Luận văn thạc sĩ về chế tạo thiết bị đo quang vùng VIS sử dụng tổ hợp cách từ và camera CMOS

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu chế tạo thiết bị đo quang vùng vis sử dụng tổ hợp cách từ đặc biệt và cmos camera làm, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Bùi Anh Thư
• Người hướng dẫn: GS. Alexandder Scheeline
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Đo Quang Vùng VIS Sử Dụng Tổ Hợp Cách Tử Đặc Biệt Và CMOS Camera Làm Detector
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết bị đo quang

Thiết bị đo quang là công cụ quan trọng trong việc phân tích các thông số hóa học tại hiện trường. Trong bối cảnh hiện nay, nhu cầu sử dụng các thiết bị này ngày càng tăng cao, đặc biệt là trong các phòng thí nghiệm nhỏ và các cơ sở sản xuất. Việc chế tạo thiết bị đo quang vùng VIS sử dụng tổ hợp cách tử và camera CMOS làm detector đã mở ra một hướng đi mới cho việc phân tích nhanh và hiệu quả. Các thiết bị đo quang hiện tại chủ yếu sử dụng các nguồn sáng như đèn Vonfram, laser, và diode phát quang (LED), mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn nguồn sáng phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác và độ nhạy của thiết bị. Theo nghiên cứu, việc sử dụng camera CMOS trong thiết bị đo quang không chỉ giúp giảm chi phí mà còn tăng tính linh hoạt trong việc phân tích.

1.1. Các thiết bị đo quang tại hiện trường

Hiện trạng phân tích môi trường tại Việt Nam chủ yếu dựa vào các thiết bị đo đơn chỉ tiêu như pH, độ dẫn, và độ đục. Tuy nhiên, để đáp ứng nhu cầu phân tích đa dạng hơn, việc phát triển các thiết bị đo quang đa chỉ tiêu là cần thiết. Các thiết bị này thường sử dụng công nghệ quang học tiên tiến, cho phép phân tích nhanh và chính xác nhiều thông số hóa học khác nhau. Việc chế tạo thiết bị đo quang cầm tay với giá thành hợp lý sẽ giúp các cơ sở phân tích có thể chủ động hơn trong việc kiểm tra chất lượng nước và các mẫu khác.

1.2. Các phương pháp định lượng nhanh thông số hóa học

Để đáp ứng nhu cầu phân tích nhanh tại hiện trường, có ba phương pháp chính được sử dụng: chế tạo kit thử, thiết bị đo quang online, và thiết bị đo quang cầm tay. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Kit thử thường không cho phép định lượng chính xác, trong khi thiết bị đo quang online thường có giá thành cao và không phù hợp cho các phép phân tích riêng biệt. Do đó, việc phát triển thiết bị đo quang cầm tay với khả năng phân tích nhanh và chính xác là rất cần thiết.

II. Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo quang

Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo quang vùng VIS sử dụng tổ hợp cách tử đặc biệt và camera CMOS làm detector đã được thực hiện với nhiều bước nghiên cứu và thử nghiệm. Việc lựa chọn nguồn sáng, cách tử, và detector là những yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất của thiết bị. Tổ hợp cách tử đặc biệt cho phép sử dụng camera CMOS như một detector thay thế cho các đầu đọc CCD đắt tiền, từ đó giảm chi phí sản xuất thiết bị. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng cảm biến quang trong thiết bị đo quang có thể cải thiện đáng kể độ nhạy và độ chính xác của phép đo.

2.1. Nghiên cứu lựa chọn nguồn sáng

Việc lựa chọn nguồn sáng là một trong những bước quan trọng trong quá trình chế tạo thiết bị đo quang. Nguồn sáng cần phải đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho phép đo và phù hợp với dải bước sóng cần phân tích. Nghiên cứu cho thấy rằng nguồn sáng Vonfram và LED là những lựa chọn phổ biến, tuy nhiên, việc sử dụng laser có thể mang lại độ chính xác cao hơn trong một số ứng dụng cụ thể.

2.2. Nghiên cứu lựa chọn cách tử và chế tạo tổ hợp cách tử

Cách tử là thành phần quan trọng trong thiết bị đo quang, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phân tích của thiết bị. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng tổ hợp cách tử nhựa có thể cải thiện đáng kể khả năng tán xạ ánh sáng, từ đó nâng cao độ nhạy của thiết bị. Việc chế tạo tổ hợp cách tử đặc biệt cho phép tối ưu hóa quá trình phân tích và giảm thiểu chi phí sản xuất.

