Khóa luận: Xác định hàm lượng muối NaCl bằng kỹ thuật phân tích phổ Raman

Phân tích NaCl trong dung dịch hiệu quả bằng phổ Raman. Khám phá nguyên lý, kỹ thuật, ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực quan trọng.

• Tác giả: Trần Ngọc Quyền
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thành Đạt
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Sư phạm Vật lý
• Đề tài: Xác Định Hàm Lượng Muối NaCl Trong Dung Dịch Dựa Trên Kỹ Thuật Phân Tích Phổ Raman
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Mục lục
• Danh sách hình vẽ
• Danh sách bảng
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ RAMAN
• 1.1. Cơ sở lý thuyết của tán xạ Raman
• 1.1.1. Sơ lược lịch sử về tán xạ Raman
• 1.1.2. Lý thuyết cổ điển
• 1.1.3. Lý thuyết lượng tử
• 1.2. Ứng dụng của tán xạ Raman
• 1.3. Ảnh hưởng của NaCl đến cấu trúc của nước
• 1.4. Hiện tượng huỳnh quang trong phổ Raman
• 2. CHƯƠNG 2. BỐ TRÍ THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU
• 2.1. Dụng cụ thí nghiệm
• 2.2. Tiến hành đo
• 2.3. Lấy số liệu
• 2.4. Xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG HỆ PHỔ KẾ RAMAN ĐỂ XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG MUỐI TRONG MỘT SỐ DUNG DỊCH
• 3.1. Kết quả đo hàm lượng muối trong dung dịch
• 3.2. Kết luận và kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Danh mục viết tắt
• PHẦN MỞ ĐẦU

Tóm tắt

I. Tổng quan phương pháp phân tích NaCl bằng quang phổ Raman

Phương pháp phân tích hàm lượng NaCl trong dung dịch dựa trên kỹ thuật quang phổ Raman là một hướng tiếp cận hiện đại, mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp hóa phân tích truyền thống. Kỹ thuật này không phá hủy mẫu, cho kết quả nhanh và không yêu cầu các quy trình chuẩn bị mẫu phức tạp. Về cơ bản, phổ Raman là kỹ thuật dựa trên hiện tượng tán xạ Raman, một dạng tán xạ không đàn hồi của ánh sáng khi tương tác với phân tử. Khi một chùm laser chiếu vào mẫu, hầu hết photon sẽ tán xạ đàn hồi (tán xạ Rayleigh) với cùng tần số, nhưng một phần rất nhỏ (khoảng 1 trên 10 triệu photon) sẽ tán xạ không đàn hồi, làm thay đổi tần số. Sự thay đổi tần số này, gọi là dịch chuyển Raman (Raman Shift), cung cấp thông tin đặc trưng về các dao động của liên kết hóa học trong phân tử, hoạt động như một “dấu vân tay phân tử”. Mặc dù NaCl là một hợp chất ion và không có tín hiệu Raman đặc trưng, việc phân tích dung dịch muối này vẫn khả thi. Cơ chế phân tích dựa trên sự ảnh hưởng gián tiếp của các ion Na+ và Cl- đến cấu trúc liên kết hydro của dung môi nước. Sự thay đổi trong mạng lưới liên kết của nước sẽ được phản ánh qua sự biến đổi trên phổ dao động của nước, đặc biệt là vùng dao động của liên kết O-H. Bằng cách phân tích những thay đổi này, có thể xây dựng mối quan hệ định lượng giữa nồng độ NaCl và tín hiệu Raman, từ đó thực hiện việc xác định nồng độ NaCl một cách chính xác. Đây là một ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực từ y tế, môi trường đến công nghiệp thực phẩm.

1.1. Giới thiệu về hiệu ứng Raman và tán xạ không đàn hồi

Hiệu ứng Raman được nhà vật lý C.V. Raman phát hiện vào năm 1928, là nền tảng của quang phổ Raman. Hiệu ứng này mô tả sự thay đổi tần số của photon khi chúng bị tán xạ bởi một phân tử. Không giống như tán xạ Rayleigh nơi năng lượng photon được bảo toàn, trong tán xạ Raman, có sự trao đổi năng lượng giữa photon và phân tử. Nếu phân tử hấp thụ năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái dao động cao hơn, photon tán xạ sẽ có năng lượng thấp hơn (tần số thấp hơn), gọi là tán xạ Stokes. Ngược lại, nếu phân tử đang ở trạng thái kích thích và truyền năng lượng cho photon, photon tán xạ sẽ có năng lượng cao hơn, gọi là tán xạ đối Stokes. Cường độ của tín hiệu Stokes thường lớn hơn đối Stokes ở nhiệt độ phòng, do hầu hết các phân tử ở trạng thái năng lượng cơ bản. Thông tin thu được từ các dịch chuyển Raman này là duy nhất cho mỗi phân tử, cho phép phân tích thành phần hóa học một cách chính xác.

