Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo quang vùng VIS sử dụng tổ hợp cách tử đặc biệt và CMOS camera làm detector

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------

Bùi Anh Thƣ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO QUANG
VÙNG VIS SỬ DỤNG TỔ HỢP CÁCH TỬ ĐẶC BIỆT
VÀ CMOS CAMERA LÀM DETECTOR

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------

Bùi Anh Thƣ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO QUANG
VÙNG VIS SỬ DỤNG TỔ HỢP CÁCH TỬ ĐẶC BIỆT
VÀ CMOS CAMERA LÀM DETECTOR
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60440118

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
GS. Alexandder Scheeline

PGS. TS. Tạ Thị Thảo

Hà Nội - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan Luận văn thạc sỹ khoa học với 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” là công trình nghiên cứu của bản thân. Các thông tin tham khảo dùng
trong luận văn được lấy từ các công trình nghiên cứu có liên quan và được nêu rõ
nguồn gốc trong danh mục tài liệu tham khảo. Các kết quả nghiên cứu trong luận
văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kì công trình khoa học nào khác.

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2015
Học viên

Bùi Anh Thư


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này tôi đã nhận được sự
giúp đỡ tận tình của các Thầy Cô, các anh chị, bạn bè, đồng nghiệp, những người
thân trong gia đình và các cơ quan có liên quan.
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn tới GS. Alexander
Scheeline – người đã luôn chỉ dẫn tôi trong các thí nghiệm và các giai đoạn hoàn
thiện máy; tới PGS. TS. Tạ Thị Thảo – cô đã luôn quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn tôi

trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí của đề tài nghiên cứu khoa học
và phát triển công nghệ cấp thành phố Hà Nội: “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo
quang cầm tay kết hợp với kit thử để phân tích nhanh lượng vết amoni, nitrit và
nitrat trong nước tại hiện trường”, mã số: 01C- 02/05-2014-2 cho những nghiên cứu
trong luận văn này.
Tôi vô cùng biết ơn Tập thể các Thầy, cô giáo và cán bộ nhân Bộ môn Hóa
Phân tích – trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tạo
mọi điều kiện thuận cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã hết lòng
ủng hộ, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành tốt đề tài.
Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2015
Học viên

Bùi Anh Thư

i


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU ..........................................................v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................. vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................1
1.1 Các thiết bị đo quang tại hiện trƣờng ...............................................................1
1.1.1 Giới thiệu một số thiết bị đo hiện trường tại Việt Nam .....................................1

1.1.2 Các phương pháp định lượng nhanh thông số hóa học tại hiện trường............2
1.2 Các thành phần chính trong máy quang phổ. ..................................................6
1.2.1 Các loại nguồn sáng sử dụng trong máy đo quang. ..........................................6
1.2.1.1 Nguồn sáng Vonfram: .....................................................................................7
1.2.1.2 Nguồn sáng laser.............................................................................................8
1.2.1.3 Đèn hơi thủy ngân:........................................................................................10
1.2.1.4 Diode phát quang (LED): .............................................................................11
1.2.2 Các quang hệ tạo tia đơn sắc (monochromator). ............................................14
1.2.2.1 Lăng kính và bộ phân tách chùm tia: ............................................................14
1.2.2.2 Lăng kính tán sắc (lăng kính khúc xạ) ..........................................................15
1.2.2.3 Bộ tách chùm tia............................................................................................16
1.2.3 Cách tử .............................................................................................................17
1.2.3.1 Cách tử khắc vạch .........................................................................................18
1.2.3.3 Cách tử giao thoa ..........................................................................................18
1.2.3.4 Cách tử phẳng truyền qua .............................................................................18
1.2.3.5 Cách tử giao thoa lõm. ..................................................................................18

ii


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

1.2.4 Gương trong các máy quang phổ.....................................................................19
1.2.4.1 Gương cầu .....................................................................................................19
1.2.4.2 Quang sai của gương ....................................................................................22
1.2.4 Detector ............................................................................................................23
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .............................................................................25
2.1 Đối tƣợng và nội dung nghiên cứu...................................................................25

