methods analysis
DESCRIPTION
methodsTRANSCRIPT
1
MỞ ĐẦU
Các phương pháp phân tích bằng công cụ có vai trò đặc biệt quan trọng
trong sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ. Với sự phát
triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin học, các máy móc thiết bị phân tích
cũng được hiện đại hóa, cho phép xác định nhanh chóng với độ chính xác cao
các mẫu chứa hàm lượng rất nhỏ của các chất phân tích.
Nhóm các phương pháp phân tích quang học dựa trên các tính chất quang
học của chất cần phân tích, có một số phương pháp sau:
1. Phương pháp trắc quang dựa trên phép đo lượng bức xạ điện từ ( bxđt )
do dung dịch phân tích hấp thụ. Ở đây còn kể đến phương pháp hấp đục, dựa
trên phép đo lượng bxđt bị hấp thụ bởi các hạt huyền phù (dung dịch keo);
Phương pháp khuyếch đục, dựa trên phép đo lượng bxđt bị khuyếch tán bởi các
hạt huyền phù.
2. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES (Atomic Emision
Spectrometry), dựa trên sự khảo sát phổ phát xạ nguyên tử của nguyên tử chất
phân tích.
3. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS (Atomic Absorption
Spectrometry), dựa trên sự khảo sát phổ hấp thụ nguyên tử của nguyên tử của
chất phân tích.
4. Phương pháp phát quang, dựa trên phép đo cường độ bức xạ do chất
phân tích phát ra, dưới tác dụng của năng lượng bxđt chiếu vào nó.
Ngoài ra, thuộc vào các phương pháp quang học còn có phương pháp
khúc xạ, dựa trên phép đo chiết suất của chất phân tích; Phương pháp phổ hồng
ngoại IR, Phương pháp phổ Rơntgen; Phương pháp phổ Raman…
2
CHƯƠNG 1. CÁC VẤN ĐỀ CHUNG
1.1. Bản chất của bức xạ điện từ và các phương pháp phổ
1.1.1. Bản chất của bức xạ điện từ
Bức xạ điện từ ( bxđt ) bao gồm từ sóng vô tuyến đến các bức xạ Rơntgen
và Gamma đều có bản chất sóng và hạt.
Bản chất sóng của bxđt thể hiện ở hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa, bxđt
là những dao động có hai thành phần là điện trường và từ trường, các sóng này
truyền đi trong không gian với vận tốc của ánh sáng theo hình sin có các cực đại
và cực tiểu; khoảng cách giữa 2 đầu mút của một sóng được gọi là bước sóng,
ký hiệu λ. Cường độ của bxđt tỉ lệ với biên độ của dao động. Những bxđt khác
nhau có độ dài bước sóng khác nhau hay bước sóng là đại lượng đặc trưng cho
bxđt. Ngoài ra bxđt còn được đặc trưng bằng tần số υ, giữa bước sóng và tần số
liên hệ với nhau qua biểu thức:
c = λ υ (1.1)
hay λ = c / υ (1.2)
trong đó c là tốc độ ánh sáng, c = 3.108 m/s
Trong các phương pháp phổ, người ta còn dùng đại lượng nghịch đảo của
λ ( 1/λ ) gọi là số sóng để đặc trưng cho sóng, đơn vị của số sóng luôn là cm-1
υ = 1/ λ ( 1.3)
Với bản chất hạt, bxđt là những phần nhỏ mang năng lượng được gọi là
photon, các dạng bxđt từ khác nhau có năng lượng khác nhau.
Sự thống nhất giữa bản chất sóng và bản chất hạt của bxđt được thể hiện
trong biểu thức:
ε = hυ = hc/λ (1.4)
trong đó h là hằng số Planc, h = 6,62.10-34J.s
1.1.2. Đơn vị đo và sự phân chia các vùng bxđt
Trong biểu thức 1.4 là các đại lượng đặc trưng cho bxđt. Bước sóng λ có
thứ nguyên là độ dài. Để đo λ, người ta dùng các đơn vị đo độ dài là mét (m)
cùng các ước số của mét, các đơn vị hay dùng là μm; nm và Ao ( 1A = 10-10m ).
3
Đại lượng nghịch đảo của bước sóng là số sóng chỉ đo bằng một loại đơn vị là
cm-1.
Tần số υ được định nghĩa là số dao động mà bxđt thực hiện trong một
giây, nên có thứ nguyên là s-1. Đơn vị đo của υ là hec ( hertz ) được ký hiệu là
Hz và các bội số của nó là kHz ( kilohec ); MHz ( megahec ).
Để có thể gây hiệu ứng quang phổ, năng lượng của bxđt phải phù hợp với
hiệu số mức năng lượng ∆E tương ứng với các trạng thái năng lượng của nguyên
tử hay phân tử, nghĩa là bước sóng λ của bxđt phải phù hợp với hệ thức:
∆E = ε = hυ = hc/λ
hay λ = hc/∆E ( 1.5)
Tùy theo bản chất của bxđt tương tác với nguyên tử hay phân tử của chất
phân tích mà ta có các phương pháp quang phổ khác nhau, cụ thể là:
- Miền sóng vô tuyến, viba cho phương pháp phổ cộng hưởng từ.
- Miền sóng tia Rơntgen và tia γ cho các phương pháp phổ Rơntgen và
phổ tia γ .
- Miền sóng ánh sáng quang học cho các phương pháp phổ nhìn thấy -
phổ tử ngoại ( UV - VIS ); phổ hồng ngoại ( IR ).
- Trong miền sóng ánh sáng quang học cũng có các phương pháp phổ phát
xạ nguyên tử; phổ hấp thụ nguyên tử và phổ huỳnh quang.
Dưới đây là các vùng sóng chia theo chiều dài bước sóng.
Bảng 1.1. Phân loại các vùng bức xạ điện từ
Bức xạ λ , cm E, eV
Tia γ
Tia Röntgen
Tử ngoại và khả kiến
Hồng ngoại
Vi sóng
Sóng vô tuyến
10-11 - 10-8
10-8 - 10-6
10-6 - 10-4
10-4 - 10-2
10-1 - 10
> 10
~ 107
~ 105
~ 10
~ 10-1
~ 10-3
< 10-6
1.2. Sự tương tác giữa vật chất và bxđt
4
Khi chiếu một chùm bxđt vào một môi trường vật chất, sẽ xảy ra hiện
tượng các phân tử hay nguyên tử của vật chất hấp thụ năng lượng hay phát xạ
năng lượng. Năng lượng mà phân tử hay nguyên tử phát ra hay hấp thụ vào là:
∆E = E2 - E1 = hυ ( 1.6 )
Trong đó E1 và E2 là mức năng lượng ở trạng thái đầu và trạng thái cuối; υ là tần
số của bxđt bị hấp thụ hay phát xạ ra.
Nếu năng lượng ở trạng thái cuối cao hơn trạng thái đầu ( ∆E > 0 ) thì
xảy ra sự hấp thụ bxđt, phổ sinh ra trong quá trình này là phổ hấp thụ; Còn nếu
năng lượng ở trạng thái đầu cao hơn trạng thái cuối ( ∆E < 0 ) thì xảy ra sự phát
xạ năng lượng, phổ sinh ra trong quá trình này là phổ phát xạ.
Các phương pháp phân tích dựa vào phổ nguyên tử thực hiện trên các máy
quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS hay máy quang phổ phát xạ nguyên tử AES.
Các phương pháp phân tích dựa vào phổ phân tử thì phong phú hơn, thực
hiện trên các máy đo quang UV-VIS; máy quang phổ hồng ngoại IR.
1.3. Trạng thái năng lượng của phân tử, phổ phân tử
Một phân tử dù là đơn giản nhất cũng có các chuyển động sau:
- Chuyển động của các điện tử quanh các hạt nhân: các điện tử hóa trị và
các điện tử không tham gia tạo liên kết hóa học - gọi chung là chuyển động điện
tử.
- Chuyển động thay đổi tuần hoàn các vị trí của các hạt nhân so với nhau -
gọi là chuyển động dao động của phân tử.
- Chuyển động thay đổi phương hướng của toàn phân tử trong không gian
- gọi là chuyển động quay của phân tử, chuyển động này chỉ có ở các phân tử
các chất ở trạng thái khí và hơi.
Như vậy, năng lượng toàn phần Etf của phân tử có thể biểu diễn:
Etf = Ee + Ev + Er ( 1.7 )
trong đó: Ee là năng lượng liên quan đến chuyển động của điện tử - gọi là năng
lượng điện tử.
Ev là năng lượng liên quan đến chuyển động dao động của hạt nhân (
vibration ) - gọi là năng lượng dao động.
5
Er là năng lượng liên quan đến chuyển động quay của phân tử (
rotation ) - gọi là năng lượng quay.
Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh Ee >> Ev >> Er , nếu năng lượng
đo bằng đơn vị kcal/mol thì Ee khoảng 60 ÷ 150 kcal/mol; Ev khoảng 1 ÷ 10
kcal/mol; Er khoảng 0,01 ÷ 0,1 kcal/mol.
Trong điều kiện bình thường, các phân tử tồn tại ở trang thái cơ bản, có
năng lượng thấp nhất Eotf, khi phân tử nhận năng lượng, ví dụ khi hấp thụ bức
xạ, có thể chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Khi phân tử nhận năng lượng đủ
lớn, ví dụ bxđt có năng lượng đủ lớn, phân tử chuyển lên trạng thái có năng
lượng cao hơn E*tf gọi là trạng thái kích thích và:
E*tf = E*
e + E*v + E*
r (1.8 )
Sự thay đổi trạng thái của phân tử do có sự thay đổi về năng lượng của
phân tử.
∆Etf = E*tf - E
otf = ∆Ee + ∆Ev + ∆Er ( 1.9 )
∆Etf là bước chuyển năng lượng toàn phần của phân tử; ∆Ee là bước
chuyển năng lượng điện tử; ∆Ev là bước chuyển năng lượng dao động; ∆Er là
bước chuyển năng lượng quay. Như vậy do hiện tượng hấp thụ bxđt của phân tử
gây nên các bước chuyển năng lượng điện tử, năng lượng dao động, năng lượng
quay của phân tử, là nguồn gốc các loại phổ hấp thụ phân tử: phổ quay, phổ dao
động - quay, phổ điện tử - dao động - quay.... Ngoài ra, để phân tử có thể hấp
thụ các bxđt gây nên các bước chuyển năng lượng, ngoài việc cần có điều kiện
năng lượng phù hợp theo hệ thức ( 1.5 ) còn có các yêu cầu khác, gọi là theo quy
tắc chọn lọc. Có hai loại quy tắc là quy tắc cho phép và quy tắc cấm: quy tắc cho
phép quy định các điều kiện cho phép xảy ra các bước chuyển; Quy tắc cấm nêu
các điều kiện mà với các điều kiện đó bước chuyển năng lượng không xảy ra
được. Chính vì bản chất như vậy mà phổ phân tử có cấu trúc rất phức tạp, chúng
ta thường nói là có cấu trúc đám. Với các máy quang phổ có độ tán sắc không
lớn, phổ phân tử hầu như là miền bức xạ liên tục; Với các máy quang phổ có độ
tán sắc lớn phổ phân tử gồm vô số vạch sít nhau.
6
Mỗi phân tử của một chất thì có cấu trúc khác nhau nên có các bước
chuyển năng lượng khác nhau, sẽ có phổ hấp thụ phân tử đặc trưng và khác
nhau, mặt khác với các kỹ thuật phù hợp, người ta tạo phổ điện tử, phổ dao
động, phổ quay của phân tử của chất nghiên cứu, đó chính là cơ sở của các
phương pháp phân tích định tính. Còn để phân tích định lượng, người ta dựa vào
định luật về sự hấp thụ bxđt Lambert-Beer .
1.4. Phổ hấp thụ nguyên tử và phổ phát xạ nguyên tử
Ở trên ta đã xét sự tạo thành phổ của phân tử, tạo bởi sự liên kết của ít
nhất là hai nguyên tử. Còn khi là nguyên tử ở trạng thái hơi tự do thì sẽ đặc
trưng bởi phổ hấp thụ hoặc phổ phát xạ nguyên tử, cơ chế tạo thành có thể giải
thích như sau: Trong điều kiện bình thường nguyên tử ở trạng thái cơ bản,
không thu và cũng không phát năng lượng dưới dạng các bức xạ. Đây là trạng
thái bền vững và nghèo năng lượng. Nếu nguyên tử nhận năng lượng dưới dạng
nhiệt thì nguyên tử sẽ chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn, gọi là trạng
thái kích thích, trạng thái kích thích này không bền, chỉ khoảng 10-8 ÷ 10-9 s, sau
đó nguyên tử có xu hướng trở về trạng thái có mức năng luợng thấp hơn, khi này
nguyên tử sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng bxđt bao gồm nhiều tia đơn sắc
có bước sóng khác nhau nằm trong dải phổ quang học ( 190 - 1100nm ). Nếu
thu, phân li và ghi chùm tia đó ta sẽ được dải phổ gồm các vạch phát xạ của
nguyên tử hoặc ion. Trong tập hợp các vạch phổ thì mỗi nguyên tử hoặc ion lại
có những vạch đặc trưng riêng.
Một đặc điểm quan trọng là các nguyên tử tự do có khả năng hấp thụ
những tia bức xạ mà nó có thể phát ra trong quá trình phát xạ của nó. Nếu
nguyên tử nhận năng lượng dưới dạng bxđt ứng đúng với những tia mà nó phát
ra trong quá trình phát xạ thì nguyên tử chuyển lên trạng thái kích thích. Phổ
sinh ra trong quá trình này gọi là phổ hấp thụ nguyên tử. Nếu gọi năng lượng
của bxđt đã bị nguyên tử hấp thu là ε = hυ thì ta có:
ε = hυ = ∆E = Em - Eo ( 1.10 )
hay ∆E = h.c/λ (1.11 )
7
Trong đó Em và Eo là năng lượng ở trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản
của nguyên tử; h là hằng số Planck; c là tốc độ ánh sáng; λ là bước sóng của
vạch phổ hấp thụ. Vậy phổ hấp thụ nguyên tử cũng là phổ vạch.
Nhưng nguyên tử không hấp thụ tất cả các bức xạ mà nó có thể phát ra
được trong quá trình phát xạ. Quá trình hấp thụ chỉ xảy ra với các vạch phổ
nhạy, các vạch phổ đặc trưng và các vạch phổ cuối cùng của nguyên tố. Cho nên
đối với các vạch phổ đó quá trình hấp thụ và phát xạ là hai quá trình ngược
nhau. Trong phương trình ( 1.10 ), nếu giá trị ∆E là dương ta có quá trình phát
xạ, nếu giá trị ∆E là âm ta có quá trình hấp thụ. Như vậy tùy theo từng điều kiện
cụ thể để nguyên tủ hóa mẫu và kích thích nguyên tử mà quá trình nào xảy ra là
chính, cụ thể là:
- Nếu kích thích nguyên tử bằng năng lượng nhiệt ta có phổ phát xạ
nguyên tử.
- Nếu kích thích nguyên tử bằng chùm tia đơn sắc ta có phổ phát xạ
nguyên tử.
Phương pháp phân tích dựa trên phổ phát xạ nguyên tử gọi là phương
pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES (Atomic Emision Spectrometry ) với
máy phân tích tương ứng.
Phương pháp phân tích dựa trên phổ hấp thụ nguyên tử gọi là Phương
pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS ( Atomic Absorption Spectrometry )
với các máy phân tích AAS.
8
Chương 2. PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ
PHÂN TỦ UV-VIS
(Phương pháp trắc quang phân tử)
Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử hay còn gọi là phương pháp đo
quang, phương pháp phân tích trắc quang phân tử là một trong những phương
pháp phân tích công cụ thông dụng với rất nhiều thế hệ máy khác nhau, từ các
máy đơn giản của thế hệ trước còn được gọi là các máy so màu đến các máy
hiện đại được tự động hóa hiện nay, gọi là máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-
VIS. Các máy đo quang làm việc trong vùng tử ngoại (UV) và khả kiến (VIS) từ
190nm đến khoảng 900nm.
2.1. Cơ sở lí thuyết của phương pháp
2.1.1. Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu
Dung dịch có màu là do bản thân dung dịch đã hấp thụ một phần quang
phổ ( một vùng phổ ) của ánh sáng trắng, phần còn lại ló ra cho ta màu của dung
dịch, chính là màu phụ của phần ánh sáng trắng đã bị hấp thụ (vùng quang phổ
còn lại). Ví dụ: dung dịch Fe(SCN)3 ta nhìn thấy màu đỏ là do khi ánh sáng
chiếu vào dung dịch, dung dịch này hấp thụ mạnh bức xạ đơn sắc màu xanh và
xanh lá cây, vùng quang phổ còn lại ló ra cho ta màu đỏ.
Sự hấp thụ của dung dịch theo màu được trình bày trong bảng 2.1
Bảng 2.1. Sự hấp thụ màu của các dung dịch màu
TIA SÁNG ĐƠN SẮC BỊ HẤP THỤ MÀU CỦA DUNG DỊCH
400nm ÷ 450nm: vùng tím lục ánh vàng
450nm ÷ 480nm: vùng chàm vàng
480nm ÷ 490nm: vùng chàm lục da cam
490nm ÷ 510nm: vùng lục chàm đỏ
510nm ÷ 560nm: vùng lục đỏ tía
5600nm ÷ 575nm: vùng lục ánh vàng tím
9
575nm ÷ 590nm: vùng vàng chàm
590nm ÷ 640nm: vùng da cam chàm lục
640nm ÷ 720nm: vùng đỏ lục chàm
720nm ÷ 800nm: vùng đỏ tía lục
Sự hấp thụ bức xạ đơn sắc (bxđs) của dung dịch còn phụ thuộc vào nồng
độ của chất hấp thụ. Ở ví dụ trên, dung dịch Fe(SCN)3 có nồng độ càng lớn thì
sự hấp thụ càng mạnh, biểu hiện ở màu của dung dịch càng đậm.
2.1.2. Các định luật cơ bản về sự hấp thụ ánh sáng
Định luật Bugơ - Lambe (Bourguear - Lambert):
Khi chiếu một chùm bxđs có cường độ I0 qua một lớp vật chất có bề dày l,
thì cường độ bxđs ló ra I bao giờ cũng nhỏ hơn I0 . Có thể biểu diễn bằng biểu
thức:
I0 = I + Ia + Ir (2.1)
Trong đó: Ia là phần cường độ bị hấp thụ
Ir là phần cường độ bị phản xạ lại
I là phần cường độ ló ra
Dựa vào vô số thực nghiệm, hai nhà bác học đã đưa ra định luật hấp thụ
ánh sáng, biểu diễn bằng biểu thức:
I = I0 . e-kl (2.2)
Trong đó k là hệ số hấp thụ, giá trị của k phụ thuộc vào bản chất của vật
chất và vào bước sóng λ của bxđs.
Định luật Lambe - Bia ( Lambert - Beer):
Khi áp dụng định luật Bugơ - Lambe cho trường hợp vật chất là dung dịch
có độ dày l ( dung dịch đựng trong cuvét có độ dày l ) chứa chất hấp thụ có nồng
độ C. Nhà bác học Bia đã đưa ra định luật Lambe - Bia:
- Nội dung: Với cùng bề dày của lớp dung dịch, hệ số hấp thụ k tỉ lệ với
nồng độ của chất hấp thụ của dung dịch.
