1.4. Các phương pháp xác định chì
1.4.2. Phương pháp phân tích công cụ
1.4.2.3. Phương pháp ICP-OES
Năm 1964, lần đầu tiên Stanley Greenfield có bài báo cáo về việc xác định một số nguyên tố bằng kỹ thuật phát xạ với nguồn kích thích là plasma. Báo cáo của ông chứng tỏ rằng nguồn kích thích plasma có nhiều ưu điểm hơn ngọn lửa, hồ quang điện. Nguồn plasma có độ ổn định cao, hạn chế tạo thành các hợp chất bền nhiệt, có khả năng kích thích một số nguyên tố mà ngọn lửa thông th ờng có nhiệt độ thấp không kích thích được. Tuy nhiên tại thời điểm này, nguồn plasma còn nhiều hạn chế, chỉ tốt hơn phổ hấp thu nguyên tử ngọn lửa trong việc xác định các nguyên tố tạo hợp chất bền nhiệt. Đến năm 1973, sau một thời gian cải tiến thiết bị và kỹ thuật thì nguồn plasma khẳng định được ưu thế của mình so với các nguồn kích phổ phát xạ trước đó. Kể từ đây, ICP thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, tạo nên sự phát triển mạnh mẽ của nguồn kích thích quang phổ này.
ICP-OES sở hữu được nhiều ưu điểm so với F-AAS, GF-AAS như nguồn kích thích ổn định, định lượng được khoảng trên 70 nguyên tố, xác định đồng thời các nguyên tố, tốc độ phân tích nhanh, độ nhạy cao, khoảng tuyến tính rộng, ít cản nhiễu và xác định được các mẫu có hàm lượng muối hòa tan đến 20%. Ngày nay, ICP-OES được
ứng dụng rất rộng rãi, là công cụ xác định hàm
lượng các nguyên tố trong các lĩnh vực như nông nghiệp và thực phẩm, sinh học và y tế, địa chất, môi trường và nước, kim loại, hữu cơ, hóa chất và mỹ phẩm.
a. Nguyên tắc đo với ICP-OES:
Nguyên tử hay ion nhận năng lượng kích thích từ plasma chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Tuy nhiên, trạng thái kích thích chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn (khoảng 10-12
-10-8
s), sau đó nguyên tử hay ion phóng thích
34
năng lượng hấp thu dưới dạng bức xạ λ để trở về trạng thái bền nhất-trạng thái cơ bản. Bước sóng λ phát ra là đặc trưng cho từng nguyên tử hoặc ion và cường độ vạch phát xạ tỷ lệ với nồng độ của nguyên tử hay ion có trong dung dịch theo phương trình sau:
(*) Trong đó: I : cường độ vạch phát xạ.
C: nồng độ nguyên tử hoặc ion cho cường độ phát xạ I. a: được gọi là hằng số thực ngiệm.
b: là hằng số bản chất, phụ thuộc bản chất từng nguyên tố.
Dựa vào phương trình (*) để định lượng một nguyên tố trong dung dịch khi so sánh cường độ vạch phát xạ gây ra bởi nguyên tố này trong dung dịch với cường độ phát xạ của một dãy dung dịch chuẩn biết trước nồng độ.
b. Sơ lược cấu tạo nguyên tử và sự xuất hiện phổ phát xạ:
Nguyên tử bao gồm một hạt nhân và đám mây electron chuyển động theo quỹ đạo xung quanh tạo thành lớp vỏ nguyên tử. Trong lớp vỏ nguyên tử, điện tử phân bố thành từng lớp ứng với số lượng tử chính (n) của nguyên tử, trong từng lớp lại có nhiều phân lớp ứng với số lượng tử phụ (l). Các phân lớp này đều có mức năng lượng nhất định và các electron sắp xếp vào các phân lớp này tuân theo nguyên lí vững bền, điện tử chiếm và làm đầy những phân lớp có mức năng lượng từ thấp đến cao
Trong điều kiện bình thường, nguyên tử tồn tại ở trạng thái có năng lượng thấp nhất có mức năng lượng Eo gọi là trạng thái cơ bản. Khi nguyên tử nhận được năng lượng từ bên ngoài, các electron ở lớp vỏ ngoài cùng hấp thu năng lượng và chuyển lên trạng thái kích thích có mức năng lượng Em cao hơn. Quá trình này gọi là quá trình hấp thu.
