Diễn đàn Thế Giới Hoá Học - View Single Post

**F91** · 08-05-2008

3. Đầu dò quang học

Đầu dò quang học lần đầu tiên được công bố vào năm 1975, hiện nay là một trong những hướng phát triển rất mạnh. Các đầu dò này phát hiện khí nhờ các thông số quang học (bước sóng hấp thu, cường độ sáng …) do đó tránh được hiện tượng nhiễu của tín hiệu điện. Thiết bị có cấu tạo đơn giản, nhỏ, nhẹ và dễ dàng được tự động hóa.

a. Cấu tạo chung của các loại đầu dò quang học

Các đầu dò quang học đều sử dụng sợi quang học (optical fibre) để có thể dẫn ánh sáng mà không hao phí nhiều năng lượng. Thông thường người ta sử dụng hai sợi: một để dẫn ánh sáng từ nguồn sáng tới bộ phận cảm biến, và sợi thứ hai để dẫn ngược ánh sáng về detector. Trong các hệ thống cảm biến đa cấp, những bó sợi được sử dụng để dẫn ánh sáng đi xa hơn.

Để cải thiện độ chọn lọc của đầu dò, một lớp cảm quang trung gian (sensing mediator) thường được cố định ở đầu cảm biến của sợi quang học. Lớp cảm quang này sẽ phản ứng chọn lọc với mẫu cần phân tích và cho tín hiệu quang.

b. Nguyên tắc hoạt động

Thường được sử dụng nhiều nhất là các đầu dò hoạt động trên nguyên tắc hấp thu, phát quang, phản xạ, tán xạ Raman …

• Đầu dò hấp thu
Hàm lượng chất cần phân tích liên quan đến độ hấp thu theo định luật Lambert – Beer:
A = εlC ε hệ số hấp thu mol phân tử
l quang lộ

Các chất phân tích thường phải có ε rất lớn để tăng LoD và độ nhạy. Ngoài ra độ nhạy càng lớn khi tăng chiều dài mẫu l.
Thiết kế đầu dò hấp thu có những nét tương đồng so với các máy trắc quang. Mẫu được đưa theo dòng vào bên trong, bộ cảm biến được lắp bên cạnh. Ánh sáng truyền qua mẫu sẽ bị giảm cường độ tùy vào nồng độ khí trong mẫu, sự thay đổi này sẽ được detector ghi nhận.

• Đầu dò phát quang
Các đầu dò loại này theo dõi năng lượng trạng thái kích thích của các phân tử. Trạng thái này có thể đạt được nhờ sự kích thích của photon (hiện tượng huỳnh quang và lân quang) hoặc của phản ứng hóa học (chemiluminescene). Do sự hiện diện sẵn có của rất nhiều chất cảm quang phản ứng với ánh sáng UV-Vis nên số lượng các đầu dò hoạt động theo phương pháp phát xạ huỳnh quang chiếm đa số.
Ở đầu dò phát huỳnh quang và lân quang, tín hiệu truyền tới có thể được ghi nhận theo cường độ sáng hoặc thời gian phát quang.
Cường độ sáng: liên quan đến nồng độ chất phân tích theo phương trình
I = 2.3 εkΦIodC ε hệ số hấp thu mol phân tử
I, Io cường độ phát huỳnh quang và
cường độ ánh sáng tới
Φ hiệu suất lượng tử quá trình phát quang
C nồng độ chất phát quang
Thời gian phát quang: thông thường thời gian phát huỳnh quang từ 2 – 20μs, thời gian phát lân quang dài hơn, từ 1μs – 10s. Nguyên tắc hoạt động của loại đầu dò này chính là sự ảnh hưởng đến thời gian phát quang của các chất khác nhau. Bình thường sự phát quang diễn ra trong một thời gian τo, nhưng khi có mặt các chất phân tích sự phát quang ngắn đi, chỉ còn τ. Stern và Volmer đã đưa ra phương trình liên hệ thời gian phát quang khi có và không có chất phân tích với nồng độ C:
To/T = 1 + ksvC
Các đầu dò dựa trên sự phát quang do phản ứng hóa học thông thường có dạng chung sau
A + B → C* → C + hν
Trong đó A và B là các chất không phát quang, C* là trạng thái kích thích từ đó phát ra photon. Thông thường đó là những phản ứng oxy hóa – khử và có sự hiện diện của chất xúc tác. Nhiều phản ứng hóa học và hóa sinh đều có thể phát ra photon. Một ví dụ kinh điển được ứng dụng để chế tạo đầu dò là sử dụng luminol phản ứng với H2O2:
H2O2 + luminol + OH- → 3-aminophthalate + N2 + H2O + hν
Ví dụ:
Để chế tạo đầu dò quang O2, người ta sử dụng các hydrocacbon đa vòng thơm như pyrene, fluoroanthene, decacylene, diphenylanthracene… Các chất này được tráng lên một màng PVC mỏng. Gần đây phức Ru – Pt được sử dụng để nâng cao độ chọn lọc.
Ru – TPP + O2 ↔ Ru – TPP : O2
phát quang không phát quang
Hình sau là cấu tạo đầu dò O2 sử dụng phức Ru

