Báo cáo thực tập hóa phân tích bài 4 phương pháp quang phổ nguyên tử phương pháp phổ hấp thu nguyên tử ngọn lửa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN, ĐHQG – HCM KHOA HÓA HỌC BỘ MÔN HÓA PHÂN TÍCH  BÁO CÁO THỰC TẬP HÓA PHÂN TÍCH BÀI 4 PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ NGỌN LỬA Sin[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN, ĐHQG – HCM

KHOA HÓA HỌC

BỘ MÔN HÓA PHÂN TÍCH 

BÁO CÁO THỰC TẬP HÓA PHÂN TÍCH

BÀI 4 :PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ:

PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ NGỌN LỬA

Sinh viên thực tập – MSSV:

Phạm Nhật Khuyên – 20140289 Ngô Nguyệt Nhi – 20140327 Nguyễn Thị Thùy Trang – 20140416

Đỗ Thị Cẩm Tú – 20140424

Ngày thực tập : Thứ tư, 21 – 12 - 2022

Tp.Hồ Chí Minh , tháng 12 – 2022

I Giới thiệu chung

1 Nguyên tắc:

Phương pháp phổ nguyên tử dựa trên hiện tượng hấp thu hay phát xạ ra các bức xạ điện từ khi thay đổi nội năng của một nguyên tử ở trạng thái không liên kết (nguyên tử tự do)

Điều kiện tiên quyết để có phổ nguyên tử là phải cắt đứt tất cả các liên kết hóa học của nguyên tố chuyển nó sang dạng nguyên tử tự do (Quá trình nguyên tử hóa mẫu), điện

tử hóa trị trong nguyên tử tự do sẽ di chuyển giữa các mức năng lượng khác nhau, từ trạng thái cơ bản (ground state) có mức năng lượng thấp lên trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn bằng các bức xạ có bước sóng nhất định (bước sóng đặc trưng) ứng đúng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ

Phổ hấp thu nguyên tử là phổ được sinh ra từ quá trình hấp thu nguyên tử Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử (AAS) đo sự suy giảm cường độ của ánh sáng tới (có bước sóng đặc trưng cho từng nguyên tố) khi chiếu qua đám hơi nguyên tử ở trạng thái tự do

 Nguyên lý hoạt động:Mẫu (dạng lỏng) → bộ phận phun sương (phân tán)

→ làm khô (nhiệt độ) → bay hơi → cắt đứt liên kết hóa học (nguyên tử hóa mẫu) →

nguyên tử tự do → kích hoạt bằng bức xạ có năng lượng phù hợp

2 Cách thực hiện:

Thiết bị đo: máy Shimadzu 6300

a Cấu tạo hệ quang phổ nguyên tử:

Nguồn cung cấp tia bức xạ: đèn cathode rỗng HCL (HCL-hollow cothode lamp).

- Nguồn bức xạ cung cấp bức xạ có năng lượng phù hợp với chuyển dời quang học cho nguyên tố cần đo (đèn cathode rỗng phát bức xạ vạch)

- Đèn D2: cung cấp bức xạ liên tục để hiệu chỉnh nền

- Chức năng: HCL là nguồn phát bức xạ vạch rất mạnh, được dùng cho hầu hết các nguyên tố xác định bằng AAS Trong bài này ta xác định Mn trong nước nền dùng

là đèn đơn nguyên tố, đối với hợp kim (4-5 nguyên tố đó) ta dùng đèn đa nguyên tố

- Cấu tạo: cathode của đèn thường là một ống hình trụ, rỗng, làm bằng chính kim loại có độ tinh khiết cao của một nguyên tố hay hợp kim của một số nguyên tố cần xác định Anode làm bằng tungsten Anode và cathode được đặt trong ống thủy tinh bằng hình trụ, hàn kín và chứa Ne hay Ar áp suất thấp (1-5 torr) Cửa sổ đèn truyền suốt với các bức xạ có ích phát ra từ đèn (đối với Mn thì cửa sổ đèn được làm bằng thạch anh (λ :190−860nm¿vì thủy tinh có thể lẫn kim loại tạp sẽ hấp thu bức xạ sinh ra

