Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Thiết kế, chế tạo cảm biến quang học sử dụng Smartphone

Chia sẻ: Tri Tâm | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài có cấu trúc gồm 3 chương trình bày tổng quan về cảm biến quang học cũng như nguyên lý hoạt động chung thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone dựa trên phép đo độ màu và phép đo quang phổ; quy trình xây dựng thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone dựa trên phép đo quang phổ và chuẩn hóa thiết bị,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Thiết kế, chế tạo cảm biến quang học sử dụng Smartphone

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- LÊ TRẦN THỊNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG HỌC SỬ DỤNG SMARTPHONE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2020
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- LÊ TRẦN THỊNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG HỌC SỬ DỤNG SMARTPHONE Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440130.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. MAI HỒNG HẠNH Hà Nội – Năm 2020
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS. Mai Hồng Hạnh, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn cũng như trong quá trình học tập, nghiên cứu tại trường. Từ tận đáy lòng em xin kính chúc cô cùng gia đình mạnh khoẻ và đạt được nhiều thành công trong các nghiên cứu mới. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô khoa Vật lý - Trường Đại học KHTN, đặc biệt là các thầy, cô giáo trong bộ môn Quang lượng tử đã hướng dẫn tạo mọi điều kiện cho em được học tập và hoàn thành luận văn này. Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo, các cán bộ Phòng Sau đại học, Phòng Công tác và chính trị sinh viên, trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện luận văn. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Hoàng, Tâm và các bạn/em khác trong nhóm đã luôn hỗ trợ nhiệt tình cho tôi/anh trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này. I also would like to thank International Foundation for Science (IFS), Stock- holm, Sweden, and by the Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons (OPCW) grant for supporting this work. Hà Nội, tháng 1 năm 2020 Học viên Lê Trần Thịnh i
This research was supported by the International Foundation for Science (IFS), Stockholm, Sweden, and by the Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons (OPCW), through a grant to Dr. Hanh Hong Mai. Grant NO. I-2-W-6258-1 ii
Mục lục LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC v Danh sách hình vẽ x Danh sách bảng xi Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt xii MỞ ĐẦU 1 1 Tổng quan 5 1.1 Cảm biến quang học . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.1 Bộ phận nhận biết . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.2 Bộ phận chuyển đổi tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.3 Bộ phận thu nhận và xử lí tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.3.1 Ống nhân quang điện . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.3.2 Điốt quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.3.3 CCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.3.4 CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.4 Các thông số của cảm biến quang học . . . . . . . . . . . . . 15 1.1.4.1 Độ nhạy, khoảng hoạt động và giới hạn phát hiện . . 15 1.1.4.2 Độ chọn lọc và tin cậy . . . . . . . . . . . . . . . . 16 iii
