I. Tổng quan về cảm biến quang học
Cảm biến quang học là thiết bị chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, được sử dụng rộng rãi trong hóa phân tích và vật lý. Thiết bị này gồm ba bộ phận chính: bộ phận nhận biết, bộ phận chuyển đổi tín hiệu và bộ phận thu nhận và xử lý tín hiệu. Cảm biến quang học nổi bật với ưu điểm cho kết quả nhanh, chính xác và không phá hủy mẫu. Các ứng dụng phổ biến bao gồm đo phổ huỳnh quang, phổ tán xạ Raman và đo độ màu.
1.1 Bộ phận nhận biết
Bộ phận nhận biết tương tác với đối tượng cần nhận biết để tạo ra tín hiệu quang đặc trưng. Trong cảm biến quang học, bộ phận này thường là nguồn sáng kích thích mẫu, tạo ra ánh sáng huỳnh quang hoặc ánh sáng trong vùng hấp thụ của mẫu.
1.2 Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
Bộ phận này chuyển đổi ánh sáng đa sắc thành ánh sáng đơn sắc. Nó thường bao gồm các linh kiện quang học như lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ, giúp phân tách ánh sáng thành các bước sóng cụ thể.
1.3 Bộ phận thu nhận và xử lý tín hiệu
Bộ phận này thu nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Các linh kiện phổ biến bao gồm ống nhân quang điện (PMT), photodiode, CCD và CMOS. Ống nhân quang điện đặc biệt nhạy với ánh sáng yếu, có khả năng nhận biết từng photon riêng lẻ.
II. Thiết kế và chế tạo cảm biến quang học sử dụng smartphone
Luận văn tập trung vào thiết kế và chế tạo cảm biến quang học sử dụng smartphone để xác định nồng độ các chất hữu cơ độc hại trong nước. Thiết bị sử dụng cách tử nhiễu xạ từ DVD và khung làm từ vật liệu Polylactic Acids (PLA) in 3D. Cảm biến quang học smartphone có băng thông 300nm (400nm-700nm) và độ phân giải 0,168 nm/pixel, cho phép đo nhiều mẫu trong một phép đo.
2.1 Nguyên lý hoạt động
Thiết bị sử dụng nguồn sáng ngoài (LED, Laser) chiếu vào mẫu. Ánh sáng tương tác với mẫu được tán xạ qua hệ thống thấu kính và cách tử, sau đó chiếu tới cảm biến hình ảnh CMOS của smartphone. CMOS đóng vai trò như đầu dò, xử lý tín hiệu quang học với độ tin cậy cao.
2.2 Thiết kế và chế tạo
Thiết bị được thiết kế đơn giản, sử dụng cách tử nhiễu xạ từ DVD và khung in 3D từ PLA. Cảm biến quang học smartphone được chuẩn hóa và thử nghiệm với các chất hữu cơ độc hại như Rhodamine B, Methyl Violet, Methyl Orange và Coumarin.
III. Ứng dụng và kết quả thử nghiệm
Thiết bị được thử nghiệm trong việc xác định nồng độ các chất hữu cơ độc hại. Kết quả đo phổ hấp thụ và huỳnh quang được so sánh với thiết bị đo trong phòng thí nghiệm để đánh giá độ chính xác. Cảm biến quang học smartphone cho kết quả tương đương với thiết bị chuyên dụng, chứng minh tiềm năng ứng dụng trong thực tế.
3.1 Kết quả đo phổ hấp thụ
Thiết bị đo phổ hấp thụ của các chất như Methyl Orange, Methyl Violet và Rhodamine B. Kết quả cho thấy độ chính xác cao khi so sánh với thiết bị Avantes, đặc biệt ở bước sóng 463nm, 569nm và 563nm.
3.2 Kết quả đo phổ huỳnh quang
Thiết bị cũng được thử nghiệm với phổ huỳnh quang của Coumarin. Kết quả đo tại bước sóng 526nm cho thấy độ tin cậy cao, phù hợp với ứng dụng trong phân tích hóa học.
IV. Kết luận và đánh giá
Luận văn đã thiết kế và chế tạo thành công cảm biến quang học smartphone với độ chính xác cao. Thiết bị có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong việc xác định nồng độ các chất hữu cơ độc hại trong nước. Cảm biến quang học hiện đại này không chỉ nhỏ gọn, dễ sử dụng mà còn có giá thành thấp, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.