III. Ứng dụng và đánh giá thiết bị

Thiết bị đo quang chế tạo từ nghiên cứu này có thể được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như phân tích môi trường, kiểm tra chất lượng nước, và nghiên cứu khoa học. Việc sử dụng phần mềm Spectroburst để xử lý tín hiệu hình ảnh giúp nâng cao khả năng phân tích và đưa ra kết quả nhanh chóng. Đánh giá thực tế cho thấy thiết bị có độ chính xác cao trong việc phân tích các chỉ tiêu như nitrit và amoni, đáp ứng được nhu cầu thực tiễn của người sử dụng.

3.1. Đánh giá đặc tính thiết bị đo

Đặc tính của thiết bị đo quang được đánh giá thông qua các phép thử thực tế. Kết quả cho thấy thiết bị có khả năng phân tích nhanh và chính xác các chỉ tiêu hóa học, đặc biệt là trong các mẫu nước. Độ lặp lại và độ chính xác của thiết bị được kiểm chứng qua nhiều lần đo, cho thấy tính ổn định và độ tin cậy cao.

3.2. Ứng dụng trong thực tiễn

Thiết bị đo quang cầm tay có thể được sử dụng trong nhiều tình huống khác nhau, từ các phòng thí nghiệm nhỏ đến các cơ sở sản xuất. Việc sử dụng thiết bị này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm chi phí phân tích. Nhu cầu sử dụng thiết bị đo quang cầm tay trong các cơ sở phân tích đang ngày càng tăng cao, cho thấy giá trị thực tiễn của nghiên cứu này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Hiện nay, trên thế giới, thị trường các thiết bị phân tích quang gọn nhẹ, dành cho nhu cầu phân tích của các phòng thí nghiệm nhỏ, các trường học hay nhu cầu phân tích kiểm tra sản phẩm của các cơ sở sản xuất nhỏ hoặc thiết bị phân tích hiện trường có khả năng quan trắc nhiều chỉ tiêu đang phát triển chóng mặt nhưng vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu bởi giá thành còn cao. Bên cạnh đó, hầu hết các thiết bị quang được xây dựng theo sơ đồ nguyên tắc chung của máy đo quang thông thường nên vẫn còn nhược điểm khi sử dụng để phân tích nhanh tại hiện trường do hạn chế về nguồn sáng và detector xử lý tín hiệu đo. Ngoài ra còn do yêu cầu nghiêm ngặt về điều kiện sử dụng đối với detector và các bản mạch điện tử, nên giá thành chưa thể giảm. Đối với tổ chức và các cá nhân, nhu cầu kiểm định chất lượng các thông số hóa học trong các đối tượng phân tích nói chung và trong mẫu nước nói riêng đòi hỏi nhiều công đoạn từ lấy mẫu, bảo quản mẫu và phân tích, chờ kết quả phân tích.

rất mất thời gian và chi phí cao, đặc biệt là những nơi không thể đầu tư phòng thí nghiệm hiện đại. Do vậy, việc có một thiết bị phân tích cầm tay, xác định được nhiều chỉ tiêu với giá thành hợp lý, không đòi hỏi vận hành bởi kỹ thuật viên có tay nghề cao chắc chắn là một nhu cầu lớn đối với thị trường còn bỏ ngỏ này. Với sáng kiến ghép các cách tử nhựa trong thành tổ hợp tán xạ, chúng tôi đã nhận được giải thưởng sáng tạo khoa học do Hiệp hội Hóa phân tích và Quang phổ Mỹ trao tặng tháng 10/2013. Trong nghiên cứu đó, đã nêu rõ sự phổ biến của các CMOS camera trong các thiết bị hàng ngày như điện thoại, máy tính bảng v.

cũng như việc không thể sử dụng chúng cho mục đích khoa học mà cụ thể ở đây là phân tích quang phổ khi đi kèm với các quang hệ có trong hầu hết các thiết bị quang trắc. Tổ hợp cách tử đặc biệt đã cho phép sử dụng CMOS camera như một detector thay thế cho các đầu đọc CCD đắt tiền trong các máy phân tích quang [21]. Như vậy, một thị trường các thiết bị đo quang giá rẻ chưa tồn tại trước đây đã mở ra và Trang 1 Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư nhu cầu kết hợp quang hệ đặc biệt với detector thông dụng để đưa các máy đo quang ra khỏi phòng thí nghiệm và đi vào cuộc sống hàng ngày là lớn hơn bao giờ hết. Vì vậy, để đưa thiết bị quang trắc này tới hiện trường, các phòng thí nghiệm nhỏ và nhà trường, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo quang vùng VIS sử dụng tổ hợp cách từ đặc biệt và CMOS camera làm detector”.

