Phổ ir là gì? Các bài nghiên cứu khoa học về Phổ ir

Khái niệm và nguyên lý cơ bản

Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy – IR) là một kỹ thuật phân tích vật lý–hóa học quan trọng dựa trên sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của các liên kết phân tử. Khi một chùm tia hồng ngoại có tần số phù hợp chiếu qua mẫu, năng lượng ánh sáng được truyền cho dao động phân tử, dẫn đến xuất hiện các vạch hấp thụ đặc trưng trong phổ. Những vạch hấp thụ này là "dấu vân tay" quang phổ học của phân tử, phản ánh trực tiếp cấu trúc và thành phần hóa học. Khái niệm này được trình bày chi tiết trong các nguồn chuyên khảo như Encyclopedia Britannica và hướng dẫn ứng dụng công nghiệp tại Thermo Fisher Scientific.

IR được chia thành ba vùng chính theo bước sóng và số sóng: gần hồng ngoại (NIR: 0,78–2,5 µm, 12800–4000 cm^-1), trung hồng ngoại (MIR: 2,5–25 µm, 4000–400 cm^-1) và xa hồng ngoại (FIR: 25–1000 µm, 400–10 cm^-1). Vùng trung hồng ngoại là quan trọng nhất vì chứa dao động của hầu hết nhóm chức trong hóa học hữu cơ và vô cơ. Dựa trên nguyên lý này, phổ IR được coi là công cụ định tính mạnh, giúp nhận dạng nhanh chóng mẫu chưa biết và kiểm tra độ tinh khiết.

Bảng phân loại các vùng phổ:

Vùng	Bước sóng (µm)	Số sóng (cm-1)	Ứng dụng
Gần IR	0,78–2,5	12800–4000	Phân tích nhanh thực phẩm, nông sản
Trung IR	2,5–25	4000–400	Nhận diện nhóm chức, nghiên cứu cơ chế phản ứng
Xa IR	25–1000	400–10	Nghiên cứu dao động mạng tinh thể, phổ rắn vô cơ

Nguyên tắc hấp thụ và dao động phân tử

Một phân tử chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi dao động của liên kết tạo ra sự thay đổi moment lưỡng cực điện. Dao động hóa trị (stretching) xảy ra khi độ dài liên kết biến đổi tuần hoàn, trong khi dao động biến dạng (bending) xảy ra khi góc liên kết thay đổi. Mỗi loại dao động có tần số đặc trưng, phụ thuộc vào khối lượng nguyên tử và độ bền liên kết.

Phương trình mô tả tần số dao động gần đúng bằng mô hình điều hòa: $\nu = \frac{1}{2\pi c}\sqrt{\frac{k}{\mu}}$, trong đó $k$ là hằng số lực liên kết, $\mu$ là khối lượng giảm ($\mu = \frac{m_1 m_2}{m_1+m_2}$) và $c$ là vận tốc ánh sáng. Công thức này giải thích tại sao liên kết nhẹ (C–H) có tần số cao hơn liên kết nặng (C–Cl).

Một số kiểu dao động phổ biến:

• Dao động hóa trị đối xứng và bất đối xứng (symmetrical/asymmetrical stretching).
• Dao động biến dạng trong mặt phẳng (scissoring, rocking).
• Dao động biến dạng ngoài mặt phẳng (wagging, twisting).

Các kiểu dao động này tạo ra những dải hấp thụ đặc trưng có thể nhận biết dễ dàng trong phổ IR.

Kỹ thuật phổ IR

Có hai phương pháp chính để đo phổ IR: phổ IR tán xạ (dispersive IR) và phổ IR biến đổi Fourier (FTIR). Phổ tán xạ truyền thống dùng lăng kính hoặc cách tử để tách ánh sáng hồng ngoại thành các tần số riêng lẻ và ghi nhận từng phần phổ. Tuy nhiên, phương pháp này mất nhiều thời gian và có độ nhạy hạn chế.