Tuy nhiên, sự tồn tại của nguyên tử ở mức Em rất ngắn ( 10- 12
- 10-8
s), sau đó nguyên tử phóng thích năng lượng hấp thu dưới dạng bức xạ λ để trở về trạng thái bền nhất, trạng thái cơ bản. Quá trình này gọi là quá trình phát xạ.
Nếu nguyên tử hấp thu năng lượng đủ lớn, electron ngoài cùng tách
khỏi nguyên tử, lúc này nguyên tử thiếu electron trở thành ion dương. Ion cũng có mức năng lượng cơ bản E0i và mức năng l ợng kích thích Emi và do đó cũng có hiện tượng hấp thu, phát xạ như nguyên tử (Hình 1.21).
Hình 1.6. Các quá trình hấp thu và phát xạ trong nguyên tử và ion.
a,b: hấp thu nguyên tử; c: ion hóa; d: kích thích ion ; e: phát xạ ion;
f,g,h: phát xạ nguyên tử.
Sự chênh lệch năng lượng giữa mức kích thích và mức cơ bản được thể hiện qua phương trình:
Trong đó: h: hằng số Plank.
ν: tần số của bức xạ.
c: vận tốc ánh sáng.
λ: chiều dài sóng.
Các mức năng lượng tương ứng với các bước sóng hấp thu hay phát xạ đặc trưng của mỗi nguyên tố. Sử dụng tính chất này để định lượng các nguyên tố theo phương pháp quang phổ hấp thụ hay quang phổ phát xạ.
c. Nguồn phóng điện plasma ICP và sự kích thích phổ trong plasma ICP:
* Nguồn phóng điện plasma ICP:
Plasma là trạng thái thứ 4 của vật chất sau rắn, lỏng và khí. Plasma là
trạng thái khí đã bị ion hóa một phần hoặc toàn bộ, trong đó nồng độ không gian điện tích dương và âm là bằng nhau hoặc xấp xỉ bằng nhau.
Nguồn phóng điện ICP được duy trì nhờ sự tương tác giữa năng lượng ghép cặp cảm ứng và bầu khí trơ bị ion hóa. Khí Ar được sử dụng thông dụng nhất.
Các bước hình thành “ngọn lửa” plasma Ar được minh họa ở ( hình1.22).
Hình 1.7. Quá trình hình thành ngọn plasma.
Trước tiên, khí Ar (năng lượng ion hóa 15.7596 eV) chạy quanh torch thạch anh . Máy phát cao tần có tần số 27.12 MHz hoặc 40.68 MHz sẽ tạo nên một từ trường trong torch thạch anh thông qua cuộn đồng bao quanh phía trên torch . Tiếp đến, một dòng electron được bắn vào từ trường này (Hình 2.2.c), electron được tăng tốc bởi từ trường va đập vào Ar làm sinh ra Ar+
và electron phản ứng dây chuyền xảy ra và tạo thành ngọn plasma Ar .
Ngọn plasma Ar có hình giọt nước, nhiệt độ khoảng 6000-1000 o
K. Các vùng và phân bố nhiệt độ trong plasma Ar.
Vùng cảm ứng (IR) có hình vành khuyên, màu trắng do Ar phát xạ. Vùng gia nhiệt sơ bộ (PHZ) có chức năng desolvate hóa, hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu.
Vùng bức xạ (IRZ) sẽ kích hoạt và ion hóa mẫu. Vùng phân tích (NAZ) cũng có
nhiệm vụ kích hoạt và ion hóa mẫu, tín hiệu phát xạ sẽ đo tại vùng này.
* Sự kích thích phổ trong plasma ICP:
Dung dịch mẫu được đưa vào plasma dưới dạng sương khí. Dưới tác dụng nhiệt của plasma các hạt sương này sẽ bị loại bỏ dung môi trở thành hạt rắn, các hạt rắn bị hóa hơi thành dạng khí và sau đó chuyển thành nguyên tử tự do, ion.
Nguyên tử và ion nhận năng lượng từ plasma chuyển lên trạng thái kích thích, sau đó là phóng thích bức xạ để trở về trạng thái cơ bản.(Hình 1.23)
Hình 1.8. Các quá trình diễn ra khi mẫu được đưa vào plasma.
d. Các bộ phận chính của thiết bị ICP-OES:
Hệ thống ICP-OES có thể được chia thành các bộ phận quan trọng như sau:
* Hệ thống chuyển mẫu vào plasma
*Máy phát cao tần RF
* Torch
*Hệ quang học và ghi đo tín hiệu (detector).