Mục lục 1.1.4.3 Thời gian phản hồi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.1.4.4 Tính lặp lại, độ ổn định . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.1 Thiết bị cảm biến quang dựa trên nguyên lý đo độ màu . . . . 18 1.2.1.1 Nguyên lý đo độ màu . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.1.2 Cảm biến quang sử dụng smartphone hoạt động dựa trên nguyên lý đo độ màu và ứng dụng . . . . . 20 1.2.2 Thiết bị cảm biến quang dựa trên nguyên lý đo quang phổ . . 23 1.2.2.1 Nguyên lý đo quang phổ . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.2.2 Cảm biến quang sử dụng smartphone hoạt động dựa trên nguyên lý đo quang phổ và ứng dụng . . . 30 1.3 Một số chất hữu cơ độc hại có trong nước thải . . . . . . . . . . . . . 34 1.3.1 Methyl orange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.3.1.1 Tính chất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.3.1.2 Tính độc hại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.3.2 Methyl violet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.3.2.1 Tính chất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.3.2.2 Tính độc hại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.3.3 Rhodamine B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.3.3.1 Tính chất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.3.3.2 Tính độc hại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.3.4 Coumarin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.3.4.1 Tính chất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.3.4.2 Tính độc hại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2 Thực nghiệm 40 2.1 Cấu trúc thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone . . . . . . . . . 40 2.1.1 Nguyên lý hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.1.2 Thiết kế và chế tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 VNU University of Science Trang iv
2.2 Chuẩn hóa thiết bị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.3 Nguồn sáng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.3.1 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.3.2 LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.4 Các thiết bị đo kiểm chứng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.5 Ứng dụng xử lí ảnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3 Kết quả và thảo luận 62 3.1 Kết quả đo phổ hấp thụ của thiết bị cảm quang sử dụng smartphone . 62 3.1.1 Kết quả đo phổ hấp thụ của Methyl Orange . . . . . . . . . . 62 3.1.2 Kết quả đo phổ hấp thụ của Methyl Violet . . . . . . . . . . . 65 3.1.3 Kết quả đo phổ hấp thụ của Rhodamine B . . . . . . . . . . . 68 3.2 Kết quả đo phổ huỳnh quang của thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.2.1 Kết quả đo phổ huỳnh quang của Coumarin . . . . . . . . . . 70 3.3 Kết quả đo phổ bằng ứng dụng xử lý ảnh . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4 Kết luận 75 Tài liệu tham khảo 77 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 81 v
Danh sách hình vẽ 1.1 Sơ đồ cảm biến quang học. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Ống nhân quang điện [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Sơ đồ nguyên lí hoạt động ống nhân quang điện [24]. . . . . . . . . . 8 1.4 Một số loại điốt quang của hãng Thorlab [36]. . . . . . . . . . . . . . 9 1.5 Burried channel capacitor CCD pixel [4]. . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.6 Cấu trúc của CMOS [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.7 Bộ lọc Bayer và cách thức hoạt động của bộ lọc [19]. . . . . . . . . . 14 1.8 Độ nhạy của cảm biến CMOS khi có bộ lọc Bayer và độ nhạy của cảm biến CCD sử dụng trong các máy quang phổ . . . . . . . . . . . 14 1.9 Nội suy Bayer để tạo nên màu một điểm ảnh . . . . . . . . . . . . . . 15 1.10 Hình ảnh của điện thoại thông minh của một số hãng trên thế giới . . 17 1.11 Ánh sáng truyền qua dung dịch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.12 Nguyên lý hoạt động của máy đo màu [17]. . . . . . . . . . . . . . . 19 1.13 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để xác định nồng độ streptomycin và hình ảnh camera ghi nhận được khi ánh sáng truyền qua mẫu Streptomycin) [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.14 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để xác định nồng độ tetracycline trong sữa (trái), và sự thay đổi màu sắc của ảnh chụp khi nồng độ tetracycline thay đổi với các màu hộp khác nhau (trái). A, B, C và D là các màu sắc khác nhau của hộp đựng hệ đo [12]. . . . . . . 21 vi
