PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ GHÉP CẶP CẢM ỨNG CAO TẦN VÀ ỨNG DỤNG

Các nguyên tử tự do được tạo ra khi ta phun dung dịch chất phân tích chứa chất khảo sát M ở trạng thái aerozon vào nguồn cung cấp nhiệt độ cao. Khi đó chất khảo sát M bị phân hủy, chuyển thành các nguyên tử tự do và tồn tại ở thể khí dưới 3 dạng: + Phần lớn là ở trạng thái cơ bản M0 và N0 nguyên tử + Phần nhỏ ở trạng thái kích thích M và N nguyên tử + Phần rất ít ở trạng thái ion Mn+ Những nguyên tử M ở trạng thái kích thích không bền có xu hướng phát ra năng lượng dưới dạng xu hướng dưới dạng bức xạ tỷ lệ với nồng độ các nguyên tử bị kích thích. Ngược lại, các nguyên tử ở trạng thái M0 lại có khả năng hấp thu năng lượng dưới dạng bức xạ và sau khi hấp thu, nguyên tử sẽ chuyển từ trạng thái ứng với mức năng lượng cơ bản nhất (được gọi là bước chuyển cộng hưởng). Điều này có nghĩa là sau khi nguyên tử hóa

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

MÔN PHÂN TÍCH HÓA LÝ THỰC PHẨM 2

BÀI TIỂU LUẬN

Đề tài :

PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ GHÉP CẶP CẢM ỨNG

CAO TẦN VÀ ỨNG DỤNG

Lớp: Thứ 4 – Tiết 7 - 9

GVHD: Võ Hoàng Yến

Tp HCM, ngày 8 tháng 3, năm 2018

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

MÔN PHÂN TÍCH HÓA LÝ THỰC PHẨM 2

BÀI TIỂU LUẬN

Đề tài:

PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ GHÉP CẶP CAO TẦN

VÀ ỨNG DỤNG

Nhóm 5

1 Võ Thị Diễm Hương 2022150007

2 Phạm Thị Hoài Xinh 2022150117

3 Trương Thị Mỹ Hà 2022150003

4 Lê Thị Mỹ Chi 2022150

5 Nguyễn Thị Khánh Huyền 2022150164

Tp HCM, ngày 7 tháng 3, năm 2018

MỤC LỤC

NỘI DUNG

I PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ

Các nguyên tử tự do được tạo ra khi ta phun dung dịch chất phân tích chứa chất khảo sát M ở trạng thái aerozon vào nguồn cung cấp nhiệt độ cao Khi đó chất khảo sát M bị phân hủy, chuyển thành các nguyên tử tự do và tồn tại ở thể khí dưới

3 dạng:

+ Phần lớn là ở trạng thái cơ bản M0 và N0 nguyên tử

+ Phần nhỏ ở trạng thái kích thích M* và N* nguyên tử

+ Phần rất ít ở trạng thái ion Mn+

Những nguyên tử M* ở trạng thái kích thích không bền có xu hướng phát ra năng lượng dưới dạng xu hướng dưới dạng bức xạ tỷ lệ với nồng độ các nguyên tử bị kích thích Ngược lại, các nguyên tử ở trạng thái M0 lại có khả năng hấp thu năng lượng dưới dạng bức xạ và sau khi hấp thu, nguyên tử sẽ chuyển từ trạng thái ứng với mức năng lượng cơ bản nhất (được gọi là bước chuyển cộng hưởng) Điều này

có nghĩa là sau khi nguyên tử hóa, nếu đưa một chùm bức xạ điện từ có tần số bằng tần số cộng hưởng, các nguyên tử tự do có thể hấp thu bức xạ cộng hưởng này và làm giảm cường độ của chùm bức xạ điện từ Phần cường độ của chùm bức

xạ điện từ bị giảm do bị hấp thu tỷ lệ với số nguyên tử ở trạng thái M0

Như vậy, phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử liên quan đến các nguyên tử

