Quang phổ ir là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về quang phổ hồng ngoại (IR)

Quang phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy, IR) là kỹ thuật phân tích dựa trên tương tác giữa bức xạ hồng ngoại và vật chất. Phổ IR trải dài trong khoảng bước sóng từ 0.78 µm đến 1000 µm, tương ứng với vùng tần số từ khoảng 4000 cm⁻¹ đến 10 cm⁻¹. Trong nghiên cứu hóa học và vật lý, quang phổ IR được sử dụng rộng rãi để xác định cấu trúc phân tử, phát hiện các nhóm chức, cũng như khảo sát các quá trình dao động và chuyển tiếp năng lượng trong vật liệu.

Phổ IR phân thành ba vùng chính:

• Near-IR (NIR): 0.78–2.5 µm (13000–4000 cm⁻¹)
• Mid-IR (MIR): 2.5–25 µm (4000–400 cm⁻¹)
• Far-IR (FIR): 25–1000 µm (400–10 cm⁻¹)

Trong đó, vùng MIR đặc biệt quan trọng vì chứa dải “dấu vân tay” (fingerprint) cho phép phân biệt đa dạng hợp chất hữu cơ và vô cơ dựa trên các dao động phân tử đặc trưng.

Nguyên lý vật lý của quang phổ IR

Ở mức cơ bản nhất, phổ IR phát sinh từ sự cộng hưởng giữa tần số dao động của các liên kết hóa học trong phân tử với tần số của ánh sáng hồng ngoại chiếu vào. Khi tần số bức xạ trùng với tần số dao động riêng của liên kết, năng lượng được hấp thụ, tạo ra các dải hấp thụ đặc trưng trên phổ.

Công thức tần số dao động trong mô hình dao động biên độ nhỏ (harmonic oscillator) được biểu diễn như sau:

$\nu = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{\mu}}$

trong đó:

• k là hằng số lực liên kết (N/m), phản ánh độ cứng của liên kết.
• μ là khối lưu huỳnh giảm (reduced mass) của hai nguyên tử trong liên kết, tính theo công thức μ = m₁m₂/(m₁ + m₂).

Giá trị tần số dao động phụ thuộc chặt chẽ vào cả hai thông số này, cho phép phân biệt các loại liên kết (C–H, O–H, N–H, C=O…) thông qua vị trí và cường độ của dải hấp thụ.

Phương pháp đo và thiết bị phổ IR

Hai kỹ thuật chính được sử dụng để thu phổ IR là phổ phân tán (dispersive IR) và phổ cộng hưởng Fourier (FT-IR). Trong phổ phân tán, ánh sáng hồng ngoại được tách thành các thành phần đơn sắc qua lưỡi phân tán (grating), sau đó mỗi bước sóng được ghi nhận riêng lẻ. Nhược điểm lớn là thời gian quét dài và độ nhạy thấp.

FT-IR sử dụng interferometer Michelson để ghi nhận toàn bộ vùng bước sóng cùng lúc, sau đó thuật toán Fourier chuyển đổi tín hiệu interferogram thành phổ:

• Ưu điểm: thời gian thu nhanh, độ phân giải cao, độ nhạy tốt.
• Hạn chế: yêu cầu hiệu chuẩn phức tạp, chi phí thiết bị cao hơn.

Tiêu chí	Dispersive IR	FT-IR
Thời gian thu	Dài (vài phút mỗi vùng)	Ngắn (vài giây đến phút)
Độ nhạy	Trung bình	Cao
Độ phân giải	Thấp đến trung bình	Cao (≤0.5 cm⁻¹)
Chi phí	Thấp hơn	Cao hơn

Để tham khảo thêm về nguyên lý và thiết bị FT-IR, có thể truy cập trang của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST): NIST IR Spectroscopy.

