Thí nghiệm Phân tích thực phẩm

: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI 1: XÁC ðỊNH NA, CA, FE TRONG THỰC PHẨM TRÊN MÁY QUANG PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ AAS BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI 2: PHÂN TÍCH ACID AMINE BẰNG SỰ CHUYỂN HÓA PITC Trung tâm Dịch vụ Phân tích Thí nghiệm ñược thành lập theo Quyết ñịnh số 21QðUB ngày 18021985 của Ủy Ban Nhân Dân Thành Phố Hổ Chí Minh, là ñơn vị trực thuộc Sở Khoa Học và Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh. Từ năm 1985 ñến nay, Trung Tâm Dịch Vụ Phân tích Thí nghiệm là ñơn vị hợp tác với Trung Tâm Nghiên Cứu Quốc Gia Pháp (CNRS) và Trung Tâm Phân Tích Solaize (SCA Pháp) Trung tâm ñược tổ chức AFAQ chứng nhận ñạt tiêu chuẩn Quản lý chất lượng theo ISO 9001:2000 và tổ chức VILAS công nhận phòng thí nghiệm ñạt tiêu chuẩn TCVN ISO IEC 17025: 2001.

Phần 1: GIỚI THIỆU VỀ TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM

Trung tâm Dịch vụ Phân tích Thí nghiệm ñược thành lập theo Quyết ñịnh số 21/Qð-UB ngày 18/02/1985 của Ủy Ban Nhân Dân Thành Phố Hổ Chí Minh, là ñơn

vị trực thuộc Sở Khoa Học và Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh

Từ năm 1985 ñến nay, Trung Tâm Dịch Vụ Phân tích Thí nghiệm là ñơn vị hợp tác với Trung Tâm Nghiên Cứu Quốc Gia Pháp (CNRS) và Trung Tâm Phân Tích Solaize (SCA- Pháp)

Trung tâm ñược tổ chức AFAQ chứng nhận ñạt tiêu chuẩn Quản lý chất lượng theo ISO 9001:2000 và tổ chức VILAS công nhận phòng thí nghiệm ñạt tiêu chuẩn TCVN ISO/ IEC 17025: 2001

I DỊCH VỤ KHOA HỌC:

Với các phương tiện phân tích hóa học, vi sinh ñồng bộ, hiện ñại

Với ñội ngũ cán bộ chuyên môn vững vàng

TRUNG TÂM DỊCH VỤ PHÂN TÍCH THÍ NGHIỆM nhận thực hiện các dịch

vụ

1.1 Phân tích, kiểm tra chất lượng sản phẩm:

− Về lĩnh vực hóa học, hóa lý và vi sinh

− Ký kết hợp ñồng dịch vụ phân tích và nghiên cứu

1.2 Nghiên cứu:

− Các chương trình nghiên cứu cấp Nhà nước, Thành phố, các chương trình hợp tác quốc tế, ñặc biệt trong lĩnh vực môi trường, thủy sản

− Các yêu cầu nghiên cứu của khách hàng – Các phương pháp phân tích

− ðược quan hệ hợp tác với các ñơn vị kiểm nghiệm, phân tích, các cơ sở nghiên cứu

− Ký kết hợp tác khoa học kỹ thuật và ñào tạo với các tổ chức và cá nhân nước ngoài theo qui ñịnh của nhà nước

1.4 Dịch vụ Tư Vấn và các dịch vụ khác

− Tư vấn xây dựng hệ thống chất lượng theo tiêu chuẩn ISO 9001:2000 và xây dựng phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn ISO/ IEC 17025

− Tư vấn phân tích, ñánh giá chất lượng nguyên vật liệu, sản phẩm

− Tư vấn và thực hiện bảo trì, hiệu chuẩn thiết bị phân tích

− Tư vấn xây dựng phòng thí nghiệm hóa, vi sinh

− Cung cấp dụng cụ thủy tinh phòng thí nghiệm theo mẫu ñặt của khách hàng

II NĂNG LỰC HOẠT ðỘNG:

2.1 Phòng Nghiên Cứu Triển Khai:

Thực hiện các nhiệm vụ:

1 Nghiên cứu, tư vấn ñể cải tiến chất lượng sản phẩm theo yêu cần khách hàng

2 Hướng dẫn quy trình sản xuất tiểu thủ công nghiệp một số sản phẩm hóa học, mỹ phẩm…

3 Phân tích các ñộc chất dạng siêu vết như PCBs, Dioxin, Furan (PCDDs, PCDFs) thuốc trừ sâu… trong các hàng hóa, nông sản, thủy hải sản, thực phẩm chế biến phục

vụ yêu cầu xuất khẩu cho các công ty, xí nghiệp

4 ðịnh danh, ñịnh lượng thành phần, ñánh giá chất lượng hàng hóa nhập khẩu, xuất khẩu phục vụ yêu cầu của Hải quan, công ty, xí nghiệp như: ñịnh danh, ñịnh lượng hợp chất hữu cơ, vô cơ trong:

− Nước, nước thải, dầu khoáng…

− Quặng, ñất, bùn trầm tích

− Hóa chất, tinh dầu, hương liệu, sản phẩm công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp

− Các chất phụ gia công nghiệp, chất hoạt ñộng bề mặt, polymer và các sản phẩm nhựa

− Khoáng sản, kim loại và hợp kim

5 Hỗ trợ các ñề tài nghiên cứu, luận án Thạc sĩ, Tiến sĩ, luận văn tốt nghiệp của các sinh viên trong lĩnh vực hóa học

2.2 Phòng Phân Tích Sắc Ký:

Thực hiện các nhiệm vụ phân tích

1 Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và bay hơi vừa – Thuốc trừ sâu, diệt cỏ - Tinh dầu, hương liệu – PAH, PCB – Các hợp chất hữu cơ trong nước, ñất

2 Dư lượng kháng sinh, ñặc biệt hormone tăng trưởng β - Agonist trong thực phẩm – Các hóa chất khác

3 Vitamin – Kháng sinh Kháng khuẩn – Dược liệu, thuốc thú y

4 Chất bảo quản phụ gia thực phẩm – Phụ gia công nghiệp – Chất hoạt ñộng bề mặt –

Dư lượng thuốc trừ sâu, diệt cỏ…

5 Carbohydrate Acid amine – ðộc tố sinh học biển (ASP, PSP, DSP)

6 ðộc tố khác trong thực phẩm (aflatoxin, ochratoxin, histamin….)

2.3 Phòng Công Nghiệp Tài Nguyên Môi Trường:

Thực hiện các nhiệm vụ:

1 Phân tích ña lượng và vi lượng hơn 75 nguyên tố kim loại, á kim trong:

− Nước, nước thải – Không khí, ñất, bùn trầm tích, khoáng sản

− Thực phẩm – Thủy hải sản – Phân bón – Hóa chất – Dược phẩm, dược liệu

− Kim loại, hợp kim – Sản phẩm công nghiệp – Vật liệu – Dầu khoáng

− Dầu thực vật – Nước, nước uống – ðất và phân bón

− Nông sản thực phẩm – thủy sản – thức ăn gia súc

2 ðặc biệt phân tích các chỉ tiêu dinh dưỡng cho thực phẩm (bảng nutrition facts)

3 Phân tích các nguyên tố: C, H, N, S, Halogen (Cl-)

4 Các chỉ tiêu vi sinh thực phẩm và các chỉ tiêu vi sinh thông thường

5 Các chỉ tiêu vi sinh gây bệnh và gây ngộ ñộc thực phẩm (E coli, Staphylococcus aureus, Samonella, Bacillus cereus, Listeria monocytogenes, Vibrio parahaemolyticus,…) ðặc biệt ñịnh lượng % biến ñổi gen trong nông sản thực phẩm

(GMO)

III TRANG THIẾT BỊ HIỆN ðẠI:

3.1 Thiết Bị Cộng Hưởng Từ Hạt Nhân (NMR):

3.1.1 Chức năng:

− Phân tích cấu trúc các hợp chất hữu cơ

− Phân tích ñịnh lượng với hàm lượng chất lớn hơn 2%

3.1.2 Khả năng phân tích:

− Ghi phổ 1H NMR, 13C NMR, DEPT, COSY, HETCORR, NOESY…

− Nhận danh và phân tích ñịnh lượng thành phần các chất hữu cơ trong sản phẩm công nghiệp (hàm lượng >2%) phục vụ xuất nhập khẩu, tiêu dùng trong nước, công tác giám ñịnh, nghiên cứu, ñào tạo

3.1.3 ðối tượng mẫu:

− Các sản phẩm công nghiệp, hợp chất tự nhiên Hóa chất tổng hợp, phụ gia công nghiệp các loại, dược

3.2 Máy Quang Phổ Phát Xạ Plasma (ICP), máy Hấp Thu Nguyên Tử (ASS):

3.2.1 Chức năng:

− Xác ñịnh các nguyên tối vô cơ ở dạng ña lượng và vi lượng

− Xác ñịnh thành phần kim loại nặng

3.2.2 Khả năng phân tích:

− Phân tích ñược hơn 75 nguyên tố vô cơ trong bằng phân loại tuần hoàn Mendeleev

3.2.3 ðối tượng mẫu:

− Tài nguyên, khoáng sản, kim loại hợp kim, nông sản, thực phẩm, thủy hải sản, dược phẩm, mỹ phẩm, sản phẩm công nghiệp, dầu khí, bệnh phẩm (nước tiểu, máu, tóc…), không khí, nước, chất thải công nghiệp, bùn và ñất nhiễm bẩn

3.3 Máy Sắc Ký Lỏng Ghép Khối Phổ (LC – MSn):

3.3.1 Chức năng:

− ðịnh danh và xác ñịnh cấu trúc các hợp chất hữu cơ tổng hợp và tự nhiên

− ðịnh lượng vi lượng và ña lượng

3.3.2 Khả năng phân tích:

− Vitamin, kháng sinh ở dạng nguyên liệu hay trong thành phẩm

− ðộc tố sinh học biển gây tiêu chảy (DSP), làm mất trí nhớ (ASP) và gây bại liệt (PSP) trong nhuyển thể 2 mảnh vỏ

− Dư lượng thuốc trừ sâu, diệt cỏ, kháng sinh trong nông, thủy hải sản, hóc môn tăng trưởng (β - Agonist, Clenbuterol)

− Phụ gia công nghiệp

− Polypeptid, Protein

− Thành phần hợp chất thiên nhiên

3.3.3 ðối tượng mẫu:

− Phân tích ñược các chỉ tiêu ở hàm lượng siêu vết (ppb/ppt)

− Vitamin, kháng sinh ở dạng nguyên liệu hay trong thành phẩm

− ðộc tố: sinh học biển (okadaic axid), aflatoxin và các ñộc tố khác

− Dư lượng thuốc trừ sâu, diệt cỏ, kháng sinh trong nông, thủy hải sản, thức ăn gia súc ðặc biệt có ý nghĩa trong ñánh giá chất lượng thủy hải sản xuất khẩu

− Hormone tăng trưởng (β - Agonist, Clenbuterol)

− Phụ gia công nghiệp, chất bảo quản, chất hoạt ñộng bề mặt

− Nhận danh, xác ñịnh cấu trúc các hợp chất hữu cơ tổng hợp và tự nhiên dễ bay hơi

− ðịnh lượng vi lượng và ña lượng

3.5.2 Khả năng phân tích:

− Dư lượng hóa chất có nồng ñộ ppb trở lên

− ðộc tố, dư lượng thuốc trừ sâu, diệt cỏ, dư lượng thuốc kháng sinh

− Phụ gia công nghiệp, hương liệu, dầu…

3.5.3 ðối tượng mẫu:

− Thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ

− Phân tích vi sinh vật, virus

− Phân tích ñịnh lượng GMO (biến ñổi gen)

3.6.2 Khả năng phân tích:

− Kiểm tra, phát hiện và ñịnh lượng vi sinh vật gây bệnh (Samonella, Listeria monocytogenes…) trong thực phẩm, thức ăn gia súc

− Kiểm tra, phát hiện và ñịnh lượng virus gây bệnh trên tôm

− Kiểm tra, ñịnh lượng biến ñổi gen trong sản phẩm thực phẩm

3.6.3 ðối tượng mẫu:

− Thủy hải sản

− Nông sản thực phẩm, thực phẩm, thức ăn gia súc

− Sữa và các sản phẩm sữa

− Nước thải, nước sinh hoạt, nước uống

3.7 Thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD):

3.7.1 Chức năng:

− Phân tích cấu trúc tinh thể

− ðồ họa graphic cấu trúc tinh thể

− Phân tích pha các hỗn hợp chất rắn

− Theo dõi phản ứng tổng hợp chất rắn

− Phân tích ñịnh lượng theo phương pháp RIETVELD

− Phân tích ñịnh tính các hợp chất rắn dựa theo như viện phổ chuẩn ICDD/PDF2(Trên

131000 chất)

3.7.2 Khả năng phân tích:

− Xác ñịnh hằng số mạng tinh thể, chỉ số Miller, cấu trúc tinh thể của các loại vật liệu mới trong nhiều ngành công nghệ: ñiện tử, xây dựng, ceramic, viễn thông

3.7.3 ðối tượng mẫu:

ðịnh danh các hợp chất trong các loại mẫu:

− Tài nguyên khoáng sản, quặng mỏ, kim loại và hợp kim

− Men, gốm sứ, polymer

− Các chất cơ kim, mỹ phẩm

− Sản phẩm công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp

3.8 Máy sắc kí ghép khối phổ với ñộ phân giải cao (HRGC/HRMS):

3.8.1 Chức năng:

− Phân tích dư lượng dạng siêu lượng

3.8.2 Khả năng phân tích:

− Dư lượng hóa chất có nồng ñộ 0.01ppb trở lên

− Dư lượng kháng sinh, Dioxin, Furan, PCB, dạng siêu vết

3.8.3 ðối tượng mẫu:

− Thủy sản

− Nông sản: gạo, rau quả, mật ong…

− Thực phẩm chế biến

− ðất, bùn ,nước, các chất thải công nghiệp, khói thải công nghiệp

− Mô mỡ, mẫu ñộng vật, mẫu máu

Phần 2: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

Bài 1:

XÁC ðỊNH Na, Ca, Fe TRONG THỰC PHẨM TRÊN MÁY

QUANG PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ AAS

− Củng cố và tìm hiểu sâu hơn về nguyên lý, cấu tạo của hệ thống phân tích bằng phương pháp quang phổ nguyên tử

− Rèn luyện kỹ thuật thực hành, sử dụng các loại dụng cụ, máy móc có liên quan ñến phương pháp phân tích này nói riêng cũng như kỹ năng làm việc trong phòng thí nghiệm nói chung

II TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THU VÀ

2.1 Giới thiệu về phương pháp quang phổ hấp thu – phát xạ nguyên tử:

Phương pháp quang phổ hấp thu – phát xạ nguyên tử (Atomic Spectroscopy) là phương pháp sử dụng sự hấp thu hay phát xạ ánh sáng của ñám hơi nguyên tử ở một bước sóng nhất ñịnh ñể phân tích ñịnh tính và ñịnh lượng kim loại có trong các mẫu rắn hoặc lỏng

Ở nhiệt ñộ cao, các chất khoáng bị hoá hơi và nguyên tử hoá sẽ có khả năng hấp thu chọn lọc bức xạ ñặc trưng, khi ñó, từ trạng thái cơ bản chúng sẽ chuyển lên trạng thái kích thích Ở trạng thái này, chúng lại có xu hướng trở về trạng thái cơ bản và có thể phát ra bức vạ trong quá trình chuyển trạng thái Các nguyên tử có khả năng hấp

thu bức xạ nào thì cũng có khả năng phát xạ bức xạ ấy Vì vậy, mỗi nguyên tố hoá học

ở trạng thái hơi hoặc khắ khi nóng sáng dưới áp suất thấp cho một vạch quang phổ ựặc trưng của nguyên tố ựó

Phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử Ờ AAS: dựa trên phổ hấp thu tử ngoại

hoặc thấy ựược của các nguyên tố ựược nguyên tử hoá Mẫu dưới dạng lỏng ựược hút vào ngọn lửa có nhiệt ựộ từ 2000 Ờ 3000K Mẫu ựược nguyên tử hóa trong ngọn lửa và

ựa số ở trạng thái cơ bản

Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử Ờ AES: dựa trên phổ phát xạ trong

vùng tử ngoại hoặc thấy ựược của các nguyên tố ựược nguyên tử hoá Không cần ựến nguồn sáng, một số nguyên tử trong ngọn lửa ựược kắch thắch do va chạm với các nguyên tử khác và phát ra các bức xạ ựặc trưng ựể trở về trạng thái cơ bản Cường ựộ bức xạ ở bước sóng ựặc trưng của nguyên tố tỉ lệ với nồng ựộ của nguyên tố trong

2.2 Những vấn ựề chung về hấp thu và phát xạ nguyên tử:

2.2.1 Sự xuất hiện phổ hấp thu và phát xạ nguyên tử:

Như chúng ta ựã biết, vật chất ựược cấu tạo bởi các nguyên tử và nguyên tử là phần

tử cơ bản nhỏ nhất còn giữ ựược tắnh chất của nguyên tố hóa học Nguyên tử lại bao gồm hạt nhân nguyên tử nằm ở giữa và chiếm một thể tắch rất nhỏ (khoảng 1/10000 thể tắch của nguyên tử) và các ựiện tử (electron) chuyển ựộng xung quanh hạt nhân trong phần không gian lớn của nguyên tử Trong ựiều kiện bình thường nguyên tử không thu và cũng không phát ra năng lượng dưới dạng các bức xạ Lúc này nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản đó là trạng thái bền vững và nghèo năng lượng nhất của nguyên tử Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, nếu ta chiếu một chùm tia sáng

có những bước sóng (tần số) xác ựịnh vào ựám hơi nguyên tử ựó, thì các nguyên tử tự

do ựó sẽ hấp thu các bức xạ có bước sóng nhất ựịnh ứng ựúng với những tia bức xạ mà

nó có thể phát ra ựược trong quá trình phát xạ của nó Lúc này nguyên tử ựã nhận năng lượng của các tia bức xạ chiếu vào nó và nó chuyển lên trạng thắa kắch thắch có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản đó là tắnh chất ựặc trưng của nguyên tử ở trạng thái

hơi Quá trình ựó ựược gọi là quá trình hấp thu năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ nguyên tử của nguyên tố ựó Phổ sinh ra trong quá trình này ựược gọi là phổ hấp thu nguyên tử

Nếu gọi năng lượng của tia sáng ựã bị nguyên tử hấp thu là †E thì chúng ta có:

ν

h E C

Như vậy, ứng với mỗi giá trị năng lượng †E; mà nguyên tử ựã hấp thu ta sẽ có một vạch phổ hấp thu với ựộ dài sóng ựi ựặc trưng cho quá trình ựó, nghĩa là phổ hấp thu của nguyên tử cũng là phổ vạch

Nhưng nguyên tử không hấp thu tất cả các bức xạ mà nó có thể phát ra ựược trong

quá trình phát xạ Quá trình hấp thu chỉ xảy ra ựối với các vạch phổ nhạy, các vạch phổ ựặc trưng và các vạch cuối cùng của các nguyên tố Cho nên ựối với các vạch phổ

ựó quá trình hấp thu và phát xạ là hai quá trình ngược nhau (hình 2) Theo phương trình (1), nếu giá trị năng lượng †E là dương ta có quá trình phát xạ; ngược lại khi giá trị †E là âm ta có quá trình hấp thu Chắnh vì thế, tùy theo từng ựiều kiện cụ thể của nguồn năng lượng dùng ựể nguyên tử hóa mẫu và kắch thắch nguyên tử mà quá trình nào xảy ra là chắnh, nghĩa là nếu kắch thắch nguyên tử:

− Bằng năng lượng Cm ta có phổ phát xạ nguyên tử,

− Bằng chùm tia ựơn sắc ta có phổ hấp thu nguyên tử

Trong phép ựo phổ hấp thu nguyên tử ựám hơi nguyên tử của mẫu trong ngọn lửa hay trong cuvet graphite là môi trường hấp thu bức xạ (hấp thu năng lượng của tia bức xạ) Phần tử hấp thu năng lượng của tia bức xạ hv là các nguyên tử tự do trong ựám hơi

ựó Do ựó, muốn có phổ hấp thu nguyên tử trước hết phải tạo ra ựược ựám hơi nguyên

tử tự do, và sau ựó chiếu vào nó một chùm tia sáng có những bước sóng nhất ựịnh ứng ựúng với các tia phát xạ nhạy của nguyên tố cần nghiên cứu Khi ựó các nguyên tử tự

do sẽ hấp thu năng lượng của chùm tia ựó và tạo ra phổ hấp thu nguyên tử của nó Trong nguyên tử, sự chuyển mức của ựiện tử từ mức năng lượng En không phải chỉ

về mức E0, mà có rất nhiều sự chuyển mức từ En về các mức khác E01, E02, E03Ầ cùng với mức E0 Nghĩa là có rất nhiều sự chuyển mức của ựiện tử ựã ựược lượng tử hóa, và ứng với mỗi bước chuyển mức ựó ta có 1 tia bức xạ, tức là một vạch phổ Chắnh vì thế

mà một nguyên tố khi bị kắch thắch thường có thể phát ra rất nhiều vạch phổ phát xạ Nguyên tố nào có nhiều ựiện tử và có cấu tạo phức tạp của các lớp ựiện tử hóa trị thì càng có nhiều vạch phổ phát xạ

Như vậy, phổ phát xạ nguyên tử là sản phẩm sinh ra do sự tương tác vật chất, mà

ở ựây là các nguyên tử tự do ở trạng thái khắ với một nguồn năng lượng nhiệt, ựiện nhất ựịnh phù hợp Nhưng trong nguồn sáng, không phải chỉ có nguyên tử tự do bị

kắch thắch, mà có cả ion, phân tử, nhóm phân tử Các phần tử này cũng bị kắch thắch và phát ra phổ phát xạ của nó Tất nhiên là trong mức ựộ khác nhau tùy thuộc vào khả năng kắch thắch của nguồn năng lượng Vì vậy, phổ phát xạ của vật mẫu luôn bao gồm

ba thành phần:

− Nhóm phổ vạch: đó là phổ của nguyên tử và con Nhóm phổ vạch này của các

nguyên tố hóa học hầu như thường nằm trong vùng phổ từ 190 Ờ 1000nm (vùng VIS) Chỉ có một vài nguyên tố á kim hay kim loại kiềm mới có một số vạch phổ nằm ngoài vùng này