Danh sách hình vẽ 1.15 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để xác định nồng độ thủy ngân [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.16 Nguyên lý hoạt động của máy quang phổ [29]. . . . . . . . . . . . . . 23 1.17 Bên trong máy quang phổ Ocean Optics USB4000-FL [18]. . . . . . . 24 1.18 Một khe hẹp của hãng Thorlab với độ rộng khe là 200 µm [37]. . . . . 25 1.19 Một số lăng kính của hãng Thorlab với các vật liệu khác nhau [35]. . 26 1.20 Trong lăng kính tán sắc, chiết suất phụ thuộc vào bước sóng dẫn đến các màu khác nhau khúc xạ ở các góc khác nhau, do đó ánh sáng trắng bị tách thành phổ [25]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.21 Cách tử nhiễu xạ của hãng Thorlab [38]. . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.22 (a) Cách tử phản xạ: ánh sáng tới và các tia nhiễu xạ nằm về cùng một phía của cách tử.(b) Cách tử truyền qua: ánh sáng tới và các tia nhiễu xạ nằm về hai phía của cách tử [5]. . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.23 Cách tử nhiễu xạ lý tưởng và cách tử DVD . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.24 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để đo pH (trái), và kết quả thu được từ thiết bị với các dung dịch có nồng độ pH trong khoảng từ 4 đến 9 tăng dần tương ứng từ (i) đến (vii) [13]. . . . . . . . . . . . 31 1.25 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để đo glúcose (trái), và kết quả thu được từ thiết bị với dung dịch ABTS/HRP/GOx khi có glucose theo thời gian [15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.26 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone đa kênh trong ứng dụng ELISA (trái), và hình ảnh chụp được từ camera của thiết bị với các nồng độ BSA từ 0.125–1.5 mg/mL (phải)[8]. . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hấp thụ của một kênh . . . . . . . . . . . . . 40 2.2 a) Phổ của đèn LED trước (Io ) và sau khi đi qua mẫu dung dịch Rho- damine B (I) được đo bằng thiết bị Avantes, b) Phổ hấp thụ của Rho- damine B sau khi được tính toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3 Sơ đồ nguyên lý phép đo huỳnh quang của một kênh . . . . . . . . . . 42 VNU University of Science Trang vii
Danh sách hình vẽ 2.4 Mô hình của toàn bộ thiết bị được dựng bằng phần mềm AutoCad . . 43 2.5 Hình vẽ phối cảnh của bộ phận gá mẫu và nguồn sáng LED sử dụng cho phép đo hấp thụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.6 Hình vẽ từ trên xuống của bộ phận gá mẫu . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.7 Hình vẽ phối cảnh bộ phận gá mẫu và nguồn sáng Laser điot sử dụng cho phép đo huỳnh quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.8 Hình vẽ phối cảnh bộ phận cách tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.9 Hình ảnh của thiết bị khi chưa lắp thêm phần nguồn sáng cho phép đo huỳnh quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.10 Hình ảnh của thiết bị khi lắp thêm phần nguồn sáng cho phép đo huỳnh quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.11 Hình ảnh đèn thủy ngân (trái), và phổ đèn thủy ngân thu được từ thiết bị Avantes (phải) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.12 Phổ đèn thủy ngân thu được từ thiết bị cảm biến quang sử dụng smart- phone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.13 Sự phụ thuộc của bước sóng vào vị trí điểm ảnh (pixel) . . . . . . . . 50 2.14 Hình ảnh của laser điôt được sử dụng trong phép đo huỳnh quang(trái), và phổ tương ứng của laser điôt (phải) . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.15 Công suất của laser điot theo thời gian . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.16 Hình ảnh của đèn LED được gắn trên thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone (trái),và phổ tương ứng của đèn LED (phải) đo bằng thiết bị cảm biến quang (nét liền) và đo bằng thiết bị Avantes (nét đứt) . . . 53 2.17 Hai vị trí bước sóng 449 nm và 534 nm trên phổ của đèn LED. . . . . 54 2.18 Tỉ số I/Io theo thời gian (Io là cường độ sáng khi vừa bật đèn)) . . . . 55 2.19 Phổ đèn LED đo bằng thiết bị cảm biến quang tại các kênh . . . . . . 56 2.20 Bộ thiết bị quang phổ của hãng Avantes. . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.21 Thiết bị AvaSpec-ULS2048LTEC-RS-USB2 . . . . . . . . . . . . . . 58 2.22 Hệ gá mẫu CUV-ALL-UV/VIS (trái), sợi quang FC-UVIR400-1 (phải) 59 VNU University of Science Trang viii
