Quang phổ phát quang là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Quang phổ phát quang là phổ biểu diễn cường độ ánh sáng phát ra từ vật chất sau khi hấp thụ photon, mô tả tương quan giữa bước sóng và cường độ phát xạ. Phổ phát quang chia thành fluorescence và phosphorescence dựa trên thời gian sống trạng thái kích thích, cung cấp thông tin về mức năng lượng, khuyết tật và hiệu suất lượng tử của vật liệu.

Định nghĩa quang phổ phát quang

Quang phổ phát quang (photoluminescence spectrum) là biểu đồ cường độ ánh sáng phát ra từ một chất sau khi hấp thụ photon, biểu diễn mối quan hệ giữa bước sóng (hoặc năng lượng) và cường độ bức xạ. Hiện tượng phát quang bao gồm hai cơ chế chính: fluorescence và phosphorescence, tùy thuộc vào thời gian sống của trạng thái kích thích. Quang phổ phát quang cung cấp thông tin về mức năng lượng của trạng thái kích thích, bậc năng lượng cơ bản, và các mức năng lượng trung gian do khuyết tật hoặc tạp chất tạo ra.

Trong quang phổ phát quang, đỉnh phát xạ (emission peak) cho biết năng lượng photon phát ra tương ứng với khoảng cách giữa các mức năng lượng trong chất, còn đỉnh hấp thụ (absorption peak) thể hiện năng lượng cần thiết để kích thích electron từ mức cơ bản lên mức kích thích. Sự chênh lệch năng lượng giữa đỉnh hấp thụ và đỉnh phát xạ gọi là stokes shift, phản ánh mất mát năng lượng qua tương tác với mạng tinh thể hoặc dao động phân tử.

Quang phổ phát quang được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật liệu bán dẫn, vật liệu nano, cảm biến huỳnh quang, sinh học phân tử và quang học y sinh. Việc phân tích quang phổ này giúp xác định băng cấm (bandgap), mật độ khuyết tật, hiệu suất lượng tử (quantum yield) và động học tái kết hợp electron-lỗ trống của vật liệu (NIST Photoluminescence).

Nguyên lý cơ bản

Khi một photon có năng lượng phù hợp chiếu vào mẫu vật, electron trong nguyên tử hoặc mạng tinh thể hấp thụ năng lượng và chuyển từ mức cơ bản lên mức kích thích. Sau đó, electron có thể trở về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra photon, quá trình này gọi là phát quang. Sơ đồ Jablonski minh họa các mức năng lượng singlet (S₀, S₁,…) và triplet (T₁,…), cùng các quá trình hút xạ (absorption), tán xạ đàn hồi (Rayleigh), phân tán không đàn hồi (Raman), fluorescence và phosphorescence.

Hiệu suất lượng tử của phát quang được định nghĩa bằng công thức: Φ=Nphaˊt xạNhaˆˊp thụΦ = \frac{N_{\text{phát xạ}}}{N_{\text{hấp thụ}}}, trong đó Nphát xạ là số photon phát ra và Nhấp thụ là số photon bị hấp thụ. Giá trị Φ càng cao cho thấy phần lớn năng lượng hấp thụ được phát xạ dưới dạng ánh sáng, phản ánh hiệu suất quang học của vật liệu (ACS Photoluminescence).

Thời gian sống trung bình của trạng thái kích thích (lifetime) được xác định bằng khảo sát độ suy biến cường độ phát xạ theo thời gian sau xung kích thích: I(t)=I0et/τI(t) = I_0 e^{-t/\tau}, với τ là thời gian sống. Thông số này cung cấp thông tin về cơ chế tái kết hợp (radiative vs non-radiative) và tương tác giữa electron và mạng tinh thể hoặc các phân tử lân cận.

Loại phát quang và phổ

Fluorescence là phát quang tức thời, xảy ra khi electron trở về mức năng lượng cơ bản từ trạng thái singlet, với thời gian sống τ thường nhỏ hơn 10⁻⁶ giây. Phổ fluorescence thường có dạng phổ hẹp, đỉnh phát xạ gần đỉnh hấp thụ và ít bị dịch chuyển lớn. Fluorescence được ứng dụng trong sinh học phân tử, đánh dấu huỳnh quang (fluorescent labeling) và quan sát tế bào (Nature Methods).

