C. Thực tập quang phổ phân tử 1. ĐO PHỔ TỬ NGOẠI VÀ KHẢ KIẾN (UV/VIS)
2. ĐO PHỔ HỒNG NGOẠI (IR)
Trong phũng thớ nghiệm thường dựng loại phổ kế IR quột dải súng từ 2,5 àm đến 25 àm tức là từ 4000 cm−1 đến 400 cm−1. Trước đây dùng phổ kế hồng ngoại tán sắc còn hiện nay hầu hết là phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FT - IR), việc điều khiển máy và xử lý tín hiệu đều qua máy tính nhờ các chương trình phần mềm (software). Cần đọc kỹ hướng dẫn trước khi sử dụng.
Để đo phổ có thể thực hiện với các loại mẫu rắn, lỏng và hơi theo các phương pháp chuẩn bị mẫu riêng.
2.2. Cửa sổ cuvet 1. Đặc điểm chung
Để đo mẫu lỏng và hơi cần phải sử dụng mỗi loại cuvet riêng, hình 2.3 chỉ ra mẫu cuvet khí và hình 2.8 chỉ ra cuvet lỏng. Bộ phận quan trọng của cuvet là cửa sổ, đó là hai bản mỏng hình tròn hoặc hình chữ nhật được chế tạo từ tinh thể muối NaCl, KBr, CaF2, CsBr, AgCl... có bề dày thay đổi. Mỗi loại có đặc điểm là chỉ cho một vùng sóng bức xạ hồng ngoại đi qua và tính chất kỹ thuật riêng như độ bền hay dễ bị phá hủy khi tiếp xúc với hơi nước. Ví dụ cửa sổ NaCl, KBr dễ bị mờ và phá hỏng khi có mặt hơi nước, dễ bị vỡ khi va chạm, tuy nhiên nó lại là loại cửa sổ thông dụng vì rẻ tiền. Bảng 2.1 chỉ ra vùng sóng bức xạ hồng ngoại truyền qua và đặc tính của một số vật liệu làm cửa sổ.
2. Làm sạch cửa sổ
Trong quá trình đo mẫu cửa sổ dễ bị bẩn do các mẫu gây ra, cần phải làm sạch. Phương pháp làm sạch các cửa sổ loại tinh thể muối NaCl và KBr là dùng một khăn mỏng mềm hay loại giấy lau mềm, mịn thẫm ướt aceton để lau nhẹ lên bề mặt cửa sổ theo thứ tự sau:
• Nhỏ vài giọt aceton lên bề mặt cửa sổ tai chỗ vết bẩn rồi đặt khăn lau hay giấy lau mềm phủ lên.
• Lau nhẹ và nhanh trên vết bẩn và cả bề mặt cuvet.
• Đặt tấm cửa sổ lên chỗ khô, vẫn dùng khăn đó lau lại vài giây, mở khăn lau ra cho aceton tự bay hơi làm khô.
• Nếu vết bẩn chưa sạch có thể làm lại như vậy một hai lần nữa.
3. Làm bóng bề mặt cửa sổ
Các cửa sổ dùng lâu thường bị mờ hoặc có các vết xước trên bề mặt, có thể khắc phục theo cách sau:
• Đặt một tờ giấy nháp có cỡ 200 hạt/cm2 lên mặt bàn phẳng, nhẵn rồi đặt tấm cửa sổ lên, xoay theo hình số 8 (Hình 2.1a) nhiều lần cho đến khi hết các vết xước và phẳng.
• Làm lại thao tác trên nhưng dùng loại giấy nháp cát mịn hơn, cỡ 600 hạt/cm2. Tiếp tục xoay theo hình số 8 cho đến khi bề mặt cửa sổ hoàn toàn mịn.
• Dùng một loại khăn mềm, mịn bọc lên một tấm kính phẳng và buộc xung quanh bằng một sợi dây cao su làm đá mài (Hình 2.1b).