Chế độ thu phổ: Transmission, Reflection và ATR

Transmission: Mẫu được chuẩn bị dưới dạng mỏng (pellet KBr hoặc film mỏng) để ánh sáng truyền qua. Phương pháp này dễ thực hiện nhưng yêu cầu mẫu không hấp thụ quá mạnh, tránh bão hòa tín hiệu.

Reflection: Có hai dạng chính là phản xạ gương (specular) và phản xạ khuếch tán (diffuse). Phản xạ gương phù hợp với bề mặt nhẵn, trong khi phản xạ khuếch tán dùng cho mẫu bột, không đồng nhất.

Attenuated Total Reflectance (ATR): Dạng phổ phản xạ toàn phần lân cận, không cần chuẩn bị mẫu phức tạp. Mẫu chỉ cần tiếp xúc với crystal (ZnSe, Ge). Ưu điểm bao gồm:

• Chuẩn bị mẫu nhanh chóng, ít công đoạn.
• Phù hợp với mẫu rắn, lỏng, bột.
• Cho phổ chất lượng cao trong vùng MIR.

Tuy nhiên, ATR có giới hạn độ sâu thâm nhập sóng (thường < 2 µm) và đòi hỏi áp lực tiếp xúc đồng đều để đảm bảo độ tái lập cao.

Giải thích và gán phổ IR

Khi phân tích phổ IR, việc “gán” các dải hấp thụ với các dao động phân tử cụ thể là bước then chốt. Vùng tần số cao (4000–2500 cm⁻¹) thường liên quan đến dao động kéo dài của các liên kết nhẹ như C–H, N–H, O–H, còn vùng trung (2500–1500 cm⁻¹) và thấp (1500–400 cm⁻¹) chứa dao động uốn và biến dạng phức tạp.

Vùng fingerprint (1500–400 cm⁻¹) đặc biệt quan trọng vì mỗi phân tử có “dấu vân tay” phổ riêng biệt, cho phép phân biệt hợp chất tương tự. Ví dụ:

Nhóm chức	Vị trí hấp thụ (cm⁻¹)	Loại dao động
C=O	1700–1750	Kéo dài
O–H (khô)	3200–3600	Kéo dài
N–H	3300–3500	Kéo dài
C–H (aromatic)	3000–3100	Kéo dài
C–O	1000–1300	Kéo dài/uốn

Quá trình gán phổ thường kết hợp dữ liệu thực nghiệm với cơ sở dữ liệu chuẩn, phần mềm tự động hoặc tra cứu trong tài liệu chuyên ngành để đảm bảo độ chính xác cao.

Ứng dụng trong nhận dạng hợp chất hữu cơ

Quang phổ IR là công cụ nhanh chóng và không phá hủy để xác định nhóm chức trong hợp chất hữu cơ. Bằng cách so sánh phổ mẫu với phổ chuẩn, người ta có thể:

• Xác định sự hiện diện/tách biệt của nhóm C=O, O–H, N–H, C–H.
• Phân biệt đồng phân: ví dụ ortho-, meta-, para- nitrotoluene có dải NO₂ đặc trưng ở khác nhau một vài cm⁻¹.
• Kiểm tra độ tinh khiết: tạp chất thường tạo ra dải hấp thụ phụ xuất hiện ở vùng fingerprint.

Ví dụ điển hình là phân tích axit benzoic, trong đó dải hấp thụ C=O tại 1705 cm⁻¹ và dải O–H rộng ở 2500–3000 cm⁻¹ cho phép xác định rõ ràng cấu trúc và độ axit của nhóm COOH.

Ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu và polymer

Trong lĩnh vực vật liệu và polymer, phổ IR giúp theo dõi cấu trúc hóa học, mức độ phân nhánh, và sự hình thành liên kết chéo. Một số ứng dụng tiêu biểu:

1. Phân tích độ chuyển hóa (conversion) của phản ứng trùng hợp bằng cách so sánh cường độ dải C=C (nếu là vinyl) trước và sau phản ứng.
2. Xác định mức độ crosslinking trong polymer nhiệt rắn qua dải Si–O–Si (800–1200 cm⁻¹) hoặc C–O–C tùy hệ.
3. Theo dõi quá trình lão hóa: sự xuất hiện dải C=O mới (khoảng 1720 cm⁻¹) chỉ ra quá trình oxy hóa sản phẩm polymer.

