Kiến thức cơ bản về quang phổ FTIR

Quang phổ hồng ngoại là phương pháp nghiên cứu sự tương tác giữa bức xạ hồng ngoại và vật chất. Phương pháp này dựa trên nguyên lý rằng gần như mọi phân tử đều hấp thụ bức xạ hồng ngoại tại những bước sóng nhất định. Mỗi phân tử có đặc trưng hấp thụ riêng, thường liên quan đến các nhóm chức của phân tử đó. Các đặc trưng hấp thụ này đóng vai trò như một "dấu vân tay" giúp nhận diện các chất. Máy quang phổ hồng ngoại ghi nhận các dải hấp thụ này và tạo ra phổ hồng ngoại, từ đó hỗ trợ nhận diện và xác định cấu trúc của các hợp chất hóa học.^[6]

Trong phân tích thường quy, vùng quan trọng nhất là vùng hồng ngoại trung, thường nằm trong khoảng từ 4.000 đến 400 cm⁻¹. 

Để tìm hiểu chi tiết hơn về chủ đề này, xem "Ánh sáng là gì – hạt hay sóng?"
Bức xạ điện từ lan truyền trong không gian và mang theo năng lượng điện từ. Năng lượng này tỷ lệ thuận với tần số ν, và tần số này liên hệ với bước sóng λ thông qua tốc độ ánh sáng c (Phương trình 1):
 

Do đó, năng lượng E của ánh sáng (hay photon) tăng khi tần số tăng, hay nói cách khác, khi bước sóng giảm (Phương trình 2).

Vì lý do lịch sử, các nhà quang phổ học thường sử dụng số sóng ṽ, được định nghĩa là nghịch đảo của bước sóng. Số sóng tỷ lệ thuận với năng lượng của photon (Phương trình 3) và thường được biểu thị bằng đơn vị centimét nghịch đảo (cm^⁻¹) để cho ra các giá trị dễ đọc hơn.

Mô tả trên chỉ áp dụng cho một sóng ánh sáng riêng lẻ hoặc một photon. Tuy nhiên, chùm sáng gồm nhiều sóng có tần số khác nhau cùng lan truyền theo một hướng. Ở mỗi tần số, chùm sáng có một cường độ I tương ứng (tức là một số photon nhất định trong mỗi đơn vị thời gian). Đại lượng mà đầu dò của máy quang phổ đo được chính là cường độ của chùm sáng.

Phân bố cường độ theo tần số chính là phổ của chùm sáng. Mắt người chỉ nhìn thấy được một phần nhỏ của phổ điện từ (“ánh sáng khả kiến”). Các vùng phổ khác bao gồm vi ba, hồng ngoại, tử ngoại (UV) và tia X. Trong phương pháp quang phổ hồng ngoại, bức xạ hồng ngoại (IR) được sử dụng để kích thích.^[8],[9],[10]
 

Phổ hồng ngoại là đồ thị biểu diễn cường độ tín hiệu đo được theo số sóng. Khi phổ được biểu diễn dưới dạng độ hấp thụ, các đỉnh hướng lên trên và cho biết những vị trí mà mẫu hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Khi cùng bộ dữ liệu đó được biểu diễn theo độ truyền qua, các đỉnh sẽ hướng xuống dưới. Trong hầu hết các phép phân tích, biểu diễn theo độ hấp thụ thường được ưu tiên vì đây là cơ sở đúng đắn cho phân tích định lượng, phép trừ phổ và tra cứu thư viện phổ. 

Mỗi đỉnh tương ứng với một dao động phân tử, liên quan đến một nhóm chức trong phân tử. Dạng phổ tổng thể phản ánh cấu trúc hóa học của mẫu. Vì vậy, FTIR thường được mô tả là một phương pháp nhận dạng theo dấu vân tay. Đồng thời, chiều cao đỉnh cũng liên hệ với nồng độ theo định luật Lambert–Beer:

 A = độ hấp thụ 
ε = hằng số (hệ số hấp thụ) 
l = chiều dài quang trình 
c = nồng độ 

Nhờ sự kết hợp này, FTIR không chỉ hữu ích trong nhận dạng vật liệu mà còn trong định lượng một thành phần.
 