• Nhỏ một ít chất làm bóng lên tâm của tấm khăn phủ đá mài rồi nhỏ tiếp một ít giọt butanol bão hòa NaCl lên chỗ đó (vì trong ancol thường lẫn một lượng nước sẽ làm vàng bề mặt cửa sổ, khi cho bão hòa NaCl sẽ tránh được hiện tượng này), chú ý không được để rơi muối NaCl không hòa tan hết vào sẽ làm xước bề mặt cửa sổ.
• Xoay đều bề mặt cửa sổ trên miếng đá mài trên theo hình số 8 sao cho luôn tiếp xúc với chất làm bóng.
• Sau khi làm bóng theo cách này ít phút, nhấc tấm cửa sổ ra, lau bằng một khăn mỏng mềm, sạch, khô.
• Quan sát xem cửa sổ đã đạt độ bóng chưa, nếu chưa đạt, làm lại một lần nữa như trên.
• Sau khi làm bóng xong một mặt, tiếp tục làm bóng mặt thứ hai. Độ bóng của nó được kiểm tra qua ghi phổ hồng ngoại. Hình 2.2 chỉ ra phổ hồng ngoại của cửa sổ mờ và cửa sổ sau khi làm bóng.
Hình 2.1. Kỹ thuật mài cửa sổ.
Hình 2.2. Phổ hồng ngoại của cửa sổ mờ (a) và sau khi mài (b).
Bảng 2.1. Đặc tính của một số vật liệu làm cửa sổ Vật liệu Vùng sóng truyền
qua cm−1
Độ hòa tan trong nước (g/100cc H2O)
Đặc tính khác
NaCl 50.000 – 650 35,7 Dễ lau sạch và làm bóng bề mặt, hút ẩm, dễ bị mờ,dung môi đo khan, không đắt
KBr 10.000 – 400 53,8 Dễ lau sạch và làm bóng bề mặt, hút ẩm,dễ bị mờ, dung môi đo khan, đắt hơn loại NaCl CaF2 48.000 – 1.250 1,7.10-3 Khó cắt, khó làm bóng bề mặt, không bị hơi
nước phá hủy, bị muối NH4+ và acid phá hủy, đắt hơn loại NaCl
BaF2 50.000 – 1.000 0,17 Khó cắt, có thể làm bóng bề mặt, đo được với dung môi ẩm, bị muối NH4+ và acid phá hủy, đắt hơn loại NaCl
CsBr 20.000 – 280 123 Khó cắt, có thể làm bóng bề mặt, nhẹ, dễ biến dạng, dung môi đo khan tuyệt đối, rất đắt.
CsI 10.000 – 200 44 Khó cắt, có thể làm bóng bề mặt, nhẹ, dễ biến dạng, nhạy cảm ánh sáng.
AgCl 4.000 – 450 8,9.10–5 Khó cắt, có thể làm bóng bề mặt, nhẹ, dễ biến dạng, nhạy cảm ánh sáng, dung môi đo khan.
Vật liệu Vùng sóng truyền qua cm−1
Độ hòa tan trong nước (g/100cc H2O)
Đặc tính khác
AgBr 22.000 – 280 2.10–5 Khó cắt, khó làm bóng bề mặt, rất đắt Irtran-2
(ZnS)
17.000 – 715 Không tan Khó cắt, khó làm bóng bề mặt, rất đắt.
KRS 20.000 – 250 Không tan Khó cắt, khó làm bóng bề mặt, độc rất đắt.
Polyetilen 600 – 1 Không tan Khó cắt và làm bóng bề mặt, bị hấp thụ mạnh trong vùng hồng ngoại cơ bản, sử dụng cho vùng hồng ngoại xa.
AMTIR 25.000 – 360 Không tan Bị phá hủy bởi kiềm.
