Bài giảng phân tích thực phẩm

Bài giảng phân tích thực phẩm

4

Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ PHÂN TÍCH THỰC PHẨM

1.1 Khái niệm phân tích thực phẩm

Phân tích thực phẩm là việc sử dụng các phương pháp phân tích lý học, hóa học, hóa lý, vi sinh vật để xác định các chỉ tiêu hóa lý, vi sinh vật, cảm quan của sản phẩm nhằm xác định một loại thực phẩm nào đó có đạt hay không đạt tiêu chuẩn qui định Trong nội dung cuốn giáo trình này chỉ trình bày các phương pháp phân tích hóa học và lý học để xác định một số chỉ tiêu hóa lý của thực phẩm

1.2 Mục đích phân tích thực phẩm

Phân tích thực phẩm nhằm mục đích kiểm tra, đánh giá một loại thực phẩm nào

đó có đáp ứng các tiêu chuẩn về phẩm chất và thành phần dinh dưỡng theo đúng qui định

Phân tích thực phẩm nhằm kiểm soát chất lượng sản phẩm trong hoạt động sản xuất, đảm bảo tính đồng nhất, tính an toàn về các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm; kiểm soát sự lãng phí nếu có trong quá trình sản xuất Mặt khác phân tích thực phẩm nhằm tạo cơ sở để nghiên cứu phát triển sản phẩm mới

Phân tích thực phẩm nhằm cung cấp số liệu về chất lượng thực phẩm để đưa ra những nhận định khách quan phục vụ cho công tác quản lý nhà nước về an toàn vệ sinh thực phẩm Đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm chính là bảo vệ quyền lợi và sức khỏe người tiêu dùng

1.3 Phân loại phương pháp phân tích trong thực phẩm

Phân tích định tính là phương pháp cho phép nhận biết các chất, cấu trúc, thành phần có trong mẫu phân tích thực phẩm nhờ vào các thiết bị phân tích hay các phản ứng hóa học đặc trưng đối với chất cần xác định

Phân tích định lượng là phương pháp cho phép xác định số lượng, giá trị của đối tượng có trong mẫu, được biểu diễn giá trị %, mg/kg, mg/l, μg/kg, μg/l…

1.4 Các kỹ thuật phân tích ứng dụng trong thực phẩm

 Phân tích hóa học cổ điển: phân tích trọng lượng và chuẩn độ thể tích

 Phân tích công cụ: phân tích điện hóa, phân tích sắc ký, phân tích quang phổ

1.5 Lựa chọn phương pháp phân tích

Lựa chọn các phương pháp phân tích dựa vào các yếu tố:

 Có tính tiên tiến: Thể hiện ở độ đúng, độ chính xác, tính chọn lọc, tính đặc trưng

 Có tính thực tế: Phương pháp thử đưa ra phải phù hợp với điều kiện thực tế, có tính khả thi cao (phù hợp trang thiết bị, máy, kỹ thuật, hóa chất, thuốc thử, trình

5

phương pháp mới từ các tạp chí khoa học sau khi đã được phòng kiểm nghiệm thẩm định phương pháp phân tích

1.6 Lấy mẫu và xử lý mẫu trong phân tích thực phẩm

Lấy mẫu là khâu quan trọng trong việc đánh giá chất lượng của lô sản phẩm, nó đòi hỏi phải hết sức thận trọng, bởi vì mẫu phản ánh chính xác mọi đặc điểm chất lượng và phải đặc trưng cho thành phần trung bình của lô sản phẩm Lấy mẫu không đúng phương pháp, kết quả phân tích mẫu thử sẽ không phản ánh đúng đặc tính của lô sản phẩm, từ đó dẫn đến việc đánh giá không đúng chất lượng lô sản phẩm đó

và người lấy mẫu) theo cùng một qui trình công nghệ sản xuất

Mẫu ban đầu (mẫu riêng): là lượng mẫu lấy ra từ vị trí định cỡ ban đầu của lô sản phẩm (bao gói, kiện thùng) đã được chỉ định lấy mẫu

Mẫu chung: là tập hợp tất cả các mẫu riêng

Mẫu đại diện: là lượng mẫu được lấy ra từ mẫu chung dùng để đánh giá chất lượng của lô sản phẩm Mẫu đại diện được chia thành 3 phần:

 Mẫu kiểm nghiệm: là mẫu chung dùng để kiểm nghiệm, đánh giá các chỉ tiêu tại phòng kiểm nghiệm

 Mẫu lưu: là mẫu có cùng đặc tính của mẫu kiểm nghiệm và được lưu tại cơ sở kiểm nghiệm, cơ sở được lấy mẫu

1.6.2 Các qui định về lấy mẫu

1.6.2.1 Đối tượng lấy mẫu

Với hệ thống tự kiểm tra của nhà sản xuất: nguyên liệu thực phẩm, bao bì đóng gói, sản phẩm trung gian, bán thành phẩm, thành phẩm

Với hệ thống quản lý nhà nước: thực phẩm và các nguyên liệu thực phẩm đang trong quá trình lưu thông hoặc tồn trữ trong kho

1.6.2.2 Người lấy mẫu

Đối với cơ sở sản xuất: cán bộ chuyên môn của phòng kiểm tra chất lượng sản phẩm tiến hành lấy mẫu có sự chứng kiến của đại diện bộ phận sản xuất

Việc lấy mẫu được tiến hành bởi các thanh tra viên, cán bộ lấy mẫu có chuyên môn có chứng chỉ lấy mẫu do cơ quan có thẩm quyền cấp

6

Phải tiến hành lập biên bản lấy mẫu, biên bản bàn giao mẫu và dán tem niêm phong theo mẫu được qui định, phải chuẩn bị đầy đủ thủ tục, dụng cụ, thiết bị lấy mẫu

và bảo quản mẫu

Thực hiện đúng các qui trình kỹ thuật đảm bảo tính khách quan, trung thực trong quá trình lấy mẫu, vận chuyển và bàn giao mẫu cho đơn vị kiểm nghiệm

1.6.2.3 Các yêu cầu về lấy mẫu

Mẫu thực phẩm phải đại diện cho cả lô hàng đồng nhất Trước khi lấy mẫu phải xem xét lô hàng có đồng nhất không và kiểm tra tình trạng bao bì của lô hàng đó Mẫu hàng lấy đưa đi kiểm nghiệm phải là mẫu trung bình, nghĩa là sau khi chia thành lô hàng đồng nhất, mẫu sẽ lấy đều ở các góc, ở phía trên, phía dưới, giữa lô hàng

và trộn đều

Đối với thực phẩm lỏng như nước chấm, nước mắm, dầu ăn, thường đựng trong các bể và thùng to, dùng ống cao su sạch, khô cắm vào các vị trí trên, dưới, giữa cạnh

bể hay thùng để lấy mẫu hoặc khuấy kỹ cho đều trước khi lấy mẫu

Đối với các thực phẩm rắn như gạo, chè, thuốc lá thì lấy ở trên, dưới, giữa các bao hoặc các đống ở vị trí trong lô hàng đồng nhất

Đối với các thực phẩm đóng gói dưới dạng đơn vị như hộp, chai, lọ mẫu lấy giữ nguyên bao bì

Phương pháp lấy mẫu cụ thể được qui định trong các tiêu chuẩn Việt Nam đối với từng loại, nhóm thực phẩm

Tỷ lệ lấy mẫu từ 0,5 đến 1% tùy theo số lượng nhưng mỗi lần lấy không ít hơn lượng cần thiết để gửi mẫu và kiểm nghiệm (Xem phụ lục I)

Lượng mẫu tối thiểu là lượng mẫu đủ để kiểm nghiệm một chỉ tiêu của sản phẩm Tùy thuộc vào mục đích kiểm tra lượng mẫu lấy có thể được tăng hay giảm phù hợp với yêu cầu kiểm tra

Trong trường hợp không đủ để lưu mẫu, mọi thay đổi cần ghi rõ trong biên bản lấy mẫu và biên bản bàn giao mẫu

Quá trình lấy mẫu phải được giám sát và ghi chép đầy đủ Tất cả các dấu hiệu không đồng nhất, hư hỏng của sản phẩm và bao bì bảo quản đều phải ghi chép lại Sau khi lấy mẫu phải lắc kỹ nếu là thực phẩm lỏng, trộn đều nếu thực phẩm rắn rồi chia thành mẫu thử trung bình để gửi đi kiểm nghiệm hóa lý, cảm quan, vi sinh vật Sau khi kết thúc quá trình lấy mẫu, mẫu kiểm nghiệm phải được bàn giao ngay cho đơn vị kiểm nghiệm trong thời gian sớm nhất

7

1.6.3 Kỹ thuật lấy mẫu

1.6.3.1 Lấy mẫu ngẫu nhiên đơn giản

Thường áp dụng khi lấy mẫu trong kho, trong một tập hợp ta lấy ra một lượng mẫu bất kì Địa điểm bất kì đó thường dựa vào bảng ngẫu nhiên

Ví dụ trong kho có 10000 sản phẩm xếp theo một trật tự nhất định có thể xác định được vị trí từ 1 đến 10000 theo một qui luật nào đấy Ta cần lấy ra 200 mẫu sản phẩm, vậy lấy các sản phẩm ở vị trí nào? Hãy dùng bảng số liệu ngẫu nhiên (bảng 1.1)

Từ một vị trí bất kì trong bảng ngẫu nhiên ta chọn một số có 4 chữ số, số đó là mẫu số

1 cần lấy Lần lượt dóng sang phải (hoặc sang trái, lên trên, xuống dưới) ghi lại các con số có 4 chữ số tiếp theo cho đủ 200 số như vậy Giá trị của 200 con số vừa ghi được chính là vị trí của 200 mẫu cần lấy trong tập hợp 10000 sản phẩm

Theo cách lấy mẫu ngẫu nhiên đơn gian này, mẫu sẽ đại diện khá chặt cho lô hàng nên ta có độ chính xác cao nhưng thứ tự lấy mẫu không theo một trật tự nào nên lấy mẫu khá vất vả, đôi khi không thực hiện được

Bảng 1.1 Bảng số ngẫu nhiên (trích)

1.6.3.2 Lấy mẫu ngẫu nhiên hệ thống

Thường áp dụng cho các dây chuyền sản xuất liên tục hoặc trong thời gian chuyển hàng vào bể chứa Kỹ thuật nêu lên cách lấy mẫu sản phẩm theo chu kì thời

8

gian sản xuất hoặc thứ tự sản phẩm được sản xuất ra trên dây chuyền đó Thông thường người ta lấy các sản phẩm sản xuất ra cách đều đặn nhau một giá trị K nào đó gọi là khoảng lấy mẫu Khoảng lấy mẫu phụ thuộc vào độ lớn của cỡ lô (N) và độ lớn của cỡ mẫu (n) Một cách tổng quát, khoảng lấy mẫu được tính theo công thức dưới đây và mẫu đầu tiên nằm một cách ngẫu nhiên giữa 1 và K