ở trạng thái kích thích trong khi phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử lại liên quan đến các nguyên tử ở trại thái cơ bản và đây chính là nguyên nhân làm cho phương pháp hấp thu có độ chính xác và độ nhạy cao hơn nhiều so với phương pháp quang phổ phát xạ

1 Sự tạo thành quang phổ

Phương pháp quang phổ phát xạ là phương pháp phổ dựa trên việc đo bước sóng,

cường độ và các đặc trưng khác của bức xạ điện từ được phát ra từ các nguyên tử

ở trạng thái hơi khi có sự thay đổi trạng thái năng lượng của các nguyên tử Trạng thái năng lượng của các nguyên tử đơn giản như hydro được xác định bằng cách

giải phương trình Schrodinger ở trạng thái dừng với số sóng của các vạch phô được xác định như sau:

v = (R ∕ ni2) – (R ∕ n*) (1) với R – hằng số Rydberg; ni, n* - số lượng tử chính của điện tử ở trạng thái cơ bản

và trạng thái kích thích

Người ta định nghĩa số hạng của quang phổ T(ni) và T(n*) với

T(ni) = R ∕ ni2; T(n*) = R ∕ n*2 (2) Các số hạng của nguyên tử hydro có thể được tính trực tiếp từ (2) và phối hợp hai biểu thức (1), (2) có thể tính được số sóng của các dãy phổ phát xạ của nguyên tử hydro Ví dụ, với ni = 1 và n* ≥ 2, ta có dãy Liman, với ni = 2 và n* ≥ 3, ta có dãy Balmer…

Như vậy, xét về mặt lý thuyết sự xuất hiện của mỗi vạch phổ biểu diễn cho việc chuyển điện tử từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác và số sóng của vạch phổ bất kỳ có thể tính được từ hiệu hai số hạng của quang phổ Trong thực tế, không phải bất kỳ sự tổ hợp nào của các số hạng quang phổ cũng cho ta vạch phổ tương ứng mà nguyên nhân là do sự chuyển mức năng lượng điện tử của nguyên

tử còn bị ràng buộc bởi quy tắc chọn lọc

Khi một bầu khí bị đốt nóng có thể đưa đến sự va chạm giữa các hạt và các hạt có thể trao đổi năng lượng với nhau Có sự va chạm chỉ dẫn đến sự trao đổi động năng của các phần tử va chạm và chỉ làm thay đổi chiều chuyển động của các phần

tử (gọi là sự “va chạm đàn hồi”), nhưng cũng có loại va chạm có khả năng làm thay đổi cả động năng lẫn thế năng của các phần tử (gọi là sự “va chạm không đàn hồi”)

Các vạch phổ cũng có thể được kích thích do nguyên tử nhận năng lượng từ các bức xạ điện từ khác như nguồn cao tần, các tia bức xạ có năng lượng cao…

2 Các đặc trưng của vạch quang phổ nguyên tử

Thế kích thích

Khi nguyên tử nhận năng lượng sẽ chuyển từ trạng thái cở bản sang trạng thái

kích thích Năng lượng cần thiết để kích thích nguyên tử được gọi là thế kích thích

và thường được biểu diễn băng electron – volt (eV) với định nghĩa eV là năng lượng cần thiết để chuyển 1 electron qua điện trường có thế hiệu 1V

Các quang phổ vạch của nguyên tử là phổ hồ quang, thường xảy ra ở các kim loại

dễ bị kích thích như kim loại kiềm và kiềm thổ Muốn thu được phổ hồ quang người ta dùng nguồn kích thích là hồ quang điện hay ngọn lửa đèn khí Trong thực

tế, không thể có quang phổ hồ quang thuần túy Dù được kích thích bằng nguồn nào thì trong quang phổ thu được vẫn tồn tại song song hai loại vạch phổ

