Nghiên cứu quang phổ là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Khái niệm nghiên cứu quang phổ

Nghiên cứu quang phổ (spectroscopy) là ngành khoa học phân tích tập trung vào sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật chất, nhằm thu được các thông tin về thành phần, cấu trúc và tính chất của mẫu. Phổ được tạo ra từ quá trình hấp thụ, phát xạ hay tán xạ ánh sáng, và mỗi chất sẽ cho ra “dấu vân” phổ đặc trưng. Kết quả phân tích phổ giúp xác định các nguyên tố, nhóm chức, liên kết hóa học cũng như trạng thái vật lý của mẫu [NIST].

Phổ học không chỉ dừng ở việc ghi nhận cường độ tín hiệu theo bước sóng, mà còn bao gồm phân tích hình dạng đường cong phổ, độ rộng đường phổ và các yếu tố phụ thuộc nhiệt độ, áp suất. Phân tích phổ định lượng cho phép xác định nồng độ chất trong dung dịch thông qua hệ số hấp thụ và quang độ kế, còn phân tích phổ định tính giúp nhận diện thành phần phức hợp như hợp chất hữu cơ, polime, nano-vật liệu.

Các kỹ thuật quang phổ hiện đại có thể phân tích mẫu ở quy mô phân tử, nguyên tử, thậm chí hạt nhân. Phổ học được áp dụng trong hóa học, vật lý, sinh học, y dược, môi trường và thiên văn học để nghiên cứu từ tế bào sinh học đến sao xa hàng triệu năm ánh sáng.

Lịch sử và phát triển

Thế kỷ XVII, Isaac Newton sử dụng lăng kính phân tích ánh sáng mặt trời thành phổ cầu vồng, khởi nguồn cho khoa học quang phổ. Nửa cuối thế kỷ XIX, Gustav Kirchhoff và Robert Bunsen phát hiện đặc trưng phổ dòng phát xạ của nguyên tố, đặt nền móng cho quang phổ nguyên tố [ACS Reviews].

Thế kỷ XX chứng kiến sự phát triển vượt bậc của phổ học với việc ứng dụng định luật Planck và cơ học lượng tử. Max Planck giới thiệu khái niệm lượng tử năng lượng, Albert Einstein mở rộng cho hiện tượng quang điện, và Niels Bohr mô hình nguyên tử giải thích các vạch phổ phát xạ của hydro [PMC].

• 1859: Kirchhoff & Bunsen – phổ phát xạ nguyên tố.
• 1900: Planck – định luật phân phối năng lượng.
• 1913: Bohr – mô hình nguyên tử và giải thích vạch phổ.
• 1950–nay: Phổ cộng hưởng từ (NMR), khối phổ (MS) và phổ học siêu nhanh.

Công nghệ máy quang phổ ngày càng nhỏ gọn và tự động hóa cao, từ phổ UV-Vis để đo độ hấp thụ đơn giản đến thiết bị FT-IR, Raman và NMR tiên tiến, phục vụ cả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghiệp.

Nguyên lý cơ bản

Bức xạ điện từ gồm các photon mang năng lượng $E = h\nu$, trong đó h là hằng số Planck và ν là tần số sóng. Khi photon tương tác với vật chất, chúng có thể bị hấp thụ, phát xạ hoặc tán xạ, tạo nên phổ năng lượng đặc trưng phản ánh mức phân tử, nguyên tử hoặc hạt nhân.

Phổ hấp thụ xác định năng lượng photon bị mẫu hấp thụ để chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích, còn phổ phát xạ ghi nhận năng lượng photon phát ra khi mẫu trở về trạng thái thấp hơn. Phổ tán xạ, như Raman, cung cấp thông tin về rung động và xoay của liên kết hóa học.

Định luật Beer–Lambert mô tả mối quan hệ giữa độ hấp thụ và nồng độ mẫu:

$A = \varepsilon \, l \, c$,

trong đó A là độ hấp thụ, ε là hệ số hấp thụ molar, l là chiều dài bước sóng qua mẫu, và c là nồng độ chất.

Các loại phổ chính

Các kỹ thuật quang phổ chủ yếu phân theo vùng bước sóng và cơ chế tương tác:

• UV-Vis: Phổ tử ngoại và khả kiến, xác định nhóm chức bất bão hòa.
• IR: Phổ hồng ngoại, phân tích dao động liên kết.
• Raman: Tán xạ phi đàn hồi, khảo sát rung động phân tử.
• NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân, xác định cấu trúc khung xương phân tử.
• MS: Khối phổ, đo khối lượng phân tử và các mảnh ion.

Việc lựa chọn kỹ thuật phụ thuộc vào tính chất mẫu, mục tiêu phân tích và yêu cầu độ nhạy, độ phân giải. Sự kết hợp nhiều phương pháp quang phổ mang lại cái nhìn toàn diện về thành phần và cấu trúc của vật liệu.