N: là tổng số sản phẩm trong lô

Giả sử:

 mẫu đầu tiên là lon thứ 33 trong dây chuyền thì

 mẫu thứ 2 là lon thứ 33+50= 83 trong dây chuyền

 mẫu thứ 3 là lon thứ 83+50= 133 trong dây chuyền

 mẫu thứ 4 là lon thứ 133+50= 183 trong dây chuyền…

1.6.3.3 Lấy mẫu nhiều mức

Người ta sử dụng phương pháp này khi nào sản phẩm bảo quản trong kho được xếp xắp trên các giá, trong thùng, trong hộp Kỹ thuật lấy mẫu lúc này là phân chia lô hàng trong kho thành nhiều mức

 Mức thứ 1: các giá

 Mức thứ 2: các thùng

 Mức thứ 3: các hộp…

Nguyên lý lấy mẫu như sau:

 Lấy ngẫu nhiên một số đơn vị ở mức thứ nhất

 Tiếp theo trong số các đơn vị ở mức thứ nhất đã chọn được ta lấy ngẫu nhiên một số đơn vị ở mức thứ 2

 Cuối cùng ta chọn ngẫu nhiên các mẫu ở mức thứ 3 từ số các đơn vị ở mức thứ

2 đã được chọn

Việc lấy mẫu như vậy gọi là lấy mẫu theo mức giảm dần Đặc điểm của lấy mẫu nhiều mức là đơn giản hơn nhưng kém chính xác hơn so với lấy mẫu ngẫu nhiên đơn giản

9

Sau khi lấy được mẫu đại diện theo các phương pháp trên đây, đối với các chỉ tiêu nguy hiểm như độc tố (trừ vi sinh vật) ta mang đấu trộn các mẫu với nhau để tạo nên một hỗn hợp và lấy một phần đi phân tích Còn đối với các chỉ tiêu vật lý và hóa học khác ta phải phân tích 100% số mẫu lấy được để đi đến kết luận cho lô hàng

1.6.4 Gửi mẫu và nhận mẫu

1.6.4.1 Gửi mẫu

Chia mẫu thử trung bình thành 3 phần bằng nhau tiến hành bao gói, bảo quản theo đúng qui định của từng loại sản phẩm không được làm cho tính chất các chỉ tiêu cần xác định bị thay đổi

Trong đó hai phần được gửi ngay đến phòng kiểm nghiệm theo phiếu ghi nội dung sau:

 Tên cơ quan chủ quản của cơ sở sản xuất

 Tên cơ sở sản xuất

 Tên và loại sản phẩm

 Số liệu và khối lượng của lô hàng

 Khối lượng mẫu gửi đến kiểm tra

 Ngày tháng năm lấy mẫu

 Lý do lấy mẫu

 Yêu cầu kiểm tra các chỉ tiêu gì

 Họ tên chức vụ người lấy mẫu

Trong hai phần mẫu gửi đến kiểm nghiệm thì một phần đem kiểm nghiệm còn một phần lưu lại phòng kiểm nghiệm Phần mẫu thử còn lại được giử lại cơ sở làm đối chứng khi có khiếu nại Thời gian lưu mẫu không được quá thời gian bảo hành cho từng loại sản phẩm

Lưu ý: Dụng cụ đựng mẫu thử có thể là bao bì ban đầu của sản phẩm hoặc đóng

gói trong các dụng cụ không được làm ảnh hưởng đến sản phẩm (chai, lọ thuỷ tinh sạch có nút nhám)

Trường hợp mẫu gửi đi xa kiểm nghiệm hoặc có nghi vấn, tranh chấp phải đóng gói kỷ, phía ngoài gián niêm phong có đóng dấu tránh trường hợp bị đánh tráo

Thực phẩm để bị hư hỏng phải gửi mẫu nhanh đến nơi kiểm nghịêm trong thời gian thực phẩm còn tốt

1.6.4.2 Nhận mẫu

Mẫu trung bình khi gửi đến phòng kiểm nghiệm cần tiến hành những trình tự sau:

 Kiểm tra xem bao bì có hợp lý không

 Kiểm tra lại phiếu gửi kiểm nghiệm, biên bản lấy mẫu nhãn dán, xác định loại thực phẩm

 Xác định yêu cầu kiểm nghiệm

 Tiến hành kiểm nghiệm (trường hợp có nhiều mẫu thì ngay lập tức bảo quản mẫu)

 Mẫu gửi đến không phù hợp thì không được nhận mẫu để phân tích

10

1.6.5 Xử lý mẫu

Xử lý mẫu là khâu đầu tiên nhưng rất quan trọng trong phân tích mẫu Nó thường

là nguồn sai số lớn cho kết quả, thậm chí quyết định sự thành công của phương pháp phân tích

Một số ít trường hợp mẫu phân tích có thể ở trạng thái rắn, nhưng đa số trong các trường hợp đòi hỏi phải hòa tan để chuyển mẫu rắn thành dung dịch có nồng độ xác định Cũng có vài trường hợp, dù mẫu đã ở trạng thái lỏng, cũng cần phải xử lý mẫu trước khi tiến hành phân tích, chẳng hạn như phải xử lý mẫu nước trước khi phân tích hàm lượng kim loại nặng bằng kỹ thuật AAS, ICP…

Việc hòa tan - xử lý mẫu phải tuân thủ các yêu cầu cụ thể sau đây:

 Không làm mất mẫu trong quá trình hòa tan

 Không đưa thêm quá nhiều cấu tử lạ vào dung dịch mẫu vì sẽ gây bất lợi cho

quá trình phân tích

Có thể chia kỹ thuật xử lý mẫu thành hai nhóm:

1.6.5.1 Nhóm hòa tan phân hủy mẫu

Dùng các tác nhân hóa học có thể kết hợp với tác nhân lý học chuyển mẫu có thành phần phức tạp thành dạng đơn giản hơn tạo điều kiện thuận lợi cho phân tích Để hiệu quả và ít tốn thời gian, trước khi hòa tan mẫu nên tra cứu tài liệu và lưu ý khảo sát các yếu tố có liên quan đến bản chất của mẫu (quan trọng nhất là độ tan trong các dung môi khác nhau), về thành phần định tính và định lượng của mẫu, các phương pháp dự định sẽ dùng để tiến hành phân tích… từ những yếu tố đã khảo sát, chọn dung môi, hóa chất và điều kiện thích hợp nhất để hòa tan mẫu

Việc chọn dung môi và hóa chất hòa tan mẫu thường được tiến hành theo thứ tự

sau đây: nước cất → acid mạnh → base mạnh → chất oxi hóa mạnh

Ví dụ:

Dùng nước cất hòa tan các muối dễ tan như nitrate; halogenure; sulfate; đường… Dùng acid mạnh kết hợp với nhiệt độ cao để hòa tan mẫu, chuyển mẫu phân tích thành dạng dung dịch

Dùng các chất oxy hóa và nhiệt độ cao để phân hủy các chất hữu cơ, vô cơ hóa mẫu để phân tích kim loại, phân tích nitơ tổng…

Dùng dung môi hữu cơ để hòa tan một số chất: xác định aflatoxin, xác định chỉ

số acid dầu mỡ động thực vật…

1.6.5.2 Nhóm tách pha

Dùng các kỹ thuật chưng cất, kết tủa, chiết để loại các chất cản trở hoặc tách các chất phân tích ra khỏi mẫu

 Chưng cất: Dùng kỹ thuật cất để tách các thành phần nếu hệ số phân bố giữa

cá pha của chúng khác nhau nhiều

Bảng 1.2 Tách một số chất phân tích bằng kỹ thuật chƣng cất

Mẫu phân tích Chất phân Xử lý mẫu Chất thu Cách thu

Acid hóa SO2 NaOH SO2 +

 Kết tủa: là kỹ thuật tách các chất ra khỏi mẫu để phân tích định lượng

Ví dụ: Kết tủa protein bằng acid tricloacetic, kết tủa bằng dung môi hữu cơ (metanol, etanol, acetonitril)

 Chiết lỏng lỏng: Chiết xuất là kỹ thuật được dùng rất phổ biến để chuyển chất phân tích hòa tan trong dung môi sang một dung môi thứ hai không hòa tan trong dung môi thứ nhất Ví dụ: Chiết Soxhlet, chiết phẩm màu thực phẩm bằng các dung môi n-hexcan, aceton

 Chiết pha rắn (Solid phase extraction SPE): Tách chất phân tích từ mẫu bằng một chất rắn, sau đó rửa giải bằng dung môi thích hợp

Lưu ý: Mẫu càng mịn quá trình hòa tan càng dễ Do đó, trước khi xử lý mẫu, mẫu

thực phẩm phải được nghiền mịn và đồng nhất

 Trường hợp thực phẩm đồng nhất đặc hoặc lỏng:

+ Trường hợp thực phẩm là một khối to đồng nhất, lấy một phần mẫu, cắt thái

nhỏ, tán nhuyễn (thực phẩm đặc) hoặc khuấy đều (thực phẩm lỏng) để riêng vào lọ kín

+ Thực phẩm như thóc, gạo, bột phải trộn kỹ, xay nhuyễn cho vào lọ nút nhám

để phân tích dần Khi cần lấy mẫu để phân tích phải trộn lại đều và kỹ

 Thực phẩm đặc không đồng nhất: Lấy phần đại diện của mẫu rồi cắt nhỏ tán

nghiền nhuyễn

 Thực phẩm đặc lẫn lỏng không đồng nhất:

+ Phần đặc lỏng như nước sốt có thể gạn bớt chất lỏng vào cốc thủy tinh, phần

đặc vào chén sứ tán nhuyễn phần đặc, trộn lại và đồng nhất mẫu Cho vào lọ hoặc hộp đậy kín Nếu không tách riêng được thì cho tất cả tán nhuyễn đồng nhất,

+ Phần lỏng và phần đặc riêng biệt nhau: kiểm nghiệm chất lỏng và đặc riêng

biệt

+ Trường hợp kiểm nghiệm cho các chất có khả năng trao đổi và hòa tan trong

chất lỏng thì chỉ có thể kiểm nghiệm chất lỏng nhưng phải sau thời gian tối thiểu 30 ngày kể từ ngày sản xuất

Tổng độ lệch giữa giá trị riêng rẽ và giá trị trung bình bằng không

∑( ̅) Tổng các bình phương độ lệch nhỏ hơn tổng bình phương của bất cứ độ lệch nào giữa giá trị đơn lẻ và giá trị a nào đó không phải giá trị trung bình

