Ứng dụng quang phổ UV-Vis trong phân tích hạt nanocos

Kỹ thuật UV-Vis là một kỹ thuật thiết yếu dùng để nghiên cứu tính chất quang học của vật liệu. Nghiên cứu quang học giúp các nhà nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano vào các mục đích sử dụng khác nhau. Nhiều thiết bị khác nhau được chế tạo dựa trên tính chất quang học của vật liệu, đặc biệt là pin mặt trời. Với sự trợ giúp của kỹ thuật này, khoảng cách dải quang có thể được tính toán, giúp lựa chọn vật liệu cho mục đích chuyển đổi năng lượng như năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện trong pin mặt trời. Ngoài ra, từ kỹ thuật này, độ tinh khiết của mẫu có thể được đo bằng cách so sánh với dung dịch đối chiếu.

Nguyên lý của quang phổ UV-Vis

Quang phổ hấp thụ tia cực tím và khả kiến (UV-Vis) là một kỹ thuật đo sự suy giảm của ánh sáng truyền qua mẫu hoặc phản xạ từ mẫu. Khi ánh sáng chiếu vào mẫu, mỗi vật liệu sẽ hấp thụ một phạm vi ánh sáng nhất định và biểu hiện hành vi tương ứng. Điều này tuân theo nguyên tắc của định luật Beer Lambert, trong đó phát biểu rằng sự hấp thụ ánh sáng của mẫu tỷ lệ thuận với độ dài đường đi và nồng độ của mẫu.

Ta có công thức như sau:

A = log (I0/I) = εcl

Trong đó,

A = Độ hấp thụ
I0= Cường độ ánh sáng chiếu vào tế bào mẫu
I = Cường độ ánh sáng rời khỏi tế bào mẫu
C = Nồng độ mol của chất tan
L = Chiều dài cuvet mẫu (cm.)
ε = Độ hấp thụ mol

Ứng dụng của Quang phổ UV-Vis

Yếu tố quan trọng nhất của kỹ thuật này là ứng dụng của nó đối với các nhà nghiên cứu để cung cấp thông tin về vật liệu khi ánh sáng chiếu vào nó.

Phát hiện nhóm chức năng Chromophore: Để xác định riêng nhóm chức năng trong vật liệu, nó xác nhận sự hiện diện và vắng mặt của Nhóm chức năng trong mẫu phải là hợp chất. Chromophore là một nguyên tử hoặc nhóm chịu trách nhiệm về màu sắc của hợp chất.
Xác định các hợp chất chưa biết: Với sự trợ giúp của phương pháp quang phổ UV-Vis, các hợp chất chưa biết có thể được xác định trong mẫu. Với mục đích này, hợp chất cần thiết được so sánh với phổ của hợp chất tham chiếu, nếu may mắn cả hai phổ đều trùng khớp thì có thể ghi lại xác nhận về hợp chất chưa biết.
Độ tinh khiết của mẫu: Độ tinh khiết của chất có thể được đo bằng kỹ thuật độc đáo này nhằm mục đích so sánh độ hấp thụ của mẫu tham chiếu và mẫu được quan sát, đồng thời thông qua tính toán tương đối về độ tinh khiết. Cường độ hấp thụ của mẫu có thể được xác nhận.
Kích thước của chấm lượng tử: Chấm lượng tử cũng là yếu tố đặc biệt thú vị mỗi khi nói đến quang phổ UV-vis vì kích thước của chấm lượng tử có thể được xác định từ vị trí của đỉnh hấp thụ trong phổ UV-vis. Các chấm lượng tử hấp thụ các bước sóng khác nhau tùy thuộc vào kích thước của các hạt. Cần phải thực hiện nhiều đường cong hiệu chuẩn để xác định kích thước và nồng độ chính xác của các chấm lượng tử, nhưng hoàn toàn có thể và cũng rất hữu ích để có thể xác định kích thước và nồng độ của các chấm lượng tử theo cách này vì những cách xác định kích thước khác rất phức tạp, lại đắt hơn và phạm vi rộng hơn (kính hiển vi điện tử được sử dụng rộng rãi nhất cho dữ liệu này).

