BÁO CÁO ĐO LƯỜNG Y SINH Tìm hiểu máy Phân cực ký

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO: ĐO LƯỜNG Y SINH Tìm hiểu máy Phân cực ký GVGD: PGS.Nguyễn Thị Lan Hương Nhóm 8: Vũ Trí Hiếu - 20173864 Lý Thị Quỳnh - 20174153 Nguyễn Tuấn Dũng – 20173787 MỤC LỤC Tổng quan phương pháp đo phân cực ký 1.1 Giới thiệu 1.2 Cơ sở lý thuyết 1 2 Phương pháp đo 2.1 Phương pháp đo 2.2 Xử lý kết đo 3 Giới thiệu sản phẩm TEA 4000 3.1 Các lĩnh vực áp dụng 3.2 HMDE 3.3 Khả đo 3.4 Phương pháp đo 13 14 14 15 15 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Jaroslav Heyrovský bên cạnh phát minh ơng Hình 2:Điện áp tách kim loại khỏi dung dịch muối chúng Hình 3: Mơ hình mạch đo Hình 4.1: Điện cực tham chiếu Hình 4.2: Điện cực thị Hình 5:Mơ hình q trình phân tích sóng phân cực Hình 6: Sample Cell Hình 7:Dropping Mercury Electrode (DME) Hình 8:Các dạng điện cực thủy ngân Hình 9:Nguyên tắc đo Hình 10: Ba điện cực làm việc thiết bị phân cực ký Hình 11: Đường đặc tính Volt – Ampe Hình 12: Hình ảnh thực tế TEA 4000 13 Hình 13:Một số loại điện cực 14 Hình 14: Sơ đồ trình bày số phương pháp phân cực 16 1.Tổng quan phương pháp đo phân cực ký 1.1) Giới thiệu a) Nhà phát minh Jaroslav Heyrovský (20/12/1890-27/03/1967) nhà hóa học nhà phát minh người Séc, ơng người phát minh phương pháp phân cực (polarographic), cha đẻ phương pháp electro analytical, người nhận giải Nobel vào năm 1959 cho khám phá phát triển ông phương pháp phân cực, lĩnh vực ơng phân cực Hình 1: Jaroslav Heyrovský bên cạnh phát minh ông b) Giới thiệu phương pháp Phương pháp đo phân cực ký nhánh phép đo điện áp, kỹ thuật điện hóa phân tích dung dịch, đo cường độ dòng điện chạy hai điện cực dung dịch hiệu điện đặt vào tăng dần để xác định tương ứng nồng độ chất tan đặc tính 1.2) Cơ sở lý thuyết Phương pháp đo phân cực ký dựa đặc điểm kim loại dung dịch muối có điện áp phân cực xác định, điện áp phân ly kim loại khỏi muối Từ xác định điện áp phân cực ta suy thành phần kim loại dung dịch Hình 2: Điện áp tách kim loại khỏi dung dịch muối chúng Nếu thay đổi điện áp đặt lên cảm biến phân cực đường đặc tính Volt – Ampe có dạng bước nhảy 2.Phương pháp đo 2.1) Mơ hình máy phân cực Máy phân cực hoạt động dựa phép đo dòng điện phân loại điện cực điện điện cực định điều kiện kiểm soát Đây nhánh phép đo điện điện cực làm việc điện cực thủy ngân rơi (DME) điện cực thả thủy ngân tĩnh (SMDE), hữu ích cho dải đại lượng rộng bề mặt tái tạo Trong phân cực học, thủy ngân sử dụng làm điện cực hoạt động, thuỷ ngân chất lỏng dẫn Điện cực làm việc thường giọt treo từ cuối ống mao Hình 3: Mơ hình mạch đo Trong phương pháp này, cần có điện cực so sánh điện cực thị  Điện cực tham chiếu - có kích thước lớn khơng phân cực (khử cực)  Điện cực thị- có kích thước nhỏ phân cực Hình 4.1: Điện cực tham chiếu Hình 4.2: Điện cực thị  Quy trình phân tích sóng phân cực điều kiện hình thành sóng phân cực - Phân tích điện phân thực điều kiện đặc biệt - Đặc điểm