∑( ̅) ∑( ) với a ̅

1.7.2 Phương sai (variance)

Phương sai (2 và s2) là giá trị trung bình của tổng bình phương sự sai khác giữa các giá trị riêng rẽ trong tập số liệu so với giá trị trung bình Phương sai không cùng thứ

nguyên với các đại lượng đo

Nếu tập số liệu lớn thì:

∑ ( ̅)

Nếu tập số liệu nhỏ (n  30) thì:

∑ ( ̅) Nếu phương sai càng lớn thì độ tản mạn của các giá trị đo lặp lại càng lớn hay độ lặp lại kém

1.7.3 Độ lêch chuẩn (standard deviation)

Độ lệch chuẩn là một đại lượng thống kê mô tả dùng để đo mức độ phân tán của một tập dữ liệu đã được lập thành bảng tần số Có thể tính ra độ lệch chuẩn bằng cách lấy căn bậc hai của phương sai Khi hai tập dữ liệu có cùng giá trị trung bình cộng, tập nào có độ lệch chuẩn lớn hơn là tập có dữ liệu biến thiên nhiều hơn Trong trường hợp hai tập dữ liệu có giá trị trung bình cộng không bằng nhau, thì việc so sánh độ lệch chuẩn của chúng không có ý nghĩa Độ lệch chuẩn còn được sử dụng khi tính sai số chuẩn Khi lấy độ lệch chuẩn chia cho căn bậc hai của số lượng quan sát trong tập dữ liệu, sẽ có giá trị của sai số chuẩn

13

√∑ ( ̅)

với n  30, f=n-1 là số bậc tự do

1.7.4 Ƣ c lƣợng khoảng tin cậy c a k t quả phân tích

Khoảng tin cậy của đại lượng đo là giá trị thực biểu thị khoảng tồn tại giá trị trung bình hay còn gọi là khoảng bất ổn của số liệu thực nghiệm trung bình

Khi tiến hành thí nghiệm nhiều lần thu được các kết quả lệch nhau, nhiệm vụ của người phân tích là ước lượng được khoảng tin cậy và biểu diễn kết quả thu được với một xác xuất tin cậy

Khi đó giới hạn tin cậy được tính theo công thức sau:

̅

√ n: là số lần thí nghiệm lặp lại

s hay SD: là độ lệch chuẩn

tP;f: là hệ số student, tra bảng, với P là xác xuất tin cậy, f=n-1 là số bậc tự do Chuẩn t được dùng để tính khoảng tin cậy của số liệu thực nghiệm, so sánh giá trị trung bình thực nghiệm và giá trị thật, so sánh 2 giá trị trung bình hoặc tính độ không đảm bảo đo của độ lệch chuẩn mẫu khi số mẫu nhỏ

Giá trị t được tra trong bảng phân bố student hai phía với độ tin cậy thống kê 95% và bậc tự do f= n-1 (xem bảng 1.4)

Bảng 1.3 Bảng hệ số phân phối student

Bậc tự do Mức tin cậy (xác suất bắt gặp P)

hay kết quả nằm trong khoảng từ 12,04% đến 13,04% với xác xuất tin cậy là 95%

Ví dụ 2: Xác định hàm lượng đạm trong mẫu thức ăn 4 lần lặp lại thu được các kết quả sau: 12,5%; 12,7%; 13,1 % và 12,4 % Tính giá trị trung bình, độ lêch chuẩn, khoảng tin cậy và biểu diễn kết quả với xác suất là 95% (Sinh viên tự giải)

15

Chương 2 PHÂN TÍCH HÓA HỌC CỔ ĐIỂN 2.1 Phân tích trọng lượng

2.1.1 Gi i thiệu chung về phương pháp phân tích trọng lượng

Phân tích trọng lượng là phương pháp dựa trên cơ sở xác định khối lượng của chất cần phân tích đã được tách ra khỏi các chất khác (có cùng trong mẫu thử) dưới dạng tinh khiết

Ví dụ: Khi phân tích ion Fe3+

trong dung dịch, làm kết tủa nó dưới dạng Fe(OH)3bằng dung dịch NH4OH Lọc kết tủa và rửa sạch Nung kết tủa ở 1000oC đến khối lượng không đổi, nhằm chuyển kết tủa thành Fe2O3 Để nguội mẫu nung đến nhiệt độ phòng, rồi cân khối lượng của nó bằng cân phân tích Từ khối lượng cân tính ra khối lượng ion Fe3+

Một số ưu điểm và nhược điểm của phương pháp phân tích trọng lượng:

 Xác định độ chính xác cao đạt tới 0,01 – 0,005 % vượt xa độ chính xác của chuẩn độ

 Xác định được nhiều kim loại (cation) và các á kim (anion), các thành phần của hợp kim, quặng, silicat

 Đơn giản về nguyên tắc, dụng cụ phân tích thông thường

không phản ứng

2Au3+ + 6H2O2 2Au + 6H+ + 3O2Phương pháp tách dùng để xác định trọng lượng tro: mẫu rắn được đốt cháy và nung đến khối lượng không đổi Tro thu được đem cân Dựa vào trọng lượng của tro người ta tính hàm lượng phần trăm của nó trong mẫu đã cho

Ngoài ra, người ta còn sử dụng phương pháp điện trọng lượng để tách các chất có trong dung dịch: chất cần xác định được dòng điện tách ra và bám trên một điện cực bằng Pt Dựa vào khối lượng tăng của thanh Pt, người ta suy ra hàm lượng

Phương pháp tách dùng để xác định hàm lượng chất béo tự do trong thực phẩm thường sử dụng các phương pháp như phương pháp Soxhlet, Adam Rozơ Chất béo được tách ra khỏi thực phẩm bằng cách hòa tan chất béo vào dung môi thích hợp Đuổi

Kết tủa định luợng cấu tử cần xác định bằng các phương pháp hóa học dưới dạng hợp chất ít tan có thành phần xác định nghiêm ngặt Kết tủa tách ra được rửa, sấy hay đem nung và được cân trên cân phân tích Quá trình nung có thể gây ra sự biến đổi

về mặt hóa học của tủa vì vậy trong phân tích người ta phân biệt dạng kết tủa và dạng cân

Cần phân biệt dạng kết tủa và dạng cân Dạng kết tủa là dạng tạo thành khi cho chất phân tích tác dụng với thuốc thử thích hợp Dạng cân là dạng tạo thành sau khi được xử lý bằng nhiệt (sấy và nung) được cân để xác định hàm lượng Dạng cân cũng

có thể là dạng kết tủa

Ví dụ: Khi xác định ion SO42- trong nước bằng phương pháp trọng lượng, kết tủa chúng bằng ion Ba2+

SO42- + Ba2+ = BaSO4 ↓ chất cần xác định dạng kết tủa dạng cân

Trong một số trường hợp dạng cân và dạng kết tủa khác nhau

2Fe3+ + OH- → Fe(OH)3 ↓ → Fe2O3chất cần xác định dạng kết tủa dạng cân

2.1.2.3 Phương pháp bay hơi

Chưng cất định lượng cấu tử cần xác định dưới dạng hợp chất bay hơi Phần cần tách ra bằng cách đốt nóng mẫu phân tích hoặc bằng tác dụng của thuốc thử thích hợp làm giải phóng ra sản phẩm bay hơi Có phương pháp trực tiếp và gián tiếp

Phương pháp trực tiếp: Cấu tử cần phân tích được bay hơi sau đó hấp thu vào chất hấp thu phù hợp, dựa vào sự tăng khối lượng chất hấp thu người ta tính được lượng cấu tử cần xác định

Ví dụ: Chưng cất cồn trong bia, rượu Nhiệt độ bay hơi của cồn thấp hơn nhiệt độ sôi của nước, do đó cồn được tách ra bằng phương pháp chưng cất, cồn được hấp thu vào trong nước Sử dụng cồn kế hoặc dùng phương pháp tỉ trọng để xác định độ cồn trong bia, rượu

Phương pháp gián tiếp: Trong phương pháp này là xác định phần còn lại của chất sau khi đã tách hoàn toàn chất cần xác đinh Hiệu số trước và sau khi cất chất cần xác định ra sẽ tính được chất cần xác định

Ví dụ: Xác định độ ẩm trong bột mì, độ ẩm của gạo, chè, cafe, cacao… Trong quá trình sấy, hơi nước sẽ bị bốc hơi Lượng nước trong thực phẩm sẽ được tính bằng cách tính hiệu số khối lượng thực phẩm trước và sau khi sấy, từ đó tính được độ ẩm trong thực phẩm

17

2.2 Chuẩn độ thể tích

2.2.1 Gi i thiệu chung về phương pháp chuẩn độ thể tích

2.2.1.1 Điểm tương đương

Sự chuẩn độ đạt tới điểm tương đương là khi tại điểm đó lượng chất chuẩn thêm vào tương đương về số đương lượng gam với lượng chất phân tích có trong mẫu Điểm tương đương là một điểm lý thuyết, không thể xác định bằng thực nghiệm 2.2.1.2 Điểm kết thúc

Điểm kết thúc là thời điểm gây ra sự biến đổi tính chất vật lý hay sự đổi màu của chất chỉ thị Điểm kết thúc thường không trùng với điểm tương đương và gây ra sai số chuẩn độ Sự sai biệt về thể tích giữa điểm tương đương và điểm kết thúc gọi là sai số trong chuẩn độ Trong các phương pháp phân tích thể tích, sai số trong chuẩn độ Etđược xác định:

Et = |Veq - Vfin|

Veq: thể tích lý thuyết của thuốc thử cần thiết để đạt đến điểm tương đương

Vfin: thể tích thật sự sử dụng để phát hiện điểm kết thúc của phản ứng

Trong phương pháp chuẩn độ, việc xác định điểm kết thúc có thể sử dụng chất chỉ thị

2.2.1.3 Phân loại các phương pháp chuẩn độ thể tích

Trong dung dịch, các ion tham gia theo hai nhóm phản ứng chính:

 Phản ứng trao đổi gồm các phản ứng: trung hòa, kết tủa và tạo phức

 Phản ứng oxy hóa - khử

Do đó, các phương pháp phân tích thể tích được chia thành 4 nhóm:

 Phương pháp trung hòa

 Phương pháp oxy hóa – khử

Ví dụ: Chuẩn độ xác định đô chua trong thực phẩm bằng dung dịch chuẩn NaOH với chỉ thị phenolphtalein, hay chuẩn độ xác định hàm lượng muối ăn NaCl bằng dung dịch AgNO3 với chỉ thị K2CrO4 (phương pháp Mohr)

18

Trong phương pháp chuẩn độ này, số đương lượng gam của chất cần xác định luôn bằng số đương lượng gam thuốc thử cần đung cho chuẩn độ, tức là Vxđ Nxđ = Vtc Ntc

b Chuẩn độ gián tiếp

Được dùng khi chất cần phân tích không phản ứng trực tiếp được với dung dịch tiêu chuẩn hoặc không thể tiến hành chính xác phản ứng trực tiếp giữa chúng

