Quang phổ học

Nguồn gốc vật lý của tín hiệu

Năng lượng photon thỏa E = hν = hc/λ. Khi vật chất chuyển giữa hai trạng thái được phép, hiệu năng lượng thỏa ΔE = hν. Vì vậy vị trí vạch phổ là một phép đo năng lượng chứ không phải nhãn màu tùy ý. Các quy tắc chọn của cơ học lượng tử còn quyết định những chuyển mức nào xuất hiện mạnh trong từng loại tương tác. Một vạch nguyên tử thường là tín hiệu thống kê của rất nhiều nguyên tử thực hiện cùng loại chuyển mức lượng tử, không phải “một electron nhìn thấy được nhảy theo một quỹ đạo”. Mô hình cốt lõi là trạng thái lượng tử và xác suất chuyển mức. Tần số càng cao, bước sóng càng ngắn thì năng lượng mỗi photon càng lớn, nên các đơn vị trên trục phải đổi nhất quán bằng E=hν=hc/λ.

Trong phổ hấp thụ, mẫu lấy đi những năng lượng photon nhất định và chuyển lên trạng thái cao hơn. Trong phổ phát xạ, mẫu kích thích phát photon khi đi xuống trạng thái thấp hơn. Cùng một hiệu năng lượng có thể xuất hiện dưới dạng hấp thụ trong thí nghiệm này và phát xạ trong thí nghiệm khác. Phổ tán xạ đo photon đổi hướng; trong Raman, một phần nhỏ photon trao đổi năng lượng với dao động phân tử nên độ dịch tần cho thông tin dao động. Vị trí vạch hấp thụ và phát xạ có thể tương ứng nhưng cường độ không nhất thiết là ảnh gương vì phân bố mức năng lượng, cách kích thích và hiệu suất detector khác nhau. Với Raman, đại lượng quan trọng thường là độ dịch giữa ánh sáng tới và tán xạ, hay biểu diễn bằng số sóng, chứ không chỉ màu tuyệt đối của photon tán xạ.

Nguyên tử cô lập có các mức điện tử khá rời rạc nên chuyển mức thường tạo các vạch tương đối hẹp. Các dãy Balmer, Lyman và Paschen của hydro là ví dụ. Phân tử có nhiều cách chứa năng lượng hơn: mỗi trạng thái điện tử có các mức dao động, rồi cấu trúc quay. Nhiều chuyển mức gần nhau chồng lấp thành dải; trong chất lỏng và rắn, tương tác với các phân tử lân cận làm dải rộng thêm. Khả năng nhìn thấy cấu trúc mảnh trong dải phân tử phụ thuộc pha vật chất, nhiệt độ, áp suất và độ phân giải. Phân tử nhỏ ở pha khí có thể cho cấu trúc quay–dao động rõ hơn, trong khi va chạm và tương tác dung môi ở dung dịch làm nhiều vạch hòa vào nhau. Dải rộng không tự động có nghĩa thiết bị kém.

Cách đọc một phổ

Trục ngang có thể là λ, ν, năng lượng photon E, số sóng cm⁻¹ trong IR, hoặc độ dịch hóa học δ theo ppm trong NMR. Trục dọc có thể là cường độ, độ hấp thụ, độ truyền qua hay số đếm. Vị trí cho biết “tương tác xảy ra ở đâu”; cường độ còn phụ thuộc số hạt, xác suất chuyển mức, nồng độ và đáp ứng thiết bị; độ rộng phản ánh tuổi thọ, chuyển động, va chạm và độ phân giải. Ba loại thông tin này không thể đồng nhất. Với phổ truyền qua còn phải để ý chiều biểu diễn: hấp thụ mạnh làm %T giảm, nên đặc trưng hấp thụ có thể hướng xuống trên đồ thị truyền qua nhưng hướng lên trên đồ thị absorbance A. Cùng một mẫu có thể trông “đảo chiều” chỉ vì đổi trục dọc, trong khi vị trí năng lượng vật lý không đổi.

Các kỹ thuật phổ thông dụng

UV–khả kiến

Bức xạ UV–khả kiến thường kích thích electron hóa trị giữa các orbital phân tử hoặc trạng thái điện tử. Hệ π liên hợp và phức kim loại chuyển tiếp là ví dụ điển hình; trong điều kiện phù hợp, Beer–Lambert còn cho phép định lượng nồng độ.

Hồng ngoại

Hồng ngoại gây chuyển mức giữa các trạng thái dao động phân tử. Tần số kéo giãn và uốn phụ thuộc độ cứng liên kết, khối lượng nguyên tử và môi trường, nên IR hữu ích để nhận diện liên kết và nhóm chức.

Raman

Raman đo tán xạ không đàn hồi. Một phần nhỏ photon trao đổi năng lượng với dao động phân tử và bị dịch tần; quy tắc chọn dựa trên thay đổi độ phân cực hóa khác IR nên hai kỹ thuật thường bổ sung nhau.

NMR

NMR khảo sát spin hạt nhân trong từ trường. Che chắn điện tử cục bộ tạo độ dịch hóa học, còn ghép spin–spin gây tách vạch, cung cấp thông tin về môi trường nguyên tử và liên kết.

