Quang phổ điện tử là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Quang phổ điện tử là phương pháp đo phổ hấp thụ và phát xạ của nguyên tử, phân tử dựa trên chuyển đổi giữa các mức năng lượng electron. Kỹ thuật dựa trên hấp thụ hoặc phát xạ photon với năng lượng hν = Ej − Ei theo định luật Beer–Lambert để xác định nồng độ mẫu và cấu trúc điện tử.

Giới thiệu

Quang phổ điện tử là kỹ thuật phân tích dựa trên việc đo phổ hấp thụ và phát xạ của phân tử hoặc nguyên tử khi chuyển đổi giữa các mức năng lượng điện tử. Tín hiệu quang phổ thu được cung cấp thông tin về năng lượng khoảng trống phân tử (band gap), các trạng thái kích thích và cấu trúc điện tử của vật liệu. Phổ điện tử thường bao gồm vùng tử ngoại (UV, 200–400 nm), khả kiến (Vis, 400–800 nm) và hồng ngoại gần (NIR, 800–2500 nm).

Kỹ thuật này giữ vai trò then chốt trong nghiên cứu hóa phân tích, vật liệu và sinh học. Trong hóa phân tích, phổ UV–Vis được dùng để định lượng nồng độ chất tan qua định luật Beer–Lambert, xác định hằng số ε (độ hấp thụ mol). Trong vật liệu bán dẫn và quang điện, xác định band gap giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi quang điện. Trong sinh học, phân tích quang phổ điện tử hỗ trợ nghiên cứu protein, axit nucleic và các phản ứng enzyme.

Quang phổ điện tử còn tích hợp với nhiều kỹ thuật khác như sắc ký lỏng (LC–UV–Vis), khối phổ (LC–MS) và phổ phát xạ huỳnh quang thời gian phân giải cao. Việc kết hợp này mở rộng khả năng phân tích đồng thời thành phần hỗn hợp phức tạp và động lực học phản ứng nhanh. Thông tin chi tiết và bộ công cụ phần mềm xử lý phổ điện tử được cung cấp bởi NIST Spectroscopy.

  • Phổ UV–Vis: định lượng nồng độ, xác định λmax
  • Phổ huỳnh quang: nghiên cứu động lực kích thích và phát xạ
  • Phổ hấp thụ vi sóng điện tử: xác định các mức vi mô phân tử

Nguyên lý quang phổ điện tử

Chuyển đổi điện tử xảy ra khi photon có năng lượng phù hợp (hν) bị hấp thụ hoặc phát xạ, đưa electron từ mức năng lượng thấp Ei lên mức cao Ej hoặc ngược lại. Phương trình cơ bản:

hν=Ej−Eih\nu = E_j - E_i

Quy tắc chọn lọc (selection rules) quyết định những chuyển đổi nào có xác suất cao: Δl = ±1, ΔS = 0. Những chuyển đổi cấm (forbidden) có cường độ rất yếu nhưng có thể quan sát bằng phổ phát xạ phosphorescence.

Luật Beer–Lambert mô tả mối quan hệ giữa độ hấp thụ A, độ dài quang đường l và nồng độ c:

A=ε l cA = \varepsilon \, l \, c

Trong đó ε là hệ số hấp thụ mol (L mol−1 cm−1). Phổ hấp thụ thu được dưới dạng đồ thị A(λ) hoặc A(ν̃). Phân tích miền tần số được thực hiện qua biến đổi Fourier nhanh (FFT) khi xử lý phổ phát xạ thời gian phân giải.

Thiết bị và kỹ thuật đo

Nguồn bức xạ phổ biến cho UV–Vis là đèn deuterium (200–400 nm) và tungsten–halogen (400–2500 nm). Hệ thống phân giải quang học gồm lăng kính hoặc mạng nhiễu xạ (grating) và monochromator để chọn bước sóng. Detector thường dùng photodiode array, photomultiplier tube (PMT) hoặc CCD.

Thành phầnCông dụngPhạm vi
Đèn deuteriumUV200–400 nm
Đèn tungsten–halogenVis–NIR400–2500 nm
Mạng nhiễu xạTách phổ200–800 nm+
Detector CCDGhi tín hiệu đa kênh200–1000 nm

Hệ thống cần có độ ổn định cao về cường độ nguồn và nhiệt độ để đảm bảo độ tin cậy. Một số thiết bị hiện đại tích hợp laser femtosecond cho phổ thời gian phân giải cao, cho phép quan sát động lực siêu nhanh của chuyển đổi điện tử.