Tùy theo các phản ứng xảy ra trong quá trình thao tác chuẩn độ mà chia chuẩn độ gián tiếp thành 3 loại:

 Chuẩn độ ngược

 Chuẩn độ thế

 Chuẩn độ thế ngược

+ Chuẩn độ ngược: Còn gọi là chuẩn độ nghịch Chuẩn độ ngược sử dụng 2

dung dịch tiêu chuẩn, đầu tiên cho chất cần xác định phản ứng với một lượng chính xác và lấy dư của dung dịch tiêu chuẩn thứ nhất, sau đó lượng dư của dung dịch tiêu chuẩn này được xác định lại bằng một dung dịch tiêu chuẩn thứ hai

Ví dụ: Xác định hàm lượng muối ăn NaCl bằng phương pháp Volhard, chó nó tác dụng với dung dịch tiêu chuẩn AgNO3 lấy dư, sau đó chuẩn độ lại lượng AgNO3 dư bằng dung dịch tiêu chuẩn KSCN với chỉ thị là dung dịch muối phèn nhôm

+ Chuẩn độ thế: Khi chất cần xác định và dung dịch tiêu chuẩn không phản ứng

với nhau (ví dụ: ion Ca2+ không phản ứng với KMnO4) hoặc phản ứng không tuân theo một định lượng nhất định (ví du: phản ứng giữa K2Cr2O7 với

Na2S2O3 trong môi tường acid mạnh), vì thế định lượng chất cần xác định bằng một chất thử thứ 3 là chất có phản ứng định lượng với dung dịch tiêu chuẩn

Ví dụ: Xác định hàm lượng đường khử bằng phương pháp Bertrand Nhóm -CHO hoặc nhóm xeton -CO- trong phân tử đường không thể phản ứng trực tiếp với dung dịch KMnO4 theo phương pháp oxy hóa – khử, vì thế ta tiến hành chuẩn độ như sau: cho vào dung dịch đường khử một lượng dư thuốc thử Fehling, tạo thành kết tủa

đỏ gạch Cu2O Hòa tan kết tủa vào bằng dung dịch Fe3+ tạo thành dung dịch Fe2+

Lượng dung dịch Fe2+tạo thành sẽ được chuẩn độ bằng dung dịch KMnO4 Từ kết quả thu được ta có thể tính đường hàm lượng đường khử có trong thực phẩm

Trong chuẩn độ thế luông thỏa mãn mối quan hệ: số đương lượng gam của chất cần xác định bằng số đượng lượng gam chất tiêu chuẩn: Vxđ Nxđ = Vtc Ntc, dù sử dụng một lần hay nhiều lần thay thế

+ Chuẩn độ thế ngược: Đó là cách chuẩn độ phối hợp giữa chuẩn độ thế với

chuẩn độ ngược Trong chuẩn độ thế ngược, đương lượng gam của chất tham gia phản ứng tính theo phương pháp chuẩn độ thế còn số đương lượng gam của chúng tính theo phương pháp ngược

Ví dụ: Chuẩn độ xác định ion Ca2+ bằng phương pháp định lượng dưới dạng ocalat Cho ion Ca2+ phản ứng với dung dịch chuẩn (NH4)2C2O4 lấy dư, lọc bỏ kết tủa, dung dịch thu được chuẩn độ bằng dung dịch tiêu chuẩn KMnO4

Ca2+ + (NH4)2C2O4 dư = CaC2O4 + 2NH4+ (phản ứng thế)

19

5(NH4)2C2O4 + 2KMnO4 + 16H+ = 10CO2 + 2Mn2+ + 2K+ + 10NH4+ + 8H2O

(phản ứng chuẩn độ) Các phản ứng trên cho thấy: 1 ion Ca2+ được thế bởi sự mất đi của 1 ion C2O42-, 1 ion C2O42- khi tham gia phản ứng chuẩn độ nhường 2e, do đó, 1 ion Ca2+ tương đương với 2e, suy ra: ĐCa2+

Lấy VB (ml) dung dịch chất B (chất chuẩn) có nồng độ xác định NB dùng chuẩn

độ tại điểm kết thúc hết VA (ml) chất cần định lượng A có nồng độ NA Để tính nồng

20

Trong phương pháp chuẩn độ acid - base, dùng chất chuẩn là acid để xác định nồng độ của base, và dùng chất chuẩn là base để xác định nồng độ của acid

b Phân loại các phản ứng chuẩn độ trong phương pháp acid – base:

 Chuẩn độ acid mạnh bằng base mạnh

 Chuẩn độ base mạnh bằng acid mạnh

 Chuẩn độ acid yếu bằng base mạnh

 Chuẩn độ base yếu bằng acid mạnh

 Chuẩn độ đa acid yếu bằng base mạnh

 Chuẩn độ đa base yếu bằng acid mạnh

c Chất chỉ thị màu dùng trong phương pháp acid – base

Chất chỉ thị màu thường dùng trong phương pháp acid – base là chất chỉ thị acid – base hay chất chỉ thị pH Đó là những hợp chất hữu cơ biểu lộ tính acid yếu hoặc base yếu có thể thay đổi màu theo pH của dung dịch

Bản thân các chất chỉ thị này là các acid yếu hoặc các base hữu cơ yếu mà ở dạng phân tử hoặc ion chúng có màu khác nhau Điều này do sự phân ly hoặc liên hợp của chất chỉ thị kèm theo sự chuyện vị cấu trúc bên trong dẫn đến sự đổi màu

Phản ứng điển hình của chỉ thị acid – base dưới dạng sau:

Hind + H2O  H3O+ + Indhoặc:

-Ind- + H2O  Hind + OHTrong các dung dịch acid mạnh, chỉ thị Hind là dạng chiếm ưu thế, tương ứng với “màu acid” và Ind-

sẽ là “màu kiềm” của nó Trong các dung dịch kiềm các ion Ind- sẽ chiếm ưu thế tương ứng với “màu kiềm” của chất chỉ thị đó

Bảng 2.1 Một số chất chỉ thị thường dùng trong phương pháp acid – base

Chỉ thị Màu chỉ thị trong môi trường acid Khoảng pH đổi màu chỉ thị Màu chỉ thị trong môi trường kiềm

Phenolphtalein Không màu 8,2 - 10 Tím đỏ (hồng)

Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự đổi màu của chất chỉ thị:

 Ảnh hưởng của các ion trong dung dịch: Các chất điện lý trong dung dịch có tác dụng đến màu sắc của chất chỉ thị trên hai khía cạnh: Thay đổi cường dộ

21

màu của một trong hai dạng màu của chất chỉ thị; Ảnh hưởng đến cân bằng của chất chỉ thị Do đó trong nhiều trường hợp phải hiệu chỉnh lại pH của khoảng đổi màu của chất chỉ thị

 Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi thay đổi nhiệt độ của dung dịch sẽ làm thay đổi

sự đổi màu của chất chỉ thị, vì làm thay đổi khả năng phân ly của dung môi, của acid, base, muối và cả của chất chỉ thị

 Ảnh hưởng của dung môi: Khi thay đổi dung môi thì sự phân ly của acid – base thay đổi Chỉ thị acid – base do đó cũng thay đổi theo dung môi Đó là nguyên nhân gây nên sự ảnh hưởng của dung môi đến sự đổi màu của chỉ thị

d Ứng dụng của phương pháp chuẩn độ acid – base: Dùng các phản ứng acid – base để xác định độ kiềm của nước, xác định độ chua (acid) trong một số thực phẩm, xác định CO2 tự do trong nước giải khát, xác định nitơ toàn phần bằng phương pháp Kjeldahl

2.2.2.2 Chuẩn độ oxy hóa khử

a Nguyên tắc

Phản ứng oxy hóa khử là phản ứng trong đó có sự thay đổi số oxy hóa của một hay một vài nguyên tố

Ox1 + Kh2 Kh1 + Ox2Trong phản ứng oxy hóa khử gồm có: chất oxy hóa là chất chứa nguyên tố nhận electron; chất khử là chất chứa nguyên tố cho electron

Ox1 + ne  Kh1

Kh2 – ne  Ox2 Yêu cầu của phản ứng:

 Các phản ứng xảy ra theo một chiều xác định

 Phản ứng phải xảy ra hoàn toàn

 Tốc độ phản ứng phải đủ nhanh

 Phải xác định được điểm tương đương

Ví dụ: MnO4- + 8H+ +Fe2+ Mn2+ + Fe3+ + 4H2O

MnO4- + 8H+ + 5e- Mn2+ + 4H2O (quá trình khử)

MnO4- : chất oxy hóa

Fe2+ - e- → Fe3+ (quá trình oxy hóa)

Fe3+: chất khử

b Một số khái niệm cơ bản

Thế điện cực của kim loại: Khi nhúng một thanh kim loại Me vào nước hay dung dịch muối của nó sẽ xuất hiện một tầng điện kép trên bề mặt kim loại và lớp dung dịch sát bề mặt kim loại Sự chênh lệch thế trong tầng điện kép được gọi là thế điện cực của kim loại, kí hiệu là 

22

Ở điều kiện tiêu chuẩn và nồng độ của cation kim loại trong dung dịch là 1 mol/l, thế điện cực được so sánh với điện cực hydro tiêu chuẩn và gọi là thế điện cực tiêu chuẩn của kim loại, kí hiệu là o

Thế oxy hóa – khử được ký hiệu là EOx/Kh

Ví dụ: Nhúng một thanh Pt vào dung dịch chứa cặp Fe2+ và Fe3+ Điện cực này

ký hiệu: và thế của cặp oxy hóa – khử này được ký hiệu:

Cũng giống như thế điện cực của kim loại, để xác định thế oxy hóa – khử người

ta cũng phải tạo lập một pin điện gồm một điện cực là điện cực cần đo thế oxy hóa – khử và điện cực còn lại là điện cực hydro tiêu chuẩn

Trong điều kiện không phải là tiêu chuẩn và nồng độ các dạng oxy hóa, khử đều

là 1 mol/l thì E đo được gọi là E tiêu chuẩn, ký hiệu là Eo

Trong điều kiện không phải là tiêu chuẩn và nồng độ các dạng oxy hóa, khử khác

1 mol/l thì E đo được là thế oxy hóa – khử của cặp oxy hóa – khử đó trong điều kiện

Ở 298oK, F=96500, chuyển ln sang lg, ta có công thức:

c Phân loại một số phản ứng oxy hóa khử

Tên phương pháp oxy hóa khử là tên của chất oxy hóa:

 Phương pháp permanganate (KMnO4)

Ion trung tâm: là ion kim loại có phân lớp d còn trống

Ligand: nhóm phân tử, ion có nguyên tố còn điện tử tự do

Ion trung tâm và ligand nối với nhau bằng liên kết cộng hóa trị và liên kết phối trí