UV-− Nhóm phổ ựám: đó là phổ phát xạ của các phân tử và nhóm phân tử Vắ dụ: 9 phổ

của phân tử MeO, CO và nhóm phân tử CN Các ựám phổ này xuất hiện thường có một ựầu ựậm và một ựầu nhạt đầu ựậm ở phắa sóng dài và nhạt ở phắa sóng ngắn Trong vùng tử ngoại thì phổ này xuất hiện rất yếu và nhiều khi không thấy Nhưng

trong vùng khả kiến thì xuất hiện rất ựậm, và làm khó khăn cho phép phân tắch quang phổ vì nhiều vạch phân tắch của các nguyên tố khác bị các ựám phổ này che lấp

− Phổ nền liên tục: đây là phổ của vật rắn bị ựất nóng phát ra, phổ của ánh sáng

trắng và phổ do sự bức xạ riêng của ựiện tử Phổ này tạo thành một nền mờ liên tục trên toàn dải phổ của mẫu Nhưng nhạt ở sóng ngắn và ựậm dần về phắa sóng dài Phổ này nếu quá ựậm thì cũng sẽ cản trở phép phân tắch

Ba loại phổ trên xuất hiện ựồng thời khi kắch thắch mẫu phân tắch và trong phân tắch quang phổ phát xạ nguyên tử người ta phải tìm cách loại bớt phổ ựám và phổ nền

đó là hai yếu tố nhiễu

Hình 1: Quá trình phát xạ và hấp thu của một nguyên tử

Eo: Mức năng lượng ở trạng thái cơ bản

Em: Mức năng lượng ở trạng thái kắch thắch

†E: Năng lượng nhận vào (kắch thắch)

Hình 2: Sơ ñồ phân bố năng lượng trong nguyên tử

2.2.2 Cường ñộ của vạch phổ hấp thu nguyên tử:

Nghiên cứu sự phụ thuộc của cường ñộ một vạch phổ hấp thu của một nguyên tố vào nồng ñộ C của nguyên tố ñó trong mẫu phân tích, lí thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng, trong một vùng nồng ñộ C nhỏ của chất phân tích, mối quan hệ giữa cường

ñộ vạch phổ hấp thu và nồng ñộ N của nguyên tố ñó trong ñám hơi cũng tuân theo ñịnh luật Lambert Beer, nghĩa là nếu chiếu một chùm sáng cường ñộ ban ñầu là Io qua

ñám hơi nguyên tử tự do của nguyên tố phân tích nồng ñộ là N và bề dầy là L cm, thì chúng ta có:

L N

v v RT A

Ko là hệ số hấp thu tại tâm của vạch phổ ứng với tần số ν0

A là nguyên tử lượng của nguyên tố hấp thu bức xạ

R là hằng số khí

T là nhiệt ñộ của môi trường hấp thu (K)

Nếu gọi Aλ là cường ñộ của vạch phổ hấp thu nguyên tử, từ công thức (3) chúng ta có:

L N K I

I

Ở ñây A chính là ñộ tắt nguyên tử của chùm tia sáng cường ñộ Io sau khi qua môi trường hấp thu A phụ thuộc vào nồng ñộ nguyên tử N trong môi trường hấp thu và phụ thuộc cả vào bệ dầy L của lớp hấp thu (bề dầy chùm sáng ñi qua) Nhưng trong máy ño phổ hấp thu nguyên tử, thì chiều dài của ñèn nguyên tử hóa hay cuvet graphite

là không ñổi, nghĩa là L không ñổi, nên giá trị A chỉ còn phụ thuộc vào số nguyên tử N

có trong môi trường hấp thu Như vậy cường ñộ của vạch phổ hấp thu sẽ là:

kL

Với k = 2 . 303 Kv.L

Trong ñó K là hệ số thực nghiệm, nó phụ thuộc vào các yếu tố :

− Hệ số hấp thu nguyên tử Kv của vạch phổ hấp thu

− Nhiệt ñộ của môi trường hấp thu

− Bề dày của môi trường hấp thu L

Song công thức (6) chưa cho ta biết mối quan hệ giữa cường ñộ vạch phổ và nồng

ñộ C của nguyên tố phân tích trong mẫu Tức là qua hệ giữa N và C ðây chính là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích Nghiên cứu quá trình này, lí thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng, mối quan hệ giữa nồng ñộ N và nồng ñộ C trong mẫu phân tích ñược tính theo biểu thức sau:

b T

C n T Q

R n s W F N

10

F là tốc ñộ dẫn mẫu vào hệ thống nguyên tử hóa (ml/phút),

W là hiệu suất aerosol hóa mẫu

s là hiệu suất nguyên tử hóa

nRo là số phân tử khí ở nhiệt ñộ ban ñầu (ambient), To(K)

nT là số phân tử khí ở nhiệt ñộ T(K) của ngọn lửa nguyên tử hóa

Q là tốc ñộ của dòng khí mang mẫu vào buồng aerosol hóa (lít/phút)

C là nồng ñộ của nguyên tố phân tích có trong dung dịch mẫu

Phương trình (6) cho ta biết mối quan hệ giữa A và N, phương trình (7) cho ta biết mối quan hệ giữa N và C Mối quan hệ này rất phức tạp, nó phụ thuộc vào tất cả các ñiều kiện nguyên tử hóa mẫu, phụ thuộc vào thành phần vật lí, hóa học, trạng thái tồn tại của nguyên tố ở trong mẫu Nhưng nhiều kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, trong một giới hạn nhất ñịnh của nồng ñộ C, thì mối quan hệ giữa N và C có thể ñược biểu thị theo công thức:

− Vùng nồng ñộ Cx < Co, thì luôn luôn có b = 1, nghĩa là mối quan hệ giữa cường ñộ vạch phổ và nồng ñộ Cx của chất phân tích là tuyến tính có dạng của phương trình y =

ax

− Vùng nồng ñộ Cx > Co thì b luôn nhỏ hơn 1, tức là b tiến về 0, tất nhiên là không bằng 0 Như vậy trong vùng này mối quan hệ giữa cường ñộ vạch phổ và nồng ñộ Cxcủa chất phân tích là không tuyến tính

Nên Co ñược gọi là giới hạn trên của vùng tuyến tính

Hình 3: Mối quan hệ giữa cường ựộ vạch phổ Aλ và nồng ựộ chất Cx

AB: vùng tuyến tắnh (b=1)

BC: vùng không tuyến tắnh (b<1)

2.2.3 Những ưu và nhược ựiểm của phép do AAS:

Cũng như các phương pháp phân tắch khác, phương pháp phân tắch phổ hấp thu Ờ phát xạ nguyên tử cũng có những ưu ựiểm và nhược ựiểm nhất ựịnh Các ưu ựiểm và nhược ựiểm ựó là:

− Phép ựo phổ hấp thu Ờ phát xạ nguyên tử có ựộ nhạy và ựộ chọn lọc tương ựối cao Gần 60 nguyên tố hóa học có thể ựược xác ựịnh bằng phương pháp này với ựộ nhạy từ

10-4 ựến 10-5 % đặc biệt, nếu sử dụng kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa với phép

ựo phổ hấp thu nguyên tử thì có thể ựạt ựến ựộ nhạy 10-7% (bảng 1) Chắnh vì có ựộ nhạy cao, nên phương pháp phân tắch này ựã ựược sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ựể xác ựịnh lượng vết các kim loại đặc biệt là trong phân tắch các nguyên tố vi lượng trong các ựối tượng mẫu y học, sinh học, nông nghiệp, kiểm tra các hóa chất có

ựộ tinh khiết cao

− đồng thời cũng do có ựộ nhạy cao nên trong nhiều trường hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác ựịnh trước khi phân tắch Do ựó tốn ắt nguyên liệu mẫu, tốn ắt thời gian, không cần phải dùng nhiều hóa chất tinh khiết cao khi làm giàu mẫu Mặt khác cũng tránh ựược sự nhiễm bẩn mẫu khi xử lắ qua các giai ựoạn phức tạp đó cũng là một ưu ựiểm lớn của phép ựo phổ hấp thu Ờ phát xạ nguyên tử

Bảng 1: ðộ nhạy của các nguyên tố theo phương pháp AAS

− Ưu ñiểm thứ ba của phương pháp này là các ñộng tác thực hiện nhẹ nhàng Các kết quả phân tích lại có thể ghi lại trên băng giấy hay giản ñồ ñể lưu giữ lại sau này Cùng với các trang thiết bị hiện nay người ta có thể xác ñịnh ñồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu Các kết quả phân tích lại rất ổn ñịnh, sai số nhỏ Trong nhiều trường hợp sai số không quá 15% với vùng nồng ñộ cỡ 1 – 2 ppm Hơn nữa, bằng sự ghép nối với máy tính cá nhân (PC) và các phần mềm ñặc hợp quá trình ño và

xử lí kết quả sẽ nhanh và dễ dàng, lưu lại ñường chuẩn cho các lần sau

Bên cạnh những ưu ñiểm, phép ño phổ hấp thu-phát xạ nguyên tử cũng có một số hạn chế và nhược ñiểm nhất ñịnh ðiều hạn chế trước hết là muốn thực hiện phép ño này cần phải có một hệ thống máy AAS hay AES tương ñối ñắt tiền Do ñó nhiều cơ

sở nhỏ không ñủ ñiều kiện ñể xây dựng phòng thí nghiệm và mua sắm máy móc

Mặt khác, cũng chắnh do phép ựo có ựộ nhạy cao, cho nên sự nhiễm bẩn rất có ý nghĩa ựối với kết quả phân tắch hàm lượng vết Vì thế môi trường không khắ phòng thắ nghiệm phải không có bụi Các dụng cụ, hóa chất dùng trong phép ựo phải có ựộ tinh khiết cao đó cũng là một khó khăn khi ứng dụng phương pháp phân tắch này Mặt khác, cũng vì phép ựo có ựộ nhạy cao nên các trang thiết bị máy móc khá tinh vi và phức tạp Do ựó cần phải có kĩ sư có trình ựộ cao ựể bảo dưỡng và chăm sóc, cần cán

bộ làm phân tắch công cụ thành thạo ựể vận hành máy Những yếu tố này có thể khắc phục ựược qua công tác chuẩn bị và ựào tạo cán bộ

Nhược ựiểm chắnh của phương pháp phân tắch này là chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố của chất ở trong mẫu phân tắch mà không chỉ ra trạng thái liên kết của nguyên tố ở trong mẫu Vì thế nó chỉ là phương pháp phân tắch thành phần hóa học của nguyên tố mà thôi

2.2.4 đối tượng và phạm vi ứng dụng của phương pháp hấp thu Ờ phát xạ nguyên tử:

đối tượng chắnh của phương pháp phân tắch theo phổ hấp thu nguyên tử là phân tắch lượng nhỏ (lượng vết) các kim loại trong các loại mẫu khác nhau của các chất vô

cơ và hữu cơ Với các trang bị và kĩ thuật hiện nay, bằng phương pháp phân tắch này người ta có thể ựịnh lượng ựược hầu hết các kim loại (khoảng 65 nguyên tố) và một số

á kim ựến giới hạn nồng ựộ cỡ ppm (microgam) bằng kĩ thuật F-AAS, và ựến nồng ựộ ppb (nanogam) bằng kĩ thuật ETA-AAS với sai số không lớn hơn 15%

