Máy quang phổ phát xạ hồ quang OES phân tích thành phần kim loại, hợp kim: nguyên lý và ứng dụng

Máy quang phổ phát xạ hồ quang OES phân tích thành phần kim loại, hợp kim: nguyên lý và ứng dụng

Quang phổ phát xạ hồ quang là gì?

Quang phổ phát xạ hồ quang (OES – Optical Emission Spectrometry) là kỹ thuật phân tích phá hủy mẫu, xác định thành phần của kim loại, hợp kim bằng cách đo cường độ của quang phổ sinh ra từ mẫu do electron lớp ngoài bị kích thích bởi nguồn nhiệt mạnh.

Kỹ thuật phân tích quang phổ này được ứng dụng rộng rãi trong việc phân tích xác định được thành phần hóa học của các hợp kim, qua đó định danh được mác vật liệu như : thép cacbon, thép không gỉ, gang hợp kim thấp, …nhanh chóng, chính xác.

Nguyên lý hoạt động

Trong phương pháp OES, năng lượng dùng để kích thích electron trong nguyên tử được sinh ra từ tia lửa điện – hồ quang ở giữa điện cực và bề mặt mẫu. Các electron bị kích thích này sẽ phát ra bức xạ đặc trưng cho từng nguyên tố. Vì có nhiều nguyên tố trong hợp chất cùng

phát quang phổ nên ánh sáng thu được là một tập hợp nhiều ánh sáng đơn sắc và giống như ánh sáng trắng. Toàn bộ ánh sáng được hệ truyền qua hệ thống quang học và quang phổ kế của máy phân tích. Mỗi nguyên tố được kích thích sẽ phát ra ánh sáng đặc trưng bằng một (trừ một số nguyên tố có 2) tần số riêng biệt, mỗi ánh sáng đặc trưng của một nguyên tố có bước sóng (tần số) đặc trưng. Bằng phương pháp phân tích phổ tần số để tách các tia đơn sắc ta sẽ biết được sự có mặt của nguyên tố (dựa vào bước sóng) và hàm lượng của nguyên tố đó (dựa vào cường độ sáng của ánh sáng đặc trưng đó, hay còn gọi là biên độ của tần số ánh sáng đó).Ánh sáng này đặc trưng cho từng nguyên tố hóa học, với quang phổ riêng biệt. Bằng cách đo cường độ đỉnh của phổ, máy quang phổ phát xạ sẽ định lượng được các nguyên tố có trong mẫu hợp kim.

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy quang phổ phát xạ OES

– Một hệ máy quang phổ phát xạ thường gồm các bộ phận sau:

 

+Nguồn phát hồ quang: có nhiệm vụ kích thích nguồn hồ quang để bắn phá mẫu kim loại để mẫu phát ra các tia ánh sáng đơn sắc đặc trưng cho các nguyên tố. 

+Buồng bắn hồ quang: là nơi mẫu được gá vào để bắn phá, buồng bắn hồ quang được thổi khí trơ (thường là Argon) để loai bỏ hết không khí, nhất là Oxy tránh mẫu bị oxy hóa trong quá trình bắn phá, đồng thời giúp ánh sáng quang phổ truyền đi trong môi trường khí trơ cũng tốt hơn, nhằm giảm suy hao ánh sáng trên đường truyền.  

+Cách tử: chùm ánh sáng quang phổ phát ra được đi qua cửa sổ quan và qua khe hẹp tạo thành chùm sáng song song đến cách tử. Cách tử là một gương phẳng có khắc các vạch song song trên đó với mật độ đến hàng ngàn vạch/mm. Chùm sáng trắng đến cách tử sẽ được nhiễu xạ phân tán thành các tia đơn sắc lệch hướng nhau theo chiều từ ánh sáng cực tím đến tím, chàm, lam, vàng, đỏ… như 7 sắc cầu vồng. Cách tử có độ phân dải (mật độ vạch/mm) càng cao thì các tia đơn sắc sẽ được tách ra càng rõ nét hơn, giúp tránh nhiễu chồng quang phổ.  +Gương chuẩn trực là bộ phận tạo ra chùm tia sáng song song. Ánh sáng bức xạ phát ra từ các nguyên tố đi qua hệ thống quang học đến gương chuẩn trực. Gương chuẩn trực này sẽ biến đổi chùm tia tới phân kỳ thành chùm tia song song để đưa sang cách tử.  