  • Monochromator: chọn bước sóng chính xác
  • Beam splitter: tách tia tham chiếu và mẫu
  • Integrating sphere: đo phản xạ và phát xạ

Phân tích quang phổ

Xác định đỉnh hấp thụ (absorption maxima) λmax và độ rộng dải nửa cao (full width at half maximum – FWHM) cung cấp thông tin về môi trường và tương tác phân tử. Sự dịch chuyển đỉnh (bathochromic hoặc hypsochromic shift) phản ánh hiệu ứng dung môi (solvatochromism) hoặc liên kết H.

Trước khi phân tích, phổ cần hiệu chỉnh nền (baseline correction) và loại bỏ nhiễu bằng lọc số (FIR, IIR). Phương pháp deconvolution giúp tách chồng lấp phổ của nhiều nhóm hấp thụ gần nhau. Đường chuẩn (calibration curve) được xây dựng để định lượng, với hệ số tương quan R2 > 0,995.

  • Baseline correction: loại bỏ đường nền nghiêng
  • Noise filtering: lọc wavelet hoặc Savitzky–Golay
  • Deconvolution: tách đỉnh chồng lấp

Khi xử lý phổ phát xạ thời gian phân giải, phân tích time–frequency (STFT, wavelet) cho phép theo dõi sự thay đổi phổ theo thời gian. Thông số chính gồm peak wavelength, intensity decay và quantum yield.

Ứng dụng trong phân tích hóa học và vật liệu

Phổ điện tử UV–Vis là công cụ chủ đạo trong phân tích định lượng hóa học, sử dụng định luật Beer–Lambert để xác định nồng độ chất tan trong dung dịch. Đường chuẩn được xây dựng bằng cách đo độ hấp thụ A tại λmax của các dung dịch chuẩn có nồng độ khác nhau, sau đó tính hệ số hấp thụ mol ε từ độ dốc đồ thị A–c. Phương pháp này cho độ chính xác cao (độ lặp lại R2 ≥ 0,999) khi áp dụng đúng dải tuyến tính của detector.

Trong nghiên cứu vật liệu bán dẫn quang điện, phổ điện tử được dùng để xác định năng lượng vùng cấm Eg qua Tauc plot. Sau khi chuyển đổi phổ hấp thụ thành hệ số hấp thụ α, đồ thị (αhν)n–hν với n = ½ cho bán dẫn gián tiếp và n = 2 cho bán dẫn trực tiếp cho giá trị Eg tại giao điểm đoạn thẳng ngoại suy tới trục năng lượng:

(α hν)n=A (hν−Eg)(α hν)^n = A (hν − E_g)

Bảng dưới đây minh họa Eg ước tính của một số vật liệu bán dẫn quang điện:

Vật liệuChỉ loạiEg (eV)
Silicon (Si)Gián tiếp1,12
Gallium arsenide (GaAs)Trực tiếp1,43
Perovskite (CH₃NH₃PbI₃)Trực tiếp1,55

Ứng dụng khác bao gồm xác định hằng số ε của polymer quang dẫn, đo độ ổn định quang hóa của chất hữu cơ và quan sát sự hình thành phức hợp kim loại–ligand qua sự dịch chuyển đỉnh hấp thụ (bathochromic hoặc hypsochromic). NIST Spectroscopy cung cấp cơ sở dữ liệu ε cho hàng nghìn hợp chất hữu cơ và vô cơ.

Ứng dụng trong sinh học và dược phẩm

Phổ điện tử là phương pháp không phá hủy để định lượng protein và axit nucleic, dựa trên hấp thụ tại bước sóng đặc trưng 280 nm cho protein (với hằng số ε ~ 43 824 L mol−1 cm−1) và 260 nm cho DNA/RNA. Độ tinh khiết mẫu được đánh giá qua tỉ số A260/A280, với giá trị 1,8–2,0 cho DNA tinh khiết và 2,0–2,2 cho RNA.

