CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ NHẠY CỦA PHÉP PHÂN TÍCH BẰNG QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ Thái Ngọc Ánh ∗ Mục lục Mở đầu 2 Giới hạn tiểu luận 3 Phương pháp nâng cao độ nhạy chất phụ gia Phương pháp nâng cao độ nhạy điện trường, từ trường 4.1 Phương pháp nâng cao độ nhạy điện trường 4.2 Phương pháp nâng cao độ nhạy từ trường 5 Phương pháp quang phổ phát xạ cộng hưởng Kết luận ∗ Khoa Vật lý - ĐHKH Huế LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tóm tắt Trong tiểu luận tơi cố gắng trình bày ngun tắc phương pháp nâng cao độ nhạy phép phân tích quang phổ phát xạ ngun tử Đó phương pháp đưa vào nguồn chất phụ gia, tác dụng lên nguồn từ trường điện trường bên ngoài, phương pháp phổ phát xạ cộng hưởng Mở đầu Chúng ta biết phương pháp phổ phát xạ nguyên tử (AES) ta cần phải có nguồn kích thích đốt nóng mẩu vật kích thích nguyên tử lên trạng thái lượng cao Thơng thường q trình thực cách đốt nóng mẫu vật đến hàng nghìn độ C mà mẫu vật tồn dạng hố Do nguồn sáng quang phổ yếu tố quan trọng phương pháp Nguồn sáng quang phổ người sử dụng lửa khí đốt lửa hỗn hợp khí đốt, chẳng hạn hỗn hợp khí hiđrơ oxi cho nhiệt độ cở 26000 C, hỗn hợp khí acetylence oxi cho nhiệt độ cở 30000 C Nhược điểm phương pháp quang phổ phát xạ dùng khí đốt lửa q trình đốt mẫu cơng phá mẫu khơng ổn định, điều dẫn đến nhiệt độ mẩu vật bị thăng giáng cường độ phát xạ vạch phổ bị thăng giáng Hậu thăng giáng sai số đến phép đo phép đo định lượng Phương pháp quang phổ phát xạ sữ dụng thơng dụng bị hạn chế nhiệt độ tối đa lửa tạo không vượt 30000 C Ngày nay, phương pháp quang phổ kế lửa thường đựơc sử dụng để phân tích nguyên tố đa lượng ion hố thấp (như kim loại kiềm, kiềm thổ như: Mg, K, Po, Na, ) Để phân tích ngun tố hố học ion hoá cao phương pháp quang phổ phát xạ người ta thường sử dụng nguồn sáng quang phổ tạo phóng điện chất khí, nguồn thường nguồn phóng điện hồ quang chiều, xoay chiều, nguồn sáng tia lửa điện cao áp, nguồn sáng Plasma (ICP) Như vậy, phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử nguồn sáng quang phổ đống vai trò to lớn việc xác định cấu tạo mẫu Tôi nhận thấy việc tạo nguồn có nhiệt độ cao, ổn định việc làm cần thiết Muốn nâng cao phẩm chất nguồn ngồi yếu tố cấu tạo nguồn người ta cịn đưa phương pháp nhằm nâng cao độ nhạy phép phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử Như đưa vào nguồn số chất phụ gia thích hợp, đưa vào nguồn điện trường từ trường dùng phương pháp phát xạ cộng hưởng Vì lý trên, mạnh dạn chọn đề tài :”Các phương pháp nâng cao độ nhạy phép phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử” LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com làm vấn đề nghiên cứu cho mơn học Do thời gian nghiên cứu cịn ngắn nên viết khơng tránh khỏi sai sót, kính mong góp ý kiến q thầy bạn đọc viết hoàn thiện Giới hạn tiểu luận Do thời gian nghiên cứu tiểu luận tơi cố gắng trình bày cách rõ ràng, cụ thể Phương pháp nâng cao độ nhạy điện trường bên từ trường bên ngồi, cịn phương pháp khác tơi giới thiệu ngun lý khơng trình bày cách cụ thể Phương pháp nâng cao độ nhạy chất phụ gia Chúng ta nhận thấy nguồn quang phổ dùng khí đốt Trong nguồn người ta dùng lửa cháy chất khí đốt Nhiệt độ tối đa nguồn vào khoảng tối đa 30000 C nguồn hỗn hợp khí acetylence oxi Với nhiệt độ ta khơng thể nghiên cứu tồn ngun tố bảng tuần hoàn Menđêlêep Để nghiên cứu hầu hết nguyên tố ta phải nghĩ tới việc nâng cao nhiệt độ nguồn ổn định nguồn Ngày nay, người ta nghĩ cải tiến nguồn cách pha thêm vào nguồn số chất phụ gia (các chất chảy ion hố cao) Với cách người ta đưa nhiệt độ nguồn quang phổ lên đến cở 40000 C Tuy nhiên, với nguồn quang phổ dùng khí đốt nhiệt độ nguồn thường khơng cao ngày người ta dùng nguồn sáng quang phổ tạo phóng điện chất khí, nguồn sáng thường nguồn phóng hồ quang chiều, hồ quang xoay chiều, nguồn sáng tia lửa điện cao áp, nguồn sáng plasma Đặc điểm nguồn sáng đặc biệt nguồn hồ quang điện cao áp, nguồn plasma ICP nhiệt độ lên tới 50000 C, 70000 C Đặc biệt thêm chất chảy ion hố cao nhiệt độ nguồn đạt tới 10.0000 C Mẫu trộn với chất chảy ion hố cao theo tỉ lệ phù hợp Các chất chảy muối oxít nguyên tố ion hố cao Với nhiệt độ nguồn quang phổ đạt đến nhiệt độ 10.0000 C hầu hết ngun tử bị ion hố, vạch phát xạ có chứa ion bậc 1, bậc Như dùng nguồn hồ quang, nguồn plasma ta phân tích hầu hết ngun tố có bảng tuần hồn Menđêlêep LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Như vậy, ta cải tiến nguồn cách pha thêm vào mẫu số chất chảy (chất phụ gia) nhiệt độ nguồn tăng lên nhiệt độ ổn định nhiều 4.1 Phương pháp nâng cao độ nhạy điện trường, từ trường Phương pháp nâng cao độ nhạy điện trường Chúng ta biết hạt mang điện chuyển động điện trường chịu tác dụng lực điện trường − → − → F d = qE − → Trong đó, E cường độ điện trường, q điện tích hạt mang điện Nếu − → − → − → − → q > F E phương chiều, cịn q < F E phương ngược chiều Do vậy, hạt mang điện gia tốc điện trường với gia tốc, m khối lượng hạt mang điện − → → − Fd qE − → a = = m m Ta có nhận xét sau, tác dụng điện trường ngồi hạt mang điện chuyển động cách có định hướng hơn, hạt mang điện chuyển động theo dòng định, hạt mang điện dương dịch chuyển theo chiều điện trường điện tử ion âm dịch chuyển ngược chiều điện trường Lý mà ta quan tâm sau đây: Ta biết rằng, hồ quang điện, điện tử hạt có chức ion hố chuyển động xác định dạng hồ quang Vì hạt chuyển động cách có định hướng điện trường (tạo thành dịng) độ ổn định hướng theo trục ống cao Điều có nghĩa là, lửa hồ quang chuyển động tập hợp hạt mang điện (các ion, điện tử) có tác dụng điện trường trở nên ổn định Nói cách khác có điện trường tham gia vào nguồn sáng nguồn hồ quang cháy ổn định Sự chuyển động có định hướng hạt mang điện điện trường lôi đám chất bốc từ điện cực hồ quang làm cho có định hướng tồn lâu lửa hồ quang Chúng nhận lượng kích thích nhiều Do nguyên tắc tăng độ nhạy phép lặp lại phép phân tích LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4.2 Phương pháp nâng cao độ nhạy từ trường → Khi hạt mang điện bay vào từ trường với vận tốc − v chuyển động theo đường Xơlênơít mà phương chuyển động hướng − → theo từ trường B Bán kính quỹ đạo tính theo cơng thức R= mv , eB sin α − → − với α góc → v B Nếu α = π2 hạt mang điện chuyển động theo quỷ đạo tròn, α = khơng ảnh hưởng khơng có lực tác dụng lên hạt mang điện, cịn α = 0, π2 hạt chuyển động theo đường xơlênơít Đó lí quan trọng mà quan tâm lý sau đây: Thứ nhất: Ta biết rằng, hồ quang điện, điện tử hạt có chức ion hố chuyển động xác định dạng hồ quang Vì hạt chuyển động theo đường xơlênơít độ ổn định hướng theo trục ống cao (tương tự viên đạn xoáy theo đường khương tuyến nồng súng) Điều có nghĩa là, lửa hồ quang chuyển động tập hợp hạt mang điện (các ion, điện tử) có tác dụng từ trường trở nên ổn định Nói cách khác có từ trường tham gia vào nguồn sáng nguồn hồ quang cháy ổn định Thứ hai: Khi hạt chuyển động theo quỹ đạo xoắn (đường xơlênơít) vậy, chiều dài thực tế mà hạt di chuyển từ katốt anốt (đối với điện tử ion âm) ngược lại từ anốt katốt (đối với ion dương) tăng lên đáng kể so với trường hợp thẳng trực tiếp từ anốt katốt ngược lại Do đó, thời gian sống hạt vùng hồ quang tăng lên đáng kể hạt tạo thành vùng gió xốy lơi đám chất bốc từ điện cực hồ quang làm cho ”sống” lâu lửa hồ quang Chúng nhận lượng kích thích nhiều Do nguyên tắc tăng độ nhạy phép lặp lại phép phân tích Thứ ba: Từ biểu thức phụ thuộc bán kính cong chuyển động → − điện tích theo từ trường, ta thấy việc tăng từ trường B bán kính cong quỹ đạo nhỏ lại Có nghĩa ta dùng từ trường để khống chế đám mây hồ quang vùng hẹp theo ý muốn để tập trung lượng chủ yếu lên quang hệ, tránh mát quang sai, làm tăng độ nhạy độ lặp làm tăng phẩm chất phổ thu Phương pháp quang phổ phát xạ cộng hưởng Theo quan điểm lượng tử nguyên tử hấp thụ lượng hυ hiệu hai mức E2 − E1 chuyển từ mức có lượng E1 lên mức có LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com lượng E2 hυ = E2 − E1 Như kết hợp nguồn sáng phổ với nguồn kích thích lượng hiệu cao Để nâng cao độ nhạy, độ ổn định độ xác phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử người ta sử dụng lửa, nguồn đốt cải tiến nguồn tạo tia laser, plasma tia laser, nguồn đốt nóng sóng siêu cao tầng, Trong nguồn người ta dùng thêm nguồn lượng kích thích khác, kết hợp với kích thích nhiệt Các nguồn lượng nguồn sáng siêu âm cao tầng, nguồn sáng laser Các nguồn sáng bổ sung cung cấp thêm lượng cho q trình kích thích ngun tử nguyên tố cần phân tích đạt đến trạng thái cộng hưởng Như vậy, nguồn sáng quang phổ dùng khí đốt hay hồ quang, hay nguồn plasma Nếu kết hợp thêm nguồn kích thích khác nhiệt độ nguồn tăng lên, nguyên tử nguyên tố cần phân tích đạt đến trạng thái cộng hưỡng chúng phát xạ cộng hưởng phổ ta thu có cường độ lớn nguên tác ta nâng cao độ nhạy độ ổn định nguồn quang phổ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Kết luận Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử tiến hành cách có hiệu quả, xác có nguồn sáng quang phổ ổn định có nhiệt độ cao Ngày nay, việc người ta cố gắng nghiên cứu để đưa nguồn có nhiệt độ độ ổn định cao người ta cố gắng đưa phương pháp nâng cao độ nhạy phép phân tích quang phổ Các kết đạt tiểu luận: • Đã nêu lên cần thiết việc nâng cao độ nhạy phép phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử • Đã giới thiệu ba phương pháp nâng cao độ nhạy phương pháp sử dụng chất phụ gia, phương pháp sử dụng điện trường từ trường bên ngồi, phương pháp phát xạ cộng hưởng • Đã trình bày cách chi tiết nguyên tắc phương pháp nói trên, trình bày kỹ phương pháp dùng điện trường từ trường bên ngồi Do thời gian nghiên cứu cịn hạn chế nên viết khơng tránh khỏi sai sót kính mong góp ý chân thành q thầy bạn đọc để viết hoàn thiện Hoàn thành viết xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Nguyễn Thọ Vượng người trực tiếp hướng dẫn học phần này, xin chân thành cảm ơn học viên Bùi Tiến Đạt người góp ý cho tơi hồn thành viết Huế, tháng 06 năm 2007 Học viên thực hiện: Thái Ngọc Ánh Tài liệu [1] Nguyễn Văn Tảo, "Nghiên cứu nâng cao độ nhạy phép phân tích quang phổ phát xạ cộng hưởng phương pháp nâng cao phẩm chất nguồn sáng kích thích", Luận văn thạc sỹ , Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế, 1995 [2] Thomas J Manning and William R Grow, "Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry", Department of Chemistry Valdosta State Univesity LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... nhiệt độ độ ổn định cao người ta cố gắng đưa phương pháp nâng cao độ nhạy phép phân tích quang phổ Các kết đạt tiểu luận: • Đã nêu lên cần thiết việc nâng cao độ nhạy phép phân tích quang phổ phát. .. nguyên tắc phương pháp nâng cao độ nhạy phép phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử Đó phương pháp đưa vào nguồn chất phụ gia, tác dụng lên nguồn từ trường điện trường bên ngoài, phương pháp phổ. .. trên, tơi mạnh dạn chọn đề tài :? ?Các phương pháp nâng cao độ nhạy phép phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử? ?? LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com làm vấn đề nghiên cứu cho môn