1.2. Tại sao quang phổ Raman là lựa chọn tối ưu để phân tích

So với các phương pháp truyền thống như chuẩn độ hóa học hay đo độ dẫn điện, quang phổ Raman mang lại nhiều lợi thế vượt trội. Thứ nhất, đây là phương pháp phân tích không phá hủy và không tiếp xúc, mẫu vật có thể được tái sử dụng sau khi đo. Thứ hai, nó có khả năng đo xuyên qua các vật liệu trong suốt như thủy tinh hoặc nhựa, cho phép phân tích mẫu trực tiếp trong bao bì. Thứ ba, nước là một dung môi có tín hiệu Raman yếu, điều này trở thành một lợi thế lớn khi phân tích các dung dịch gốc nước vì tín hiệu của dung môi không lấn át tín hiệu của chất tan. Cuối cùng, thời gian thu phổ nhanh chóng, chỉ cần vài giây đến vài phút, cho phép phân tích tại chỗ và theo thời gian thực. Những ưu điểm này làm cho kỹ thuật Raman trở thành một công cụ mạnh mẽ trong hóa phân tích hiện đại, đặc biệt trong việc kiểm soát chất lượng và nghiên cứu khoa học vật liệu.

II. Thách thức chính khi phân tích NaCl trong dung dịch muối

Việc phân tích NaCl trong dung dịch đặt ra những thách thức đặc thù mà không phải phương pháp nào cũng có thể giải quyết hiệu quả. Các phương pháp hóa học truyền thống, mặc dù chính xác, thường tốn thời gian, đòi hỏi hóa chất và có thể phá hủy mẫu. Các phương pháp vật lý khác như đo độ dẫn điện có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các ion khác trong dung dịch, làm giảm độ chọn lọc. Đối với quang phổ Raman, thách thức lớn nhất đến từ bản chất hóa học của chính NaCl. Là một hợp chất ion, NaCl không có các liên kết cộng hóa trị có thể dao động để tạo ra tín hiệu Raman đặc trưng. Điều này có nghĩa là không thể phát hiện trực tiếp NaCl bằng kỹ thuật này. Thêm vào đó, một vấn đề nghiêm trọng khác là hiện tượng huỳnh quang. Theo nghiên cứu của Trần Ngọc Quyền (2024), huỳnh quang từ tạp chất trong mẫu hoặc từ chính dung môi có thể tạo ra một nền tín hiệu rất mạnh, che lấp hoàn toàn tín hiệu Raman vốn đã rất yếu, làm sai lệch kết quả phân tích định lượng. Việc khắc phục hiện tượng này đòi hỏi các kỹ thuật xử lý phức tạp hoặc sử dụng các nguồn laser có bước sóng dài hơn, chẳng hạn như laser cận hồng ngoại, để giảm thiểu năng lượng kích thích gây ra huỳnh quang. Những thách thức này đòi hỏi một phương pháp luận chặt chẽ và kỹ thuật đo đạc tinh vi để có thể ứng dụng thành công phổ Raman.

2.1. Hạn chế của các phương pháp phân tích hóa học cổ điển

Các phương pháp hóa học cổ điển để định lượng ion Cl- như phương pháp chuẩn độ Mohr hoặc Volhard đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, chúng có những hạn chế cố hữu. Quá trình này đòi hỏi sự chuẩn bị mẫu cẩn thận, tiêu tốn hóa chất (ví dụ, bạc nitrat), và thường mất nhiều thời gian để thực hiện. Ngoài ra, việc xác định điểm cuối chuẩn độ bằng mắt thường có thể dẫn đến sai số chủ quan. Quan trọng hơn, các phương pháp này là phân tích phá hủy, nghĩa là mẫu sau khi phân tích không thể được sử dụng cho các mục đích khác. Điều này là một bất lợi lớn trong các ứng dụng cần bảo toàn mẫu hoặc phân tích lặp lại. So sánh với chúng, các kỹ thuật quang phổ hiện đại cung cấp một giải pháp nhanh hơn, tự động hóa và không phá hủy.