Danh sách hình vẽ 2.23 Sơ đồ hệ đo hấp thụ và huỳnh quang sử dụng hệ quang phổ Avantes. . 59 2.24 Ảnh thu được từ đo hấp thụ mẫu Rohdamin B với các nồng độ khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.1 a) Phổ hấp thụ của Methyl Orange đo bằng thiết bị cảm biến quang với các nồng độ Methyl Orange từ 0.01 mM – 0.035 mM. b) Phổ hấp thụ của Methyl Orange đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ Methyl Orange từ 0.01 mM – 0.035 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.2 Đường chuẩn đo phổ hấp thụ của Methyl Orange bằng thiết bị cảm biến quang (ký hiệu - hình tròn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu - hình vuông) và đo tại bước sóng 463 nm với các nồng độ Methyl Orange từ 0.01 mM – 0.035 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3 a) Phổ hấp thụ của Methyl Violet đo bằng thiết bị cảm biến quang với các nồng độ Methyl Violet từ 0.005 mM – 0.03 mM. b) Phổ hấp thụ của Methyl Violet đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ Methyl Violet từ 0.005 mM – 0.03 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.4 Đường chuẩn đo phổ hấp thụ của Methyl Violet bằng thiết bị cảm biến quang (ký hiệu - hình tròn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu - hình vuông) và đo tại bước sóng 569 nm với các nồng độ Methyl Violet từ 0.005 mM – 0.03 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.5 a) Phổ hấp thụ của Rodamine B đo bằng thiết bị cảm biến quang với các nồng độ Rodamine B từ 0.0025 mM – 0.009 mM. b) Phổ hấp thụ của Rodamine B đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ Rodamine B từ 0.0025 mM – 0.009 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.6 Đường chuẩn đo phổ hấp thụ của Rhodamine B bằng thiết bị cảm biến quang (ký hiệu - hình tròn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu - hình vuông) và đo tại bước sóng 563 nm với các nồng độ Rhodamine B từ 0.0025 mM – 0.009 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 VNU University of Science Trang ix
Danh sách hình vẽ 3.7 a) Phổ huỳnh quang của Coumarin đo bằng thiết bị cảm biến quang với các nồng độ Coumarin từ 0.002 mM – 0.017 mM. b) phổ huỳnh quang của Coumarin đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ Coumarin từ 0.002 mM – 0.017 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.8 Đường chuẩn đo phổ huỳnh quang của Coumarin bằng thiết bị cảm biến quang (ký hiệu - hình tròn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu - hình vuông) và đo tại bước sóng 526 nm với các nồng độ Coumarin từ 0.002 mM – 0.017 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.9 Giao diện của Ứng dụng (App) sau khi xử lý ảnh và cho ra đồ thị biểu diễn phổ hấp thụ theo bước sóng của Rohdamin B ở sáu kênh. . . . . 74 VNU University of Science Trang x
Danh sách bảng 1.1 Một số loại vật liệu thường được dùng trong chế tạo điốt quang [23]. . 10 3.1 Nồng độ các mẫu Methyl Orange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.2 Nồng độ các mẫu Methyl Violet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.3 Nồng độ các mẫu Rhodamine B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.4 Nồng độ các mẫu Coumarin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.5 Nồng độ các mẫu Rhodamine B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 xi
Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt PLA - Polylactic Acids CCD - Charge Coupled Device - linh kiện tích điện kép CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor - bán dẫn oxit kim loại bù LOD - Limit of detection - giới hạn phát hiện AuNP - Gold nanoparticle - hạt nano vàng ELISA - Enzyme-linked Immunosorbent assay - xét nghiệm miễn dịch enzyme pha rắn LED - Light Emitting Diode - điốt phát quang xii