Phương pháp phức chất dựa trên việc dùng các phản ứng tạo phức tan hoặc các muối ít phân ly

c Chất chỉ thị thường dùng trong phương pháp complexon

Chất chỉ thị màu dùng trong phương pháp complexon là chất chỉ thị có khả năng tạo với ion kim loại phức có màu khác với màu riêng của chất chỉ thị Chất đó được gọi là chất chỉ thị kim loại Như vậy phép chuẩn độ ion kim loại bằng EDTA gồm 2 giai đoạn:

Phản ứng giữa ion kim loại tự do và complexon

Phản ứng giữa complexon và ion kim loại trong phức

Chất chỉ thị này có mặt trong dung dịch chuẩn độ ở một giá trị pH nào đó có khả năng tạo phức tan, có màu với cation kim loại cần xác định Nhưng phức này kém bền hơn phức tạo bởi với EDTA và cation kim loại đó

Chất chỉ thị thường được sử dụng rộng rãi trong phép chuẩn độ complexon là Eriocrom T black (ký hiệu H2Ind-): là một loại acid đa bậc yếu Chất chỉ thị này có phạm vi đổi màu khác nhau:

Eriocrom T black tạo phức đỏ hoặc hồng với ion kim loại Mg2+

, Zn2+, Cd2+thường được dùng để chuẩn độ trực tiếp các ion đó trong môi trường pH = 10 dùng hỗn hợp đệm ammonia

d Ứng dụng của phản ứng tạo phức trong phân tích thực phẩm: xác định Ca, Mg trong sữa, xác định độ cứng của nước, tạo các hợp chất phức màu trong phương pháp quang phổ

2.2.2.4 Chuẩn độ kết tủa

a Nguyên tắc

Chuẩn độ kết tủa là phương pháp định lượng dựa trên việc dùng phản ứng kết tủa (tạo thành hợp chất ít tan) giữa thuốc thử và chất cần định lượng

Yêu cầu của các phản ứng kết tủa:

 Các chất kết tủa tạo ra phải có tích số hòa tan càng nhỏ càng tốt, tức là độ hòa tan của chất đó rất nhỏ

 Tốc độ phản ứng tạo kết tủa phải đủ nhanh

 Các kết tủa không có khả năng hấp phụ các chất khác có trong dung dịch

 Không xảy ra hiện tượng cộng kết

 Phải có khả năng xác định điểm tương đương

Chuẩn độ kết tủa cho phép ta định lượng các anion như: Cl

-, Br-, CN-, SCN-, CrO42-, PO43- … và ngược lại định lượng các cation tạo thành tủa với các anion trên

b Phân loại các phương pháp chuẩn độ kết tủa

 Phương pháp bạc: dựa trên việc dùng dung dịch chuẩn là AgNO3 để tạo thành các kết tủa không tan hoặc ít tan giữa ion Ag+

25

c Ứng dụng của phương pháp kết tủa: Xác định hàm lượng NaCl bằng phương

pháp Mohr

26

Chương 3 PHÂN TÍCH CÔNG CỤ 3.1 Phân tích đo điện th

3.1.1 Đặc điểm c a phân tích đo điện th

Phân tích đo điện thế là phương pháp xác định nồng độ các ion (các chất) dựa vào sự thay đổi thế điện cực khi nhúng vào dung dịch phân tích Phương pháp này ra đời sau khi có phương trình Nernst mô tả sự phụ thuộc định lượng của thế điện cực E vào hoạt độ các cấu tử của một bán phản ứng oxy hóa khử:

Ox + ne  Kh (3.1)

n: Số electron tham gia trong cặp Ox –Kh

aox, akh : Hoạt độ dạng oxy hóa và dạng khử

fox, fkh: Hệ số hoạt độ dạng oxy hóa và dạng khử

ox, kh: Nồng độ cân bằng dạng oxy hóa và dạng khử (mol/l)

Thay giá trị các hằng số R, F, nhiệt độ 25oC (T = 298,15oK), đổi logarit neper thành logarit thập phân (lna = 2,303 Loga) chấp nhận hệ số hoạt độ f ox = fkh = 1, ta có phưopưng trình Nerst ở dạng cân bằng:

(3.3) Với điện cực là thanh kim loại M (ví dụ Ag, Cu, Cd, Pb, Zn…) nhúng vào dung dịch muối của nó thì:

(3.4) Với dung dịch chứa 2 dạng ion có mức độ oxy hóa khác nhau của cùng một kim loại M, ví dụ Mm+ và Mn+ (m>n), phương trình Nerst có dạng:

Trong phương pháp đo điện thế người ta dùng điện cực màng và điện cực kim loại làm điện cực chỉ thị

Điện cực kim loại loại 1 là loại điện cực chế tạo từ bản hoặc dây kim loại, nhúng vào dung dịch muối tan của kim loại đó Ví dụ: Ag/AgNO3; Cd/Cd(NO3)2 Tuy nhiên chỉ các điện cực kim loại chế từ bạc, thủy ngân, cađimi, crom, coban, kẽm, chì tạo được điện cực loại 1, đáp ứng yêu cầu thuận nghịch và cho kết quả lặp lại.Với một số kim loại người ta dùng hỗn hợp kim loại thay cho kim loại để chế tạo điện cực – điện cực hỗn hợp – cho kết quả lặp lại tốt hơn Điện cực loại 1 dùng để xác định nồng độ kim loại trong dung dịch

Điện cực kim loại loại 2 được chế tạo từ các bản hoặc dây kim loại có phủ bên ngoài một lớp muối ít tan của kim loại đó và được nhúng vào muối chứa anion cùng tên trong lớp phủ Các điện cực calomel, điện cực bạc là điện cực kim loại loại hai Điện cực kim loại loại hai cũng thường được dùng làm điện cực so sánh

Ví dụ với điện cực bạc cloric:

AgCl (r) + e  Ag (r) +Cl- Phương trình Nerst cho cân bằng trên:

Ei = EoAgCl – 0,0592lg Cl- 3.1.2.2 Điện cực màng

Điện cực màng là một bán pin điện hóa Trong điện cực này, hiệu số điện thế trên mặt ngăn cách của các pha của vật liệu chế tạo điện cực – chất điện li phụ thuộc nồng

độ (chính xác hơn là hoạt độ) các ion xác định trong dung dịch Vật liệu chế tạo là màng chất rắn hoặc là màng chất lỏng có chứa các ion xác định Khi vật liệu màng tiếp xúc với dung dịch nước các ion có thể chuyển vào dung dịch, hoặc các ion cần xác định có thể chuyển từ dung dịch nước vào màng Do đó trên bề mặt của màng có điện tích trái dấu với điện tích các ion có trong dung dịch và trên mặt ngăn cách các pha sẽ xuất hiện một hiệu điện thế mà giá trị của hiệu điện thế phụ thuộc hoạt độ các ion trong dung dịch Như vậy điện cực màng làm việc không phải do phản ứng điện hóa vận chuyển ion mà là do hiệu số điện thế xuất hiện trên bề mặt ngăn cách các pha và

sự trao đổi cân bằng dung dịch nghiên cứu với dung dịch phụ ở bên trong màng

Một số điện cực thường gặp trong thực tế phân tích

28

Hình 3.1 Cấu tạo điện cực th y tinh

a Điện cực thủy tinh đo pH

Điện cực thủy tinh thường có dạng một bình cầu nhỏ có thành mỏng (1) Trong bình cầu chứa dung dịch HCl (hoặc một dung dịch đệm nào đó) (2) Bên trong bình cầu có đặt điện cực bạc clorua (3) Toàn bộ được đặt trong ống bảo vệ (4)

Màng th y tinh: Thành phần thủy tinh của màng quyết định tính chọn lọc của

nó Thủy tinh có khoảng 22% Na2O, 6% CaO và 72% SiO2 chọn lọc với ion H+ cho đến pH ~ 9 Ở pH > 9 nó đáp ứngvới cả ion Na+ và một số ion điện tích +1 Hiện nay người ta còn dùng công thức khác, thay natri và calci bằng lithi và bary để chế tạo điện cực thủy tinh có tính chọn lọc cao hơn Khi hai mặt của màng thủy tinh được hỷđat hóa sẽ xuất hiện quá trình trao đổi ion giữa các cation +1 trong màng thủy tinh và proton của dung dịch

H+ + Na+Gl- = Na+ + H+ Gl- dung dịch thủy tinh dung dịch thủy tinh

Gl – là các vị trí màng điện tích âm ở trên bề mặt thủy tinh

Màng thủy tinh dẫn điện là nhờ sự di chuyển của các ion Na+ ở trong màng thủy tinh và ion H+ ở bề mặt hydrat hóa gel Bề dày của màng thủy tinh dao động trong khoảng 0,03 ÷ 0,1mm, có điện trở 50 – 500MΩ

b Điện cực thủy tinh cho kim loại M+

Một số nghiên cứu thay đổi thành phần thủy tinh chọn lọc với các ion khác ngoài proton Thủy tinh có thêm Al2O3 hoặc B2O3 cho kết quả mong muốn, đáp ứng nhiều ion điện tích +1 như Na+

, K+, NH4+, Rb+, Cs+, Ag+ Hiện một số điện cực thủy tinh loại này đã có mặt trên thị trường

3.1.2.2 Điện cực so sánh

Yêu cầu của điện cực so sánh: bền theo thời gian, điện thế phải lặp lại và trơ với các thành phần trong dung dịch nghiên cứu, không thay đổi khi có dòng điện nhỏ chạy qua

b Điện cực calomel

Điện cực calomel được chế tạo từ Hg kim loại, calomel (Hg2Cl2) và KCl Điện thế của điện cực này cũng phụ thuộc hoạt độ ion clorua Tất cả các điện cực đều có calomel bão hòa, chỉ nồng độ KCl khác nhau: 0,1M, 3M, bão hòa

Thông thường để giữ thế điện cực của điện cực bạc clorua và calomel không thay đổi người ta thường chuẩn bị các điện cực này ở điều kiện trong dung dịch KCl bão hòa hay dung dịch KCl 3M

3.1.3 Phương pháp đo độ điện th

Nguyên tắc: Trong thực tế để đo thế điện cực một điện cực chỉ thị nào đó, người

ta ghép nó với một điện cực so sánh chọn trước thành một pin galvanic và đo sức điện

động của pin galvanic tạo thành

EX = Ect - Ess + Ekt

Ex là sức điện động của pin cần đo

Ess là điện thế điện cực so sánh

Ect là điện thế chỉ thị

Ekt là điện thế khuếch tán hay còn gọi là điện thế của hợp chất lỏng

Thiết bị đo điện thế gọi là điện thế kế Các điện thế kế này có thể đo sức điện động có độ chính xác đến 0,1mV Ngày nay sử dụng các điện thế kế điện tử để đo sức điện động cho kết quả chính xác và phép đo được tiến hành tiện lợi hơn nhiều