- Biểu thức: k = ε*.C (2.3)
hay I = I0 . e-ε*C.l (2.4)
10
Nếu đổi logarit tự nhiên về logarit thập phân thì biểu thức của định luật
Lambe - Bia có thể biểu diễn bằng biểu thức:
I = I0 . 10-ε.l.C (2.5)
Trong đó: C- là nồng độ dung dịch, đo bằng mol/l
l - là bề dày của cuvét đựng dung dịch, đo bằng cm
ε - được gọi là hệ số tắt phân tử hay hệ số hấp thụ phân tử. ε là
đại lượng xác định, phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ, vào bước sóng λ
của bxđs và vào nhiệt độ.
2.1.3. Các đại lượng hay sử dụng
Biểu thức ( 2.5 ) chính là cơ sở cho phương pháp phân tích định lượng.
Tuy nhiên, quan hệ giữa cường độ ánh sáng và nồng độ của dung dịch thông qua
hàm logarít, để thuận tiện cho sử dụng, chúng ta thường sử dụng các đại lượng
sau:
Độ truyền quang T: là tỉ lệ giữa cường độ chùm sáng đơn sắc sau khi đi qua
dung dịch I với cường độ chùm sáng đơn sắc chiếu vào I0.
T = I/I0 = 10-ε.l.C (2.6)
Nếu l = 1cm thì T gọi là hệ số truyền quang.
Trên các máy phân tích, T thường được biểu diễn bằng %, Thang đo T từ
0 ÷ 100
Mật độ quang D (Dentisity) hay độ hấp thụ A (Absorption) hay độ tắt E
(Extinction): được định nghĩa theo biểu thức sau
D = A = E = - lg T = lg(I0 /I) = ε.l.C
Với các dung dịch chứa chất hấp thụ xác định, đựng trong các cuvét có
kích thước như nhau thì ε và l là không đổi, khi này có thể biểu diễn:
D = A = K.C (2.7)
Hay nói cách khác, sự phụ thuộc giữa mật độ quang và nồng độ dung dịch
là tuyến tính, đó chính là cơ sở của phương pháp phân tích định lượng trắc
quang phân tử. Như vậy nguyên tắc chung của phương pháp đo quang để xác
định một chất X nào đó, ta chuyển nó thành một chất có khả năng hấp thụ ánh
11
sáng ( bxđs ) rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó và suy ra hàm lượng chất cần
xác định.
Tuy nhiên để có thể áp dụng biểu thức này đòi hỏi phải đề cập đến các
yếu tố ảnh hưởng.
2.1.4. Tính chất của mật độ quang và ứng dụng trong hóa phân tích
Biểu thức D = A = ε.l.C cũng có thể coi là nội dung của định luật Lambe
- Bia. Nếu ta đo mật độ quang của dung dịch có nồng độ 1mol/l đựng trong
cuvet có bề dày 1cm thì giá trị mật độ quang đo được chính là hệ số hấp thụ
phân tử, ε = D, đây chính là ý nghĩa vật lý của hệ số hấp thụ phân tử của một
chất nhất định; ε phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ ánh sáng và vào bước
sóng của bxđs được hấp thụ.
Đo mật độ quang của dung dịch bằng một cuvét (l, C = const) ở các bước
sóng khác nhau thì ta được đường cong biểu diễn phổ hấp thụ của dung dịch, D
= f(λ) hay ε = f(λ).
Hình 2.1. Dạng đường cong hấp thụ D = f(λ)
12
Đo mật độ quang của một dãy dung dịch có nồng độ khác nhau bằng một
cuvét tại một bước sóng λ nhất định ( l, λ = const ) thì đường biểu diễn D = f(C)
sẽ là đường thẳng.
Hình 2.2. Dạng đường biểu diễn D = f(C)
Một đặc tính rất quan trọng của mật độ quang đó là tính cộng tính, có thể
chứng minh như sau:
Giả sử có một chùm bxđs có cường độ I0 đi qua 2 dung dịch có bề dày l1
và l2 tương ứng với các nồng độ C1, hệ số tắt ε1 và C2, hệ số tắt ε2
D = lg(I0 /I2 ) = lg(I0 /I1 ) + lg(I1 /I2 ) = D1 + D2 = ε1.l1.C1 + ε2.l2.C2
Như vậy mật độ quang chỉ phụ thuộc vào số các phần tử hấp thụ ánh sáng
nằm trên đường ánh sáng truyền qua. Trong dung dịch có nhiều chất tan hấp thụ
bxđs thì mật độ quang đo được chính là tổng các mật độ quang của các chất có
trong dung dịch, D = Σ Di. Khi muốn đo mật độ quang của chất phân tích ở
trong dung dịch có nhiều chất thì phải loại trừ mật độ quang của các thành phần
còn lại, đó chính là mật độ quang của dung dịch trống hay dung dịch so sánh.
Dung dịch trống hay dung dịch so sánh là dung dịch chứa tất cảc các
thành phần trong dung dịch phân tích trừ chất phân tích. Trong thực tế, nhiều khi
độ hấp thụ của dung dịch so sánh rất nhỏ, không đáng kể thì người ta có thể thay
bằng nước cất.
D6
D5 D4 D3 D2 D1
C1 C2 C3 C4 C5 C6
Mật độ quang
Nồng độ
13
2.2. Các điều kiện tối ưu cho một phép đo quang
Ta biết D = f(λ,l,C) và theo định luật Lambe - Bia khi 2 đại lượng λ,l
không đổi thì sự phụ thuộc D = f(C) là tuyến tính, phải có dạng y = ax là một
đường thẳng, đây cũng chính là cơ sở của phương pháp phân tích định lượng.
Như vậy những yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng là bước sóng của ánh
sáng tới và các yếu tố gây ảnh hưởng tới nồng độ C có thể làm sai lệch định luật
Lambe - Bia gây sai số cho phép phân tích, vì vậy ta phải đặc biệt chú ý đến các
yếu tố này.
2.2.1. Sự đơn sắc của nguồn bxđt
Giả sử chùm sáng tới có cường độ I0 không phải là tia sáng đơn sắc mà là
một chùm tia có cường độ I01, I02, I03 và chất phân tích chỉ hấp thụ tia thứ 2 còn
không hấp thụ tia 1 và tia 3, khi này
D = lg( I0 /I) = lg( I01+ I02+ I03)/I01+I2+ I03)
Nếu tăng nồng độ C thì I2 sẽ giảm còn I01 và I03 vẫn không bị hấp thụ, khi tăng C
đến một mức nào đấy thì I2 = 0, lúc đó:
D = lg( I01+ I02+ I03)/(I01+ I03) = const
Lúc này D = f(C) không tuyến tính nữa.
Việc tạo được chùm tia bxđs có tính đơn sắc cao lại phụ thuộc vào thiết
bị, tùy theo các máy phân tích mà bộ phận tạo bức xạ đơn sắc có thể là kính lọc
màu; hệ lăng kính hay cách tử với độ phân giải cụ thể, khi này sẽ quy định tính
chính xác của phép đo.
2.2.2. Bước sóng tối ưu λmax
Các chất hấp thụ bxđs một cách chọn lọc, miền bxđs bị hấp thụ mạnh nhất
ứng với năng lượng của bước chuyển điện tử. Hay nói cách khác, dung dịch chất
màu mà ta phân tích hấp thụ bxđs một cách chọn lọc, phổ hấp thụ cũng là một
đặc trưng điển hình của chất màu.
Khi sử dụng phương pháp đo quang để phân tích định lượng một chất,
người ta phải dùng tia đơn sắc nào mà khi chiếu vào dung dịch giá trị mật độ
quang đo được là lớn nhất, gọi là mật độ quang cực đại Dmax, khi này cho kết
quả phân tích có độ nhạy và độ chính xác tốt nhất. Bước sóng tương ứng với mật
14
Hinh 2.3. Khoảng tuyến tính của định luật Lambe-Bia
độ quang cực đại Dmax gọi là bước sóng tối ưu λmax. Với mỗi dung dịch nghiên
cứu nhất định, chúng ta phải xác định bước sóng λmax trước khi tiến hành phân
tích định lượng. Thông thường các giá trị λmax của các chất đã được nghiên cứu
khảo sát và liệt kê trong các bảng tra hay các quy trình phân tích có sẵn, chúng
ta có thể tham khảo. Hoặc chúng ta có thể xây dựng đường cong hấp thụ trên
máy đo quang và từ đó chọn λmax thích hợp.
2.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ
Thực nghiệm đã chứng minh rằng quan hệ giữa mật độ quang D và nồng
độ dung dịch C chỉ tuyến tính trong một khoảng giá trị nồng độ xác định gọi là
khoảng tuyến tính của định luật Lambe-Bia, người ta quan sát được độ lệch khỏi
sự phụ thuộc tuyến tính giữa nồng độ và độ hấp thụ (H.2.4) .
Khoảng tuyến tính là khác nhau đối với các máy đo khác nhau và với các
đối tượng phân tích khác nhau. Do đó phải xác định khoảng tuyến tính cho từng
phép phân tích cụ thể.
2.2.4. Sự ổn định của dung dịch
Trong các phương pháp đo quang, người ta thường đưa dung dịch phân tích
về dạng dung dịch có màu bằng cách tạo phức với thuốc thử trong môi trường
xác định. Sự ổn định của dung dịch đo là một yếu tố rất quan trọng để phép đo
15
được chính xác, sự ổn định này thường là: môi trường pH; Sự có mặt của ion lạ;
Thời gian ổn định màu; Nhiệt độ...
Nếu thuốc thử dùng trong phương pháp này thuộc dạng axit mạnh thì pH hầu
như không ảnh hưởng đến sự hấp thụ bức xạ điện từ. Nếu thuốc thử thuộc dạng
axit yếu thì yếu tố pH sẽ ảnh hưởng đến sự tạo phức và phải tìm điều kiện môi
trường pH tối ưu cho quá trình xác định. Ngoài ra cũng phải kể đến một số phức
màu có màu và độ bền thay đổi theo pH, ví dụ phức của ion Fe3+ với axít
salixilic (H2Sal) ở môi trường axít pH < 2 có màu tím; ở môi trường pH từ 4 ÷
10 có màu đỏ và ở trong môi trường kiềm pH > 10 có màu vàng.
Thông thường trong các mẫu phân tích ngoài chất phân tích không thể không
kể đến sự có mặt của ion lạ, các ion này có khả năng tương tác với chất cần phân
tích hay tạo màu với thuốc thử trong dung dịch cho nên sẽ ảnh hưởng đến quá
trình xác định, bắt buộc phải tìm cách loại trừ. Hai cách hay sử dụng nhất để loại
trừ là tách chúng ra khỏi dung dịch phân tích hoặc tìm cách che. Việc tách các
ion lạ ra khỏi dung dịch phân tích nói chung rất khó thực hiện do nồng độ của
chúng trong dung dịch phân tích rất nhỏ cho nên trong thực tế phân tích người ta
thường tìm cách che ảnh hưởng của chúng bằng biện pháp thích hợp, nghĩa là
chúng vẫn ở trong dung dịch phân tích nhưng được đưa vào dạng hợp chất,
thường là dạng hợp chất phức bền, nên không ảnh hưởng đến quá trình phân
tích. Ví dụ: ion Fe3+ ảnh hưởng đến quá trình phân tích phôtphát trong nước,
người ta thường che ảnh hưởng của nó bằng cách đưa về phức bền với F-; ion
Ca2+, Mg2+ ảnh hưởng đến quá trình phân tích nitrat và amoni, được che ảnh
hưởng bằng cách đưa về phức bền với TrilonB…
Thời gian ổn định màu của phức giữa chất cần phân tích với thuốc thử cũng
là một yếu tố quan trọng, ta nên kiểm tra xem thời gian nào ổn định màu vì
cường độ màu của một số dung dịch thì bền nhưng đối một số dung dịch màu
khác thì lại chỉ bền trong một thời gian nhất định.
Nói chung với nguyên tắc chung của phương pháp là dựa vào định luật
Lambe - Bia nhưng trong từng quy trình cụ thể cho từng đối tượng phân tích bao
giờ cũng phải xác định các điều kiện tối ưu, đó là: bước sóng cực đại λmax ;
16
khoảng tuyến tính và các điều kiện có thể ảnh hưởng như nhiệt độ; thời gian;
lượng thuốc thử và nếu cần phải loại trừ ảnh hưởng của các ion lạ trong dung
dịch phân tích.
2.3. Các máy đo quang
Không phụ thuộc vào vùng phổ, các máy đo độ truyền quang và độ hấp
thụ ( mật độ quang ) của dung dịch bao gồm 5 bộ phận cơ bản:
- Nguồn bức xạ có năng lượng ổn định.
- Bộ phận tạo bức xạ đơn sắc cho phép ta chọn bước sóng của bức xạ đơn
sắc thích hợp với chất nghiên cứu.
- Các cuvet chứa dung dịch đo.
- Đêtectơ để chuyển tín hiệu quang - năng lượng bức xạ - thành tín hiệu
đo được, thường là tín hiệu điện.
- Bộ phận chỉ thị kết quả đo của tín hiệu.
Sơ đồ khối tổng quát của một thiết bị đo quang như sau:
Tuỳ theo cấu tạo của các loại thiết bị mà người ta chia ra làm 2 loại máy
đo quang là máy 1 chùm tia và máy 2 chùm tia.
Độ phức tạp của các bộ phận riêng của các máy đo phổ hấp thụ của dung
dịch cũng phụ thuộc vào các máy khác nhau, vào vùng bước sóng kể cả vùng sử
dụng các số liệu. Ví dụ: để đo độ hấp thụ trong vùng khả kiến ta có các máy so
màu bằng mắt, máy so màu quang điện, trong vùng hồng ngoại ta có máy quang
phổ hồng ngoại IR, hiện nay các máy quang phổ hấp thụ phân tử thường cho
phép đo trong vùng tử ngoại UV và cả vùng khả kiến VIS từ 190nm đến
1100nm, gọi chung là các máy quang phổ hấp thụ phân tử UV - VIS. Sau đây
chúng ta đề cập đến một số thiết bị.
2.3.1. Các máy so màu bằng mắt
Trong các máy so màu bằng mắt thì nguồn bức xạ liên tục chính là ánh
sáng mặt trời; đetectơ chính là mắt và bộ não của con người. Tuy nhiên mắt và
Chỉ thịkết quả
DetectơNguồn bức xạliên tục
Bộ phận tạo tia đơn sắc
Cuvet đựng dung dịch
17
bộ não chỉ có khả năng so sánh màu chứ không có khả năng cho thông báo về
giá trị cường độ hấp thụ hay mật độ quang do vậy chúng ta cần có các dung dịch
chất chuẩn để so sánh màu của chúng với màu của các dung dịch cần phân tích.
Như vậy nguyên tắc chung ở đây là việc so màu của mẫu với màu của một dãy
dung dịch chuẩn để tìm ra các màu bằng nhau, tức là có nồng độ chất cần xác
định như nhau. Trong phương pháp này người ta dùng các ống nghiệm so màu
Nexxler, được chuẩn hóa sao cho bề dày của các dung dịch đều giống nhau. Với
nguyên tắc này người ta cũng tiến hành quá trình chuẩn độ so màu.
Các phương pháp so màu bằng mắt có nhiều hạn chế nhưng chúng cũng
có ứng dụng rộng rãi đối với các phép phân tích hàng loạt nếu nhu cầu về độ
chính xác không cần thật cao.
2.3.2. Các máy so màu quang điện
Máy so màu quang điện có cấu tạo đơn giản, tương đối rẻ tiền để thực
hiện phép phân tích định lượng bằng phương pháp đo quang. Ưu điểm của
chúng so với các máy quang phổ phức tạp chính là sự đơn giản trong cấu tạo và
cách sử dụng. Một máy so màu quang điện thường có 2 chức năng đo là độ
truyền quang T hoặc mật độ quang D và bộ phận chỉ thị kết quả chỉ là thang đo
hoặc màn hình digital hiện số.
• Nguồn bức xạ:
Nguồn bức xạ hay sử dụng nhất trong máy so màu quang điện để nhận
được bức xạ vùng khả kiến là sợi chỉ của đèn vonfram mà tính chất của nó gần
với tính chất của vật đen tuyệt đối, khi nung nóng đến sáng trắng sẽ phát ra bức
xạ liên tục, bức xạ này có năng lượng phụ thuộc vào nhiệt độ ở lũy thừa bậc bốn
và công suất bức xạ ở một nhiệt độ nhất định lại phụ thuộc vào độ dài sóng ở
lũy thừa bậc năm. Nói chung nhiệt độ làm việc của sợi vonfram đạt được gần
đến 2870K, phần chính của năng lượng do vậy được phát xạ trong vùng hồng
ngoại, người ta dùng đèn với sợi vonfram trong khoảng bước sóng từ 320nm đến
2500nm. Để đèn cho bức xạ liên tục và ổn định trong vùng khả kiến phải có sự
kiểm tra nghiêm ngặt về hiệu thế, thường dùng máy biến thế có hiệu thế cố định
hoặc một ắc quy để cung cấp cho đèn một nguồn ổn định.
18
• Bộ phận tạo bức xạ đơn sắc:
Kính lọc sáng có khả năng hấp thụ một phần xác định của phổ và tách ra
một chùm bức xạ, coi như tạo được một chùm tia đơn sắc, tuy nhiên độ đơn sắc
là không cao. Các kính lọc sáng hay dùng là các thủy tinh màu hay các bản thủy
tinh mà ở giữa các bản này người ta đặt những chất nhuộm được pha trong
gelatin, tùy theo máy đo sẽ có các bộ kính lọc sáng ( kính màu ) với số lượng
nhất định.
Kính lọc giao thoa ánh sáng có thể tạo được dải sóng hẹp hơn ( khoảng
10nm ), được làm từ vật liệu trong suốt từ CaF2 hay MgF2, được đặt giữa hai bản
thủy tinh mà bề mặt của chúng được phủ bằng các màng kim loại nửa trong
suốt. Bề dày của lớp vật liệu xác định độ dài sóng của bức xạ đi ra, được kiểm
tra chặt chẽ. Sự giao thoa ánh sáng thực hiện nhờ hai lớp kim loại, tạo dải truyền
quang hẹp hơn, có nghĩa là có khả năng lớn hơn để tạo ra bước sóng mong muốn
so với kính lọc hấp thụ. Các kính lọc giao thoa ánh sáng được sản xuất với các
giải truyền quang trong khoảng từ vùng tử ngoại cho đến gần 6μm trong vùng
hồng ngoại.
• Cuvet đựng dung dịch đo:
Các cuvet được dùng trong các máy so màu quang điện thường được chế
tạo từ thủy tinh, mặc dù các cuvet chất dẻo trong suốt cũng có một số ứng dụng.
Các cuvet phải được đặt hoàn toàn vuông góc với chùm sáng để làm giảm sự
mất mát do phản xạ. Độ tin cậy của phép đo cũng phụ thuộc nhiều vào cách làm
việc đúng với cuvet. Dấu vân tay, dầu mỡ và các chất bẩn làm thay đổi đáng kể
khả năng truyền quang của chúng. Do vậy nhất thiết phải làm sạch cuvet trước
và sau khi dùng. Không được sấy cuvet trong tủ sấy hay hơ trên ngọn lửa. Các
cuvet thường phải được chuẩn hóa có hệ thống so với nhau nhờ dung dịch so
sánh.
• Đêtectơ:
Đêtectơ có nhiệm vụ biến đổi năng lượng bức xạ thành tín hiệu điện,
trong các máy so màu quang điện hay dùng tế bào quang điện hay nhân quang
điện. Đêtectơ của bức xạ cần phải tác động lên bức xạ trong một vùng rộng của
19
bước sóng; phải nhạy với bức xạ có cường độ nhỏ và phản ứng nhanh với bức
xạ cho tín hiệu điện có thể dễ dàng khuyếch đại lên. Quan trọng nhất là làm sao
cho tín hiệu nhận được tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng đến, cụ thể như
sau:
S = I.k + d
Trong đó: S là tín hiệu của đêtectơ trong các đơn vị cường độ dòng, điện trở hay
hiệu điện thế. Hằng số k là số đo độ nhạy của đêtectơ trong các đơn vị của tín
hiệu điện trên một đơn vị cường độ bức xạ. Đại lượng d còn gọi là dòng tối (
dark current ), là một tín hiệu hằng định đối với đêtectơ khi không có bức xạ.