- Nguyên lý hoạt động: điện 1 chiều với thế 300V, áp thế đủ mạnh, Ne bị ion hóa chạy về cathode, electron chạy về anode Ion Ne đập vào cathode đánh bật một số nguyên tử kim loại → hơi nguyên tử, một số nguyên tử kim loại đập vào N e+ ¿vàe − ¿ ¿ ¿

được kích hoạt Nguyên tử ở trạng thái kích hoạt rất không bền (thời gian sống chỉ khoảng 10 −13 −10 −8s) và nhanh chóng chuyển về trạng thái cơ bản và hoàn trả năng

lượng dưới dạng bức xạ điện từ - hiện tượng phát xạ Nguyên tử kích hoạt phát xạ truyền qua cửa sổ đèn tới bộ phận nguyên tử hóa

Bộ phận nguyên tử hóa mẫu:

‒ Trong bài này ta sử dụng phương pháp phổ hấp thu nguyên tử hóa bằng ngọn lửa AAS (nhiệt độ 1700−3150 0C¿

‒ Cấu tạo ngọn lửa gồm 3 phần chính:

 Non-luminous zone: Phần vỏ của ngọn lửa: nhiệt độ thấp nhất: trong 3 phần của ngọn lửa , thường có màu vàng và ở đây có thể có nhiều quá trình phụ diễn ra

 Luminous zone: Phần trung tâm của ngọn lửa: Nhiệt độ ở phần này rất cao, đôi khi không màu hoặc có màu xanh Hỗn hợp khí được đốt cháy tốt nhất ở đây và hầu như không có quá trình phụ diễn ra

 Dark zone: Phần tối của ngọn lửa: Nhiệt độ thấp: Hỗn hợp khí được trộn đều với các hạt sol khí của chất phân tích Dung môi hòa tan bay hơi và mẫu được sấy nóng

 Nhiệt độ ngọn lửa hầu hết phụ thuộc vào bản chất, thành phần của hỗn hợp khí được đốt cháy để tạo ra ngọn lửa và tốc độ dẫn khí vào đèn,

- Đầu đốt: làm bằng hợp kim chịu nhiệt có độ nóng chảy trên 2900 0C Có hai loại đầu đốt:

 Đầu đốt chịu nhiệt độ thấp (C2H2/khôngkhí¿, nhiệt độ 2100−2400 0C, có khe đốt 10 cm Dùng để nguyên tử hóa các nguyên tố dễ nguyên tử hóa Trong bài này là Mn

 Đầu đốt nhiệt độ cao (C2H2/ N2O), nhiệt độ 2600−2800 0C) có khe đốt 5 cm, dùng để nguyên tử hóa các nguyên tố chịu nhiệt

- Bộ phun sương: cấu tạo bền, chống ăn mòn Khi mẫu đi từ nơi có không gian nhỏ (bộ phun sương) sang không gian lớn hơn (buồng trộn) thì mẫu bị phân tán thành các hạt sương nhỏ, chuẩn bị cho quá trình nguyên tử hóa

- Buồng trộn: có chức năng loại bỏ các hạt sương lớn hơn 10 μm Hạt sương có kích thước nhỏ sẽ theo dòng khí đến đầu đốt, các hạt sương lớn hơn sẽ rớt lại và được thải ra ngoài

Hệ thống phân tách quang phổ: (Monochromator)

- Chức năng: cung cấp cho detector chùm bức xạ đơn sắc (có độ phân giải đủ cao)

từ nguồn bức xạ đặc trưng (đèn HCL/EDL) hoặc bức xạ không đặc trưng (đèn Xe)

- Ngoài tách sóng để lấy tia trùng với Light Source còn có chặn các bước sóng hồng ngoại, tử ngoại không ảnh hưởng đến kết quả đo

- Trong phổ hấp thu nguyên tử, bộ đơn sắc đặt sau bộ phân nguyên tử hóa là vì do ngọn lửa đốt nóng nguồn năng lượng ở các vị trí không giống nhau chỗ năng lượng cao chỗ năng lượng thấp nên vô tình xảy ra kích hoạt thành trạng thái kích thích không bền dẫn tới phát xạ về mức năng lượng cơ bản, mà bức xạ phát ra có thể là những nguyên tố khác không mong muốn, cho nên ngoài bức xạ từ Light Source ra thì còn những bức xạ phát sinh ở nguyên tử hóa, ta không kiểm soát

