Bài giảng Quang học kỹ thuật và ứng dụng - Chương 3: Phương pháp phổ hồng ngoại - Phạm Thị Hải Miền

CHƢƠNG 3
PHƢƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI
1. Cơ sở lý thuyết
2. Máy quang phổ hồng ngoại
3. Phương pháp phổ hồng ngoại Fourier (FTIR)
4. Một số ứng dụng trong y sinh học
1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Phổ hấp thu hồng ngoại là phổ dao động - quay vì khi
hấp thu bức xạ hồng ngoại thì cả chuyển động dao động
và chuyển động quay đều bị kích thích. Bức xạ hồng
ngoại có độ dài sóng từ 0,8 đến 1000μm và chia thành
ba vùng:
1. Cận hồng ngoại (near infrared): λ = 0,8 – 2,5 μm 
(12500 - 4000 cm-1)
2. Trung hồng ngoại (medium infrared): λ = 2,5 – 25 μm
(4000 - 400 cm-1)
3. Viễn hồng ngoại (far infrared): λ = 25 – 1000 μm (400 
- 10 cm-1)
Phổ hồng ngoại (phổ dao động – quay)
Phổ dao động Phổ quay
PT 2 NT PT nhiều NT PT 2 NT PT nhiều NT
Dao động của phân tử 2 nguyên tử
Khi kéo dãn AB sẽ xuất hiện 1 lực F kéo AB về vị trí cân bằng: 
F k r 
Tần số dao động riêng:
1
2
k
m

1 2
1 2
m m
m
m m
Trong đó: k - hằng số lực ;
Mức năng lƣợng dao động của phân tử 2 nguyên tử
Khi các dao động tử thực hiện dao động, dưới tác dụng của lực hồi
phục F thì nó sẽ có thế năng Er:
0( )
rdEF k r k r r
dr
Suy ra: 
2
0 0
1
2
rE k r r E 
Trong đó: Er - thế năng của hệ ứng với một sự chuyển dịch ∆r
E0 - thế năng của hệ ứng với vị trí cân bằng (r = r0)
n - số lượng tử dao động ( n = 0,1,2,3). 
 Theo cơ học lượng tử, năng lượng toàn phần E chỉ có thể nhận
một dãy các giá trị gián đoạn:
1
2
E h n
 Cơ học cổ điển
 Cơ học lượng tử
Đƣờng cong thế năng và các mức năng lƣợng dao động
của phân tử 2 nguyên tử
Dao động điều hòa Dao động không điều hòa
1
2
E h n
21 1( ) ( )
2 2
E h n Ahv n 
Điều kiện hấp thụ bức xạ hồng ngoại:
1. Phân tử có sự thay đổi momen lưỡng cực điện khi dao
động.
 Theo qui tắc này, các phân tử có 2 nguyên tử giống
nhau ko cho hiệu ứng phổ dao động.
2. Δn=±1 (chỉ đúng với dao động điều hoà, với dao động
phi điều hoà Δn có thể là 2, 3).
3. Một phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại chỉ khi nào
tần số dao động tự nhiên của một phần phân tử (tức là
các nguyên tử hay các nhóm nguyên tử tạo thành phân
tử đó) dao động cùng tần số của bức xạ tới.
Dao động của phân tử nhiều nguyên tử
 Dao động co giãn: có sự thay đổi độ dài liên kết giữa các nguyên
tử.
 Dao động biến dạng: có sự thay đổi góc giữa các liên kết. Dao 
động biến dạng cũng gọi là dao động uốn.
Phân tử có N nguyên tử không thẳng hàng có (3N-6) dao
động chuẩn và phổ dao động của phân tử đó có (3N-6) đám phổ
cơ bản.