cụ thể:  Một điện cực phân cực điện cực khử cực sử dụng làm điện cực làm việc điện cực so sánh  Khơng khuấy động Điện phân khơng hồn tồn (chỉ tiêu tốn lượng nhỏ chất phân tích) Hình 5:Mơ hình q trình phân tích sóng phân cực  Điện cực phân cực điện cực khử cực - Nếu điện cực thay đổi lớn dòng điện nhỏ vơ hạn chạy qua điện cực, điện cực gọi điện cực phân cực Ví dụ: DME - Nếu điện cực không thay đổi theo dòng điện, điện cực gọi điện cực khử cực lý tưởng Ví dụ: SCE Hình 6: Sample Cell - HMDE: Chúng ta rút giọt Hg cách xoay ốc vít micromet đẩy thủy ngân từ hồ chứa qua mao mạch hẹp - DME: Hình dạng giọt thủy ngân hình thành phần cuối ống mao dẫn trọng lực Không giống HMDE, rơi thủy ngân DME phát triển liên tục thủy ngân chảy từ hồ chứa ảnh hưởng lực hấp dẫn có thời gian sống hữu hạn vài giây Vào cuối chu kì, giọt thuỷ ngân bị xáo trộn, tay tự động, thay giọt Hình 7:Dropping Mercury Electrode (DME) - DSME: Sử dụng van pit tơng solenoid hướng điều khiển dịng chảy thủy ngân Hoạt động solenoid giây lát nâng pit tông, cho phép thủy ngân chảy qua mao mạch tạo thành giọt Hg đơn, treo Hình 8: Các dạng điện cực thủy ngân  Nguyên tắc đo - Nghiên cứu dung dịch trình điện cực phương pháp điện phân với hai điện cực, phân cực khơng phân cực, hình thành thủy ngân thường xuyên rơi từ ống mao dẫn - Thủy ngân liên tục rơi từ hồ chứa qua ống mao dẫn vào dung dịch - Khoảng cách tối ưu giọt cho hầu hết phân tích từ đến giây Hình 9:Nguyên tắc đo m : Lưu lượng khối lượng thủy ngân (mg/s) C : Nồng độ chất phân tích hoạt tính điện (mol/L) Theo trên, nhiệt độ, dung dịch đặc tính mao dẫn giữ khơng đổi, id tỷ lệ với C  Phương trình sóng phân cực E = E1/2 – RT/ nF ln(i/(id-1)) Khi i = ½ id, ln(i/(id-1)) = 0, điện tương ứng gọi điện nửa sóng E1/2, E1/2 độc lập nồng độ  Để xác định khối lượng kim loại dung dịch sử dụng định luật Faraday Ta xác định khối lượng dựa vào biến thiên dịng điện ∆𝐼 theo cơng thức: 𝑚= 𝐴 ∆𝐼.𝑡𝑐𝑘 𝐹 𝑛 m: khối lượng A: Phân tử khối n: hóa trị kim loại I: biến thiên dòng điện 𝑡𝑐𝑘: thời gian phân cực F = 96485 C mol−1: số Faraday 2.3) Ứng dụng - Polarography sử dụng để xác định hàm lượng oxy chất lỏng bao gồm chất lỏng thể, rượu lên men sữa để nghiên cứu 11 tốc độ hô hấp vi sinh vật 12 - Một số chất khử trùng có chứa thủy ngân thuốc diệt trùng xác định phương pháp phân cực - Các hormone thyroxine, insulin, adrenaline số hormone sinh dục ước tính phương pháp phân cực - Nó sử dụng để xác định kháng sinh pencillin, streptomycin chloramphenicol - Một số Alkaloid ước lượng phương pháp phân cực - Trong phân cực điện hóa học cho phép đo điện thu thông tin tốc độ trình điện cực, tượng hấp phụ, giải hấp phụ - Có thể tính tốn số tốc độ phương pháp phân cực theo cách xác định phản ứng nhanh bậc 105-1010 (l/(mol.s)) - Polarography tỏ hữu ích nghiên cứu học Loại bỏ bazơ Mannich, hydrat hóa nhiều liên kết xeton khơng bão hịa aldol hóa nghiên cứu điển hình - Ứng dụng vơ cơ: ◦ Trong phân tích vơ cơ, phép