* Hệ thống chuyển mẫu vào plasma:
Hệ thống này bao gồm các thành phần như: bơm, bộ phun sương (neulizer) và buồng phun (spray chamber).
Bơm được sử dụng để chuyển mẫu từ bình chứa đến bộ phun sương và chuyển dung dịch thải từ buồn phun ra ngoài. Dùng bơm nhằm ổn định tốc độ hút mẫu, giảm thiểu ảnh hưởng do độ nhớt, tỷ trọng, sức căng bề mặt.
Bộ phun sương có nhiệm vụ chuyển mẫu từ dạng lỏng sang dạng sương để chuyển vào plasma.
Có nhiều dạng nebulizer khác nhau như: concentric nebulizer, cross-flow nebulizer, ultrasonic nebulizer.... Mỗi dạng có hiệu quả tạo sương khác nhau và được sử dụng theo sự chọn lựa của kỹ thuật viên vận hành máy dựa trên đặc điểm, yêu cầu của mẫu thử.
Nebulizer càng tốt thì tạo được kích thước hạt sương càng nhỏ và mật độ càng cao.
Buồng phun có nhiệm vụ loại bỏ những hạt sương có kích thước lớn hơn 10 μg/100ml.m, được đặt giữa nebulizer và torch. Có hai dạng buồng phun thường dùng là double-pass và cyclonic.
* Torch:
Torch bao gồm hai ống thạch anh kết hợp với injector tạo thành hệ gồm ba ống tròn đồng tâm để chuyển khí Argon và mẫu dạng sương vào plasma.
Hình 1.9. Cấu tạo torch dùng trong ICP-OES.
Một trong những nhiệm vụ chính của dòng khí plasma là làm nguội thành torch thạch anh. Dòng khí auxiliary có tác dụng ngăn ngọn plasma chạm vào injector và giúp dẫn aerosol mẫu vào plasma dễ dàng hơn. Dòng khí nebulizer có nhiệm vụ chuyển mẫu dạng sương vào plasma. Injector có nhiều loại, tùy vào dạng mẫu mà sử dụng loại thích hợp. Injector ceramic có tính chất chống ăn mòn, injector narrow- bore sử dụng với dung môi hữu cơ hay injector wide-bore cho mẫu có hàm lượng chất rắn hòa tan cao.
* Nguồn phát sóng cao tần
Nguồn phát cao tần có nhiệm vụ cung cấp năng lượng để hình thành và duy trì ngọn plasma.Năng lượng được chuyển từ máy phát cao tần vào plasma thông qua cuộn đồng bao quanh torch. Tần số dùng trong ICP-OES là 27.12 MHz và 40.68MHz. Tuy nhiên, hiện nay tần số 40.68 MHz rất được ưa chuộng do hiệu quả chuyển năng lượng vào plasma cao, vì vậy làm tăng nhiệt độ của plasma và cải thiện được tính ổn định của plasma. Điều này dẫn đến giảm bức xạ nền, đồng nghĩa với việc tăng độ nhạy của thiết bị. Ngoài ra, tần số 40.68 MHz sẽ tạo được ngọn plasma mỏng hơn so với tần số 27.12 MHz, do đó làm giảm hiện tượng tự hấp thu, giảm cản nhiễu và mở rộng khoảng tuyến tính của thiết bị.
Có hai dạng máy phát RF là crystal-controlled và free-running. Dạng free- running có ưu điểm chế tạo đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp và đáp ứng tốt hơn đối với sự thay đổi trở kháng của plasma gây ra bởi các dung dịch mẫu khi đưa vào plasma so với dạng crystal-controlled.
