Phổ hấp thụ là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa phổ hấp thụ

Phổ hấp thụ là biểu đồ hoặc tập hợp dữ liệu thể hiện mức độ hấp thụ bức xạ điện từ của một chất tại các bước sóng cụ thể. Khi ánh sáng trắng hoặc phổ rộng đi qua một chất, các bước sóng mà phân tử hoặc nguyên tử có thể hấp thụ sẽ bị suy giảm về cường độ, tạo nên các vạch tối hoặc dải tối trong phổ. Đây là nguyên lý nền tảng trong quang phổ học, đặc biệt quan trọng trong phân tích hóa học và vật lý nguyên tử.

Phổ hấp thụ xuất hiện khi năng lượng của photon trùng với mức chênh lệch giữa hai trạng thái năng lượng lượng tử của electron hoặc dao động phân tử. Khi hấp thụ, electron chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức cao hơn. Các vạch hấp thụ đặc trưng được sử dụng như "dấu vân tay" để nhận diện nguyên tử hoặc phân tử. Tùy theo miền bước sóng, phổ hấp thụ được chia thành tử ngoại – khả kiến, hồng ngoại, vi sóng, và phổ hấp thụ nguyên tử.

Phổ hấp thụ không chỉ giúp xác định định tính một chất mà còn có thể định lượng chính xác nồng độ, nhờ vào mối liên hệ tuyến tính giữa độ hấp thụ và nồng độ chất theo định luật Beer–Lambert. Công cụ này được ứng dụng rộng rãi trong sinh học, y học, hóa học phân tích, khoa học vật liệu và môi trường.

Nguyên lý vật lý của phổ hấp thụ

Hiện tượng hấp thụ ánh sáng được giải thích bằng cơ học lượng tử, trong đó các mức năng lượng của electron trong nguyên tử hoặc phân tử là rời rạc. Khi một photon mang năng lượng đúng bằng hiệu năng lượng giữa hai mức, nó sẽ bị hấp thụ và electron được kích thích lên trạng thái cao hơn. Mối liên hệ giữa năng lượng photon và bước sóng ánh sáng được mô tả bởi công thức Planck:

$E = h \nu = \frac{hc}{\lambda}$

Trong đó:

• $E$: năng lượng photon (Joules)
• $h$: hằng số Planck (6.626 × 10⁻³⁴ J·s)
• $\nu$: tần số sóng điện từ (Hz)
• $\lambda$: bước sóng (m)
• $c$: tốc độ ánh sáng (3.0 × 10⁸ m/s)

Chỉ những photon có năng lượng phù hợp với khoảng cách giữa hai mức năng lượng lượng tử mới bị hấp thụ, do đó mỗi chất có phổ hấp thụ đặc trưng riêng. Sự phân bố và cường độ các vạch hấp thụ phản ánh thông tin cấu trúc, liên kết hóa học và trạng thái năng lượng của chất đang khảo sát.

Phân loại phổ hấp thụ

Phổ hấp thụ có thể được phân loại theo dải tần số hoặc cơ chế hấp thụ. Mỗi loại phổ mang thông tin khác nhau về bản chất vật chất và cơ chế tương tác giữa ánh sáng với vật chất. Một số phân loại phổ biến bao gồm:

• Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis): xảy ra do chuyển mức điện tử trong phân tử, đặc biệt là các liên kết π → π* và n → π*.
• Phổ hồng ngoại (IR): do dao động nội phân tử (vibrational transitions) tạo nên, liên quan đến sự thay đổi mô-men lưỡng cực.
• Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): xảy ra ở nguyên tử tự do trong trạng thái hơi, thường ứng dụng trong phân tích nguyên tố vi lượng.
• Phổ vi sóng: liên quan đến chuyển động quay của phân tử, ứng dụng trong phổ học phân tử khí và thiên văn học.