Hình: Độ hấp thụ của các CdSe QD có kích thước khác nhau. In lại với sự cho phép của C. B. Murray, D. J. Norris, và M. G. Bawendi, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 8706. Bản quyền: American Chemical Society (1993).

Quang phổ tia cực tím của các hạt nano kim loại quý: Các hạt nano kim loại quý đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ cho các cửa sổ kính màu màu và mang lại nhiều cơ hội cho cảm biến và quang học mới nhờ khả năng tán xạ (làm lệch) và hấp thụ ánh sáng mạnh mẽ của chúng. Một trong những tính chất thú vị và quan trọng nhất của hạt nano kim loại quý là sự cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) của chúng. LSPR của hạt nano kim loại quý phát sinh khi các photon có tần số nhất định tạo ra sự dao động tập thể của các electron dẫn trên bề mặt hạt nano. Điều này gây ra sự hấp thụ photon chọn lọc, tán xạ hiệu quả và tăng cường cường độ trường điện từ xung quanh các hạt nano. Quang phổ hấp thụ tia cực tím khả kiến là một công cụ mạnh mẽ để phát hiện các hạt nano kim loại quý, bởi vì LSPR của hạt nano kim loại cho phép hấp thụ các photon có tính chọn lọc cao. Quang phổ hấp thụ tia cực tím cũng có thể được sử dụng để phát hiện các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến LSPR của hạt nano kim loại quý.
Quang phổ UV-Vis dùng để dự đoán hình dạng hạt nano: Phổ hấp thụ tia cực tím của hạt nano có thể được sử dụng để dự đoán hình dạng của chúng. Như được thể hiện trong Hình bên dưới, phổ hấp thụ tia cực tím khả kiến phụ thuộc nhiều vào hình dạng hạt nano. Hình dạng của hai quang phổ khá khác nhau mặc dù hai loại hạt nano có kích thước giống nhau và được cấu tạo từ cùng một vật liệu.

Hình: Phổ hấp thụ tia cực tím khả kiến của các ống nano vàng đường kính 50 nm (A) và đường kính 25 nm, các ống nano vàng dài 60 nm (B).

Phổ tử ngoại khả kiến xác định trạng thái kết tụ của hạt nano: phổ hấp thụ tia cực tím khả kiến cũng phụ thuộc vào trạng thái kết tụ của hạt nano. Khi các hạt nano ở gần nhau, các plasmon của chúng kết hợp với nhau, điều này ảnh hưởng đến LSPR và do đó ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng của chúng. Sự kết tụ của các hạt nano làm giảm cường độ hấp thụ cực đại mà không làm thay đổi bước sóng tại nơi xảy ra cực đại (λmax).

Hình: Phổ hấp thụ tia UV khả kiến của các chất điều chỉnh độ sáng cầu nano vàng 50 nm với phổ tham chiếu của các hạt nano vàng đơn (A) và phổ hấp thụ tia cực tím khả kiến của các hạt nano vàng 50 nm tiếp xúc với các nồng độ NaCl (B) khác nhau.

Tính toán khoảng cách băng tần: Một ứng dụng thú vị của kỹ thuật này đó là tính toán băng tần thông qua các phương pháp khác nhau, và cũng có nhiều phần mềm khác nhau phục vụ cho mục đích này.

Ta có công thức tính toán như sau:

E = hc/λ (1)

Trong đó,

E = Khoảng cách dải năng lượng
h = Hằng số của Planck
C = Tốc độ ánh sáng
λ = Bước sóng

INTINS hiện đang phân phối các sản phẩm của Ocean Optics (Ocean Insight) cho phép đo này như Ocean HR Series, Ocean SR Series, Ocean FX. Đây đều là những lựa chọn tuyệt vời cho các ứng dụng xử lý tốc độ cao và đo lường các sự kiện nhanh. Chúng cũng là những ứng dụng rất phù hợp bao gồm mô tả đặc tính laser, theo dõi huyết tương và đo độ hấp thụ, từ giám sát huyết tương đến phân tích dược phẩm, v.v.