Thiết bị và kỹ thuật đo

Máy quang phổ cơ bản bao gồm nguồn bức xạ, hệ tán sắc hoặc phân tán (lăng kính, lưới nhiễu xạ), khoang mẫu và detector. Nguồn có thể là đèn halogen, deuterium, laser hoặc synchrotron tùy kỹ thuật. Detector phổ biến gồm photodiode array, photomultiplier tube (PMT), InGaAs hoặc CCD, cho phép đo cường độ tín hiệu với độ phân giải cao [Thorlabs].

Trong phổ học FT-IR (Fourier Transform Infrared), gương di động trong interferometer Michelson tạo ra tín hiệu interferogram, sau đó giải tích bằng biến đổi Fourier:

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

trong đó i(δ) là interferogram, I(ν) là phổ ánh xạ theo tần số sóng ν [ACS Reviews]. Máy NMR sử dụng từ trường mạnh (400–1200 MHz) và cuộn thu/phát sóng radio để khảo sát cộng hưởng hạt nhân, còn phổ Raman dùng laser công suất cao cùng spectrograph và CCD để thu tín hiệu tán xạ phi đàn hồi.

Xử lý dữ liệu và phân tích

Dữ liệu thô thường chứa nhiễu và nền tín hiệu, cần hiệu chỉnh trước khi phân tích. Các bước phổ biến gồm loại bỏ nền (baseline correction), lọc nhiễu (smoothing), chuẩn hóa cường độ (normalization) và chuẩn đoán bước sóng (wavelength calibration) [ScienceDirect].

Phân tích phổ hiện đại dùng biến đổi Fourier (FT), deconvolution và khử chồng vạch để nâng cao độ phân giải. Chemometrics áp dụng phân tích thành phần chính (PCA) và hồi quy thống kê như PLS (Partial Least Squares) để xây dựng mô hình định lượng và phân loại mẫu.

• FT: Chuyển đổi tín hiệu thời gian hoặc quét interferogram thành phổ tần số.
• Deconvolution: Tách các vạch gần nhau bằng thuật toán Richardson-Lucy hoặc MaxEnt.
• PCA & PLS: Giảm chiều dữ liệu và xây dựng mô hình dự báo nồng độ chất phân tích.

Phần mềm xử lý phổ như OPUS (Bruker), OMNIC (Thermo Fisher) và MATLAB toolboxes cho phép tự động hóa quy trình, trực quan hóa phổ 2D/3D và xuất báo cáo chất lượng cao.

Ứng dụng

Trong hóa phân tích, UV-Vis và IR giúp xác định nhóm chức, đánh giá độ tinh khiết và nồng độ dược chất. NMR là tiêu chuẩn vàng cho cấu trúc phân tử, cho phép xác định liên kết, chuỗi cacbon và đồng phân hóa học [ACS Chem. Rev.].

Ngành y dược dùng phổ học để giám sát phản ứng enzyme, xác định chất chuyển hóa và kiểm soát chất lượng thuốc. MS kết hợp LC (liquid chromatography) cho phép phân tích proteomics, phát hiện protein đột biến, dấu ấn sinh học trong ung thư.

Môi trường và vật liệu ứng dụng phổ học để theo dõi ô nhiễm (PM2.5, VOCs), phân tích vật liệu nano, khảo sát lớp phủ và màng polymer. Trong thiên văn học, quang phổ học giúp đo vận tốc tách rời của sao, xác định thành phần khí vũ trụ và cấu trúc tinh vân [ESO X-Shooter].

Thách thức và xu hướng tương lai

Thách thức lớn là nâng độ nhạy và độ phân giải mà vẫn duy trì tốc độ thu thập nhanh. Các thiết bị on-chip và micro-spectrometer đang phát triển để thu nhỏ kích thước và tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp ứng dụng di động và cảm biến môi trường.

Kết hợp học máy và trí tuệ nhân tạo cho phép tự động phân tích phổ, nhận dạng mẫu và dự báo tính chất vật liệu. Các mô hình deep learning có thể học đặc trưng phổ ẩn, cải thiện độ chính xác phân loại và giảm sai số do nhiễu.

• On-chip spectroscopy: tích hợp nguồn, phân tán và detector trên silicon.
• Speckle spectroscopy: dùng mô hình lan truyền ngẫu nhiên để đo phổ trong môi trường rối.
• Quantum spectroscopy: sử dụng trạng thái lượng tử để đạt độ phân giải vượt giới hạn Heisenberg.

Tài liệu tham khảo

• National Institute of Standards and Technology. “Spectroscopy.” Truy cập tại https://www.nist.gov/pml/spectroscopy.
• Griffiths, P. R., & de Haseth, J. A. (2007). Fourier Transform Infrared Spectrometry. Wiley-Interscience.
• Smith, E., & Dent, G. (2005). Modern Raman Spectroscopy. Wiley.
• Bruker. OPUS Software. Truy cập tại https://www.bruker.com/products/mr/opus.html.
• Lee, M.-L., et al. (2018). “Micro-Spectrometers: Recent Advances and Applications.” Analytical Chemistry, 90(12), 7003–7012.
• Zhang, Y., & Zhao, Y. (2020). “Machine Learning in Spectroscopy: A Review.” TrAC Trends in Analytical Chemistry, 125, 115857.