phân cực sử dụng chủ yếu để phân tích kim loại vết đồng, kẽm, sắt, chì, niken, mangan, v.v ◦ Thành phần hợp kim ◦ Độ tinh khiết yếu tố - Các ứng dụng hữu cơ: Có thể xác định nhóm chức điện phân dễ oxy hóa kỹ thuật phân cực cách sử dụng dme Nhóm c suy từ điện nửa sóng số lượng chất xác định từ phép đo dòng khuếch tán 13 Giới thiệu sản phẩm TEA 4000 Hình 12: Hình ảnh thực tế TEA 4000 14 TEA 4000 máy phân tích nhỏ gọn với thiết bị phụ trợ kèm tiện dụng cho kết xác đặc biết phép đo kim loại quý hiếm, có khả kết nối, hiển thị phép đo máy vi tính 3.1) Các lĩnh vực áp dụng - Bảo đảm chất lượ ng kim loại ngành công nghiệp điện tử hóa học sản xuất lương thực - Điều tra vùng nước đất (phân tích môi trường) - Xử lý chất thải xử lý nước - Phân tích độ tinh khiết luyện kim, luyện kim (siêu phân tích nguyên tố vi lượng) - Giải phẫu học thần kinh ngành công nghiệp động - Các ứng dụng khác 3.2) HMDE Khả phân tích nồng độ cực thấp tốn thủy ngân, xấp xỉ 1,5 mL năm Ngoài điện cực HMDE, hệ thống trang bị điện cực thể rắn vàng, bạc, platin… Hình 13:Một số loại điện cực 15 3.3) Khả đo TEA 4000 có khả xác định nhiều loại yếu tố vật chất ion âm, ion dương hợp chất hữu Ionâm Ion dương Hợpchất hữucơ Nitrate Cadmium Vitamin C Nitrite Copper Vitamin B2 Cyanide Iron (III) Vitamin B9 Chloride Silver Nicotinamides Thiosulfate Chromium Aldehydes Sulfite Nickel Pesticides 3.4) Phương pháp đo Trong cơng trình phân cực dịng điện trực tiếp (DCP), điện cố định áp dụng toàn thời gian thả Một đường cong điện áp xây dựng cách áp dụng loạt bước tiềm năng, bước đồng với rơi rơi Tuy nhiên, hầu hết dụng cụ, tiềm thay đổi tuyến tính áp dụng, với tốc độ chậm đủ để thay đổi tiềm suốt thời gian thả khoảng vài milivolts Dòng điện đo kết thúc chu trình thả 16 a b Hình 14: Sơ đồ trình bày số phương pháp phân cực c 17 a) Chuỗi tiềm phân cực b) Chuỗi tiềm giọt c) Đường cong dịng điện tích cực thí nghiệm với mM Zn2+ in M KNO3 Kết quả: DC: t = s; NP: t = s, = ms; DP: t = s, = ms; DEp = 20 mV; SW: thời gian tr ễ = s, DEp = 20 mV, f = 100 Hz Trong điện cực phân cực xung bình thường (NPP), điện cực thủy ngân giữ hầu hết thời gian điện Ein khơng đổi, khơng có phản ứng hóa điện xảy điều kiện thí nghiệm định Khả quan tâm Ep áp dụng giai đoạn cuối đời thả, khoảng thời gian (theo thứ tự vài mili giây) Các giá trị Ein giữ liên tục suốt trình ghi lại polarogram Ep thay đổi từ giọt xuống giọt (Hình 5-1a) Dòng hạn chế NPP điều khiển khuếch tán Các yêu cầu thử nghiệm điều khiển khuếch tán tương tự yêu cầu phân cực DC Vì trậ t tự mili giây, độ dày lớp truyền tán nhỏ so với bán kính rớt thủy ngân đạt vào cuối đời Các phương trình cho khuếch tán mặt phẳng áp dụng với đồng thuận tốt nhiều so với phân cực DC (cho = ms, độ dày lớp truyền tán khoảng 2-10-4 cm, bán kính thủy ngân thả khoảng 0,05 cm t = giây m = mg/giây) Hơn nữa, diện tích thả khơng đổi q trình áp dụng xung (t lớn nhiều so với tp) Sự không đổi khu vực có nghĩa khơng cần phải có