Giá trị của d thường không lớn, về nguyên tắc các máy với đêtectơ có dòng tối
được trang bị một điện kế cho phép nhờ một tín hiệu ngược lại dẫn đến giá trị d
bằng không. Như vậy:
I = S/k
I0 = S0/k
Trong đó S và S0 là các tín hiệu điện của đêtectơ khi bức xạ đi qua dung dịch
phân tích và dung dịch so sánh ( dung dịch trống ). Thay các phương trình này
vào phương trình định luật Lambe - Bia ta có:
lg( I0/I ) = lg( S0/S ) = D
Với nguyên tắc hoạt động như vậy, có một số loại tế bào quang điện được đề
cập dưới đây.
Tế bào quang điện lớp chắn: được cấu tạo từ điện cực đồng hay sắt trên
đó có đưa vào vật liệu bán dẫn, bề mặt của chất bán dẫn được phủ một lớp màng
trong suốt từ vàng bạc hay chì, màng này cũng chính là điện cực thứ hai hay
điện cực thu nhận, tất cả hệ được bảo vệ bằng một vỏ bọc trong suốt. Cơ chế
hoạt động như sau: Khi chiếu một chùm sáng thì một số electron trong lớp chất
bán dẫn có một năng lượng đủ lớn để vượt qua bản chắn và thâm nhập vào màng
kim loại. Nếu nối màng với bản theo một phía khác của lớp bán dẫn bằng sợi chỉ
bên ngoài và nếu điện trở không quá lớn thì xuất hiện dòng điện, dòng điện này
thường là đủ lớn hoặc có thể được khuyếch đại để đo bằng một điện kế hay một
microampe kế. Như vậy lực của dòng điện tỉ lệ với cường độ của bức xạ chiếu
20
vào tế bào quang điện, nói chung các dòng cỡ từ 10 đến 100μA. Các tế bào
quang điện lớp chắn chủ yếu được sử dụng để đo bức xạ trong vùng khả kiến, độ
nhạy cực đại với bước sóng khoảng 550nm và giảm cho đến bước sóng khoảng
250nm và 750nm.
Tế bào quang điện chân không ( Tế bào quang điện với hiệu ứng quang
điên ngoài ):
Tế bào quang điện bao gồm một catôt nửa hình ống và một anôt dây được
đặt giữa một bình chân không. Bề mặt lõm của catôt được phủ một lớp vật liệu
nhạy ánh sáng và phát ra electron dưới tác dụng của bức xạ. Sơ đồ trên hình 2.4.
Hình 2.4. Sơ đồ tế bào quang điện với hiệu ứng quang điện ngoài
1- Chỉ anot; 2- Catot nhạy quang; 3- Acquy; 4- Điện trở; 5- Bộ phận chỉ thị
Nếu đặt một hiệu điện thế vào các điện cực thì các electron bắn ra được
hướng đến anôt, kết quả sẽ xuất hiện một dòng điện quang, sẽ được khuyếch đại
và cho tín hiệu đo. Dòng điện nhận được gây ra sự giảm hiệu thế dọc theo điện
trở R sau đó được khuyếch đại và đo nhờ bộ phận chỉ thị. Bề mặt của catôt nhạy
quang của tế bào quang điện được cấu tạo từ một kim loại kiềm hay oxyt của nó,
có khi là sự tổ hợp với oxyt của các kim loại khác; Vật liệu catôt xác định đặc
tính quang phổ của tế bào quang điện.
Các máy so màu quang điện do các hãng khác nhau sản xuất sẽ khác nhau
về độ phức tạp, các đặc tính làm việc và giá thành. Không một máy nào có thể
21
xem là toàn năng mà việc chọn máy được xác định bằng loại công việc mà máy
phải phục vụ. Dưới đây là sơ đồ máy so màu quang điện một chùm tia và hai
chùm tia.
Hình 2.5. Sơ đồ máy so màu quang điện một và hai chùm tia
a) Máy một chùm tia: 1- Đèn vofram; 2- Màng di động để chuẩn hóa 100%T; 3-
Cuvet chứa dung dịch so sánh; 4- Microampe kế; 5- Kính lọc sáng; 6- Cuvet
chứa dung dịch phân tích; 7- Tế bào quang điện với hiệu ứng quang điện ngoài.
b) Máy hai chùm tia: 8- Gương; 9- Tế bào quang điện; 10- Điện kế để chuẩn
hóa 100%T.
Ở máy hai chùm tia dòng sáng được phân giải nhờ gương, một phần đi
qua dung dịch phân tích, phần thứ hai đi qua dung dịch so sánh. Bộ phận chỉ thị
22
tín hiệu là thang đo của độ truyền quang trong các đơn vị tuyến tính từ 0 đến
100, hoặc cũng có thể là thang đo mật độ quang D.
2.3.3. Các máy quang phổ UV- VIS
Khác với máy so màu quang điện, các máy quang phổ UV-VIS hiện nay
được thiết kế để đo phổ trong vùng tử ngoại và trông thấy, thường sử dụng lăng
kính hay cách tử cho phép thay đổi một cách liên tục độ dài sóng; đêtectơ là
nhân quang điện hay ống nhân quang điện.
• Nguồn bức xạ:
Trong các máy quang phổ UV-VIS hiện nay thường trang bị 2 loại nguồn,
trong vùng khả kiến thì dùng đèn vonfram W- Lamp, còn nguồn bức xạ tử ngoại
được biết đến nhiều nhất là đèn hiđrô hay đèn đơteri D- Lamp. Các đèn hiđrô
hay đèn đơteri bức xạ một phổ liên tục do có sự chuyển các phân tử khí vào
trạng thái kích thích. Sự trở về trạng thái ban đầu có kèm theo sự phân hủy của
phân tử bị kích thích để tạo ra photon của bức xạ tử ngoại và 2 nguyên tử hiđrô
trong trạng thái cơ bản. Năng lượng được hấp thụ tách ra ở hai dạng và chính là
năng lượng động học của các nguyên tử hiđrô và năng lượng photon của bức xạ
tử ngoại . Năng lượng động học cung cấp cho cả 2 nguyên tử hiđrô không bị
lượng tử hóa, do vậy mà nhận được một phổ rộng của năng lượng các 2 nguyên
tử hiđrô.
• Các nguồn tạo bức xạ đơn sắc ( máy tạo bức xạ đơn sắc ): làm nhiệm
vụ phân li bức xạ thành bức xạ đơn sắc có độ dài sóng khác nhau, có một số loại
như sau :
- Máy tạo bức xạ đơn sắc bằng lăng kính
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống tạo bức xạ đơn sắc bằng lăng kính
23
1- Khe vào ; 2- Thấu kính tập hợp ; 3- Lăng kính ; 4- Thấu kính tiêu điểm;
5- Mặt phẳng tiêu điểm ; 6- Khe ra.
Cơ chế hoạt động như sau: bức xạ đi qua khe vào được tập hợp vào thấu
kính thành chùm tia song song và sau đó chiếu đến bề mặt của lăng kính dưới
một góc xác định. Trên cả 2 mặt của lăng kính xảy ra sự khúc xạ, bức xạ phân
giải sau đó được tập trung trên một mặt phẳng hơi lõm trên đó có phân bố khe
ra. Bằng cách quay lăng kính có thể hướng bức xạ với độ dài sóng cần thiết vào
khe này. Để có thể đạt được độ phân giải ánh sáng cao, còn có các biện pháp kỹ
thuật nhất định; Tuy nhiên việc sử dụng máy tạo bức xạ đơn sắc với quang học
thủy tinh chỉ giới hạn trong vùng khả kiến do thủy tinh hấp thụ bức xạ tử ngoại.
- Máy tạo bức xạ đơn sắc bằng cách tử ( mạng lưới ):
Hình 2.7. Sự phân giải tạo chùm bức xạ đơn sắc trên mạng lưới phản xạ
Sự phân giải các bức xạ khả kiến, tử ngoại kể cả hồng ngoại có thể thực
hiện được bằng cách cho chùm bức xạ đi qua cách tử trong suốt hay phản xạ bức
24
xạ từ một lưới phản xạ. Các cách tử là một cục thủy tinh hay một vật liệu trong
suốt khác trên đó có vạch ra các đường song song. Khi có sự chiếu sáng cách tử
bằng một chùm bức xạ đi qua khe thì mỗi vạch sẽ trở nên một nguồn bức xạ
mới. Kết quả giao thoa của nhiều chùm sáng thì bức xạ sẽ được phân giải thành
các phần với các độ dài sóng khác nhau. Nếu chùm bức xạ được tập trung trên
một mặt phẳng ta sẽ nhận được một phổ mà dạng của nó lập lại dạng của khe
vào. Cách tử thích hợp để dùng trong các vùng khả kiến và tử ngoại có gần 600
vạch trên 1cm. Các mạng lưới phản xạ nhận được bằng cách cắt các lỗ rãnh trên
bề mặt đã được đánh bóng của kim loại. Tương tự, bức xạ được phản xạ từ mỗi
phần lồi lên của mạng lưới và sự giao thoa của các chùm phản xạ sẽ gây ra sự
phân giải bức xạ.
Ngoài ra còn có các máy tạo bức xạ đơn sắc đôi, bao gồm từ hai cấu phần
phân giải, có nghĩa là gồm hai lăng kính, hai mạng lưới hay lăng kính và mạng
lưới. Sự kết hợp này làm cho khả năng phân giải của máy tăng lên rất nhiều.
• Cuvet: thường sử dụng cuvet thủy tinh cho vùng khả kiến, nếu đo trong
vùng tử ngoại thì phải dùng cuvet thạch anh.
• Các đêtêctơ : Trong các máy UV-VIS thì đêtêctơ là các tế bào quang
điện với hiệu ứng quang điện ngoài hay các nhân quang điện.
Trên hình 2.8 là sơ đồ cấu trúc của một nhân quang điện. Bề mặt của catot
về thành phần không khác bề mặt catot của tế bào quang điện phát ra các
electron khi chiếu sáng. Nhân quang điện còn chứa các điện cực phụ được kí
25
Hình 2.8. Sơ đồ nhân quang điện
hiệu bằng số từ 1 đến 9 gọi là các đinot. Hiệu thế trên đinot 1 dương hơn 90V so
với trên catot, do vậy mà các electron được tăng tốc theo hướng của nó. Khi đập
lên đinot, mỗi electron gây ra sự phát xạ một số electron bổ sung, đến lượt các
electron này lại hướng đến đinot 2 mà hiệu thế của nó dương hơn 90V so với
hiệu thế của đinot 1. Một lần nữa cứ mỗi một electron đập lên bề mặt lại phát ra
một số electron. Khi quá trình này lặp lại 9 lần thì cứ mỗi một photon nhận được
106 → 109 electron. Tập hợp các electron này cuối cùng hướng tới anot, dòng
điện được tăng cường nhận được này đi qua điện trở R, sau đó có thể khuyếch
đại bổ sung và được đo.
Tương tự như các máy so màu quang điện, các máy UV-VIS giống nhau ở
sơ đồ khối nhưng sẽ khác nhau về độ phức tạp, các đặc tính làm việc và giá
thành. Trong các máy hai chùm tia, bằng cách nào đó chùm sáng được chia đôi
hoặc ở giữa máy tạo bức xạ đơn sắc hoặc theo lối ra khỏi máy này : một chùm đi
qua dung dịch phân tích và một chùm khác đi qua dung dịch so sánh. Trong một
26
số máy, người ta so sánh cường độ của cả hai chùm nhờ một hệ đôi của các
đêtêctơ và các bộ khuyếch đại sao cho nhận được ngay mật độ quang hay độ
truyền quang. Trong các máy khác, bức xạ của nguồn được tách ra một cách cơ
học và các xung ánh sáng lần lượt đi qua các dung dịch phân tích và dung dịch
so sánh. Sau đó chùm sáng cuối cùng được cấu tạo lại và rơi vào một đêtêctơ,
qua bộ phận khuyếch đại và cuối cùng cho nhận tín hiệu đo là mật độ quang hay
độ truyền quang.
2.3.4. Các máy quang phổ hồng ngoại IR
Các máy IR có cấu trúc tương tự như máy UV-VIS, trong đó nguồn bức
xạ liên tục là đèn vonfram cho bức xạ có bước sóng < 2μm); đèn Nernst cho bức
xạ có bước sóng trong khoảng 0,4 ÷ 20μm, là dây lò xo từ oxit ziriconi và ytri
được nung nóng bằng dòng điện đến 1500oC hoặc Globar, là dây lò xo từ cacbit
silic cho bức xạ có bước sóng trong khoảng 1 ÷ 4μm khi được nung nóng bằng
dòng điện đến 1500oC hoặc cũng có thể là dây Nicrom ( Ni + Cr ).
Đối với vùng hồng ngoại trong đó thủy tinh và thạch anh không trong suốt
thì người ta chế tạo các lăng kính từ vật liệu như natri clorua, liti florua, canxi
florua hay kali bromua. Các vật liệu này cũng dùng để tạo cuvet hay tạo mẫu đo
phổ hồng ngoại. Tuy nhiên những chất này chịu sự phân hủy cơ học và tương
tác của hơi nước, do vậy khi làm việc với chúng phải có các biện pháp kỹ thuật
thích hợp.
Các máy IR nói chung đều là hệ thống hai chùm tia vì thường sử dụng để
thăm dò và ghi một vùng rộng của phổ.
2.4. Các phương pháp phân tích định tính và định lượng
Phổ hấp thụ phân tử được dùng rộng rãi trong các phép phân tích định
tính và định lượng. Để nhận biết các hợp chất, nhất là các hợp chất hữu cơ thì
phổ hồng ngoại IR có ý nghĩa đặc biệt vì chúng có chứa một lượng lớn các pic
hẹp, đặc trưng cho chất, mỗi hợp chất hữu cơ lại có một cấu trúc phổ tinh vi.
Ngược lại phổ hấp thụ trong vùng khả kiến và tử ngoại thường gồm các dải phổ
bị dãn rộng, điều này làm che mất các cấu trúc tinh vi của chúng nên không
thích hợp để nhận biết nhưng lại có giá trị quan trọng để phân tích định lượng.
27
Ngoài ra những nghiên cứu quang phổ trong vùng này thường cho thông báo
định tính bổ ích về sự có mặt hay không có mặt của một số nhóm chức trong các
hợp chất hữu cơ ( như nhóm cacbonyl; vòng thơm ; nhóm nitro hay liên kết đôi
liên hợp…). Một ứng dụng quan trọng khác của phổ hấp thụ phân tử là phát hiện
hỗn hợp hấp thụ mạnh trong môi trường không hấp thụ, nếu hệ số hấp thụ trong
cực đại hấp thụ đủ lớn thì dễ dàng thiết lập sự có mặt những lượng vết nhiễm
bẩn. Hình 2.9 và 2.10 cho thấy phổ hấp thụ của một số chất.
28
Hình 2.9. Một số phổ hấp thụ tử ngoại
1- Hơi natri; 2- Hơi benzen; 3- Benzen trong hexan ; 4- dyphenyl trong hexan.
29
Hình 2.10. Phổ hồng ngoại của anđehyt CH3 CH2CH2CHO
1- Các dao động hóa trị của liên kết C- H của nhóm metyl; 2- Các dao động hóa
trị của liên kết C- H của nhóm anđehyt; 3- Các dao động hóa trị của liên kết
C=O; 4- Các dao động biến dạng của liên kết C- H của nhóm anđehyt.
Dưới đây chúng ta chủ yếu đề cập đến phương pháp phân tích định lượng
cho các máy so màu quang điện hay máy UV-VIS, còn gọi là các phương pháp
trắc quang phân tử hay đo quang. Còn các phương pháp phổ hồng ngoại IR sẽ có
chuyên đề riêng.
Để phân tích định lượng trắc quang phân tử, có hai phương pháp hay
được sử dụng là phương pháp đường chuẩn; phương pháp thêm chuẩn; ngoài ra
còn có phương pháp vi sai. Tuy nhiên trước khi thực hiện các phương pháp này,
người phân tích phải tìm được các điều kiện tối ưu cho sự làm việc của máy đo,
xác định bước sóng cực đại λmax và khoảng tuyến tính của nồng độ.
2.4.1. Phân tích định lượng bằng phương pháp đường chuẩn
Khi phân tích hàng loạt nhiều mẫu, người ta thường sử dụng phương pháp
đường tiêu chuẩn, phương pháp này cho phép phân tích và tính toán kết quả
nhanh, có thể triệt tiêu được các sai số hệ thống, thường được lập trình sẵn trong
các phần mềm điều khiển của máy. Quy trình thực hiện như sau :
● Chuẩn bị một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ chính xác, tăng dần nhất
định C1, C2, C3, C4, C5, C6 của chất chuẩn phân tích, chất chuẩn phân tích X đã
được đưa về dạng phức màu bằng thuốc thử thích hợp.
30
● Đo mật độ quang D1, D2, D3, D4, D5, D6 của các dung dịch chuẩn tại bước
sóng λmax đã khảo sát
● Xây dựng đường chuẩn D = f(C).
● Chuẩn bị mẫu trong điều kiện tương tự, đo mật độ quang Dx
● Dựa vào đường chuẩn suy ra nồng độ Cx
2.4.2. Phân tích định lượng bằng phương pháp thêm chuẩn
● Đo mật độ quang của dung dịch phân tích Dx
● Thêm một lượng chất chuẩn a vào dung dịch phân tích, đo mật độ quang
Dx+a từ các giá trị đo được, xác định nồng độ của mẫu Cx
xax
xax
ax
x
ax
x
DD
DCC
D
D
CC
C
−=⇒=
+ ++
.
2.5. Phương pháp trắc quang độ đục
Cơ sở của phương pháp trắc quang độ đục là dựa vào hiện tương hấp thụ
hay tán xạ ánh sáng bởi các hạt huyền phù ( keo ) có trong dung dịch phân tích.
Phương pháp phân tích dựa trên sự đo cường độ dòng sáng khuyếch tán ( tán xạ
) Ir bởi các hạt keo ( huyền phù ) trong dung dịch gọi là phương pháp khuyếch
đục. Phương pháp phân tích dựa trên sự đo độ giảm cường độ dòng sáng sau khi
đi qua dung dịch do các hạt keo hấp thụ mất một phần gọi là phương pháp hấp
đục.
2.5.1. Phương pháp khuyếch đục
D6
D5 D4 D3 D2 D1
C1 C2 C3 C4 C5 C6
Mật độ quang
Nồng độ
31
Hình 2.11. Đường đi của tia sáng qua hệ keo
I0- cường độ dòng sáng ban đầu, Ir- cường độ dòng khuyếch tán, It - cường độ
dòng còn lại ra khỏi dung dịch.
Cơ sở của phương pháp là sự phụ thuộc cường độ dòng khuyếch tán Ir (do
các hạt huyền phù sinh ra) vào nồng độ dung dịch phân tích tuân theo phương
trình Rơ-lây (Relay), có dạng rút gọn như sau:
Ir = I0K(N.V2/λ4)
Trong đó: N - tổng số các hạt huyền phù trong dung dịch, tức là tỉ lệ với nồng độ
chất phân tích.