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu ......................................................................................25
2.1.2 Nội dung nghiên cứu ........................................................................................25
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu..................................................................................26
2.2.1 Phương pháp nghiên cứu chế tạo máy đo quang .............................................26
2.2.2 Phương pháp đánh giá thiết bị đo qua phân tích nitrit và amoni ....................26
2.3 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị. ..............................................................................27
2.3.1 Dụng cụ chế tạo máy ........................................................................................27
2.3.2 Hóa chất ...........................................................................................................27
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................31
3.1 Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo quang cầm tay. ..............................................31
3.1.1 Nghiên cứu lựa chọn nguồn sáng.....................................................................31
3.1.2 Nghiên cứu lựa chọn nguồn nuôi thiết bị .........................................................35
3.1.3 Nghiên cứu lựa chọn cách tử và chế tạo tổ hợp cách tử..................................38
3.1.4 Nghiên cứu lựa chọn gương .............................................................................44
3.1.5 Nghiên cứu lựa chọn cuvett..............................................................................48
3.1.6 Lựa chọn lắp đặt detector ................................................................................51
3.2 Ứng dụng phần mềm Spectroburst để xử lý tín hiệu hình ảnh ....................54
3.2.1 Nguyên tắc xây dựng ........................................................................................54

iii


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

3.2.2 Giao diện và cách sử dụng ...............................................................................59
3.3 Đánh giá đặc tính thiết bị đo khi phân tích nitrit và amoni bằng phƣơng
pháp trắc quang.......................................................................................................63
3.3.1 Phổ hấp thụ lý thuyết của dung dịch phức màu ...............................................63

3.3.2 Độ phân giải của máy ......................................................................................65
3.3.3 Đánh giá độ chụm qua phép đo Nitrit..............................................................65
3.3.4 Độ đúng ............................................................................................................67
KẾT LUẬN ..............................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................70

iv


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
Hình 1.1: Thiết bị đo đơn chỉ tiêu (pH, độ dẫn, độ đục, DO) .....................................1
Hình 1.2: Thiết bị đo đa chỉ tiêu tại hiện trường .........................................................1
Hình 1.3: Các thiết bị đo quang cầm tay của hãng HANNA bán kèm với kit thử (từ
160 USD đến 1500 USD). ...........................................................................................4
Hình 1.4: Thiết bị đo quang cầm tay các hãng khác ...................................................5
Hình 1.5: Phổ ánh sáng khả kiến.................................................................................6
Hình 1.6: Năng lượng các nguồn sáng phát ra ánh sáng khả kiến ..............................7
Hình 1.7: Cấu trúc laser khí Argon-Ion ......................................................................8
Hình 1.8: Cấu tạo của diode phát ánh sáng trắng......................................................14
Hình 1.9: Lăng kính tán sắc đều ...............................................................................15
Hình 1.10: Hệ Czerny-Turner và đường đi của tia sáng ...........................................19
Hình 1.11: Quang sai ở gương cầu lõm ....................................................................22
Hình 3.1: Quang phổ khả kiến của đèn hơi thủy ngân qua lỗ kim 50µm. ................32
Hình 3.2: Quang phổ khả kiến của đèn hơi thủy ngân qua lỗ kim 400µm. ..............32
Hình 3.3: Phổ hấp thụ của ánh sáng thu được từ đèn LED. ......................................33
Hình 3.4: Cấu tạo đèn LED dùng cho thiết bị đo quang cầm tay. ............................34