yếu tố điều chỉnh cho mở rộng lớp khuếch tán (yếu tố (7/3) 1/2) Như vậy: 𝑖𝑑 (𝑁𝑃 ) = 𝑛𝐹𝐴𝜏𝐶 ∗ 𝐷 ( )2 𝜋𝑡𝑝 Để so sánh, dòng điện phân cực DC thời điểm t 1/2 18 𝑖𝑑 ∗ 𝐷 (𝐷𝐶 ) = ( ) 𝑛𝐹𝐴𝜏 𝐶 ( )2 𝜋𝜏 19 Dòng điện điều kiện NP lớn dòng điện điều kiện DC Tỉ số dòng điện tăng lên là: 1/2 𝑖𝑑 (𝑁𝑃 )/𝑖𝑑 (𝐷𝐶 ) = ( ) ( 𝜏 𝑡𝑝 ) Đối với điều kiện điển hình, t = s = ms, tỷ số khoảng 20 Đóng góp dịng điện nạp giống hệt cho NPP DCP, giới hạn phát NPP thấp DCP theo chọn độ lớn Mối quan hệ i / E cho trình Nernstian DCP NPP cho 𝐸= 𝐸 𝑅𝑇 1/2 + 𝑛𝐹 𝑙𝑛 𝑖𝑑 −𝑖 𝑖 Giới hạn phát NPP khoảng 10−7 M Differential pulse polarography (DPP) Từ quan điểm phân tích, độ nhạy DPP chí cịn tốt so với NPP Các chuỗi tiềm giọt thủy ngân trình tự tiềm ẩn sử dụng để ghi lại toàn phân cực xung ký đưa hình 3.2 Dịng điện đượ c lấy mẫu hai lần thời gian giảm thời gian sống: (i) (ii) t1, trướ c xung t, trướ c giọt rơi Kíp cực đại diện cho khác biệt chức Eb sở tiềm Đường cong có hình dạng đỉnh cao Chiều cao đỉnh tương ứng với nồng độ chất hoạt tính Đối với q trình Nernstian Ox + ne = Red C * red = 0, thành phần faradaic dòng điện đỉnh Epeak là: (∆𝑖𝐹 )𝑝𝑒𝑎𝑘 = 𝑛𝐹𝐴 ∗ 𝜏𝐶𝑜𝑥 20 𝐷 ( 𝜋𝑡𝑝 ) 𝑛𝐹 ∆𝐸 − exp 𝑅𝑇 + exp 𝑛𝐹 ∆𝐸 𝑅𝑇 21 𝐸𝑝𝑒𝑎𝑘 = 𝐸1/2 − ∆𝐸 Hình dạng cao voltammogram DP đượ c giải thích Vớ i tiềm tích cực đủ, Eb - E0 > (120 / n) mV, dòng Faradaic i (t1) khơng Với điện tiêu cực đầy đủ, Eb - E0 < (120 / n) mV, trình faradaic tiến hành với tốc độ tối đa dòng giớ i hạn khuếch tán đạt tới; Hiện độc lập với tiềm số không Tại tiềm vùng lân cận khác biệt xác định có giá trị hữu hạn Đối với quy trình khơng thuộc Nernstian nhỏ so với quy trình Nernstian Độ nhạy giới hạn phát DPP tốt trình Nernstian, phân cực DC NP, chúng độc lập với loại quy trình Lý cho điều đượ c hiểu cách lưu ý phương trình cho dòng giới hạn phân cực DC NP (eqs.1 2) không chứa giả định trình Nernstian Tuy nhiên, DPP, giá trị xuất phát từ thay đổi dòng điện xung quanh Di/dE cho q trình khơng Nernstian nhỏ so với Nernstian, kết có đỉnh thấp Mặc dù đỉnh (DiF) nhỏ giới hạn dòng NPP, giới hạn phát DPP thấp (khoảng 10-7 M) bù đắp hiệu cho dịng điện sạc Phân cực sóng vng (SWP) Độ nhạy cao giới hạn phát thấp thu kỹ thuật Nó tương tự DPP, nhiên, toàn chuỗi tiềm áp dụng thời gian sống giọt đơn Các voltammogram thu vài giây, so với thời gian dài nhiều với kỹ thuật khác Chu trình tiềm áp dụng vài giây sau sinh thả, để tận dụng lợi diện tích bề mặt lớn giọt thủy ngân Như trường hợp DPP, khác biệt trước sau áp dụng xung đo Hiệu suất phương pháp tốt cho 22 q trình Nernstian so với người khơng Nernstian Giới hạn phát phương pháp khoảng 10−7M 3.5) Xử lý mẫu Ứng dụng phương pháp tiêu hóa chất hữu Nói chung, mẫu tự nhiên phải tiêu hóa trước thực phân tích điện hóa Lý là: - nguyên tố vi lượng phải có mặt ion dung dịch nước, - hợp chất hữu hình thành phức hợp với nguyên tố vi lượng ngăn ngừa chúng - nhiều hợp chất hữu cho thấy xu hướng hấp phụ bề mặt lớp k hydro nước Chủ yếu, hai phương pháp đượ c sử dụng tùy thuộc vào tính chất mẫu nội dung - Tiêu hóa với axit đậm đặc - Tiêu hố UV  Tiêu hóa với axit đậm đặc đối vớ i mẫu có tải hữu lớn cho chất rắn mẫu  Nguyên tắc: Ma trận hữu bị phá hủy trình oxy hóa nhiệt độ cao với trợ giúp axit vô tập trung (H2SO4, HNO3, HCLO4)  Thuốc thử Axit vô (H2SO4 96%, HNO3 65%), H2O2 30%, chất lượng có sẵn cao (suprapur) để giảm thiểu giá trị trống  Phương pháp hệ thống mở: 10ml 2g mẫu cho bình Kjeldahl làm thạch anh, thêm ml axit vơ Nếu có thể, hỗn hợp phép để vài nhiệt độ phịng (ví dụ: Qua đêm) bình đóng kín Sau đó, phải trải qua q trình làm nóng chậm Sau khoảng thời gian định, chất lỏng Mẫu nên biến thành màu nâu Các mẫu rắn nên hoá lỏng Bây giờ, hydroPeroxit thêm vào giọt vào hỗn hợp hỗn hợp làm nóng lại dung dịch trở nên rõ ràng không màu 23 Chú ý: Việc bổ sung hydrogen peroxide phải thực cách cẩn thận cẩn thận (ví dụ, cách cho phép dịng chảy tường bình vào hỗn hợp tiêu hóa) Phản ứng hydroPeroxit với axit nóng mạnh  Phương pháp hệ thống khép kín Tiêu hóa hệ thống khép kín đượ c thực áp suất cao nhiệt độ cao Nó địi hỏi thiết bị đặc biệt (ví dụ: thiết bị tiêu hóa vi sóng) Loại phân đề nghị trườ ng hợp vật liệu rắn kim loại dễ bay bay chì chì thuỷ ngân 0,5 g Mẫu đổ vào bể tiêu hóa Axít khống đậm đặc hydrogen peroxide bổ sung chương trình tiêu hóa bắt đầu Chú ý: Tiêu hóa cao acid nitric thường khơng hồn chỉnh Ngồi ra, hữu ổn định Hợp chất nitro hình thành Những chất ảnh hưởng đến chất điện phân định Để tránh vấn đề này, nên sử dụng phương pháp sau điều trị với tia UV  Xử lý tia UV đối vớ i mẫu ô nhiễm nhẹ sau xử lý Quang phân nguyên tử với ánh sáng UV,q trình oxy hóa gốc H2O2, HCl  Phương pháp Các mẫu chất lỏng đổ vào thạch anh, sau đặt xung quanh đèn thủy ngân.Thiết bị phải làm mát nước để tránh nhiệt độ mẫu cao 80° C Bổ sung hydrogen peroxide (tối đa 1%) phù hợp cho trình oxy hóa có hiệu chất hữu Thời gian tiêu hóa phụ thuộc vào mức độ ô nhiễm đặc điểm đèn UV Nó rút ngắn lượ ng nhỏ axit clohiđric (0,1%) thêm vào mẫu 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài giảng “Thiết bị đo y sinh môi trường” PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương Luận văn “Phương pháp phân tích Volt – Ampe” TS Nguyễn Thị Hồng Hương, PGS.TS Vĩnh Định, TS Phan Văn Hồ Nam Handbook of Modern Sensors Physics Designs and Applications – Jacob Fraden 25 ... thay đổi điện áp đặt lên cảm biến phân cực đường đặc tính Volt – Ampe có dạng bước nh? ?y 2.Phương pháp đo 2.1) Mơ hình m? ?y phân cực M? ?y phân cực hoạt động dựa phép đo dòng điện phân loại điện cực. .. sóng phân cực điều kiện hình thành sóng phân cực - Phân tích điện phân thực điều kiện đặc biệt - Đặc điểm cụ thể:  Một điện cực phân cực điện cực khử cực sử dụng làm điện cực làm việc điện cực. .. Khơng khu? ?y động Điện phân khơng hồn tồn (chỉ tiêu tốn lượng nhỏ chất phân tích) Hình 5:Mơ hình q trình phân tích sóng phân cực  Điện cực phân cực điện cực khử cực - Nếu điện cực thay đổi lớn