Phổ quay phân tử 2 nguyên tử
0
r
r1 r2
m1 m2
Năng lượng chuyển động quay:
2
2
( 1)
8
j
h
E j j
I 
Trong đó : I – momen quán tính
j – số lượng tử quay, j=0,1,2,
Các mức năng lượng quayQuay tử cứng
2
( 1)
8
j
j
E h
v j j
h I 
2. MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI
Nguồn phát xạ Đèn sợi đốt 
vonfram
Thanh nén ZrO2, 
ThO2,
Thanh cacbon-silic
Miền phổ
(cm-1)
Hồng ngoại gần, 
miền nhìn thấy
(2500-5000)
Hồng ngoại gần và
trung bình
(400-5000)
Hồng ngoại gần và
trung bình
(300-5000)
1. Nguồn sáng:
2. Bộ đơn sắc:
- Vùng hồng ngoại gần: dùng lăng kính, cách tử thạch anh. 
- Vùng hồng ngoại trung bình và xa: dùng tinh thể NaCl (muối
mỏ) cho vùng 4000 - 650cm-1 lăng kính KBr dùng ở vùng 400 
cm-1 và lăng kính CsI thích hợp cho vùng 270cm-1. 
- Các máy phổ hồng ngoại thế hệ mới được chế tạo theo kiểu biến
đổi Fourier (Fourier Transformation Infrared Spectrometer-FTIR 
Spectrometer). Trong các máy này, người ta dùng bộ giao thoa
(giao thoa kế) Michelson thay cho bộ tạo đơn sắc.
3. Cuvet đựng mẫu: 
λ, μm , cm-1
NaCl 0,25 – 17 40000 – 590
KBr 0,25 – 25 40000 – 400
KCl 0,30 – 20 33000 – 500
Polyetylen 16 – 300 625 – 33

4. Detector:
a. Detector nhiệt: dựa trên hiệu ứng nhiệt do bức xạ hồng ngoại gây ra, có thể
phản hồi đối với mọi tần số; 
- Ưu điểm: có thể dùng được trong một vùng phổ rộng, bao gồm cả vùng
trông thấy lẫn vùng hồng ngoại và vận hành ở nhiệt độ phòng. 
- Nhược điểm: thời gian phản hồi chậm và độ nhạy thấp .
b. Detector photon: dựa trên sự tương tác giữa photon tới và một loại bán dẫn. --
- Ưu điểm: độ nhạy cao và thời gian phản hồi nhanh .
- Nhược điểm: ở nhiệt độ phòng, các detectơ này chỉ làm việc được trong một
vùng phổ hẹp, thường giới hạn trong vùng hồng ngoại gần. Muốn mở rộng
vùng làm việc phải làm lạnh sâu (ví dụ giữ trong nitơ lỏng).
Phân tích định lượng theo phương pháp phổ hồng ngoại dựa vào
định luật cơ bản của Lambert – Beer: 
0lg( )
I
A Cl
I
  
Xác định độ hấp thụ A: phương pháp đường chuẩn; phương pháp
đường nền.
Hạn chế của phƣơng pháp phổ hồng ngoại:
- Cuvet đựng mẫu thường làm bằng NaCl, KBr rất mềm, dễ bị
biến dạng. Cuvet cũng có thể bị tác động hoá học của dung môi.
- Do hiệu ứng liên hợp của các phân tử chất hòa tan có thể dẫn đến
sự thay đổi tần số hấp thụ, hình dáng, cường độ hấp thụ.
- Máy quang phổ hồng ngoại không đủ độ phân giải cần thiết nên
không đủ khả năng đo được những đám phổ có tần số rất hẹp.
- Chỉ riêng phổ hồng ngoại thì đôi khi chưa thể biết đó là chất
nguyên chất hay chất hỗn hợp vì có trường hợp 2 chất có phổ
hồng ngoại giống nhau.
3. PHƢƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI FOURIER 
(FTIR)
Giao thoa kế Michelson
Ưu điểm của máy hồng ngoại biến đổi Fourier: 
- Việc sử dụng giao thoa kế cho phép khe sáng
rộng hơn nên cường độ bức xạ vào detector sẽ
lớn hơn.
- Các bước sóng được xác định chính xác (độ
phân giải cao).
4. MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC
- Ánh sáng cận hồng ngoại chỉ có thể truyền sâu 1-2 cm vào cơ thể 
chụp ảnh cận hồng ngọai trong quá trình phẫu thuật, chụp ảnh các khối
u.
- Máy “infrascanner” (máy chụp ảnh não) ứng dụng công nghệ tia hồng
ngoại ngắn vô hại, có thể nhìn xuyên qua hộp sọ để phát hiện huyết
khối bên trong não; xây dựng các ảnh về chức năng của não.
- Hemoglobin hấp thụ hồng ngoại rất mạnh cũng như phụ thuộc rất nhiều
vào mức ôxy hoá, máy quang phổ cận hồng ngoại rất nhạy với nồng độ
và sự ôxy hoá của hemoglobin. Hai tham số này liên quan trực tiếp đến
lưu lượng máu, dung tích máu, và tốc độ ôxy hoá  chấn đoán sự lão
hoá của tế bào các cơ quan trong cơ thể (não, động tĩnh mạch); đo sự
khác biệt trong nồng độ oxygen của máu để đánh giá hoạt động não.
- Đo lường nồng độ glucose trong máu.
- Máy chụp quang học tuyến vú (để phát hiện ung thư vú)
- Tìm ven máu.
- Chẩn đoán bệnh giãn tĩnh mạch chân.
THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH TĨNH MẠCH BẰNG KỸ 
THUẬT QUANG HỌC
Phổ hấp thụ của củamột số chất có trong da vàmạchmáu
 Sự hấp thụ ánh sáng của tĩnh mạch được quyết định bởi hemoglobin,
melanin và nước. Hemoglobin có hai loại là oxyhemoglobin và
deoxyhemoglobin.
 Trong vùng khả kiến: hemoglobin và melanin là các chất hấp thụ chính. Dựa
vào tính chất hấp thụ này của tĩnh mạch có thể xác định được vị trí của tĩnh mạch
khi chiếu ánh sáng khả kiến.
 Trong vùng cận hồng ngoại, hemoglobin và nước là những chất hấp thụ
chính. Ánh sáng hồng ngoại gần 700 – 1000 nm ít bị hấp thụ bởi các mô
dưới da và có thể xuyên sâu tới mạchmáu trong lớpmô dưới da
THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH TĨNH MẠCH 
BẰNG ÁNH SÁNG KHẢ KiẾN
Kết quả thử 
nghiệm trên tay 
trước và sau khi 
chiếu sáng 
Kết quả so sánh
với thiết bị của
nước ngoài
(Veinlite)
21
THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH TĨNH MẠCH
BẰNG KỸ THUẬT HỒNG NGOẠI GẦN
1. CCD camera
2. LENs
3. IR Filter
4. POL
5. ND
6. LEDs + POL
1. CCD camera: camera có độ nhạy cao với ánh sáng cận hồng ngoại.
2. Kính lọc hồng ngoại (Infrared filter - F. IR): chặn ánh sáng khả kiến,
nó chỉ cho phép tia hồng ngoại đi qua của hệ thống quang học đến
CCD camera.
3. Kính lọc cường độ (Neutral density filter – ND): giảm cường độ ánh
sáng đến CCD camera, đặc biệt hữu dụng khi chụp lại hình ảnh có
thời gian phơi sáng dài dưới nguồn sáng mạnh.
4. Kính phân cực (POL): tăng cường và thêm vào độ tương phản và còn
dùng để giảm bớt sự phản chiếu của môi trường xung quanh.
5. Thấu kính hội tụ: phóng to hình ảnh của những mạch máu nhỏ như
mạch máu ở vị trí ngón tay.
6. Nguồn sáng hồng ngoại gần: LED công suất cao 850 nm, công suất
3W.
HÌNH ẢNHTĨNH MẠCH 
QUA ÁNH SÁNG CẬN HỒNG NGOẠI
Tm ở ngón tay sử dụng LED 850nm và 940nm
Tm ở bàn tay và cổ tay sử dụng LED 850nm
24