Phổ Tử ngoại – Khả kiến (UV-Vis) (Ultraviolet-Visible Spectroscopy)

9

Nguyên lý

Nguyên lý cơ bản của phổ UV-Vis dựa trên định luật Beer-Lambert, phát biểu rằng độ hấp thụ (A) của ánh sáng tỷ lệ thuận với nồng độ (c) của chất phân tích và chiều dài đường đi (l) của chùm tia sáng qua mẫu:

$A = \epsilon cl$

Trong đó, $\epsilon$ là hệ số hấp thụ mol, một hằng số đặc trưng cho mỗi chất ở một bước sóng nhất định. Hệ số này cho biết khả năng hấp thụ ánh sáng của chất đó ở bước sóng cụ thể.

Khi chiếu một chùm tia sáng đa sắc (gồm nhiều bước sóng khác nhau) qua mẫu, các phân tử trong mẫu sẽ hấp thụ năng lượng ở những bước sóng nhất định, tương ứng với sự chuyển đổi điện tử giữa các mức năng lượng khác nhau. Cụ thể, các electron trong liên kết π, liên kết đôi C=C, liên kết ba C≡C, và các hệ liên hợp dễ bị kích thích bởi năng lượng trong vùng UV-Vis. Ánh sáng không bị hấp thụ sẽ được truyền qua và được detector ghi nhận. Sự khác biệt giữa cường độ ánh sáng ban đầu ($I_0$) và cường độ ánh sáng truyền qua ($I$) được sử dụng để tính toán độ hấp thụ (A):

$A = log_{10} (\frac{I_0}{I})$

Như vậy, bằng cách đo độ hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau, ta có thể xác định được sự có mặt và nồng độ của các chất trong mẫu.

Thiết bị

Một máy quang phổ UV-Vis điển hình bao gồm các bộ phận chính sau:

• Nguồn sáng: Cung cấp chùm tia sáng đa sắc. Thường sử dụng đèn deuterium cho vùng UV và đèn vonfram (hoặc vonfram halogen) cho vùng khả kiến và cận hồng ngoại. Đèn xenon cũng được sử dụng vì nó cung cấp ánh sáng liên tục trong cả vùng UV và Vis.
• Bộ đơn sắc (Hệ tán sắc): Tách chùm tia sáng đa sắc từ nguồn sáng thành các chùm tia đơn sắc với bước sóng xác định. Bộ đơn sắc thường sử dụng lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ.
• Cuvet: Chứa mẫu vật cần phân tích. Cuvet thường được làm bằng thạch anh (silica) cho vùng UV hoặc thủy tinh quang học cho vùng khả kiến, vì các vật liệu này trong suốt với ánh sáng UV-Vis. Cuvet cũng cần có hình dạng và kích thước chính xác để đảm bảo độ lặp lại của phép đo.
• Detector: Phát hiện và đo cường độ ánh sáng truyền qua mẫu. Các detector phổ biến bao gồm photodiode, photomultiplier tube (PMT), và CCD (charge-coupled device).
• Bộ ghi (Bộ xử lý và hiển thị): Ghi lại, xử lý tín hiệu từ detector và hiển thị phổ hấp thụ hoặc truyền qua.

Ứng dụng

Phổ UV-Vis được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Định lượng: Xác định nồng độ của một chất dựa trên độ hấp thụ của nó ở một bước sóng cụ thể (sử dụng định luật Beer-Lambert). Đây là ứng dụng phổ biến nhất của UV-Vis.
• Định tính: Xác định sự hiện diện của một chất dựa trên phổ hấp thụ đặc trưng của nó. Mặc dù UV-Vis không cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc như các phương pháp phổ khác (ví dụ: NMR, IR), nhưng nó có thể giúp xác định các nhóm chức hoặc hệ liên hợp trong phân tử.
• Nghiên cứu động học phản ứng: Theo dõi sự thay đổi nồng độ của chất phản ứng hoặc sản phẩm theo thời gian, từ đó xác định tốc độ và cơ chế phản ứng.
• Nghiên cứu cấu trúc phân tử: Phân tích các nhóm chức năng và cấu trúc liên hợp trong phân tử, mặc dù thông tin này thường hạn chế so với các phương pháp khác.
• Kiểm tra độ tinh khiết: Phát hiện các tạp chất trong mẫu dựa trên sự xuất hiện của các peak (đỉnh) hấp thụ không mong muốn.
• Phân tích môi trường: Xác định các chất ô nhiễm trong nước và không khí.
• Dược phẩm: Kiểm tra chất lượng thuốc, xác định hàm lượng hoạt chất.
• Thực phẩm: Phân tích thành phần dinh dưỡng, kiểm tra chất lượng và an toàn thực phẩm.

