Phổ hồng ngoại là gì? Nghiên cứu khoa học về phổ hồng ngoại

Khái niệm phổ hồng ngoại

Phổ hồng ngoại (Infrared spectrum) là biểu đồ mô tả sự hấp thụ hoặc phát xạ bức xạ điện từ trong vùng hồng ngoại bởi các phân tử hoặc nguyên tử. Vùng phổ hồng ngoại nằm trong khoảng bước sóng từ 0.8 đến 1000 micromet, tương ứng với số sóng từ 14000 đến 10 cm⁻¹, nhưng ứng dụng phổ biến nhất tập trung trong khoảng 4000–400 cm⁻¹.

Kỹ thuật phổ IR được ứng dụng rộng rãi trong hóa học, vật lý, sinh học phân tử, khoa học vật liệu và dược học. Mỗi phân tử có một phổ IR đặc trưng giống như dấu vân tay – điều này làm IR trở thành một phương pháp xác định nhóm chức, cấu trúc phân tử, và đánh giá độ tinh khiết không phá mẫu. Phổ thu được là kết quả từ sự tương tác giữa bức xạ IR và các dao động nội phân tử của phân tử chất cần phân tích.

Sự hấp thụ xảy ra khi năng lượng photon IR trùng với mức năng lượng dao động của liên kết hóa học trong phân tử. Khi đó, phân tử chuyển từ mức năng lượng dao động cơ bản lên mức cao hơn, sinh ra các tín hiệu hấp thụ tại các tần số đặc trưng. Vì năng lượng photon IR không đủ để kích thích điện tử như UV-Vis nên các chuyển dịch chủ yếu liên quan đến chuyển động dao động – giúp IR nhạy với hình học và liên kết phân tử.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý của phổ hồng ngoại dựa trên sự hấp thụ năng lượng bởi các dao động phân tử. Các phân tử chỉ hấp thụ bức xạ IR nếu dao động của chúng làm thay đổi mômen lưỡng cực điện. Đây là điều kiện chọn lọc trong phổ IR, phân biệt nó với phổ Raman vốn dựa trên thay đổi phân cực.

Trong cơ học lượng tử, năng lượng dao động phân tử là rời rạc và có thể mô hình hóa xấp xỉ như dao động điều hòa. Khi photon IR có năng lượng trùng với hiệu năng lượng giữa hai mức dao động, hấp thụ xảy ra:
$E = h\nu = \Delta E_{vib}$

Một dao động IR khả kiến phải tuân điều kiện:
$\frac{d\mu}{dt} \ne 0$ trong đó $\mu$ là mômen lưỡng cực. Điều này giải thích tại sao liên kết C=C không phân cực có thể không hiện rõ trong phổ IR, trong khi các liên kết phân cực như C=O, O–H lại cho tín hiệu mạnh.

Phân loại vùng phổ IR

Vùng phổ IR được phân chia theo số sóng hoặc bước sóng thành ba vùng chính. Mỗi vùng có ứng dụng và kỹ thuật đo khác nhau, phù hợp với các loại dao động và loại mẫu cụ thể.

Bảng phân chia vùng phổ:

Vùng	Số sóng (cm−1)	Bước sóng (μm)	Ứng dụng chính
Gần IR (Near IR)	14000–4000	0.8–2.5	Phân tích nhanh, chất lỏng
Trung IR (Mid IR)	4000–400	2.5–25	Xác định nhóm chức, cấu trúc hữu cơ
Xa IR (Far IR)	400–10	25–1000	Dao động toàn phân tử, mạng tinh thể

Vùng trung IR là quan trọng nhất trong phân tích phổ vì chứa hầu hết các dao động liên kết hóa học đặc trưng như C=O, N–H, C–H, O–H. Vùng gần IR thường dùng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm để phân tích nhanh thành phần. Vùng xa IR ít phổ biến hơn, chủ yếu dùng trong vật lý rắn và nghiên cứu vật liệu.

Mỗi vùng yêu cầu nguồn sáng và detector khác nhau, ví dụ: vùng xa IR cần nguồn synchrotron hoặc buồng làm lạnh detector do năng lượng photon thấp, tín hiệu yếu. Ngoài ra, cấu hình quang học cũng thay đổi tùy vùng, ảnh hưởng đến thiết kế thiết bị IR tổng thể.

