Máy quang phổ phát xạ được ví như một chiếc kính vi mô mạnh mẽ, giúp con người phân tích mẫu vật ở cấp độ nguyên tử. Vậy máy quang phổ là gì, hoạt động theo nguyên lý nào, có cấu tạo ra sao mà được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp đến vậy? Hãy cùng TECHNO tìm hiểu chi tiết ngay sau đây!
I. Máy quang phổ phát xạ (OES) là gì?
Quang phổ phát xạ viết tắt là OES (Optical emission spectrometer) là phương pháp phân tích vật liệu bằng cách phá hủy mẫu, từ đó xác định thành phần của kim loại hoặc hợp kim bằng cách phân tích ánh sáng do mẫu vật phát ra, sau đó xác định nguyên tố có mặt và hàm lượng của chúng.
Máy quang phổ phát xạ (OES) được ứng dụng rộng rãi và được sử dụng chủ yếu để xác định thành phần của các mẫu hợp kim, kim loại trong ngành công nghiệp sản xuất kim loại như: thép cacbon, hợp kim gang, thép không gỉ,…
II. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
1. Cấu tạo
Hệ máy quang phổ phát xạ thường gồm 3 phần chính:
- Hệ thống kích thích (hệ thống phát xạ)
- Hệ thống quang học
- Hệ thống xử lý dữ liệu
Hệ thống kích thích hay còn gọi là hệ thống phát xạ có nhiệm vụ kích thích nguyên tử trong mẫu vật phát ra ánh sáng. Ánh sáng này sẽ có bước sóng đặc trưng cho từng nguyên tố, do có sự khác biệt này mà máy quang phổ phát xạ sẽ phân tích và xử lý cho ra kết quả chi tiết cấu tạo của mẫu hợp kim cần phân tích. Các phương pháp kích thích phổ biến bao gồm: tia lửa điện, tạo trường điện từ plasma ion hóa nguyên tử và Laser.
Hệ thống quang học có cấu tạo bao gồm thấu kính, gương và khe hẹp với chức năng thu thập, hội tụ, phân tách ánh sáng thành các tia sáng đơn sắc. Hệ thống này sẽ đảm bảo chính xác độ phân giải của quang phổ, từ đó đưa tới hệ thống xử lý dữ liệu các thông tin chính xác.
Hệ thống xử lý dữ liệu là một máy tính để thu tất cả tín hiệu từ các đầu thu. Từ đó sẽ tính toán, xử lý, đưa ra số liệu cụ thể cho từng nguyên tố và thành phần hàm lượng của chúng trong hợp kim dựa vào tín hiệu thu được trong quá trình phân tích.
2. Nguyên lý hoạt động
Tương tự như phương pháp XRF, máy quang phổ phát xạ cũng dựa trên nguyên lý thu thập và phân tích ánh sáng phát xạ từ các nguyên tử trong mẫu vật khi bị kích thích.
Trong phương pháp OES, mẫu hợp kim sẽ được đưa vào buồng kích thích và tiếp xúc với nguồn năng lượng cao từ tia lửa điện, plasma (ICP), tia laser hoặc các nguồn khác. Sau khi có kích thích các nguyên tử trong mẫu vật, khiến chúng chuyển từ trạng thái năng lượng thấp sang trạng thái năng lượng cao hơn.
Khi hợp kim đã ở trong trạng thái năng lượng cao, các electron sẽ giải phóng năng lượng điện từ dưới dạng bức xạ điện từ (hay ánh sáng). Ánh sáng phát ra từ mỗi nguyên tố có bước sóng và cường độ đặc trưng, phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử của nguyên tố đó.
Hệ thống quang học sẽ thu thập ánh sáng phát xạ đó hội tụ và phân tách thành các tia sáng đơn sắc theo bước sóng bằng lăng kính hoặc mạng tán xạ. Mỗi tia sáng đơn sắc được thu nhận bởi một bộ thu (như ống nhân quang điện) và chuyển đổi thành tín hiệu điện tử.
Bằng cách đo cường độ đỉnh của quang phổ, máy quang phổ phát xạ sẽ hiển thị trên máy hoặc in ra giấy hình ảnh của quang phổ.
Cuối cùng, bằng cách phân tích quang phổ, có thể xác định các nguyên tố có mặt trong hợp kim và hàm lượng của từng kim loại.
III. Các công nghệ đầu dò được áp dụng
Hiện nay, có 2 loại đầu dò (Detector) để sản xuất máy quang phổ phân tích thành phần kim loại là CCD (Charge – coupled device) và PMT (Photomultiplier tube)
1. CCD (Charge – coupled device)
CCD (Charge – coupled device) là cảm biến hình ảnh dạng bán dẫn, sử dụng mạng lưới các điốt để thu nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tử. Công nghệ này sử dụng một dãy cảm biến CCD để thu tín hiệu cùng một lúc nhiều nguyên tố có trong hợp kim.
Ưu điểm:
- Độ phân giải cao, hình ảnh phân tích rõ nét
- Điều kiện ánh sáng yếu vẫn đảm bảo hoạt động tốt
- Dải động rộng, ghi nhận được nhiều mức độ sáng khác nhau
- Giá thành thấp
- Tiêu thụ điện năng thấp
- Kích thước nhỏ gọn
- Thiết kế cơ động
Nhược điểm:
- Độ nhạy trung bình
- Giá thành cao
- Tốc độ đọc dữ liệu chậm
- Nhiễu nhiệt cao
2. PMT (Photomultiplier tube)
PMT (Photomultiplier tube) là ống nhân quang điện, sử dụng hiệu ứng nhân điện tử để khuếch đại ánh sáng thành tín hiệu điện tử. PMT sử dụng các cảm biến thu tín hiệu cho từng bước sóng đơn lẻ nhằm khắc phục nhược điểm của công nghệ CCD.
Ưu điểm:
- Độ nhạy sáng cực cao, hoạt động tốt trong điều kiện ánh sáng rất yếu
- Tốc độ đọc dữ liệu nhanh
Nhược điểm:
- Độ phân giải thấp hơn
- Tiêu thụ điện năng cao
- Kích thước lớn
- Giá thành cao
- Dễ bị nhiễu bởi từ trường và rung động
IV. Ưu điểm của máy quang phổ phát xạ OES
So với các công nghệ phân tích khác, công nghệ được ứng dụng trong máy quang phổ phát xạ (OES) sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật như:
- Tốc độ phân tích nhanh chóng: OES cho phép đo lường nhanh chóng nhiều loại nguyên tố với % vật liệu kim loại khác nhau, bao gồm cả các nguyên tố quan trọng rất cần trong công nghiệp chế tạo hợp kim như: cacbon, lưu huỳnh, phốt pho, bo và nitơ.
- Độ chính xác cao: OES thể hiện hiệu quả vượt trội trong việc đo các nguyên tố vi lượng và hàm lượng thấp.
- Giá thành hợp lý: So với các kỹ thuật phân tích khác, OES có mức giá tương đối cạnh tranh.
Từ những ưu điểm vượt trội trên máy quang phổ phát xạ OES được xem là công nghệ lý tưởng để phân tích hàm lượng kim loại dạng vết. Tính đến thời điểm hiện tại, OES là cũng là phương pháp duy nhất có khả năng phân tích cacbon và nitơ nhanh chóng mà không cần đưa mẫu đến phòng thí nghiệm.
V. Ứng dụng
Hiện nay, máy quang phổ phát xạ (OES) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp như:
- Sản xuất kim loại: OES có chức năng phân tích thành phần nguyên tố trong quặng kim loại, thép, hợp kim, nhôm, đồng,…, kiểm soát chất lượng sản phẩm hợp kim và nghiên cứu phát triển hợp kim mới.