FTIR hiện nay là phương pháp tiêu chuẩn nhờ sử dụng giao thoa kế Michelson để ghi nhận toàn bộ phổ cùng lúc. Tín hiệu thu được được biến đổi Fourier thành phổ hấp thụ. Ưu điểm của FTIR gồm: tốc độ phân tích nhanh, độ phân giải cao, tỷ lệ tín hiệu/nhiễu tốt hơn, và khả năng xử lý mẫu nhỏ hoặc không đồng nhất. Nhiều phòng thí nghiệm phân tích và công nghiệp đã thay thế hoàn toàn phương pháp truyền thống bằng FTIR (Thermo Fisher Scientific).

Một số kỹ thuật đo IR phổ biến:

• Truyền qua (transmission): mẫu mỏng, viên nén KBr hoặc màng mỏng polymer.
• Phản xạ toàn phần suy giảm (ATR): dùng tinh thể tiếp xúc, phù hợp mẫu rắn, lỏng, gel.
• Phản xạ khuếch tán (DRIFTS): phân tích bột rắn không cần chuẩn bị phức tạp.

Cách diễn giải phổ IR

Đồ thị IR thường hiển thị phần trăm truyền qua (y-axis) theo số sóng (x-axis, cm^-1). Các vùng số sóng thấp (<1500 cm^-1) được gọi là “fingerprint region”, nơi mỗi phân tử có phổ riêng biệt, khó trùng lặp. Vùng số sóng cao hơn (4000–1500 cm^-1) cho thông tin về các nhóm chức chính.

Các dải hấp thụ đặc trưng thường gặp:

• O–H: ~3200–3600 cm^-1, rộng và mạnh (alcohol, acid carboxylic).
• N–H: ~3300 cm^-1, hẹp, thường có 1 hoặc 2 đỉnh (amine, amide).
• C=O: ~1650–1750 cm^-1, mạnh, nhọn (aldehyde, ketone, ester, acid).
• C–H sp³: ~2850–2960 cm^-1, nhiều dải nhỏ.
• C=C: ~1600 cm^-1, cường độ trung bình (alkene, aromatic).
• C–O: ~1000–1300 cm^-1 (alcohol, ether, ester).

Bảng minh họa vùng hấp thụ đặc trưng:

Nhóm chức	Số sóng (cm-1)	Đặc điểm phổ
O–H	3200–3600	Rộng, mạnh
C=O	1650–1750	Rõ, mạnh, nhọn
N–H	3300	Mảnh, có thể tách 1–2 đỉnh
C–H sp3	2850–2960	Nhiều dải nhỏ
C=C thơm	~1600	Đỉnh trung bình

Ứng dụng trong phân tích hóa học

Phổ hồng ngoại là công cụ định tính hiệu quả để xác định nhóm chức trong hợp chất hữu cơ và vô cơ. Mỗi nhóm chức tạo ra dải hấp thụ đặc trưng, giúp các nhà nghiên cứu xác nhận sự hiện diện của liên kết C=O, O–H, N–H, hoặc các liên kết thơm. Nhờ tính đặc hiệu cao của vùng “fingerprint region” (1500–400 cm^-1), các hợp chất có cùng nhóm chức nhưng khác cấu trúc vẫn có thể phân biệt dựa trên phổ IR.

Trong hóa dược, phổ IR được sử dụng để xác minh cấu trúc dược chất, phát hiện tạp chất và kiểm soát chất lượng. Ví dụ, aspirin có đỉnh hấp thụ mạnh tại ~1750 cm^-1 đặc trưng cho liên kết C=O ester và ~1200 cm^-1 cho liên kết C–O. Trong hóa học polymer, phổ IR giúp đánh giá mức độ kết mạng, xác định liên kết chéo hoặc các monomer chưa phản ứng. Trong hóa học môi trường, phổ IR cho phép phân tích nhanh các chất ô nhiễm hữu cơ như hydrocarbon thơm, aldehyde, hoặc thuốc trừ sâu.

Một số ứng dụng nổi bật:

• Kiểm tra hợp chất hữu cơ tổng hợp trong nghiên cứu cơ bản.
• Phân tích nguyên liệu và sản phẩm trong công nghiệp dược phẩm.
• Định tính nhanh chất ô nhiễm trong không khí, đất, nước.
• Giám sát quá trình phản ứng hóa học thông qua thay đổi dải phổ.