3.1.3.1 Phương pháp đo điện thế trực tiếp

Phương pháp đo điện thế trực tiếp dựa vào việc ứng dụng trực tiếp phương trình Nernst để tính hoạt độ hay nồng độ của ion tham gia phản ứng theo sức điện động của pin galvanic của mạch đo (hay thế điện cực) Trước kia phương pháp được dùng để đo

pH dung dịch Ngày nay với việc xuất hiện các điện cực chọn lọc ion, phương pháp đo điện thế trực tiếp đã trở nên phổ biến hơn với tên gọi: phương pháp đo ion hay phương pháp ionometric

Đo pH: Một số loại điện cực như điện cực hydro, điện cực quinonhidro, điện cực antimon, điện cực thủy tinh… có thế điện cực thay đổi theo nồng độ ion H+ Điện cực hydro có cấu trúc cồng kềnh để điện cực làm việc ổn định lại khá phức tạp nên ít có ý nghĩa trong thực tiễn phân tích Điện cực quinhidron, do nhiều lý do chỉ được sử dụng trong phương pháp chuẩn điện thế các acid bằng base

Sử dụng điện cực thủy tinh để đo pH của các dung dịch cần đo

30

Trước khi đo pH cần phải ngâm rửa điện cực bằng dung dịch HCl 0,1M Khi đó ion H+ của dung dịch HCl sẽ trao đổi với ion Na+ của màng thủy tinh của điện cực và thiết lập một cân bằng nào đó Với công việc chuẩn bị này, các proton trên mặt điện cực đã thiết lập một cân bằng xác định với dung dịch và có thể dùng điện cực này làm điện cực chỉ thị để đo pH của các dung dịch Vậy phản ứng điện cực trên điện cực thủy tinh chính là sự trao đổi các ion H+ giữa bề mặt điện cực và dung dịch Nghĩa là ở đây không có sự dịch chuyển điện tử mà là sự dịch chuyển ion Các ion H+ trên mặt ngoài của màng sẽ cân bằng với ion H+ của dung dịch nghiên cứu và trên mặt phân cách sẽ xuất hiện điện thế Vậy điện thế của màng thủy tinh EM đặc trưng cho pH của dung dịch nghiên cứu Việc đo pH của dung dịch khi dùng điện cực thủy tinh có thể được thực hiện với việc đo sức điện động của hệ (Hg.Hg2Cl2/KCl/CH+(1)/thủy tinh/HCl/AgCl.Ag) tức là đo sức điện động của pingalvanic gồm điện cực calomel và điện cực thủy tinh Một ưu điểm của điện cực thủy tinh là có thể dùng để đo pH trong một phạm vi rộng, cân bằng thiết lập nhanh, có thể xác định pH của cá hệ thống không

có tính oxi hóa - khử Nhược điểm cơ bản của điện cực thủy tinh là dễ bị vỡ, vì cân bằng của điện cực thủy tinh thiết lập nhanh, nên điện cực có tốc độ phản hồi đủ lớn Vì vậy, ngoài việc dùng để đo pH của các dung dịch, người ta có thể dùng điện cực thủy tinh làm điện cực chỉ thị cho quá trình định phân theo phương pháp đo điện thế các dung dịch acid - base

Trước khi đo pH với điện cực thủy tinh cần phải hiệu chuẩn điện cực máy đo pH bằng các dung dịch đệm chuẩn, tiếp đến là đo pH của dung dịch phân tích

3.1.3.2 Phương pháp chuẩn độ điện thế (phương pháp đo điện thế gián tiếp) Chuẩn độ điện thế là một phương pháp phân tích mà việc xác định điểm tương đương của quá trình định phân được thực hiện bằng cách đo điện thế của dung dịch phân tích trong quá trình định phân Tại gần điểm tương đương xảy ra sự thay đổi đột ngột của thế điện cực chỉ thị nhờ đó xác định được điểm tương đương Việc xác định điểm tương đương theo phương pháp chuẩn độ điện thế chỉ được thực hiện khi có ít nhất một cấu tử tham gia phản ứng định phân có tham gia trong quá trình điện cực Ví

dụ để xác định điểm tương đương của quá trình định phân theo phương pháp acid – base ta dùng điện cực thủy tinh làm điện cực chỉ thị Để xác định các halogenua ta dùng điện cực bạc clorua…

Để xác định điểm tương đương dựa vào điểm uốn trên đồ thị E – V hoặc pH – V hoặc điểm cực đại trên đồ thị (∆E/∆V) – V hoặc (∆pH/∆V) – V khi cho những lượng biến đổi thể tích dung dịch chuẩn rất bé ở gần điểm tương đương

31

Hình 3.2 a) Đường định phân dạng tích phân b) Đường định phân dạng vi phân

Trên hình trình bày các kiểu đường định phân trong phương pháp chuẩn độ điện thế Trong phương pháp chuẩn độ điện thế người ta cũng dùng các phản ứng thông thường: phản ứng acid – baseo, phản ứng oxi hóa – khử, phản ứng tạo phức và phản ứng tạo kết tủa

Ưu điểm của chuẩn độ điện thế:

Trong cùng điều kiện, chuẩn độ đo thế có ưu điểm hơn chuẩn độ dung chỉ thị hóa học (nhìn mắt):

- Độ nhạy cao hơn có thể chuẩn độ dung dịch có nồng độ thấp hơn

- Tránh sai số chủ quan khi phát hiện điểm kết thúc chuẩn độ bằng mắt thường

- Có thể chuẩn độ dung dịch có màu, đục, chuẩn độ phân riêng hỗn hợp nhiều thành phần

- Có thể tự động hóa việc chuẩn độ điện thế

Ứng dụng của phương pháp đo điện thế:

Cả hai phương pháp đo điện thế trực tiếp và chuẩn độ điện thế đều có ứng dụng rộng rãi trong thực tế phân tích

Phương pháp đo điện thế trực tiếp quan trọng trong thực tế là việc xác định pH của các dung dịch bằng điện cực thủy tinh cũng như việc xác định một số ion khác nhờ điện cực chọn lọc ion Dựa vào các điện cực ion, người ta có thể xác định được các ion

Cu2+, Ag+, Ca2+, Na+, K+, Cl-, F-…và đã ứng dụng thành công các điện cực này trong đối tượng công nghiệp và sản phẩm môi trường

Việc ứng dụng đo điện thế của dung dịch phân tích để xác định điểm tương đương trong phân tích thể tích (chuẩn độ điện thế) được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình định phân các acid, base và các muối Phương pháp chuẩn độ điện thế sử dụng các điện cực màng chọn lọc ion: từ điện cực thủy tinh cho đên các loại màng chọn lọc ion đặc thù làm tang độ nhạy, độ chính xác của phương pháp phân tích thể tích Dùng phương pháp chuẩn độ điện thế có thể xác định được điểm tương đương của các dung dịch đục, dung dịch có màu thẫm… đồng thời có thể định phân được các dung dịch loãng, hỗn hợp phức tạp… Nhờ phương pháp chuẩn độ điện thế, người ta có thể tự động hóa được quá trình phân tích Ngày nay, người ta đã chế tạo các máy

32

chuẩn độ điện thế tự động với các điện cực để chuẩn độ acid – base, chuẩn độ oxy hóa

khử, chuẩn độ kết tủa, chuẩn độ hàm lượng nước…

Nồng độ của dung dịch có thể xác định theo công thức: C =

n, no là chỉ số khúc xạ của dung dịch và dung môi

F là độ tăng của chỉ số khúc xạ khi nồng độ tăng 1% (xác định bằng thực nghiệm)

Khúc xạ kế Abbe:

a Nguyên tắc hoạt động: Khúc xạ kế Abbe dựa trên nguyên tắc phản xạ toàn phần Cụ thể là xác định góc tới hạn của sự phản xạ toàn phần của tia sáng đi từ môi trường có chỉ số khúc xạ cao (như thủy tinh) vào môi trường có chỉ số khúc xạ bé hơn của chất cần đo

b Cấu tạo

Hình 3.3 Sơ đồ đường đi c a tia sáng trong hệ lăng kính c a khúc xạ k Abbe

Bộ phận chính của khúc xạ kế Abbe gồm hai lăng kính tam giác vuông bằng thủy tinh có cùng chiết suất N Hai lăng kính này được ghép với nhau theo mặt huyền sao cho chúng song song với nhau và giữa chúng có khoảng cách nhỏ có thể chứa lớp chất lỏng cần đo

Khúc xạ kế còn có các bộ phận hỗ trợ khác như:

33

 Hệ thống thị kính có chia vạch đích (hoặc hai đường thẳng giao nhau) để quan sát, gương lấy ánh sáng, bộ phận tiêu sắc (khử hiện tượng tán sắc) để có thể dùng ánh sáng tự nhiên mà vẫn cho kết quả tốt

 Thang chia góc tới hạn có thể qui đổi luôn sang giá trị chiết suất

 Có thể có bộ phận ổn nhiệt để duy trì nhiệt độ đo

Trước khi sử dụng cần chuẩn hóa máy bằng dung dịch có chiết suất đã biết như: monobromonaphtalen (n D20 = 1,6588) hay dùng nước cất mới (nD20 = 1,3330; nD20 = 1,3325; nD20 = 1,3306)

Ngoài khúc xạ kế Abbe còn có khúc xạ kế cầm tay

c Ứng dụng: Xác định chỉ số khúc xạ để xác định nồng độ chất tan của chất trong dung dịch cần đo thông qua việc tra bảng liên quan giữa chỉ số khúc xạ và nồng

độ chất tan

3.2.1.2 Phương pháp đo góc quay cực

a Ứng dụng của hiện tượng quay cực ánh sáng

Một số chất có khả năng quay mặt phẳng của các chùm tia phân cực đi qua nó Những chất như vậy được gọi là chất hoạt quang Hoạt tính quang học của một chất là

do cấu trúc của nó quyết định Các chất hoạt quang phải chứa ít nhất 1 cacbon bất đối Hai đồng phân quang học là hai đồng phân có hoạt tính quang học đối nhau

Góc quay cực của một chất là góc mà mặt phẳng phân cực bị quay đi khi ánh sáng phân cực đi qua chất đó hoặc dung dịch chất đó Nếu góc quay theo chiều kim đồng hồ thì đó là chất hữu tuyền (+) còn lại là tả truyền (-) Góc quay cực riêng là tỷ số góc quay cực đo được khi chiếu chùm tia đơn sắc ứng với vạch D (589,3nm) của đèn natri qua bề dày 1dm ở nhiệt độ 20oC với tỷ trọng của chất lỏng (hay nồng độ của dung dịch tính bằng g/ml) Góc quay cực riêng được ký hiệu là: [α]D20