Hình 3.5: Quang phổ hình ảnh của đèn LED khi qua lỗ kim 50µm. ........................34
Hình 3.6: Hộp chiết áp đi kèm với thiết bị. ...............................................................36
Hình 3.7: Sơ đồ mạch điện trong hộp chiết áp..........................................................36
Hình 3.8: Nguồn nuôi thiết bi sử dụng USB kết nối máy tính. .................................37
Hình 3.9: Mô hình nghiên cứu khoảng cách và góc quay các cách tử.....................39
Hình 3.10: Dạng phổ quan sát qua màn chiếu khi thay đổi vị trí các cách tử. .........39
Hình 3.11: Sơ đồ bố trí mặt quay các cách tử. ..........................................................40
Hình 3.12: Quang phổ thu được khi điều chỉnh mặt quay của các cách tử TN3. .....41
Hình 3.13: Ảnh SEM của bề mặt cách tử. ................................................................42
Hình 3.14: Hình ảnh hệ thấu kính và sơ đồ lắp đặt hệ thấu kính trong thiết bị. .......44
Hình 3.15: Ảnh phổ thu được khi sử dụng thấu kính đơn. .......................................45
Hình 3.16: Vị trí đặt gương parabol lệch tâm (OAP mirror) trong máy chế tạo. .....46
Hình 3.17: Chi tiết thiết kế của gương parabol lệch tâm (Edmund Optic) ...............46
Hình 3.18: Ảnh phổ thu được khi sử dụng thấu kính Edmund Optic. ......................46
Hình 3.19: Ảnh phổ thu được khi sử dụng thấu kính đơn. .......................................47
Hình 3.20: Ảnh phổ thu được khi sử dụng parabol lệch tâm. ...................................48
Hình 3.21: Cuvet lựa chọn cho thiết bị đo quang cầm tay. .......................................50
Hình 3.22: Vị trí buồng cuvet trong máy đo. ............................................................51

v


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

Hình 3.23: Sơ đồ chi tiết Camera (a) và thông số cụ thể camera lựa chọn trong thiết
bị chế tạo (b)..............................................................................................................53
Hình 3.24: Hình ảnh chụp được về màu sắc của ánh sáng trắng sau khi qua mẫu và
qua cách tử. ...............................................................................................................55

Hình 3.25: Giao diện đâu tiên của phần mềm ...........................................................60
Hình 3.26: Cửa sổ thiết lập thông số. ........................................................................60
Hình 3.27: Trải phẳng quang phổ .............................................................................61
Hình 3.28: Phổ hấp thụ của phức màu tạo bởi thuốc thử Griess cải tiến (bên trái) và
phức inđohymol (bên phải) trên máy UV-1650 PC ..................................................64
Hình 3.29: Phổ hấp thụ của phức màu tạo bởi thuốc thử Griess cải tiến (bên trái) và
phức inđohymol (bên phải) trên máy đo quang tự chế tạo .......................................64
Hình 3.30: Độ phân giải của thiết bị đo ở các bậc phổ khác nhau. ...........................65
Hình 3.31: Độ lặp lại về độ hấp thụ quang của mẫu nitrit 0,5ppm ...........................67
Hình 3.32: Đường chuẩn phân tích nitrit (A- C(ppm) tại bước sóng 458 nm. ........68
Hình 3.33: Đường chuẩn xác định amoni (A- C(ppm) trên máy đo quang tự chế tạo
...................................................................................................................................68
Bảng 1.1: Bước sóng ánh sáng khả kiến và màu sắc nhận được ................................6
Bảng 1.2: Các vạch phổ mạnh nhất do đèn hơi thủy ngân phát xạ ra gồm: .............10
Bảng 3.1: Độ hấp thụ quang của dung dịch phức màu nitrit khi đo lặp lại. .............65

vi


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AC

Alternating current

Dòng xoay chiều

CCD

Charge-couple device

Cảm biến tích điện kép

CMOS

Complementary Metal – Oxide – Cảm biến bán dẫn có bổ sung
Semiconductor
oxit kim loại

COD

Chemical oxygen demand

Nhu cầu oxi hóa hóa học

DO

Dissolved oxygen

Oxy hòa tan

LED

Light-emitting diode

Đèn đi-ốt phát quang

OAP

Off-axis parabola

Parabol lệch trục

ORP

Oxidation - Reduction Potential

Thế oxi hóa - khử

SEM

Scanning electron microscope

Kính hiển vi điện tử quét

TDS

Total dissolved solids

Tổng chất rắn hòa tan

TSS

Total suspended solids

Tổng chất rắn lơ lửng

UV

Ultraviolet

Tia tử ngoại

UVA

Ultraviolet A

Tia tử ngoại A

UVC

Ultraviolet C

Tia tử ngoại C

VIS

Visible

Nhìn được

vii


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

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.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
1.1.1 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.
1.1.2 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. Hình 1.3 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. Hình 1.4 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 đến 8.5