Tham khảo: Sigma Aldrich – Infrared Spectroscopy.

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm lớn nhất của phổ IR là khả năng cung cấp thông tin trực tiếp về nhóm chức trong phân tử với thời gian phân tích nhanh. Đây là phương pháp không phá hủy, mẫu có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí. Phổ IR đặc biệt hữu ích trong các thí nghiệm “on-line” vì có thể đo trực tiếp trong buồng phản ứng mà không cần chuẩn bị phức tạp.

Tuy nhiên, phổ IR có những hạn chế nhất định. Độ nhạy thấp hơn so với khối phổ (MS) hoặc cộng hưởng từ hạt nhân (NMR). Phân tích hỗn hợp phức tạp gặp nhiều khó khăn do chồng chéo các dải hấp thụ. Thêm vào đó, IR ít cung cấp thông tin về cấu trúc không gian (stereochemistry) hoặc mối quan hệ liên kết dài. Để khắc phục, phổ IR thường được dùng kết hợp với các kỹ thuật khác.

Bảng so sánh nhanh:

Kỹ thuật	Ưu điểm	Hạn chế
IR	Nhanh, đơn giản, không phá hủy, xác định nhóm chức	Khó phân tích hỗn hợp, ít thông tin cấu trúc 3D
NMR	Cung cấp cấu trúc chi tiết, môi trường hóa học	Đòi hỏi mẫu tinh khiết, chi phí cao
MS	Độ nhạy cao, xác định khối lượng phân tử chính xác	Cần ion hóa mẫu, khó phân biệt đồng phân cấu trúc

Kết hợp với các phương pháp khác

Phổ IR thường được sử dụng phối hợp với NMR và MS để xác định cấu trúc phân tử hoàn chỉnh. Trong một nghiên cứu, IR xác nhận sự hiện diện nhóm carbonyl, MS cung cấp khối lượng phân tử, còn NMR cho thông tin về môi trường proton và carbon. Sự kết hợp này đảm bảo xác định chắc chắn cấu trúc hợp chất hữu cơ mới.

Ngoài ra, IR có thể bổ sung cho phổ Raman vì hai phương pháp tuân theo các quy tắc chọn khác nhau: IR nhạy với dao động thay đổi moment lưỡng cực, Raman nhạy với dao động thay đổi phân cực. Khi dùng song song, cả hai mang lại hình ảnh toàn diện về dao động phân tử. Trong phân tích vật liệu, sự phối hợp IR và XRD giúp vừa xác định nhóm chức hữu cơ vừa xác định cấu trúc tinh thể vô cơ.

Phát triển và xu hướng mới

Những tiến bộ gần đây trong phổ IR tập trung vào cải thiện độ phân giải, tăng độ nhạy và mở rộng ứng dụng. Công nghệ laser bán dẫn như Quantum Cascade Lasers (QCLs) cho phép phát ra bức xạ hồng ngoại với cường độ mạnh, độ ổn định cao, phù hợp cho cảm biến sinh học và môi trường. Công nghệ 2D-IR (Two-Dimensional Infrared Spectroscopy) đang mở ra khả năng nghiên cứu động học phản ứng siêu nhanh và biến đổi cấu trúc protein.

Các ứng dụng mới bao gồm:

• Chẩn đoán y sinh: phát hiện bệnh thông qua dấu ấn sinh học trong huyết tương hoặc mô.
• Công nghệ nano: nghiên cứu bề mặt vật liệu, cấu trúc hạt nano, màng mỏng.
• Nông nghiệp và thực phẩm: phân tích nhanh thành phần dinh dưỡng, chất bảo quản.
• Phân tích pháp y: xác định chất nổ, ma túy, và các mẫu vết.

Xu hướng này được mô tả chi tiết trong ScienceDirect Topics – Infrared Spectroscopy.

Tài liệu tham khảo

1. Encyclopedia Britannica, “Infrared Spectroscopy.” Link
2. Thermo Fisher Scientific, “Infrared Spectroscopy Overview.” Link
3. Sigma Aldrich, “Infrared Spectroscopy.” Link
4. ScienceDirect Topics, “Infrared Spectroscopy.” Link