λ - bước sóng của ánh sáng tới I0
V- thể tích hạt huyền phù
K - hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào bản chất của dung dịch và điều kiện đo
Sự phụ thuộc này nói chung rất phức tạp, tùy thuộc vào điều kiện tiến
hành thí nghiệm, tiến hành đo…, tuy nhiên nếu được khống chế nghiêm ngặt thì
đó là cơ sở của phương pháp phân tích định lượng.
2.5.2. Phương pháp hấp đục
Cơ sở của phương pháp dựa trên sự đo cường độ dòng sáng It đi ra khỏi
dung dịch phân tích. Tỉ lệ I0/It tuân theo phương trình:
32
lg(I0/It) = k.Cbd3/( d4 + αλ4 )
trong đó: C - Nồng độ các phần tử ( hạt keo ) hấp thụ ánh sáng trong dung dịch
b - Chiều dày lớp dung dịch
d - Đường kính trung bình của các hạt keo
k, α - Những hệ số, tùy thuộc vào bản chất các hạt keo và phương
pháp đo
λ - Bước sóng của ánh sáng tới I0
Nếu d, k, α, λ cố định thì:
lg(I0/It) = KbC
đó cũng là phương trình cơ bản của định luật Lambe-Bia, vậy trong phương
pháp hấp đục cũng dùng phép đo mật độ quang để phân tích định lượng.
Dhấp đục = lg(I0/It) = KbC
Tuy nhiên trong các phương pháp trắc quang độ đục, để có thể thu được
kết quả chính xác, có độ tin cậy cao cần phải tuân thủ rất nghiêm ngặt các điều
kiện thực nghiệm, cụ thể như:
- Các hạt keo ( huyền phù) phải ít tan
- Các hạt keo ( huyền phù) điều chế được phải đồng nhất
- Các hạt keo ( huyền phù) phải bền với thời gian, không bị lắng đọng.
Để đạt được các điều kiện này lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố thực nghiệm như:
nồng độ, thứ tự, tốc độ khi cho chất phân tích và thuốc thử tác dụng với nhau để
tạo hạt huyền phù; Thời gian cần thiết để thu được độ đục cực đại hay độ ổn
định của hạt keo; sự có mặt của các chất lạ như chất trợ keo, chất điện giải ngoại
lai kể cả yếu tố nhiệt độ…
33
Chương 3. PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ AAS
( ATOMIC ABSORPTION SPECTROMETRY )
3.1. Cơ sở lí thuyết của phương pháp
3.1.1. Sự xuất hiện phổ hấp thụ nguyên tử
Như chúng ta đã biết, vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử và nguyên
tử là phần tử cơ bản nhỏ nhất còn giữ được tính chất của nguyên tố hóa học.
Trong điều kiện bình thường nguyên tử không thu và cũng không phát ra năng
lượng, lúc này nguyên tử ở trạng thái cơ bản, đây là trạng thái bền vững và
nghèo năng lượng nhất của nguyên tử. Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự
do, nếu ta chiếu một chùm tia sáng có bước sóng xác định vào đám hơi nguyên
tử đó, thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định ứng
đúng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ của
nó. Lúc này nguyên tử đã nhận năng lượng của các tia bức xạ chiếu vào nó và
chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. Quá
trình này gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái
hơi và tạo ra phổ của nguyên tử của nguyên tố đó, phổ sinh ra trong quá trình
này được gọi là phổ hấp thụ nguyên tử.
Nếu gọi năng lượng của tia sáng đã bị nguyên tử hấp thụ là ∆E thì:
∆E = Em - E0 = hυ = hc/λ
Trong đó: E0 và Em là năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái cơ bản và
trạng thái kích thích m; h là hằng số Planck; c là tốc độ của ánh sáng trong chân
không; υ và λ là tần số và bước sóng của vạch phổ hấp thụ.
Như vậy ứng với mỗi giá trị năng lượng ∆Ei mà nguyên tử đã hấp thụ sẽ
có một vạch phổ hấp thụ với độ dài sóng λi đặc trưng cho quá trình đó, nghĩa là
phổ hấp thụ nguyên tử là phổ vạch. Nhưng nguyên tử không hấp thụ tất cả các
bức xạ mà nó có thể phát ra trong quá trình phát xạ, quá trình hấp thụ chỉ xảy ra
đối với các vạch phổ nhạy, các vạch phổ đặc trưng của các nguyên tố. Đây chính
là sự khác nhau cơ bản khi muốn tạo phổ hấp thụ hay phổ phát xạ của nguyên
tử: để tạo phổ phát xạ, phải kích thích nguyên tử bằng năng lượng Em, để tạo phổ
34
hấp thụ thì phải kích thích nguyên tử bằng chùm tia đơn sắc phù hợp. Hình 3.1
cho thấy quá trình tạo phổ hấp thụ và phổ phát xạ của nguyên tử.
Hình 3.1. Quá trình phát xạ và hấp thụ của nguyên tửE0 : năng lượng ở trạng thái cơ bản; Em : năng lượng ở trạng thái kích thích;
+hυ và ∆E : năng lượng kích thích; -hυ : tia phát xạ
Tóm lại, muốn có phổ hấp thụ nguyên tử trước hết phải tạo ra đám hơi
nguyên tử tự do, sau đó chiếu vào nó một chùm sáng đơn sắc có bước sóng nhất
định, ứng đúng với các tia phát xạ nhạy của nguyên tố cần nghiên cứu. Khi này,
nguyên tử tự do sẽ hấp thụ năng lượng của chùm tia đơn sắc và tạo ra phổ hấp
thụ nguyên tử, dựa vào cường độ vạch phổ hấp thụ nguyên tử để phân tích định
lượng. Đây cũng chính là điều kiện quyết định cấu trúc của một máy quang phổ
hấp thụ nguyên tử AAS, chúng ta sẽ đề cập đến ở phần sau.
3.1.2. Cường độ của vạch phổ hấp thụ
Khi nghiên cứu sự phụ thuộc của cường độ một vạch phổ hấp thụ của một
nguyên tố vào nồng độ C của nguyên tố đó trong mẫu phân tích, lí thuyết và
thực nghiệm cho thấy rằng, trong một vùng nồng độ C nhỏ của chất phân tích,
mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ hấp thụ và nồng độ N của nguyên tố đó
trong đám hơi nguyên tử tự do cũng tuân theo định luật Lambe-Bia. Nghĩa là
35
nếu chiếu một chùm sáng có cường độ ban đầu là I0 qua đám hơi nguyên tử tự
do của nguyên tố có nồng độ nguyên tử là N và bề dày là L cm, thì có:
I = I0 .e-(Kυ . N. L) (3.1)
Trong đó Kυ là hệ số hấp thụ nguyên tử của vạch phổ tần số υ, Kυ đặc trưng
riêng cho từng vạch phổ hấp thụ của mỗi nguyên tố.
Như vậy nếu gọi D (hay A) là cường độ vạch phổ hấp thụ nguyên tử,
chính là độ tắt của chùm sáng cường độ ban đầu là I0 qua môi trường hấp thụ,
còn gọi là độ hấp thụ hay mật độ quang, thì có:
D = lg( I0/I ) = 2,303 Kυ. N. L (3.2)
Trong các máy đo AAS, bề dày L phụ thuộc vào cấu trúc của máy, nên có
thể coi như không đổi, vậy D chỉ phụ thuộc vào số nguyên tử N trong môi
trường hấp thụ, khi này biểu thức (3.2) có thể viết là:
Dλ = K.N (3.3)
trong đó K là hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào các yếu tố: hệ số hấp thụ Kυ của
vạch phổ hấp thụ; bề dày của môi trường hấp thụ và nhiệt độ của môi trường hấp
thụ.
Ngoài ra giữa số nguyên tử N của nguyên tố trong môi trường hấp thụ và
nồng độ C của nguyên tố đó trong mẫu phân tích cũng có quan hệ nhất định, mối
quan hệ này rất phức tạp, phụ thuộc vào điều kiện nguyên tử hóa mẫu; thành
phần vật lý, hóa học, trạng thái tồn tại của nguyên tố trong mẫu. Nhưng các kết
quả thực nghiệm cũng đã chỉ ra rằng, trong một giới hạn nhất định của nồng độ
C thì mối quan hệ giữa N và C có thể biểu thị theo công thức:
N = Ka . Cb (3.4)
Trong đó Ka là hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào tất cả các điều kiện thực
nghiệm của phép đo phổ. Hệ số b được gọi là hằng số bản chất, nó phụ thuộc
vào từng vạch phổ của từng nguyên tố, b có giá trị bằng 1 và nhỏ hơn 1. Giá trị b
= 1 khi nồng độ C là nhỏ và ứng với mỗi vạch phổ của mỗi nguyên tố phân tích,
ta luôn tìm được một giá trị C = Co để b bắt đầu nhỏ hơn 1. Bây giờ có thể biểu
diễn là:
Dλ = k.Cb (3.5)
36
Với C < Co thì luôn có b = 1 và khi C > Co thì b nhỏ hơn 1, giá trị Co được coi
là giới hạn của vùng tuyến tính. Hình 3.2 dưới đây cho biết quan hệ giữa D và
C; phương trình (3.5) được gọi là phương trình cơ sở của phép đo định lượng
các nguyên tố theo phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
Hình 3.2. Quan hệ giữa D và C
3.2. Nguyên tắc và trang thiết bị của phép đo AAS
3.2.1. Nguyên tắc chung của phương pháp
Phương pháp phân tích dựa trên cơ sở đo phổ hấp thụ nguyên tử của một
nguyên tố được gọi là phép đo phổ hấp thụ nguyên tử ( phép đo AAS ), cơ sở lí
thuyết của phép đo như đã xét ở trên, là sự hấp thụ năng lượng (dạng bức xạ đơn
sắc) của nguyên tử tự do ở trong trạng thái hơi ( khí ) khi chiếu chùm tia đơn sắc
qua đám hơi nguyên tử tự do của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ. Vì vậy
muốn thực hiện phép đo AAS của một nguyên tố cần phải thực hiện các quá
trình sau đây:
1. Chọn các điều kiện và một loại trang bị phù hợp để chuyển mẫu phân
tích từ trạng thái ban đầu ( rắn hay dung dịch ) thành trạng thái hơi của các
nguyên tử tự do. Quá trình này gọi là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa
mẫu. Những trang bị để thực hiện quá trình này được gọi là hệ thống nguyên tử
37
hóa mẫu. Nhờ đó chúng ta có được đám hơi của các nguyên tử tự do của các
nguyên tố trong mẫu phân tích, đám hơi này chính là môi trường hấp thụ bức xạ
và sinh ra phổ hấp thụ nguyên tử.
2. Chiếu chùm tia bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám
hơi nguyên tử vừa điều chế được ở trên, các nguyên tử của nguyên tố cần phân
tích trong đám hơi sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ
của nó. Ở đây, phần cường độ của chùm tia bức xạ đã bị một loại nguyên tử hấp
thụ là phụ thuộc vào nồng độ của nó trong môi trường hấp thụ. Nguồn cung cấp
chùm tia bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích được gọi là nguồn bức
xạ đơn sắc hay bức xạ cộng hưởng.
3. Tiếp theo, nhờ một hệ thống quang học, thu toàn bộ chùm sáng, phân li
và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần phân tích để đo cường độ của
nó. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ C, giá trị cường độ này là phụ
thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích theo
phương trình (3.5) với b = 1.
3.2.2. Sơ đồ hệ thống máy đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS
Ba quá trình trên chính là nguyên tắc của phép đo AAS, từ đó cũng quyết
định các bộ phận cơ bản của máy đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS, bao gồm các
phần sau:
1. Bộ phận thứ nhất là nguồn phát tia bức xạ đơn sắc (chính là vạch phổ
phát xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích) nên còn gọi là nguồn bức xạ
cộng hưởng, để chiếu vào môi trường hấp thụ chứa các nguyên tử tự do của các
nguyên tố trong mẫu phân tích. Có các loại nguồn: Đèn catốt rỗng; đèn phóng
điện không điện cực hay các nguồn phát bức xạ liên tục đã được biến điệu.
2. Bộ phận thứ hai là hệ thống nguyên tử hóa mẫu phân tích, hệ thống này
được chế tạo theo hai loại kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu, đó là:
- Kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa đèn khí, lúc này ta có phép
đo F - AAS. Hệ thống này lại bao gồm bộ phận dẫn mẫu vào buồng aerôsol hóa
mẫu để tạo thể sol khí và đèn để nguyên tử hóa mẫu, đốt cháy hỗn hợp khí có
chứa mẫu ở thể huyền phù sol khí.
38
- Kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu không ngọn lửa, lúc này ta có phép đo ETA
- AAS. Hệ thống này có lò nung nhỏ bằng graphít (cuvet graphít) hay thuyền
Tantan (Ta) để nguyên tử hóa mẫu nhờ nguồn năng lượng điện có thế thấp (nhỏ
hơn 12V) nhưng có dòng rất cao (50 ÷ 800A).
3. Bộ phận thứ ba là một hệ quang học, chính là bộ đơn sắc, có nhiệm vụ
thu, phân li và chọn vạch phổ hấp thụ cần đo hướng vào nhân quang điện
(đêtêctơ) để phát tín hiệu hấp thụ AAS của vạch phổ.
4. Bộ phận thứ tư là hệ thống chỉ thị tín hiệu hấp thụ của vạch phổ ( tức là
cường độ của vạch phổ hấp thụ hay nồng độ của nguyên tố phân tích). Hệ thống
này có thể là các trang bị sau:
- Đơn giản nhất là một điện kế chỉ năng lượng hấp thụ của vạch phổ
- Một máy tự ghi pic của vạch phổ
- Bộ hiện số digital
- Bộ máy in hay kể cả tích phân kế
Nói chung các máy hiện nay đều kết nối với một máy vi tính, cho phép
điều khiển toàn bộ quá trình đo; tìm các điều kiện tối ưu cho phép đo; xử lý các
kết quả đo. Hệ thống máy AAS cũng bao gồm hai loại là hệ một chùm tia và hệ
hai chùm tia. Hình 3.3 dưới đây là sơ đồ nguyên tắc chung của các máy AAS
39
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên tắc cấu tạo hệ thống máy AAS
a) Hệ một chùm tia; b) Hệ hai chùm tia
1-Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc; 2- Hệ thống nguyên tử hóa mẫu; 3- hệ thống
đơn sắc và đêtêctơ; 4- hệ thống khuyếch đại và chỉ thị kết quả đo.
3.2.3. Một số bộ phận của máy AAS
3.2.3.1. Nguồn phát bức xạ đơn sắc
Để thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử trước hết phải có nguồn phát
ra tia bức xạ đơn sắc của nguyên tố cần phân tích để chiếu vào môi trường hấp
thụ. Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc phải thỏa mãn những yêu cầu sau đây:
- Phải tạo được tia phát xạ nhạy ( các vạch phát xạ nhạy, đặc trưng ) của
nguyên tố cần phân tích. Chùm tia này phải có cường độ ổn định và có thể điều
chỉnh được.
- Phải tạo được chùm tia phát xạ thuần khiết chỉ bao gồm một số vạch
nhạy, đặc trưng của nguyên tố cần phân tích còn phổ nền không đáng kể.
- Chùm tia phát xạ đơn sắc phải có cường độ cao, bền vững theo thời gian
và không bị các yếu tố vật lý nhiễu loạn để hạn chế sự ảnh hưởng về vật lí và về
phổ trong phép đo.
Các máy AAS hiện nay dùng chủ yếu ba loại nguồn, đó là: Đèn catốt
rỗng; Đèn phóng điện không điện cực; Đèn phát phổ liên tục đã được biến điệu.
Dưới đây là những giới thiệu sơ bộ về các loại đèn này.
• Đèn catốt rỗng HCL ( Hollow Cathode Lamp )
40
Đây là nguồn phát tia bức xạ đơn sắc được dùng sớm nhất và phổ biến
nhất trong phép đo phổ AAS. Đèn này chỉ phát ra tia phát xạ nhạy của nguyên tố
kim loại làm catốt. Cấu tạo của đèn như trong hình 3.4, bao gồm ba phần chính
là: Thân và vỏ đèn; Điện cực; Khí trong đèn và nguồn nuôi đèn.
Hình 3.4.Cấu tạo của đèn catốt rỗng HCL
Thân đèn gồm có vỏ đèn, cửa sổ và bệ đỡ các điện cực anốt và catốt. Thân
và vỏ đèn bằng thủy tinh hay thạch anh. Cửa sổ S cũng bằng thủy tinh hay thạch
anh trong suốt trong vùng UV hay VIS là tùy thuộc vào loại đèn của từng
nguyên tố phát ra chùm tia phát xạ nằm trong vùng phổ nào.
Điện cực của đèn là catốt và anốt. Anốt được chế tạo bằng kim loại trơ và
bền nhiệt như W hay Pt; Catốt được chế tạo bằng chính kim loại cần phân tích
với độ tinh khiết cao 99,9% có dạng hình ống rỗng. Anốt là một vòng bao quanh
catốt, cả hai điện cực được gắn chặt trên bệ đỡ và catốt phải nằm đúng trục
xuyên tâm của đèn. Hai đầu của hai điện cực gắn chặt trên đế đèn, để cắm vào
nguồn điện nuôi cho đèn làm việc. Đèn được đốt nóng đỏ nhờ một nguồn điện
một chiều ổn định, thế làm việc của đèn HCL thường khoảng 250 ÷ 220V tùy
thuộc vào từng loại đèn của từng hãng và từng nguyên tố kim loại làm catốt.
Cường độ làm việc của đèn HCL thường khoảng 3 ÷ 50mA và cũng tùy thuộc
vào từng loại đèn. Thế và cường độ dòng điện làm việc của đèn có liên quan
chặt chẽ đến công để tách kim loại ra khỏi bề mặt catốt để tạo ra hơi kim loại
sinh ra chùm tia phát xạ của đèn. Mỗi đèn HCL thường có một giá trị cường độ
cực đại ghi trên vỏ đèn, khi sử dụng không bao giờ được phép dùng đến dòng
điên cực đại đó, thích hợp nhất là trong khoảng 65 ÷ 85% giá trị cực đại.
41
Khí trong đèn là khí trơ với áp suất khoảng 5 ÷ 15mHg, là khí Ar, He hay
N2 có độ tinh khiết đến 99.99%, phải đảm bảo không phát ra phổ làm ảnh hưởng
đến chùm tia phát xạ của đèn và khi đèn làm việc trong một điều kiện nhất định
thì tỉ số giữa các nguyên tử bị ion hóa và các nguyên tử trung hòa phải không
đổi.
Cơ chế làm việc của đèn như sau: nhờ nguồn điện, catốt được nung đỏ,
giữa catốt và anốt xảy ra sự phóng điện liên tục, nhờ đó một số phân tử khí bị
ion hóa, các ion mới sinh này sẽ tấn công bề mặt catốt đang nóng đỏ làm cho
một số nguyên tử của kim loại trên bề mặt catốt bị hóa hơi và trở thành những
nguyên tử tự do, dưới tác dụng của nhiệt độ trong đèn đang được đốt nóng, các
nguyên tử tự do này bị kích thích và phát ra phổ phát xạ của nó. Đó chính là phổ
vạch của kim loại làm catốt, và trong điều kiện môi trường khí trơ có áp suất rất
thấp, phổ phát xạ chỉ bao gồm các vạch nhạy của kim loại đó mà thôi. Chùm tia
phát xạ này là nguồn đơn sắc để chiếu vào môi trường hấp thụ để thực hiện
phép đo AAS.