Cường độ và độ rộng của vạch phổ

Cường độ vạch phổ đặc trưng cho độ chói sáng của vạch phổ - thường được ký hiệu là I có độ lớn phụ thuộc vào điều kiện kích thích phổ, trạng thái vật lý của mẫu khảo sát và quan trọng nhất là phụ thuộc vào nồng độ nguyên tử khảo sát Sự phụ thuộc giữa cường độ vạch phổ với nồng độ được biểu diễn bằng phương trình Lomakin:

I = aCb

 lgI = lga + blogC trong đó a,b là các hằng số phụ thuộc vào điều kiện kích thích và trạng thái vật lý của mẫu nghiên cứu Sự phụ thuộc tuyến tính giữa lgI và lgC chính là cơ sở của phương pháp quang phổ định lượng

Đặc trưng quan trọng của vạch quang phổ là độ rộng của quang phổ Vạch quang phổ chính là hình ảnh của khe quang phổ và xét về mặt lý thuyết, bề rộng của vạch phổ thu được tỷ lệ với khe của quang phổ Thực tế lại cho thấy rằng khi các vạch quang phổ thu được đều là hình ảnh của cùng một khe quang phổ nhưng lại có độ rộng thường rất khác nhau Điều này được giải thích là do các nguyên nhân sau đây:

- Các bức xạ trong phổ phát xạ không hoàn toàn đơn sắc mà bao gồm một số bức xạ có bước sóng khác nhau nghĩa là có năng lượng khác nhau Nếu khoảng năng lượng phân bố càng lớn thì vạch quang phổ càng rộng Độ rộng này thường được gọi là độ rộng tự nhiên của vạch quang phổ, thường khá bé (khoảng 10-4 nm) nên không có ý nghĩa lắm so với độ rộng do các nguyên nhân khác

- Các vạch phổ có thể bị dãn nở do hiệu ứng Dopler, xảy ra khi các nguyên tử phát xạ ánh sáng chuyển động theo chiều quan sát Sự dãn nở vạch phổ do hiệu ứng Dopler phụ thuộc vào khối lượng nguyên tử của nguyên tố khảo sát và nhiệt

độ (tăng khi giảm khối lượng nguyên tử phát xạ và khi tăng nhiệt độ) Đối với các nguyên tố ở giữa bảng phân loại tuần hoàn và ở nhiệt độ 50000C, hiệu ứng dãn nở Dopler khoảng từ 0,001nm – 0,002nm

- Sự dãn nở do tác động của từ trường và điện trường: khi đặt nguyên tử vào từ trường hoặc điện trường, các mức năng lượng của nguyên tử sẽ bị tách thành nhiều phân mức theo hiệu ứng Stark (sự tách mức năng lượng khi đặt nguyên tử vào điện trường) và hiệu ứng Zeeman (sự tách mức năng lượng khi đặt nguyên tử vào từ trường) và làm dãn nở vạch phổ Tương tự, các hạt mạng điện trong trạng thái plasma cũng tại ra các nguồn làm dãn nở vạch phổ đủ để quan sát được bằng các thiết bị thường

- Sự dãn nở do tăng nồng độ chất khảo sát, vì nồng độ tăng sẽ gây nên hiện tượng

tự hấp thu làm giảm cường độ ở miền trung tâm vạch phổ và làm cho vạch phổ hầu như bị tách đôi và do đó cũng làm tăng độ rộng của vạch

Các vạch phổ có độ rộng quá lớn hoặc quá bé đều không thích hợp cho phân tích quang phổ Người ta thường chọn vạch phổ có độ rộng trung bình để phân tích quang phổ