2.3. Kỹ thuật đo dạng khí và hơi a. Cuvet khí
Cuvet khí có nhiều loại khác nhau về chiều dài quang trình đi qua cuvet từ 5, 10 cm đến 1, 2, 5, 10, 20 m hoặc còn dài hơn. Loại quang trình dài 5, 10 cm là đơn giản nhất chỉ gồm một ống thủy tinh tròn dài cỡ 5, 10 cm có dung tích 130 đến 200 ml và hai cửa sổ muối KBr, NaCl hay CaF2 ở hai đầu (Hình 2.3a) và hai van nạp, thoát khí. Loại cuvet có quang trình dài hơn 10 cm cần phải có hệ thống gương đặt trong cuvet, quang trình càng dài hệ thống gương càng phức tạp, giá càng cao (Hình 2.3b).
b. Đo mẫu
Có thể sử dụng cuvet khí để đo phổ hồng ngoại của các chất dạng khí hay hơi như HCl, HCN, CO2, H2O và CO. Áp suất trong bình có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn 760 mmHg tùy theo cấu tạo chịu áp của cuvet, áp suất khí trong bình tỷ lệ với cường độ vạch phổ.
Để nạp mẫu khí vào cuvet người ta lắp đặt hệ thống phân phối khí (Hình 2.4). Hệ thống này gồm một nhánh áp suất thấp để hút mẫu từ ngoài và nhánh áp suất cao để nạp mẫu vào cuvet.
• Vận hành nạp mẫu khí và ghi phổ:
• Hút bơm chân không để đuổi hết khí trong hệ thống (cả cuvet khí nối vào trước).
• Đóng van giữa hệ thống và bơm chân không, mẫu khí được đưa vào hệ thống qua ống nạp mẫu cho đến khi áp suất của hệ thống đạt được theo yêu cầu.
• Đóng van trên cuvet khí
• Mở bơm chân không, hút hết khí còn lại ra khỏi hệ thông sau đó lại tắt bơm.
• Khí nén (khí nitơ khô) được mở từ từ vào hệ thống (sau khi van A đóng) cho đến khi áp suất trong ống cao hơn áp suất trên cuvet một ít.
• Mở van cuvet, khí nén đi vào cuvet.
• Khi đạt được áp suất định trước của cả hệ thống, đóng van cuvet lại, sau đó đóng van dẫn cuvet vào.
• Sau khi nạp mẫu xong, đặt cuvet khí vào phổ kế để ghi phổ.
Thực hành: Đo phổ hồng ngoại khí HCl, CO2, NH3 Thực hành ghi phổ của khí NH3 qua các bước sau:
• Nối bình đựng khí NH3 khan vào cửa nạp mẫu trên hệ thống phân phối khí.
• Nối bình khô nén áp suất cao vào cửa nạp khí.
• Nối cuvet khí 10 cm vào cửa nối cuvet của hệ thống.
• Tiến hành lần lượt các bước nêu trên, nạp khí NH3 vào cuvet dưới áp suất 600 mmHg.
• Tháo cuvet khí ra khỏi hệ thống, ghi phổ hồng ngoại vùng 4000 đến 650 cm−1.
• Thay cuvet vào hệ thống phân phối khí, nạp khí NH3 khan theo trình tự trên dưới áp suất trên 200 mmHg. Tháo cuvet ra, ghi phổ hồng ngoại.
• Thay cuvet mới vào hệ thống phân phối khí, nạp khí NH3 vào dưới áp suất 200 mmHg, sau đó nạp khí N2 khô vào cuvet khí dưới áp suất tổng cộng là 700 mmHg. Tháo cuvet khí ra, ghi phổ hồng ngoại.
Đọc và so sánh phổ hồng ngoại ghi được dưới 3 điều kiện áp suất nén khác nhau trong cuvet.
Có gì khác? Giải thích tại sao?
(a) (b)
(a)
Hình 2.3. Cuvet khí (a) và đường truyền ánh sáng trong cuvet (b).
Hình 2.4. Cấu tao của cuvet khí (trên) và hệ thống phân phối khí (dưới).
2.4. Kỹ thuật đo mẫu màng bột, màng nhão và màng mỏng
Để ghi phổ các chất rắn có thể thực hiện theo một số phương pháp khác nhau tùy thuộc vào phương pháp vật lý của nó và điều kiện kỹ thuật của mỗi phòng thí nghiệm.