Trong đề tài nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng CMOS, một loại camera thường chỉ được dùng trong công nghệ giải trí vào việc định lượng các chất nhờ sử dụng tổ hợp cách tử đặc biệt thông qua phần chuyển đổi tín hiệu quang phổ thu được thành đại lượng phổ biến trong máy đo quang hiện nay giúp có thể chế tạo được thiết bị đo quang vùng VIS giá thành rẻ, nhỏ gọn và chủ động được công việc. Trang 2 Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các thiết bị đo quang tại hiện trƣờng 1.1 Giới thiệu một số thiết bị đo hiện trƣờng tại Việt Nam Hiện trạng phân tích quan trắc môi trường tại Việt Nam chủ yếu là các thiết bị đo đơn chỉ tiêu như thiết bị đo pH/ORP bằng phương pháp đo điện cực chọn lọc ion, thiết bị đo tổng chất rắn hòa tan hay độ dẫn TDS/EC bằng phương pháp đo điện cực, đo độ đục bằng phương pháp quang học và đo oxy hòa tan DO chủ yếu dùng sensor điện hóa. Hiện nay có rất nhiều thiết bị đo đa chỉ tiêu, thuận lợi cho quan trắc hiện trường với đặc tính gọn nhẹ, dễ sử dụng, sử dụng công nghệ tiên tiến (công nghệ quang học) của các Hãng: Hach, Horiba, YSI…Một số thiết bị tích hợp hệ thống tự làm sạch bằng cần gạt Hình 1.1: Thiết bị đo đơn chỉ tiêu (pH, độ dẫn, độ đục, DO) Hình 1.2: Thiết bị đo đa chỉ tiêu tại hiện trường Ta thấy rằng, các thiết bị đo hiện trường dù là đơn chỉ tiêu hay đa chỉ tiêu chủ yếu là pH, độ dẫn, độ đục, nhiệt độ và oxy hòa tan sử dụng các điện cực tương Trang 1 Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư ứng. Để phát triển mở rộng các chỉ tiêu có thể phân tích được tại hiện trường thì xu hướng chung của thế giới là nghiên cứu lựa chọn các phương pháp quang học, chế tạo các thiết bị đo quang nhỏ gọn để có thể tiến hành phân tích tại hiện trường.2 Các phƣơng pháp định lƣợng nhanh thông số hóa học tại hiện trƣờng.

Để đáp ứng nhu cầu phân tích nhanh các thông số hóa học tại hiện trường, có ba phương pháp phổ biến nhất hiện nay là: - Chế tạo các kit thử nhỏ gọn trên cơ sở các phương pháp trắc quang từ các thuốc thử pha chế sẵn. Trên thị trường đã có rất nhiều hãng đưa ra sản phẩm thương mại loại này để xác định nhanh các dạng nitơ trong các đối tượng khác nhau. Tuy nhiên, vì là sản phẩm thương mại nên nhà sản xuất đều không công bố thành phần của các gói kit thử cũng như nguyên tắc của phép thử là gì. Mặt khác, phép phân tích sử dụng đơn thuần kit thử chỉ cho phép định tính hoặc bán định lượng các chất chứ không thể xác định lượng vết.

Nếu muốn định lượng, người dùng pahir mua các kit thử bán kèm theo thiết bị đo quang cầm tay với giá thành đắt. - Chế tạo các thiết bị đo quang có khả năng đo online, tích hợp việc phân tích rất nhiều các chỉ tiêu khác nhau trong nước. Nguyên lý của phương pháp này chủ yếu dựa trên việc đo phổ hấp thụ quang vùng UV sau đó phân tích giải phổ đo được để tính ra đồng thời các chỉ tiêu như COD, DO, TSS, amoni, nitrat. Một số sản phẩm thương mại đã được dùng phổ biến để quan trắc online tại các dòng sông, các bể xử lý nước thải của các hãng khác nhau.