3 Thiết bị phân tích quang phổ

Thiết bị quang phổ được chia thành 3 khối chức năng chính: hệ thống chiếu sáng,

hệ thống tán sắc và hệ thống ghi phổ

Hệ thống chiếu sáng

Hệ thống chiếu sáng bao gồm nguồn phát ra ánh sáng cũng là nguồn kích thích quang phổ vạch; một hoặc ba thấu kính hội tụ làm nhiệm vụ chuyển chùm ánh sáng phân kỳ thành chùm song song Nguồn kích thích phổ có chức năng chuyển mẫu khảo sát từ các trạng thái hơi sang trạng thái kích thích Đa số các nguồn kích thích đồng thời cả hai chức năng trên và có thể là một trong các nguồn sau đây: ngọn lửa đèn khí, nguồn hồ quang điện, tia lửa điện,…

Ngọn lửa

Là nguồn kích thích đã được sử dụng từ nửa sau thế kỷ XIX Chất nghiên cứu (có thể ở dạng bột nhưng thường là DD) được đưa vào ngọn lửa bằng thiết bị aerozon đặc biệt theo hai kiểu: phun trực tiếp vào ngọn lửa, thường thấy ở đèn đốt toàn diện, hoặc được trộn trước với nhiên liệu và chất oxy hóa trong buồng trộn Loại đèn đốt toàn diện cho ngọn lửa sáng, dễ điều chỉnh cường độ phát xạ, có thể đưa nhiều mẫu vào ngọn lửa, không gây nổ nhưng tín hiệu kém ổn định vì mẫu được phun trực tiếp vào ngọn lửa thường có kích thước khác nhau và vận tốc khác nhau Loại đèn đốt trộn trước cho ngọn lửa có kích thước lớn, tín hiệu ổn định do hjat mẫu có kích thước khá đồng nhất (các hạt to đã bị loại bỏ trước tại một lỗ thoát ở trong buồng trộn) nhưng dễ cháy nổ trong buồng điện

Nguồn plasmatron

Ngày nay, để phân tích quang phổ, người ta thường dùng nguồn là đèn plasma hay plasmatron Đây là loại buồng đốt đặc biệt với hai điện cực graphite Trong một buồng dạng ống, một nguồn hồ quang được cũng cấp bởi anode và cathode có cường độ dòng 20 – 30A; một dòng khí trơ áp suất 150 – 200kPa được thổi tiếp tuyến với buồng Trên anode có một lỗ nhỏ để khí trơ thoát ra Dòng khí xoáy trong buồng có tác dụng làm lạnh mặt ngoài của plasma, nén dòng điện phóng và làm tăng mật độ dòng Plasma bị nén cùng với dòng khi sẽ phụt ra lỗ thoát anode thành luồng có chiều dài 10 – 15mm và sáng chói trên mặt ngoài anode Nhiệt độ trong plasma có thể lên đến 5000 – 10.0000C hoặc cao hơn Dung dịch phân tích được đưa vào plasma bằng thiết bị phun đặc biệt Khi phân tích các chất rắn, người

ta có thể đặt mẫu trực tiếp lên cathode hoặc có thể đưa mẫu vào plasma bằng thiết

bị phun Do có nhiệt độ cao và độ chói sáng rất lớn nên nguồn plasmatron có khả năng kích thích các chất khó bay hơi và khó kích thích Ngoài nguồn plasma được

mô tả như trên, người ta còn dùng loại plasma được nuôi bằng máy phát cao tần

Hệ thống tán sắc

Hệ thống tán sắc gồm các khe quang phổ, bộ phận tán sắc, các vật kính chuẩn trực

và buồng ảnh Hệ thống khe và các bộ phận tán sắc có cấu tạo và đặc điểm giống

như các máy quang phổ khác.

