Phổ hấp thụ (Absorption Spectrum)

Cơ chế tạo thành phổ hấp thụ

Khi ánh sáng trắng (chứa tất cả các bước sóng nhìn thấy) đi qua một chất, một số bước sóng nhất định có thể bị hấp thụ bởi các nguyên tử hoặc phân tử của chất đó. Năng lượng của các photon ánh sáng bị hấp thụ được sử dụng để kích thích các electron từ trạng thái năng lượng cơ bản lên trạng thái năng lượng cao hơn. Quá trình này tuân theo định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng của photon bị hấp thụ ($E = h\nu$, với $h$ là hằng số Planck và $\nu$ là tần số của bức xạ) phải chính xác bằng hiệu năng lượng giữa hai trạng thái năng lượng của nguyên tử hoặc phân tử. Các bước sóng không bị hấp thụ sẽ đi qua chất và tạo thành ánh sáng truyền qua. Phổ hấp thụ biểu diễn lượng ánh sáng bị hấp thụ ở mỗi bước sóng, thường được biểu diễn dưới dạng đồ thị có trục hoành là bước sóng hoặc tần số, và trục tung là độ hấp thụ (Absorbance) hoặc độ truyền qua (Transmittance).

Các yếu tố ảnh hưởng đến phổ hấp thụ

• Loại chất: Mỗi chất có một cấu trúc nguyên tử và phân tử riêng biệt, do đó có một phổ hấp thụ đặc trưng. Cấu trúc điện tử và các liên kết hóa học quyết định các mức năng lượng có thể có, và do đó quyết định các bước sóng mà chất đó sẽ hấp thụ.
• Nồng độ: Nồng độ của chất càng cao thì sự hấp thụ càng mạnh. Định luật Beer-Lambert mô tả mối quan hệ này: $A = \epsilon l c$, trong đó $A$ là độ hấp thụ, $\epsilon$ là hệ số hấp thụ mol (đặc trưng cho từng chất và bước sóng), $l$ là độ dài đường đi của ánh sáng qua chất (thường là bề dày của cuvet), và $c$ là nồng độ.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến sự chuyển đổi năng lượng (ví dụ, làm tăng dao động của các phân tử) và do đó ảnh hưởng đến phổ hấp thụ. Ở nhiệt độ cao hơn, các vạch phổ có thể rộng hơn và dịch chuyển.
• Áp suất: Đặc biệt đối với chất khí, áp suất có thể ảnh hưởng đến phổ hấp thụ. Áp suất cao hơn làm tăng số lần va chạm giữa các phân tử, có thể làm rộng các vạch phổ.
• Dung môi: Đối với chất tan trong dung dịch, dung môi cũng có thể ảnh hưởng đến phổ hấp thụ. Tương tác giữa chất tan và dung môi (ví dụ: liên kết hydro) có thể làm thay đổi các mức năng lượng và do đó làm thay đổi phổ.

Ứng dụng của phổ hấp thụ

Phổ hấp thụ có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học và công nghệ, bao gồm:

• Xác định chất (Định tính): Do mỗi chất có một phổ hấp thụ đặc trưng, nên phổ hấp thụ có thể được sử dụng để xác định và phân tích định tính các chất. Việc so sánh phổ hấp thụ của một mẫu chưa biết với phổ của các chất đã biết có thể giúp xác định thành phần của mẫu.
• Định lượng nồng độ (Định lượng): Định luật Beer-Lambert cho phép sử dụng phổ hấp thụ để xác định nồng độ của một chất trong dung dịch. Bằng cách đo độ hấp thụ ở một bước sóng cụ thể, ta có thể tính được nồng độ của chất đó.
• Nghiên cứu cấu trúc phân tử: Phổ hấp thụ, đặc biệt là phổ hấp thụ trong vùng hồng ngoại (IR) và tử ngoại-khả kiến (UV-Vis), có thể cung cấp thông tin về cấu trúc và liên kết hóa học của các phân tử. Ví dụ, phổ IR cho biết thông tin về các nhóm chức có trong phân tử.
• Thiên văn học: Phổ hấp thụ của ánh sáng từ các ngôi sao có thể được sử dụng để xác định thành phần hóa học của chúng. Các vạch hấp thụ trong phổ của ngôi sao cho biết sự có mặt của các nguyên tố và phân tử trong bầu khí quyển của ngôi sao đó.
• Y học: Phổ hấp thụ được sử dụng trong các kỹ thuật như đo oxy xung (pulse oximetry) để đo nồng độ oxy trong máu. Phương pháp này dựa trên sự khác biệt trong phổ hấp thụ của hemoglobin khi liên kết và không liên kết với oxy.
• Kiểm soát chất lượng: Phổ hấp thụ được sử dụng để kiểm tra độ tinh khiết và thành phần của các sản phẩm trong nhiều ngành công nghiệp, chẳng hạn như dược phẩm, thực phẩm và hóa chất.

Phân biệt phổ hấp thụ và phổ phát xạ

Phổ hấp thụ cho thấy các bước sóng bị hấp thụ bởi một chất, trong khi phổ phát xạ (emission spectrum) cho thấy các bước sóng được phát ra bởi một chất khi nó được kích thích (ví dụ, bằng nhiệt, điện, hoặc ánh sáng). Hai loại phổ này bổ sung cho nhau và cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc và tính chất của chất. Phổ hấp thụ thường được đo bằng cách chiếu ánh sáng qua mẫu và đo lượng ánh sáng truyền qua, trong khi phổ phát xạ được đo bằng cách thu ánh sáng phát ra từ mẫu sau khi được kích thích.

