Giao Thoa Kế – Trái Tim Của Máy Quang Phổ Hồng Ngoại Biến Đổi Fourier (FT-IR)
28/04/20211/ Vai trò của giao thoa kế trong máy quang phổ FT-IR
Trước hết, hãy xem sơ đồ tối giản của một máy quang phổ FT-IR:
Nguồn IR —> Giao thoa kế —> Buồng mẫu —> Đầu dò
Trong máy quang phổ FT-IR không xảy ra sự tán sắc, có nghĩa là ánh sáng phát ra từ nguồn, đi qua mẫu rồi sau đó đến đầu dò đều là đa sắc. Vì thế, dữ liệu thô thu được KHÔNG phải là phổ đồ IR mà nhiều người vẫn quen thuộc (Hình 1) mà là một Giao thoa đồ (Hình 2). Một chương trình toán học gọi là biến đổi Fourier (do máy tính thực hiện) sẽ chuyển dữ liệu thô này thành phổ đồ IR.
Hình 1. Phổ đồ IR
Hình 2. Giao thoa đồ
Rõ ràng có thể xác định được sự khác biệt giữa cường độ ánh sáng đi qua mẫu và ánh sáng không đi qua mẫu (đo nền). Tuy nhiên, dữ liệu đó chưa đủ để quy trình biến đổi Fourier chuyển giao thoa đồ thành phổ IR. Thực tế, bức xạ IR được biến đổi bởi Giao thoa kế cho phép nó mang theo các thông tin cần thiết cho quá trình này.
3/ Cấu tạo và mô tả hoạt động của giao thoa kế Michelson
Hình 3 cho thấy thiết kế cơ bản của giao thoa kế. Đây được gọi là giao thoa kế Michelson.
 |
S: Nguồn hồng ngoại
M1: Gương cố định M2: Gương di động B: Gương tách tia D: Đầu dò |
Hình 3. Giản đồ giao thoa kế Michelson
Hệ thống này bao gồm một Gương cố định, một Gương di động và một Gương tách tia. Gương tách tia có một tính chất đặc biệt, nó cho phép 50% của ánh sáng đi qua, và 50% phản xạ lại. Nhờ vào tính chất này, chùm tia từ nguồn được tách thành 2 phần y hệt nhau. Mỗi phần chiếu tới một gương (có định hoặc di động) rồi phản xạ hoàn toàn. Các tia phản xạ (R1 và R2) gặp lại nhau ở gương tác tia rồi kết hợp (giao thoa) khi hướng tới đầu dò.
4/ Nguyên tắc quét phổ hồng ngoại dựa trên giao thoa ánh sáng
Sự khác biệt về độ dài quang học (D) giữa R1 và R2 thay đổi khi gương di động di chuyển tới lui. Khi D = 0, tất cả các sóng có trong R1 và R2 đều đồng pha, do đó, tất cả đều giao thoa tăng cường. Khi D ≠ 0, tương ứng với mỗi vị trí của gương di động sẽ có một thành phần (sóng ánh sáng) trong R1 và R2 bị ngược pha (lệch pha 180o), dẫn đến giao thoa triệt tiêu. Thế nên thành phần đó sẽ biến mất trong tia kết hợp. Từ đó, khi gương di động hoàn tất một chu kỳ di chuyển thì hệ thống cũng hoàn tất một lần quét qua dải bước sóng.
Hình 4. Giao thoa tăng cường và Giao thoa triệt tiêu
5/ Ảnh hưởng của việc canh chỉnh gương đến chất lượng phổ
Để có một giao thoa đồ đẹp, R1 và R2 sau khi đi qua gương tách tia phải luôn song song. Đây là một yếu tố rất quan trọng. Trong thiết kế truyền thống, các gương đều ở dạng mặt phẳng, tức là khi một gương bị lệch, góc phản xạ sẽ thay đổi, tia phản xạ sẽ không còn đúng hướng. Kết quả là chất lượng của giao thoa đồ sẽ bị ảnh hưởng.
6/ Kỹ thuật căn chỉnh động
Một cách tiếp cận để giải quyết vấn đề này trong giao thoa kế với gương phẳng là sử dụng một kỹ thuật gọi là căn chỉnh động. Trong giao thoa kế được căn chỉnh động, gương di động hoặc gương cố định được trang bị đầu dò piezo có thể làm nghiêng một gương sau khi phát hiện lỗi vị trí trên gương kia. Nhược điểm của kỹ thuật này là trước hết phải có lỗi xảy ra và sau đó được phát hiện trước khi có thể sửa chữa. Một nhược điểm khác đối với các thiết bị FTIR thương mại hiện nay có giao thoa kế được căn chỉnh động, đó là sử dụng ổ trục khí đắt tiền hoặc ổ trục cơ học dễ bị mài mòn. Lưu ý rằng ngay cả khi thiết kế là một hệ thống được gọi là truyền động điện từ không ma sát, bản thân ổ trục trên thực tế có thể là loại cơ tiếp xúc dễ bị mài mòn. Vì thế nhiều hệ thống FT-IR rất nhạy với rung động, và giao thoa kế được cho là rất mong manh.
7/ Giao thoa kế góc lập phương
Trong những năm qua, nhiều cải tiến đã được thực hiện. Một trong số đó là các giao thoa kế sử dụng gương góc lập phương đang được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng trong phòng thí nghiệm và quy trình và có một số đặc điểm riêng. Không giống như gương phẳng, các góc của khối lập phương thực tế miễn nhiễm với độ nghiêng của gương (tức là chuyển động theo góc của gương).
8/ Giao thoa kế RockSolid từ Bruker
Giao thoa kế RockSolid trong các máy quang phổ hồng ngoại FT-IR của Bruker kết hợp các gương góc khối lập phương phản xạ ngược kép trong một cấu trúc con lắc kép ngược. Một cơ cấu trục không mài mòn được đặt ở tâm của bộ phận này. Thiết kế đã được cấp bằng sáng chế này giúp loại bỏ độ nghiêng của gương bằng quang học và chống mài mòn gương do cơ học. Nó cũng có khả năng chống rung và các hiệu ứng nhiệt. Tính chất không mài mòn của vòng bi trong giao thoa kế RockSolid đảm bảo độ ổn định và độ tin cậy đặc biệt ngay cả trong môi trường khắc nghiệt.
Hình 5: Giao thoa kế RockSolidTM
Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 5,309,217 Bố cục ROCKSOLIDTM: 1. Gương tách tia, 2. Bộ phản xạ góc lập phương, 3. Cơ cấu trục không mòn
Với thiết kế này, Bruker đưa ra thời gian bảo hành rất dài cho các sản phẩm quang phổ IR, mang đến chất lượng cao và chi phí bảo trì thấp.
Tham khảo thêm các sản phẩm của Bruker: tại đây.
References:
FT-IR Spectroscopy (newport.com)
www.brukeroptics.com