Chlorin tự do từ 0.00 đến 5.00 mg/L
Chlorin tổng từ 0.00 đến 5.00 mg/L
-

Độ phân giải 0.1 pH, Chlorin là 0.01 mg/L dưới 3.50 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 ±0.03 mg/L ±3% ở25°C.
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 đến 8.5
Chlorin tự do từ 0.00 đến 5.00 mg/L, chlorin tổng từ 0.00 đến 5.00 mg/L
Độ cứng Mg từ 0.00 đến 2.00 mg/L, độ cứng Ca từ 0.00 đến 2.70 mg/L
tổng độ cứng từ 0.00 đến 4.70 mg/L
Fe từ 0.00 đến 1.60 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

Sphere

Spectrophotometer

Lithium-Ion Battery. $3.947)

with

$4.530)

Trang 4

Based

Spectrophotometer.


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

Thiết bị đo quang cầm tay

Lovibond® RT 500 Portable

CM2500d/2600d Portable Sphere

Spectrophotometer. $7.997

Spectrophotometer
Hình 1.4: 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.
Với thiết bị đo quang cầm tay Lovibond® RT 500 Portable
Spectrophotometer thì thang đo bước sóng trong khoảng 400 nm – 700nm, thời gian
đo 2s, nguồn điện 90 - 130VAC or 100 - 240VAC, 50 - 60Hz, thời gian đo của pin
sạc được 4 giờ, trọng lượng của thiết bị là 1,1kg.

Tuy nhiên, một điều đặc biệt quan trọng là thiết bị đo quang cầm tay của các
hãng trên ví dụ như DR2800 có giá thành cao $3.947, RT500 có giá $7.997 nên

Trang 5


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

việc trang bị, mua thiết bị cho các cơ sở phân tích gặp nhiều khó khăn về nguồn
kinh phí. Ngoài ra tại các trung tâm phân tích quan trắc môi trường, việc nghiên cứu
và chuẩn bị các hóa chất thuốc thử là rất yếu nên họ lại phải mua các thuốc thử đi
kèm theo máy, nên việc phân tích sẽ không chủ động được về thời gian. Vì thế, nhu
cầu nghiên cứu sản xuất thiết bị đo quang cầm tay có khả năng phân tích nhanh các
chỉ tiêu hóa học trong đó người sử dụng chủ động chọn phương pháp phân tích, pha
chế hóa chất, thuốc thử, xây dựng đường chuẩn để định lượng là rất lớn.
1.2 Các thành phần chính trong máy quang phổ.
1.2.1 Các loại nguồn sáng sử dụng trong máy đo quang.
Vùng phổ điện tử mà các phân tử hấp thụ ánh sáng, liên quan đến sự chuyển
mức năng lượng của các electron liên kết từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích
thích có dải đo từ 200 - 800nm.

Hình 1.5: Phổ ánh sáng khả kiến
Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, màu sắc mà mắt nhận được chia theo dải
bước sóng hẹp như ở bảng 1-1. Trên cơ sở dải phổ này mà hệ tán sắc ánh sáng dùng
kính lọc sẽ tách được chùm ánh sáng trắng thành các dải phổ nói trên. [4]
Bảng 1.1: Bước sóng ánh sáng khả kiến và màu sắc nhận được

Trang 6

Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

Các nhà hiển vi học ban đầu sử dụng nến, đèn dầu, và ánh sáng Mặt Trời tự
nhiên để cung cấp ánh sáng cho các hệ quang cụ tương đối thô sơ trong kính hiển
vi. Các nguồn sáng này chiếu sáng không đều, khi lập lòe, khi bùng phát rực rỡ, và
thường tiềm ẩn mối nguy hiểm về lửa. Ngày nay, các bóng đèn phát sáng cường độ
cao đế bằng volfram là nguồn sáng chủ yếu dùng trong kính hiển vi hiện đại và
chiếm đa số trong các hệ thống chiếu sáng gia đình. Ngoài ra, rất nhiều loại nguồn
sáng sáng cùng với đèn W còn được dùng trong các thiết bị quang hoặc trong cuộc
sống hàng ngày. Hình 1.6 là sơ đồ mô tả năng lượng các nguồn phát ra ánh sáng khả
kiến.