* Hệ quang học và ghi đo tín hiệu
Bức xạ từ vùng NAZ đ ợc hội tụ vào khe vào của bộ tách sóng thông qua một số gương và thấu kính. Bộ tách sóng có nhiệm vụ phân tách các tia bức xạ thành các tia đơn sắc, sau đó chuyển các tia này đến detector. Có 2 cách thu nhận tín hiệu từ vùng NAZ của plasma là dọc trục (axial viewing, hình 2.6.a) hoặc xuyên tâm (radial viewing, hình 2.6.b). Các thiết bị ICP-OES cổ điển thường thu tín hiệu theo cách xuyên tâm, tuy nhiên hiện nay một số thiết bị ICP-OES kết hợp cả hai cách thu tín hiệu trên cùng thiết bị, được gọi là dual-view. Việc chuyển đổi cách thu tín hiệu từ dọc trục sang xuyên tâm hay ngược lại được thực hiện rất dễ dàng bởi phần mềm điều khiển của thiết bị.
40
Hình 1.10. Chế độ lấy tín hiệu của ICP-OES: a. dọc trục (axial viewing).
b. xuyên tâm (radial viewing).
Đối với thiết bị ICP-OES cổ điển, thiết bị tách sóng là cách tử echellete (dùng bậc nhiễu xạ bằng 1), lăng kính, kính giao thoa. Detector để ghi nhận tín hiệu là ống nhân quang điện PMT.
Với thiết bị ICP-OES hiện đại, cách tử nhiễu xạ echelle được sử dụng cho phân tách bức xạ đa sắc thành tia đơn sắc nhiều bậc. Việc sử dụng nhiều bậc nhiễu xạ của cách tử echelle (bậc nhiễu xạ > 1) giúp hệ quang học có độ phân giải cao. Các dạng detector được sử dụng như PDA (photodiode array), CID (charge injection devides), CCD (charge coupled devides), SCD (segmented array charge coupled devides) để ghi nhận tín hiệu. Các detector này có ưu điểm là có thể ghi đồng thời nhiều bước sóng và dòng tối thấp khi làm lạnh do đó làm giảm tín hiệu nền.
1.5. Các kỹ thuật xử lý mẫu phân tích 1.5.1. Kỹ thuật phân hủy ướt (( xử lý ướt).
à Nguyên tắc chung
ã Dùng axit mạnh đặc và nóng (ví dụ HCl, H2SO4), hay axit mạnh, đặc và nóng có tính ôxy hoá mạnh (HNO3, HClO4), hoặc hỗn hợp 2 axit ( HNO3 + H2SO4), hay 3 axit (HNO3 + H2SO4 + HClO4), hoặc là 1 axit đặc và một chất
ôxy hoá mạnh (H2SO4 + KMnO4), v.v. để phân huỷ mẫu trong điều kiện đun nóng trong bình Kendan, trong ống nghiệm, trong cốc hay trong lò vi sóng.
ã Lợng axit cần dùng để phân huỷ mẫu thờng gấp 10 - 15 lần lợng mẫu, tuỳ thuộc mỗi loại mẫu và cấu trúc vật lý hoá học của nó.
ã Thời gian phân huỷ mẫu (xử lý) trong các hệ hở, bình Kendan, ống nghiệm, cốc, .. thờng từ vài giờ đến hàng chục giờ, cũng tuỳ loại mẫu, bản chất của các chất. Còn nếu trong lò vi sóng hệ kín thì chỉ cần 30-50 phút.
à Các dung dịch axit dùng để hoà tan và xử lý mẫu
Trong cách xử lý ớt ngời ta thờng dùng các loại dung dịch axit đặc và có tính oxy hoá mạnh, song tất nhiên chọn loại axit nào là tuỳ thuộc vào bản chất của chất
nền (matrix) của mẫu và chất phân tích tồn tại trong mẫu đó, ví dụ:
+ Dùng 1 axit đặc: HCl, HF, H3PO4, H2SO4,
+ Dùng 1 axit đặc có tính oxy hoá: HNO3, H2SO4, HClO4,
+ Hỗn hợp 2 axit: Cờng thuỷ (HCl+HNO3),(HNO3+H2SO4),(HF+H2SO4), + Hỗn hợp 3 axit: (HCl + HNO3 + H2SO4), (HNO3 + H2SO4 + HClO4), + Hỗn hợp 1 axit và chất ôxy hoá: (H2SO4+ KMnO4), (HNO3+H2O2), + Hỗn hợp 2 axit và 1 chất oxy hoá mạnh (HNO3+ H2SO4+ KMnO4), + Dung dịch muối có pH nhất định (KCl 1M, pH=5, NH4Ac 1M pH-6,..). à Nhiệt độ dung dịch phân huỷ mẫu
Nhiệt độ sôi của hỗn hợp mẫu khi xử lý mẫu là phụ thuộc vào nhiệt độ sôi của dung dịch axit dùng để phân huỷ mẫu. Khi cần nhiệt độ sôi cao thì
phải dùng axit có nhiệt độ sôi cao Trong các hệ kín suất cao sẽ tạo ra nhiệt
độ sôi cao, tuỳ thuộc vào loại axit dùng để phân huỷ mẫu.