Ưu điểm

• Kỹ thuật đơn giản, dễ sử dụng: Thao tác đo và vận hành máy tương đối đơn giản, không đòi hỏi kỹ thuật viên có chuyên môn quá cao.
• Chi phí thấp: Thiết bị và hóa chất sử dụng trong UV-Vis thường có giá thành phải chăng so với nhiều kỹ thuật phân tích khác.
• Thời gian phân tích nhanh: Phép đo UV-Vis thường chỉ mất vài giây đến vài phút.
• Độ nhạy tương đối cao: Có thể phát hiện được các chất có nồng độ thấp (tùy thuộc vào chất phân tích và điều kiện đo).
• Tính linh hoạt: Có thể áp dụng cho nhiều loại mẫu khác nhau (dung dịch, chất rắn, màng mỏng,…).

Nhược điểm

• Khó phân tích mẫu phức tạp: Không phù hợp với các mẫu phức tạp có nhiều chất hấp thụ chồng chéo lên nhau, vì khó phân biệt được tín hiệu của từng chất.
• Yêu cầu mẫu hòa tan: Mẫu thường phải ở dạng dung dịch (hoặc khí, nhưng ít phổ biến hơn). Các mẫu rắn thường cần phải được hòa tan hoặc xử lý đặc biệt trước khi đo.
• Ít thông tin cấu trúc: Không cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc phân tử như các kỹ thuật phổ khác (ví dụ: NMR, IR, MS). UV-Vis chủ yếu cung cấp thông tin về các hệ liên kết π và các nhóm mang màu (chromophore).
• Độ nhạy có thể bị hạn chế: Đối với một số chất, độ nhạy của UV-Vis có thể không đủ cao để phát hiện ở nồng độ rất thấp.

Tóm lại, phổ UV-Vis là một kỹ thuật phân tích mạnh mẽ và linh hoạt, cung cấp thông tin hữu ích về các chất phân tích trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau. Tuy nhiên, cần lưu ý đến những hạn chế của phương pháp để lựa chọn kỹ thuật phù hợp và diễn giải kết quả một cách chính xác.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phổ UV-Vis

Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến phổ UV-Vis và cần được xem xét khi phân tích:

• Dung môi: Dung môi sử dụng phải trong suốt trong vùng bước sóng đo và không tương tác với chất phân tích (không tạo phức, không phản ứng hóa học). Các dung môi khác nhau có thể gây ra sự dịch chuyển peak (đỉnh) hấp thụ và thay đổi cường độ hấp thụ.
• pH: pH của dung dịch có thể ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của chất phân tích (ví dụ: dạng axit hoặc bazơ), do đó ảnh hưởng đến phổ hấp thụ. Cần kiểm soát pH bằng dung dịch đệm.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ cao có thể làm thay đổi cấu trúc phân tử, cân bằng hóa học, và độ tan của chất, dẫn đến thay đổi phổ hấp thụ.
• Nồng độ: Nồng độ quá cao có thể làm sai lệch kết quả đo do sự tương tác giữa các phân tử chất tan, hoặc vượt quá giới hạn tuyến tính của định luật Beer-Lambert. Nồng độ quá thấp có thể làm giảm độ nhạy của phép đo.
• Chất lạ/Tạp chất: Sự có mặt của các chất khác trong mẫu có thể gây nhiễu, đặc biệt nếu chúng cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng bước sóng đang quan tâm.
• Ánh sáng lạc (Stray light): Ánh sáng không mong muốn (không đi qua bộ đơn sắc) đến detector có thể gây sai số, đặc biệt ở các bước sóng có độ hấp thụ cao.

Các loại chuyển đổi điện tử trong phổ UV-Vis

Các chuyển đổi điện tử quan sát được trong vùng UV-Vis thường liên quan đến các electron trong các orbital phân tử (MO) sau:

• σ → σ*: Chuyển đổi này yêu cầu năng lượng cao nhất và thường xảy ra ở vùng UV xa (dưới 200 nm), ít được sử dụng trong phân tích thông thường vì đòi hỏi thiết bị đặc biệt (UV chân không).
• n → σ*: Xảy ra với các hợp chất chứa heteroatom (O, N, S, halogen) có cặp electron tự do (n). Các chuyển đổi này thường nằm trong vùng UV gần (200-400 nm).
• π → π*: Xảy ra với các hợp chất chứa liên kết đôi hoặc ba (liên kết π), đặc biệt là các hệ liên hợp. Chuyển đổi này thường nằm trong vùng UV gần và vùng khả kiến (200-800 nm), và là loại chuyển đổi quan trọng nhất trong phổ UV-Vis.
• n → π*: Xảy ra với các hợp chất chứa heteroatom có liên kết đôi (ví dụ: C=O, C=N). Chuyển đổi này thường nằm trong vùng UV gần hoặc khả kiến và có cường độ hấp thụ yếu hơn so với chuyển đổi π → π*.