Hình 1.6: Năng lượng các nguồn sáng phát ra ánh sáng khả kiến
1.2.1.1 Nguồn sáng Vonfram:
Tạo ra khi cho dòng điện chạy qua một sợi đốt rất mảnh làm bằng tungsten
(đặt trong bóng thủy tinh đã rút chân không) để nung lên đến một nhiệt độ rất cao
và tạo ra ánh sáng nhìn thấy được. Hiệu suất phát sáng rất thấp vì 98% năng lượng
bức xạ ra thuộc dải sóng hồng ngoại (bức xạ nhiệt), không nhìn thấy được. Hiệu
suất này thường chỉ đạt 18 lm/W. Tuy vậy, giá thành của đèn sản xuất ra tương đối
rẻ. Tuổi thọ điển hình loại bóng đèn này khoảng 1000 giờ. [15]

Trang 7


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

Đèn volfram nóng sáng là vật bức xạ nhiệt phát ra phổ ánh sáng liên tục trải
rộng từ khoảng 300nm, trong vùng tử ngoại, tới gần 1400nm, trong vùng hồng
ngoại. Loại đèn tiêu biểu gồm một bóng thủy tinh hàn kín bên trong chứa đầy một
chất khí trơ, và một sợi dây tóc bằng volfram hoạt động mạnh khi có dòng điện đi
qua. Bóng đèn tạo ra một lượng rất lớn ánh sáng và nhiệt, nhưng ánh sáng chỉ chiếm
có 5 đến 10% tổng năng lượng mà chúng phát ra.
Đèn volfram có xu hướng kém tiện lợi, ví dụ như cường độ của nó giảm theo
tuổi thọ và nó làm đen vỏ đựng bên trong do volfram bốc hơi chậm lắng trở lại thủy
tinh. Nhiệt độ màu và độ chói của đèn volfram biến thiên theo hiệu điện thế áp
dụng, nhưng giá trị trung bình cho nhiệt độ màu biến thiên trong khoảng từ 2200K
đến 3400K. Đôi khi bên trong bóng đèn volfram chứa các chất khí trơ như krypton
hoặc xenon, nhằm tạo ra chân không để bảo vệ dây tóc volfram nóng. Các chất khí
này làm tăng hiệu suất của đèn nóng sáng vì chúng làm giảm lượng volfram bốc hơi
rồi lắng xuống bên trong bóng thủy tinh bao ngoài.
1.2.1.2 Nguồn sáng laser
Laser (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (Khuếch
đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cưỡng bức) có đặc điểm là chúng phát ra chùm
ánh sáng liên tục gồm một bước sóng riêng biệt (hoặc đôi khi là một vài bước
sóng), cùng pha, đồng nhất, gọi là ánh sáng kết hợp. Bước sóng ánh sáng do laser
phát ra phụ thuộc vào loại chất cấu tạo nên laser là tinh thể, diode hay chất khí.