Các đèn HCL có cấu tạo như đã mô tả ở trên là các đèn đơn, mỗi đèn chỉ
phục vụ cho phân tích một nguyên tố. Hiện nay các hãng đã chế tạo được các
đèn kép đôi (Ca + Mg; Cu + Mn; K + Na …) , kép ba (Cu + Pb + Zn) hay kép
sáu nguyên tố (Cu + Mn + Cr + Fe + Co + Ni), khi này catốt của đèn phải là hợp
kim của các nguyên tố đó và thành phần phải phù hợp sao cho cường độ phát xạ
của các nguyên tố là gần tương đương như nhau, không ảnh hưởng lẫn nhau.
Các đèn kép thường có độ nhạy kém hơn các đèn đơn tương ứng và chế tạo cũng
khó hơn đèn đơn nên đến nay cũng chỉ có một số loại mà thôi.
• Đèn phóng điện không điện cực EDL (Electrodeless Discharge Lamp)
Đèn EDL là ống phóng điện trong môi trường khí hiếm có chứa nguyên tố
cần phân tích với nồng độ nhất định phù hợp để tạo ra chùm tia phát xạ chỉ bao
gồm một số vạch phổ nhạy, đặc trưng của nguyên tố phân tích. Cấu tạo của đèn
gồm các bộ phận sau:
- Thân đèn là ống thạch anh chịu nhiệt, dài 15 ÷ 18cm, đường kính 5 ÷
6cm. Một đầu của đèn cũng có cửa sổ S cho chùm tia phát xạ đi qua. Ngoài ống
42
thạch anh là cuộn cảm bằng đồng có công suất từ 400 ÷ 800W tùy loại đèn của
từng nguyên tố và được nối với nguồn năng lượng cao tần phù hợp để nuôi cho
đèn làm việc.
- Chất trong đèn là vài miligam kim loại hay muối kim loại dễ bay hơi của
nguyên tố phân tích, để làm sao khi toàn bộ chất hóa hơi bảo đảm cho áp suất
hơi của kim loại đó trong đèn ở nhiệt độ 550 ÷ 800oC là khoảng 1 ÷ 1.5mHg.
Chất này thay cho catốt trong đèn HCL, nó chính là nguồn cung cấp chùm tia
phát xạ của nguyên tố phân tích, khi chúng bị kích thích, khi đèn làm việc.
- Trong đèn EDL cũng phải hút hết không khí và nạp thay vào đó là một
khí trơ Ar, He hay N2 có áp suất vài mHg để khởi đầu cho sự làm việc của đèn.
- Nguồn năng lượng cao tần để nuôi đèn được chế tạo theo hai tần số: tần
số sóng ngắn 450MHz và tần số sóng radiô 27.12MHz có công suất dưới 1kW
nên có hai loại đèn tương ứng ở hai tần số trên.
Cơ chế làm việc của đèn như sau: khi đèn làm việc, dưới tác dụng của
năng lượng cao tần cảm ứng, đèn được nung nóng đỏ, kim loại hay muối kim
loại trong đèn được hóa hơi và bị nguyên tử hóa, các nguyên tử tự do được sinh
ra đó sẽ bị kích thích và phát ra phổ phát xạ của nó. Đó chính là vạch phát xạ
nhạy, đặc trưng của kim loại chứa trong đèn.
So với đèn HCL, đèn EDL cho độ nhạy cao hơn, ổn định hơn. Đèn EDL
của các á kim hay bán á kim thường có độ bền cao hơn và vùng tuyến tính của
phép đo cho một nguyên tố cũng rộng hơn so với đèn HCL. Tuy nhiên số đèn
EDL được sản xuất ít hơn, khoảng hơn 30 đèn và giá thành lại cao hơn.
• Đèn phổ liên tục có biến điệu
Trong các máy AAS, hiện nay có xu hướng sử dụng nguồn phát bức xạ
liên tục nhưng nhờ hệ thống quang học ( biến điệu và lọc giao thoa ) để tạo
chùm bức xạ đơn sắc. Đó là các đèn Dơteri D2-Lamp; đèn wonfram W-Lamp,
phát phổ liên tục trong vùng tử ngoại và vùng khả kiến UV-VIS.
Cơ chế làm việc của đèn như sau: chùm sáng khi đi qua hệ thống biến
điệu và bộ lọc giao thao sẽ bị biến điệu theo những độ dài sóng nhất định dao
động với biên độ như nhau, sau đó được chiếu vào môi trường hấp thụ là ngọn
43
lửa hay cuvet graphit. Các nguyên tử tự do trong môi trường hấp thụ sẽ hấp thụ
một phần năng lượng của chùm sáng ứng với một dải biến điệu của vùng phổ,
phần còn lại sẽ đi vào bộ đơn sắc và đetectơ để phát hiện và đo cường độ sau khi
qua bộ khuyếch đại băng sóng theo dải phổ của đèn để nắn lại tần số.
Nguồn phát phổ liên tục có ưu điểm là dễ chế tạo, rẻ tiền và có độ bền
tương đối cao. Chỉ cần một đèn đã có thể thực hiện phép đo AAS đối với nhiều
nguyên tố trong vùng phổ UV-VIS nên rất ưu việt đối với các máy phổ hấp thụ
nhiều kênh và xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong cùng một
mẫu phân tích mà không phải thay đèn. Về độ đơn sắc và độ nhạy thì nguồn
phát phổ liên tục kém hơn các đèn HCL hay EDL, tuy nhiên hiện nay loại nguồn
này được phát triển, cải tiến và sử dụng rất nhiều trong các máy AAS.
3.2.3.2. Thiết bị nguyên tử hóa mẫu
Quá trình nguyên tử hóa mẫu là một giai đoạn rất quan trọng trong phép
đo AAS bởi vì chỉ các nguyên tử tự do mới cho phổ hấp thụ nguyên tử, số
nguyên tử tự do là yếu tố quyết định cường độ vạch phổ hấp thụ và ảnh hưởng
trực tiếp đến kết quả phân tích. Mục đích của quá trình này là tạo ra được đám
hơi các nguyên tử tự do từ mẫu phân tích với hiệu suất cao và ổn định, để phép
đo đạt kết quả chính xác và có độ lặp lại cao. Hai hệ thống kỹ thuật nguyên tử
hóa mẫu sau đây tạo ra hai dòng máy AAS khác nhau.
3.3.1.1. Kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa
Máy AAS với hệ thống này cho phép đo AAS được ký hiệu là F- AAS (
viết tắt của Flame Atomic Absorption Spectrometry ). Theo kỹ thuật này người
ta dùng năng lượng nhiệt của ngọn lửa đèn khí để hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu
phân tích.
• Trang thiết bị để nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa: muốn thực hiện
phép đo F - AAS, trước hết phải chuẩn bị mẫu phân tích ở trạng thái dung dịch,
sau đó dẫn dung dịch mẫu vào ngọn lửa đèn khí để hóa hơi và nguyên tử hóa
mẫu và thực hiện phép đo. Quá trình nguyên tử hóa trong ngọn lửa gồm hai
bước kế tiếp nhau: bước một là chuyển dung dịch mẫu thành thể các hạt nhỏ như
sương mù ( dạng sol khí ) trộn đều với khí mang và khí cháy, quá trình này được
44
gọi là quá trình aerosol hóa hay nêbulize hóa; bước hai là dẫn hỗn hợp aerosol
cùng hỗn hợp khí đốt vào đèn ( burner head ) để nguyên tử hóa. Cả hệ thống này
gọi là Nebulizer System, bao gồm hai phần chính là đèn nguyên tử hóa mẫu (
burner head ) và buồng aerosol hóa mẫu.
Để tạo ra ngọn lửa, người ta đốt cháy hỗn hợp khí bao gồm một khí
oxyhóa và một khí cháy, thường sử dụng hỗn hợp khí acetylen và không khí nén
hay hỗn hợp khí acetylen và khí N2O. Khi hỗn hợp khí được đốt cháy, ở burner
head sẽ tạo ra ngọn lửa, dưới tác dụng nhiệt của ngọn lửa các phần tử mẫu ở thể
sol khí sẽ bị hóa hơi và nguyên tử hóa tạo ra các nguyên tử tự do của nguyên tố
có trong mẫu phân tích. Đó là môi trường hấp thụ năng lượng và tạo ra phổ hấp
thụ nguyên tử của nguyên tố cần phân tích. Hình 3.4 và 3.5 dưới đây là một ví
dụ về các loại đèn và hệ thống nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa
Hình 3.4. Hai loại đèn nguyên tử hóa mẫu
45
Hình 3.5. Hệ thống nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa
1- Đèn nguyên tử hóa mẫu; 2- Màng bảo hiểm; 3- Đường thải phần dung dịch
mẫu thừa; 4- Đường dẫn khí oxyhóa; 5- Đường dẫn mẫu vào buồng aerôsol hóa;
6- Đường dẫn khí cháy; 7- Viên bi tạo aerôsol.
• Tối ưu hóa các điều kiện để nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa
Quá trình nguyên tử hóa mẫu là giai đoạn rất quan trọng trong phép đo F-
AAS, quá trình này thực hiện không tốt sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo.
Vì vậy, muốn đạt được kết quả chính xác và đúng đắn, chúng ta phải khảo sát
chọn các điều kiện nguyên tử hóa mẫu tối ưu, phù hợp nhất cho từng nguyên tố
46
cần phân tích trong mỗi loại mẫu cụ thể. Sau đây chúng ta xem xét một số điều
kiện cụ thể.
1- Thành phần và tốc độ của hỗn hợp khí đốt tạo ra ngọn lửa: việc thay
đổi thành phần và tốc độ của hỗn hợp khí đốt cho phép chọn nhiệt độ phù hợp để
hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu, tạo ra đám hơi các nguyên tử tự do có khả năng
hấp thụ bức xạ đơn sắc để tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử. Ngọn lửa đèn khí phải
thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Ngọn lửa đèn khí phải làm nóng đều được mẫu phân tích; hóa hơi và
nguyên tử hóa mẫu với hiệu suất cao.
- Nhiệt độ ( năng lượng ) của ngọn lửa phải đủ lớn và có thể điều chỉnh
được tùy theo từng mục đích phân tích mỗi nguyên tố. Đồng thời phải ổn định
theo thời gian và có thể lặp lại trong các lần phân tích khác nhau để đảm bảo cho
phép phân tích đạt được kết quả đúng đắn. Yêu cầu này có lúc không được thỏa
mãn vì nhiệt độ cao nhất của ngọn lửa cũng chỉ đạt được là 3300oC, do đó đối
với những nguyên tố tạo thành hợp chất bền nhiệt thì hiệu suất nguyên tử hóa
của ngọn lửa là kém.
- Ngọn lửa phải thuần khiết, để không sinh ra các vạch phổ phụ hay tạo ra
phổ nền quá lớn làm khó khăn cho phép đo. Quá trình ion hóa và phát xạ phải
không đáng kể vì quá trình này làm mất các nguyên tử tự do tạo ra phổ.
- Ngọn lửa phải có bề dày đủ lớn để có lớp hấp thụ đủ dày làm tăng độ
nhạy của phép đo. Đồng thời bề dày của lớp hấp thụ lại có thể thay đổi được khi
cần thiết, để đo ở các nồng độ khác nhau. Trong các máy hiện nay, bề dày này
có thể thay đổi được từ 2cm đến 10cm.
- Tiêu tốn ít mẫu phân tích.
Ngọn lửa là môi trường nguyên tử hóa mẫu, trong ngọn lửa có nhiều quá
trình đồng thời xảy ra, có quá trình chính và có các quá trình phụ ( gọi là quá
trình thứ cấp ), trong đó nhiệt độ của ngọn lửa là yếu tố quyết định. Nhiệt độ của
ngọn lửa phụ thuộc vào bản chất; thành phần ( tỉ lệ ) hỗn hợp khí và tốc độ dẫn
hỗn hợp khí vào đèn để đốt cháy. Cấu trúc của ngọn lửa lại gồm ba phần có
nhiệt độ khác nhau, được mô tả trong hình 3.6. Trong đó, phần (a) là phần tối
47
của ngọn lửa, có nhiệt độ thấp ở trong khoảng 700oC ÷ 1200oC, trong phần này
hỗn hợp khí được trộn đều và đốt nóng cùng với các hạt sol khí của mẫu phân
tích, dung môi hòa tan mẫu sẽ bay hơi và mẫu được sấy nóng. Phần (b) là vùng
trung tâm của ngọn lửa, có nhiệt độ cao, nhất là ở đỉnh b, thường không có màu
hoặc màu xanh rất nhạt. Trong phần này hỗn hợp khí được đốt cháy tốt nhất và
không có phản ứng thứ cấp. Vì thế trong phép đo phải đưa mẫu vào phần này để
nguyên tử hóa, nói cách khác là nguồn đơn sắc phải chiếu vào phần này. Phần
(c) là vỏ và đuôi của ngọn lửa, vùng này có nhiệt độ thấp, ngọn lửa có màu vàng
và thường xảy ra nhiều phản ứng thứ cấp không có lợi cho phép đo.
Hình 3.6. Cấu tạo của ngọn lửa đèn khí
Quá trình xảy ra trong ngọn lửa có thể mô tả như sau: mẫu ở thể sol khí
được dẫn lên đèn nguyên tử hóa, ở miệng đèn xảy ra sự bay hơi của dung môi
hòa tan mẫu và các chất hữu cơ (nếu có) trong thể sol khí. Khi này mẫu còn lại
là những hạt rắn rất nhỏ mịn được dẫn tiếp vào vùng trung tâm ngọn lửa, ở đây
sẽ xảy ra các quá trình chính là hóa hơi và nguyên tử hóa của các hạt mẫu khô,
tuy nhiên quá trình này sẽ diễn biến theo tính chất nhiệt hóa của hạt mẫu: mẫu sẽ
48
hóa hơi ở dạng phân tử sau đó các phân tử khí này mới bị phân li ( nguyên tử
hóa ) thành các nguyên tử tự do; hoặc ngược lại, các hạt mẫu phân li thành các
nguyên tử tự do rồi mới hóa hơi. Đó là hai cơ chế của quá trình hóa hơi và
nguyên tử hóa mẫu trong ngọn lửa đèn khí. Thực nghiệm cho thấy rằng các loại
hợp chất của kim loại dạng halogenua; kim loại axetat; kim loại clorat; kim loại
nitrat thường theo cơ chế thứ nhất, cơ chế này cho phép đo có độ nhạy cao và ổn
định hơn cơ chế thứ hai. Các loại hợp chất của kim loại sunphat; kim loại
phôtphat; kim loại silicat thường theo cơ chế thứ hai, cơ chế này kém ổn định,
cho phép đo có độ nhạy thấp. Vì vậy người ta thường thêm vào mẫu các muối
halogen hay axetat của kim loại kiềm để hướng các quá trình theo cơ chế thứ
nhất ưu việt hơn.
Bên cạnh các quá trình chính, trong ngọn lửa còn có một số quá trình phụ,
các quá trình này thường ảnh hưởng đến cường độ vạch phổ trong những mức
độ khác nhau, ví dụ như: Sự ion hóa của các nguyên tử của nguyên tố cần phân
tích; Sự phát xạ của các nguyên tử tự do; Sự hấp thụ năng lượng của các ion và
phân tử, kể cả các hạt mẫu rắn chưa bị hóa hơi; Cuối cùng là sự tạo thành các
hợp chất bền nhiệt dạng oxyt dạng MeO, các loại hợp chất này rất bền, khi đã
hình thành thì sẽ khó phân ly thành các nguyên tử tự do trong ngọn lửa đèn khí,
làm ảnh hưởng đến kết quả đo.
2. Tốc độ dẫn dung dịch mẫu vào hệ thống nguyên tử hóa: Tốc độ phù
hợp của một số máy hiện nay là trong khoảng 4 - 5ml/phút.
3. Chiều cao của đèn nguyên tử hóa: Yếu tố này cũng ảnh hưởng trong
một mức độ nhất định. Tùy thuộc vào từng nguyên tố mà chọn chiều cao burner
head sao cho có được cường độ vạch phổ lớn nhất và ổn định nhất.
4. Bề dày của môi trường hấp thụ L. Khi thay đổi bề dày của lớp hấp thụ
(môi trường hấp thụ) chúng ta có thể tăng hay giảm độ nhạy của phép đo. Nghĩa
là tùy theo nồng độ của nguyên tố cần phân tích mà chúng ta thay đổi góc
nghiêng của đèn nguyên tử hóa mẫu để có được bề dày của lớp hấp thụ L phù
hợp nhất. Khi L lớn nhất ta sẽ có độ nhạy cao nhất, nếu giảm L thì độ nhạy giảm
theo, nói cách khác nếu khi đo nồng độ lớn ta phải quay đèn nguyên tử hóa đi
49
một góc cho phù hợp, mà không cần pha loãng, nhưng sau đó phải giữ không
đổi trong suốt quá trình đo.
5. Tần số máy siêu âm tạo sol khí mẫu phân tích cũng cần chọn cho phù
hợp kể cả tốc độ dẫn mẫu vào buồng siêu âm.
Trên đây là các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo F-AAS trong đó yếu tố thứ
nhất là quan trọng nhất, quyết định hiệu suất của quá trình nguyên tử hóa mẫu,
các yếu tố còn lại ảnh hưởng đến yếu tố thứ nhấtvà qua đó mà ảnh hưởng đến
kết quả của phép đo.
3.3.1.2. Kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu không ngọn lửa
Kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa ra đời sau kỹ thuật nguyên tử hóa
bằng ngọn lửa, nhưng kỹ thuật phát này triển rất nhanh và hiện nay đang được
ứng dụng rất phổ biến. Kỹ thuật này cho phép đo AAS có độ nhạy cao hơn rất
nhiều so với kỹ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa, mức nanogram - ppb. Đây là
ưu điểm chính của kỹ thuật này, vì vậy khi phân tích lượng vết các kim loại
trong nhiều trường hợp không cần thiết phải làm giàu các nguyên tố cần phân
tích, đặc biệt là khi xác định các nguyên tố vi lượng trong các loại mẫu y học,
sinh học, dược phẩm, thực phẩm…
•Nguyên tắc và các giai đoạn của quá trình nguyên tử hóa mẫu không
ngọn lửa
Nguyên tắc và cách thực hiện của kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa
là hoàn toàn khác với kỹ thuật nguyên tử hóa trong ngọn lửa. Ở đây thường
dùng năng lượng nhiệt của một nguồn năng lượng phù hợp để nung nóng, hóa
hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích trong ống cuvét graphit hay trong thuyền
tantan (Ta) nhỏ. Nguồn năng lượng thường được dùng hiện nay là dòng điện có
cường độ dòng rất cao (50 - 600A) và thế thấp (dưới 12V) hay là năng lượng của
dòng cao tần cảm ứng (ICP). Dưới tác dụng của các nguồn năng lượng này,
cuvét chứa mẫu sẽ được nung nóng đỏ tức khắc và mẫu hóa hơi và nguyên tử
hóa để tạo ra các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi có khả năng hấp thụ bức xạ
đơn sắc tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của nó.
50
Như vậy, hệ thống nguyên tử hóa mẫu theo kỹ thuật không ngọn lửa gồm
có: - Buồng nguyên tử hóa và cuvét chứa mẫu phân tích.
- Nguồn năng lượng để nung nóng đỏ lò graphit đến nhiệt độ nguyên tử hóa
mẫu và bộ điều khiển hay bộ chương trình để đặt chương trình và chỉ huy quá
trình nguyên tử hóa mẫu.
Tùy theo các hãng sản xuất mà hệ thống nguyên tử hóa mẫu này có thể có
cấu trúc và cách sử dụng khác nhau, nhưng quá trình nguyên tử hóa mẫu trong
các dụng cụ này đều xảy ra theo 3 giai đoạn kế tiếp nhau trong khoảng thời gian
60 đến 80 giây, đó là: Sấy khô mẫu; Tro hóa luyện mẫu và cuối cùng là nguyên
tử hóa mẫu.