So sánh phổ UV-Vis với các kỹ thuật phổ khác

Phổ UV-Vis thường được kết hợp với các kỹ thuật phổ khác như phổ hồng ngoại (IR) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) để cung cấp thông tin toàn diện hơn về cấu trúc và tính chất của phân tử. Phổ IR cung cấp thông tin về các dao động phân tử (các nhóm chức), trong khi phổ NMR cung cấp thông tin về môi trường hóa học của các hạt nhân nguyên tử (¹H, ¹³C,…). Phổ khối lượng (MS) cung cấp thông tin về khối lượng phân tử và các mảnh phân tử.

Phân tích định lượng bằng phổ UV-Vis

Để định lượng một chất bằng phổ UV-Vis, cần xây dựng đường chuẩn bằng cách đo độ hấp thụ của một loạt dung dịch chuẩn với nồng độ đã biết. Đường chuẩn thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa độ hấp thụ và nồng độ (theo định luật Beer-Lambert). Từ độ hấp thụ của mẫu chưa biết, có thể xác định nồng độ của chất phân tích bằng cách sử dụng đường chuẩn này. Cần lưu ý các yếu tố ảnh hưởng (như đã nêu ở trên) để đảm bảo kết quả định lượng chính xác.

Tài liệu tham khảo:

• Skoog, D. A., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2017). Principles of instrumental analysis. Cengage learning.
• Pavia, D. L., Lampman, G. M., Kriz, G. S., & Vyvyan, J. R. (2015). Introduction to spectroscopy. Cengage Learning.
• Silverstein, R. M., Webster, F. X., & Kiemle, D. J. (2014). Spectrometric identification of organic compounds. John wiley & sons.

Câu hỏi và Giải đáp

Câu 1: Tại sao cuvet thạch anh thường được sử dụng trong phổ UV-Vis, đặc biệt là trong vùng tử ngoại, thay vì cuvet thủy tinh?

Trả lời: Thủy tinh hấp thụ mạnh ánh sáng UV, đặc biệt là ở bước sóng dưới 350 nm. Điều này làm giảm cường độ ánh sáng đến detector và ảnh hưởng đến kết quả đo. Trong khi đó, thạch anh trong suốt trong cả vùng UV và vùng khả kiến, cho phép đo chính xác hơn trong toàn bộ dải bước sóng.

Câu 2: Làm thế nào để xác định bước sóng tối đa hấp thụ ($λ_{max}$) của một chất từ phổ UV-Vis?

Trả lời: $λ{max}$ là bước sóng mà chất phân tích hấp thụ mạnh nhất. Trên phổ UV-Vis, $λ{max}$ tương ứng với đỉnh cao nhất của đường cong hấp thụ. Xác định $λ_{max}$ rất quan trọng vì nó được sử dụng trong định lượng và đặc trưng cho chất phân tích.

Câu 3: Độ lệch so với định luật Beer-Lambert là gì và nguyên nhân gây ra nó?

Trả lời: Định luật Beer-Lambert chỉ đúng với dung dịch loãng. Ở nồng độ cao, tương tác giữa các phân tử chất tan có thể làm thay đổi hệ số hấp thụ mol ($\epsilon$), dẫn đến độ lệch so với tuyến tính giữa độ hấp thụ và nồng độ. Ngoài ra, tán xạ ánh sáng, phản xạ, và sự thay đổi hóa học (phản ứng, cân bằng) cũng có thể gây ra độ lệch.

Câu 4: Ngoài định lượng, phổ UV-Vis còn có thể được sử dụng để nghiên cứu động học phản ứng như thế nào?

Trả lời: Bằng cách theo dõi sự thay đổi độ hấp thụ theo thời gian ở một bước sóng đặc trưng, ta có thể theo dõi sự thay đổi nồng độ của chất phản ứng hoặc sản phẩm. Từ đó, có thể xác định tốc độ phản ứng và các thông số động học khác.

Câu 5: Trong phân tích định tính, làm thế nào để phân biệt hai chất có phổ UV-Vis tương tự nhau?

Trả lời: Mặc dù hai chất có thể có $λ_{max}$ gần giống nhau, nhưng hình dạng tổng thể của phổ, bao gồm cả các vai và đỉnh nhỏ hơn, có thể khác nhau. So sánh cẩn thận toàn bộ phổ và sử dụng các kỹ thuật phân tích dữ liệu đa biến có thể giúp phân biệt hai chất này. Kết hợp với các kỹ thuật phân tích khác như phổ IR hoặc NMR cũng có thể cung cấp thêm thông tin để phân biệt chúng.

Báo cáo nội dung bị lỗi