được, nên ta đặt bộ tách sóng đơn sắc ở sau bộ nguyên tử hóa để nó lọc tách lại đúng tia trung với Light Source còn những bức xạ khác sẽ bị ngăn lại

b Thực hành thao tác:

Thao tác thực hiện bởi giảng viên, sinh viên quan sát:

- Bật: computer điều khiển máy AAS, máy AAS, máy in, máy nén khí, van khí của bình C2H2

- Lắp đèn cathode lõm Khai báo vị trí đèn trên computer

- Chọn nguyên tố muốn đo Máy sẽ tự động dò đèn và điều chỉnh các thông số theo điều kiện tiêu chuẩn Phân tích viên có thể thay đổi các thông số như bước sóng, cường độ dòng điện nuôi đèn, khe đo tùy ý

- Chọn chế độ đo AAS hay AES,AA hay BG-AA, Slit (khe đo), thời gian đo, số lần

đo, bước sóng cần đo Trong Calibration: khai báo số điểm dựng đường chuẩn, có kèm theo nồng độ, dạng phương trình hồi quy

- Điều chỉnh lưu lượng khí C2H2 và không khí Bật lửa bằng hai nút trên thân máy

- Phun dung dịch nước cất vào ngọn lửa trong 3 phút

Thao tác sinh viên thực hiện theo sự hướng dẫn của cán bộ phòng thí nghiệm:

- Nạp đường chuẩn và tên mẫu cần đo vào máy Nhấn F3 (auto zero)

- Đưa dây hút của bộ phận phun sương vào dung dịch chuẩn 1, bộ phun sương sẽ đưa dung dịch chuẩn 1 vào ngọn lửa

- Đo mẫu: đưa dung dịch qua ngọn lửa chờ cho mật độ quang đang tăng liên tục có dấu hiệu giảm xuống thì nhấn F4 để đo sau khi đo liên tục 3 lần thì lấy mẫu ra khỏi sợi dây hút

- Thực hiện thao tác đo mẫu lần lượt từ mẫu blank, mẫu nồng độ thấp đến mẫu có nồng độ cao để không cần phải rửa lại hệ thống bằng nước cất (đỡ tốn thời gian)

Ta có thể đo bất kỳ mẫu với nồng độ tùy ý, nhưng sau khi đo phải rửa hệ thống lại bằng nước cất

II Xử lí – tính toán kết quả thực nghiệm

1 Đồ thị chuẩn xác định Mn tại bước sóng λ=279.43 nm

‒ Xem số liệu trong bảng phụ lục bảng 1

‒ Đồ thị biểu diễn độ hấp thu quang theo nồng độ Mn tại bước sóng 279.43 nm với

bề rộng khe 0.2 nm, số lần đo lặp của mỗi bình là 3

a Nhận xét

‒ Dựa vào đồ thị ta thấy khoảng tuyến tính chỉ đúng từ nồng độ 2.00 (μg/mL¿ đến 6.00 (μg/mL¿, đồ thị bắt đầu cong từ nồng độ 8.00 (μg/mL¿ trở đi do sai lệch định luật Lambert-Beer

‒ Nguyên nhân dẫn đến đồ thị không tuyến tính này là vì nồng độ các dung dịch chuẩn quá cao dẫn đến hấp thu ánh sáng nhiều, khi đó tia tới chạm tới detector có cường độ yếu nên dễ bị nhiễu hoặc độ nhạy của detector không đủ lớn dẫn đến tín hiệu đo được thấp hơn so với đường chuẩn Đồ thị trên có dấu hiệu cong xuống tức là khả năng hấp thụ giảm dần Ở các dung dịch có nồng độ thấp như 0.50 (