- Năng lượng: OES được ứng dụng để phân tích thành phần kim loại trong nhiên liệu hóa thạch, lò phản ứng hạt nhân,…, kiểm tra và đánh giá chất lượng nhiên liệu hạt nhân cũng như phát triển các nguồn năng lượng tái tạo mới.
- Công nghiệp thực phẩm: OES cũng được sử dụng để xác định thành phần trong đồ ăn, đồ uống. Từ đó đảm bảo chất lượng đầu ra sử dụng thực phẩm cũng như cải thiện chất lượng dinh dưỡng.
Ngoài một số các ngành công nghiệp được ứng dụng nổi bật trên, máy quang phổ phát xạ cũng được ứng dụng trong đa dạng các lĩnh vực khác như ngành y tế, ngành sản xuất thuỷ tinh, xi măng và nông nghiệp.
Không chỉ vậy, OES còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học như khảo cổ học để phân tích thành phần nguyên tố trong các di vật khảo cổ, ngành địa chất để phân tích thành phần các nguyên tố trong đá, khoáng chất và phân tích thành phần chất ô nhiễm trong môi trường.
VI. Top 3 thương hiệu máy quang phổ phát xạ uy tín hiện nay
1. Máy quang phổ phát xạ Metal Power
Máy quang phổ phát xạ Metal Power (MP-OES) là một thiết bị phân tích sử dụng nguồn kích thích ICP, bộ dò CCD được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố của kim loại và hợp kim. Máy hoạt động dựa trên các kích thích nguyên tử trong mẫu phát ra ánh sáng, sau đó phân tích ánh sáng đó để xác định các nguyên tố có mặt và nồng độ của chúng. MP-OES được đánh giá là độ chính xác cao, hiệu quả cao và dễ sử dụng. Đây cũng chính là lý do khiến MP-OES trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp ứng dụng.
Tuy nhiên, để đảm bảo trong quá trình sử dụng được hiệu quả cao nhất, việc vận hành và giải thích kết quả MP-OES đòi hỏi một số kiến thức và kỹ năng chuyên môn. MP-OES cũng cần được bảo trì định kỳ và thay thế linh kiện, tuỳ vào hiện trạng máy để đảm bảo hiệu suất máy tốt nhất.
2. Máy quang phổ phát xạ PerkinElmer
Máy quang phổ phát xạ PerkinElmer là dòng máy phân tích được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố của nhiều loại vật liệu, đặc biệt là kim loại. Nguyên lý hoạt động của máy tương tự Metal Power, tuy nhiên PerkinElmer OES được biết đến với độ chính xác, độ tin cậy cao, đi kèm với mức giá cao hơn. Đây cũng là một lựa chọn được nhiều ngành công nghiệp tin tưởng bởi tính ứng dụng cao.
3. Máy quang phổ phát xạ Agilent Technologies
Agilent Technologies OES là dòng thiết bị cao cấp phân tích, sử dụng công nghệ CCD và PMT với phạm vi bước sóng 170-850nm. Thiết bị này được biết đến với độ chính xác cao, chi phí đắt nên được ứng dụng nhiều trong phân tích đòi hỏi tính chuyên sâu và khắt khe nhất.
Tóm lại, nếu bạn cần phân tích kim loại và hợp kim với ngân sách thấp, tiết kiệm không gian hoặc cần di chuyển máy thường xuyên thì máy quang phổ phát xạ MP-OES là một lựa chọn tuyệt vời bởi giá thành và sự gọn nhẹ của máy. Còn nếu bạn cần độ chính xác cao nhất hoặc cần phân tích nhiều loại vật liệu thì PerkinElmer OES hoặc Agilent OES là lựa chọn nên ưu tiên. Liên hệ TECHNO ngay hôm nay để được tư vấn về loại máy quang phổ phù hợp nhất với nhu cầu của bạn nhé!