2.4.1. Phương pháp màng bột 1. Nguyên tắc
Trộn mẫu bột mịn với dung môi aceton rồi nhỏ lên mặt NaCl, cho dung môi bay hơi còn lại một lớp màng bột trên mặt cửa sổ, đặt nó vào máy đo phổ.
2. Dụng cụ, hóa chất
Cửa sổ NaCl, giá đỡ cuvet tháo rời, cối nghiền, ống nghiệm nhỏ, ống nhỏ giọt, thìa xúc hóa chất loại nhỏ, aceton, chất mẫu đo (ví dụ axetanilit), máy thổi khí nóng (máy sấy tóc).
3. Thực hành
• Cân 0,5g axetanilit, cho vào cối sạch đã sấy khô, dùng chày nghiền kỹ thành bột mịn.
• Cho bột này vào đáy của một ống nghiệm nhỏ, thêm 1-2ml aceton tinh khiết vào và lắc hỗn hợp cho đến khi thành một dạng nhão (có thể dùng một que thủy tinh sạch khuấy trộn).
• Dùng ống nhỏ giọt hút hỗn hợp mẫu trên, nhỏ đều lên bề mặt cửa sổ NaCl (tạo lớp mỏng đường kính 1-2 cm), rồi để cho dung môi bay hơi dần trong một thời gian.
• Khi dung môi bay hơi hết, hình thành một màng bột trên bề mặt cửa sổ; cặp tấm cửa sổ này vào giữa hai giá đỡ cuvet vặn ốc giữa lại.
• Kiểm tra độ dày của màng bột bằng cách đặt cuvet vào phổ kế đo mẫu, ghi phổ. Nếu thấy đường nền cao quá (độ truyền qua 0-20% T) là mẫu dày, có thể dùng một tấm cửa sổ khác xoa nhẹ lên bề mặt mẫu rồi nhấc ra. Nếu thấy đường nền thấp (độ truyền qua trên 50% T), tín hiệu phổ không xuất hiện hoặc quá ít do lượng mẫu ít, có thể nhỏ thêm mẫu vào màng bột trên như thứ tự từ đầu.
2.4.2. Phương pháp màng nhão (nujol, florolube) 1. Nguyên tắc
Trộn mẫu bột mịn với parafin lỏng (C20 – C30, gọi là nujol) tạo thành dạng nhuyễn rồi bôi lên mặt cửa sổ cuvet để đo mẫu.
Nujol cho hấp thụ hồng ngoại có các đỉnh mạnh ở vùng 3000 – 2800 cm−1, 1460 và 1376 cm−1, ngoài ra còn có đỉnh nhỏ hơn 720 cm−1 (Hình 2.5a).
Để tránh các vùng hấp thụ trên có thể trộn mẫu bột mịn với florolube LG 160 (hợp chất perflohidrocarbon), chất này không cho hấp thụ hồng ngoại trong vùng 4000 – 1330 am-1 (Hình 2.5b).
2. Dụng cụ và hóa chất
Cửa sổ NaCl (2), giá cuvet tháo rời, cối nghiền, nujol, florolube AG 160, thìa xúc hóa chất, aceton, axetanilit.
3. Thực hành
Cân khoảng 0,1g axetanilit, cho vào cối, dùng chày nghiền mịn, nhỏ 1-2 giọt nujol vào cối, rồi trộn đều tạo thành một thể nhuyễn, dùng thìa xúc hóa chất nhỏ vét chất ở trên thành cối thu lại ở đáy, rồi xúc lên đặt vào tấm cửa sổ cuvet.
• Dùng tấm cửa sổ cuvet thứ hai đậy lên và xoa nhẹ đều, tạo thành một màng mỏng hỗn hợp mẫu ở giữa nhưng tránh sự tạo bọt khí.
• Kẹp hai tấm cuvet có mẫu chất trên vào giá đỡ rồi đặt vào phổ kế đo.