Phosphorescence xảy ra khi electron chuyển từ trạng thái triplet về trạng thái cơ bản, thường bị cấm chọn lọc (spin-forbidden) nên thời gian sống τ có thể từ micro-giây đến hàng giây hoặc lâu hơn. Phổ phosphorescence thường đỏ dời (red-shifted) so với phổ fluorescence, với băng tán xạ rộng hơn do sự tương tác mạnh hơn với môi trường.

  • Upconversion photoluminescence: hấp thụ hai hoặc nhiều photon năng lượng thấp để phát xạ photon năng lượng cao hơn, thường dùng trong cảm biến nhiệt độ và quang học sinh học.
  • Delayed fluorescence: fluorescence chậm, phát ra sau quá trình chuyển từ triplet sang singlet (thermally activated delayed fluorescence – TADF).
  • Persistent luminescence: ánh sáng còn lưu lại khi nguồn kích thích đã tắt, ứng dụng trong vật liệu phát sáng tự phát.

Thiết bị đo quang phổ phát quang

Hệ thống đo quang phổ phát quang bao gồm nguồn kích thích (laser, đèn xenon xung hoặc đèn halogen), bộ phân giải bước sóng (monochromator hoặc filter wheel) và detector ghi nhận cường độ ánh sáng phát xạ. Monochromator giúp tách từng thành phần bước sóng, cho phép quét phổ liên tục hoặc chọn trước dải hẹp để đo đỉnh phát xạ.

Thành phầnChức năngLưu ý kỹ thuật
Nguồn kích thíchTạo photon với bước sóng xác địnhCông suất ổn định, xung ngắn hoặc liên tục
MonochromatorTách bước sóngĐộ phân giải 0,1–1 nm
Detector (PMT, CCD)Ghi nhận cường độĐộ nhạy cao, băng tần rộng
Hệ thống quang họcGiao thoa và tập trung ánh sángGương phủ phản quang, thấu kính AR

Detector thường dùng photomultiplier tube (PMT) cho tín hiệu yếu hoặc CCD cho đo đa kênh đồng thời. Hệ thống quang học và sợi quang (optical fiber) hỗ trợ dẫn hướng sáng từ nguồn đến mẫu và từ mẫu đến detector, giảm nhiễu và tối ưu tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR).

Phần mềm điều khiển đo và xử lý dữ liệu tích hợp các chức năng hiệu chỉnh nền, hiệu chỉnh độ nhạy detector, và fitting phổ bằng Gaussian hoặc Lorentzian để xác định đỉnh, băng tán xạ và stokes shift. Kết quả thu được đưa vào phân tích băng cấm, mật độ khuyết tật và hiệu suất lượng tử của vật liệu.

Phương pháp và kỹ thuật

Time-resolved photoluminescence (TRPL) đo độ suy giảm cường độ phát xạ theo thời gian sau xung kích thích ngắn, thu được đường cong PL decay. Phương pháp này xác định chính xác thời gian sống τ qua phép nội suy của biểu đồ: I(t)=I0et/τI(t)=I_0 e^{-t/τ}, giúp phân biệt thành phần bức xạ (radiative) và phi bức xạ (non-radiative).

Temperature-dependent PL tiến hành đo phổ ở nhiều nhiệt độ (4 K – 300 K), cho phép tách đỉnh phát xạ do vùng định lượng (quantum wells) khỏi phát xạ từ khuyết tật. Sự dịch chuyển nhiệt độ của đỉnh PL cung cấp thông tin về tương tác electron-phonon và cơ chế tán xạ.

  • TRPL: phân biệt cơ chế tái kết hợp.
  • Low-T PL: phân tích đỉnh hẹp, xác định defect states.
  • Angle-resolved PL: đánh giá tính dị hướng của phát xạ trong vật liệu có cấu trúc phân lớp.

Upconversion PL sử dụng laser hồng ngoại kích thích các hạt nano hiển quang lên mức năng lượng cao hơn, cho phép chụp ảnh sâu trong mô sinh học với nền tự phát thấp (ACS Nano). Delayed fluorescence (TADF) khai thác quá trình đảo spin từ triplet về singlet, tăng hiệu suất phát quang trong OLED hiện đại (Nature Materials).