Tất nhiên khi dùng hỗn hợp, thì nhiệt độ sôi của dung dịch axit hỗn hợp là tuỳ thuộc vào thành phần của 2 hay 3 axit ta dùng trộn vào nhau và nhiệt
độ sôi của dung dịch phân huỷ sẽ nằm giữa nhiệt độ của hai axit đợc trộn với nhau. Vì thế với các chất mẫu khó phân huỷ (khó xử lý) chúng ta phải dùng các axit và hỗn hợp axit có nhiệt độ sôi cao và tính oxy hoá mạnh.
à Xử lý mẫu trong lò vi sóng (trong hệ kín và hở), nh: a/
Trong các hệ lò vi sóng đơn giản và điều khiển bằng tay:
+ Hệ bình mẫu hở,
+ Hệ bình mẫu đóng kín (có áp suất cao),
42
b/ Trong các hệ nhiều bình và hoạt động theo chơng trình:
+ Hệ bình mẫu hở có khống chế nhiệt độ.
+ Hệ bình mẫu đóng kín (áp suất cao), có khống chế nhiệt độ, áp suất, v.v.
Trong các kiểu xử lý ớt này, hiện nay kỹ thuật xử lý ớt với axit đặc có tính oxy hoá mạnh trong bình kendan và trong lò vi sóng hệ kín đang đợc dùng nhiều nhất. Với các nớc phát triển, phổ biến hiện nay là cách xử lý trong lò vi sóng, vì triệt để, nhanh và lại không mất chất phân tích.
Trong lò vi sóng: Ngoài ba tác nhân phân huỷ nh trên trong hệ hở ở trên, trong lò vi sóng còn có sự phá vỡ từ trong lòng hạt mẫu ra ngoàì, do các phân tử nớc hấp thụ (>90%) năng lợng vi sóng và nó có động năng rất lớn, nên chúng có chuyển động nhiệt rất mạnh, làm căng và xé các hạt mẫu từ trong ra. Thêm vào đó lại là hệ kín, nên có áp suất cao và sẽ làm nhiệt độ sôi lại cao hơn và đây là tác nhân phân huỷ mạnh nhất, do
đó thúc đẩy quá trình phân huỷ mẫu rất nhanh từ trong ra và từ ngoài vào. Vì thế nên việc xử lý mẫu trong lò vi sóng chỉ cần thời gian ngắn (30-60 phút) mà lại triệt để.
à Các u và nhợc điểm chính của kỹ thuật này là:
+ Hầu nh không bị mất các chất phân tích, nhất là trong lò vi sóng, + Nhng thời gian phân huỷ mẫu rất dài, trong điều kiện thờng,
+ Tốn nhiều axit đặc tinh khiết cao, nhất là trong các hệ hở, + Dễ bị nhiễm bẩn khi xử lý trong hệ hở, do môi trờng hay axit dùng, + Phải đuổi axit d lâu, nên dễ bị nhiễm bẩn, bụi vào mẫu, v.v.
1.5.1. Kỹ thuật xử lý khô .
a) Nguyên tắc: Kỹ thuật xử lý khô (tro hoá khô) là kỹ thuật nung để xử lý mẫu trong lò nung ở một nhiệt độ thích hợp (450-750 oC), song thực chất đây chỉ là bớc
đầu tiên của quá trình xử lý mẫu. Vì sau khi nung, mẫu bã còn lại phải đợc hoà tan (xử lý tiếp) bằng dung dịch muối hay dung dịch axit phù hợp, thì mới chuyển đ ợc các chất cần phân tích trong tro mẫu vào dạng dung dịch, để sau đó xác định đợc
nó theo một phơng pháp đã chọn. Khi nung các chất hữu cơ của mẫu sẽ bị đốt cháy thành CO2 và nớc, các kim loại chuyển thành dạng muối hay oxit (tro mẫu).
43