Sấy khô mẫu là giai đoạn đầu tiên của quá trình nguyên tử hóa mẫu. Yêu
cầu của giai đoạn này là phải đảm bảo dung môi hòa tan mẫu bay hơi nhẹ nhàng
và hoàn toàn, không làm bắn mẫu, mất mẫu. Nhiệt độ và thời gian sấy khô của
mỗi mẫu là phụ thuộc vào bản chất của các chất ở trong mẫu và dung môi hòa
tan nó. Thực nghiệm cho thấy rằng không nên sấy khô quá nhanh ở nhiệt độ quá
cao, nói chung nhiệt độ sấy khô phù hợp với đa số các mẫu vô cơ trong dung
môi nước nằm trong khoảng từ 100 - 150oC trong thời gian từ 25 - 40 giây với
lượng mẫu bơm vào cuvét nhỏ hơn 100μl. Các mẫu hữu cơ trong dung môi hữu
cơ phải sấy ở nhiệt độ thấp hơn và tốc độ tăng nhiệt độ cũng phải chậm hơn.
Tro hóa mẫu là giai đoạn tiếp theo để đốt cháy các hợp chất hữu cơ và
mùn có trong mẫu sau khi đã sấy khô đồng thời cũng để nung luyện mẫu ở một
nhiệt độ thuận lợi cho giai đoạn nguyên tử hóa tiếp theo đạt hiệu suất cao và ổn
định. Giai đoạn này ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả phân tích nếu chọn nhiệt độ
tro hóa không phù hợp. Thực nghiệm cho thấy mỗi nguyên tố đều có một nhiệt
độ tro hóa luyện mẫu giới hạn của phép đo ETA-AAS, là nhiệt độ mà sự tro hóa
luyện mẫu tại nhiệt độ đó hoặc nhỏ hơn nó thì cường độ vạch phổ hấp thụ là
không đổi, còn nếu tro hóa ở nhiệt độ lớn hơn thì cường độ vạch phổ bị giảm và
không ổn định, điều này có thể lý giải là do mẫu bị phân hủy mất. Nhiệt độ giới
hạn của mỗi nguyên tố là khác nhau và phụ thuộc vào bản chất, dạng hợp chất
mà nguyên tố đó tồn tại, kể cả matrix của mẫu. Nói chung các nguyên tố bền
51
nhiệt và tồn tại ở dạng hợp chất bền nhiệt thường phải tro hóa luyện mẫu ở
nhiệt độ tương đối cao, ví dụ Si có nhiệt độ tro hóa giới hạn là 1100oC, Ni có
nhiệt độ tro hóa giới hạn là 1000oC, Pb lại có nhiệt độ tro hóa giới hạn chỉ có
600oC… Trong các tài liệu kèm theo máy phân tích AAS thường giới thiệu để
người sử dụng tham khảo về nhiệt độ sấy mẫu, nhiệt độ tro hóa luyện mẫu và
nhiệt độ nguyên tử hóa mẫu, tuy nhiên khi phân tích các mẫu cụ thể chúng ta
nên dựa vào các giá trị đó để khảo sát hoặc kiểm tra lại. Ngoài ra cũng phải kể
đến tốc độ tăng nhiệt trong quá trình độ tro hóa luyện mẫu, nếu tốc độ tăng nhiệt
quá lớn sẽ làm bắn mẫu, thông thường người ta dành 1/3 tổng thời gian tro hóa
luyện mẫu cho quá trình tăng nhiệt độ từ nhiệt độ sấy đến nhiệt độ tro hóa, như
vậy tốc độ tăng nhiệt độ khoảng 60oC ÷ 100oC trong 1 giây; 2/3 thời gian còn
lại là giữ nhiệt độ không đổi đã chọn để luyện mẫu. Đối với những mẫu của hợp
chất hữu cơ hay trong dung môi hữu cơ thì giai đoạn này càng phải cẩn thận để
tránh sự bay hơi trước của nguyên tố phân tích ở dạng hợp chất cơ kim. Nói
chung với mỗi loại mẫu, trong mỗi loại dung môi đều phải khảo sát để phát hiện
nhiệt độ tro hóa, tốc độ tăng nhiệt độ cho phù hợp.
Nguyên tử hóa là giai đoạn cuối cùng của quá trình nguyên tử hóa mẫu
nhưng là giai đoạn quyết định cường độ vạch phổ và bị ảnh hưởng bởi hai giai
đoạn trên. Giai đoạn này được thực hiện trong thời gian rất ngắn, thông thường
từ 3 đến 6 giây, ít khi đến 8 - 10 giây nhưng tốc độ tăng nhiệt độ lại là rất lớn để
đạt ngay tức khắc nhiệt độ nguyên tử hóa và thực hiện phép đo cường độ vạch
phổ. Tốc độ tăng nhiệt độ khoảng 1800oC ÷ 2500oC trong 1 giây, thường sử
dụng tốc độ tối đa mà máy có thể cho phép.
3.2.3.3. Hệ thống đơn sắc
Đây là hệ thống quang học, cũng gọi là máy quang phổ có độ phân giải
cao, có nhiệm vụ thu, phân li và chọn vạch phổ hấp thụ cần đo. Hệ này có thể là
một chùm tia hay hai chùm tia bao gồm ba phần chính:
- Hệ chuẩn trực, để chuẩn trực chùm tia vào.
- Hệ thống tán sắc (phân li) để phân li chùm sáng đa sắc thành đơn sắc.
- Hệ buồng tối ( buồng ảnh ) để hội tụ các tia cùng bước sóng lại.
52
Trước hệ chuẩn trực là khe vào của chùm sáng đa sắc và sau hệ buồng ảnh
là khe ra của chùm tia đơn sắc cần đo. Như thể hiện ở hình 3.7, chùm tia phát xạ
cộng hưởng của nguyên tố cần phân tích được phát ra từ nguồn sau khi đi qua
môi trường hấp thụ, sẽ được hướng vào khe máy và vào hệ chuẩn trực, rồi vào
bộ phận tán sắc, vào hệ hội tụ để chọn một tia cần đo hướng vào khe đo của
đetêctơ để đo cường độ vạch phổ hấp thụ.
Hệ thống đơn sắc của mỗi máy AAS phải đảm bảo một số yêu cầu sau
đây:
1. Phải có độ tán sắc đủ lớn để có thể tách và cô lập được tốt các vạch phổ
cần đo, tránh sự quấy rối, sự chen lấn của các vạch phổ khác ở bên cạnh. Trong
các máy hiện nay thường là hệ cách tử có hằng số từ 1200 ÷ 2400 vạch/nm.
2. Phải không gây ra các hiện tượng sai lệch làm mất năng lượng của
chùm sáng ở trong máy như sự hấp thụ, sự tán xạ, sự khuyếch tán của các bộ
phận cấu thành máy, đặc biệt là các hệ thống gương, các thấu kính trong máy.
3. Khe vào, khe ra của máy phải có độ mở chính xác và phải điều chỉnh
được cho phù hợp với từng vạch phổ và có độ lặp lại cao trong mỗi phép đo.
Các thấu kính phải trong suốt trong vùng phổ làm việc của máy.
4. Đêtêctơ để phát hiện cường độ vạch phổ phải có độ nhạy cao, để có thể
phát hiện sự thay đổi nhỏ trong quá trình hấp thụ của vạch phổ của mỗi nguyên
tố. Nói chung trong các máy AAS là loại đêtêctơ nhạy nhất, đó là ống nhân
quang điện ( photomultivlier tube).
3.2.3.4. Đêtêctơ ống nhân quang điện - photomultivlier tube
Đêtêctơ là dụng cụ quang học có khả năng biến tín hiệu quang thành tín
hiệu điện, nói cách khác đó là dụng cụ quang học để thu nhận và phát tín hiệu
quang học theo hiệu ứng quang điện của nó. Ở chương hai chúng ta đã xét một
số loại tế bào quang điện, sau đây chúng ta xét một loại đêtêctơ có tính chất vạn
năng, có độ nhạy và độ chọn lọc rất cao, đó là ống nhân quang điện (
photomultivlier tube), vùng phổ hoạt động là 190 ÷ 900nm có khi đến 1100nm,
có thể khuyếch đại tín hiệu đo lên đến hàng triệu lần ( 106 ÷ 107 ), sơ đồ cấu tạo
53
trong hình 3.7. Nguyên liệu để chế tạo bản catốt là các hợp kim của kim loại
kiềm với Sb, Ga hay As, ví dụ hợp kim Cs - Sb; Ga - As; Na - K - Cs - S…
Hình 3.7. Nguyên tắc cấu tạo của ống nhân quang điện
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo AAS
Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả phân tích trong phép đo phổ hấp thụ
nguyên tử là rất đa dạng và phức tạp, có khi xuất hiện và cũng có khi không,
người ta thường chia thành 6 nhóm như sau:
Nhóm 1 là các thông số của hệ máy đo. Các thông số này cần được khảo
sát và chọn cho từng trường hợp cụ thể. Thực hiện quá trình này chính là tối ưu
hóa các thông số của máy đo cho một đối tượng phân tích.
Nhóm 2 là các điều kiện nguyên tử hóa mẫu. Các yếu tố này thể hiện rất
khác nhau tùy thuộc vào kỹ thuật được chọn để thực hiện quá trình hóa hơi và
nguyên tử hóa mẫu, đã được đề cập ở phần trên.
Nhóm 3 là kỹ thuật được chọn để xử lý mẫu. Trong quá trình này, nếu
thực hiện không cẩn thận có thể sẽ làm mất hay nhiễm bẩn thêm nguyên tố phân
tích vào mẫu, do đó kết quả phân tích thu được là không đúng với mẫu thực tế.
54
Vì vậy với mỗi loại mẫu ta phải nghiên cứu và chọn một quy trình xử lý mẫu
phù hợp nhất.
Nhóm 4 là các ảnh hưởng về phổ. Trong phép đo AAS, ngoài vạch phổ
được chọn để đo còn có phổ nền, hoặc sự chen lấn của các vạch phổ của các
nguyên tố khác không phải là nguyên tố cần phân tích, chúng ảnh hưởng rất
mạnh đến kết quả phân tích, vì vậy cần quan tâm nghiên cứu để loại bỏ sự ảnh
hưởng này.
Nhóm 5 là các yếu tố vật lý.
Nhóm 6 là các yếu tố hóa học.
Sau đây chúng ta xem xét một vài yếu tố.
3.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng về phổ
Ảnh hưởng đầu tiên phải kể đến sự hấp thụ bức xạ của nền, yếu tố này có
lúc xuất hiện rõ ràng, nhưng cũng có khi không xuất hiện. Điều này phụ thuộc
vào vạch phổ được chọn để đo nằm trong vùng phổ nào. Thực nghiệm cho thấy,
trong vùng khả kiến thì yếu tố này thể hiện rõ ràng, còn trong vùng tử ngoại lại
ít xuất hiện. Hơn nữa sự hấp thụ nền còn phụ thuộc rất nhiều vào thành phần nền
của mẫu phân tích, đặc biệt là matrix của mẫu, nghĩa là nguyên tố cơ sở của
mẫu. Ví dụ, khi xác định Pb trong mẫu sinh học thì sự hấp thụ nền là không
đáng kể nhưng khi xác định Pb trong nước biển ( khoảng vài % NaCl ) ảnh
hưởng này lại vô cùng lớn. Trong các máy AAS hiện nay đều có hệ thống bổ
chính nền.
Một hiện tượng cũng thường xảy ra là sự chen lấn các vạch phổ. Yếu tố
này thường thấy khi các nguyên tố thứ ba ở trong mẫu phân tích có nồng độ lớn
và thường là nguyên tố cơ sở của mẫu. Tuy nguyên tố này có các vạch phổ
không nhạy nhưng do nồng độ lớn nên các vạch này vẫn xuất hiện với độ rộng
lớn, nếu nó lại nằm cạnh các vạch phân tích thì chúng sẽ chen lấn các vạch phân
tích, làm cho việc đo cường độ vạch phổ phân tích rất khó khăn và thiếu chính
xác, nhất là đối với các máy có độ phân giải không cao. Vì thế trong mỗi trường
hợp phân tích cụ thể cần phải nghiên cứu và chọn những vạch phù hợp để loại
trừ sự chen lấn của các vạch phổ của các nguyên tố khác, nếu không loại trừ
55
được các ảnh hưởng này thì lại phải tìm cách loại bỏ các nguyên tố này từ quá
trình xử lí mẫu.
Ngoài ra còn phải kể đến sự hấp thụ của các hạt rắn rất nhỏ tồn tại trong
môi trường hấp thụ của ngọn lửa đèn khí, đó là các hạt li ti của vật chất mẫu
phân tích chưa bị hóa hơi và nguyên tử hóa, hay các hạt muội cácbon của nhiên
liệu chưa được đốt cháy hoàn toàn. Các hạt này thường có ở lớp vỏ của ngọn
lửa, chúng hấp thụ hoặc chắn đường đi của chùm sáng đơn sắc từ nguồn bức xạ
chiếu vào môi trường hấp thụ. Yếu tố này được gọi là sự hấp thụ giả, thể hiện rất
rõ khi chọn không đúng chiều cao của đèn nguyên tử hóa mẫu và khi hỗn hợp
cháy không được đốt cháy tốt, hay do thành phần của hỗn hợp khí cháy không
được chọn phù hợp.
3.3.2. Các yếu tố vật lí
Thuộc về các yếu tố này, thường có những ảnh hưởng sau:
1. Độ nhớt và sức căng bề mặt của dung dịch mẫu: Yếu tố này ảnh hưởng đến
tốc độ dẫn mẫu vào buồng aerosol hóa và hiệu suất aerosol hóa mẫu và từ đó
ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Nói chung tốc độ dẫn mẫu là tỉ lệ nghịch với
độ nhớt của dung dịch. Nguyên nhân sự khác nhau về độ nhớt và sức căng bề
mặt của dung dịch mẫu là sự khác nhau về nồng độ axít, loại axít, nồng độ của
chất nền của mẫu, thành phần của các chất có trong dung dịch mẫu. Để lại trừ
ảnh hưởng này, chúng ta thường dùng các biện pháp sau đây:
- Đo và xác định theo phương pháp thêm tiêu chuẩn.
- Pha loãng mẫu bằng một dung môi hay một nền phù hợp.
- Thêm vào mẫu một chất đệm có nồng độ đủ lớn.
- Dùng bơm để đẩy mẫu với một tốc độ xác định cần thiết.
2. Hiệu ứng lưu lại, thường thể hiện trong phép đo phổ không ngọn lửa, có
thể giải thích cơ chế như sau: khi nguyên tử hóa mẫu để đo cường độ vạch phổ
thì một lượng nhỏ của nguyên tố phân tích không bị nguyên tử hóa, chúng được
lưu lại trên bề mặt cuvet và cứ thế tích tụ qua một số lần nguyên tử hóa mẫu,
nhưng đến một lần nào đó thì nó lại bị nguyên tử hóa theo và do đó tạo ra số
nguyên tử tự do tăng đột ngột không theo nồng độ của nó trong mẫu, nghĩa là
56
làm tăng cường độ vạch phổ và dẫn đến làm sai lạc kết quả phân tích. Yếu tố
này xảy ra và càng lớn khi mẫu phân tích có nồng độ lớn, đồng thời cũng phụ
thuộc vào bản chất của nguyên tố cần phân tích, dạng hợp chất nó tồn tại trong
mẫu, nhất là loại cuvet graphít được dùng. Các cuvét được chế tạo từ graphít đã
hoạt hóa thường hạn chế được hiệu ứng này, nghĩa là khi bề mặt càng mịn thì
ảnh hưởng càng nhỏ, bề mặt càng xốp thì ảnh hưởng càng lớn. Để loại trừ các
ảnh hưởng này, có thể làm như sau:
- Làm sạch cuvét sau mỗi lần nguyên tử hóa mẫu, để làm bay hơi hết các
chất còn lại trong cuvet. Tất nhiên phải thực hiện ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ
nguyên tử hóa nguyên tố phân tích.
- Dùng các loại cuvét được chế tạo từ graphít đã hoạt hóa toàn phần, có bề
mặt chắc và mịn.
- Khi phân tích nên đo những mẫu có nồng độ nhỏ trước.
- Tráng bề mặt của cuvét bằng một lớp những hợp chất bền nhiệt.
3. Sự ion hóa: là yếu tố ảnh hưởng mạnh đến kết quả phân tích, vì sự ion hóa
làm giảm số nguyên tử tự do của nguyên tố cần phân tích trong môi trường hấp
thụ tạo ra phổ, làm giảm cường độ vạch phổ. Mức độ ion hóa của mỗi nguyên tố
là khác nhau và phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường hấp thụ. Nói chung, với
một điều kiện nhất định, các nguyên tố có thế ion hóa càng thấp thì càng bị ion
hóa nhiều; Với một nguyên tố, nhiệt độ của môi trường hấp thụ càng cao thì
nguyên tố đó bị ion hóa nhiều hơn. Thực nghiệm cũng cho thấy, quá trình ion
hóa xảy ra mạnh với các nguyên tố kim loại kiềm, sau đó là kim loại kiềm thổ,
còn đối với các nguyên tố khác thì không đáng kể. Để loại trừ sự ion hóa, có thể
dùng các biện pháp như:
- Chọn điều kiện nguyên tử hóa có nhiệt độ thấp, mà trong điều kiện đó
nguyên tố phân tích hầu như không bị ion hóa.
- Thêm vào mẫu phân tích một chất đệm cho sự ion hóa, thường là muối
halogen của kim loại kiềm với nồng độ lớn phù hợp, chúng có thế ion hóa thấp
hơn thế ion hóa của nguyên tố phân tích, trong điều kiện này nguyên tố phân
tích sẽ không bị ion hóa nữa.
57
4. Sự kích thích phổ phát xạ của nguyên tố phân tích trong môi trường hấp
thụ, yếu tố này làm giảm số nguyên tử trung hòa trong môi trường hấp thụ, do
đó cũng làm giảm cường độ của vạch phổ hấp thụ. Hiện tượng này thường xảy
ra với các nguyên tố kim loại kiềm, sau đó là kim loại kiềm thổ, còn đối với các
nguyên tố khác thì không đáng kể. Để loại trừ ảnh hưởng này có thể dùng các
biện pháp như:
- Chọn nhiệt độ nguyên tử hóa mẫu thấp phù hợp mà tại đó sự kích thích
phổ phát xạ của nguyên tố phân tích là không xảy ra hoặc không đáng kể.
- Thêm vào mẫu phân tích một chất đệm để hạn chế sự phát xạ của
nguyên tố phân tích. Chính là các muối halogen của kim loại kiềm, có thế kích
thích phổ phát xạ thấp hơn thế kích thích phổ phát xạ của nguyên tố phân tích.
Trên đây là một số yếu tố vật lý có thể xuất hiện trong phép đo AAS và có
thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Nhưng mức độ xảy ra là rất khác nhau
trong mỗi trường hợp cụ thể, có khi có, có khi không, do đó cần phải xem xét để
tìm biện pháp loại trừ phù hợp.
3.3.3. Các yếu tố hóa học
Trong phép đo AAS, ảnh hưởng của các yếu tố hóa học cũng rất đa dạng
và phức tạp, xuất hiện cũng rất khác nhau trong mỗi trường hợp cụ thể, một số
yếu tố thường ảnh hưởng như sau:
1. Nồng độ axít và loại axít trong dung dịch mẫu: Nồng độ axít trong dung
dịch mẫu luôn có ảnh hưởng đến cường độ của vạch phổ của nguyên tố phân
tích, sự ảnh hưởng này thường gắn liền với loại anion của axít. Các axít càng
khó bay hơi thường càng làm giảm nhiều cường độ của vạch phổ, còn các axít
dễ bay hơi gây ảnh hưởng nhỏ hơn. Thực nghiệm đã xác định các axít làm giảm
cường độ của vạch phổ theo thứ tự tăng dần như sau: HClO4 < HCl < HNO3 <
H2SO4 < H3PO4 < HF. Chính vì thế trong thực tiễn phân tích, người ta thường
dùng môi trường là HCl hay HNO3 ở nồng độ khoảng 1% ÷ 2% vì ở nồng độ
này ảnh hưởng của hai axít là không đáng kể.