Hình 1.7: Cấu trúc laser khí Argon-Ion

Trang 8


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

Laser được sử dụng làm nguồn sáng trong nhiều ứng dụng, từ các đầu đọc
đĩa compact cho tới các thiết bị đo đạc và dụng cụ phẫu thuật. Ánh sáng đỏ quen
thuộc của laser helium-neon (thường viết tắt là He-Ne) được dùng để quét mã vạch
hàng hóa, nhưng cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống hiển vi quét
laser đồng tiêu. Ứng dụng laser trong kính hiển vi quang học cũng ngày càng trở
nên quan trọng, vừa là nguồn sáng duy nhất, vừa là nguồn sáng kết hợp với các
nguồn sáng huỳnh quang và/hoặc nguồn nóng sáng. Mặc dù giá thành tương đối
cao, nhưng laser cũng tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật huỳnh quang, chiếu
sáng đơn sắc, và trong các lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng như kĩ thuật quét
laser đồng tiêu, phản xạ nội toàn phần, truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang,
và kính hiển vi nhân quang. [6]
Laser argon-ion (hình 1.7) có phổ phát xạ cường độ mạnh ở 488 và 514nm,
còn laser khí krypton biểu hiện các cực đại lớn tại bước sóng 647,1 và 752,5nm. Cả
hai loại laser này thường được dùng làm nguồn kích thích trong kính hiển vi laser
quét đồng tiêu. Laser xung mode khóa tinh thể sapphire pha tạp chất titan được
dùng làm nguồn kích thích nhân quang do cường độ cực đại cao của chúng, nhưng
chúng cũng bộc lộ công suất trung bình thấp và chu kì công suất ngắn. Là nguồn
sáng được ưa chuộng hơn dùng cho kính hiển vinhân quang, laser xung đắt hơn
nhiều và khó hoạt động hơn so với các laser nhỏ, làm nguội bằng không khí dùng
trong kính hiển vi đồng tiêu.
Công nghệ laser mới gồm các diode laser nền bán dẫn và laser gắn trên chip,
làm giảm kích thước và yêu cầu công suất đối với nguồn sáng. Diode laser, ví dụ
như neodymium:yttrium lithium fluoride (Nd:YLF) và neodymium:yttrium
vanadate (Nd:YVO(4)), thường đáp ứng nhanh hơn nhiều so với LED, nhưng cũng
tương đối nhỏ và yêu cầu công suất thấp. Bất lợi của việc sử dụng laser trong kính
hiển vi gồm giá thành thêm vào cho nguồn sáng, sự rủi ro gây thiệt hại đắt tiền, làm
tăng giá thành liên đới với thấu kính và gương phủ ngoài, phá hủy mẫu vật, và có
thể làm hỏng võng mạc của nhà hiển vi học nếu như quy trình bào vệ và kĩ thuật

điều khiển bị xem nhẹ.

Trang 9


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

1.2.1.3 Đèn hơi thủy ngân:
Charles Wheatstone lần đầu tiên quan sát thấy phổ tử ngoại khi hơi thủy
ngân phóng điện vào năm 1835. Nhưng phải tới năm 1901, đèn thủy ngân đầu tiên
mới được phát minh bởi Peter Cooper Hewitt. Khi đèn thủy ngân mới được bật, nó
sẽ tỏa ra một ánh sáng mờ màu xanh đậm bởi chỉ có một lượng nhỏ thủy ngân được
ion hóa và áp suất trong ống hồ quang rất thấp, ánh sáng được tỏa ra lúc này chỉ
nằm trong vùng tử ngoại. Khi hồ quang chính bắt đầu và khí đươc làm nóng, và
tăng áp suất, ánh sáng chuyển dần sang vùng khả kiến và áp suất khí cao làm dải
phát xạ của thủy ngân rộng ra, tạo ra ánh sáng gần như màu trắng với mắt người,
mặc dù nó không phải là phổ liên tục. Áp suất trong ống hồ quang tăng lên xấp xỉ 1
atm khi bóng đạt tới nhiệt độ làm việc. [6]
Nguyên tắc hoạt động của đèn là: Thủy ngân trong ống đèn ở nhiệt độ bình
thường tồn tại ở dạng lỏng, sau đó được làm bay hơi và ion hóa bằng một điện cực
khởi động và bắt đầu tạo hồ quang.Cũng giống như các ống huỳnh quang, đèn hơi
thủy ngân cần có bộ khởi động. Đó là một điện cực thứ 3 được gắn gần với điện cực
chính và kết nối với các điện cực chính thông qua môt điện trở. Ống đèn được bơm
đầy khí argon ở áp suất thấp. Khi áp một điện lên các điện cực của đèn, năng lượng
cung cấp đủ để ion hóa khí argon, sau đó khí argon tạo ra một hồ quang nhỏ ở giữa
các điện cực khởi động và các điện cực chính ở gần kề. Hồ quang khởi động này tỏa
nhiệt làm nóng, và ion hóa thủy ngân để bắt đầu tạo hồ quang ở giữa các điện cực
chính, quá trình này mất từ 4-7 phút.