Tóm lại, phổ hấp thụ là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu và phân tích các chất, có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau.

Các loại phổ hấp thụ

Tùy thuộc vào vùng bước sóng của bức xạ điện từ được sử dụng, có nhiều loại phổ hấp thụ khác nhau:

• Phổ hấp thụ UV-Vis (Ultraviolet-Visible): Sử dụng bức xạ trong vùng tử ngoại (UV) và vùng khả kiến (Vis). Phổ này thường được sử dụng để nghiên cứu các chuyển đổi điện tử trong phân tử, đặc biệt là các chuyển đổi liên quan đến các electron π và các electron không liên kết.
• Phổ hấp thụ hồng ngoại (IR – Infrared): Sử dụng bức xạ trong vùng hồng ngoại. Phổ này cung cấp thông tin về các dao động phân tử (dao động hóa trị và dao động biến dạng) và có thể được sử dụng để xác định các nhóm chức năng trong phân tử, cũng như định danh các hợp chất hữu cơ.
• Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS – Atomic Absorption Spectroscopy): Kỹ thuật này sử dụng sự hấp thụ bức xạ bởi các nguyên tử ở trạng thái khí để xác định nồng độ của các nguyên tố, thường là kim loại. Mẫu được nguyên tử hóa trong ngọn lửa hoặc lò graphite, và các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng đặc trưng.
• Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR – Nuclear Magnetic Resonance): Mặc dù không phải lúc nào cũng được gọi là “phổ hấp thụ”, NMR cũng dựa trên sự hấp thụ năng lượng (sóng vô tuyến) của các hạt nhân nguyên tử trong từ trường. NMR cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc phân tử, đặc biệt là vị trí tương đối của các nguyên tử hydro (¹H NMR) và carbon (¹³C NMR).
• Phổ hấp thụ tia X (XAS – X-ray Absorption Spectroscopy): Kỹ thuật này sử dụng tia X để nghiên cứu cấu trúc điện tử và môi trường hóa học xung quanh nguyên tử.

Thiết bị đo phổ hấp thụ

Máy đo phổ hấp thụ (spectrophotometer) là thiết bị được sử dụng để đo phổ hấp thụ của một chất. Một máy đo phổ hấp thụ điển hình bao gồm:

• Nguồn sáng: Cung cấp bức xạ điện từ liên tục hoặc theo vạch, tùy thuộc vào loại máy và vùng phổ cần đo. Ví dụ: đèn deuterium cho vùng UV, đèn tungsten cho vùng khả kiến, và nguồn globar cho vùng IR.
• Bộ đơn sắc (Monochromator): Chọn một bước sóng cụ thể từ nguồn sáng. Bộ đơn sắc có thể là lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ.
• Buồng mẫu (Sample compartment): Chứa mẫu cần phân tích, thường là dung dịch đựng trong cuvet (cuvette).
• Đầu dò (Detector): Đo cường độ bức xạ truyền qua mẫu. Các loại đầu dò phổ biến bao gồm ống nhân quang (photomultiplier tube) cho vùng UV-Vis và các đầu dò bán dẫn cho vùng IR.
• Bộ ghi (Recorder/Readout): Ghi lại và hiển thị phổ hấp thụ, thường là dưới dạng đồ thị độ hấp thụ (A) hoặc độ truyền qua (T) theo bước sóng hoặc tần số.

Ví dụ về ứng dụng cụ thể

• Trong hóa học phân tích: Xác định nồng độ của thuốc nhuộm trong thực phẩm, phân tích độ tinh khiết của dược phẩm, xác định hàm lượng kim loại nặng trong nước thải.
• Trong khoa học môi trường: Theo dõi nồng độ của các chất ô nhiễm trong nước và không khí, phân tích thành phần của đất và trầm tích.
• Trong y sinh: Đo nồng độ hemoglobin trong máu (đo oxy xung), phân tích thành phần của nước tiểu, chẩn đoán bệnh dựa trên sự thay đổi phổ hấp thụ của các mô hoặc dịch cơ thể.
• Trong công nghiệp thực phẩm: Kiểm tra chất lượng, màu sắc, và độ ổn định của sản phẩm. Xác định các chất bảo quản, chất tạo màu.

Mối liên hệ với các khái niệm khác

Phổ hấp thụ có liên quan chặt chẽ với các khái niệm sau:

• Độ truyền qua (Transmittance – T): Tỷ lệ giữa cường độ ánh sáng truyền qua ($I$) và cường độ ánh sáng tới ($I_0$). $T = I/I_0$. Độ truyền qua thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm (%T).
• Độ hấp thụ (Absorbance – A): $A = -log_{10}(T) = log_{10}(I_0/I)$. Độ hấp thụ không có đơn vị.
• Hệ số hấp thụ mol (Molar absorptivity – $\epsilon$): Một hằng số đặc trưng cho khả năng hấp thụ của một chất ở một bước sóng cụ thể và trong một dung môi nhất định. Nó có đơn vị là L mol^-1 cm^-1. Hệ số hấp thụ mol liên hệ với độ hấp thụ theo định luật Beer-Lambert: $A = \epsilon l c$.

• Skoog, D. A., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2017). Principles of instrumental analysis. Cengage learning.
• Harris, D. C. (2010). Quantitative chemical analysis. Macmillan.
• Pavia, D. L., Lampman, G. M., Kriz, G. S., & Vyvyan, J. R. (2015). Introduction to spectroscopy. Cengage Learning.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao định luật Beer-Lambert đôi khi không chính xác trong thực tế?