c. Ưu và khuyết điểm

Dễ dàng nhận thấy đầu dò quang học đơn giản, dễ sử dụng. Thực tế hiện nay đầu dò hồng ngoại không tán sắc (NDIR – non-dispersive infrared sensor) là đầu dò CO2 tốt nhất hiện nay bởi tính đơn giản và hiệu quả của nó.
Tuy nhiên, bên cạnh đó loại đầu dò này cũng có khuyết điểm: khoảng hoạt động khá hẹp. NDIR chỉ có thể phát hiện và phân biệt đến 103, trong khi các loại đầu dò khác (điện hóa…) đến 105 – 106. Hiện tượng này là do sự không tuyến tính của tín hiệu mà nguyên nhân chính là sự vi phạm định luật Lambert – Beer ở nồng độ cao. Hơn nữa, trong điều kiện nồng độ thấp, sự sai lệch vẫn xảy ra do nhiều nguyên nhân: hình dạng hình học của detector, chế độ dòng chảy của khí đưa vào và ra…

(to be continued ...)

08-05-2008	Mã bài: 26802 #2
F91 Moderator Tham gia ngày: Dec 2005 Location: Nha Trang Posts: 53 Thanks: 7 Thanked 82 Times in 35 Posts Groans: 0 Groaned at 0 Times in 0 Posts Rep Power: 36	3. Đầu dò quang học Đầu dò quang học lần đầu tiên được công bố vào năm 1975, hiện nay là một trong những hướng phát triển rất mạnh. Các đầu dò này phát hiện khí nhờ các thông số quang học (bước sóng hấp thu, cường độ sáng …) do đó tránh được hiện tượng nhiễu của tín hiệu điện. Thiết bị có cấu tạo đơn giản, nhỏ, nhẹ và dễ dàng được tự động hóa. a. Cấu tạo chung của các loại đầu dò quang học Các đầu dò quang học đều sử dụng sợi quang học (optical fibre) để có thể dẫn ánh sáng mà không hao phí nhiều năng lượng. Thông thường người ta sử dụng hai sợi: một để dẫn ánh sáng từ nguồn sáng tới bộ phận cảm biến, và sợi thứ hai để dẫn ngược ánh sáng về detector. Trong các hệ thống cảm biến đa cấp, những bó sợi được sử dụng để dẫn ánh sáng đi xa hơn. Để cải thiện độ chọn lọc của đầu dò, một lớp cảm quang trung gian (sensing mediator) thường được cố định ở đầu cảm biến của sợi quang học. Lớp cảm quang này sẽ phản ứng chọn lọc với mẫu cần phân tích và cho tín hiệu quang. b. Nguyên tắc hoạt động Thường được sử dụng nhiều nhất là các đầu dò hoạt động trên nguyên tắc hấp thu, phát quang, phản xạ, tán xạ Raman … • Đầu dò hấp thu Hàm lượng chất cần phân tích liên quan đến độ hấp thu theo định luật Lambert – Beer: A = εlC ε hệ số hấp thu mol phân tử l quang lộ Các chất phân tích thường phải có ε rất lớn để tăng LoD và độ nhạy. Ngoài ra độ nhạy càng lớn khi tăng chiều dài mẫu l. Thiết kế đầu dò hấp thu có những nét tương đồng so với các máy trắc quang. Mẫu được đưa theo dòng vào bên trong, bộ cảm biến được lắp bên cạnh. Ánh sáng truyền qua mẫu sẽ bị giảm cường độ tùy vào nồng độ khí trong mẫu, sự thay đổi này sẽ được detector ghi nhận. • Đầu dò phát quang Các đầu dò loại này theo dõi năng lượng trạng thái kích thích của các phân tử. Trạng thái này có thể đạt được nhờ sự