Ứng dụng trong nghiên cứu

Trong nghiên cứu bán dẫn, PL được dùng để xác định băng cấm (bandgap) bằng cách đo đỉnh phát xạ Eg qua: Eg=hc/λpeakE_g=hc/λ_{\text{peak}}. So sánh giá trị Eg với tính toán DFT giúp đánh giá độ chính xác mô hình và tối ưu hóa vật liệu (IEEE Xplore).

Quantum dots và perovskite nanocrystals khảo sát PL để xác định kích thước hạt và mật độ defect. Độ rộng phổ PL (FWHM) tỉ lệ nghịch với độ đồng nhất kích thước, còn hiệu suất lượng tử (Φ) cho biết chất lượng bề mặt:

Φ=Iemission(λ)dλIabsorption(λ)dλΦ=\frac{\int I_{\text{emission}}(λ)\,dλ}{\int I_{\text{absorption}}(λ)\,dλ}

Trong quang tử học lượng tử, photon đôi phát xạ (photon pairs) từ vật liệu phi tuyến được khảo sát qua PL correlation để phát triển nguồn photon đơn (Nature Photonics).

Ứng dụng công nghiệp và y sinh

Trong y sinh, PL imaging dùng để ghi lại tín hiệu huỳnh quang từ các phân tử cảm biến pH, ion hoặc enzyme trong tế bào sống. Các hạt nano PL lênconversion cho phép chụp ảnh mô sâu đến vài mm với độ phân giải cao và độ nhiễu nền thấp (ScienceDirect).

Công nghiệp bán dẫn ứng dụng PL mapping để kiểm tra chất lượng wafer, phát hiện vùng defect và bất đồng nhất. Hệ thống quét PL tự động cung cấp hình ảnh hai chiều với độ phân giải micromet, tỉ lệ lỗi thấp dưới 1 ppm.

  • OLED/LED: đánh giá phát xạ, hiệu suất và màu sắc.
  • Polymer huỳnh quang: kiểm tra tạp chất và độ bền quang học.
  • Thiết bị cảm biến: phát hiện khí độc, độ ẩm, chất sinh học qua thay đổi PL.

Phân tích và xử lý dữ liệu

Phương phápƯu điểmNhược điểm
Gaussian fittingXác định đỉnh chính xácGiả định phổ đối xứng
Lorentzian fittingPhù hợp phổ rộngKhông mô hình hóa đuôi tốt
Multi-peak deconvolutionTách đỉnh chồng lên nhauYêu cầu khởi tạo tham số

Hiệu chuẩn detector loại bỏ tín hiệu nền và sai số bước sóng. Phần mềm phân tích phổ tích hợp chức năng lọc nhiễu (Savitzky–Golay), hiệu chỉnh đường cơ sở (baseline correction) và deconvolution đa đỉnh để phân tích thành phần defect states và băng cấm phụ.

Quantum yield và lifetime phân tích kết hợp tích phân PL decay và so sánh với mẫu tham chiếu chuẩn để loại trừ hiệu ứng bộ lọc và hấp thụ tái phát xạ (ACS Publications).

Thách thức và xu hướng tương lai

Kết hợp machine learning trong phân tích PL giúp tự động xác định đỉnh và phân loại defect từ dữ liệu lớn. Mô hình học sâu (deep learning) đã chứng minh khả năng dự đoán quantum yield dựa trên phổ PL thô (NIST).

Phát triển PL imaging thời gian thực (fast-PL) và hyperspectral PL mapping cho phép quan sát động học electron-hole dưới điều kiện vận hành thực tế. Các hệ PL miniaturized tích hợp trên chip sẽ mở ra cảm biến quang học cầm tay cho y sinh và môi trường.

  • AI-driven analysis: tự động hóa và tối ưu hóa quy trình đo.
  • On-chip PL spectroscopy: tích hợp trong thiết bị di động.
  • Quantum PL: phát triển nguồn photon đơn cho máy tính lượng tử.