+Cảm biến thu ánh sáng (Detector) có nhiệm vụ thu nhận ánh sáng từng tia đơn sắc đặc trưng cho các nguyên tố và biến đổi tín hiệu ánh sáng thành các tín hiệu điện để phục vụ cho việc hiển thị kết quả phân tích. Có 2 loại detector, đó là: CCD, ống nhân quang PMT có độ nhạy và độ khuếch đại khác nhau.  

+Toàn bộ các bộ phận trên được đặt trong buồng kín gọi là buồng quang học. Do ánh sáng quang phổ suy hao mạnh trong môi trường không khí, đặc biệt là ánh sáng cực tím. Do vậy, buồng quang học được điền đầy khí trơ (Argon) hoặc bơm hút chân không, tùy vào loại máy và tùy nhà sản xuất máy.  

+Mạch ghép nối điện tử: Tín hiệu ánh sáng từ Detector được biến đổi thành tín hiệu điện, mạch điện tử truyền tín hiệu đó về máy tính và bằng phần mềm phân tích quang phổ sẽ xây dựng các đường chuẩn của từng nguyên tố. Đường chuẩn được xây dựng dựa trên việc phân tích một tập hợp rất nhiều các mẫu chuẩn có hàm lượng khác nhau. 

+Máy tính và thiết bị ngoại vi để điều khiển, hiển thị kết quả phân tích.

 

1. Công nghệ đầu dò (detector)

Hiện nay trên thế giới đang sử dụng 2 loại đầu dò (Detector) phổ biến sau để sản xuất máy quang phổ phân tích thành phần kim loại: 

• Công nghệ đầu dò CCD (Charge – coupled device): 

Các máy quang phổ truyền thống thường ứng dụng công nghệ cảm biến ánh sáng CCD cho đầu dò. Các điốt quang biến năng lượng ánh sáng thành tín hiệu điện. Điện áp này được sử dụng để nạp điện cho các tụ điện. Sau một khoảng thời gian nạp thì tất cả các chuyển mạch đóng lại và truyền mức năng lượng nạp sang thanh ghi. Sau khi thời gian truyền kết thúc, các chuyển mạch mở ra và tụ điện lại được nạp lại. Dữ liệu từ thanh ghi được chuyển sang bộ chuyển đổi A/D và sau đó đưa vào máy vi tính PC để xử lý.

Theo công nghệ này, toàn bộ ánh sáng được CCD thu về dưới dạng ánh sáng trắng (hỗn hợp của nhiều quang phổ) và phần mềm phân tích phổ xác định bước sóng và độ lớn của các vạch quang phổ từ đó xác định được nguyên tố và hàm lượng của chúng trong hợp kim. Do vậy, máy quang phổ theo công nghệ CCD có các đặc điểm sau:  

• Độ nhạy trung bình: phát hiện các nguyên tố từ ppm trở lên, không phát hiện được các nguyên tố có hàm lượng thấp cỡ ppm trong một số ứng dụng đặc biệt đòi hỏi độ nhạy phát hiện rất cao.  
• Dải quang phổ: CCD phát hiện được hầu hết các bước sóng ánh sáng có dải bước sóng từ 140-800nm, một số nguyên tố có bước sóng UV như Ôxy, Nitơ, Hydro sẽ không phát hiện được.  
• Độ chính xác xác bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm môi trường  
• Độ chính xác lặp lại ở mức trung bình khá  
• Mức độ phổ biến cao, giá thành ở mức thấp hơn so với các công nghệ khác 
•  Một CCD có thể thu được một dải bước sóng liên tục (thường sử dụng 16 CCD để thu dải phổ từ 140-800nm)  
• Có thể nâng cấp khả năng phân tích thêm nguyên tố, thêm nền mà không cần lắp đặt thêm CCD