Góc quay cực của các chất lỏng hay dung dịch được đo bằng phân cực kế Các phân cực kế được dùng đèn hơi natri

Căn cứ vào góc quay cực đo được có thể tính ra nồng độ dung dịch Đó là nguyên tắc định lượng của phương pháp này

Có thể sử dụng phương pháp này để định tính, thử tinh khiết của các chất khi biết góc quay cực riêng của chúng

Phương pháp hay được sử dụng để định lượng các dung dịch, nhất là các dung dịch đường, theo công thức tính sau:

34

Một phân cực kế đơn giản nhất có cấu tạo Những bộ phận không thể thiếu là nguồn sáng đơn sắc S, một lăng kính nicol P tạo ánh sáng phân cực (nicol phân cực), ống đựngdung dịch hay chất lỏng cần đo có chiều dài xác định L và một nicol A dùng

để nhận biết sự phân cực của ánh sáng (nicol phân tích) cấu trúc giống hệt nicol phân cực

Khi ống L đựng đầy chất hoạt quang (dung môi chẳng hạn) có thể quay nicol phân tích A đến vị trí Oa sao cho ánh sáng phân cực không qua được A Thay dung môi bằng dung dịch đo mặt phẳng phân cực bị quay nên ánh sáng đi được qua A Do

đó phải quay nicol phân tích đến vị trí mới Oa’ để triệt tiêu ánh sáng Góc aOa’ là góc quay cực đo được

Hình 3.4 Đường đi c a ánh sáng qua máy phân cực k

Vì mắt người không thể phân biệt được được bóng đen hoàn toàn tuyệt đối Vì vậy thay vì xác định sự triệt tiêu ánh sáng, người ta sử dụng sự cân bằng ánh sáng như trong so màu Muốn vậy trong phân cực kế thường gắn thêm tấm Laurent, lúc đó ánh sáng nhìn thấy trong phân cực kế được phân thành hai nữa

Lúc đó ánh sáng nhìn thấy trong phân cực kế được được phân thành hai nửa Có hai vị trí cân bằng của hai nửa đó là cả hai cùng rất sáng và cả hai nửa đều sáng rất yếu Vị trí của cả hai nửa sáng đều yếu được chọn để xác định vị trí nicol A triệt tiêu ánh sáng phân cực tới nó

Nguồn sáng sử dụng trong phân cực kế thường sử dụng đèn hơi natri để tạo ra tia

D sử dụng để đo

c Ứng dụng của phương pháp đo năng suất quay cực

Dùng để định tính, thử tinh khiết của các chất hoạt quang bằng cách đo năng suất quay cực của chúng và so sánh với các chỉ tiêu nêu trong các tài liệu

Kỹ thuật định lượng bằng phân cực kế cũng được áp dụng dựa vào quan hệ giữa góc quay cực và nồng độ của các dung dịch chất hoạt quang Kỹ thuật này chủ yếu áp dụng để xác định các loại đường Một số phân cực kế dùng để đo đường nên được gọi

là đường kế Khi đó người ta chuyển góc quay thành độ đường tương ứng với:

- Độ đường quốc tế (oS): 100oS = 26,605o tương ứng với góc quay của dung dịch đường saccharose 16,29% với bề dày l = 2dm

- Độ đường Wentzke (oW): 100oW = 36,657o ứng với dung dịch đường saccharose 26% với bề dày 2dm

3.2.2 Phương pháp quang phổ hấp thu phân tử

Phương pháp quang phổ hấp thu phân tử UV –VIS (tử ngoại khả kiến) dựa trên nguyên lý phân tử của một chât hấp thu ánh sáng đặc trưng cho cấu trúc phân tử của

nó

35

3.2.2.1 Độ hấp thu

Khi bức xạ đơn sắc đi qua một môi trường có chứa chất hấp thu thì độ hấp thu của bức xạ tỷ lệ với nồng độ của chất hấp thu và chiều dày của môi trường hấp thu (dung dịch chất hấp thu) Mối quan hệ này được tuân theo định luật Lambert – Beer và được biểu diễn bằng phương trình sau:

A = lg(I0/I) = lg(1/T) = ε L C T: Độ truyền quang

Io: Cường độ ánh sáng đơn sắc tới

I: Cường độ ánh sáng sau khi truyền qua dung dịch

K: Hệ số hấp thụ, phụ thuộc theo cách biểu thị nồng độ

l: Chiều dày của lớp dung dịch (cm)

C: Nồng độ dung dịch (mol/l)

- Trường hợp C tính bằng mol/l, l tính bằng cm: A = ε.L.C

Khi C = 1 mol/l và l = 1cm thì A = ε (hệ số hấp thu mol)

ε đặc trưng cho bản chất của chất tan trong dung dịch, nó chỉ phụ thuộc vào bước sóng, định luật Lambert - Beer chỉ đúng khi dùng bức xạ đơn sắc

- Trường hợp nồng độ C tính bằng % (khối lượng/thể tích) và bằng 1%, l = 1cm thì: ε (1%, 1cm) là hệ số hấp thu riêng, nó đặc trưng cho mỗi chất Trong phân tích kiểm nghiệm hay dùng ε (1% 1cm)

3.2.2.2 Điều kiện áp dụng định luật Lambert – Beer

 Ánh sáng phải đơn sắc: Khi bước sóng thay đổi thì hệ số hấp thu cũng thay đổi Một chùm tia càng đơn sắc thì định luật càng đúng Cùng một dung dịch nhưng đo trên máy khác nhau có thể thu được giá trị A khác nhau Có nhiều nguyên nhân nhưng trước hết là tính đơn sắc của ánh sáng

 Khoảng nồng độ phải thích hợp: Do nhiều nguyên nhân vật lý (sự phản xạ, sự khuếch tán ánh sáng ) hóa học (sự phân ly, ảnh hưởng của lực ion ) mà định luật chỉ đúng trong một giới hạn nồng độ nhất định Vì vậy khi xây dựng phương pháp định lượng cần khảo sát kỹ để tìm khoảng nồng độ thích hợp

 Các yếu tố hóa học khác: Làm thế nào để chất hấp thu ánh sáng không bị biến đổi bởi các phản ứng hóa học trong dung dịch Vì vậy pH của dung dịch, sự có mặt của các chất lạ có khả năng phản ứng với chất cần đo hoặc gây nhiễu sự hấp thu ánh sáng của chất cần đo đều phải tính đến Dung dịch chất cần đo phải trong suốt, chất thử phải bền dưới tác dụng của ánh sáng UV – VIS 3.2.2.3 Ứng dụng phương pháp phổ hấp thu phân tử

Phương pháp phổ hấp thu phân tử được ứng dụng rộng rãi trong kiểm nghiệm thực phẩm, kiểm nghiệm dược, phân tích môi trường Trong kiểm nghiệm thực phẩm, quang phổ hấp thu phân tử ứng dụng phân tích metanol, furfurol, Fe trong sữa

 Định tính: Về nguyên tắc có thể dựa vào phổ chất cần nghiên cứu với phổ chất chuẩn để định tính xem chất đó có đúng là chất đang được dự kiến không Nhưng với phổ UV – VIS có rất ít thông tin đặc trưng về cấu trúc, vì thế hay

36

dùng phổ hồng ngoại (IR) để xác định cấu trúc các chất được chính xác hơn Tuy nhiên trong một số trường hợp, việc định tính một số chất có thể dùng cách so sánh vị trí cực đại và cực tiểu hấp thụ và tỉ lệ mật độ quang giữa các bước sóng đó phải nằm trong một giới hạn cho phép

Ví dụ: Định danh một số phẩm màu hữu cơ tan trong nước (E 102 bước sóng cực đại ở 426nm, E 110 bước sóng cực đại ở 481nm…); cloramphenicol bước sóng cực đại

ở 268nm và 274nm; vitamin B12 có 4 cực đại hấp thu ở các bước sóng 223nm, 267nm, 375nm và 444nm

 Định lượng: Việc định lượng chất tan trong dung dịch dựa vào định luật Lambert – Beer

Khi nghiên cứu định lượng một chất cần:

 Lựa chọn bước sóng đạt hấp thu cực đại

 Chọn khoảng nồng độ thích hợp nghĩa là khoảng nồng độ trong đó quan hệ giữa độ hấp thu và nồng độ là tuyến tính

 Chất kiểm nghiệm phải tách ra khỏi hợp chất Thực hiện phản ứng tạo màu

( ) Với A1, A2 và C1, C2: độ hấp thu của hai dung dịch chuẩn và nồng độ của các dung dịch chuẩn tương ứng, sao cho: A1< Ax< A2 cũng có nghĩa C1< Cx< C2

b Phương pháp thêm chuẩn

Phạm vi ứng dụng là xác định các chất có hàm lượng vi lượng hoặc siêu vi lượng, loại bỏ ảnh hưởng của chất lạ Có 2 phương pháp là phương pháp sử dụng công thức và phương pháp đồ thị

Phương pháp sử dụng công thức:

37

Ax: độ hấp thu của dung dịch xác định tương ứng với thể tích Vx

Ax+a: độ hấp thu của dung dịch có thêm chuẩn

Ca: nồng độ chất chuẩn thêm vào

Cx: nồng độ chất cần xác định trong thể tích Vx

Công thức được thiết lập từ:

Ax = lCx

Ax+a = l(Cx + Ca)

Cx được biểu diễn theo đơn vị của Ca

Cách thực hiện: Lấy 3 thể tích như nhau của dung dịch cần xác định nồng độ cho vào 3 bình định mức có thể tích V (ml)

Bình 1: Thêm thuốc thử và các chất để tạo môi trường pH cho dung dịch, dung dịch gọi là dung dịch xác định nồng độ Cx, độ hấp thu tương ứng là Ax

Bình 2: Thêm một lượng chính xác dung dịch tiêu chuẩn đã biết chính xác nồng

độ Ca, tiến hành phản ứng tạo màu giống như bình 1 Dung dịch có độ hấp thu tương ứng là Ax+a

Bình 3: Chỉ thêm thuốc thử và các chất để tạo pH cho dung dịch, lấy dung dịch này làm dung dịch so sánh

Độ hấp thu của các dung dịch thêm so với dung dịch so sánh

38

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc c a nồng độ và độ hấp thu trong phương

pháp thêm chuẩn

Có thể đọc kết quả trên đồ thị hoặc sử dụng phương trình hồi quy có dạng:

A= aC + b (hồi quy tuyến tính y = ax + b)

Ax = b

Cx = b/a

c Phương pháp đường chuẩn

Ưu điểm là chính xác, có thể sử dụng đường chuẩn nhiều lần để tiến hành xác định mẫu thử