Tài liệu tham khảo

  • Lakowicz, J. R. “Principles of Fluorescence Spectroscopy.” Springer, 2006.
  • Valeur, B., Berberan-Santos, M. N. “Molecular Fluorescence: Principles and Applications.” Wiley-VCH, 2012.
  • Demtröder, W. “Laser Spectroscopy: Basic Concepts and Instrumentation.” Springer, 2003.
  • O’Regan, B. C., et al. “Photoluminescence in Perovskite Solar Cells.” Nature Photonics, 2015.
  • “Photoluminescence Spectroscopy.” NIST, nist.gov

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

Hai-Photon Laser Scanning Huỳnh quang Hiển vi Dịch bởi AI
American Association for the Advancement of Science (AAAS) - Tập 248 Số 4951 - Trang 73-76 - 1990
Sự kích thích phân tử bằng sự hấp thụ đồng thời của hai photon cung cấp độ phân giải ba chiều nội tại trong hiển vi huỳnh quang quét bằng laser. Việc kích thích các fluorophore có khả năng hấp thụ một photon trong vùng cực tím với dòng xung hồng ngoại cường độ tập trung dưới một phần nghìn giây đã làm khả thi các hình ảnh huỳnh quang của các tế bào sống và các vật thể hiển vi khác. Phát xạ huỳnh q...... hiện toàn bộ
#Kích thích hai-photon #hiển vi huỳnh quang quét laser #độ phân giải ba chiều #fluorophore #phát xạ huỳnh quang #quá trình tẩy trắng quang học
Ảnh hưởng của dung môi đối với phổ phát quang và mô men lưỡng cực của các phân tử bị kích thích Dịch bởi AI
Bulletin of the Chemical Society of Japan - Tập 29 Số 4 - Trang 465-470 - 1956
Tóm tắt Một công thức tổng quát cho sự khác biệt của hiệu ứng dung môi trong phổ phát quang và hấp thụ trong gần đúng tương tác lưỡng cực xa đã được xây dựng dựa trên lý thuyết hấp thụ ánh sáng trong dung dịch của Ooshika. Các phép đo phổ phát quang và hấp thụ của một số dẫn xuất naphtalen trong các dung môi hữu cơ khá...... hiện toàn bộ
#dung môi #phổ phát quang #phổ hấp thụ #mô men lưỡng cực #phân cực định hướng
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
Phát triển công nghệ LIDAR dựa trên huỳnh quang cho cảm biến sinh học Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - - 2005
Kết quả từ việc phát triển các hệ thống phát hiện tác nhân sinh học (BWA) dựa trên phát hiện quang phổ của huỳnh quang kích thích bằng laser cực tím (UV) được trình bày. Một bộ dao động quang học tham số (OPO) nhỏ gọn với sự trộn tần số tổng trong buồng để tạo ra bức xạ laser UV 293 nm đã được phát triển. Thiết bị OPO/SFM được bơm bởi một laser Nd:YAG (1064 nm) được bơm bằng diode, bao gồm cả sự t...... hiện toàn bộ
#tác nhân sinh học #phát hiện quang phổ #huỳnh quang #laser #hệ thống phát hiện
Phát triển và ứng dụng phương pháp quang phổ trong đánh giá chất lượng các thuốc kháng giun benzimidazole tại huyện Nairobi Dịch bởi AI
Future Journal of Pharmaceutical Sciences - - 2020
Tóm tắt Đặt vấn đề Các bệnh nhiệt đới bị bỏ quên (NTDs) là một nhóm các bệnh truyền nhiễm phổ biến ở vùng nhiệt đới, ảnh hưởng đến hơn một tỷ người. Việc điều trị và phòng ngừa những nhiễm trùng này có chi phí rất cao đối với các nền kinh tế đang phát triển. Các bệnh giun sán được phân loại trong số các bệnh NTD. Các cộng đồng bị ...... hiện toàn bộ
#bệnh nhiệt đới bị bỏ quên #thuốc kháng giun #quang phổ #chất lượng thuốc #Nairobi
Nghiên cứu tính chất phát quang của ion đất hiếm Ce3+ trong thủy tinh aluminoborate
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - Trang 77-81 - 2023