Máy quang phổ FTIR gồm các bộ phận sau:

• Nguồn bức xạ
• Giao thoa kế với bộ tách chùm tia
• Buồng đo mẫu
• Đầu dò
• Máy tính thực hiện phép biến đổi Fourier nhanh

Cốt lõi của mọi máy quang phổ FTIR là giao thoa kế. Thay vì tách bức xạ thành từng bước sóng bằng khe và cách tử, bộ tách chùm tia trong giao thoa kế chia chùm tia thành hai nhánh, thay đổi hiệu quang trình giữa hai nhánh bằng một gương di động rồi tái hợp chúng. Trước khi tới đầu dò, bức xạ hồng ngoại đi qua mẫu trong buồng đo mẫu, tại đây một số dao động phân tử sẽ hấp thụ bức xạ ở các bước sóng đặc trưng. Vì vậy, bức xạ truyền qua mang thông tin hấp thụ của mẫu. Đầu dò ghi nhận tín hiệu biến thiên dưới dạng giao thoa đồ. Sau đó, phép biến đổi Fourier chuyển giao thoa đồ này thành phổ quen thuộc.

Trong vận hành thường quy, thiết bị trước tiên thu phổ nền rồi thu phổ mẫu. Bằng cách lấy tỷ số giữa hai phổ này, phần lớn ảnh hưởng từ thiết bị và môi trường được loại bỏ, chỉ còn lại phổ của mẫu. Một laser tích hợp đóng vai trò là chuẩn nội bộ cho thang số sóng; đây là một trong những lý do khiến vị trí các đỉnh FTIR có độ tái lập rất cao.

Thiết kế này bảo đảm lượng bức xạ tới đầu dò lớn hơn, mọi bước sóng được đo đồng thời và thang số sóng vẫn chính xác nhờ chuẩn laser.

Đây là những lý do chính khiến thiết bị FTIR thường vượt trội so với các hệ thống IR tán sắc thế hệ cũ trong công việc phòng thí nghiệm hằng ngày.

Vì sao các phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại?

Trong quang phổ hồng ngoại, các dao động phân tử được kích thích khi phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Quá trình này làm thay đổi độ dài liên kết và góc liên kết trong phân tử. Có thể phân biệt hai nhóm dao động chính sau đây (xem Hình 4)^[2]:

1. Dao động hóa trị (dao động kéo giãn): Nhóm dao động này liên quan đến sự thay đổi độ dài liên kết giữa các nguyên tử.

   • Kéo giãn đối xứng: Các nguyên tử liên quan đồng thời dịch chuyển lại gần nhau hoặc ra xa nhau
   • Kéo giãn bất đối xứng: Một nguyên tử dịch chuyển lại gần nguyên tử kia, trong khi nguyên tử còn lại dịch chuyển ra xa

    

2. Dao động biến dạng (dao động uốn): Nhóm dao động này liên quan đến sự thay đổi góc liên kết.
   • Dao động cắt: Hai nguyên tử chuyển động về phía nhau rồi tách xa nhau trong cùng một mặt phẳng mà không làm thay đổi độ dài liên kết
   • Dao động vẫy: Các nguyên tử dao động qua lại trong cùng một mặt phẳng
   • Dao động lắc: Chuyển động diễn ra ngoài mặt phẳng phân tử
   • Dao động xoắn: Chuyển động quay quanh một trục liên kết

Số bậc tự do

Dạng phân tử đơn giản nhất là phân tử hai nguyên tử, chẳng hạn oxy phân tử (O₂), nitơ (N₂) hoặc cacbon monoxit (CO). Các phân tử này chỉ có một bậc tự do dao động theo trục liên kết, vì chuyển động tương đối giữa hai nguyên tử chỉ làm thay đổi khoảng cách liên nhân. Chuyển động này được gọi là dao động kéo giãn hoặc dao động hóa trị.^[3] Trong các phân tử nhiều nguyên tử, ngoài dao động này còn có thể xuất hiện thêm các dao động độc lập khác. Chúng được gọi là các dao động chuẩn. Số lượng các dao động chuẩn này phụ thuộc vào cách các nguyên tử có thể chuyển động. Mỗi nguyên tử có ba bậc tự do, tương ứng với chuyển động theo ba phương trong không gian. Do đó, một phân tử gồm N nguyên tử có tổng cộng 3N bậc tự do.^[3],[4] Tuy nhiên, do các nguyên tử trong phân tử được liên kết với nhau bằng liên kết hóa học, chúng không thể chuyển động hoàn toàn độc lập. Mặc dù vậy, phân tử không cứng tuyệt đối nên vẫn có thể xảy ra chuyển động tương đối giữa các nguyên tử. Vì vậy, tổng số bậc tự do của một phân tử có thể được phân thành như sau^[4]:

• Ba bậc tự do tương ứng với chuyển động tịnh tiến (tức là chuyển động của toàn bộ phân tử theo ba trục x, y và z).
• Hai bậc tự do (đối với phân tử tuyến tính) hoặc ba bậc tự do (đối với phân tử phi tuyến) tương ứng với chuyển động quay quanh các trục trong không gian.
• Các bậc tự do còn lại liên quan đến chuyển động dao động của các nguyên tử trong phân tử. Do đó, phân tử tuyến tính có 3N−5 dao động chuẩn, còn phân tử phi tuyến có 3N−6 dao động chuẩn.[5]