Bảng phân loại phổ hấp thụ theo vùng bước sóng:

Loại phổ	Dải bước sóng	Chuyển mức	Ứng dụng
UV-Vis	190–800 nm	Điện tử	Hóa phân tích, sinh học
Hồng ngoại (IR)	0.8–100 μm	Dao động	Xác định nhóm chức
Vi sóng	1 mm – 1 m	Quay phân tử	Phân tích khí, thiên văn
AAS	190–800 nm	Điện tử nguyên tử	Phân tích nguyên tố

Tùy theo mục tiêu nghiên cứu và loại mẫu, người sử dụng có thể lựa chọn kỹ thuật phổ hấp thụ phù hợp để thu được thông tin chính xác về cấu trúc hoặc thành phần mẫu.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phổ hấp thụ

Phổ hấp thụ không chỉ phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất mà còn bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường và thiết lập thí nghiệm. Những yếu tố này có thể gây dịch chuyển vị trí đỉnh hấp thụ, thay đổi độ rộng phổ hoặc cường độ hấp thụ.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến phổ hấp thụ:

• Độ pH: ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của phân tử, từ đó thay đổi mức năng lượng.
• Dung môi: có thể làm dịch chuyển đỏ (bathochromic) hoặc xanh (hypsochromic) tùy theo hằng số điện môi.
• Nhiệt độ: tăng nhiệt độ làm tăng dao động phân tử, dẫn đến làm mờ hoặc giãn phổ.
• Nồng độ chất phân tích: độ hấp thụ tuyến tính ở nồng độ thấp nhưng sai lệch ở nồng độ cao.

Mối liên hệ định lượng giữa độ hấp thụ và nồng độ được mô tả bởi định luật Beer–Lambert:

$A = \varepsilon c l$

Trong đó:

• $A$: độ hấp thụ
• $\varepsilon$: hệ số hấp thụ mol (L·mol⁻¹·cm⁻¹)
• $c$: nồng độ dung dịch (mol·L⁻¹)
• $l$: chiều dài cuvet (cm)

Sự sai lệch khỏi tính tuyến tính của định luật trên có thể do sự hình thành phức chất, phản ứng phụ trong dung dịch, hoặc hiện tượng hấp thụ nền từ dung môi và thành phần khác. Do đó, việc kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng là cần thiết để đảm bảo độ chính xác của phép đo phổ hấp thụ.

Ứng dụng của phổ hấp thụ trong khoa học và công nghệ

Phổ hấp thụ là một trong những công cụ phổ biến và quan trọng nhất trong hóa phân tích, vật lý quang học và sinh học phân tử. Nó cho phép xác định thành phần hóa học, đo nồng độ, nghiên cứu cấu trúc phân tử, đánh giá độ tinh khiết, và phân tích mẫu trong các môi trường phức tạp.

Một số ứng dụng tiêu biểu:

• Phân tích định lượng: đo nồng độ của hợp chất trong dung dịch theo định luật Beer–Lambert (UV-Vis, AAS).
• Chẩn đoán y sinh: đo nồng độ hemoglobin, bilirubin, glucose hoặc enzyme trong máu.
• Phân tích môi trường: xác định nồng độ kim loại nặng, nitrat, photphat trong nước bằng phổ hấp thụ nguyên tử.
• Kiểm soát chất lượng dược phẩm: kiểm tra hàm lượng hoạt chất chính và tạp chất trong thuốc.
• Phân tích vật liệu nano: xác định kích thước, băng thông năng lượng (band gap) của chấm lượng tử và hạt nano bán dẫn.

Trong vật lý vật liệu, phổ hấp thụ được sử dụng để nghiên cứu các mức năng lượng điện tử trong tinh thể, xác định vùng cấm bằng cách vẽ đồ thị Tauc:

$(\alpha h \nu)^n = A(h\nu - E_g)$

Trong đó $\alpha$ là hệ số hấp thụ, $h\nu$ là năng lượng photon, $E_g$ là năng lượng vùng cấm, và $n$ phụ thuộc vào loại chuyển tiếp (n = 2 với chuyển tiếp trực tiếp).

So sánh phổ hấp thụ và phổ phát xạ

Phổ hấp thụ và phổ phát xạ đều cung cấp thông tin về cấu trúc mức năng lượng của nguyên tử hoặc phân tử, nhưng chúng khác nhau về cơ chế vật lý. Phổ hấp thụ xảy ra khi photon bị hấp thụ để kích thích electron lên mức cao hơn, trong khi phổ phát xạ xảy ra khi electron chuyển về mức thấp hơn và phát ra photon.