Trong phát triển dược phẩm, phổ huỳnh quang (fluorescence spectroscopy) dùng để theo dõi động học enzyme và tương tác ligand–protein. Dữ liệu thời gian phân giải (time–resolved fluorescence) giúp phân tích cơ chế chuyển năng lượng nội phân tử và tính quantum yield của thuốc. Công nghệ microplate reader tích hợp UV–Vis và fluorescence mở rộng khả năng sàng lọc nhanh (high-throughput screening) các hợp chất ứng viên.

  • Định lượng protein/DNA qua A280/A260 (Thermo Fisher Scientific)
  • Động học enzyme: biến thiên A theo thời gian
  • Phát xạ huỳnh quang để giám sát binding và conformational changes
  • Sàng lọc dược chất đa mẫu (microplate readers)

Hạn chế và thách thức

Chồng lấp tín hiệu hấp thụ khi nhiều nhóm chức trong phân tử có λmax gần nhau gây sai số định tính và định lượng. Deconvolution quang học chỉ khắc phục một phần khi các đỉnh quá sát. Hiệu ứng solvent effect và pH phụ thuộc làm dịch chuyển đỉnh, đòi hỏi chuẩn hóa môi trường đo và thêm biện pháp hiệu chuẩn nền.

Giới hạn độ nhạy của detector (LOD và LOQ) ảnh hưởng đến khả năng phát hiện chất có nồng độ rất thấp (<10−6 M). Bộ tách bước sóng và ổn định nguồn cũng quyết định độ phân giải quang học và sai số đo lặp lại. Trong phổ huỳnh quang, tự phát quang nền (autofluorescence) của môi trường hoặc mẫu sinh học làm giảm hệ số tín hiệu/nhiễu.

  • Chồng lấp phổ và deconvolution phức tạp
  • Solvatochromism và pH dependence
  • Giới hạn phát hiện (LOD/LOQ) của detector
  • Autofluorescence và photobleaching trong mẫu sinh học

Xu hướng phát triển và công nghệ mới

Phổ điện tử thời gian phân giải siêu nhanh (femtosecond transient absorption spectroscopy) kết hợp laser xung ngắn cho phép quan sát động lực electron–lattice và quá trình relaxation trong picosecond đến nanosecond. Công nghệ này mở ra cánh cửa nghiên cứu cơ chế quang hoạt động của vật liệu quang học tiên tiến và phản ứng photochemical.

Kết hợp quang phổ với sắc ký (LC–UV–Vis, LC–MS–UV) và hệ vi lưu (microfluidic chips) giúp phân tích đồng thời nhiều thành phần trong mẫu phức tạp với độ nhạy cao. Mô phỏng phổ điện tử bằng phương pháp toán tử mật độ chức năng (DFT/TD-DFT) hỗ trợ giải thích bước sóng hấp thụ và cường độ chuyển tiếp, tăng cường khả năng thiết kế hợp chất quang hoạt.

  • Femtosecond transient absorption spectroscopy
  • LC–UV–Vis và LC–MS–UV tích hợp
  • Microfluidic optical sensors
  • DFT và TD-DFT để mô phỏng phổ

Tài liệu tham khảo

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề quang phổ điện tử:

Nghiên cứu về vật chất hữu cơ dạng hạt tự do và bị bao bọc trong đất bằng phương pháp quang phổ NMR 13C CP/MAS và kính hiển vi điện tử quét Dịch bởi AI
Soil Research - Tập 32 Số 2 - Trang 285 - 1994
Một phương pháp định lượng đơn giản để phân tách vật chất hữu cơ dạng hạt tự do và bị bao bọc đã được phát triển và áp dụng cho năm loại đất nguyên sinh. Vật chất hữu cơ tự do được tách ra bằng cách lơ lửng mẫu đất trong dung dịch natri polytungstate (d = 1.6 Mg m-3) và lắng đọng vật chất nhẹ. Đất còn lại được phân tán bằng siêu âm để giải phóng vật chất hữu cơ bị bao bọc. Phân đoạn nhẹ t...... hiện toàn bộ
Cấu trúc nguyên tử và điện tử cục bộ của giao diện oxide/GaAs và SiO2/Si bằng cách sử dụng XPS có độ phân giải cao Dịch bởi AI
American Vacuum Society - Tập 16 Số 5 - Trang 1443-1453 - 1979
Cấu trúc hóa học của các lớp phim SiO2 mỏng, các oxit tự nhiên mỏng của GaAs (20–30 Å), và các giao diện oxit–bán dẫn tương ứng đã được điều tra bằng phương pháp quang phổ điện tử phát xạ tia X có độ phân giải cao. Các hồ sơ sâu của những cấu trúc này đã được thu được bằng cả hai kỹ thuật bắn phá ion argon và ăn mòn hóa học ướt. Sự phá hủy hóa học được gây ra bởi phương pháp định hình ion ...... hiện toàn bộ
#SiO2 #GaAs #giao diện oxit #quang phổ điện tử phát xạ tia X #cấu trúc chuyển giao điện tích
Đặc điểm hấp thụ của rhodamine 6G trên montmorillonite và laponite, được làm sáng tỏ từ quang phổ hấp thụ điện tử và phát xạ Dịch bởi AI
Canadian Science Publishing - Tập 62 Số 10 - Trang 1889-1894 - 1984
Nghiên cứu về sự hấp thụ của phẩm màu cation rhodamine 6G trên montmorillonite (bentonite Wyoming) và laponite (hectorite tổng hợp) đã được thực hiện bằng cách sử dụng quang phổ khả kiến và huỳnh quang cùng với các phương pháp nhiễu xạ tia X. Quá trình hấp thụ phẩm màu diễn ra thông qua cơ chế trao đổi cation. Dữ liệu tia X cho thấy phẩm màu cation đã hấp thụ nằm trong các khoảng không gi...... hiện toàn bộ
Phát triển các bộ phát hiện sợi quang có điều khiển cho các môi trường xung điện từ mạnh do tia laze gây ra Dịch bởi AI
Nuclear Science and Techniques - Tập 32 Số 6 - 2021
Tóm tắtVới sự phát triển của công nghệ laser, các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra trong các môi trường plasma nhiệt độ cao được tạo ra bởi laser và đã thu hút được nhiều sự chú ý từ các lĩnh vực vật lý khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu về phản ứng hạt nhân trong plasma vẫn bị giới hạn bởi công nghệ phát hiện. Nguyên nhân chủ yếu là do các xung điện từ cực kỳ mạn...... hiện toàn bộ
#laser технологии; phản ứng hạt nhân; plasma; xung điện từ mạnh; bộ phát hiện sợi quang; photomultiplier tube; neutron
THẨM ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH LƯỢNG ĐỒNG TRONG HUYẾT TƯƠNG BẰNG KỸ THUẬT QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ
Tạp chí Y học Việt Nam - Tập 521 Số 2 - 2022
Mục tiêu: Đánh giá phương pháp định lượng đồng trong huyết tương bằng kỹ thuật quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng lò điện trên máy AA-7000 của Shimadzu. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu: Giới hạn trắng, giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng, khoảng tuyến tính, độ chụm và độ chính xác của phương pháp được đánh giá. Kết quả: Giới hạn trắng, giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng ...... hiện toàn bộ
#Thẩm định phương pháp #định lượng đồng huyết tương #quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng lò điện
THỰC TRẠNG VÀ NHỮNG THÁCH THỨC TRONG QUẢN LÝ ĐẤT NGẬP NƯỚC TẠI VÙNG CỬA SÔNG Ô LÂU, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ: CURRENT STATUS AND CHALLENGES IN MANAGEMENT OF WETLANDS IN O LAU RIVER, THUA THIEN HUE PROVINCE
Tạp chí Khoa học và Công nghệ Nông nghiệp - Tập 4 Số 2 - Trang 1861-1870 - 2020
