòng ngừa nào được biết đến, mặc dù có một số báo cáo về việc phòng ngừa bằng liệu pháp nén sử dụng găng tay phẫu thuật. Do triệu chứng chủ yếu là chủ quan, rấ...... hiện toàn bộ
Ứng dụng kỹ thuật quang phổ chuyển đổi hồng ngoại trong việc xác định vi kết cấu của chất kết dính SFC không xi măng
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - Trang 1-4 - 2019
Mục đích của nghiên cứu hiện tại nhằm đề nghị sử dụng kỹ thuật quang phổ chuyển đổi hồng ngoại (FTIR) cho việc phân tích vi cấu trúc của hỗn hợp vữa chất kết dính không xi măng SFC vốn được chế tạo từ hỗn hợp xỉ lò cao (GGBFS), tro bay loại canxi thấp (FFA), và hoạt chất từ phế phẩm tro bay từ công nghệ khử lưu huỳnh (CFA). 15% CFA được sử dụng để kích hoạt phản ứng thủy hóa của hỗn hợp xỉ và tro ...... hiện toàn bộ
#Tro bay CFBC #tro bay canxi thấp #xỉ lò cao #chất kết dính không xi măng #quang phổ chuyển đổi hồng ngoại (FTIR).
Một khuôn khổ thống nhất cho ba phương pháp ngoại biên tăng tốc và tăng tốc thêm cho các bài toán bất đẳng thức biến thiên Dịch bởi AI
Soft Computing - Tập 27 - Trang 15649-15674 - 2023
Chiến lược chính của bài báo này nhằm mục đích tăng tốc độ hội tụ của phương pháp lặp Mann quán tính và tăng tốc thêm nó thông qua phương pháp lặp S bình thường cho một lớp nhất định các toán tử loại không mở rộng có liên quan đến các bài toán bất đẳng thức biến thiên. Lý thuyết hội tụ mới của chúng tôi cho phép chúng tôi giải quyết khó khăn trong việc thống nhất phương pháp ngoại biên tăng cường ...... hiện toàn bộ
#phương pháp ngoại biên #bài toán bất đẳng thức biến thiên #phương pháp lặp quán tính #lý thuyết hội tụ #thuật toán hỗ trợ
Kỹ thuật Phá Mẫu Bằng Laser Hồng Ngoại Kết Hợp Với Hệ Thống Hút Chân Không Để Lấy Mẫu Dấu Vân Dịch bởi AI
American Chemical Society (ACS) - Tập 28 - Trang 1958-1964 - 2017
Kỹ thuật phá mẫu bằng laser hồng ngoại kết hợp với hệ thống hút chân không đã được sử dụng để thu thập vật liệu từ các dấu vân được để lại trên bề mặt có độ xốp và độ nhám khác nhau. Phá mẫu bằng laser ở bước sóng 3 μm được thực hiện theo chế độ phản xạ kèm theo việc thu giữ các sản phẩm bị bắn ra bằng một bộ lọc kết nối với hệ thống hút chân không. Việc phá mẫu và thu giữ các tiêu chuẩn từ dấu vâ...... hiện toàn bộ
#phá mẫu bằng laser hồng ngoại #hút chân không #dấu vân tay #ion hóa bằng giải hấp trợ khuôn #phát hiện chất nổ #sắc ký khí - khối phổ
Độ chính xác trong việc xác định các hằng số quang học của vật liệu bán dẫn từ tỷ lệ truyền sáng hồng ngoại Dịch bởi AI
Journal of Applied Spectroscopy - Tập 4 - Trang 384-386 - 1966
Độ chính xác trong việc xác định các hằng số quang học của vật liệu bán dẫn trong miền hồng ngoại dựa trên cơ sở tỷ lệ truyền sáng tuyệt đối và tương đối của các lớp có độ dày khác nhau được phân tích một cách đồ họa. Phân tích cho thấy rằng việc đo lường tỷ lệ truyền sáng tuyệt đối cho các tỷ lệ độ dày không nhỏ hơn ba sẽ tạo ra các giá trị hấp thụ và phản xạ đủ chính xác. Việc đo lường tỷ lệ tru...... hiện toàn bộ
#hằng số quang học #vật liệu bán dẫn #truyền sáng hồng ngoại #hấp thụ #phản xạ
Đặc tính phát xạ hồng ngoại và tính chất hấp thụ sóng vi ba của các lớp phủ hỗn hợp epoxy-polyurethane/ferrocarbon đã được xử lý nhiệt Dịch bởi AI
Science China Technological Sciences - Tập 55 - Trang 623-628 - 2011
Tính chất hấp thụ sóng vi ba và hiệu suất phát xạ hồng ngoại đã được nghiên cứu cho lớp phủ đơn lớp được làm từ nhựa epoxy-polyurethane và bột sắt carbonyl với sự biến đổi trong quá trình xử lý nhiệt. Tính chất hấp thụ sóng vi ba được khảo sát bằng cách đo điện cảm phức và độ từ thẩm phức của chất hấp thụ trong dải tần số từ 2 đến 18 GHz. Giá trị phát xạ hồng ngoại được đo bằng thiết bị đo phát xạ...... hiện toàn bộ
#hấp thụ sóng vi ba #phát xạ hồng ngoại #nhựa epoxy-polyurethane #bột sắt carbonyl #xử lý nhiệt #tính chất từ #tính chất điện
Tổng số: 35   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4