μg/mL¿ và 1.00 (μg/mL¿, do ta chọn độ rộng khe là 0.2 nm và do ảnh hưởng của

sự cộng quang nên độ hấp thu của các dung dịch này không còn tuyến tính

‒ Chọn bề rộng khe là 0.2 nm vì Mn có 3 vạch phổ với 3 bước sóng tương ứng là 279.5 nm, 279.8 nm và 280.1 nm, khoảng cách giữa các bước sóng là 0.3 nm, vì

0.000 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2

1.4

1.6

ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN A THEO C TẠI BƯỚC SÓNG 279.43 nm

C ( g/mL)𝜇

vậy nếu chọn bề rộng khe là 0.3 nm hoặc lớn hơn thì sẽ gây nhiễu, ảnh hưởng đến đường chuẩn

‒ Theo tiêu chuẩn ISO 8466-1 thì đường thẳng A = a + bC (với A là độ hấp thu (Abs), C là nồng độ (μg/mL¿, a và b là hệ số của đường tuyến tính) chưa phải là 1 đường tuyến tính, để khảo sát được đồ thị ta cần phải dựng lại đồ thị có khoảng tuyến tính có giá trị nồng độ từ 2.00 (μg/mL¿ đến 6.00 (μg/mL¿

b Xử lý số liệu thực nghiệm

1.500 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

f(x) = 0.11301 x + 0.0984599999999999 R² = 0.998615220772275

ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN A THEO C TẠI BƯỚC SÓNG 279.43 nm (ĐÃ HIỆU CHỈNH)

C ( g/mL)𝜇

Đồ thị có dạng A = a + bC

Tính các hệ số hồi quy a, b:

 Với n=5: (n là số điểm trên đường chuẩn)

i=1

5

C i=20

i=1

5

C i2 =90

i=1

5

A i=2.7525

i=1

5

A i2 =1.6431

i=1

5

C i A i=12.14

a=¿¿

¿90×2.7525−20× 12.14

5 × 90−202

¿ 0.0985

b=

n×∑

i=1

5

C i A i−∑

i=1

5

C i ×∑

i=1

5

A i

n ×∑

i=1

5

C i2 − ¿¿¿¿

¿5× 12.14−20× 2.7525

5× 90−202

¿ 0.1130

Tính phương sai dư

S2ℜ=∑

i=1

5

A i2−a×∑

i=1

5

A i −b×∑

i=1

5

C i A i n−2

¿1.6431−0.0985 ×2.7525−0.1130× 12.145−2

¿5.29167 ×10−5

Tính độ lệch chuẩn cho các hệ số hồi quy a và b

i=1

5

i=1

5

¿

¿5.29167 ×10−5

5× 90−202

¿7.09952× 10−5

S b =Sℜ×

n×∑

i=1

5

C i2 − ¿¿¿¿

¿¿5.29167 ×10−5

5× 90−202

¿ 1.67337 10 −5

ε a =t 0.95,f × S a

√n =3.182 × 7.09952× 10

−5

√5 =1.01028 ×10

−4

ε b =t 0.95,f × S b

√n =3.182 × 1.67337 ×10

−5

√5 =2.38126 × 10

−5

 Vậy phương trình hồi quy:

A=¿0.0985± 0.0001¿+(1130.0 ± 0.2)×10−4C

2 Xây dựng đường chuẩn tại bước sóng 403.1 nm với bề rộng khe là 0.2 nm

‒ Xem số liệu trong bảng phụ lục bảng 2

‒ Đồ thị biểu diễn độ hấp thu quang theo nồng độ Mn tại bước sóng 403.1 nm với

bề rộng khe 0.2 nm, số lần đo lặp của mỗi bình là 3

‒ Dựa vào đồ thị trên ta thấy khoảng tuyến tính là từ nồng độ C = 0.5000 ppm đến nồng độ C = 40.000 ppm, đường biểu diễn không tuyến tính từ giá trị nồng độ C > 40.0000ppm

‒ Theo tiêu chuẩn ISO 8466-1 thì đường thẳng A =bC + a phải tuyến tính nên ta cần phải dựng lại đường A = bC + a trong khoảng tuyến tính của nó (0.5000ppm -40.0000ppm)

‒ Từ đồ thị ta thấy đường tuyến tính đi qua gốc tọa độ, có R2 = 0.9997 phù hợp với tiêu chuẩn ISO 8466 – 1