• Kiểm tra: Phổ ghi được có đường nền thấp (độ truyền qua lớn hơn 70% T) và tín hiệu phổ cao nhọn là tốt, nếu đường nền cao, tín hiệu thấp là chế tạo mẫu đo chưa đạt, phải làm lại từ đầu.
• Mẫu trộn với florolube thực hiện tương tự như trên.
2.4.3. Phương pháp màng mỏng 1. Nguyên tắc
Một số mẫu rắn không thể nghiền thành bột nhưng có thể tan được trong các dung môi hồng ngoại như CCl4, CHCl3, CS2, acetonitrin... có thể chế tạo mẫu đo theo cách hòa mẫu đo vào dung môi trên cho tan hoàn toàn, rồi nhỏ vài giọt dung dịch trên lên mặt cửa sổ, để bay hơi hết dung môi tạo ra lớp màng mỏng trên mặt cửa sổ, có thể đặt vào phổ kế để đo được. Trường hợp một vài dung môi khác có hấp thụ vùng hồng ngoại lớn nhưng dễ bay hơi (aceton, ete...) vẫn có thể sử dụng làm dung môi hòa tan được, nhưng cần chú ý phải để lâu cho dung môi bay hết hoàn toàn.
2. Dụng cụ và hóa chất
Cửa sổ cuvet NaCl, giá đỡ cuvet tháo rời, cốc nhỏ (25 ml), ống nhỏ giọt, khăn lau, xenluloacetat (hạt), máy thổi khí nóng (máy sấy tóc), bếp điện có tấm kim loại phủ công suất nhỏ (300 – 400W), aceton (CCl4, CS2 ...).
3. Thực hành
• Bật bếp điện, điều chỉnh nhiệt độ chỉ ấm tay.
• Phủ lên mặt bếp điện khăn lau giấy sạch, đặt cửa sổ cuvet và một cốc nhỏ lên trên đó.
• Cho 0,2 g xenluloacetat vào cốc, sau đó thêm aceton vừa đủ cho tan, lắc nhẹ cốc, chờ mẫu tan hết và cửa sổ cuvet đủ ấm nóng.
• Chú ý: Không được để bếp điện quá nóng và không được nhỏ dung dịch lên mặt cửa sổ vì sẽ làm nó nứt vỡ.
• Dùng ống nhỏ giọt thêm dần dần từng giọt dung dịch mẫu ấm nóng trong cốc lên mặt cửa sổ, cố gắng trải đều thành một lớp mỏng. Sau một thời gian dung môi bay hết sẽ hình thành một màng mỏng trên mặt cửa sổ.
• Thổi khí nóng nhè nhẹ lên mặt màng mỏng cho bay hơi hết dung môi (chú ý thổi xa, cho khí không quá nóng).
• Kiểm tra lớp màng, phải mỏng và trong cho bức xạ hồng ngoại có thể truyền qua được.
• Kẹp tấm cửa sổ có màng mỏng vào giá đỡ cuvet và đặt vào phổ kế để ghi phổ. Nếu phổ có đường nền thấp và tín hiệu phổ cao là mẫu được chuẩn bị tốt.
Hình 2.5. Phổ hồng ngoại của a) nujiol (parafin lỏng); b) florolube.
2.5. Kỹ thuật đo mẫu ép màng KBr 1. Nguyên tắc
Mẫu được trộn lẫn với bột KBr khan trong cối, rồi nghiền mịn và trộn đều, sau đó cho vào khuôn ép thành màng mỏng, đặt vào giá đỡ cuvet để đo phổ.
2. Dụng cụ và hóa chất
• Cối nghiền mã não.
• Máy nghiền dao động.
• Máy ép thủy lực (> 12 tấn) hay máy ép tay.
• Khuôn ép.
• Bột KBr tinh khiết khan.
• Mẫu chất (axetanilit, acid benzoic).
• Khuôn ép được chế tạo bằng thép không rỉ, gồm nhiều bộ phận ghép lại (Hình 2.6c,d), chịu áp lực lớn (>12 tấn/cm2).