2.2. Vấn đề nhiễu huỳnh quang che lấp tín hiệu Raman yếu

Huỳnh quang là một trong những trở ngại lớn nhất trong quang phổ Raman. Hiện tượng này xảy ra khi phân tử hấp thụ một photon năng lượng cao và sau đó phát ra một photon có năng lượng thấp hơn sau một khoảng thời gian trễ. Tín hiệu huỳnh quang thường rộng và mạnh hơn tín hiệu Raman hàng nghìn lần. Trong phân tích dung dịch muối, các tạp chất hữu cơ dù ở nồng độ rất nhỏ cũng có thể gây ra huỳnh quang mạnh, che lấp hoàn toàn sự thay đổi tinh tế của đỉnh Raman của nước. Để khắc phục, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng các kỹ thuật như chiếu xạ mẫu bằng laser công suất cao trong thời gian dài để “đốt cháy” các tạp chất phát quang, hoặc sử dụng các thuật toán xử lý hậu kỳ để trừ nền huỳnh quang. Một giải pháp hiệu quả khác là sử dụng các hệ thống máy quang phổ Raman với bước sóng kích thích trong vùng cận hồng ngoại (ví dụ 785 nm hoặc 1064 nm), vì năng lượng photon thấp hơn sẽ ít có khả năng kích thích trạng thái huỳnh quang.

III. Phương pháp phân tích NaCl gián tiếp qua phổ Raman nước

Bí quyết để phân tích NaCl trong dung dịch bằng phổ Raman nằm ở việc phân tích gián tiếp thông qua sự thay đổi cấu trúc của dung môi nước. Nước lỏng không phải là một tập hợp các phân tử H2O riêng lẻ mà được liên kết với nhau bằng một mạng lưới liên kết hydro phức tạp và linh động. Khi NaCl hòa tan, nó phân ly thành các ion Na+ và Cl-. Các ion này sẽ tương tác với các phân tử nước xung quanh, hình thành các lớp vỏ hydrat hóa và phá vỡ cấu trúc trật tự vốn có của mạng lưới liên kết hydro. Theo nghiên cứu được trích dẫn bởi Trần Ngọc Quyền (2024), tương tác ion-dung môi này làm thay đổi phổ dao động của liên kết O-H trong nước. Cụ thể, vùng phổ Raman của nước trải dài từ khoảng 3000 đến 3700 cm⁻¹ là sự chồng chập của nhiều thành phần, tương ứng với các loại liên kết hydro khác nhau (ví dụ DDAA, DDA, DAA). Sự hiện diện của ion Na+ và Cl- làm thay đổi tỷ lệ của các thành phần này. Bằng cách theo dõi sự thay đổi về hình dạng, vị trí và cường độ của dải phổ O-H này, ta có thể thiết lập một mối tương quan định lượng với nồng độ NaCl. Phương pháp này biến điểm yếu (NaCl không có tín hiệu Raman) thành một cơ hội để nghiên cứu sâu hơn về tương tác ở cấp độ phân tử, mở ra một cách tiếp cận tinh vi để xác định nồng độ NaCl.

3.1. Phân tích sự thay đổi cấu trúc liên kết hydro của nước

Các ion Na+ và Cl- ảnh hưởng đến mạng lưới liên kết hydro của nước theo những cách khác nhau. Ion Na+, với điện tích dương, có xu hướng định hướng các phân tử nước với nguyên tử oxy tích điện âm hướng về phía nó, làm suy yếu các liên kết hydro trong lớp vỏ hydrat hóa. Ngược lại, ion Cl- lớn hơn và có khả năng phân cực hóa, có thể gây ra những nhiễu loạn khác. Kết quả tổng hợp của những tương tác ion-dung môi này là sự tái cấu trúc của mạng lưới nước. Nghiên cứu của Waluyo (2011) cho thấy ion Na+ làm suy yếu liên kết hydro, trong khi các nghiên cứu khác lại nhấn mạnh vai trò của anion. Về mặt quang phổ, điều này thể hiện qua sự thay đổi cường độ tương đối của các đỉnh con trong dải O-H. Cụ thể, khi nồng độ mol của NaCl tăng, cường độ ở vùng số sóng cao hơn (tương ứng với các liên kết hydro yếu hơn) có xu hướng tăng, trong khi cường độ ở vùng số sóng thấp hơn (liên kết hydro mạnh hơn) giảm đi. Đây chính là cơ sở vật lý cho việc định lượng.