Tuy nhiên, máy quang phổ công nghệ CCD lại có kích thước nhỏ gọn, ứng dụng được trên nhiều nền kim loại, thiết kế cơ động và đặc biệt là giá thành thấp nên rất phù hợp cho việc phân tích nhanh ở hiện trường cũng như công tác phân loại sản phẩm và nhận dạng mác hợp kim.

• Công nghệ ống nhân quang PMT (Photomultiplier tube):

Nhằm đáp ứng yêu cầu phân tích của các phòng thí nghiệm và khắc phục nhược điểm của máy quang phổ công nghệ CCD, những năm gần đây các hãng chế tạo đã phát triển công nghệ ống nhân quang điện tử (hay còn gọi là công nghệ PMT) ứng dụng cho các phòng thí nghiệm yêu cầu kết quả phân tích đạt độ chính xác và độ nhạy cao.

Hình 3: Nguyên lý hoạt động ống nhân quang PMT

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PMT như hình. Catot quang thu nhận ánh sáng và giải phóng ra các điện tử (electron). Các điện tử này được tăng tốc và di chuyển tới các điện cực trung gian. Tại các điện cực trung gian này, các điện tử va chạm với bề mặt điện cực và làm giải phóng thêm các điện tử. Quá trình cứ tiếp tục đối với tất cả các điện cực khác và kết quả là tại anot sẽ thu được rất nhiều các điện tử. Do đó từ một tín hiệu rất nhỏ ban đầu ta có thể thu được một tín hiệu lớn ở catot với hệ số nhân có thể lên tới 10^6. 

Ưu điểm của công nghệ PMT là dòng tối nhỏ (dòng điện sinh ra do nhiệt độ khi không có ánh sáng chiếu vào catốt), dải quang phổ rộng (từ bước sóng cực tím tới bước sóng hồng ngoại), độ nhạy cao. 

Nhược điểm của công nghệ PMT là mỗi ống PMT chỉ thu được quang phổ của một bước sóng đơn sắc, do đó mà các máy quang phổ phân tích hợp kim sử dụng công nghệ PMT phải sử dụng nhiều phần tử PMT do đó có kích thước lớn và giá thành cao.

Với sự am hiểu công nghệ và luôn muốn mang lại chất lượng tốt nhất cho người phân tích, Belec là hãng đầu tiên và duy nhất trên thế giới trang bị cảm biến CCD phân giải cao kết hợp với ống nhân quang PMT trên dòng thiết bị quang phổ OES di động và hệ quang phổ kế kép 6GSO tiên tiến nhất. Điều mà chỉ thấy trên những thiết bị quang phổ OES để bàn mạnh mẽ nhất. Sự kết hợp này giúp, chất lượng phân tích tương đương với thiết bị phòng Lab:

+Phân tích C với hàm lượng cực thấp chỉ 0.003%

+Phân tích chính xác hàm lượng C, P, S, N, B,..

Cảm biến CCD rất dễ bị nhiễu do nhiệt độ môi trường thay đổi. Nhiệt độ thay đổi từ 30-35 oC là cảm biến CCD đã bị ảnh hưởng gây sai số và độ lặp lại không tốt. Belec thiết kế đầu dò ổn định nhiệt độc quyền (kết hợp CCD và PMT) và công nghệ bù nhiễu giúp thiết bị vận hành ổn định lâu dài và nhất là độ lặp lại tốt, không cần hiệu chuẩn thường xuyên vì ít bị điều kiện môi trường nóng ẩm ngoài hiện trường ảnh hưởng.