Trong khoảng 10 năm trở lại ựây, phương pháp phân tắch phổ hấp thu nguyên tử ựã ựược sử dụng ựể xác ựịnh các kim loại trong các mẫu quặng, ựất, ựá, nước khoáng, các mẫu của y học, sinh học, các sản phẩm nông nghiệp, rau quả, thực phẩm, nước uống, các nguyên tố vi lượng trong phân bón, trong thức ăn gia súc, v.v Ở nhiều nước trên thế giới, nhất là các nước phát triển, phương pháp phân tắch phổ hấp thu nguyên tử ựã trở thành một phương pháp tiêu chuẩn ựể ựịnh lượng nhiều kim loại

kim, các chất hữu cơ không có phổ hấp thu nguyên tử phải xác ựịnh theo cách gián tiếp thông qua một kim loại có phổ hấp thu nguyên tử nhạy nhờ một phản ứng hóa học trung gian có tắnh chất ựịnh lượng, như phản ứng tạo kết tủa không tan, tạo phức, ựẩy kim loại, hay hoà tan kim loại, v.v giữa kim loại ựo phổ và chất cần phân tắch đây là một ựối tượng mới, phong phú ựang ựược nghiên cứu và phát triển

2.3 Nguyên tắc và trang bị của phép ựo:

Phương pháp phân tắch dựa trên cơ sở ựo phổ hấp thu hay phát xạ nguyên tử của một nguyên tố ựược gọi là phép ựo phổ hấp thu Ờ phát xạ nguyên tử Như trên ựã ựề cập, cơ sở lắ thuyết của phép ựo này là sự hấp thu năng lượng (bức xạ ựơn sắc) của nguyên tử tự do ở trong trạng thái hơi (khắ) khi chiếu chùm tia bức xạ qua ựám hơi của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thu Vì thế muốn thực hiện ựược phép ựo phổ hấp thu nguyên tử của một nguyên tố cần thực hiện các quá trình sau ựây:

− Chọn các ựiều kiện và một loại trang bị phù hợp ựể chuyển mẫu phân tắch từ trạng

thái ban ựầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do đó là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu Những trang bị ựể thực hiện quá trình này

ựược gọi là hệ thống nguyên tử hóa mẫu (dụng cụ ựể nguyên tử hóa mẫu) Nhờ ựó chúng ta có ựược ựám hơi của các nguyên tử tự do của các nguyên tố trong mẫu phân tắch đám hơi chắnh là môi trường hấp thu bức xạ và sinh ra phổ hấp thu nguyên tử

− Chiếu chùm tia sáng bức xạ ựặc trưng của nguyên tố cần phân tắch qua ựám hơi nguyên tử vừa ựiều chế ựược ở trên Các nguyên tử của nguyên tố cần xác ựịnh trong ựám hơi ựó sẽ hấp thu những tia bức xạ nhất ựịnh và tạo ra phổ hấp thu của nó Ở ựây, phần cường ựộ của chùm tia sáng ựã bị một loại nguyên tử hấp thu là phụ thuộc vào nồng ựộ của nó ở môi trường hấp thu Nguồn cung cấp chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần nghiên cứu gọi là nguồn phát bức xạ ựơn sắc hay bức xạ cộng hưởng

− Tiếp ựó, nhờ một hệ thống máy quang phổ người ta thu toàn bộ chùm sáng, phân li

và chọn một vạch phổ hấp thu của nguyên tố cần nghiên cứu ựể ựo cường ựộ của nó Cường ựộ ựó chắnh là tắn hiệu hấp thu của vạch phổ hấp thu nguyên tử Trong một giới hạn nhất ựịnh của nồng ựộ C, giá trị cường ựộ này phụ thuộc tuyến tắnh vào nồng ựộ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tắch theo phương trình (9)

Ba quá trình trên chắnh là nguyên tắc của phép ựo phổ hấp thu nguyên tử Vì vậy, muốn thực hiện phép ựo phổ hấp thu nguyên tử, hệ thống máy ựo phổ hấp thu nguyên

tử phải bao gồm các phần cơ bản sau ựây:

− Phần 1: Nguồn phát tia phát xạ cộng hưởng của nguyên tố phân tắch (vạch phổ phát

xạ ựặc trưng của nguyên tố cần phân tắch), ựể chiếu vào môi trường hấp thu chứa các nguyên tử tự do của nguyên tố đó là các ựèn canh rỗng (HCL), các ựèn phóng ựiện không ựiện cực (EDL), hay nguồn phát bức xạ liên tục ựã ựược biến ựiệu

− Phần 2: Hệ thống nguyên tử hóa mẫu phân tắch Hệ thống này ựược chế tạo theo

hai loại kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu đó là kĩ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa ựèn khắ (lúc này ta có phép ựo F-AAS) và kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa (lúc này

ta có phép ựo ETA-AAS)

Trong kĩ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa, hệ thống này bao gồm:

Bộ phận dẫn mẫu vào buồng aerosol hóa và thực hiện quá trình aerosol hóa mẫu (tạo thể sol khắ)

đèn ựể nguyên tử hóa mẫu (Burner head) ựể ựốt cháy hỗn hợp khắ có chứa mẫu ở thể huyền phù sol khắ (hình 4)

Ngược lại, khi nguyên tử hóa mẫu bằng kĩ thuật không ngọn lửa, người ta thường dùng một lò nung nhỏ bằng graphite (cuvet graphite) hay thuyền Tangtan (Ta) ựể nguyên tử hóa mẫu nhờ nguồn năng lượng ựiện có thế thấp (nhỏ hơn 12 V) nhưng nó

có dòng rất cao (50 Ờ 800 A)

Hình 4: Hệ thống nguyên tử hóa mẫu trong ngọn lửa

(1) đèn nguyên tử hóa mẫu

(2) Màng bảo hiểm

(3) đường thải phần mẫu thừa

(4) đường dẫn chất oxi hóa

(5) đường dẫn mẫu vào buồng aerosol hóa

(6) đường dẫn chất cháy C2H2 (7) Viên bi tạo bụi aerosol

− Phần 3: Hệ thống máy quang phổ hấp thu, nó là bộ ựơn sắc, có nhiệm vụ thu, phân

li và chọn tia sáng (vạch phổ) cần ựo hướng vào nhân quang ựiện ựể phát hiện tắn hiệu hấp thu AAS của vạch phổ

− Phần 4: Hệ thống chỉ thị tắn hiệu hấp thu của vạch phổ (tức là cường ựộ của vạch

phổ hấp thu hay nồng ựộ nguyên tố phân tắch) Hệ thống có thể là các trang bị:

đơn giản nhất là một ựiện kế chỉ năng lượng hấp thu (E) của vạch phổ,

Một máy tự ghi lực của vạch phổ,

Hoặc bộ hiện số digital,

Hay bộ máy tắnh và máy in (printer)

Hoặc máy phân tắch (intergrator)

Với các máy hiện ựại còn có thêm một microcomputer hay microprocessor, và hệ thống phần mềm Loại trang bị này có nhiệm vụ ựiều khiển quá trình ựo và xử lắ các kết quả ựo ựạc, vẽ ựồ thị, tắnh nồng ựộ của mẫu phân tắch, v.v Một cách tóm tắt, chúng ta có thể minh hoạ một hệ thống máy ựo phổ hấp thu nguyên tử như sơ ựồ trong hình 5

Hình 5: Sơ ựồ nguyên tắc cấu tạo hệ thống máy AAS

a) Hệ 1 chùm tia; b) Hệ 2 chùm tia 1- Nguồn phát tia bức xạ ựơn sắc

2- Hệ thống nguyên tử hóa mẫu

Mục ựắch của quá trình này là tạo ra ựược ựám hơi các nguyên tử tự do từ mẫu phân tắch với hiệu suất cao và ổn ựịnh ựể phép ựo ựạt kết quả chắnh xác và có ựộ lặp lại cao đáp ứng mục ựắch ựó, ựể nguyên tử hóa mẫu phân tắch, ngày nay người ta

thường dùng hai kĩ thuật Thứ nhất là kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu trong ngọn lửa ựèn khắ Kĩ thuật này ra ựời ựầu tiên cùng với sự ra ựời của phép ựo phổ hấp thu nguyên tử Nhưng kĩ thuật này có ựộ nhạy không cao, thường là trongvùng 0.05 Ờ 1 ppm (bảng 1) Sau ựó là kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa Kĩ thuật này ra ựời sau, nhưng lại có

ựộ nhạy rất cao ựạt ựến 0.1ng (bảng 1) và hiện nay lại ựược ứng dụng nhiều hơn kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa Chắnh vì có hai kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu khác nhau nên chúng ta cũng có hai phép ựo tương ứng đó là phép ựo phổ hấp thu nguyên tử trong ngọn lửa (F-AAS: Flame Atomic Absorpt Ion Spectrophotometry) và phép ựo phổ hấp thu nguyên tử không ngọn lửa (Electro-Thermal Atomizat Ion Atomic Absorpt Ion Spectrophotometry: ETA- AAS)

Trong bài thắ nghiệm này ta sử dụng kỹ thuật nguyên tử hóa ngọn lửa

Theo kĩ thuật này người ta dùng năng lượng nhiệt của ngọn lửa ựèn khắ ựể hóa hơi

và nguyên tử hóa mẫu phân tắch Vì thế mọi quá trình xảy ra trong khi nguyên tử hóa mẫu phụ thuộc vào các ựặc trưng và tắnh chất của ngọn lửa ựèn khắ, nhưng chủ yếu là nhiệt ựộ của ngọn lửa đó là yếu tố quyết ựịnh hiệu suất nguyên tử hóa mẫu phân tắch,

và mọi yếu tố ảnh hưởng ựến nhiệt ựộ của ngọn lửa ựèn khắ ựều ảnh hưởng ựến kết quả

2.3.1.2 Yêu cầu và nhiệm vụ của ngọn lửa:

Trong phép ựo phổ hấp thu nguyên tử, ngọn lửa là môi trường hấp thu Nó có nhiệm vụ hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tắch, tạo ra ựám hơi của các nguyên tử tự

do có khả năng hấp thu bức xạ ựơn sắc ựể tạo ra phổ hấp thu nguyên tử Vì thế ngọn lửa ựèn khắ muốn dùng vào mục ựắch ựể hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tắch cần phải thoả mãn một số yêu cầu nhất ựịnh sau ựây:

− Ngọn lửa ựèn khắ phải làm nóng ựều ựược mẫu phân tắch, hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tắch với hiệu suất cao, ựể bảo ựảm cho phép phân tắch ựạt ựộ chắnh xác và

− Yêu cầu thứ ba là ngọn lửa phải thuần khiết, nghĩa là không sinh ra các vạch phổ phụ làm khó khăn cho phép ựo hay tạo ra phổ nền quá lớn quấy rối phép ựo Quá trình Ion hóa và phát xạ phải không ựáng kể vì quá trình này làm mất các nguyên tử tự do tạo ra phổ hấp thu nguyên tử

− Một yêu cầu nữa là ngọn lửa phải có bề dày ựủ lớn ựể có ựược lớp hấp thu ựủ dầy làm tăng ựộ nhạy của phép ựo đồng thời bề dày của lớp hấp thu lại có thể thay ựổi ựược khi cần thiết, ựể ựo ở nồng ựộ lớn Trong các máy hiện nay, bề dày này có thể thay ựổi ựược từ 2 Ờ 10 cm

− Tiêu tốn ắt mẫu phân tắch

để tạo ra ngọn lửa, người ta có thể ựốt cháy nhiều hỗn hợp khắ khác nhau, bao gồm một khắ oxy hóa và một khắ cháy, trong các ựèn khắ thắch hợp Nhưng với những yêu cầu ựã nói trên thì chỉ có một vài loại ựèn khắ là tạo ra ựược ngọn lửa tương ựối phù hợp cho phép ựo phổ hấp thu nguyên tử đó là những môi trường nguyên tử hóa mẫu tương ựối bền vững và kinh tế (bảng 2) đặc biệt ựược ứng dụng nhiều nhất trong phép

ựo AAS là ngọn lửa của ựèn khắ ựược ựốt bằng hỗn hợp khắ: (axetylen và không khắ nén) hay ngọn lửa của ựèn khắ (N2O và axetylen), hay (hydro và axetylen)

Bảng 2a và 2b là một số vắ dụ về nhiệt ựộ của ngọn lửa một số ựèn khắ ựược dùng trong phép ựo AAS (Ox: chất oxy hóa; K.K: không khắ.)