Thiết bị và kỹ thuật phổ hồng ngoại

Thiết bị phổ IR gồm bốn thành phần chính: nguồn sáng, giao thoa kế (đối với FT-IR), buồng mẫu, và đầu dò detector. Phổ hiện đại hầu hết sử dụng FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) thay vì máy quét đơn sắc truyền thống. FT-IR sử dụng giao thoa kế Michelson để thu phổ toàn dải trong thời gian ngắn với độ phân giải cao.

Các kỹ thuật đo phổ IR:

• Transmission: đo ánh sáng đi xuyên qua mẫu (rắn mỏng, màng, chất lỏng)
• ATR (Attenuated Total Reflectance): cho phép đo trực tiếp mẫu rắn hoặc gel mà không cần xử lý
• Diffuse Reflectance: dùng cho mẫu bột hoặc rắn mờ
• Gas Phase: phân tích khí trong buồng kín, phổ rất sắc nét

Các loại detector:

• DTGS (deuterated triglycine sulfate): thông dụng, không cần làm lạnh
• MCT (mercury cadmium telluride): độ nhạy cao, cần làm lạnh bằng nitơ lỏng

Sự lựa chọn kỹ thuật phụ thuộc vào bản chất mẫu, độ phân giải mong muốn và điều kiện phân tích. Ví dụ, mẫu nước hoặc ẩm cao thường dùng ATR để giảm ảnh hưởng của nước hấp thụ mạnh trong vùng 3400 cm⁻¹.

Giải thích và diễn giải phổ IR

Phổ hồng ngoại thể hiện dưới dạng đồ thị với trục hoành là số sóng (cm⁻¹) – ngược chiều với bước sóng – và trục tung là phần trăm truyền qua (%T) hoặc độ hấp thụ (A). Số sóng tỷ lệ thuận với năng lượng và được tính bằng công thức: $\tilde{\nu} = \frac{1}{\lambda}$ (với $\lambda$ tính bằng cm).

Các đỉnh trong phổ IR đại diện cho sự hấp thụ năng lượng tương ứng với dao động của liên kết hóa học. Mỗi nhóm chức trong phân tử có một vùng số sóng đặc trưng riêng, cho phép nhận diện chúng thông qua tra cứu bảng dữ liệu phổ IR tiêu chuẩn.

Bảng các vùng hấp thụ IR phổ biến:

Vùng số sóng (cm−1)	Loại dao động	Nhóm chức tương ứng
3700–3200	Stretching	O–H (rộng), N–H, ≡C–H
3100–2800	Stretching	sp²/sp³ C–H
2250–2100	Stretching	C≡C, C≡N
1800–1600	Stretching	C=O, C=C (aromatic)
1500–1300	Bending	CH2, NO2
1300–400	Fingerprint	Dao động toàn phân tử

Vùng fingerprint (dưới 1500 cm⁻¹) rất phức tạp và khó giải thích, nhưng lại cực kỳ đặc trưng cho từng phân tử. Do đó, phổ IR của hai hợp chất có thể giống nhau ở vùng nhóm chức nhưng khác nhau rõ rệt trong vùng fingerprint – hỗ trợ xác minh danh tính chất.

Ứng dụng trong phân tích định tính và định lượng

Phổ IR là công cụ mạnh trong xác định định tính nhóm chức và cấu trúc hóa học. Trong định tính, ta không đo nồng độ mà xác định sự có mặt hay vắng mặt của nhóm chức nhất định trong mẫu. Ví dụ, đỉnh mạnh và rộng quanh 3400 cm⁻¹ gần như chắc chắn gợi ý nhóm O–H như trong rượu, phenol hoặc nước.

Trong định lượng, phổ IR có thể dùng để xác định nồng độ chất thông qua định luật Beer-Lambert: $A = \varepsilon \cdot l \cdot c$ với A là độ hấp thụ, $\varepsilon$ là hệ số hấp thụ mol, l là bề dày mẫu, và c là nồng độ. Nếu sử dụng máy FT-IR với chế độ linear response, độ hấp thụ tỷ lệ tuyến tính với nồng độ chất.