Chuẩn bị từ 6 dung dịch chuẩn (trong khoảng tuân theo định luật Lambert - Beer) Thực hiện phản ứng màu với thuốc thử

Đo độ hấp thu quang A của dung dịch ở max so với các dung dịch so sánh được chuẩn bị giống như dung dịch chuẩn nhưng không chứa các ion cần xác định

Biểu diễn sự phụ thuộc A theo C trên đồ thị hoặc tính theo phương trình hồi quy

A = aC + b (a và b là hệ số cần tìm của phương trình hồi quy – tương quan)

Dung dịch xác định: chuẩn bị và phản ứng tạo màu với thuốc thử giống như mẫu chuẩn

Ví dụ: Sử dụng dung dịch chuẩn để xây dựng đường chuẩn như bảng 3.1

Bảng 3.1 Bảng số giá trị nồng độ dung dịch chuẩn và độ hấp thu đo được

Bình định mức C(mg/l) A

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc c a nồng độ và độ hấp thu A

Sau khi thiết lập đường chuẩn, ta được dạng phương trinh y = ax + b với y là độ hấp thu quang , x là nồng độ Đối với dung dịch xác định, ta tiến hành phản ứng và đo được hệ số hấp thu của mẫu (Amẫu = y), ta có thể tính được nồng độ của mẫu cần xác định theo phương trình:

3.2.3 Phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử

3.2.3.1 Nguyên lý của phép đo quang phổ hấp thu nguyên tử

Phương pháp phân tích dựa trên cơ sở đo phổ hấp thu nguyên tử của một nguyên

tố được gọi là phép đo phổ hấp thu nguyên tử (AAS - Atomic Absorption Spectrophotometry) Cơ sở lý thuyết của phép đo này là sự hấp thu năng lượng (từ nguồn bức xạ đơn sắc) của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi (khí), khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thu

Vì thế để thực hiện phép đo phổ hấp thu nguyên tử của một nguyên tố cần phải thực hiện các quá trình sau:

 Chọn các điều kiện và thiết bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (mẫu dạng rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi dạng nguyên tử tự

do Đây là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu Những thiết bị để thực hiện quá trình này gọi là hệ thống nguyên tử hóa mẫu Chúng có nhiệm vụ biến nguyên tố cần phân tích từ dạng rắn, lỏng thành hơi chứa nguyên tử tự

do Đám hơi này chính là môi trường hấp thu bức xạ và sau đó được phổ hấp thu nguyên tử

40

 Khi chùm tia sáng bức xạ đặc trưng (thường là đèn cathod rỗng) của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử vừa được tạo ra như đã nói ở trên, các nguyên tử của nguyên tố cần xác định và tạo ra phổ hấp thu có tính đặc trưng cho nguyên tố cần xác định Ở đây, phần cường độ của chùm tia sáng đã bị đám hơi nguyên tử hóa từ mẫu phân tích hấp thu, việc hấp thu này phụ thuộc vào nồng độ của nó trong môi trường hấp thu Nguồn cung cấp cho chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần nguyên cứu được gọi là nguồn bức xạ đơn sắc hay bức xạ cộng hưởng

 Sau đó, với những thiết bị quang học khác ta thu toàn bộ chùm ánh sáng sau khi đã được chiếu qua đám hơi nguyên tử, ánh sáng được cho phân ly qua bộ phận cách tử nhiễu xạ và chọn 1 vạch phổ hấp thu của nguyên tố cần nguyên cứu để đo cường độ của nó Cường độ ánh sáng này được biến thành tín hiệu điện, đây chính là tín hiệu hấp thu của vạch phổ hấp thu nguyên tử Trong một giới hạn nhất định của nồng độ C, giá trị của cường độ này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nguyên tố trong mẫu phân tích Sự phụ thuộc này tuân theo định luật Lambert – Beer thể hiện qua biểu thức sau:

A= .C.l C: Nồng độ chất phân tích

: Hệ số hấp thu mol

A: Mật độ quang (độ hấp thu)

Ba quá trình trên là nguyên tắc của phép đo của phổ hấp thu nguyên tử

3.2.3.2 Các bước phân tích định lượng bằng AAS

 Chuyển mẫu sang dạng dung dịch

 Chuẩn bị mẫu trắng và dãy mẫu chuẩn

 Đo độ hấp thu của dãy chuẩn

 Đo độ hấp thu của nguyên tố phân tích trong dung dịch mẫu

 Tính nồng độ nguyên tố phân tích

Số lượng năng lượng bị hấp thu tỷ lệ thuận với độ dài đi qua bộ phận nguyên tử hóa và nồng độ nguyên tử trong bộ phận nguyên tử hóa Sự phụ thuộc này cũng tuân theo định luật Lambert – Beer:

Độ hấp thu A = lg(Io/I) = ε.C.l

3.2.3.3 Ứng dụng phương pháp phổ hấp thu nguyên tử

Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử có thể định lượng được hầu hết các nguyên

tố kim loại (khoảng trên 60 nguyên tố) và một số á kim như As, B… với hàm lượng cỡ

41

ppb và sai số không vượt quá 15% Do vậy phương pháp được sử dụng khá rộng rãi trong phân tích thực phẩm, dược phẩm…với một số ứng dụng cụ thể như sau:

 Định lượng các kim loại: Cu, Zn, Fe, Cr, Mn

 Định lượng một số nguyên tố độc hại: As, Hg, Pb, Cd, Bi…

Trong quá trình định lượng cần phải chuẩn bị mẫu hết sức cẩn thận: dụng cụ không được dính các nguyên tố cần định lượng tốt nhất sử dụng dụng cụ polyetylen dùng một lần, dung môi, hóa chất sử dụng đòi hỏi độ tinh khiết cao, khí mang mẫu có

độ tinh khiết cao Đặc biệt, với kỹ thuật lò graphit tuy có độ nhạy cao nhưng chịu ảnh hưởng đáng kể của tạp chất, vì thế cần phải loại bỏ các ảnh hưởng của tạp chất

3.3 Phương pháp sắc ký

3.3.1 Cơ sở lý thuy t

Sắc ký là một nhóm các phương pháp hóa lý dùng để tách và phân tích các thành phẩn cấu tử của một hỗn hợp cấu tử dựa vào tính chất hóa học, vật lý, hóa lý của các chất cần phân tích (cần tách) với pha động và pha tĩnh Các tính chất đó là:

 Tính chất hấp phụ của các chất

 Tính chất trao đổi ion

 Sự rây phân tử theo kích thước của chúng

 Sự phân bố của các chất giữa hai pha không tan vào nhau

3.3.2 Quá trình sắc ký cơ bản

Quá trình sắc ký có 3 giai đoạn chính:

 Đưa hỗn hợp lên pha tĩnh (lên cột)

 Cho pha động chạy qua pha tĩnh: Dung môi qua cột, kéo theo các chất di chuyển trên pha tĩnh với tốc độ khác nhau, tách khỏi nhau và có vị trí khác nhau trên cột tạo thành sắc đồ (sắc ký đồ) Giai đoạn này gọi là khai triển sắc ký Cho pha động tiếp tục chạy thì các chất lần lượt kéo ra ngoài cột Giai đoạn này gọi là giai đoạn rửa giải sắc ký

 Phát hiện chất: Các chất có màu thì phát hiện dễ dàng, chất không màu phát hiện bằng cách nhuộm thuốc thử và kết hợp dùng đèn tử ngoại Người ta còn phát hiện các chất tách được qua bộ phận phát hiện gọi là detector đặt sau cột Dựa vào cường độ tín hiệu thu được người ta định lượng nồng độ các chất phân tích

3.3.3 Phân loại các phương pháp sắc ký phổ bi n

Trên cơ sở nguyên lý sắc ký có thể phân loại các kỹ thuật sắc ký theo nhiều cách khác nhau:

 Dựa vào phương cách lưu giữ pha tĩnh, có thể chia sắc ký thành hai nhóm:

 Sắc ký cột (column chromatography): Pha tĩnh được giữ trong ống nhỏ, pha động đi qua pha tĩnh nhờ áp suất hoặc trọng lực

 Sắc ký phẳng (planar chromatography): Pha tĩnh được cố định trên một mặt phẳng (giấy, bản mỏng), pha động di chuyển qua đó nhờ mao dẫn hoặc tác động của trọng lực

42

 Dựa vào tính chất vật lý của pha động, pha tĩnh và loại cân bằng tạo nên sự di chuyển qua cột của chất tan giữa hai pha: sắc ký lỏng (Liquid Chromatography – LC), sắc ký khí (Gas Chromatography - GC)

 Dựa vào phương cách cho pha động chạy qua pha tĩnh có thể chia làm hai loại:

 Sắc ký khai triển (development chromatography): Pha động đưa các thành trong mẫu di chuyển và tách ngay trên pha tĩnh Sắc ký đồ nằm trên pha tĩnh Sắc ký khai triển thường thực hiện trên mặt phẳng

 Sắc ký rửa giải (Elution chromatography): Pha động đưa các thành phần trong mẫu di chuyển lần lượt ra ngoài pha tĩnh Sắc ký đồ nằm ngoài pha tĩnh Sắc ký rửa giải thưởng nằm trong cột

 Dựa theo bản chất của quá trình sắc ký có thể chia sắc ký thành các loại sau:

 Sắc ký phân bố (Partition chromatography): Phân tích sắc ký này giữa vào phân bố các chất giữa hai hệ lỏng – lỏng và khí – lỏng

 Sắc ký hấp phụ (Adsorption chromatography): Pha tĩnh là chất rắn có khả năng hấp phụ các chất Cân bằng này xuất hiện trong hệ lỏng – rắn và khí – rắn

 Sắc ký trao đổi ion (Ion – exchange chromatography): Pha tĩnh là nhựa trao đổi ion Nhựa này mang những ion trao đổi được với ion cùng dấu trong mẫu phân tích

 Sắc ký gel (Gel permeation hoặc gel filtration chromatography)

3.3.4 Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)

Sắc ký lỏng là phương pháp sắc ký trong đó pha tĩnh là chất rắn, pha động là chất lỏng

3.3.4.1 Các thông số đặc trưng của phương pháp sắc ký

a Thời gian lưu (tR): là đại lượng đặc trưng cho mỗi chất phân tích, được tính từ thời điểm chất này được nạp vào cột đến lúc nó ra ở cột ở nồng độ cực đại Thời gian lưu là thông tin định tính về mặt sắc ký đồ là hằng số đối với một cấu tử khi tiến hành sắc ký trong những điều kiện không đổi (cột, pha động, nhiệt độ )

b Hệ số dung lượng (k’)

Hệ số dung lượng cũng đặc trưng cho một chất, nhưng k’ không phụ thuộc vào tốc độ dòng cũng như chiều dài cột, k’ phụ thuộc vào bản chất chất phân tích, đặc tính của pha động và pha tĩnh