3.2. Khai thác vùng phổ dao động O H để định lượng NaCl

Vùng trải dài O-H của nước trong phổ Raman là một công cụ cực kỳ nhạy để thăm dò môi trường hóa học xung quanh. Để thực hiện phân tích định lượng, bước đầu tiên là thu thập phổ Raman của một loạt dung dịch NaCl với nồng độ đã biết. Sau đó, các nhà nghiên cứu sẽ phân tích sự thay đổi của dải O-H. Một cách tiếp cận phổ biến là tính toán diện tích hoặc cường độ của một vùng phổ cụ thể hoặc tỷ lệ cường độ giữa hai vùng khác nhau. Ví dụ, trong khóa luận của Trần Ngọc Quyền, diện tích của toàn bộ dải phổ O-H được tính toán và chuẩn hóa so với diện tích của nước tinh khiết. Tỷ lệ này sau đó được sử dụng để xây dựng một đường chuẩn nồng độ. Bằng cách khớp dữ liệu thực nghiệm với một hàm toán học (ví dụ, hàm đa thức bậc hai), có thể tạo ra một phương trình cho phép dự đoán nồng độ của một mẫu chưa biết dựa trên phổ Raman đo được của nó.

IV. Hướng dẫn quy trình đo và xử lý phổ Raman dung dịch NaCl

Để thực hiện phân tích NaCl trong dung dịch bằng phổ Raman một cách hiệu quả, việc tuân thủ một quy trình thực nghiệm chuẩn hóa là cực kỳ quan trọng. Quy trình này bao gồm ba giai đoạn chính: chuẩn bị mẫu và thiết lập hệ thống, thu nhận phổ và xử lý dữ liệu. Đầu tiên, cần chuẩn bị một loạt các dung dịch NaCl chuẩn với nồng độ chính xác để xây dựng đường chuẩn. Hệ thống máy quang phổ Raman cần được hiệu chuẩn bước sóng, thường sử dụng đèn hơi thủy ngân, để đảm bảo độ chính xác. Trong nghiên cứu của Trần Ngọc Quyền (2024), một laser bán dẫn bước sóng 532 nm đã được sử dụng. Các thông số đo như thời gian tích lũy (Integration Time) và số lần lấy trung bình (Averages) cần được tối ưu hóa để thu được tín hiệu Raman đủ mạnh và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) cao. Giai đoạn thu nhận phổ bao gồm việc đo phổ của cuvet rỗng (để trừ nền), phổ của nước cất (làm mẫu tham chiếu), và phổ của các dung dịch NaCl. Cuối cùng, dữ liệu thô được xử lý bằng phần mềm chuyên dụng. Các bước xử lý bao gồm trừ nền, hiệu chỉnh cường độ và quan trọng nhất là tính toán diện tích hoặc cường độ của vùng phổ O-H. Kết quả sau đó được sử dụng để xây dựng đường chuẩn nồng độ và xác định nồng độ của các mẫu chưa biết.

4.1. Thiết lập hệ đo và tối ưu hóa các thông số thực nghiệm

Một hệ đo phổ Raman cơ bản bao gồm bốn thành phần chính: nguồn laser kích thích, hệ thống dẫn quang và lọc, buồng chứa mẫu, và một quang phổ kế với đầu dò CCD. Việc lựa chọn laser có bước sóng phù hợp là rất quan trọng; laser 532 nm (màu xanh lá) cho tín hiệu Raman mạnh nhưng dễ gây huỳnh quang, trong khi laser 785 nm (cận hồng ngoại) giảm huỳnh quang nhưng tín hiệu yếu hơn. Các thông số như công suất laser, thời gian tích lũy và số lần quét trung bình cần được tối ưu. Thời gian tích lũy dài hơn và số lần trung bình nhiều hơn sẽ cải thiện chất lượng phổ nhưng cũng kéo dài thời gian đo. Trong nghiên cứu được đề cập, cấu hình đo Integration Time: 5000 ms và Averages: 12 đã được chọn để đảm bảo sự ổn định của phổ thu được. Việc duy trì các điều kiện môi trường như nhiệt độ phòng ổn định cũng rất cần thiết để đảm bảo tính lặp lại của kết quả.

4.2. Xây dựng đường chuẩn từ diện tích đỉnh phổ Raman

Đây là bước cốt lõi của quá trình phân tích định lượng. Sau khi thu thập và xử lý sơ bộ các phổ từ những dung dịch có nồng độ đã biết, cần phải tính toán một đại lượng đặc trưng thay đổi theo nồng độ. Khóa luận của Trần Ngọc Quyền đã sử dụng diện tích của toàn bộ đỉnh phổ O-H. Diện tích này được tính toán bằng phần mềm chuyên dụng như Colegram, sử dụng các hàm toán học (ví dụ hàm Gaussian) để khớp với hình dạng đỉnh phổ. Để đơn giản hóa và tăng độ tin cậy, tỉ số R được định nghĩa là tỷ lệ giữa diện tích đỉnh của dung dịch (Ns) và diện tích đỉnh của nước tinh khiết (Nw). Sau đó, một đồ thị được xây dựng với trục tung là tỉ số R và trục hoành là nồng độ C (%). Dữ liệu này được khớp với một phương trình toán học, ví dụ phương trình đa thức bậc hai: R = aC² + bC + c. Phương trình này chính là đường chuẩn nồng độ, công cụ để suy ra nồng độ của mẫu lạ từ giá trị R đo được.

V. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng phân tích nước biển

Việc ứng dụng hệ phổ kế Raman để xác định hàm lượng muối trong dung dịch đã mang lại những kết quả ban đầu đầy hứa hẹn, mặc dù vẫn còn những hạn chế cần khắc phục. Trong khóa luận của Trần Ngọc Quyền (2024), một đường chuẩn của NaCl đã được thiết lập thành công dựa trên phương trình đa thức bậc hai, với hệ số tương quan R² đạt 0.9. Phương trình này có dạng R = 42,479 x C² + 9,2821 x C + 1,0399, cho thấy mối quan hệ phi tuyến giữa tỉ số diện tích đỉnh phổ R và nồng độ phần trăm C. Tuy nhiên, khi sử dụng đường chuẩn này để dự đoán nồng độ của các mẫu thử, kết quả cho thấy sai số còn khá lớn. Ví dụ, một mẫu có nồng độ thực 16% được dự đoán là 12.1%, sai lệch khoảng 3.9%. Nguyên nhân của sai số này có thể đến từ nhiều yếu tố như sự chưa ổn định của hệ đo, phương pháp phân tích đỉnh phổ còn đơn giản (chỉ dùng một hàm Gauss cho một dải phức hợp), và chất lượng của cuvet. Mặc dù vậy, nghiên cứu này đã chứng minh tính khả thi của phương pháp. Với những cải tiến trong tương lai, kỹ thuật này có tiềm năng lớn trong các ứng dụng thực tiễn, đặc biệt là trong việc phân tích nước biển và giám sát độ mặn của các nguồn nước một cách nhanh chóng và tại hiện trường.

5.1. So sánh nồng độ thực tế và nồng độ dự đoán từ đường chuẩn

Bảng so sánh kết quả giữa nồng độ thực tế và nồng độ dự đoán từ đường chuẩn là thước đo quan trọng nhất để đánh giá độ chính xác của phương pháp phân tích định lượng. Dữ liệu từ khóa luận cho thấy sự chênh lệch đáng kể giữa hai giá trị này. Sai số cao có thể xuất phát từ việc mô hình đường chuẩn chưa thực sự tối ưu. Dải O-H của nước là sự chồng chập của ít nhất năm thành phần khác nhau, do đó việc sử dụng diện tích tổng hợp từ một đỉnh Gauss duy nhất có thể bỏ qua những thông tin chi tiết và dẫn đến sai số. Một phương pháp phân tích đa đỉnh (multi-peak fitting) có thể sẽ mang lại kết quả chính xác hơn bằng cách mô tả đúng hơn sự thay đổi của từng thành phần trong dải phổ khi nồng độ NaCl thay đổi. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn phương pháp xử lý dữ liệu phù hợp với bản chất vật lý của hệ thống.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong phân tích môi trường và y tế

Bất chấp những thách thức ban đầu, phương pháp phân tích NaCl bằng phổ Raman có tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Trong lĩnh vực môi trường, nó có thể được sử dụng để giám sát nhanh độ mặn của nước sông, cửa sông hoặc phân tích nước biển, giúp đánh giá sự xâm nhập mặn hoặc các thay đổi sinh thái. Trong y tế, kỹ thuật này có thể dùng để kiểm tra nhanh nồng độ của nước muối sinh lý (dung dịch NaCl 0.9%) hoặc các dung dịch đệm khác, đảm bảo chất lượng và an toàn cho người sử dụng. Hơn nữa, với sự phát triển của các kỹ thuật tiên tiến như SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering), hay còn gọi là phổ Raman tăng cường bề mặt, độ nhạy của phương pháp có thể được khuếch đại lên hàng triệu lần. Điều này sẽ cho phép xác định các ion ở nồng độ rất thấp, mở ra khả năng đạt được giới hạn phát hiện (LOD) cực kỳ thấp và mở rộng phạm vi ứng dụng của kỹ thuật này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYET CUA PHƯƠNG PHÁP PHAN TÍCH PHO K MAI G6061200161011010010110000900120046616127164)1161320110251031020351))49)026)912232123163)63093953306 12 1.1 Cơ sở lý thuyết của tán xạ Ñaman.Sơ lược lịch sử về tán xạ Rann ait ccsocssocssceessesssesscsesovesesssessenssoevevenses 12 1.1:21T:ÿ BHinyEt cỗ GAB cnoeccecsteecoobititbeettttiict000012020020212056102206602622660562220266766 12 1,1.31Lý th§YfÌNQHR LỄ kqagaiginioiioioiiiiiiotiiidiiiiiiiioiadtsoia 14 eae CV 8 con cccrEEEEtiELE00G0L0GD G0itmnEEionnieet l§ WS. BG phố MS WR nA BID ssenessuosnoieionoitoitiiotctoit0100100011000000031001146003818360188 16 1:4. Ứng đụng cña tín xạ RAIMDAND ssssccssssssssanccssnessasnsnssscestovassssnscsonesssncassssonssees 17 1. Ảnh hưởng của NaCl đến cấu trúc của nước .---ss-ss-sss 18 1.