‒ Phương trình tuyến tính: A=a+bC , trong đó C là nồng độ tính theo μg/mL (ppm);

a, b là các hệ số hồi quy

a Kết quả tính toán:

Tính các hệ số a, b

 Với n =13 ( n là số điểm trên đường chuẩn)

i=1

13

C i A i=44,7045

i=1

13

C i=129,500

i=1

13

A i=1.8795 ,

i=1

13

C i2 =3155,250

i=1

13

A i2 =0.63377

b=

n∑

i=1

13

C i A i−∑

i=1

13

C i ×∑

i=1

13

A i

n∑

i=1

13

C i2−( ∑

i=1

13

C i)2

¿13× 44,7045−129,500× 1.8795

13 × 3155,250−(129,500)2

¿0.01392 …

a=∑

i=1

13

C i2×∑

i=1

13

A i−∑

i=1

13

C i ×∑

i=1

13

C i A i

n∑

i=1

13

C i2−( ∑

i =1

13

C i)2

¿3155,250× 1.8795−129,500 × 44,7045

13 ×3155,250−(129,500)2

¿0.00581 …

Tính phương sai dư

S2ℜ=∑

i=1

13

A i2−a∑

i=1

13

A i −b∑

i=1

13

C i A i n−2

¿ 0.63377−(0.00581 … )× 1.8795−(0.01392… ) × 44,7045

13−2

¿1.0927 ×10−5

Độ lệch chuẩn cho các hệ số hồi qui a, b

S b =Sℜ

n∑

i=1

13

C i2 −( ∑

i=1

13

C i)2 ¿√1.0927 ×10−5×√ 13

13× 3155,250−(129,500)2

¿7.6540 ×10−5

S a =Sℜ√ ∑

i=1

13

C i2

n∑

i=1

13

C i2 −( ∑

i=1

13

C i)2 ¿√1.0927 ×10−5×√ 3155,250

13× 3155,250−(129,500) 2 ¿1.1924×10−3

Khoảng tin cậy

U a =t 0.95, f × S a

√n =0.064 × 1.1924 × 10

−3

√13 =2.1166 ×10

−5

U b =t 0.95, f × S b

√n =0.064 × 7.6540 ×10

−5

√13 =1.3586× 10

−6

 Phương trình hồi quy:

A=(0.00581± 0.00002)+(0.013930 ± 0.000001)C

b Nhận xét:

‒ Nguyên nhân dẫn đến đường đồ thị không tuyến tính ở các dung dịch chuẩn có nồng độ trên 40.0000ppm là do nồng độ quá lớn dẫn đến hấp thu ánh sáng nhiều, khi đó tia tới chạm tới detector có cường độ yếu dẫn đến tín hiệu bị nhiễu, ngoài ra

độ nhạy của detector không đủ, dẫn đến tín hiệu đo được thấp hơn so với đường chuẩn Cụ thể là đường biểu diễn có xu hướng cong xuống tức là khả năng hấp thu giảm dần

‒ Dựa vào đồ thị tuyến tính đo tại bước sóng 403.1 nm ta thấy khoảng tuyến tính của nồng độ từ 0.5000ppm đến 40.0000ppm, khoảng tuyến tính này rộng hơn nhiều so với đo tại bước sóng 279.5 nm

‒ Ta thấy các chỉ số SD và %RSD tại bước sóng 403.1 nm nhỏ hơn tại bước sóng 279.5 nm qua đó cho thấy độ nhạy tại bước sóng 403.1 nm cao hơn tại bước sóng 279.5 nm

‒ Vì vây nếu phân tích các mẫu chuẩn có nồng độ cao thì ta nên dựng đường chuẩn ứng với bước sóng 403.1 nm để thu được kết quả với với độ chính xác cao hơn

III Phụ lục

1 Bảng số liệu độ hấp thu quang theo nồng độ Mn tại bước sóng 279.43 nm với

bề rộng khe là 0.2.

2 Bảng số liệu độ hấp thu quang theo nồng độ Mn tại bước sóng 403.1 nm với

bề rộng khe là 0.2.