Bảng 2a: Quan hệ giữa nhiệt ựộ và loại khắ ựốt

Bảng 2b: Thành phần khắ và nhiệt ựộ ngọn lửa

2.3.1.3 đặc ựiểm và cấu tạo của ngọn lửa ựèn khắ:

Nhiệt ựộ là một thông số ựặc trưng của ngọn lửa ựèn khắ Nhiệt ựộ ngọn lửa của một loại ựèn khắ phụ thuộc rất nhiều vào bản chất và thành phần của chất khắ ựược ựốt cháy ựể tạo ra ngọn lửa, nghĩa là ứng với mỗi một hỗn hợp khắ cháy, ngọn lửa sẽ có một nhiệt ựộ xác ựịnh và khi thành phần khắ cháy thay ựổi thì nhiệt ựộ ngọn lửa cũng

bị thay ựổi (bảng 2a và 2b) Ngoài yếu tố trên, tốc ựộ dẫn của hỗn hợp khắ vào ựèn ựể ựốt cháy cũng ảnh hưởng ựến nhiệt ựộ của ngọn lửa và qua ựó mà ảnh hưởng ựến cường ựộ của vạch phổ

Xét về cấu tạo, ngọn lửa ựèn khắ gồm ba phần chắnh (hình 6):

− Phần a: Là phần tối của ngọn lửa Trong phần này hỗn hợp khắ ựược trộn ựều và

ựốt nóng cùng với các hạt sol khắ (thể aerosol) của mẫu phân tắch Phần này có nhiệt

ựộ thấp (700 Ờ 1200oC) Dung môi hòa tan mẫu sẽ bay hơi trong phần này và mẫu ựược sấy nóng

− Phần b: Là vùng trung tâm của ngọn lửa Phần này có nhiệt ựộ cao, nhất là ở ựỉnh

b, và thường không có màu hoặc có màu xanh rất nhạt Trong phần này hỗn hợp khắ ựược ựốt cháy tốt nhất và không có phản ứng thứ cấp Vì thế trong phép ựo phổ hấp thu nguyên tử người ta phải ựưa mẫu vào phần này ựể nguyên tử hóa và thực hiện phép

ựo, nghĩa là nguồn ựơn sắc phải chiếu qua phần này của ngọn lửa

− Phần c: Là vỏ và ựuôi của ngọn lửa Vùng này có nhiệt ựộ thấp, ngọn lửa có mầu

vàng và thường xảy ra nhiều phản ứng thứ cấp không có lợi cho phép ựo phổ hấp thu nguyên tử Chắnh do các ựặc ựiểm và cấu tạo ựó nên trong mỗi phép phân tắch cần phải khảo sát ựể chọn ựược các ựiều kiện phù hợp, như thành phần và tốc ựộ của hỗn hợp khắ cháy tạo ra ngọn lửa, chiều cao của ngọn lửa, v.v

Hình 6: Cấu tạo của ngọn lửa ựèn khắ

2.3.1.4 Trang bị ựể nguyên tử hóa mẫu:

Muốn thực hiện phép ựo phổ hấp thu nguyên tử (F-AAS), trước hết phải chuẩn bị mẫu phân tắch ở trạng thái dung dịch Sau ựó dẫn dung dịch mẫu vào ngọn lửa ựèn khắ

ựể hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tắch và thực hiện phép ựo Quá trình nguyên tử hóa trong ngọn lửa gồm hai bước kế tiếp nhau Bước một là chuyển dung dịch mẫu phân tắch thành thể các hạt nhỏ như sương mù trộn ựều với khắ mang và khắ cháy đó

là các hạt sol khắ (thể aerosol) Quá trình này ựược gọi là quá trình aerosol hóa hay nebulize hóa Kĩ thuật thực hiện quá trình này và hiệu suất của nó ảnh hưởng trực tiếp ựến kết quả của phép ựo AAS

Sau ựó dẫn hỗn hợp aerosol cùng hỗn hợp khắ ựốt vào ựèn (burner head) ựể nguyên

tử hóa Khắ mang là một trong hai khắ ựể ựốt cháy tạo ra ngọn lửa Thông thường

người ta hay dùng khắ oxy hóa (không khắ nén hay khắ N2O) Hai giai ựoạn trên ựược thực hiện bằng một hệ thống trang bị nguyên tử hóa mẫu (hình 4) Hệ thống này gọi là Nebulizer System, gồm hai phần chắnh:

− đèn nguyên tử hóa mẫu (burner head) Các ựèn này thường có hai dạng khác nhau, hoặc hình tròn có nhiều lỗ hay hình một khe hẹp có ựộ rộng từ 0.5 Ờ 1.0 mm và chiều dài 5 cm hay 10 cm

Loại khe dài 10 cm cho hỗn hợp khắ ựốt axetylen và không khắ nén; loại khe dài 5

cm là cho hỗn hợp khắ ựốt axetylen và khắ N2O (hình 7) Còn loại miệng tròn chỉ thắch hợp cho phép ựo phổ phát xạ

Hình 7: Các loại ựèn ựể nguyên tử hóa mẫu

− Phần hai là buồng aerosol hóa mẫu đó là buồng ựể ựiều chế các hạt sol khắ của mẫu với khắ mang để thực hiện công việc này người ta áp dụng hai kĩ thuật theo nguyên lắ khác nhau đó là kĩ thuật pneumatic-mao dẫn (phun khắ) và kĩ thuật ultrasonic (siêu âm) Do ựó cũng có hai loại hệ trang bị khác nhau (hình 8) ựể ựiều chế sol khắ của mẫu

Hình 8: Hệ thống tạo sol khắ (nebulize) theo kĩ thuật pneumatic

K: Khắ mang (oxy hóa)

Aerosol hóa mẫu theo kĩ thuật pneumatic-mao dẫn:

Theo cách này người ta dùng hệ thống nebulize và khắ mang ựể tạo ra thể sợi khắ của mẫu phân tắch nhờ hiện tượng mao dẫn (hình 8)

Trước hết nhờ ống mao dẫn S và dòng khắ mang K mà dung dịch mẫu ựược dẫn vào buồng aerosol hóa Trong buồng này, dung dịch mẫu ựược ựánh tung thành thể bụi (các hạt rất nhỏ) nhờ quả bi E và cánh quạt Q, rồi ựược trộn ựều với hỗn hợp khắ ựốt

và ựược dẫn lên ựèn nguyên tử hóa (burner head)

Khi hỗn hợp khắ ựốt cháy ở burner head sẽ tạo ra ngọn lửa, dưới tác dụng của nhiệt của ngọn lửa các phần tử mẫu ở thể sợi khắ sẽ bị hóa hơi và nguyên tử hóa tạo ra các nguyên tử tự do của các nguyên tố có trong mẫu phân tắch

đó là những phần tử hấp thu năng lượng và tạo phổ hấp thu nguyên tử của nguyên

tố cần nghiên cứu

Nhưng cần chú ý rằng, ngoài ảnh hưởng của thành phần khắ ựốt và tốc ựộ dẫn hỗn hợp khắ ựến cường ựộ vạch phổ, thì tốc ựộ dẫn dung dịch mẫu vào buồng aerosol hóa cũng ảnh hưởng ựáng kể ựến cường ựộ vạch phổ (bảng 3)

Tốc ựộ dẫn mẫu phụ thuộc vào nhiều yếu tố và ựược tắnh gần ựúng theo công thức:

η

π

8

)

/

(

L

P r ph

ml

Trong ựó:

r- bán kắnh của ống mao dẫn ựể dẫn mẫu;

P- chênh lệch áp suất giữa hai ựầu ống mao dẫn;

L- chiều dài ống mao dẫn;

η- độ nhớt của dung dịch mẫu (g.cm.s)

Nghĩa là tốc ựộ dẫn mẫu V phụ thuộc vào các tham số r, P, L và η Nhưng trong một hệ thống máy thì r và L thường là cố ựịnh, P ựược giữ không ựổi, cho nên V chỉ còn phụ thuộc chủ yếu vào ựộ nhớt η của dung dịch mẫu

Aerosol hóa mẫu bằng siêu âm:

Theo kĩ thuật này, ựể aerosol hóa mẫu phân tắch người ta dùng hệ thống siêu âm có tần số từ 1 Ờ 4.5 MHz Lực siêu âm có thể ựược truyền qua tướng rắn hay qua thể lỏng ựến dung dịch mẫu ựể thực hiện việc aerosol hóa mẫu, nghĩa là dưới tác dụng của lực siêu âm, mẫu dung dịch cũng ựược phân tán (ựánh tơi) thành những hạt rất nhỏ và trộn ựều với hỗn hợp khắ ựể dẫn lên ựèn (burner head) nguyên tử hóa Ở ựây ựường kắnh (d) của các hạt sol khắ ựược tắnh theo công thức:

2

4

F Di

s

(10) Trong ựó:

s: sức căng bề mặt của dung dịch mẫu

Di: tỉ trọng của dung dịch mẫu

F: tần số của máy phát siêu âm

Như vậy, muốn có các hạt aerosol nhỏ thì phải sử dụng tần số siêu âm cao

Tần số và công suất của máy phát siêu âm ñều ảnh hưởng ñến kích thước của hạt aerosol (hình 9) Trong hai kĩ thuật aerosol hóa, thì kỹ thuật pneumatic là ñơn giản, trang bị rẻ tiền, không phức tạp như kĩ thuật siêu âm Nhưng kĩ thuật siêu âm có ưu ñiểm cho ñộ nhạy cao hơn Vì kích thước các hạt sol khí khá nhỏ, hiệu suất tạo sol khí cao và quá trình aerosol ít phụ thuộc vào khí mang và quá trình dẫn mẫu ðặc biệt

là việc aerosol hóa các dung dịch mẫu có nồng ñộ muối cao thì nó ưu việt hơn kĩ thuật pneumatic Mặt khác, sự aerosol hóa bằng siêu âm thường cho ñộ lặp lại tốt hơn (bảng 3)

Bảng 3: ðộ nhạy theo hai kĩ thuật aerosol hóa mẫu

Hình 9: Ảnh hưởng tần số và công suất máy siêu âm

2.3.1.5 Những quá trình xảy ra trong ngọn lửa:

Ngọn lửa là môi trường nguyên tử hóa mẫu của phép ño phổ hấp thu nguyên tử (F- AAS) Trong ngọn lửa có nhiều quá trình ñồng thời xảy ra: có quá trình chính và cũng

có quá trình phụ (thứ cấp) Trong ñó nhiệt ñộ của ngọn lửa là yếu tố quyết ñịnh mọi diễn biễn của các quá trình ñó