Ứng dụng cụ thể:

• Kiểm tra độ tinh khiết thuốc, phát hiện tạp chất
• Xác định cấu trúc polymer, xác định mức độ kết tinh
• Phân tích thực phẩm: độ ẩm, hàm lượng protein, lipit
• Theo dõi phản ứng hóa học theo thời gian thực

Trong công nghiệp, IR còn dùng để kiểm tra chất lượng nguyên liệu, phát hiện hàng giả (ví dụ: xác định sữa bột giả nhờ phổ lipid), và kiểm tra độ ổn định hóa học của sản phẩm trong bảo quản.

Ưu điểm và hạn chế

Phổ IR là một trong những kỹ thuật phổ thông dụng nhất nhờ nhiều lợi thế vượt trội:

• Không phá hủy mẫu
• Phân tích nhanh, chính xác
• Dùng được với nhiều trạng thái mẫu: rắn, lỏng, khí
• Không cần dung môi hoặc hóa chất phụ

Tuy nhiên, IR cũng có những hạn chế nhất định:

• Không thể xác định cấu trúc không gian 3D như NMR
• Các dải hấp thụ có thể chồng lấn, gây khó phân tích
• Không nhạy với các liên kết không phân cực hoặc có mômen lưỡng cực nhỏ (như O₂, N₂)
• Mẫu chứa nước có thể gây nhiễu mạnh

Để khắc phục hạn chế, IR thường được sử dụng phối hợp với các phương pháp khác như NMR, Raman hoặc GC-MS trong nghiên cứu cấu trúc và xác định hợp chất mới.

So sánh với các kỹ thuật phổ khác

Phổ IR và phổ Raman đều là kỹ thuật phổ dao động (vibrational spectroscopy), nhưng có nguyên lý khác nhau. IR dựa vào sự hấp thụ bức xạ khi dao động gây thay đổi mômen lưỡng cực, trong khi Raman dựa vào hiện tượng tán xạ không đàn hồi và yêu cầu thay đổi độ phân cực của liên kết.

Bảng so sánh phổ IR và Raman:

Đặc điểm	IR	Raman
Hiện tượng	Hấp thụ	Tán xạ không đàn hồi
Điều kiện chọn lọc	Thay đổi mômen lưỡng cực	Thay đổi phân cực
Ảnh hưởng nước	Hấp thụ mạnh, gây nhiễu	Ít ảnh hưởng
Phù hợp mẫu	Hữu cơ, polymer	Vô cơ, chất không phân cực

Sự kết hợp IR–Raman cho phép khai thác thông tin đầy đủ từ các dao động khác nhau của phân tử. Trong nghiên cứu vật liệu tiên tiến và sinh học phân tử, hai phương pháp thường đi đôi để cung cấp góc nhìn toàn diện.

Xu hướng phát triển và ứng dụng mới

Với sự tiến bộ của quang học và điện tử, phổ IR hiện nay không còn giới hạn trong phòng thí nghiệm. Thiết bị FT-IR cầm tay đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong kiểm nghiệm thực địa, giám sát chất lượng nông sản, phân tích thực phẩm, dược liệu và vật liệu xây dựng.

Các hướng nghiên cứu mới:

• Kết hợp phổ IR với trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích mẫu phức hợp
• Sử dụng IR hyperspectral imaging để phân tích mẫu theo không gian và thời gian
• IR plasmonics với cảm biến nano tăng cường độ nhạy
• Phát triển IR siêu phân giải vượt giới hạn nhiễu xạ (nanoscale IR spectroscopy)

Trong bối cảnh kiểm soát chất lượng, phân tích bảo vệ môi trường và an toàn thực phẩm ngày càng quan trọng, phổ IR tiếp tục là nền tảng không thể thiếu của hóa phân tích hiện đại. Xem thêm tại: Thermo Fisher Scientific – Infrared Spectroscopy

Kết luận

Phổ hồng ngoại là công cụ phổ học mạnh mẽ, cho phép nhận biết nhóm chức, phân tích cấu trúc và theo dõi biến đổi hóa học. Với độ tin cậy cao, thời gian phân tích nhanh và khả năng xử lý nhiều loại mẫu, IR spectroscopy đóng vai trò thiết yếu trong hóa học ứng dụng, y học, vật liệu và môi trường.

Trong kỷ nguyên của tự động hóa và học máy, phổ IR còn tiếp tục mở rộng ảnh hưởng trong các lĩnh vực liên ngành, chứng minh vai trò lâu dài và bền vững trong phân tích hiện đại.