kích thích của photon (hiện tượng huỳnh quang và lân quang) hoặc của phản ứng hóa học (chemiluminescene). Do sự hiện diện sẵn có của rất nhiều chất cảm quang phản ứng với ánh sáng UV-Vis nên số lượng các đầu dò hoạt động theo phương pháp phát xạ huỳnh quang chiếm đa số. Ở đầu dò phát huỳnh quang và lân quang, tín hiệu truyền tới có thể được ghi nhận theo cường độ sáng hoặc thời gian phát quang. Cường độ sáng: liên quan đến nồng độ chất phân tích theo phương trình I = 2.3 εkΦIodC ε hệ số hấp thu mol phân tử I, Io cường độ phát huỳnh quang và cường độ ánh sáng tới Φ hiệu suất lượng tử quá trình phát quang C nồng độ chất phát quang Thời gian phát quang: thông thường thời gian phát huỳnh quang từ 2 – 20μs, thời gian phát lân quang dài hơn, từ 1μs – 10s. Nguyên tắc hoạt động của loại đầu dò này chính là sự ảnh hưởng đến thời gian phát quang của các chất khác nhau. Bình thường sự phát quang diễn ra trong một thời gian τo, nhưng khi có mặt các chất phân tích sự phát quang ngắn đi, chỉ còn τ. Stern và Volmer đã đưa ra phương trình liên hệ thời gian phát quang khi có và không có chất phân tích với nồng độ C: To/T = 1 + ksvC Các đầu dò dựa trên sự phát quang do phản ứng hóa học thông thường có dạng chung sau A + B → C* → C + hν Trong đó A và B là các chất không phát quang, C* là trạng thái kích thích từ đó phát ra photon. Thông thường đó là những phản ứng oxy hóa – khử và có sự hiện diện của chất xúc tác. Nhiều phản ứng hóa học và hóa sinh đều có thể phát ra photon. Một ví dụ kinh điển được ứng dụng để chế tạo đầu dò là sử dụng luminol phản ứng với H2O2: H2O2 + luminol + OH- → 3-aminophthalate + N2 + H2O + hν Ví dụ: Để chế tạo đầu dò quang O2, người ta sử dụng các hydrocacbon đa vòng thơm như pyrene, fluoroanthene, decacylene, diphenylanthracene… Các chất này được tráng lên một màng PVC mỏng. Gần đây phức Ru – Pt được sử dụng để nâng cao độ chọn lọc. Ru – TPP + O2 ↔ Ru – TPP : O2 phát quang không phát quang Hình sau là cấu tạo đầu dò O2 sử dụng phức Ru c. Ưu và khuyết điểm Dễ dàng nhận thấy đầu dò quang học đơn giản, dễ sử dụng. Thực tế hiện nay đầu dò hồng ngoại không tán sắc (NDIR – non-dispersive infrared sensor) là đầu dò CO2 tốt nhất hiện nay bởi tính đơn giản và hiệu quả của nó. Tuy nhiên, bên cạnh đó loại đầu dò này cũng có khuyết điểm: khoảng hoạt động khá hẹp. NDIR chỉ có thể phát hiện và phân biệt đến 103, trong khi các loại đầu dò khác (điện hóa…) đến 105 – 106. Hiện tượng này là do sự không tuyến tính của tín hiệu mà nguyên nhân chính là sự vi phạm định luật Lambert – Beer ở nồng độ cao. Hơn nữa, trong điều kiện nồng độ thấp, sự sai lệch vẫn xảy ra do nhiều nguyên nhân: hình dạng hình học của detector, chế độ dòng chảy của khí đưa vào và ra… (to be continued ...)