Hiện tượng huỳnh quang trong phd Raman. BO TRÍ THỰC NGHIEM VÀ XỬ LÝ SO LIỆU. Dụng cụ thí nghiỆn. con TH HH nà ngu ghe 21 5:7.

Tiên NÀNhD ga ngiesntiin20040010203606015100G13668644004405330140146308633642000G5 25 4 4 gi^ 2. LAY SO lIỆU. co So HH HT HH nọ HH HH 0 T9 0010080080800 869 27 + we Á pen 2.4 XU lý SO lệU. gọt 00 900 000100081896 32 CHƯƠNG 3.

UNG DUNG HE PHO KE RAMAN ĐỀ XÁC ĐỊNH HAM LƯỢNG MUỎI TRONG MOT SO DUNG DỊCH. Kết quả đo hàm lượng muối trong dung dịch .iKếtls§n và KiếN R6 cu eeeeeinniiirriritiotnorntoooiotiottorEtsomausnl 41 TAILEDTHAM KH“ sscssicssscscsscsssasssccssccssesasosascassnsssscsssessnsssosisssssnsisasianssaasees 43 Danh mục viết tắt XRF (X-ray Fluorescence) NAA (Neutron Activation Analysis) AAS (Atomic Absorption Spectrometry) RS (Raman Spectroscopy) DDAA (Double Donor — Double Acceptor) DDA (Double Donor - Single Acceptor) DAA (Single Donor —Double Acceptor) DA (Single Donor ~ Single Acceptor) XAS (X-ray Absorption Spectra) CCD (Charge - Coupled Device) Danh sách hình vẽ Hình 1.1 Tan xạ Rayleigh, Stokes vả đối Stokes.2 Phô Raman của Ethanol Hình 1.3 Phố Raman của Acid Acetic Hình 1.4 Mô phỏng nguyên lí hoạt động của hệ phô kế Raman Hình 1.5 Vùng trải dai OH của phố Raman Hình 2.1 Nguồn laser bán dẫn Hình 2.2 Buòng đo và cuvet Hình 2.3 Cau tạo quang phô kế Hình 2.4 Muỗi NaC! sử dung trong thực nghiệm Hình 2.5 Cân tiêu ly sử dụng trong thực nghiệm Hình 2.6 Máy khuấy từ sử dụng trong thực nghiệm.7 Bồ trí hệ đo thực nghiệm Hình 2.8 Pho đèn hơi thủy ngân được đo bang quang phô kế Hình 2.9 Phô chuẩn của đèn hơi thủy ngân Hình 2.10 Giao diện khởi động của Spectrum Studio.11 Bảng số liệu chuan hóa sau khi nhập xong.12 Giao diện Spectrum Studio của cuvet rỗng Hình 2.13 Giao diện Spectrum Studio của cuvet chứa mẫu vật Hình 2.14 Giao điện của Spectrum Studio sau khi xử lý Hình 2.15 Một số hình ảnh phô thu được ở các cầu hình đo khác nhau (a) Integration Time: 10000 ms, Averages: 3; (b) Integration Time: 12000 ms, Averages: 5; (e] Integration Time: 8000 ms, Averages: 8; Integration Time: 6000 ms, Averages: 10.16 Anh hưởng của nông độ dung dich đến cường độ của đỉnh phô Hình 2.17 Phan đỉnh phô được chọn đẻ tính diện tích Hình 2.18 Hình ảnh phóng to vùng chân của đỉnh phô Hình 2.19 Hình ảnh phóng to phần đỉnh phô được chọn Hình 2.20 Hộp thoại Peaks preference với hàm Gaussian Peak Hình 2.21 Hình ảnh phô sau khi chọn hàm Gaussian Peak Hình 2.22 Hộp thoại Peaks preference với ham Background polynomial Hình 2.23 Hình ảnh phô sau khi chọn ham Background polynomial Hình 2.24 Hộp thoại Peak Information Hình 2.25 Hộp thoại Peak Information với giá trị của điện tích phd Hình 2.26 Phé thực nghiệm của dung dich muối NaC! sau khi xử lý bang Colegram.27 Đường chuân của NaCl Danh sách bảng Bảng 2.1 Dữ liệu giữa thang đo Pixel và bước sóng tương ứng của nguồn chuan Bảng 2.2 Số liệu về diện tích đỉnh phô với nồng độ dung dịch tương ứng Bảng 2.3 Số liệu về diện tích đỉnh phô với nông độ dung dịch tương ứng sau khi lọc Bảng 3.1 So sánh số liệu nòng độ thực và nông độ dự đoán PHAN MỞ DAU 1. L¥ do chon dé tai: Việc xác định hàm lượng các chat tan trong dung dịch đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nguyên liệu đầu vào, quá trình san xuất và kiểm tra sản phẩm cuối cùng của nhiều lĩnh vực khác nhau cũng như là một tiêu chí để đánh giá chất lượng nguồn nước sinh hoạt. Ví dy như mudi sodium chloride (NaCl) là hợp chất ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế.