Hệ thống ghi phổ

Các máy quang phổ được phân loại theo phương pháp ghi phổ: máy quang phổ

nhìn bằng mắt (thị kính) được gọi là máy quang phổ nghiệm (stiloscop hoặc

stilometre), máy quang phổ chụp ảnh còn có tên quang phổ ký (spectrographe) và các máy quang điện được gọi là quang phổ kế (spectrometre hay quantometre)

II PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ GHÉP CẶP CẢM ỨNG CAO TẦN

1 Plasma cao tần cảm ứng ICP

Đặc điểm và tính chất

Đây là nguồn năng lượng mới được sử dụng trong phép phân tích quang phổ phát

xạ nguyên tử khoảng 10 năm trở lại đây; song được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả cao vì nó có những đặc điểm sau:

- Nguồn năng lượng này có nhiệt độ cao Thông thường nhiệt độ của plasma có thể đạt được nhiệt độ từ 5000 – 70000C nên hóa hơi và nguyên tử hóa được hết mọi trạng thái của vật liệu mẫu với hiệu suất cao Với plasma này, mọi nguyên tố kim loại đều bị kích thích để tạo ra phổ phát xạ của nó

- ICP (Inductivity Coupled Plasma) là nguồn năng lượng kích thích phổ phát xạ đảm bảo cho phép phân tích có độ nạy rất cao Nói chung có thể đạt từ 10-4 đến 10

-6% đối với hầu hết các nguyên tố

- ICP là nguồn kích thích phổ thông không những có độ nhạy cao, mà còn ổn định cao Vì thế phép phân tích dùng nguồn năng lượng này cho sai số rất nhỏ; nói chung là nhỏ hơn 10% ở trong vùng nồng độ từ 10-3 đến 10-5%

- Tuy có nhiệt độ cao nhưng sự kích thích phổ phát xạ trong nguồn năng lượng này lại rất êm dịu Nó tương tự như sự kích thích phổ trong ngọn lửa đèn khí Chính vì thế mà phương pháp phân tích đạt độ ổn định cao và sai số nhỏ

- Với nguồn năng lượng này, người ta có thể định lượng được đồng thời nhiều nguyên tố một lúc, nên tốc độ phân tích rất cao (từ 40 – 120 mẫu/giờ) Mặc khác, khi dùng nguồn năng lượng ICP, vùng tuyến tính của phương pháp định lượng là rất rộng (từ 1 – 10.000 lần)

- Đặc điểm cuối cùng là rất ít xuất hiện ảnh hưởng đến chất nền (matrix effect)

Đó là điểm hơn hẳn các nguồn năng lượng cổ điển đã nêu Chính những đặc điểm

và ưu việt của nguồn năng lượng ICP như thế, nó đã nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi và thay thế cho nguồn năng lượng cổ điển: tia điện, hồ quang Tất nhiên, trang bị tạo ra nguồn năng lượng này đắt tiền hơn Nhưng trong điều kiện ngày nay và do tính chất ưu việt của nó nên các phòng phân tích quang phổ phát xạ đều được trang bị loại nguồn năng lượng này

2 Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử cảm ứng cao tần ICP

2.1 ICP – AES

* Nguyên tắc: ICP – AES viết tắt của cụm từ Inductivity Coupled Plasma –

Atomic Emission Spectroscopy là một kỹ thuật phân tích được sử dụng trong việc

phát hiện nguyên tố hóa học Nó là một trong những loại phổ phát xạ sử dụng plasma ghép cặp cảm ứng để kích thích nguyên tử và sinh ra bức xạ điện tử tại một bước sóng đặc trưng của một nguyên tố xác định Sử dụng kĩ thuật ngọn lửa với nhiệt độ cao khoảng 6000 – 10.0000K Cường độ phát xạ chỉ ra nồng độ của

nguyên tố có trong mẫu

* Cấu tạo

ICP – AES gồm có 2 phần: ICP và quang phổ kế Ngọn đuốc ICP bao gồm 3 ống đồng tâm làm bằng thạch anh hoặc một số vật liệu phù hợp khác Một cuộn dây đồng gọi là cuộn dây tải, bao quanh đầu trên cùng của ngọn đuốc và được kết nối

với bộ tạo tần số vô tuyến RF bao quanh một phần ngọn đuốc thạch anh Khí argon thường được sử dụng để tạo plasma