Sự khác biệt giữa hai loại phổ được tổng hợp trong bảng sau:

Tiêu chí	Phổ hấp thụ	Phổ phát xạ
Nguồn gốc	Photon bị hấp thụ	Photon được phát ra
Hướng chuyển mức	Từ thấp lên cao	Từ cao xuống thấp
Định lượng	Đo nồng độ chất	Định tính nguyên tố
Hình thức phổ	Vạch tối trên nền sáng	Vạch sáng trên nền tối
Ứng dụng	UV-Vis, AAS	Hồ quang, ICP-OES

Cả hai loại phổ thường được sử dụng bổ trợ trong phân tích hóa học và vật lý nguyên tử. Trong nhiều hệ thống phân tích hiện đại, các kỹ thuật này được tích hợp đồng thời để tăng độ chính xác và độ nhạy.

Thiết bị đo phổ hấp thụ

Thiết bị phổ hấp thụ được thiết kế để đo sự suy giảm cường độ ánh sáng do quá trình hấp thụ của mẫu. Cấu trúc cơ bản của máy phổ hấp thụ gồm các thành phần:

1. Nguồn sáng: đèn deuterium (190–400 nm) cho UV, đèn tungsten-halogen (400–800 nm) cho khả kiến.
2. Hệ tán sắc: lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ để phân tách các bước sóng.
3. Buồng mẫu: chứa cuvet bằng thạch anh hoặc thủy tinh, thường có chiều dài 1 cm.
4. Detector: photodiode array, PMT hoặc CCD để chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện.
5. Bộ xử lý dữ liệu: máy tính và phần mềm để thu nhận và phân tích phổ.

Trong phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), buồng nguyên tử hóa là thành phần quan trọng nhất. Nó có thể là ngọn lửa (air-acetylene hoặc N₂O-acetylene) hoặc lò graphite furnace, giúp chuyển chất rắn hoặc dung dịch thành hơi nguyên tử tự do.

Phân tích định lượng bằng phổ hấp thụ

Phổ hấp thụ là công cụ định lượng chính xác trong hóa học và sinh học phân tích, nhờ sự tuyến tính giữa nồng độ và độ hấp thụ trong điều kiện lý tưởng. Phương pháp phổ UV-Vis thường được sử dụng để đo nồng độ chất hữu cơ, thuốc, enzyme hoặc chất chuyển hóa trong máu.

Tiến trình phân tích định lượng gồm:

• Chuẩn bị dung dịch chuẩn với nồng độ đã biết
• Đo độ hấp thụ tại bước sóng đặc trưng của chất phân tích
• Xây dựng đường chuẩn (A vs. c)
• Đo mẫu chưa biết và nội suy nồng độ từ đường chuẩn

Các phần mềm phổ kế hiện đại như Thermo Insight, Agilent ChemStation hỗ trợ hiệu chỉnh tự động, nhận diện đỉnh phổ, trừ mẫu trắng và phân tích đa thành phần.

Giới hạn và sai số trong phổ hấp thụ

Mặc dù phổ hấp thụ là một kỹ thuật mạnh mẽ, nó vẫn có những hạn chế nhất định. Một số yếu tố có thể làm sai lệch kết quả đo:

• Giới hạn tuyến tính: ở nồng độ cao, phổ có thể bão hòa, làm giảm độ chính xác.
• Độ đục mẫu: gây tán xạ ánh sáng, làm sai lệch tín hiệu hấp thụ.
• Hấp thụ nền: do dung môi, tạp chất hoặc các chất đồng hấp thụ trong mẫu.
• Hiệu ứng nhiệt độ: thay đổi dao động phân tử, ảnh hưởng đến đỉnh hấp thụ.

Các biện pháp kiểm soát sai số bao gồm: sử dụng mẫu trắng, lọc mẫu, chọn bước sóng tối ưu, hiệu chuẩn thường xuyên và sử dụng cuvet chất lượng cao. Trong một số trường hợp phức tạp, kỹ thuật đạo hàm phổ (derivative spectroscopy) được sử dụng để tăng độ phân giải và loại nhiễu.

Tài liệu tham khảo

1. NIST – Spectroscopy and Physical Measurement Laboratory
2. ScienceDirect – Absorption Spectroscopy
3. ACS Analytical Chemistry – Advances in UV-Vis Quantification
4. Thermo Fisher Scientific – UV-Vis and AAS Instrumentation
5. Agilent Technologies – UV-Vis Spectrophotometer 8453