• Máy ép thủy lực có lực ép lớn hơn 15 tấn, dùng để ép mãu dạng màng trong suốt (Hình 2.6a).
• Máy ép tay đơn giản và rẻ tiền hơn máy ép thủy lực, tuy nhiên chất lượng mẫu chế tạo kém hơn (Hình 2.6b).
3. Thực hành
Cho 3 – 10 mg chất và khoảng 100 mg chất bột KBr khan vào cối mã não, nghiền kỹ và trộn đều. Sau đó dùng thìa xúc hóa chất nhỏ xúc tất cả vào ống đựng mẫu nghiền, cho 3 viên bi vào, đậy nắp lại, đặt vào máy nghiền dao động, bật máy cho chạy 5 phút, tắt máy và tháo ống đựng mẫu ra.
Mở ống đựng mẫu, lấy các viên bi ra, dùng thìa hóa chất nhỏ xúc lấy chừng 50 mg mẫu để cho vào cối ép.
Chuẩn bị cối ép: Cối ép do các hãng chế tạo có cấu tạo khác nhau, ở đây giới thiệu thao tác sử dụng cối ép của hãng Perkin – Elmer cung cấp. Cối ép bao gồm các bộ phận: Đáy cối (1), thân cối (2), chày (3), thớt dưới (4), thớt trên (5), vòng cao su lớn (6), vòng cao su nhỏ (7), vòng nhựa (8).
• Lắp đặt cối và nạp mẫu:
• Đặt vòng cao su lớn (6) vào đáy (1).
• Đặt thân cối (2) lên đáy cối (1).
• Đặt thớt dưới (4) vào lỗ trong cối. Chú ý cho mặt bóng của thớt lên phía trên và phải đặt cho cân, dùng chày (3) ấn nhẹ thớt xuống tận đáy cối, sau đó rút chày ra.
• Rải đều mẫu chất lấy cối nghiền ra (khoảng 50 mg) lên mặt thớt trong cối, dùng chày cho vào cối xoay nhẹ vài vòng rồi rút chày ra.
• Cho thớt trên (5) vào, chú ý mặt bóng thớt ở phía dưới, đặt thớt cho cân, dùng chày đẩy nó xuống đáy và để yên chày ở đó.
• Lồng vòng cao su nhỏ vào đầu trên của chày.
• Đặt cối ép vào máy ép thủy lực, vặn vít giữ chặt cối, nối ống nhánh của cối với ống cao su của bơm chân không, cho bơm chạy, nâng hạ cần máy ép thủy lực để tăng áp suất đến khoảng
10 tấn (nhìn đồng hồ), để yên 3 – 5 phút, mở van xả khí của máy ép để giảm áp suất xuống bình thường, tắt bơm, tháo ống cao su nối bơm khỏi cối, mở vít trên lấy cối ép ra.
• Nhấc thân cối và chày cối khỏi đáy cối ép, dùng ngón tay phải giữ chày và lật ngược thân cối, đặt vòng nhựa lên mặt thân cối, rồi cứ thế để vào máy ép, vặn vít trên cối từ từ để tháo mẫu và thớt cối ra, nhẹ nhàng nhấc thớt dưới cối rồi lấy màng mẫu ra (cẩn thận dễ vỡ!), đặt nó vào giá đỡ cuvet rắn.
• Đặt cuvet mẫu vào phổ kế, đo phổ.
Thảo luận
Phương pháp ép KBr có ưu điểm tránh được các đỉnh hấp thụ lạ của dung môi hay các chất khác trộn vào, nhưng sự chuẩn bị mẫu phức tạp và thời gian kéo dài hơn. Thông thường dùng phương pháp màng nhão nujol để đo phổ thuận tiện hơn và nhanh hơn, cần chú ý vùng cản trở 3000 đến 2800 cm−1 và 1450 – 1300 cm−1 do nujol hấp thụ không đọc được tín hiệu phổ của mẫu đo.
Hình 2.6. Cối ép và máy ép.