MỞ ĐẦU Ở Việt Nam trong thời gian gần đây, các thông tin về ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt xuất hiện tràn ngập trên các báo đài. Tại các khu công nghiệp hàng trăm đơn vị sản xuất lớn nhỏ, hàng tấn nước thải chưa qua xử lí hoặc chưa xử lí theo đúng quy trình đã được xả trực tiếp vào đường ống, các chất ô nhiễm hữu cơ, các kim loại đã thâm nhập vào nguồn nước. Không chỉ ở các khu công nghiệp thì ngay các làng nghề thủ công truyền thống hay khu chăn nuôi, chế biến thực phẩm nước thải từ các hoạt động sản xuất không được xử lí cũng được thải trực tiếp ra môi trường, đặc biệt chúng thường nằm ngay trong khu dân cư [1]. Ô nhiễm nước không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường mà còn là mối nguy hại lớn với sức khỏe người dân. Theo thống kê mỗi năm có đến 9000 người chết vì ô nhiễm nguồn nước, và phát hiện 100.000 trường hợp ung thư mỗi năm mà nguyên nhân chính là do sử dụng nguồn nước ô nhiễm [2]. Khảo sát 37 xã mang tên “làng ung thư” đã có 1.136 người chết vì các bệnh ung thư. Ngoài ra, còn có 380 người ở các xã lân cận cũng chết bởi ung thư [3]. Hiện nay, để đánh giá mức độ ô nhiễm đã có rất nhiều phương pháp lý, hóa được đưa vào sử dụng. Trong các phương pháp lý nổi bật là phép đó quang học (huỳnh quang, hấp thụ, truyền qua), đây là những một trong những phép đo nhanh, chính xác, không phá hủy mẫu và thường được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu, xác định định lượng sự có mặt của các chất trong mẫu ở nồng độ rất thấp. Để tiến hành các phép đo này, người ta thường sử dụng các thiết bị phân tích quang phổ đắt tiền và được đặt cố định trong phòng thí nghiệm. Mặc dù các thiết bị này có độ nhạy, độ tin cậy cao, và khả năng xác định sự có có mặt của các chất ở nồng độ rất thấp nhưng chúng 1
thường cồng kềnh, chi phí cao và bản thân các phép đo phải được thực hiện bởi các kỹ thuật viên có tay nghề, trình độ cao trong ngành quang học. Với mong muốn khắc phục những khó khăn này, các nhà khoa học đang hướng tới việc phát triển các thiết bị quang học cầm tay, nhỏ gọn, với độ tin cậy cao, đặc biệt là phát triển các cảm biến quang học cầm tay sử dụng điện thoại thông minh (smartphone) [9][10][7][6]. Trong những năm gần đây, smartphone đang dần trở nên phổ biến và là một phần trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Smartphone ngày càng được trang bị những vi xử lí mạnh mẽ với khả năng tính toán cực lớn cùng với đó là những công nghệ bên trong smartphone cung cấp nhiều tính năng cho các ứng dụng khác nhau. Đặc biệt các smartphone hiện nay đều được tích hợp thêm camera (máy ảnh kĩ thuật số). Với sự phát triển của công nghệ cảm biến ảnh CMOS, chất lượng của các camera trên smartphone đang có những cải tiến và nâng cấp vượt trội. Nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới hiện đang tích cực phát triển hoặc chuyển đổi smartphone thành công cụ cảm biến quang học cho các ứng dụng khác nhau như đo quang phổ [9], đo độ màu [10], cảm biến cộng hưởng plasmon bề mặt [7], nhận diện thuốc [6]. Nguyên lý hoạt động của các thiết bị này đó là sử dụng một nguồn sáng ở bên ngoài (LED, Laser, nguồn đèn) chiếu vào mẫu, ánh sáng sau khi tương tác với mẫu sẽ được đưa qua hệ thống thấu kính và cách tử để tán xạ và cuối cùng là được chiếu tới CMOS của smartphone. Các CMOS này có thể được sử dụng như một đầu dò (detetor) để xử lý các tín hiệu quang học đưa với độ tin cậy cao. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ CMOS kết hợp những đặc tính nổi bật của smartphone như có khả năng kết nối internet, các phần mềm ứng dụng thông minh, dễ sử dụng, hiển thị dễ dàng nên các thiết bị cảm biến quang học dựa trên điện thoại thông minh có những đặc tính nổi trội như giá thành rẻ, nhỏ gọn, dễ sử dụng, dễ vận chuyển và thân thiện với người dùng. Mặc dù các thiết bị quang học được phát triển dựa trên smartphone có những ưu điểm nổi bật, hứa hẹn nhiều tiềm năng nhưng đây vẫn là một hướng nghiên mới và 2