Một ví dụ điển hình là phân tử cacbon dioxit tuyến tính (CO₂), gồm ba nguyên tử. Do đó, phân tử này có 3 × 3 − 5 = 4 dao động chuẩn: một dao động kéo giãn đối xứng, một dao động kéo giãn bất đối xứng và hai dao động biến dạng, một trong mặt phẳng và một ngoài mặt phẳng. Ngược lại, phân tử nước có cấu trúc gấp khúc (H₂O) cũng gồm ba nguyên tử nhưng có 3 × 3 − 6 = 3 dao động chuẩn.

Các loại dao động và ảnh hưởng của chúng đến vùng hấp thụ

Nhóm cacbonyl là một nhóm chức phổ biến trong hóa học; do có mômen lưỡng cực vĩnh cửu, nhóm này tạo ra các dải hấp thụ rất đặc trưng do dao động kéo giãn của liên kết C=O. Vị trí số sóng của dải này (hoặc các dải này) phụ thuộc mạnh vào môi trường hóa học của nhóm cacbonyl. Sự phi định xứ electron có thể làm thay đổi độ bền liên kết C=O, dẫn đến sự dịch chuyển của dải IR. Các khoảng số sóng điển hình của các nhóm chức khác nhau được trình bày trong Bảng 2 và Hình 6.^[9]

Bảng 2: Tổng quan về các dao động đặc trưng.[9]

Một ưu điểm lớn của quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) là các phương pháp lấy mẫu thông dụng chỉ đòi hỏi rất ít công đoạn chuẩn bị mẫu. 
Ba phương pháp lấy mẫu chính là:

• Truyền qua
• Phản xạ toàn phần suy giảm (ATR)
• Phản xạ gương và quang phổ hồng ngoại phản xạ khuếch tán biến đổi Fourier (DRIFTS)

Truyền qua

Phép đo truyền qua được sử dụng rộng rãi vì cho phổ chất lượng cao, với đường nền phẳng và các dải hấp thụ sắc nét. Phương pháp này cũng có phạm vi ứng dụng rộng. Tuy nhiên, hạn chế chính là vấn đề độ mờ đục của mẫu: mẫu phải đủ mỏng hoặc đủ pha loãng để không hấp thụ quá ít cũng không hấp thụ quá nhiều ánh sáng. 

Mẫu rắn thường được ép thành viên nén KBr, còn mẫu lỏng được nạp vào các ô đo truyền qua có chiều dài đường quang từ 25 µm đến 200 µm. Mẫu khí cần các ô đo khí chuyên dụng có chiều dài đường quang lớn hơn nhiều, từ 5 cm đến 20 m.^[1]

ATR

Phản xạ toàn phần suy giảm (ATR) đã trở thành phương pháp lấy mẫu FTIR đa dụng được sử dụng phổ biến nhất, vì cho phép đo mẫu rắn, bột và chất lỏng mà không cần chuẩn bị mẫu. 

Trong ATR, chùm tia hồng ngoại bị phản xạ toàn phần bên trong tinh thể, tạo ra một sóng suy biến chỉ thâm nhập vài micromet vào mẫu. 

ATR dùng tinh thể kim cương có tính đa dụng cao vì kim cương kháng hóa chất, có độ bền cơ học cao và khó bị trầy xước. Trong phân tích thường quy, đo ATR bằng tinh thể kim cương thường là kỹ thuật nên được ưu tiên áp dụng đầu tiên.^[6]
 

DRIFTS và độ phản xạ gương

Đối với bột và chất rắn có bề mặt nhám, phương pháp phản xạ khuếch tán (DRIFTS) có thể là lựa chọn phù hợp. Đối với bề mặt kim loại nhẵn hoặc các lớp phủ trên nền kim loại bóng, các phép đo phản xạ gương và phản xạ hấp thụ đặc biệt hữu ích. Các kỹ thuật này có thể rút ngắn thời gian chuẩn bị mẫu, nhưng nhìn chung nhạy với bề mặt hơn và có thể cho phổ có nhiều nhiễu hơn so với các phép đo truyền qua được thực hiện tốt.

Nhìn chung, nguyên tắc thực hành đơn giản nhất là: đối với chất rắn, bột, polyme, chất lỏng và chất bán rắn, ATR thường là lựa chọn ưu tiên ban đầu; đối với khí, phép đo truyền qua bằng buồng khí vẫn là phương pháp tiêu chuẩn.^[1]