sức khỏe, sản xuất giấy hay cao su,. Dung dịch NaCl có hàm lượng khoảng 0,9% được dùng làm nước muối sinh lý dé sát khuân vết thương, rửa mũi họng. nêu hàm lượng muỗi trong dung dịch vượt quá hàm lượng cho phép này sẽ gây đau rát, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe [2]. Vì vậy, ham lượng muỗi NaCl cần được xác định chính xác trước khi đưa vào khâu sản xuất dé phù hợp với từng mục dich sử dụng.

Dé xác định hàm lượng các chất trong dung địch, phương pháp truyền thống thường dùng là phương pháp cân bằng hóa học (sử dụng các phản ứng trung hòa. oxi hóa-khử giữa chất cần phân tích với các chất có hàm lượng đã biết). Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi nhiều thời gian dé chuẩn bi, xử lý mau, gây hao hụt một phần mẫu và có thé không an toàn với người thực hiện nếu các mẫu dung dịch có tính độc hại. Do đó, việc phát triên các phương pháp phân tích không tiếp xúc và không hủy mẫu được ưu tiên biện nay dé thay thé cho phương pháp hóa phân tích.

Nhiều phương pháp phân tích không hủy mẫu đã được phát triển trong một số nghiên cứu dé phân tích ham lượng chat tan trong dung dịch như “Huỳnh quang tia X" (X-ray Fluorescence - XRF) [2], “Phan tích kích hoạt neutron” (Neutron Activation Analysis — NAA) [3], “Quang phé hap thụ nguyên tử” (Atomic Absorption Spectrometry - AAS) [4]. “Phan tích phd Raman” (Raman Spectroscopy — RS) [5]. Trong đó, phương pháp phân tích phd Raman có ưu điểm là cau hình bồ tri đơn giản, gọn nhẹ và chi cần lượng mẫu tối thiêu dé phân tích, thời gian đo nhanh và thân thiện môi trường [6]. Chính vì thế mà phương pháp phân tích này đã được ứng dụng rộng rãi trong Vật lý, Hóa học, Y-sinh, Khoa học vật liệu,.Phương pháp này hiện tại chủ yêu được ứng dụng dé xác định cau trúc, hàm lượng các hợp chất hữu cơ, nhưng với việc xác định hàm lượng hoặc phân tích các chất vô cơ như muối còn khá hạn chế.

Do đó, việc phát triển quy trình phân tích các hợp chat vô cơ như mudi dựa trên hệ phô Raman là cần thiết dé tăng tính khả thi, khả năng ứng dụng của phương pháp tại hiện trường. Hiện nay hướng nghiên cứu về các kỹ thuật phân tích không hủy mẫu ở Khoa Vật Ly trường Dai học Sư Phạm TPHCM mới chỉ tập trung dựa trên kỹ thuật đo bức xa trong hạt nhân, việc xây dựng hệ phô kế Raman và ứng dụng hệ phỏ kế này dé xác định hàm lượng các chất trong dung địch sẽ đóng góp thêm một nghiên cứu mới cho lĩnh vực phân tích không hy mau của Khoa. Vi vậy, nghiên cứu này nhim đưa ra một hệ thiết bị đo pho tán xa Raman có độ tin cậy cao phù hop với nhu cau học tập và nghiên cứu trong Trường Đại học Sư phạm Thành phó Hồ Chí Minh, đồng thời đưa ra một vài kết quả phân tích của một số dung dịch đơn giản dựa vào phương pháp phô Raman. Mục đích nghiên cứu: Xây dựng hệ thiết bị đo phô tán xạ Raman và kiểm tra phổ đặc trưng của một số hợp chất thường gặp.