2. Ảnh hưởng của cation lạ: Trong dung dịch mẫu, ngoài nguyên tố cần phân
tích, thường còn chứa các nguyên tố khác, sự tồn tại của các nguyên tố này dưới
58
dạng cation hay anion có thể làm tăng, cũng có thể làm giảm, cũng có khi không
ảnh hưởng đến cường độ của vạch phổ. Khi có ảnh hưởng thì mức độ ảnh hưởng
cũng rất khác nhau trong từng trường hợp cụ thể, nhiều nghiên cứu chuyên môn
sâu về phương pháp AAS đề cập cụ thể từng loại và nồng độ cation gây ảnh
hưởng. Cũng phải lưu ý rằng, ảnh hưởng của cation trong dung dịch mẫu đến
cường độ của vạch phổ của nguyên tố cần phân tích trong phép đo AAS với kỹ
thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa và không ngọn lửa cũng rất khác nhau.
Ví dụ ion La(III) trong phép đo F - AAS là yếu tố để loại trừ ảnh hưởng của các
ion lạ khi xác định Ca, Mg, Mn, Al, Fe. Nhưng chính ion La(III) trong phép đo
ETA - AAS lại làm giảm cường độ của vạch phổ khi xác định Ca, Mg, Mn, Al,
Fe. Điều này có nghĩa là mỗi cation trong từng tường hợp cụ thể và trong mỗi
phép đo lại có ảnh hưởng khác nhau và chúng ta cần quan tâm, khảo sát.
3. Ảnh hưởng của anion: sự ảnh hưởng này tương tự như ảnh hưởng của các
loại axít, các anion của các axít dễ bay hơi thường ít làm giảm cường độ của
vạch phổ, riêng hai anion ClO4- và CH3COO- lại gây sự tăng cường độ của vạch
phổ (hiệu ứng dương). Các anion gây hiệu ứng âm (giảm cường độ của vạch
phổ) theo thứ tự tăng dần là: Cl- < NO3- < CO3
2- < SO42- < PO4
3- < SiO32- , ngoài
ra khi nồng độ anion tăng thì tác dụng ảnh hưởng cũng tăng theo. Vì vậy trong
mỗi phép đo phải giữ cho nồng độ của các anion trong mẫu phân tích và mẫu
chuẩn là như nhau và ở một giá trị không đổi, mặt khác cũng không nên chọn
H2SO4 làm môi trường của mẫu cho phép đo AAS mà chỉ nên dùng HCl hay
HNO3 ở nồng độ dưới 2%.
4. Ảnh hưởng của thành phần nền, yếu tố này còn được gọi là matrix effect.
Ảnh hưởng này xuất hiện ở các mẫu có chứa các nguyên tố nền ở dưới dạng các
hợp chất bền nhiệt, khó bay hơi và khó nguyên tử hóa, chính các chất này làm
khó khăn và cản trở quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa của các nguyên tố cần
phân tích. Để loại trừ ảnh hưởng này có thể dùng các biện pháp như:
- Tăng nhiệt độ nguyên tử hóa mẫu.
- Thêm vào mẫu các chất phụ gia có nồng độ phù hợp để ngăn cản sự xuất
hiện các hợp chất bền nhiệt.
59
- Tách, loại bỏ các nguyên tố nền, khi hai biện pháp trên không đạt được.
Trong ba biện pháp này, biện pháp thứ nhất cũng chỉ thực hiện được trong
chừng mực nhất định, vì không thể tăng nhiệt độ nguyên tử hóa mẫu lên cao mãi
được do sự hạn chế của trang thiết bị, bản chất của khí đốt, hơn nữa nếu tăng
nhiệt độ lên cao quá thì sẽ xuất hiện ảnh hưởng của sự ion hóa và sự phát xạ.
Biện pháp thứ hai là thông dụng nhất, các chất phụ gia hay dùng là LaCl3; SrCl2;
LiCl; KCl; AlCl3 cho phép đo F - AAS, trong đó LaCl3 được sử dụng rộng rãi
nhất. Trong phép đo ETA - AAS hay sử dụng LiBO2, NH4NO3 hoặc hỗn hợp
của hai chất này với nồng độ phù hợp.
5. Ảnh hưởng của dung môi hữu cơ: Thực nghiệm cho thấy sự có mặt của
dung môi hữu cơ trộn lẫn với nước trong dung dịch mẫu phân tích, hay mẫu
phân tích hòa tan trong dung môi hữu cơ thường làm tăng cường độ của vạch
phổ lên nhiều lần. Đây chính là một phương pháp để tăng độ nhạy của phương
pháp phân tích, khi phân tích các nguyên tố có nồng độ nhỏ ở sát giới hạn dưới
của phép đo, chúng ta có thể thêm vào dung dịch mẫu phân tích một dung môi
hữu cơ có nồng độ phù hợp thì có thể tăng độ nhạy của phương pháp phân tích
lên đến vài lần so với khi chỉ dùng dung môi nước. Tuy nhiên dung môi hữu cơ
thêm vào phải tinh khiết để tránh nhiễm bẩn mẫu và phải trộn đều được với
nước, trong thực tế nếu dung môi hữu cơ không hòa tan được trong nước thì
chúng ta có thể chiết nguyên tố phân tích từ dung môi nước ở dạng hợp chất
phức vào dung môi hữu cơ rồi đo phổ hấp thụ của nguyên tố phân tích trong
dung môi hữu cơ đó.
3.4. Các phương pháp phân tích định lượng
3.4.1. Phương trình cơ bản của phép đo AAS
Như đã nói ở trên, phương trình 3.5 chính là phương trình cơ bản của
phép đo AAS
Dλ = k.Cb (3.5)
Với Cx < Co thì luôn có b = 1 và khi Cx > Co thì b nhỏ hơn 1, giá trị Co được coi
là giới hạn của vùng tuyến tính. Đồ thị dưới đây cho biết quan hệ giữa D và C và
60
khoảng tuyến tính của mỗi phép đo, khoảng tuyến tính này là thay đổi trong
từng trường hợp phân tích cụ thể và phải khảo sát để xác định.
3.4.2. Mẫu đầu để dựng đường chuẩn
Trong phương pháp phân tích định lượng AAS, các dung dịch chuẩn (còn
gọi là mẫu đầu) để dựng đường chuẩn cũng bắt buộc phải thỏa mãn một số điều
kiện nhất định, đó là:
1. Các mẫu đầu phải có trạng thái vật lý và hóa học như mẫu phân tích.
Nghĩa là mẫu phân tích ở trạng thái, dung môi, môi trường và dạng liên kết nào
thì mẫu đầu cũng phải có tính chất giống như thế. Có như vậy thì mới loại trừ
được ảnh hưởng của thành phần của mẫu đến kết quả phân tích.
2. Các mẫu đầu và mẫu phân tích phải được xử lí, chuẩn bị trong cùng điều
kiện như nhau.
3. Các mẫu đầu phải bền vững theo thời gian, thành phần đúng như tính toán
ban đầu để có thể sử dụng lâu dài.
4. Nồng độ của các nguyên tố cần phân tích trong các mẫu đầu phải rất chính
xác theo yêu cầu của phương pháp phân tích, đồng thời khoảng nồng độ của một
dãy mẫu đầu phải phân bố đều trong vùng tuyến tính của phép đo.
3.4.3. Khái niệm về độ nhạy và giới hạn phát hiện của phép đo AAS
61
3.4.3.1. Khái niệm về độ nhạy
Độ nhạy là một đại lượng chỉ ra khả năng của phương pháp phân tích,
phương pháp phân tích có độ nhạy cao tức là nồng độ giới hạn dưới có thể phân
tích được là nhỏ. Độ nhạy của phép đo AAS phụ thuộc vào các yếu tố như: hệ
thống máy đo; Điều kiện và kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu, phép đo F-AAS có độ
nhạy kém phép đo ETA-AAS; Khả năng và tính chất hấp thụ bức xạ của mỗi
vạch phổ, vạch phổ nào, nguyên tố nào có khả năng hấp thụ bức xạ càng mạnh
thì phép đo càng nhạy, đối với một nguyên tố thì các vạch phổ khác nhau cũng
có độ nhạy khác nhau. Chính vì vậy khi nói đến độ nhạy của một nguyên tố là
phải gắn liền với điều kiện phân tích cụ thể.
Trong phép đo AAS độ nhạy tuyệt đối và độ nhạy tương đối được định
nghĩa là:
- Độ nhạy tuyệt đối là lượng gam ( khối lượng ) nhỏ nhất của nguyên tố
cần phân tích phải có trong môi trường hấp thụ để còn thu được cường độ của
vạch phổ đã chọn gấp 3 lần tín hiệu nền ( hoặc chiếm 1% toàn băng hấp thụ ).
Như vậy mỗi nguyên tố và mỗi vạch phổ sẽ có độ nhạy tuyệt đối khác nhau, khi
phân tích các nguyên tố có nồng độ nhỏ phải chọn các vạch có độ nhạy cao để
đo.
- Độ nhạy tương đối là nồng độ nhỏ nhất của nguyên tố cần phân tích có
trong mẫu để còn phát hiện được tín hiệu hấp thụ của nó theo một vạch phổ đã
chọn và tín hiệu này phải bằng 3 lần tín hiệu nền ( hoặc chiếm 1% toàn băng hấp
thụ ). Loại độ nhạy này được dùng phổ biến hơn độ nhạy tuyệt đối, kể cả trong
các phương pháp phân tích khác.
3.4.3.2. Khái niệm về giới hạn phát hiện
Bên cạnh khái niệm về độ nhạy, người ta còn sử dụng giới hạn phát hiện
đối với một nguyên tố khi dùng một vạch phổ để xác định nó. Cũng tương tự
như độ nhạy, giới hạn phát hiện cũng phân biệt hai khái niệm, đó là:
- Giới hạn phát hiện tuyệt đối của một nguyên tố là khối lượng tối thiểu
của nguyên tố đó cần có trong môi trường hấp thụ để còn phát hiện được tín hiệu
hấp thụ của nó trong một điều kiện nhất định đã chọn.
62
- Giới hạn phát hiện tương đối của một nguyên tố theo một vạch phổ nhất
định có thể xem là nồng độ nhỏ nhất của nguyên tố đó có trong mẫu để còn phát
hiện được tín hiệu hấp thụ của nó theo vạch phổ đó ở trong một điều kiện nhất
định đã chọn.
Trong các tài liệu chuyên môn, hoặc catalo đi kèm theo các máy AAS,
bao giờ cũng liệt kê các giá trị độ nhạy tuyệt đối, độ nhạy tương đối, giới hạn
phát hiện tuyệt đối, giới hạn phát hiện tương đối của từng vạch phổ của từng
nguyên tố.
3.4.4. Các phương pháp định lượng bằng phép đo AAS
Cũng tương tự như các phương pháp phân tích máy khác, để phân tích
định lượng có hai phương pháp chính là phương pháp đường chuẩn và phương
pháp thêm chuẩn.
3.4.4.1. Phương pháp đường chuẩn
● Chuẩn bị một dãy dung dịch chuẩn ( mẫu đầu ), ít nhất là 3 mẫu, thông
thường là 5 đến 6 mẫu, có nồng độ chính xác, tăng dần nhất định, ví dụ: C1, C2,
C3, C4, C5, C6 của chất chuẩn phân tích.
● Sau đó chọn các thông số của máy, các điều kiện phù hợp và đo cường độ
của vạch phổ hấp thụ của nguyên tố phân tích trong các dung dịch mẫu chuẩn, ví
dụ: giá trị cường độ tương ứng với các nồng độ ở trên là D1, D2, D3, D4, D5, D6 .
● Xây dựng đường chuẩn D = f(C).
● Dung dịch mẫu phân tích có nồng độ Cx chưa biết cũng được chuẩn bị và
đo như các dung dịch mẫu chuẩn, được giá trị Dx
● Dựa vào đường chuẩn suy ra nồng độ Cx
Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện và rất tích hợp khi phân tích
hàng loạt nhiều mẫu của cùng một nguyên tố, như trong kiểm tra nguyên liệu
sản xuất, chất lượng thành phẩm..., đây là ưu điểm của phương pháp này. Song
trong những điều kiện khi mà chúng ta không thể chuẩn bị được dung dịch mẫu
chuẩn có thành phần giống như dung dịch mẫu phân tích, nguyên nhân là do
dung dịch mẫu phân tích có thành phần phức tạp chưa xác định được, khi này sẽ
63
rất dễ mắc sai số lớn. Trong những trường hợp này, chúng ta nên dùng phương
pháp thêm tiêu chuẩn.
3.4.4.2. Phương pháp thêm tiêu chuẩn
Trong thực tiễn phân tích, đặc biệt là khi xác định lượng vết các kim loại,
thường gặp phải các đối tượng phân tích có thành phần phức tạp nên không thể
chuẩn bị được dung dịch mẫu chuẩn thích hợp. Trong trường hợp này thì tốt
nhất là dùng phương pháp thêm tiêu chuẩn để loại trừ được ảnh hưởng của thành
phần mẫu (Matrix effect ).
Nguyên tắc của phương pháp này là người ta dùng ngay mẫu phân tích
làm nền để chuẩn bị một dãy dung dịch mẫu đầu, bằng cách lấy một lượng dung
dịch mẫu phân tích và gia thêm vào đó những lượng nhất định của nguyên tố
cần phân tích theo từng bậc nồng độ. Ví dụ lượng thêm vào là ∆C1, ∆C2, ∆C3,
∆C4, như thế chúng ta sẽ có một dãy mẫu chuẩn là:
C0 = Cx
C1 = Cx + ∆C1
C2 = Cx + ∆C2
C3 = Cx + ∆C3
C4 = Cx + ∆C4
Trong đó Cx là nồng độ của nguyên tố cần phân tích.
Tiếp đó cũng chọn các điều kiện thí nghiệm phù hợp và một vạch phổ của
của nguyên tố cần phân tích, tiến hành ghi cường độ hấp thụ của vạch phổ đó
trong dãy mẫu chuẩn, ví dụ ta được các giá trị: D0, D1, D2, D3 và D4. Từ các giá
trị này, xây dựng một đường chuẩn theo hệ tọa độ D - ∆C. Đường chuẩn này cắt
trục tung D tại điểm có tọa độ ( D0; 0 ), sau đó để xác định nồng độ Cx chưa biết,
ta làm như sau:
- Cách 1: Kéo dài đường chuẩn về phía trái, cắt trục hoành tại điểm C0 ,
đoạn OC0 chính bằng giá trị nồng độ Cx .
- Cách 2: Từ gốc tọa độ kẻ một đường song song với đường chuẩn và từ
điểm D0 kẻ đường song song với trục hoành, hai đường này cắt nhau tại điểm M,
64
từ M hạ đường vuông góc với trục hoành, cắt trục hoành tại điểm ∆C0 , đoạn
O∆C0 chính bằng giá trị nồng độ Cx phải tìm.
Phương pháp này có ưu điểm là chuẩn bị mẫu dễ dàng, không cần nhiều
hóa chất tinh khiết cao để chuẩn bị dãy mẫu chuẩn nhân tạo. Mặt khác lại loại
trừ được hoàn toàn ảnh hưởng về thành phần của mẫu cũng như cấu trúc vật lý
của các chất tạo thành mẫu. Tuy nhiên phải chú ý rằng nồng độ thêm vào của
nguyên tố cần phân tích phải theo từng bậc và khoảng cách của các bậc đó phải
xấp xỉ nồng độ Cx thì phần nội suy tuyến tính mới chính xác.
Phương pháp này được sử dụng rất nhiều trong phân tích lượng vết và
lượng cực nhỏ các nguyên tố kim loại trong các loại mẫu, đặc biệt là các loại
mẫu có thành phần phức tạp, các mẫu quặng đa kim. Đồng thời đây cũng là
phương pháp để xác định độ phát hiện của phương pháp phân tích.
3.4.5. Các phương pháp phân tích trực tiếp và gián tiếp bằng phép đo AAS
Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS để xác định một nguyên tố
hay một hợp chất, người ta có thể tiến hành phân tích ngay chính chất đó theo
phổ hấp thụ nguyên tử của nó, như phân tích kim loại, hay thông qua việc đo
phổ hấp thụ nguyên tử của một chất khác, khi chất phân tích không có tính chất
hấp thụ nguyên tử, nhưng chất này lại có một sự tương tác rất định lượng về mặt
hóa học theo một phản ứng hóa học nhất định với một kim loại có phổ hấp thụ
nguyên tử nhạy. Vì vậy xuất hiện hai loại phương pháp phân tích định lượng
theo phổ hấp thụ nguyên tử AAS, đó là:
- Các phương pháp phân tích trực tiếp, áp dụng để phân tích các chất có
phổ hấp thụ nguyên tử AAS
- Các phương pháp phân tích gián tiếp, áp dụng để phân tích các chất
không có phổ hấp thụ nguyên tử AAS
3.4.5.1. Các phương pháp phân tích trực tiếp
Các phương pháp phân tích trực tiếp phù hợp nhất cho việc xác định các
kim loại có vạch phổ hấp thụ nguyên tử. Vì thế đối tượng của các phương pháp
này là phân tích kim loại trong các mẫu vô cơ và hữu cơ, các mẫu vô cơ như
quặng, đất , đá, hợp kim, xi măng, nước, không khí... còn các mẫu hữu cơ như
65
thực phẩm, đường, sữa, đồ hộp, nước giải khát, các mẫu sinh học như máu,
serum, nước tiểu, thực vật...
Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích trực tiếp bao gồm hai giai
đoạn:
- Giai đoạn 1: xử lý mẫu để đưa nguyên tố kim loại cần xác định có trong
mẫu về trạng thái dung dịch của các cation theo một quy trình phù hợp để
chuyển được hoàn toàn nguyên tố kim loại cần xác định vào dung dịch đo phổ.
Giai đoạn này là cực kỳ quan trọng vì nếu xử lý mẫu không tốt sẽ làm mất
nguyên tố cần xác định hay làm nhiễm bẩn thêm vào. Nói cách khác nếu xử lý
mẫu không đúng sẽ là nguồn sai số lớn cho kết quả phân tích mặc dù phương
pháp phân tích đã chọn là phù hợp nhất.
- Giai đoạn 2: tiến hành phân tích nguyên tố kim loại theo một cách phù
hợp như đã đề cập ở trên.
3.4.5.2. Các phương pháp phân tích gián tiếp
Trong những năm gần đây các phương pháp phân tích gián tiếp được sử
dụng nhiều để phân tích các chất không có phổ hấp thụ nguyên tử, ví dụ như
phân tích các anion, các nhóm phân tử, các hợp chất hữu cơ, các loại dược
phẩm... Nguyên tắc của phương pháp phân tích gián tiếp là nhờ một phản ứng
hóa học trung gian có tính chất định lượng của chất cần phân tích với một thuốc
thử thích hợp trong một điều kiện nhất định. Sau đây chúng ta xem xét một vài
phương pháp gián tiếp nhờ phản ứng hóa học trung gian.