Nghiên cứu này nhằm mục đích làm rõ những đặc điểm và những thách thức trong quản lý, bảo tồn đất ngập nước (ĐNN) tại vùng cửa sông Ô Lâu (CSÔL), tỉnh Thừa Thiên Huế. Kết hợp phương pháp phỏng vấn nông hộ, phỏng vấn cán bộ với phương pháp bản đồ, GIS, viễn thám đã cho thấy, vùng CSÔL có diện tích khoảng 11.000 ha, trong đó, vùng lõi có diện tích là khoảng 433 ha. Theo tiêu chuẩn phân loại ĐNN của ...... hiện toàn bộ
#Đất ngập nước #huyện Phong Điền #huyện Quảng Điền #sông Ô Lâu #Thừa Thiên Huế #O Lau river #Phong Dien district #Quang Dien district #Thua Thien Hue province #Wetland
NGHIÊN CỨU QUANG XÚC TÁC DIỆT KHUẨN SỬ DỤNG VẬT LIỆU MÀNG TiO2 DẠNG ỐNG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN DI
TNU Journal of Science and Technology - Tập 225 Số 06 - Trang 292-297 - 2020
Nghiên cứu này báo cáo về khả năng diệt khuẩn Escherichia coli bằng phương pháp quang xúc tác sử dụng vật liệu ống nano TiO 2 (TNT) dạng màng mỏng chế tạo bằng phương pháp điện di. Kết quả cho thấy sau khi chế tạo các ống nano TiO 2 có đường kính khoảng 8 nm, chiều dài ống khoảng 200 đến 450 nm và kích thước các ống tăng khi ủ nhiệt ở 500 o C với thành phần pha anatase. Màng TNT có khả năng t...... hiện toàn bộ
#TiO2 nanotubes #electrodeposition #photocatalysis #antibacterial #Escherichia coli.
Tính chất redox của các phức hợp nickel(II) nhị nguyên tử cầu nối thiolate và mối tương quan với quang phổ điện tử của chúng Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 16 - Trang 532-534 - 1991
Các tính chất redox của một loạt các phức hợp nickel(II) nhị nguyên tử cầu nối thiolate với các ligand thiol NNS-tridentate và SNNS-tetradentate đã được nghiên cứu bằng phương pháp voltammetry chu kỳ. Thế năng redox đầu tiên (E1/2=−0.63 đến −0.95 V so với Ag/AgCl) có mối tương quan lượng giác với các cực đại hấp thụ của chuyển tiếp $$\tilde v_{d - d}$$.
#phức hợp nickel(II) #thiolate #tính chất redox #quang phổ điện tử #voltammetry chu kỳ
Nghiên cứu bề mặt với các thiết bị đo siêu tinh vi Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 34 - Trang 555-566 - 1987
Bài báo này xem xét trạng thái hiện tại của các trường hyperfine bề mặt được đo bằng phương pháp NMR, quang phổ Mössbauer và PAC. Nhấn mạnh được đặt vào các thí nghiệm với bề mặt tự do được đặc trưng rõ ràng và vào kết quả về gradient điện trường bề mặt. Các ứng dụng cho việc phát hiện các vị trí đo và các hiện tượng khuếch tán cũng được thảo luận.
#bề mặt #trường hyperfine #NMR #quang phổ Mössbauer #PAC #gradient điện trường #khuếch tán
Nghiên cứu quang học về các gốc tự do (OH, O, H, N) trong sự phóng corona streamer âm tĩnh điện có xung trong phản ứng kim loại hình chóp điện Dịch bởi AI
Plasma Chemistry and Plasma Processing - - 2006
Quang phổ phát xạ quang đã được áp dụng để nghiên cứu các gốc OH và các nguyên tử hoạt động O, H, N được tạo ra bởi sự phóng corona streamer âm tĩnh điện với điện áp cao từ hỗn hợp khí N2 và H2O trong một reactor hình kim chóp ở áp suất một atm. Các quần thể dao động tương đối và nhiệt độ dao động của N2(C, v′) đã được xác định. Các ảnh hưởng của điện áp đỉnh xung, tần số lặp lại xung, và sự bổ su...... hiện toàn bộ
#quang phổ phát xạ quang #gốc tự do #O2 #N2 #H2O #corona streamer
Tổng số: 150   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 10

Chủ đề khác

#tín hiệu emg

Tín hiệu emg là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#vắc xin mmr

Vắc xin mmr là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#burkina faso

Burkina faso là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#độ chệch bias

Độ chệch bias là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#phương pháp điều trị dược lý

Phương pháp điều trị dược lý là gì? Các nghiên cứu khoa học

#sinh vật nhân thực

Sinh vật nhân thực là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

#metabolite

Metabolite là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

#lymnaea stagnalis

Lymnaea stagnalis là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

#phát xạ nhiệt điện

Phát xạ nhiệt điện là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

#fluorescein

Fluorescein là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan


Xem thêm