Nhiệm vụ nghiên cứu: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, quy trình phân tích phổ Raman cho các dung dịch sử dụng. Thiết kế và bố trí hệ phân tích phô Raman Sử dụng hệ phô kế Raman dé phan tich ham luong mot số mudi trong dung dich 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng: hệ phô kế Raman, ham lượng một số mudi trong dung dịch. ` ` s: 4 Pham vi: xác định ham lượng một sô muôi thường dùng trong đời sông như NaCl, KCI,.

bằng hệ phô kế Raman Š. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu tài liệu. 10 Phương pháp thực nghiệm. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 6.

Cấu trúc khóa luận: CHUONG I: CƠ SỞ LÝ THUYET CUA PHƯƠNG PHÁP PHAN TÍCH PHO RAMAN CHƯƠNG 2. BÓ TRÍ THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SÓ LIỆU CHƯƠNG 3. UNG DỤNG HỆ PHO KE RAMAN DE XÁC ĐỊNH HAM LƯỢNG MUOI TRONG MOT SO DUNG DỊCH 11 CHUONG 1. CƠ SỞ LÝ THUYET CUA PHUONG PHAP PHAN TICH PHO RAMAN 1.1 Cơ sở lý thuyết của tán xa Raman: 1.

Sơ lược lịch sử về tán xạ Raman: | Raman viết cuén “Nhiéu xạ phân tử ánh sáng” dé trình bảy chỉ tiết 1922 cách năng lượng có thê được truyền giữa lượng tử ánh sáng và phân tử. [7] Ramanathan phát hiện các tia tan xạ mau xanh lục khi cho ánh sáng Mặt trời (được lọc qua một tắm thủy tinh mau tím) đi qua chất lỏng. Krishnan đã quan sat thay hiện tượng tương tự trong khi nghiên cứu sự tán xạ ánh sáng trong 65 chất lỏng được tinh chế can thận khác nhau. [7] Raman vả Krishnan đã phát ra hiện ra hiệu ứng Raman trong chât long.

[7] Grigory Landsberg va Leonid Mandelstam phat hiện hiệu ứng Raman trong tinh thé.2 Lý thuyết cô điển: Khi phân tử được đặt trong điện trường (chùm laser), nõ sẽ bị biến đạng đo hạt nhân tích điện dương bị hút về phía cực âm và các điện tử mang điện âm bị hút về phía cực đương. Khi đó phân tử bj phan cực va tạo thành một momen lưỡng cực cam ứng P =ị il R tị (11) a: hệ số phân cực của phân tử Dac biệt, đối với những phân tử hoàn toàn đối xứng có cùng nguyên tử cũng sẽ bị phân cực. Cường độ điện trường E của sóng điện từ (chùm laser) dao động theo thời gian có đạng: E = Encos2rrvạt (1.2) Trong đó: E, là biên độ dao động và vp là tần số laser Khi đó: P = œE = aE,cos2nvot (1.3) Nếu phân tử dao động với tan số v, thì sự dich chuyên q của hạt nhân có dang: q = qạc0s27rv,t (1.4) Trong đó: qạ là biên độ đao động. Với biên độ dao động nhỏ, œ là hàm tuyến tính theo q Œ = ứạ + E2 q+.5) — P = aEycos2nvot = AyEgcos2nvgt + (5,) qEscos27vạt a q P = @yEqgcos2mvgt + (50) qoEs€0S2Trv„t.

cos2mvyt a a 1/8 P = aaEacos2nrvạt + 3(5,) đạEoe[cos27f(vạ — v„)t + cos27r(0ạ + vy)t} 0 Số hạng thứ nhất mô ta sự dao động của chính tan số ánh sáng vp, được gọi là tán xạ Rayleigh. Số hạng thứ hai tương ứng cho tán xạ Raman; vạch Stokes có tan số (vp — vy) và đối Stokes có tần số (Vp + vy). 13 Ngoài ra, ta có thẻ thấy, để tán xạ Raman xảy ra: 6) +0 Nghĩa là độ phân cực của phân tử phải thay đôi trong quá trình rung động.3 Lý thuyết lượng tử: Hiệu ứng Raman là sự thay đôi tần số của ánh sáng tán xạ khi chiều photon vào các phân tử. Các nguyên tử kết hợp với nhau và tạo thành phân tử, chúng liên kết với nhau thành các liên kết hóa học.