Vật liệu thủy tinh oxit với thành phần Na2O:Al2O3:BaO:B2O3 (NABB) pha tạp ion Ce3+ với các nồng độ từ 0,1% đến 2,5% được tổng hợp bằng phương pháp nóng chảy. Tính chất cấu trúc của vật liệu được nghiên cứu bằng các phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ Raman. Tính chất phát quang cũng được phân tích dựa trên phổ kích thích và phổ phát quang. Giản đồ nhiễu xạ tia X chứng tỏ rằng vật liệu chế tạo được...... hiện toàn bộ
#LEDs #vật liệu phát quang #ion Ce3 #thủy tinh oxit #nông nghiệp
ĐẶC TRƯNG QUANG PHỔ CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG M2Al2SiO7: Eu (M: Sr, Ca)
Hue University Journal of Science: Natural Science - Tập 129 Số 1A - Trang 79-86 - 2020
Vật liệu phát quang M2Al2SiO7 (M: Sr, Ca) đơn pha tạp ion Europium được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Kết quả khảo sát giản đồ nhiễu xạ tia X chứng tỏ, vật liệu có cấu trúc đơn pha, pha tứ giác. Khảo sát phổ phát quang và kích thích phát quang cho thấy, khi mẫu được nung trong môi trường khử thì phổ bức xạ có dạng dải rộng đặc trưng cho ion Eu+2, khi mẫu được nung trong môi trường khô...... hiện toàn bộ
#luminescence #M2Al2SiO7 #europium
Phân tích hàm lượng kim loại nặng trong tôm thẻ chân trắng bằng phương pháp quang phổ phát xạ cao tần ghép nối khối phổ ICP-MS
Tạp chí Khoa học Trường Đại học Quốc tế Hồng Bàng - - Trang 109-118 - 2019
Trong nghiên cứu này, hàm lượng kim loại nặng tồn dư trong tôm được xác định bằng phương pháp quang phổ phát xạ cao tần ghép nối khối phổ ICP-MS sau khi vô cơ hóa mẫu bằng axit nitric (HNO3) và hydro peroxit (H2O2). Giới hạn phát hiện thấp từ 15-100 μg/kg, và giới hạn định lượng từ 50-300 μg/kg. Phương pháp có khoảng tuyến tính rộng, đường chuẩn có hệ số tương quan cao, các giá trị độ chụm, độ đún...... hiện toàn bộ
#tôm thẻ chân trắng #ICP-MS #quang phổ phát xạ cao tần ghép nối khối phổ #ô nhiễm kim loại nặng
Nghiên cứu quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier của một composite hữu cơ - khoáng cho vật liệu thay thế xương và nha khoa Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 8 - Trang 621-629 - 1997
Một loại vật liệu sinh học tiêm mới cho phẫu thuật xương và nha khoa là một composite bao gồm một polyme làm ma trận và gốm photphát canxi sinh học hoạt tính (CaP) làm phụ gia. Độ ổn định của polyme là rất quan trọng trong việc sản xuất một vật liệu sinh học tiêm tiệt trùng sẵn sàng khai thác. Mục đích của nghiên cứu này là phát hiện sự phân hủy polyme có thể xảy ra do sự tương tác với các phụ gia...... hiện toàn bộ
#vật liệu sinh học #phẫu thuật xương #quang phổ hồng ngoại #composite hữu cơ - khoáng #photphát canxi
Hạt nano SrF2:Nd3+ phát quang ở bước sóng 1.3 μm cho hình ảnh in vivo có độ tương phản cao trong cửa sổ sinh học thứ hai Dịch bởi AI
Nano Research - Tập 8 - Trang 649-665 - 2014
Các phương pháp mới cho hình ảnh sinh học huỳnh quang in vivo, với độ tương phản cao và sâu trong mô, dựa trên các hạt nano phát ánh sáng hồng ngoại hoạt động trong "cửa sổ sinh học thứ hai" (1.000–1.400 nm). Điều này cho phép thu được những hình ảnh sâu trong mô với độ phân giải cao nhờ vào sự trong suốt tương đối của các mô trong dải quang phổ này. Bên cạnh đó, việc kích thích quang học bằng pho...... hiện toàn bộ
#hình ảnh sinh học huỳnh quang #hạt nano SrF2:Nd3+ #cửa sổ sinh học #phát quang hồng ngoại #phân phối sinh học
Tổng số: 161   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 10