Trước hết, khi mẫu ở thể sợi khí ñược dẫn lên ñèn nguyên tử hóa, dưới tác dụng nhiệt của ngọn lửa, ở miệng ñèn, là sự bay hơi của dung môi hoà tan mẫu và các chất hữu cơ (nếu có) trong thể sợi khí Như vậy mẫu còn lại là các hạt bột mẫu rất nhỏ mịn

(các muối của các chất) trong ngọn lửa, và nó ựược dẫn tiếp vào vùng trung tâm ngọn lửa Tiếp ựó sự nung nóng, nóng chảy, các quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa của các hạt mẫu bột khô ựó Ở ựây các chất sẽ có các quá trình chắnh sinh ra phổ và quá trình phụ không sinh ra phổ diễn biến theo tắnh chất nhiệt hóa của chất mẫu

Các quá trình chắnh:

Xảy ra thường theo hai cơ chế chắnh:

− Nếu năng lượng (nhiệt ựộ) hóa hơi (Eh) của các hợp phần có trong mẫu nhỏ hơn năng lượng nguyên tử hóa (Ea) của nó, tức là Eh<Ea, thì trước hết các hợp phần này sẽ hóa hơi ở dạng phân tử Sau ựó các phân tử khắ này mới bị phân li (nguyên tử hóa) thành các nguyên tử tự do (cơ chế I) Hoặc cũng có thể chúng không bị phân li thành các nguyên tử tự do, nếu ựó là các hợp chất bền nhiệt

− Ngược lại, nếu năng lượng phân li Ea của các hợp phần của mẫu nhỏ hơn năng lượng hóa hơi Eh của chắnh nó, thì trước hết các hợp phần ựó sẽ bị phân li thành các nguyên tử tự do, rồi sau ựó mới hóa hơi (cơ chế II)

cơ chế I ưu việt và có lợi hơn

đó là hai cơ chế của quá trình nguyên tử hóa mẫu phân tắch (quá trình chắnh) trong ngọn lửa ựèn khắ Nó là những quá trình chắnh ựể tạo ra các nguyên tử tự do quyết ựịnh cường ựộ của vạch phổ hấp thu nguyên tử của nguyên tố phân tắch Yếu tố quyết ựịnh các quá trình này là:

− Nhiệt ựộ của ngọn lửa

− Bản chất của chất mẫu và thành phần của mẫu

− Tác dụng ảnh hưởng của chất phụ gia thêm vào mẫu

Các quá trình phụ:

Bên cạnh các quá trình chắnh, trong ngọn lửa ựèn khắ thường còn có một số quá trình phụ Các quá trình phụ này thường ảnh hưởng ựến cường ựộ vạch phổ trong những mức ựộ khác nhau, như làm giảm cường ựộ của vạch phổ, nó xảy ra như thế nào

là tùy thuộc vào nhiệt ựộ của ngọn lửa và thành phần của mẫu, vắ dụ như:

− Sự ion hóa của nguyên tố phân tích Quá trình này xảy ra dễ dàng ñối với các nguyên tố có thế ion hóa thấp và mức ñộ bị ion hóa của một loại nguyên tử là tùy thuộc vào nhiệt ñộ của ngọn lửa và thế ion hóa của nguyên tố ñó Nếu thế ion hóa càng nhỏ, thì nó bị ion hóa càng nhiều Vì thế quá trình này có ý nghĩa rất lớn ñối với các kim loại kiềm và sau ñó là các kiềm thổ (bảng 4)

Bảng 4: Mức ñộ bị ion hóa của các nguyên tố theo nhiệt ñộ ngọn lửa và thế ion hóa

của nó

Như vậy, quá trình ion hóa là làm giảm số nguyên tử tự do trong ngọn lửa, có nghĩa

là làm giảm cường ñộ của vạch phổ hấp thu Vì thế cần phải hạn chế ảnh hưởng này, bằng cách chọn các ñiều kiện phù hợp giữ cho nhiệt ñộ của ngọn lửa ổn ñịnh và không quá lớn ñể xảy ra sự ion hóa nguyên tố phân tích; hoặc thêm vào mẫu anion của một nguyên tố kim loại có thế ion hóa thấp hơn thế ion hóa của nguyên tố phân tích ñể hạn chế quá trình ion hóa của nguyên tố phân tích

Sự phát xạ: ðồng thời với quá trình ion hóa, còn có sự kích thích phổ phát xạ của

các nguyên tử tự do của nguyên tố phân tích dưới tác dụng nhiệt của ngọn lửa Số nguyên tử bị kích thích và mức ñộ bị kích thích phổ phát xạ cũng phụ thuộc vào năng lượng kích thích phổ phát xạ của từng nguyên tố Nguyên tố nào có năng lượng kích thích phổ phát xạ càng nhỏ thì sẽ bị kích thích càng nhiều (bảng 5) Nhiệt ñộ của ngọn lửa càng cao thì cũng bị kích thích càng nhiều ðể loại trừ yếu tố ảnh hưởng này, người ta cũng thêm vào mẫu anion của các nguyên tố kim loại có thế kích thích phổ phát xạ thấp hơn nguyên tố phân tích, ñể quá trình này chỉ xảy ra với nguyên tố thêm vào ñó

Bảng 5 cũng cho chúng ta thấy rằng, trong ngọn lửa có nhiệt ñộ dưới 30000C thì khả năng bị kích thích phổ phát xạ là không lớn và nếu có cũng chỉ giữ vai trò quan trọng ñối với các kim loại kiềm mà thôi

Sự hấp thu của phân tử: Trong ngọn lửa, ngoài các nguyên tử tự do cũng còn có

cả các ion và các phân tử ở trạng thái hơi Các phần tử này tùy theo tính chất của nó và cũng tùy thuộc vào nhiệt ñộ của ngọn lửa, vùng phổ ta quan sát, mà còn có sự hấp thu năng lượng, sự ion hóa hay sự kích thích phổ của chính các phần tử ñó Những quá

trình này, tuy là quá trình phụ nhưng cũng có trường hợp có ảnh hưởng ựến cường ựộ vạch phổ của nguyên tố phân tắch Thêm vào ựó là sự hấp thu của các hạt mẫu rắn chưa bị hóa hơi Yếu tố này gọi là sự hấp thu giả

Bảng 5: Mức ựộ bị kắch thắch phổ phát xạ của các nguyên tố - ứng với nhiệt ựộ

khác nhau

Sự tạo thành hợp chất bền nhiệt Trong ngọn lửa ựèn khắ, một số kim loại có thể hình thành các hợp chất bền nhiệt kiểu monoxide dạng MeO, như AlO, Bao, MgO, Beo, ZrO, Loại hợp chất này rất bền, khi ựã hình thành thì khó phân li thành các nguyên tử tự do trong ngọn lửa ựèn khắ Vì thế làm giảm ựộ nhạy của phép ựo

Các quá trình phụ tuy có mức ựộ khác nhau, nhưng trong một mối tương quan nhất ựịnh trong ngọn lửa, ựặc biệt là nhiệt ựộ ngọn lửa, thì tất cả các quá trình ựó ựều có thể xảy ra cùng với các quá trình chắnh của phép ựo F-AAS Do ựó ựiều quan trọng ựối với chúng ta là phải chọn các ựiều kiện phù hợp ựể hạn chế ựến mức nhỏ nhất các quá trình phụ và giữ cho nó không ựổi suốt trong một phép ựo xác ựịnh một nguyên tố đó

là một phần của công việc tối ưu hóa các ựiều kiện cho phép ựo phổ hấp thu nguyên

2 Quá trình aerosol hóa

mẫu tạo ra thể sol khắ

3 Hóa hơi, nguyên tử

4

Sự phân li, kắch thắch, hấp thu, Ion hóa, phát

xạ

5 Sự khử oxy của oxide

bởi carbon

MeO + C → Me + CO

6

Các phản ứng hóa học phụ khác (hợp chất bền nhiệt monoxide)

Me + O → Meo

Me + C → MeCx

Hình 10: Sơ ñồ các quá trình trong ngọn lửa

M1: Kim loại phân tích; M2: Các kim loại khác trong mẫu; A: Anion không oxy;

AxOz: Anion có oxy; Mo: Kim loại tự do trạng thái hơi; x, y và z nhận giá trị 1, 2, 3, 4,

2.3.2 Nguồn phát bức xạ ñơn sắc:

Muốn thực hiện ñược phép ño phổ hấp thu nguyên tử người ta cần phải có một nguồn phát tia bức xạ ñơn sắc (tia phát xạ cộng hưởng) của nguyên tố cần phân tích ñể chiếu qua môi trường hấp thu Nguồn phát tia bức xạ ñơn sắc trong phép ño phổ hấp

thu nguyên tử thường là các ựèn canh rỗng (HCL), các ựèn phóng ựiện không ựiện cực (EDL) và các ựèn phổ liên tục có biến ựiệu (ựã ựược ựơn sắc hóa) Nhưng dù là loại nào, nguồn phát tia bức xạ ựơn sắc trong phép ựo phổ AAS cũng phải thỏa mãn ựược những yêu cầu tối thiểu sau ựây mới có thể chấp nhận ựược:

− Nguồn phát tia bức xạ ựơn sắc phải tạo ra ựược các tia phát xạ nhạy (các vạch phát

xạ nhạy, ựặc trưng) của nguyên tố cần phân tắch Chùm tia phát xạ ựó phải có cường

ựộ ổn ựịnh, phải lặp lại ựược trong nhiều lần ựo khác nhau trong cùng ựiều kiện, phải ựiều chỉnh ựược với cường ựộ mong muốn cho mỗi phép ựo

− Nguồn phát tia bức xạ phải cung cấp ựược một chùm tia phát xạ thuần khiết chỉ bao gồm một số vạch nhạy ựặc trưng của nguyên tố phân tắch Phổ nền của nó phải không ựáng kể Có như thế mới hạn chế ựược những ảnh hưởng về vật lắ và về phổ cho phép

ựo AAS

− Chùm tia phát xạ ựơn sắc do nguồn ựó cung cấp phải có cường ựộ cao, nhưng lại phải bền vừng theo thời gian và phải không bị các yếu tố vật lắ khác nhiễu loạn, ắt bị ảnh hưởng bởi các dao ựộng của ựiều kiện làm việc

− Nguồn phát tia bức xạ ựơn sắc phải bền lâu, không quá ựắt tiền và không quá phức tạp cho người sử dụng

Tất nhiên trong 4 yêu cầu trên thì 3 yêu cầu ựầu tiên là quan trọng nhất và bắt buộc phải thỏa mãn, ựể cho phép ựo ựạt kết quả chắnh xác, ổn ựịnh và tin tưởng Riêng yêu cầu thứ 4 thì có thể châm chước ựược trong những trường hợp cụ thể nhất ựịnh

Xuất phát từ những nhiệm vụ và yêu cầu phải thỏa mãn, hiện nay trong phép ựo phổ hấp thu nguyên tử, người ta thường dùng chủ yếu ba loại nguồn phát tia bức xạ ựơn sắc đó là:

− đèn cathode rỗng (HCL - Hollow Cathode Lamp)

− đèn phóng ựiện không ựiện cực (EDL- Electrodeless Discharge Lamp),

− đèn phát phổ liên tục ựã ựược biến ựiệu (D2-lamp, W-lamp)

− Các loại nguồn ựơn sắc khác

Trong ba loại ựó, ựèn HCL ựược dùng phổ biến nhất đèn phát phổ liên tục mới ựược phát triển và sử dụng trong vài năm nay, nhưng lại có nhiều ưu việt trong các máy nhiều kênh và quá trình phân tắch tự ựộng liên tiếp nhiều nguyên tố, tuy nhiên giá thành còn ựắt và ựộ nhạy còn kém nên chưa ựược dùng phổ biến