Bảng 1.2: Các vạch phổ mạnh nhất do đèn hơi thủy ngân phát xạ ra gồm:
Bƣớc sóng (nm) Tên

Màu

184,45

Tử ngoại (UVC)

253,7

Tử ngoại (UVC)

Trang 10


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

365,4

I-line Tử ngoại (UVA)

404,7

H-line Tím

435,8

G-line Xanh da trời

546,1

Xanh lá cây

578,2

Vàng cam

Trong áp suất thấp đèn hơi thủy ngân chỉ phát ra 2 vạch có bước sóng
184 nm và 253nm. Chỉ vạch 253 nm là khả dụng. Thạch anh tổng hợp có thể được
sử dụng để vạch 184nm không bị hấp thụ mất. Trong môi trường áp suất vừa, đèn
phát ra các vạch trong khoảng 200–600 nm. Ở áp suất cao, đèn hơi thủy ngân
thường được sử dụng với mục đích chiếu sáng.
1.2.1.4 Diode phát quang (LED):
Như những điốt thông thường, LED là một chip bằng vật liệu bán dẫn có cấy
tạp chất để tạo thành một chuyển tiếp p-n, dẫn điện theo một chiều. Những điện tử
và lỗ từ các điện cực có điện thế khác nhau chảy vào chuyển tiếp. Khi một điện tử
gặp một lỗ, nó rơi xuống một mức năng lượng thấp hơn và nhả năng lượng ra dưới
dạng một quang tử (photon). Bước sóng của quang bức xạ ra, và từ đó là màu của
nó phụ thuộc khoảng cách mức năng lượng của các vật liệu hình thành chuyển tiếp
p-n. [11]
Sự tiêu thụ năng lượng tương đối thấp (1 đến 3 volt, 10 đến 100 miliampe)
và thời gian hoạt động lâu của diode phát quang khiến cho những dụng cụ này trở
thành nguồn sáng hoàn hảo khi chỉ yêu cầu cường độ chiếu ánh sáng trắng ở mức
trung bình. Các kính hiển vi nối với máy tính giao tiếp qua cổng USB, hoặc được
cấp nguồn bằng pin, có thể sử dụng LED làm nguồn sáng bên trong nhỏ gọn, ít tổn
hao nhiệt, công suất thấp và giá thành rẻ, dùng cho việc quan sát bằng mắt hoặc ghi

Trang 11


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

ảnh kĩ thuật số. Một số kính hiển vi dùng trong học tập và nghiên cứu hiện đang
dùng diode phát ánh sáng trắng bên trong, cường độ cao làm nguồn sáng sơ cấp.
Ánh sáng do đèn LED trắng phát ra có phổ màu tương tự với đèn hơi thủy
ngân. Phổ phát xạ của đèn LED trắng được biểu diễn trong hình 1.8 có cực đại phát
tại 460nm là do ánh sáng xanh lam phát ra bởi diode bán dẫn gallium nitride, còn
vùng phát sáng rộng cường độ cao nằm giữa 550 và 650nm là do ánh sáng thứ cấp
phát ra bởi phosphor phủ bên trong lớp vỏ polymer.
Đèn LED phát ánh sáng trắng được chế tạo bằng các phương pháp sau:
a. Phương pháp trộn màu, đem tổ hợp các LED màu đỏ, màu xanh và xanh lá
cây (green) theo một tỷ lệ nhất định về số lượng và độ sáng. Tối thiểu phải
dùng 2 loại LED (xanh và vàng), nhưng cũng có thể dùng 3 loại (đỏ, xanh,
xanh lá cây) hay 4 loại (đỏ, xanh, xanh lá cây, vàng).
b. Phương pháp biến đổi bước sóng, đặt LED màu xanh trong một hệ có chứa
phốtpho chuyển đổi màu, biến một phần ánh sáng xanh ra màu đỏ và màu lá
cây, làm cho mắt người cảm nhận thấy ánh sáng hỗn hợp tạo ra là màu trắng.
Đơn giản nhất là sử dụng LED màu xanh với phốt pho màu vàng: cho ánh
sáng xanh của LED kích thích một chất phốt pho có khả năng tái bức xạ ra
màu vàng. Hỗn hợp ánh sáng xanh và vàng theo một tỷ lệ nào đó sẽ cho ra
ánh sáng tựa như màu trắng. Nếu muốn có màu trắng thật hơn thì dùng LED
màu xanh với nhiều loại phốt pho tái bức xạ ra những màu khác nhau, ánh
sáng hỗn hợp tao ra có phổ tần phong phú và rộng hơn, nhưng giá thành cũng
cao hơn. Cũng có thể dùng LED cực tím với các phốt pho tái bức xạ màu đỏ,
xanh, xanh lá cây, khi đó ánh sánh hỗn hợp (theo một tỷ lệ nhất định) là màu

trắng với phổ tần phong phú và rộng nhất.
c. Phương pháp LED màu xanh kích thích các điểm quang tử (quantum dot):
đem bọc đầu LED màu xanh bằng một lớp siêu mỏng những tinh thể nano
chứa 33 hoặc 34 cặp nguyên tử (thường là Cadmium và Selenium). Ánh sáng

Trang 12


Luận văn Thạc Sĩ

Bùi Anh Thư

xanh kích thích các điểm quang tử sẽ tạo ra được ánh sáng hỗn hợp màu
trắng, có phổ tần tương tự LED cực tím với các loại phôtpho đã nói ở trên.
d. Phương pháp homoepitaxial ZnSe: hãng Sumitomo Electric (Nhật bản) dùng
công nghệ homoepitaxial cấy LED xanh trên một lớp nền ZnSe, để vùng
hoạt tính phát ra ánh sáng xanh còn vùng nền phát ra ánh sáng vàng. Ánh
sáng hỗn hợp có màu trắng với phổ tần tương tự LED cực tím và các phốt
pho, nhưng vì không dùng phốtpho nên hiệu suất phát ánh sáng trắng cao
hơn.
Về lý thuyết phương pháp trộn màu cho hiệu suất phát sáng cao hơn phương
pháp biến đổi bước sóng, vì không có sự tổn hao quang năng do chất phốtpho
chuyển đổi bước sóng. Tuy vậy, để tạo thành một đèn thắp sáng phải ghép nhiều
LED. Với độ sáng yêu cầu như nhau thì đèn dùng toàn LED phát ánh sáng trắng
đơn giản và có thể ghép theo cấu hình bất kỳ, còn với đèn dùng phương pháp trộn
màu việc bố trí LED phức tạp và kích thước đèn lớn hơn. Ngoài ra, do thời gian
thoái hóa của các loại LED có màu khác nhau chênh lệch khá nhiều, cho nên sau
một thời gian sử dụng ánh sáng ra của đèn dùng phương pháp trộn màu biến chất.
Vì vậy ngày nay không mấy ai sản xuất loại này nữa.
Đèn thắp sáng dùng LED có ưu điểm hơn những đèn dùng các nguyên lý cổ

điển ở mấy điểm sau:


Bền – không sợ đứt tóc hay vỡ bóng



Tuổi thọ cao – Tuổi thọ LED đến khoảng 100.000 giờ



Tiêu thụ điện năng ít – hiệu suất phát sáng của LED cao



Mềm dẻo trong sử dụng – LED có kích thước nhỏ nên dễ ghép thành đèn hay
mảng phát sáng theo cấu hình bất kỳ.



Bức xạ nhiệt thấp – tổn hao năng lượng vì bức xạ nhiễu rất bé

Trang 13