1. Phản ứng của chất phân tích với một ion kim loại tạo ra một kết tủa:
Nói chung chất nào khi tác dụng với ion kim loại tạo ra một kết tủa ít tan, có
tính chất định lượng và có thể tách ra được khỏi dung dịch mẫu thì phản ứng đó
có thể dùng được cho phép đo này. Theo nguyên tắc này người ta đã xây dựng
các phương pháp phân tích các ion như: Cl-, NH4+, SO4
2-, PO43-, C2O4
2-... Ví dụ
để xác định hàm lượng ion SO42- trong mẫu, người ta cho ion này tác dụng với
dung dịch BaCl2 hay Pb(NO3)2 có nồng độ xác định trong điều kiện phù hợp để
tạo ra kết tủa BaSO4 hay PbSO4 , lọc tách kết tủa khỏi dung dịch. Sau đó xác
định Ba hay Pb theo hai cách, hoặc là trong kết tủa sau khi hòa tan chúng, hoặc
66
xác định lượng Ba hay Pb còn dư trong dung dịch sau khi đã phản ứng hoàn toàn
với lượng ion SO42- trong mẫu. Và từ lượng Ba hay Pb đã tiêu tốn để kết tủa
hoàn toàn ion SO42- chúng ta dễ dàng tính được hàm lượng ion SO4
2- trong mẫu
phân tích.
2. Phản ứng của chất phân tích với một phức chất kim loại để tạo ra một
hợp chất phức bền có thể chiết tách ra được. Sau đó tách lấy phức chất và xác
định hàm lượng kim loại trong phức chất và từ đó tính ra hàm lượng của chất
cần phân tích. Ví dụ để xác định hàm lượng axit phtalic người ta cho nó tác
dụng với thuốc thử Cu(I)-neocupron để tạo ra phức chất mới là Cu(I)-
neocupron phtalic. Sau đó chiết lấy phức chất này vào dung môi hữu cơ phù hợp
rồi xác định hàm lượng Cu trong phức này, từ đó tính ra hàm lượng axit phtalic
trong mẫu phân tích. Tương tự như vậy người ta cũng xác định hàm lượng ion
NO3- bằng thuốc thử Cu(I)- neocupron.
3. Phản ứng của chất phân tích tạo thành hợp chất dị đa axit. Theo cách
này, những kim loại, ion hay hợp chất có khả năng tạo thành những hợp chất
axit dị đa đều có thể xác định một cách gián tiếp qua hợp chất dị đa. Ví dụ để
xác định P hay ion phôtphat PO43- có thể xác định bằng cách cho cho nó tác
dụng với thuốc thử molypdat trong môi trường axit HNO3 để tạo ra hợp chất dị
đa phôtphomolypdat kết tủa, tách lấy sản phẩm này và xác định Mo trong hợp
chất dị đa theo vạch phổ hấp thụ nguyên tử Mo - 313nm, rồi từ đó tính ra lượng
P hay ion phôtphat PO43-. Muối asenat của một số hợp chất alcaloit cũng được
xác định theo cách gián tiếp này.
4. Phản ứng khử ion kim loại về kim loại: Một số hợp chất hữu cơ khi tác
dụng với muối kim loại trong những điều kiện xác định, sẽ khử ion kim loại về
trạng thái kim loại tự do và phản ứng này có tính chất định lượng. Ví dụ như
phản ứng của chức andehyd với muối AgNO3 trong môi trường NH3 ( thuốc thử
Tulene ). Tính chất này đã được áp dụng để phân tích các hợp chất hữu cơ có
nhóm -CHO bằng phép đo AAS như sau: cho andehyd tác dụng với lượng dư
AgNO3 để toàn bộ lượng andehyd trong mẫu phản ứng với AgNO3 giải phóng ra
Ag kim loại, tách Ag kim loại, hòa tan nó trong axit HNO3 và xác định Ag bằng
67
phép đo AAS theo vạch phổ Ag-328.1nm, rồi từ đó tính ra hàm lượng andehyd
trong mẫu phân tích. Vì trong điều kiện này, cứ 1 nhóm -CHO thì giải phóng ra
1 nguyên tử Ag kim loại.
Ngoài ra, để phân tích gián tiếp còn có một số phương pháp khác như:
dựa vào khả năng làm tăng hay giảm cường độ hấp thụ của một vạch phổ của
một nguyên tố nào đó và sự tăng hay giảm này là tuyến tính trong một giới hạn
nhất định của nồng độ của chất phân tích, ví dụ với dung dịch nền Mg 10μg/ml
thì ion F- làm giảm cường độ hấp thụ của vạch phổ Mg- 285.2nm còn với dung
dịch nền Cr 1300μg/ml thì ion F- làm tăng cường độ hấp thụ của vạch phổ Cr-
360.1nm.
68
Chương 4. PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ
( ATOMIC EMISION SPECTROMETRY - AES )
4.1. Phân tích định tính bằng phép đo AES
4.1.1. Nguyên tắc chung
Như chúng ta đã biết, khi cung cấp năng lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa
mẫu và kích thích đám hơi nguyên tử đó đi đến phát xạ thì chúng ta sẽ thu được
phổ phát xạ nằm trong dải phổ quang học ( 190 - 1100nm ) của mẫu phân tích,
bao gồm ba thành phần:
1. Phổ vạch của nguyên tử và ion
2. Phổ đám của phân tử và nhóm phân tử
3. Phổ nền liên tục
Trong ba thành phần này thì phổ vạch là thành phần chính đặc trưng cho
nguyên tử và ion ở trạng thái hơi tự do khi bị kích thích, gọi là các vạch phổ
phát xạ đặc trưng của loại nguyên tố ấy. Ví dụ khi bị kích thích:
- Nguyên tử Al phát ra vạch đặc trưng: 308.2nm; 309.3nm
- Nguyên tử Cu phát ra vạch đặc trưng: 324.8nm; 327.4nm
- Nguyên tử Mn phát ra vạch đặc trưng: 259.4nm; 269.6nm
Như vậy dựa vào các vạch phổ đặc trưng có thể nhận biết được sự có mặt
hay vắng mặt của chúng trong mẫu phân tích, đây chính là cơ sở của phép phân
tích định tính và quá trình phân tích quang phổ phát xạ định tính gồm các giai
đoạn sau:
1. Cung cấp năng lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu tạo ra đám hơi
nguyên tử tự do và kích thích đám hơi đó phát ra phổ phát xạ của chúng.
2. Thu chùm sáng phát xạ đó, phân li và ghi phổ phát xạ của mẫu phân
tích.
3. Quan sát phổ thu được của mẫu phân tích theo các vạch đặc trưng của
các nguyên tố để phát hiện chúng.
Các giai đoạn được thực hiện được nhờ hệ thống máy quang phổ phát xạ,
hệ thống này gồm ba phần chính tương ứng với ba nhiệm vụ đã nêu trên, đó là:
69
1. Nguồn năng lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu và kích thích đám
hơi đó phát ra phổ phát xạ
2. Hệ thống quang học để thu, phân ly và ghi phổ phát xạ của mẫu.
3. Hệ thống thiết bị để chỉ thị kết quả và xử lý số liệu.
Với nguyên tắc chung như vậy nhưng trong từng máy của từng hãng sản
xuất có thể khác nhau về cách sử dụng, kỹ thuật đo…, được đề cập cụ thể trong
các catolog kèm theo máy. Sau đây chúng ta xem xét một số vấn đề quan trọng
của phương pháp.
4.1.2. Vạch phổ đặc trưng của nguyên tố
Muốn xác nhận sự có mặt của một nguyên tố nào đó trong mẫu phân tích,
người ta phải tìm một số vạch đặc trưng của nguyên tố đó trong phổ của mẫu
phân tích để từ đó mà kết luận, những vạch đặc trưng này được gọi là vạch
chứng minh của nguyên tố. Nói chung, để phát hiện một nguyên tố đạt kết quả
chính xác và chắc chắn, người ta phải chọn ít nhất hai vạch chứng minh khi
quan sát phổ của mẫu phân tích. Các vạch phổ được chọn này phải thỏa mãn
những điều kiện sau đây:
1. Những vạch phổ này phải rõ ràng và không trùng lẫn với vạch đặc
trưng của nguyên tố khác.
2. Các vạch phổ này phải là những vạch phổ nhạy, để có thể phát hiện
được nguyên tố trong mẫu với nồng độ nhỏ ( khi phân tích lượng vết ).
3. Khi chọn các vạch chứng minh của nguyên tố phải lưu ý nguồn năng
lượng đã dùng để kích thích phổ của mẫu phân tích. Vì khi nguồn kích thích có
năng lượng thấp thì phổ của nguyên tử chủ yếu là vạch nguyên tử, còn khi
nguồn kích thích có năng lượng lớn thì phổ của nguyên tử chủ yếu là phổ của
ion. Cho nên phải tùy thuộc vào nguồn năng lượng kích thích để chọn các vạch
chứng minh cho phù hợp.
4. Việc chọn các vạch chứng minh của nguyên tố cũng còn phụ thuộc vào
máy được sử dụng, với máy khác nhau, các vạch phổ đặc trưng có thể có giá trị
khác nhau tuy không lớn, điều này phụ thuộc vào cả quy trình đo. Nói chung với
70
mỗi máy quang phổ thường có một Atlas phổ kèm theo dành cho người phân
tích sử dụng.
Ngoài ra cần nhớ rằng phổ phát xạ của một nguyên tố thường có rất nhiều
vạch, có khi đến hàng ngàn vạch, các vạch này phân bố từ vùng sóng ngắn đến
vùng sóng dài của dải phổ quang học ( 190 - 1100nm ), nguyên tố nào có cấu tạo
lớp vỏ điện tử càng phức tạp, nhất là số điện tử hóa trị càng nhiều thì phổ phát
xạ càng nhiều vạch. Vì thế khi phân tích các mẫu đa kim loại, người phân tích
phải rất cẩn thận khi chọn các vạch chứng minh của nguyên tố, tránh các hiện
tượng vạch phổ trùng, các vạch phổ chen lấn quấy rối, kể cả phổ đám của các
phân tử và nhóm phân tử. Một vài kinh nghiệm thực tế để loại trừ các yếu tố ảnh
hưởng như sau:
- Dựa vào tính chất bay hơi khác nhau của các nguyên tố theo thời gian để
chọn thời gian ghi phổ cho thích hợp, như vậy có thể loại trừ được sự quấy rối
của các nguyên tố khác đối với nguyên tố cần phân tích.
- Chọn điều kiện và nguồn năng lượng kích thích phù hợp để tạo ra sự
kích thích phổ có ưu tiên và chọn lọc đối với nguyên tố cần phân tích.
- Chọn môi trường kích thích phổ phù hợp. Ví dụ không kích thích trong
không khí mà kích thích chúng trong môi trường khí trơ hay hỗn hợp của khí trơ
và ôxy, khi này có thể loại trừ được phổ đám của các phân tử và nhóm phân tử.
Khí trơ hay được sử dụng là khí argon.
- Thêm vào mẫu những chất phụ gia thích hợp để có thể loại trừ các hợp
phần sinh ra phổ quấy rối, nhờ tạo ra sự bay hơi chọn lọc, bay hơi phân đoạn của
các nguyên tố khác nhau.
- Chọn máy quang phổ có độ tán sắc lớn và vùng phổ phù hợp để thu,
phân ly và ghi phổ của mẫu phân tích.
Nếu với các cách này mà vẫn chưa loại trừ được ảnh hưởng thì phải dùng
các phương pháp tách chiết nào đó để loại các các nguyên tố ảnh hưởng ra khỏi
mẫu phân tích.
4.1.3. Các phương pháp phân tích định tính
71
Mục đích của phân tích quang phổ phát xạ định tính là phát hiện các
nguyên tố, chủ yếu là kim loại trong các mẫu phân tích. Thực tế thường có hai
trường hợp phân tích định tính xảy ra đó là: xác định nguyên tố nào đó trong các
mẫu phân tích ( còn gọi là phân tích từng phần ) hoặc phân tích toàn diện mẫu
phân tích để xem mẫu phân tích chứa các nguyên tố kim loại nào. Dưới đây là
một số phương pháp phân tích định tính dựa vào phổ phát xạ nguyên tử.
4.1.3.1. Phương pháp quan sát trực tiếp trên màn ảnh
Nguyên tắc của phương pháp này là trên màn ảnh của máy quang phổ
(mặt phẳng tiêu) người ta đặt một màng mờ, trên màng mờ này có đánh dấu vị
trí các vạch đặc trưng của một số nguyên tố nhất định. Đồng thời bố trí một hệ
thống kính lúp phóng đại để quan sát trực tiếp màn ảnh đó. Như vậy muốn định
tính một mẫu phân tích nào đó, ta thu phổ của mẫu phân tích khi kích thích bằng
nguồn năng lượng phù hợp và quan sát phổ trực tiếp trên màn ảnh của máy nhờ
hệ thống kính lúp phóng đại, khi này dựa vào các vạch đặc trưng đã đánh dấu
trên màng mờ mà kết luận có hay không có mặt nguyên tố trong mẫu phân tích.
Phương pháp này nhanh, đơn giản nhưng chỉ giới hạn cho những mẫu đơn
giản và một số nguyên tố đã được đánh dấu vị trí các vạch đặc trưng trên màng
mờ của máy quang phổ. Phương pháp này chủ yếu phục vụ cho phân tích luyện
kim, để kiểm tra nhanh một vài nguyên tố cần thiết như Mn, Cr, Si, C, Al… Và
cũng vì thế mà có một số máy quang phổ chuyên dùng cho mục đích này.
4.1.3.2. Phương pháp so sánh phổ
Đây là phương pháp đơn giản, chính xác nhưng cũng chỉ phục vụ cho
mục đích phân tích từng phần. Nguyên tắc của phương pháp này là ghi phổ của
nguyên tố X nguyên chất ( chất chuẩn ) kề với phổ của mẫu phân tích, rồi tìm
một nhóm vạch đặc trưng của nguyên tố X trong mẫu nguyên chất và so sánh
nhóm vạch phổ đó với phổ của mẫu phân tích xem có nhóm vạch đặc trưng đó
hay không. Trên cơ sở này mà rút ra kết luận về sự có mặt của nguyên tố X
trong mẫu phân tích.
72
Phương pháp này tuy đơn giản nhưng với mỗi nguyên tố cần phân tích
lại phải có chất chuẩn tinh khiết để làm phổ so sánh nên bị hạn chế, ít được ứng
dụng trong thực tế.
4.1.3.3. Phương pháp phổ chuẩn
Phổ chuẩn hay còn gọi là bản atlas phổ, là các bảng vạch phổ của Fe theo
một máy quang phổ nhất định. Atlas được xem như là thang độ dài sóng phục vụ
cho việc đánh dấu vị trí các vạch phổ đặc trưng của các nguyên tố, cấu tạo gồm
hai phần: phần trên là một dãy các vạch phổ của Fe trong một vùng phổ nhất
định của máy quang phổ; phần dưới, tức là kề với phổ của Fe là vị trí các vạch
phổ đặc trưng của các nguyên tố khác và trên cùng là thang số sóng.
Khi định tính một mẫu nào đó ta cần ghi phổ của Fe và kề đó là phổ của
mẫu phân tích trên kính ảnh; Sau đó nhờ máy chiếu phổ và bản atlas ta có thể
nhận biết bằng cách đem phổ của Fe trên kính ảnh làm trùng với phổ của Fe trên
bản atlas. Vì vậy để phân tích định tính bao giờ cũng phải ghi phổ theo từng cặp,
một phổ của Fe và kề đó là phổ của mẫu phân tích.
Phương pháp này phù hợp cho cả mục đích phân tích từng phần và phân
tích toàn diện, được sử dụng rộng rãi. Mỗi máy quang phổ AES phải có mộ bộ
atlas hoàn chỉnh cho tất cả các nguyên tố, thông thường các hãng bán máy sẽ
cung cấp các bảng atlas cho các máy của họ.
4.2. Phân tích định lượng bằng phép đo AES
4.2.1. Nguyên tắc chung
Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ định lượng là dựa trên cơ sở
mối quan hệ giữa nồng độ C của nguyên tố cần xác định với cường độ Iλ của
vạch phổ phát xạ do nó phát ra khi bị kích thích trong những điều kiện thích
hợp, đây là mối quan hệ tuyến tính và đơn trị theo biểu thức giống như đã trình
bày ở chương 3:
Iλ = k.Cb (4.1)
Với Cx < Co thì luôn có b = 1 và khi Cx > Co thì b nhỏ hơn 1, giá trị Co được coi
là giới hạn của vùng tuyến tính.
73
Như vậy, dựa vào phương trình này có thể phân tích định lượng theo
phương pháp đường chuẩn hay thêm tiêu chuẩn.
Tuy nhiên trước đây ( trước năm 1965 ), do không xác định trực tiếp được
giá trị cường độ phát xạ Iλ của một vạch phổ, mà người ta phải chiếu chùm sáng
phát xạ có cường độ Iλ lên kính ảnh, sau đó xác định cường độ hay độ đen của
chúng trên kính ảnh tại chỗ đã bị chùm sáng Iλ tác dụng lên. Độ đen S được tính
theo công thức:
S = a. log Iλ (4.2)
Cuối cùng chúng ta vẫn có mối liên hệ giữa nồng độ của nguyên tố cần xác định
với cường độ của vạch phổ phát xạ của nó.
Tóm lại, quá trình phân tích quang phổ phát xạ định lượng gồm các giai
đoạn sau:
1. Cung cấp năng lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu tạo ra đám hơi
nguyên tử tự do và kích thích đám hơi đó phát ra phổ phát xạ của chúng.
2. Thu chùm sáng phát xạ đó, phân li và chọn một vạch phổ phát xạ nhạy
của nguyên tố hướng vào đetectơ để đo cường độ.
3. Dựa vào cường độ của vạch phổ phát xạ của nguyên tố để định lượng.
Các giai đoạn được thực hiện được nhờ hệ thống máy quang phổ phát xạ
nguyên tử, hệ thống này gồm ba phần chính tương ứng với ba nhiệm vụ đã nêu
trên, đó là:
1. Nguồn năng lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu và kích thích đám
hơi đó phát ra phổ phát xạ
2. Hệ thống quang học để thu, phân ly và chọn ghi vạch phổ phát xạ của
nguyên tố cần phân tích trong mẫu.
3. Hệ thống thiết bị để chỉ thị kết quả và xử lý số liệu.
4.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo AES
Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả phân tích định lượng của phép đo phổ
AES là rất đa dạng và phức tạp, có khi xuất hiện cũng có khi không xuất hiện,
tùy thuộc vào thành phần của mẫu phân tích và matrix ( chất nền ) của mẫu, phụ
74
thuộc vào nguồn năng lượng dùng để kích thích phổ. Người ta thường chia các
yếu tố ảnh hưởng này thành 6 nhóm như sau:
- Nhóm 1 là các thông số của hệ máy đo phổ, các thông số này cần được
khảo sát và chọn phù hợp cho từng trường hợp cụ thể. Quá trình này còn gọi là
quá trình tối ưu hóa các thông số của máy quang phổ, các thông số cần lựa chọn
như khe đo, điều kiện ghi phổ…
- Nhóm 2 là kỹ thuật và phương pháp xử lý mẫu để đo phổ.
- Nhóm 3 là các điều kiện hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu và kích thích phổ.
Các yếu tố ảnh hưởng này cũng thể hiện như trong phép đo AAS.
- Nhóm 4 là các yếu tố về phổ, yếu tố ảnh hưởng vật lý, yếu tố ảnh hưởng
hóa học. Các yếu tố ảnh hưởng này cũng thể hiện như trong phép đo AAS.
4.2.3. Các phương pháp phân tích định lượng
Các phương pháp để định lượng cũng tương tự như trong phép đo AAS,
tuy nhiên đại lượng đo không phải là mật độ quang D mà là cường độ Iλ của
vạch phổ phát xạ hoặc độ đen S của nó trên kính ảnh.