Kỹ thuật quang phổ là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và nguyên lý cơ bản của kỹ thuật quang phổ

Kỹ thuật quang phổ là tập hợp các phương pháp phân tích dùng để khảo sát sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật chất, từ đó cung cấp thông tin định tính và định lượng về cấu trúc phân tử, thành phần nguyên tố hoặc các đặc tính vật lý. Mỗi chất sẽ phản ứng khác nhau với từng loại bức xạ, tạo nên tín hiệu đặc trưng – gọi là phổ – từ đó cho phép suy luận bản chất vật liệu.

Nguyên lý trung tâm của quang phổ học là sự lượng tử hóa mức năng lượng. Khi photon tương tác với electron, nguyên tử hoặc phân tử có thể hấp thụ, phát xạ hoặc tán xạ năng lượng. Sự chuyển tiếp năng lượng này xảy ra theo mức lượng tử đặc trưng, tạo nên phổ hấp thụ hoặc phát xạ có thể đo được.

Các yếu tố cơ bản trong một hệ thống quang phổ:

• Nguồn bức xạ: đèn deuterium, đèn halogen, laser, plasma
• Mẫu phân tích: khí, lỏng, rắn
• Hệ thống tán sắc: lăng kính, lưới nhiễu xạ
• Detector: CCD, PMT, diode array

Phân loại các kỹ thuật quang phổ

Các kỹ thuật quang phổ được phân loại theo cách thức tương tác chính giữa ánh sáng và vật chất. Một số tiêu chí phân loại bao gồm: loại bức xạ (UV, IR, X-ray...), hiện tượng quan sát (hấp thụ, phát xạ, tán xạ...), hoặc đặc điểm thiết bị (quang phổ nguyên tử, phân tử, plasma...).

Bảng phân loại chính:

Mỗi kỹ thuật có ưu – nhược điểm riêng và được ứng dụng tùy theo loại mẫu, giới hạn phát hiện, và thông tin cần thu thập.

Quang phổ hấp thụ UV-Vis và IR

Quang phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) dựa trên nguyên lý rằng các electron trong phân tử có thể hấp thụ photon năng lượng cao và chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Mức độ hấp thụ tỉ lệ với nồng độ chất, được mô tả bởi định luật Beer-Lambert:

$A = \varepsilon \cdot c \cdot l$

Trong đó: A là độ hấp thụ, ε là hệ số hấp thụ mol, c là nồng độ, l là bề dày cuvet.

Quang phổ hồng ngoại (IR) đo sự hấp thụ năng lượng tương ứng với dao động liên kết phân tử. Các nhóm chức như -OH, -NH, -COOH có dải hấp thụ đặc trưng, giúp nhận diện cấu trúc hóa học. Phổ IR thường phân thành ba vùng: vùng dao động kéo giãn (4000–1500 cm^-1), vùng vân tay (1500–600 cm^-1) và vùng xa hơn.

So sánh nhanh UV-Vis và IR:

Quang phổ phát xạ nguyên tử và ICP-OES

Trong quang phổ phát xạ nguyên tử (AES), nguyên tử được kích thích bởi ngọn lửa hoặc plasma sẽ phát ra ánh sáng tại bước sóng đặc trưng khi trở về trạng thái cơ bản. Phổ phát xạ được phân tích để xác định và định lượng nguyên tố có trong mẫu.

ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy) là kỹ thuật phát xạ dùng nguồn plasma cảm ứng cao tần (~6000–10000 K) để phân tích nguyên tố ở nồng độ vết. Mẫu (lỏng hoặc rắn đã hòa tan) được phun vào plasma, các nguyên tử bị kích thích phát ra phổ phát xạ, được ghi nhận bởi detector CCD hoặc PMT.

Ưu điểm của ICP-OES:

• Giới hạn phát hiện thấp (ppb – ppt)
• Đo đa nguyên tố đồng thời
• Độ chính xác và lặp lại cao

Kỹ thuật này thường dùng trong kiểm nghiệm thực phẩm, nước, đất, hợp kim, sinh học và phân tích môi trường.

Quang phổ huỳnh quang và phosphorescence

Huỳnh quang là hiện tượng xảy ra khi một phân tử hấp thụ photon năng lượng cao, được kích thích lên trạng thái kích thích đơn (S1), sau đó nhanh chóng trở về trạng thái cơ bản (S0) bằng cách phát ra photon năng lượng thấp hơn. Thời gian sống của huỳnh quang thường nằm trong khoảng 10^-9 đến 10^-7 giây.

Phosphorescence tương tự nhưng liên quan đến sự chuyển trạng thái giữa spin khác nhau (triplet–singlet), do đó thời gian sống dài hơn đáng kể (từ mili giây đến phút). Cả hai hiện tượng đều tuân theo sơ đồ Jablonski, mô tả các quá trình chuyển trạng thái điện tử và phi điện tử.

Ứng dụng của huỳnh quang cực kỳ rộng rãi trong:

• Sinh học phân tử: đánh dấu DNA, RNA, protein bằng thuốc nhuộm phát huỳnh quang (ví dụ: DAPI, FITC)
• Y học: phát hiện ung thư, hình ảnh hóa mô sống
• Phân tích vi lượng: sử dụng huỳnh quang nguyên tử (AFS) để xác định kim loại vết

Quang phổ Raman và tán xạ không đàn hồi

Quang phổ Raman dựa trên hiện tượng tán xạ không đàn hồi khi photon tương tác với phân tử. Một phần nhỏ năng lượng photon bị dịch chuyển – tạo ra phổ Raman – cung cấp thông tin về dao động phân tử. Không giống IR, phổ Raman nhạy với những dao động thay đổi thể tích phân tử chứ không phải moment lưỡng cực.

Công thức năng lượng Raman:

$\Delta E = h(\nu_{\text{incident}} - \nu_{\text{scattered}})$

Raman được ứng dụng rộng rãi nhờ tính không phá hủy, không cần xử lý mẫu phức tạp, có thể đo trực tiếp chất rắn, lỏng hoặc qua lớp kính/quang học. Raman đặc biệt hữu ích trong phân tích vật liệu, khảo cổ học, pháp y, dược phẩm, thậm chí cả xác định nguồn gốc đá quý và mỹ phẩm giả.

So sánh nhanh Raman vs IR:

Quang phổ khối kết hợp

Dù không phải là kỹ thuật quang học truyền thống, quang phổ khối (mass spectrometry – MS) thường được tích hợp với các phương pháp sắc ký hoặc quang phổ khác để tạo ra các hệ thống phân tích phức hợp như LC-MS, GC-MS, hoặc MALDI-TOF.

Trong MS, các phân tử được ion hóa (thường bằng ESI hoặc MALDI), sau đó phân tách theo tỷ số khối lượng/điện tích (m/z) trong trường điện từ. Máy dò ghi nhận tín hiệu, tạo ra phổ khối cho phép xác định cấu trúc phân tử, xác nhận hợp chất, hoặc định lượng cực kỳ nhạy.

Ứng dụng chủ yếu của MS:

• Phân tích dược phẩm và chất chuyển hóa (phân tích proteomics)
• Giám sát tồn dư thuốc BVTV và chất độc trong thực phẩm
• Khám phá marker sinh học mới trong ung thư học

Ví dụ: kỹ thuật LC-MS/MS có thể định lượng đồng thời hàng chục chất chuyển hóa steroid trong huyết tương chỉ trong một lần chạy.

Ứng dụng trong các ngành khoa học và công nghiệp

Kỹ thuật quang phổ giữ vai trò trung tâm trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghiệp và công nghệ cao. Với khả năng phân tích định tính và định lượng chính xác, tốc độ cao và linh hoạt trong xử lý mẫu, các kỹ thuật quang phổ đã trở thành nền tảng cho hầu hết các phòng thí nghiệm phân tích hiện đại.

Ứng dụng nổi bật:

• Hóa học phân tích: xác định cấu trúc, độ tinh khiết, phản ứng hóa học
• Sinh học và y học: chẩn đoán, phát hiện dấu ấn sinh học, kiểm tra protein/DNA
• Thực phẩm: phát hiện chất bảo quản, phân tích giá trị dinh dưỡng
• Môi trường: đo kim loại nặng, hợp chất hữu cơ bay hơi trong đất/nước/khí
• Vật liệu và bán dẫn: kiểm tra lớp mỏng, cấu trúc nano, nhiễm bẩn wafer

Hạn chế và thách thức

Dù ưu điểm vượt trội, quang phổ vẫn đối mặt với một số giới hạn như:

• Độ nhạy phụ thuộc nền mẫu và điều kiện đo
• Chồng phổ khi phân tích hỗn hợp phức tạp
• Thiết bị đắt tiền, đòi hỏi nhân lực chuyên môn cao

Ngoài ra, trong một số ứng dụng thực địa (on-site), thiết bị quang phổ cần thu gọn kích thước, giảm tiêu hao năng lượng, tối ưu hóa khả năng hiệu chuẩn và phân tích nhanh – điều mà các thiết bị mini hoặc di động vẫn đang được nghiên cứu cải tiến.

Tài liệu tham khảo

1. Nature Protocols – Spectroscopic techniques in biomolecular analysis
2. NIST – National Institute of Standards and Technology – Spectroscopy Programs
3. ScienceDirect – Spectroscopic Technique Overview
4. Skoog, D.A., Holler, F.J., & Crouch, S.R. (2017). Principles of Instrumental Analysis (7th ed.). Cengage Learning.
5. Ferraro, J.R., Nakamoto, K., & Brown, C.W. (2003). Introductory Raman Spectroscopy (2nd ed.). Academic Press.