đèn cathode rỗng (HCL):

đèn phát tia bức xạ ựơn sắc ựược dùng sớm nhất và phổ biến nhất trong phép ựo

†S là ựèn cathode rỗng (HCL) đèn này chỉ phát ra những tia phát xạ nhạy của nguyên

tố kim loại làm cathode rỗng Các vạch phát xạ nhạy của một nguyên tố thường là các vạch cộng hưởng Vì thế ựèn cathode rỗng cũng ựược gọi là nguồn phát tia bức xạ cộng hưởng Nó là phổ phát xạ của các nguyên tố trong môi trường khắ kém

Về cấu tạo, ựèn cathode rỗng gồm có ba phần chắnh:

− Phần 1 là thân ựèn và cửa sổ,

− Phần 2 là các ựiện cực cathode và anode, và

− Phần 3 là khắ chứa trong ựèn đó là khắ trơ He, Ar hay N2

− Thân và vỏ Thân ựèn gồm có vỏ ựèn, cửa sổ và bệ ựỡ các ựiện cực anode và cathode Bệ ựỡ bằng nhựa PVC Thân và vỏ ựèn bằng thuỷ tinh hay thạch anh Vỏ ựèn

có hai dạng (hình 11)

Cửa sổ S của ựèn có thể là thuỷ tinh hay thạch anh trong suốt trong vùng UV hay VIS là tùy thuộc vào loại ựèn của từng nguyên tố phát ra chùm tia phát xạ nằm trong vùng phổ nào Nghĩa là vạch phát xạ cộng hưởng ựể ựo phổ hấp thu ở vùng nào thì nguyên liệu làm cửa sổ S phải trong suốt ở vùng ựó

− điện cực điện cực của ựèn là cathode và anode Anode ựược chế tạo bằng kim loại trơ và bền nhiệt như W hay Pt Cathode ựược chế tạo có dạng hình xylanh hay hình ống rỗng có ựường kình từ 3 Ờ 5 mm, dài 5 Ờ 6 mm và chắnh bằng kim loại cần phân tắch với ựộ tinh khiết cao (ắt nhất 99.9 %)

Dây dẫn của cathode cũng là kim loại W hay Pt Cả hai ựiện cực ựược gắn chặt trên

bệ ựỡ của thân ựèn và cực cathode phải nằm ựúng trục xuyên tâm của ựèn (hình 11) Anode ựặt bên cạnh cathode hay là một vòng bao quanh cathode Hai ựầu của hai ựiện cực ựược nối ra hai cực gắn chặt trên ựế ựèn, cắm vào nguồn ựiện nuôi cho ựèn làm việc Nguồn nuôi là nguồn 1 chiều có thế 220 Ờ 240 V

− Khắ trong ựèn Trong ựèn phải hút hết không khắ và nạp thay vào ựó là một khắ trơ với áp suất từ 5 Ờ 15mmHg Khắ trơ ựó là argon, heli hay nitơ nhưng phải có ựộ sạch cao hơn 99.99 % Khắ nạp vào ựèn không ựược phát ra phổ làm ảnh hưởng ựến chùm tia phát xạ của ựèn và khi làm việc trong một ựiều kiện nhất ựịnh thì tỉ số giữa các nguyên tử ựã bị ion hóa và các nguyên tử trung hoà phải là không ựổi Có như thế ựèn làm việc mới ổn ựịnh

− Nguồn nuôi ựèn đèn ựược ựốt nóng ựỏ ựể phát ra chùm tia phát xạ cộng hưởng nhờ nguồn ựiện một chiều ổn ựịnh Thế làm việc của ựèn HCL thường là từ 250 Ờ 220V tùy thuộc vào từng loại ựèn của từng hãng chế tạo và tùy thuộc vào từng nguyên tố kim loại làm cathode rỗng

Cường ựộ làm việc của các ựèn cathode rỗng thường là từ 3 Ờ 50 mA và cũng tùy thuộc vào mỗi loại ựèn HCL của mỗi nguyên tố do mỗi hãng chế tạo ra nó

Thế và cường ựộ dòng ựiện làm việc của ựèn HCL có liên quan chặt chẽ với công

ựể tách kim loại ra khỏi bề mặt cathode rỗng ựể tạo ra hơi kim loại sinh ra chùm tia phát xạ của ựèn HCL

Dòng ựiện qua ựèn HCL của mỗi nguyên tố rất khác nhau Mỗi ựèn HCL ựều có dòng ựiện giới hạn cực ựại mà ựèn có thể chịu ựựng ựược và giá trị này ựược ghi trên vỏ ựèn Tất nhiên khi sử dụng không bao giờ ựược phép dùng ựến dòng ựiện cực ựại ựó, mà thắch hợp nhất là trong vùng từ 65 Ờ 85 % giá trị cực ựại, vì ở ựiều kiện dòng cực ựại ựèn làm việc không ổn ựịnh và rất chóng hỏng, ựồng thời phép ựo lại có

ựộ nhạy và ựộ lặp lại kém

Theo lắ thuyết và thực nghiệm của thực tế phân tắch theo kĩ thuật ựo phổ hấp thu nguyên tử, tốt nhất chỉ nên dùng cường ựộ dòng trong vùng từ 60 Ờ 85 % dòng giới hạn cực ựại ựã ghi trên ựèn HCL

Muốn có ựộ nhạy cao, nên sử dụng cường ựộ dòng ở gần giới hạn dưới Muốn có

ựộ ổn ựịnh cao, nên dùng cường ựộ dòng ở gần giới hạn trên Nhưng nên nhớ rằng cường ựộ dòng làm việc của ựèn HCL và cường ựộ của vạch phổ hấp thu có quan hệ chặt chẽ với nhau

Nói chung, nhiều trường hợp cường ựộ của vạch phổ hấp thu là tỷ lệ nghịch với cường ựộ dòng ựiện làm việc của ựèn HCL (hình 12), tuy nhiên cũng có vài trường hợp không tuân theo quy luật ựó

Hình 11: Cấu tạo ựèn cathode rỗng

Hình 12: Quan hệ giữa cường ựộ vạch phổ và cường ựộ dòng ựiện làm việc của

ựèn HCL (A) là trường hợp phổ biến (Cd Ờ 228.8 nm), Cu, Ca, Fe

(B) là của Pb 283.3 nm

(C) là của Al 309.3 nm

Khi ựèn làm việc, cathode ựược nung ựỏ, giữa cathode và anode xảy ra sự phóng ựiện liên tục Do sự phóng ựiện ựó mà một số phân tử khắ bị ion hóa Các ion vừa ựược sinh ra sẽ tấn công vào cathode làm bề mặt cathode nóng ựỏ và một số nguyên tử kim loại trên bề mặt cathode bị hóa hơi và nó trở thành những nguyên tử kim loại tự do Khi ựó dưới tác dụng của nhiệt ựộ trong ựèn HCL ựang ựược ựốt nóng ựỏ, các nguyên

tử kim loại này bị kắch thắch và phát ra phổ phát xạ của nó đó chắnh là phổ vạch của chắnh kim loại làm cathode rỗng Nhưng vì trong ựiều kiện ựặc biệt của môi trường khắ trơ có áp suất rất thấp, nên phổ phát xạ ựó chỉ bao gồm các vạch nhạy của kim loại ựó

mà thôi đó chắnh là sự phát xạ của kim loại trong môi trường khắ kém Chùm tia phát

xạ này là nguồn tia ựơn sắc chiếu qua môi trường hấp thu ựể thực hiện phép ựo AAS

Các ựèn cathode rỗng có cấu tạo như ựã mô tả ở trên là những ựèn HCL ựơn nguyên tố, nghĩa là mỗi ựèn HCL ựó chỉ phục vụ cho phân tắch một nguyên tố Ngày nay ngoài các ựèn HCL ựơn, người ta cũng ựã chế tạo ựược một số ựèn kép ựôi, kép ba

hay kép sáu nguyên tố Vắ dụ các ựèn kép ựôi là (Ca+Mg), (Cu+Mn), (Cu+Cr), (Co+Ni), (K+Na), (Cu+Pb); các ựèn kép ba như (Cu+Pb+Zn) và ựèn kép sáu là (Cu+Mn+Cr+Fe+Co+Ni)

để chế tạo các ựèn kép này, cathode của ựèn HCL phải là hợp kim của các nguyên

tố ựó Hợp kim này phải có thành phần phù hợp, ựể sao cho cường ựộ phát xạ của các nguyên tố là gần tương ựương nhau; nghĩa là sự phát xạ của kim loại này phải không ựược lấn át sự phát xạ của nguyên tố kia Do ựó phải chế tạo trong ựiều kiện dung hòa cho tất cả các nguyên tố Vắ dụ: đèn HCL kép sáu của Cu, Mn, Cr, Fe, Co, và Ni thì hợp kim làm cathode rỗng phải chứa 25% Cu, các nguyên tố khác có thành phần là 15%

Xét về ựộ nhạy, nói chung các ựèn kép thường có ựộ nhạy kém hơn các ựèn ựơn tương ứng, hay tốt nhất cũng chỉ gần bằng là cùng Mặt khác, về chế tạo lại khó khăn hơn ựèn ựơn Vì thế cũng chỉ có một số ắt ựèn kép và cũng chỉ ựược dùng trong một số trường hợp khi việc thay ựổi ựèn có ảnh hưởng ựến quá trình phân tắch và trong các máy nhiều kênh thì ựèn HCL kép là ưu việt hơn ựèn ựơn

đèn HCL làm việc tại mỗi chế ựộ dòng nhất ựịnh thì sẽ cho chùm sáng phát xạ có cường ựộ nhất ựịnh

Mỗi sự dao ựộng về dòng ựiện làm việc của ựèn ựều làm ảnh hưởng ựến cường ựộ của chùm tia sáng phát xạ (hình 12) Do ựó trong mỗi phép ựo cụ thể phải chọn một giá trị cường ựộ dòng ựiện phù hợp và giữ cố ựịnh trong suốt quá trình ựo ựịnh lượng một nguyên tố

2.3.3 Hệ thống ựơn sắc và máy quang phổ hấp thu nguyên tử

Hệ thống ựơn sắc chắnh là hệ thống ựể thu, phân li, chọn và phát hiện vạch phổ hấp thu cần phải ựo Trong phép ựo phổ hấp thu nguyên tử hệ thống ựơn sắc này là một máy quang phổ có ựộ phân giải tương ựối cao có thể là hệ máy một chùm tia hay hệ máy 2 chùm tia Cấu tạo của nó gồm ba phần chắnh:

− Hệ chuẩn trực, ựể chuẩn trực chùm tia sáng vào

− Hệ thống tán sắc (phân li) ựể phân li chùm sáng ựa sắc thành ựơn sắc

− Hệ buồng tối (buồng ảnh) hội tụ, ựể hội tụ các tia cùng bước sóng lại

đặc trưng cho hệ quang của máy AAS là các thông số

Trước hệ chuẩn trực là khe vào của chùm sáng ựa sắc và sau hệ buồng ảnh là khe

ra của chùm tia ựơn sắc cần ựo Hình 13 là sơ ựồ quang học, nguyên tắc của hệ thống máy quang phổ hấp thu nguyên tử Theo sơ ựồ này, chùm tia phát xạ cộng hưởng của nguyên tố cần nghiên cứu ựược phát ra từ ựèn cathode rỗng sau khi qua môi trường

hấp thu, sẽ ựược hướng vào khe máy và vào hệ chuẩn trực, rồi vào bộ phận tán sắc, vào hệ hội tụ ựể chọn một tia cần ựo Như vậy chùm sáng ựa sắc ựược chuẩn trực, ựược phân li và sau ựó chỉ một vạch phổ cần ựo ựược chọn và hướng vào khe ựo ựể tác dụng vào nhân quang ựiện (detector-photomultiveler) ựể phát hiện và xác ựịnh cường