Tham khảo nghiên cứu về ATR-FTIR trong giám sát sợi carbon epoxy: ACS Applied Polymer Materials.

IR vi sóng (MIR, NIR) và các biến thể khác

Phổ NIR (13000–4000 cm⁻¹) và MIR (4000–400 cm⁻¹) phục vụ mục đích khác nhau: NIR thường dùng để phân tích thể tích mẫu lớn, đo độ ẩm hoặc chất béo trong thực phẩm; MIR cho phân tích cấu trúc chi tiết. FAR-IR (<400 cm⁻¹) phù hợp cho dao động khung và cấu trúc mạng tinh thể.

• NIR: ứng dụng trong kiểm soát chất lượng nông sản, sữa; ưu điểm thâm nhập sâu nhưng dải hấp thụ chồng chéo nhiều.
• MIR: phổ biến nhất trong phòng thí nghiệm; cho phổ rõ ràng, dễ gán dải.
• FIR: nghiên cứu vật liệu vô cơ, đo dao động khung kim loại-photpho, silicat.

Trang AMPA Instrumentation cung cấp thông tin chi tiết về công nghệ NIR: AMPA NIR Spectroscopy.

Xu hướng công nghệ và tự động hóa trong phổ IR

Sự phát triển của công nghệ máy phổ IR cầm tay và hệ thống online (in-line) giúp giám sát quá trình sản xuất liên tục. Nhiều hãng đang tích hợp trí tuệ nhân tạo và machine learning để tự động gán phổ, phát hiện sai lệch, và dự đoán cấu trúc mới.

Các module ATR miniatur hóa cho phép đo nhanh mẫu lỏng và gel tại hiện trường, dùng trong y sinh hoặc kiểm tra thực phẩm. Hệ thống FT-IR trên dây chuyền cho phép phát hiện nhanh tạp chất chỉ trong 1–2 giây, giảm thiểu lãng phí nguyên liệu.

Ưu nhược điểm và thách thức

Ưu điểm:

• Không phá hủy mẫu, phù hợp với cả chất rắn, lỏng, bột.
• Nhanh, cho kết quả trong vài giây đến vài phút.
• Độ nhạy cao với các nhóm chức và dao động đặc trưng.

Nhược điểm & thách thức:

• Phân tích vùng fingerprint đòi hỏi kinh nghiệm, dữ liệu tham chiếu rộng.
• Ánh sáng nền (water vapor, CO₂) có thể tạo nhiễu nếu không hiệu chuẩn kỹ.
• Giá thành thiết bị FT-IR cao, yêu cầu bảo trì và hiệu chuẩn định kỳ.

Tài liệu tham khảo

• Griffiths, P.R. & de Haseth, J.A. Fourier Transform Infrared Spectrometry. John Wiley & Sons, 2007.
• Smith, B. Infrared Spectral Interpretation: A Systematic Approach. CRC Press, 1999.
• National Institute of Standards and Technology. “Infrared Spectroscopy.” NIST, https://www.nist.gov/pml/infrared-spectroscopy.
• AMPA Instrumentation. “Near-Infrared (NIR) Spectroscopy.” AMPA, https://www.ampa.com/near-infrared-nir-spectroscopy.
• Ikeda, N., et al. “Advances in ATR-FTIR Spectroscopy for Reaction Monitoring.” Analytical Chemistry, vol. 92, no. 12, 2020, pp. 8123–8131.
• Nguyen, T.H., et al. “FT-IR and ATR-IR Characterization of Epoxy/Carbon Fiber Composites.” ACS Applied Polymer Materials, 2021.