Tuy nhiên, các thiết bị phân tích này rất đắt, (thường có giá thành từ vài nghìn đô đến vài chục nghìn đô) và không cần thiết cho việc phân tích chọn lọc các chỉ tiêu hoặc các mẫu phân tích kiểm nghiệm sản phẩm cũng như độ nhạy không cao khi phân tích các chỉ tiêu amoni, nitrat, nitrit vì hệ số hấp thụ mol phân tử của chất hấp thụ ánh sáng vùng UV thấp, nên khó có thể sử dụng cho các phép phân tích riêng biệt. Trang 2 Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư - Chế tạo các thiết bị đo quang (spectrophotometer) hoặc đo màu (colorimeter) gọn nhẹ và cơ động cho các thông số đo cụ thể. Các thiết bị này chủ yếu của các hãng nước ngoài sản xuất như Hach với thiết bị DR 2700, DR 2800 và HANNA với các thiết bị có ký hiệu HI 96101- HI 96752, .chủ yếu sử dụng detector nhân quang điện, có hạn chế là khó hiệu chỉnh theo điều kiện khi phân tích hiện trường ở Việt Nam hoặc nền mẫu phức tạp, không có điều kiện bảo trì, bảo dưỡng và luôn gắn liền với các kit thử đặt mua nên rất phức tạp khi kit thử hết và giá phân tích cao. Mặt khác quan trọng nhất là thiết bị này không cho phép đo các thông số khác ngoài thông số trên máy đo do các bước sóng cài đặt là cố định cho mỗi chất phân tích.3 là hình ảnh minh họa thiết bị đo đo quang cầm tay để phân tích đặc hiệu một số chỉ tiêu chất lượng nước của hãng HANNA, dữ liệu thuộc catalog online của HANNA tháng 4/2015.4 là hình ảnh thiết bị đo quang cầm tay của các hãng khác.

HI 96710 Free and Total Chlorine and pH Portable Photometer Thiết bịđo quang xácđịnh clorin và pH - Khoảng xác định xác định pH từ 6.5 Chlorin tự do từ 0.00 mg/L Chlorin tổng từ 0.00 mg/L - Độ phân giải 0.1 pH, Chlorin là 0.50 mg/L Chlorine Và0.10 mg/L khi hàm lượng lớn hơn 3.50 mg/L Chlorine Độ chính xác củapH là ±0.1 pH ở 25°C, Chlorine tự do là ±0.03 mg/L ±3% ở 25°C và Chlorin tổng ±0. Phương pháp xác định PH là phương pháp đo màu với chỉ thị phenol đỏ và phương pháp xác định chlorin theo phương pháp USEPA và phương pháp tiêu chuẩn 4500-Cl G. Nguồn sáng là đèn Tungsten, Pin 9V. Trang 3 Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư HI 96745 Chlorine, Total Hardness, Iron LR and pH Portable Photometer Thiết bị đo quang hiện trường xác định Chlorin, tổng độ cứng, Fe và pH Khoảng xác định pH từ 6.5 Chlorin tự do từ 0.00 mg/L, chlorin tổng từ 0.00 mg/L Độ cứng Mg từ 0.00 mg/L, độ cứng Ca từ 0.70 mg/L tổng độ cứng từ 0.70 mg/L Fe từ 0.60 mg/L Độ phân giải 0.1 pH Độ chính xác của pH ±0.1 pH ở 25°C, của Cl2 là±0.03 mg/L ±3% ở 25°C, của clorin tổng là ±0.03 mg/L ±3% ở 25°C Nguồn sáng là đèn Tungsten, pin 9V, nhiệt độ đo được từ 0 – 500C Hình 1.3: Các thiết bị đo quang cầm tay của hãng HANNA bán kèm với kit thử (từ 160 USD đến 1500 USD).

Thiết bị đo quang cầm tay DR2800 của Thiết bị đo quang cầm tay của hãng hãng HACH, dùng pin. (DR 2800™ Color HQ. (X- Rite SP60 Portable Portable Spectrophotometer with Sphere Based Spectrophotometer. Lithium-Ion Battery.530) Trang 4 Luận văn Thạc Sĩ Bùi Anh Thư Thiết bị đo quang cầm tay Lovibond® RT 500 Portable CM2500d/2600d Portable Sphere Spectrophotometer.4: Thiết bị đo quang cầm tay các hãng khác Máy quang phổ DR 2800 có thể sử dụng ngoài hiện trường hoặc trong phòng thí nghiệm ngay cả khi không có sẵn nguồn nhờ có pin làm nguồn phụ.

Đây là máy phân tích có thể phân tích được nhiều chỉ tiêu môi trường, đã được cài đặt sẵn 240 phương pháp phân tích với màn hình cảm ứng giao diện sử dụng trực quan, có cổng USB nên rất thuận tiện cho việc cập nhật phần mềm và kết nối với các thiết bị ngoài như PC/máy in. Tự động nhận diện chương trình phân tích khi sử dụng test với ống TNTplus có mã vạch, máy nhỏ gọn, có thể đo mở, không cần đóng nắp đậy buồng đo, Hoạt động bằng pin Lithium hoặc nguồn AC. Có thể sử dụng với bộ Pour-Thru Cell khi cần phân tích lượng mẫu lớn hoặc đo dạng vết.