Hình 1: Mặt cắt ngang của ngọn lửa ICP

A: khí Argon được xoáy qua ngọn đuốc; B: công suất RF được áp dụng cho cuộn dây tải; C: một tia lửa tạo ra một số electron tự do; D: các electron tự do được đẩy nhanh bởi các điện trường RF gây ra sự ion hóa và tạo thành plasma; E:mẫu aerosol được phun xịt theo lỗ trong plasma

Khi ngọn đuốc bật, một điện từ trường lớn được tạo ra trong cuộn dây bởi tín hiệu tần số vô tuyến công suất cao đang chạy trong cuộn dây Tín hiệu RF này được tạo

ra bởi bộ tạo tín hiệu RF, có hiệu quả, hoạt động với một máy phát vô tuyến công suất cao lái cuộn dây làm việc theo cách giống như một máy phát vô tuyến điển hình truyền một ăng – ten truyền Một số thiết vị chạy ở tần số 27 hay 40 MHz Khí argon chạy qua ngọn đuốc được đốt cháy với một bộ phận Telsa tạo ra một vòng cung xả ngắn thông qua dòng argon để bắt đầu quá trình ion hóa Một khi, plasma được đốt cháy thì bộ phận Telsa bị tắt

Khí argon được ion hóa trong điện từ trường lớn và chạy theo một mô hình đối

xứng xoắn đối với từ trường của cuộn dây RF Một plasma với độ ổn định cao khoảng 70000K sau đó được tạo ra do các va chạm không đàn hồi được tạo ra giữa các nguyên tử argon trung hòa và các hạt điện tích

Một máy bơm nhu động cung cấp một mẫu nước hoặc mẫu hữu cơ thành dạng sương mù phân tích và được đưa trực tiếp vào trong ngọn lửa plasma Mẫu này ngay lập tức va chạm với các điện tử và các ion tích điện trong plasma, sau đó nó

tự phân hủy thành các ion tích điện Các phân tử khác nhau phân hủy thành các nguyên tử tương ứng, các electron tách ra khỏi nguyên tử và tái kết hợp trở lại trong plasma, phóng xạ ở các bước sóng đặc trưng của các nguyên tố có liên quan Trong buồng quang học, sau khi ánh sáng được tách ra thành các bước sóc khác nhau của nó, cường độ ánh sáng được đó bằng một ống dẫn quang hoặc các ống định vị vật lý để xác định các bước sóng cho mỗi đường thành phần có liên quan hoặc trong các đơn vị hiện đại hơn, các màu tách ra rơi vào một loạt các bộ dò ánh sáng bán dẫn như các thiết bị ghép điện tích (CCD) Cường độ của tất cả các bước sóng có thể được đo đồng thời cho phép phân tích các phần tử cùng một lúc Do

đó, các mẫu được phân tích rất nhanh

Cường độ của mỗi đường được so sánh với cường độ đo được trước đâu của các nồng độ đã biết của nguyên tố, và nồng độ của nó sau đó được tính bằng dò theo các đường hiệu chỉnh

* Ứng dụng

- Xác định kim loại trong rượu, arsen trong thực phẩm, các nguyên tố vi lượng gắn với protein

- Ngoài lĩnh vực công nghệ thực phẩm, phương pháp này thường được sử dụng để phân tích các nguyên tố vi lượng trong đất, vì thế nó thường được sử dụng trong các cuộc kiểm tra để xác định nguồn gốc của các mẫu đất được phát hiện tại hiện trường tội phạm hoặc nạn nhân

- Nó cũng nhanh chóng trở thành phương pháp phân tích để xác định hàm lượng các chất dinh dưỡng trong đất nông nghiệp Thông tin này sau đó được tính toán

để tính toán lượng phân bón cần thiết để tối đa hóa năng suất cây trồng và chất