methods analysis

74
1 MỞ ĐẦU Các phương pháp phân tích bng công ccó vai trò đặc bit quan trng trong sphát trin ca các ngành khoa hc kthut và công ngh. Vi sphát trin nhanh chóng ca kthut đin tvà tin hc, các máy móc thiết bphân tích cũng được hin đại hóa, cho phép xác định nhanh chóng vi độ chính xác cao các mu cha hàm lượng rt nhca các cht phân tích. Nhóm các phương pháp phân tích quang hc da trên các tính cht quang hc ca cht cn phân tích, có mt sphương pháp sau: 1. Phương pháp trc quang da trên phép đo lượng bc xạđin t( bxđt ) do dung dch phân tích hp th. Ởđây còn kể đến phương pháp hp đục, da trên phép đo lượng bxđt bhp thbi các ht huyn phù (dung dch keo); Phương pháp khuyếch đục, da trên phép đo lượng bxđt bkhuyếch tán bi các ht huyn phù. 2. Phương pháp quang phphát xnguyên tAES (Atomic Emision Spectrometry), da trên skho sát phphát xnguyên tca nguyên tcht phân tích. 3. Phương pháp quang phhp thnguyên tAAS (Atomic Absorption Spectrometry), da trên skho sát phhp thnguyên tca nguyên tca cht phân tích. 4. Phương pháp phát quang, da trên phép đo cường độ bc xdo cht phân tích phát ra, dưới tác dng ca năng lượng bxđt chiếu vào nó. Ngoài ra, thuc vào các phương pháp quang hc còn có phương pháp khúc x, da trên phép đo chiết sut ca cht phân tích; Phương pháp phhng ngoi IR, Phương pháp phRơntgen; Phương pháp phRaman…

Upload: linhpic35

Post on 07-Aug-2015

36 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

methods

TRANSCRIPT

Page 1: methods analysis

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…

Page 2: methods analysis

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 ).

Page 3: methods analysis

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

Page 4: methods analysis

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.

Page 5: methods analysis

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.

Page 6: methods analysis

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 )

Page 7: methods analysis

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.

Page 8: methods analysis

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

Page 9: methods analysis

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)

Page 10: methods analysis

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

Page 11: methods analysis

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)

Page 12: methods analysis

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

Page 13: methods analysis

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

Page 14: methods analysis

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

Page 15: methods analysis

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 ;

Page 16: methods analysis

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

Page 17: methods analysis

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.

Page 18: methods analysis

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

Page 19: methods analysis

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

Page 20: methods analysis

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

Page 21: methods analysis

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

Page 22: methods analysis

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

Page 23: methods analysis

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

Page 24: methods analysis

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

Page 25: methods analysis

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

Page 26: methods analysis

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.

Page 27: methods analysis

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.

Page 28: methods analysis

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.

Page 29: methods analysis

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.

Page 30: methods analysis

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

Page 31: methods analysis

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:

Page 32: methods analysis

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…

Page 33: methods analysis

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

Page 34: methods analysis

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

Page 35: methods analysis

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)

Page 36: methods analysis

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

Page 37: methods analysis

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.

Page 38: methods analysis

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

Page 39: methods analysis

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 )

Page 40: methods analysis

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.

Page 41: methods analysis

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

Page 42: methods analysis

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

Page 43: methods analysis

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

Page 44: methods analysis

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

Page 45: methods analysis

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

Page 46: methods analysis

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

Page 47: methods analysis

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

Page 48: methods analysis

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

Page 49: methods analysis

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.

Page 50: methods analysis

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

Page 51: methods analysis

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.

Page 52: methods analysis

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

Page 53: methods analysis

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.

Page 54: methods analysis

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

Page 55: methods analysis

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

Page 56: methods analysis

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.

Page 57: methods analysis

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

Page 58: methods analysis

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.

Page 59: methods analysis

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

Page 60: methods analysis

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

Page 61: methods analysis

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.

Page 62: methods analysis

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

Page 63: methods analysis

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,

Page 64: methods analysis

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

Page 65: methods analysis

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

Page 66: methods analysis

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

Page 67: methods analysis

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.

Page 68: methods analysis

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:

Page 69: methods analysis

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

Page 70: methods analysis

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

Page 71: methods analysis

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.

Page 72: methods analysis

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.

Page 73: methods analysis

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

Page 74: methods analysis

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.