UV–Vis chủ yếu theo dõi chuyển mức điện tử và hữu ích cho màu, nồng độ; IR nhạy với dao động phân tử, giúp nhận diện liên kết và nhóm chức; Raman dùng tán xạ không đàn hồi để thăm dò dao động với quy tắc chọn bổ sung cho IR; NMR dùng spin hạt nhân và môi trường từ cục bộ để cho biết môi trường nguyên tử và liên kết. Mỗi kỹ thuật đặt ra một loại ràng buộc khác nhau cho cấu trúc. Tính bổ sung giữa các kỹ thuật xuất phát từ việc chúng ghép với các bậc tự do và quy tắc chọn khác nhau. Một dao động có thể yếu trong IR nhưng mạnh trong Raman; độ dịch và tách vạch NMR lại phản ánh che chắn điện tử và ghép spin cục bộ. Sự thống nhất của nhiều ràng buộc quan trọng hơn một “đỉnh vạn năng”.

Tính toán

Beer–Lambert

Trong miền áp dụng với dung dịch loãng và ánh sáng đơn sắc, A = εbc: A là độ hấp thụ, ε hệ số hấp thụ mol, b chiều dài quang trình và c nồng độ. Với ε = 1,50 × 10⁴ L·mol⁻¹·cm⁻¹, b = 1,00 cm, A = 0,720 thì c = 4,80 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹. Mẫu trắng, tán xạ, ánh sáng lạc, cân bằng hóa học và miền tuyến tính của thiết bị có thể gây sai lệch. Trong Beer–Lambert, đơn vị ε, b và c phải tương thích. Nếu ε dùng L·mol⁻¹·cm⁻¹ thì b phải dùng cm. Tương tác ở nồng độ cao, hạt gây tán xạ hay bão hòa detector có thể phá tuyến tính đơn giản; kiểm tra miền làm việc bằng dãy chuẩn thường đáng tin hơn ngoại suy quá xa.

Năng lượng photon

E = hc/λ ≈ 4,09 × 10⁻¹⁹ J; chia cho e được xấp xỉ 2,55 eV.

Phổ thực và thiết bị

Không có vạch thực nào hẹp vô hạn. Tuổi thọ trạng thái kích thích hữu hạn tạo mở rộng tự nhiên; chuyển động nhiệt tạo mở rộng Doppler; va chạm tạo mở rộng áp suất; bản thân thiết bị thêm độ rộng đáp ứng. Độ phân giải là khả năng tách các đặc trưng gần nhau. Tăng độ phân giải có thể tách các đỉnh từng chồng lấp nhưng không tạo thông tin mà mẫu không mã hóa, và thường đánh đổi với tín hiệu hay thời gian đo. Các cơ chế mở rộng cũng có thể cho dạng vạch khác nhau: mở rộng tự nhiên do tuổi thọ và mở rộng Doppler do phân bố vận tốc không hoàn toàn cùng dạng. Đường quan sát thường là kết quả chập của nhiều cơ chế với hàm đáp ứng thiết bị, nên phải biết giới hạn phân giải của máy trước khi gán toàn bộ độ rộng cho mẫu.

Dù hình dạng khác nhau, nhiều máy phổ có cùng chuỗi logic: tạo hoặc nhận bức xạ, chọn hay mã hóa thành phần phổ, cho tương tác với mẫu, phát hiện đáp ứng và chuyển thành phổ. UV–Vis tán sắc có thể dùng cách tử hoặc bộ đơn sắc để chọn bước sóng; FTIR ghi giao thoa đồ chứa nhiều tần số cùng lúc rồi biến đổi toán học thành phổ. Trừ nền, hiệu chuẩn, đáp ứng detector và hiệu chỉnh đường nền là các phần của phép đo chứ không phải trang trí sau cùng. Hiệu chuẩn biến pixel, thời gian hay tọa độ giao thoa đồ thành bước sóng, tần số hoặc thang vật lý khác. Trừ nền và hiệu chỉnh đường nền tách đáp ứng mẫu khỏi nguồn, dung môi, quang lộ và detector. Xử lý quá mức cũng có thể tạo đặc trưng giả, vì thế lưu dữ liệu thô và các bước xử lý là một phần của phép đo tái lập.

Diễn giải phân tích

Khối phổ thường được học cùng IR, UV–Vis và NMR nhưng xét nghiêm ngặt nó không đo hấp thụ hay phát xạ điện từ theo năng lượng photon; nó ion hóa mẫu và phân tích ion theo m/z. Thông tin lại rất bổ sung. Khi phân tích, xác định kỹ thuật và trục trước, tách vị trí–cường độ–độ rộng, tìm mẫu hình thay vì một đỉnh cô lập, kiểm tra tính hợp lý vật lý và hóa học, rồi dùng nhiều phép đo độc lập như các ràng buộc cho cùng một cấu trúc. Một quy trình chắc chắn bắt đầu bằng câu hỏi “kỹ thuật này về vật lý có thể nhìn thấy gì”, sau đó mới đề xuất gán đỉnh và dùng dữ liệu độc lập để kiểm tra. Nếu IR gợi ý một nhóm chức nhưng NMR, công thức phân tử hay khối phổ mâu thuẫn, cần xét lại phép gán thay vì ép tất cả dữ liệu theo đỉnh đầu tiên.

Bài tập

Beer–Lambert

Hai dung dịch của cùng một chất được đo trong điều kiện giống hệt nhau. Nồng độ dung dịch thứ hai tăng gấp đôi và vẫn nằm trong miền tuyến tính Beer–Lambert. Độ hấp thụ thay đổi thế nào?

Chọn kỹ thuật

Cần phân biệt nhiều môi trường proton trong một phân tử hữu cơ. Kỹ thuật nào trực tiếp nhất?