Danh sách bảng việc ứng dụng các thiết bị này trong khoa học và trong cuộc sống trên thế giới và đặc biệt tại Việt Nam còn rất hạn chế. Do đó tác giả đã đưa ra đề tài: "Thiết kế, chế tạo cảm biến quang học sử dụng smartphone", nhằm hướng tới việc tạo ra một thiết bị sử dụng smartphone để xác định nồng độ các chất hữu cơ độc hại, bị cấm trong công nghiệp dệt nhuộm và công nghiệp thực phẩm như Rohdamin B, Methyl Violet, Methyl Orange và Coumarin trong nước. Thiết bị sử dụng cách tử nhiễu xạ từ DVD, phần khung được làm từ vật liệu Polylactic Acids (PLA) sử dụng công nghệ in 3D. Thiết bị có băng thông 300nm (từ 400nm đến 700nm) với độ phân giải 0,168 nm/pixel. Đặc biệt thiết bị cho phép đo được nhiều mẫu trong một phép đo giúp tiết kiệm thời gian nhưng vẫn giữ được thiết kế đơn giản. Sau khi được chế tạo thiết bị được thử nghiệm trong việc xác định nồng độ các chất hữu cơ độc hại, bị cấm trong công nghiệp dệt nhuộm và công nghiệp thực phẩm. Độ chính xác của thiết bị được đánh giá thông qua việc so sánh với kết quả thu được từ thiết bị đo trong phòng thí nghiệm. Luận văn bao gồm 4 chương: • Chương 1: Tổng quan Trình bày tổng quan về cảm biến quang học cũng như nguyên lý hoạt động chung thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone dựa trên phép đo độ màu và phép đo quang phổ. Trình bày một số ứng dụng của các thiết bị cảm biến quang dựa trên smartphone. • Chương 2: Thực nghiệm Trình bày quy trình xây dựng thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone dựa trên phép đo quang phổ và chuẩn hóa thiết bị. • Chương 3: Kết quả và thảo luận Khảo sát thiết bị cảm biến quang dựa trên smartphone. Trình bày kết quả thu được từ phép đo hấp thụ và huỳnh quang để xác định nồng độ các chất hữu cơ độc hại, bị cấm trong công nghiệp dệt nhuộm và công nghiệp thực phẩm như VNU University of Science Trang 3
Danh sách bảng Rohdamin B, Methyl Violet, Methyl Orange và Coumarin trong nước. • Chương 4: Kết luận Kết luận chung của toàn luận văn. VNU University of Science Trang 4
Chương 1 Tổng quan 1.1 Cảm biến quang học Cảm biến quang học là một thiết bị có khả năng cung cấp thông tin từ tín hiệu quang học. Cảm biến quang học có khả năng thu nhận tin hiệu quang từ các đối tượng cần nhận biết sau đó chuyển đổi thành tín hiệu điện có thể xử lí và đọc được. So với các loại cảm biến khác như cảm biến điện tử, điện hóa, hóa học hoặc cơ học, cảm biến quang nổi bật với những ưu điểm như cho kết quả nhanh, chính xác, ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài và đặc biệt là không phá hủy mẫu. Cảm biến quang học được sử dụng nhiều trong hóa phân tích và vật lý, như đo phổ huỳnh quang, phổ tán xạ Raman, đo độ màu và bề mặt cộng hưởng plasmon. Cảm biến quang học sẽ bao gồm 3 bộ phận chính như trong hình 1.1: (1) Bộ phận nhận biết dùng để tạo ra các tín hiệu quang đặc trưng của các đối tượng cần nhận biết. (2) Bộ phận chuyển đổi tín hiệu đóng vai trò chuyển đổi tín hiệu phức tạp thành tín hiệu đã được phân tách. (3) Bộ phận thu nhận và xử lí tín hiệu đóng vai trò tiếp nhận các tín hiệu quang và chuyển đổi thành tín hiệu điện có thể xử lí và đọc được, từ đây đưa ra thông tin về đối tượng cần nhận biêt. 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Hình 1.1: Sơ đồ cảm biến quang học. 1.1.1 Bộ phận nhận biết Bộ phận nhận biết có chức năng tương tác với các đối tượng cần nhận biết được đưa vào hệ thống cảm biến nhằm tạo ra tín hiệu quang đặc trưng. Các đối tượng nhận biết là các mẫu chất hóa học dưới những dạng như dung dịch, dạng màng, bột, ... Trong các cảm biến đo phổ huỳnh quang, bộ phận nhận biết là nguồn sáng có khả năng kích thích mẫu để tạo ra ánh sáng huỳnh quang. Trong các cảm biến đo độ màu và đo phổ hấp thụ, bộ phận nhận biết là nguồn sáng có phổ nằm trong vùng hấp thụ của mẫu. 1.1.2 Bộ phận chuyển đổi tín hiệu Tín hiệu quang từ bộ phận nhận biết đi tới bộ phận chuyển đổi thường là ánh sáng đa sắc. Các ánh sáng này sau khi ra khỏi bộ phận chuyển đổi sẽ trở thành các tia đơn sắc. Bộ phận chuyển đổi tín hiệu thường là một hệ thống các linh kiện quang học. VNU University of Science Trang 6