− Phải không gây ra bất kì một hiện tượng sai lệch nào làm mất năng lượng của chùm sáng ở trong máy, như sự hấp thu, sự tán xạ, sự khuyếch tán của các bộ phận cấu tạo thành máy đặc biệt là các hệ thống gương, các thấu kắnh, khe vào, khe ra của chùm sáng Các thấu kắnh phải trong suốt trong vùng phổ làm việc của máy

− Khe vào và khe ra của máy phải có ựộ mở chắnh xác và phải ựiều chỉnh ựược cho phù hợp với từng vạch phổ và có ựộ lặp lại cao trong mỗi phép ựo

− Detector ựể phát hiện cường ựộ vạch phổ phải có ựộ nhạy cao Có như thế mới có thể phát hiện ựược sự thay ựổi nhỏ trong quá trình hấp thu của vạch phổ của mỗi nguyên tố.đó là các ựiều kiện tối thiểu của hệ quang học trong máy phổ hấp thu nguyên tử Với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật, ngày nay người ta có thể thỏa mãn ựược tất cả các yêu cầu ựó Chắnh vì thế hiện nay ựã có rất nhiều máy ựo phổ hấp thu nguyên tử có chất lượng cao ựã ựược bán trên thị trường quốc tế đó là các máy ựo phổ hấp thu nguyên tử của hãng Perkin Elmer, Varian, Becman, Philips Pye Unicam, Wet Zeiss, Shimadu, Instr, Lad, Alpha,

Hình 13: Sơ ựồ quang học của hệ thống máy AAS (Perrkin Elmer)

(1)- Loại 1 chùm tia

(2)- Loại 2 chùm tia

2.3.4 Trang bị phát hiện, Detector, Photomultiplier:

Detector là một loại dụng cụ quang học dùng ựể thu nhận và phát hiện tắn hiệu quang học theo hiệu ứng quang ựiện của nó Trước ựây ựể thu nhận cường ựộ của chùm sáng người ta thường dùng kắnh ảnh hay phim ảnh sau ựó là tế bào quang ựiện

đó là các dụng cụ cổ ựiển có ựộ nhạy kém, nhất là kắnh ảnh, vì kắnh ảnh có nhiều nhược ựiểm, như khó bảo quản, dễ bị ảnh hưởng bởi ựộ ẩm, nhiệt ựộ, thời tiết Mặt khác, nó lại là một dụng cụ trung gian ựể thu nhận chùm sáng và sau ựó phải xử lắ tiếp mới có ựược cường ựộ vạch phổ Tức là ựo ựộ ựen của kắnh ảnh ựã bị chùm sáng tác dụng vào Với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật, ngày nay người ta ựã chế tạo ra ựược nhiều loại detector quang học kiểu ống có thể khuyếch ựại tắn hiệu ựo lên ựược ựến cỡ triệu lần đó là các ống nhân quang ựiện (photomultipler tube) Hình 14 là sơ

ựồ của một nhân quang ựiện kiểu ống ựó

Nhân quang ñiện kiểu ống là một loại dụng cụ ñể thu nhận tín hiệu quang học có tính chất vạn năng, nó có ñộ nhạy và ñộ chọn lọc cao Nhiều hãng ñã chế tạo ñược các detector loại này Vùng phổ hoạt ñộng của các detector kiểu ống loại này thường là từ

190 – 900 nm, có khi ñến 1100 nm Tất nhiên là thông số này phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu ñể chế tạo bản cathode của nó

Hình 14: Nguyên tắc cấu tạo của nhân quang ñiện kiểu ống

Hệ số khuếch ñại của loại detector này thường ñến 106, ñôi khi có loại ñến 107 Nguyên liệu chế tạo bản cathode của các detector kiểu ông là các hợp kim của các kim loại kiềm với Sb, Ga hay As, ví dụ hợp kim Cs-Sb; Ga-As; Na-K-Cs-S

2.4 Các phương pháp phân tích cụ thể :

ðể xác ñịnh nồng ñộ (hàm lượng) của một nguyên tố trong mẫu phân tích theo phép ño phổ hấp thu nguyên tử người ta thường thực hiện theo các phương pháp sau ñây, dựa theo phương trình ñịnh lượng cơ bản của phép ño này qua việc ño cường ñộ của vạch phổ hấp thu của nguyên tố phân tích và xác ñịnh (hay phát hiện) nồng ñộ của chất phân tích trong mẫu ño phổ theo một trong các phương pháp chuẩn hóa sau:

− Phương pháp ñường chuẩn

− Phương pháp thêm tiêu chuẩn

− Phương pháp ñồ thị không ñổi

− Phương pháp dùng 1 mẫu chuẩn

Trong thí nghiệm này ta sử dụng phương pháp dựng ñường chuẩn

Phương pháp ñồ thị chuẩn (ñường chuẩn):

Phương pháp này còn ñược gọi là phương pháp ba mẫu ñầu Vì nguyên tắc của phương pháp này là người ta dựa vào phương trình cơ bản của phép ño A - K.C và một dẫy mẫu ñầu (ít nhất là ba mẫu ñầu) ñể dựng một ñường chuẩn và sau ñó nhờ ñường chuẩn này và giá trị Ax ñể xác ñịnh nồng ñộ Cx của nguyên tố cần phân tích trong mẫu

ño phổ, rồi từ ñó tính ñược nồng ñộ của nó trong mẫu phân tích

Do ñó trước hết người ta phải chuẩn bị một dãy mẫu ñầu, dẫy mẫu chuẩn (thông thường là 5 mẫu ñầu) và các mẫu phân tích trong cùng một ñiều kiện Ví dụ các mẫu

ựầu có nồng ựộ của nguyên tố X cần xác ựịnh là C1, C2, C3, C4, C5 và mẫu phân tắch là

Cx1, Cx2,Ầ Sau ựó chọn các ựiều kiện phù hợp và ựo cường ựộ của một vạch phổ hấp thu của nguyên tố phân tắch trong tất cả các mẫu ựầu và mẫu phân tắch ựã ựược chuẩn

bị ở trên

Hình 15: đồ thị chuẩn của phương pháp ựường chuẩn

Vắ dụ ta thu ựược các giá trị cường ựộ tương ứng với các nồng ựộ ựó là A1, A2,

A3, A4, A5 và Ax1, Ax2 v.v Bây giờ trên hệ tọa ựộ A - C theo các ựiểm có tọa ựộ (C1A1), (C2A2), (C3A3), (C4A4), (C5A5) ta sẽ dùng ựược một ựường biểu thị mối quan

hệ A - C đó chắnh là ựường chuẩn của phương pháp này (hình 15)

Tiếp ựó nhờ ựường chuẩn này và các giá trị Ax chúng ta dễ dàng xác ựịnh ựược nồng ựộ Cx Công việc cụ thể là ựem các giá trị Ax ựặt lên trục tung A của hệ tọa ựộ, từ

ựó kẻ ựường song song với trục hoành C, ựường này sẽ cắt ựường chuẩn tại ựiểm M,

từ ựiểm M ta hạ ựường vuông góc với trục hoành và nó cắt trục hoành tại ựiểm Cx, Cxựây chắnh là nồng ựộ phải tìm (hình 15)

Phương pháp này ựơn giản, dễ thực hiện và rất thắch hợp với mục ựắch phân tắch hàng loạt mẫu của cùng một nguyên tố, như trong kiểm tra chất lượng thành phẩm, kiểm tra nguyên liệu sản xuất Vì mỗi khi dựng một ựường chuẩn chúng ta có thể xácựịnh ựược nồng ựộ của một nguyên tố trong hàng trăm mẫu phân tắch đó là ưu ựiểm của phương pháp này Song trong nhiều trường hợp chúng ta không thể chuẩn bị ựược một dãy mẫu ựầu thỏa mãn các ựiều kiện ựã quy ựịnh cho phương pháp này nên không xác ựịnh ựược chắnh xác vị trắ của ựường chuẩn và như thế tất nhiên kết quả phân tắch sẽ mắc sai số lớn Nghĩa là khi mẫu phân tắch có thành phần phức tạp và chúng ta chưa biết chắnh xác thì không thể chuẩn bị ựược một dãy mẫu ựầu ựúng ựắn nên sẽ bị ảnh hưởng của nền, của thành phần của mẫu đó chắnh là nhược ựiểm của phương pháp này Trong những trường hợp như thế, tốt nhất là dùng phương pháp thêm tiêu chuẩn ựể xác ựịnh nồng ựộ của nguyên tố phân tắch trong mẫu, hay biến ựổi của mẫu sang nền tự tạo phù hợp cho cả mẫu ựầu và các mẫu phân tắch

Trong bài thắ nghiệm này ta sử dụng máy hấp thu nguyên tử sử dụng ngọn lửa cho

cả hai trường hợp hấp thu và phát xạ, trong trường hợp phát xạ thì không cần sử dụng ựèn.

III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM:

Hình 16: Sơ ñồ tiến hành thí nghiệm

− Bếp ñiện, lò nung, máy AAS

Tất cả dụng cụ thủy tinh ñược rửa sạch và ngâm với HNO3 20% qua ñêm, rửa sạch lại (3 lần) với nước cất

3.3 Hóa chất và thuốc thử:

1 Acid HNO3 65% (d=1.39): loại tinh khiết phân tích

2 Acid HCl 35% (d=1.16): loại tinh khiết phân tích

3 Dung dịch HNO3 1N: ñong 70 ml HNO3 65% cho vào becher 500ml ñã có sẵn 300ml nước cất, ñịnh mức vào bình ñịnh mức 1000ml bằng nước cất

4 Oxide Lantan, La2O3 99.99%: loại tinh khiết phân tích

5 Dung dịch Chlorua Lantan 1%: Cân 11,7g (±100mg) La2O3 vào becher 250ml, thấm ướt bằng một ít nước và cho từ từ 50 ml acid HCl 35%, khuấy cho tan, ñịnh mức 1000ml bằng nước cất Bảo quản nơi thoáng mát trong vòng 6 tháng

6 Muối Clorua Cesi, CsCl 99.99%: loại tinh khiết phân tích

7 Dung dịch Cesi 10%: cân 127g (±100mg) CsCl vào becher 250ml, hòa tan bằng nước cất, ñịnh mức 1000ml bằng nước cất Bảo quản nơi thoáng mát trong vòng 6 tháng

8 Dung dịch chuẩn gốc 1000ppm của nguyên tố Na, Ca, Fe (mua của hãng Merck)

9 Dung dịch chuẩn 100ppm: hút 100 ml dung dịch chuẩn gốc vào bình ñịnh mức 100ml, thêm 1ml HNO3 65%, ñịnh mức bằng nước cất

10 Dung dịch chuẩn Fe 20ppm: hút 10ml dd chuẩn Fe 100ppm vào bình ñịnh mức 50ml, thêm 0.5ml HNO3 65%, ñịnh mức bằng nước cất

11 Dung dịch chuẩn làm việc: