Nguyên lý máy quang phổ và ứng dụng trong phân tích chất lượng nước

Trong lĩnh vực phân tích hóa học và môi trường, máy quang phổ là một trong những thiết bị được sử dụng phổ biến nhất nhờ khả năng đo lường nhanh chóng, chính xác và không phá hủy mẫu. Đặc biệt, trong đánh giá chất lượng nước, phương pháp quang phổ giúp xác định được hàm lượng các chất như sắt, mangan, nitrit hay amoni,… chỉ trong vài phút. Vậy nguyên lý máy quang phổ hoạt động như thế nào, quy trình sử dụng ra sao và có những loại máy nào trên thị trường? Hãy cùng TKTECH tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây nhé!

Nguyên lý máy quang phổ

Máy quang phổ hoạt động dựa trên nguyên lý máy quang phổ tức là hiện tượng hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng của các chất hóa học. Khi một chùm ánh sáng đi qua mẫu dung dịch, các phân tử trong mẫu sẽ hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng tại những bước sóng đặc trưng. Dựa trên sự thay đổi này, máy quang phổ sẽ đo cường độ ánh sáng bị hấp thụ hoặc phát ra, từ đó tính toán chính xác nồng độ của chất cần phân tích.

Cụ thể hơn, máy quang phổ thường gồm ba bộ phận chính:

Nguồn sáng: phát ra ánh sáng trắng (đèn halogen, đèn deuterium) hoặc ánh sáng đơn sắc (laser) tùy theo loại máy.

Bộ tán sắc hoặc đơn sắc hóa: phân tách ánh sáng thành các bước sóng riêng biệt. Bộ phận này có thể là:

• Lăng kính thủy tinh (dùng cho vùng khả kiến)
• Cách tử nhiễu xạ (grating) – phổ biến hơn trong các máy hiện đại
• Bộ lọc quang học

Bộ dò (detector): ghi nhận cường độ ánh sáng sau khi đi qua mẫu. Các loại detetor thường gặp: photodiode, photomultiplier tube (PMT), hoặc CCD array.

Phân loại theo nguyên lý

Quang phổ hấp thụ phân tử (Molecular Absorption Spectroscopy)

Đo lượng ánh sáng bị hấp thụ khi đi qua mẫu. Phương pháp này chia thành các loại:

• UV-Vis (tử ngoại – khả kiến, 200-800 nm): dùng cho các hợp chất có liên kết đôi hoặc hệ liên hợp
• IR (hồng ngoại, 2.5-25 μm): phát hiện các nhóm chức hữu cơ dựa trên dao động phân tử

Quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectroscopy – AAS)

Mẫu được nguyên tử hóa bằng ngọn lửa hoặc lò graphite, sau đó các nguyên tử tự do hấp thụ ánh sáng ở bước sóng đặc trưng. Phương pháp này chuyên dùng để phân tích kim loại.

Quang phổ phát xạ (Emission Spectroscopy)

Mẫu được kích thích bằng nhiệt hoặc năng lượng cao, các nguyên tử/phân tử phát ra ánh sáng đặc trưng. Ví dụ: ICP-OES (quang phổ phát xạ plasma cảm ứng).

Tùy vào nguyên lý và dải bước sóng, các máy quang phổ có thể hoạt động trong vùng tử ngoại (UV), khả kiến (Vis) hoặc hồng ngoại (IR). Mỗi vùng phổ cho phép phát hiện và định lượng những nhóm chất khác nhau trong nước.

Trong các phòng thí nghiệm môi trường hay nhà máy xử lý nước, máy quang phổ giúp các chuyên viên nhanh chóng đánh giá và kiểm soát chất lượng nguồn nước. Dưới đây là những ứng dụng phổ biến nhất của thiết bị này:

• Xác định hàm lượng ion kim loại: Đo nồng độ các ion như Fe³⁺, Cu²⁺, Mn²⁺… bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS).
• Phân tích các hợp chất vô cơ trong nước: Như nitrit (NO₂⁻), nitrat (NO₃⁻), photphat (PO₄³⁻), amoni (NH₄⁺)… bằng máy quang phổ UV-Vis.
• Đánh giá độ màu và độ đục: Dựa trên phép đo hấp thụ quang phổ tại bước sóng xác định, giúp xác định mức độ trong – đục của mẫu nước.
• Kiểm tra ô nhiễm hữu cơ: Dùng để xác định COD, BOD hoặc phát hiện các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải.

Quy trình sử dụng máy quang phổ trong phân tích chất lượng nước

Để đảm bảo kết quả chính xác và đáng tin cậy, người vận hành cần tuân thủ quy trình phân tích gồm bốn bước cơ bản sau:

Bước 1: Chuẩn bị mẫu nước

• Lấy mẫu nước đúng cách, tránh nhiễm bẩn hoặc thay đổi thành phần ban đầu.
• Lọc sạch, loại bỏ cặn và thêm hóa chất bảo quản nếu cần (như axit để ổn định kim loại).
• Pha loãng mẫu hoặc chuẩn bị dung dịch chuẩn tùy mục tiêu phân tích.

Bước 2: Thiết lập máy quang phổ

• Bật máy, chọn bước sóng phù hợp với chất cần đo (ví dụ: nitrit – 540 nm, sắt – 510 nm).
• Tiến hành hiệu chuẩn máy bằng mẫu trắng và mẫu chuẩn để đảm bảo đường chuẩn chính xác.

Bước 3: Tiến hành phân tích và thu thập dữ liệu

• Cho mẫu vào cuvet, đặt vào khe đo của máy.
• Máy sẽ chiếu tia sáng qua mẫu, đo cường độ hấp thụ và hiển thị kết quả dưới dạng Abs hoặc mg/L.
• Một số máy hiện đại có thể tự động lưu trữ và xử lý dữ liệu, tiện cho việc quản lý kết quả.

Bước 4: Xử lý và phân tích kết quả

• So sánh kết quả đo với tiêu chuẩn nước (QCVN) để đánh giá chất lượng.
• Vẽ đồ thị hấp thụ – nồng độ, kiểm tra độ lặp lại và sai số.
• Nếu phát hiện sai lệch, cần kiểm tra lại hiệu chuẩn, cuvet hoặc nguồn sáng.

Các loại máy quang phổ

Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại máy quang phổ, mỗi loại phù hợp với những mục đích phân tích khác nhau:

Máy quang phổ phân tử

Đây là loại phổ biến nhất trong phòng thí nghiệm môi trường, hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng của phân tử. Máy quang phổ UV-Vis có thể phân tích các hợp chất vô cơ và hữu cơ hòa tan trong nước, đặc biệt hiệu quả với các chỉ tiêu như nitrit, photphat, sắt hoặc amoni. Ưu điểm của dòng máy này là giá thành hợp lý, thao tác đơn giản và cho kết quả nhanh chóng.

Máy quang phổ nguyên tử

Loại này chuyên dùng để xác định hàm lượng kim loại như chì, đồng, kẽm, mangan… ở mức vết (ppm hoặc ppb). Nguyên lý của máy là đo sự hấp thụ ánh sáng của nguyên tử tự do trong ngọn lửa hoặc lò graphit. Phổ biến nhất là AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) – quang phổ hấp thụ nguyên tử. Máy quang phổ nguyên tử có độ nhạy cao, thích hợp cho các phòng thí nghiệm phân tích môi trường hoặc thực phẩm.

Máy quang phổ huỳnh quang

Máy này hoạt động dựa trên hiện tượng phát huỳnh quang của một số hợp chất khi được kích thích bởi tia UV hoặc ánh sáng khả kiến. Nó có thể phát hiện các hợp chất hữu cơ hoặc kim loại nặng ở nồng độ rất thấp, thậm chí thấp hơn cả giới hạn phát hiện của UV-Vis hay AAS. Ứng dụng phổ biến trong nghiên cứu sinh học, kiểm nghiệm thuốc, và phân tích nước siêu tinh khiết.

Câu hỏi thường gặp về máy quang phổ (FAQ)

1. Máy quang phổ có đo được tất cả các chất trong nước không?

Máy quang phổ chỉ đo được các chất có khả năng hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng trong vùng phổ xác định. Với các chất không phản ứng quang học, cần dùng phương pháp khác như sắc ký hay điện cực ion.

2. Máy quang phổ cần hiệu chuẩn bao lâu một lần?

Tùy theo tần suất sử dụng, nhưng nên hiệu chuẩn định kỳ 1–2 lần/tuần để đảm bảo độ chính xác.

3. Có thể sử dụng máy quang phổ trong phân tích nước thải công nghiệp không?

Có thể sử dụng máy quang phổ trong phân tích nước thải công nghiệp. Tuy nhiên, cần xử lý mẫu trước khi đo để loại bỏ cặn, dầu mỡ hoặc các chất làm đục, nhằm tránh ảnh hưởng đến phép đo quang học.

Có thể thấy, nguyên lý máy quang phổ tuy dựa trên các hiện tượng vật lý cơ bản, nhưng lại mang đến ứng dụng rộng rãi trong kiểm tra và đánh giá chất lượng nước. Từ việc xác định hàm lượng kim loại, hợp chất vô cơ đến phân tích độ tinh khiết, phương pháp quang phổ giúp con người quản lý và bảo vệ nguồn nước hiệu quả hơn.

Nếu bạn đang tìm kiếm máy quang phổ chính hãng, có độ chính xác cao và dễ sử dụng, hãy tham khảo ngay các sản phẩm tại TKTECH.

Đây là đơn vị cung cấp thiết bị đo lường uy tín, chuyên phục vụ phòng thí nghiệm, nhà máy xử lý nước và các cơ sở nghiên cứu trên toàn quốc.