Bài giảng phân tích thành phần thực phẩm phân tích công cụ

PHÂN TÍCH CƠNG CỤ Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN MỞ ĐẦU Nhóm phương pháp phân tích hóa học Nhóm phương pháp phân tích vật lý hóa lý (phương pháp cơng cụ) - Các tín hiệu phát xạ (dùng phương pháp phổ xạ phát quang ) - Các tín hiệu hấp thụ xạ (phương pháp so màu, đo quang, cộng hưởng từ hạt nhân cộng hưởng Spin electron) - Các tín hiệu tán xạ (phương pháp đo độ đục, quang phổ Raman) - Các tín hiệu khúc xạ (phương pháp đo khúc xạ, giao thoa) - Các tín hiệu nhiễu xạ (phương pháp nhiễu xạ tia X nhiễu xạ electron) - Các tín hiệu điện thế, điện tích, dịng điện, điện trở (phương pháp đo điện thế, phương pháp phổ cực, ampe, đo độ dẫn…) - Các tín hiệu tỷ lệ khối lượng/điện tích (phương pháp khối phổ) - Các tín hiệu vận tốc phản ứng, nhiệt, phóng xạ (phương pháp động học, đo độ dẫn nhiệt, entalpy, phương pháp hoạt hóa pha loãng đồng vị…) Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK ĐẶC TÍNH CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ Bức xạ điện tử bao gồm: ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, hồng ngoại, tia Rơnghen (tia X), tia gama (γ), sóng radio… có chất mặt: vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt Mơ hình sóng – xạ điền từ Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN Tần số ν số dao động mà xạ điện từ thực giây  = = ⇒[ ] = s−1   v Số sóng C   =  [] ⇒  = cm −1 Quan điểm hạt: xạ điện từ hạt photon C E = h. = h ⇒[E] = ec, j  h: số planck = 6,627.10-27ec.s = 6,627.10-34j.s Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK Miền phổ Khoảng bước sóng Tia γ Tia X Tử ngoại xa Tử ngoại gần Khả kiến Hồng ngoại gần Hồng ngoại Hồng ngoại xa Viba Sóng vơ tuyến 0,05 A0 < 0,05 ÷ 100 A0 10 ÷ 180 nm 180 ÷ 350 nm 350 ữ 770 nm 770 ữ 2500 àm 2,5 ÷ 50 µm 50 ÷1000 µm 1÷ 300 mm > 300 mm Khoảng tần số (Hg) > 6.1019 3.1016 ÷ 6.1019 1,7.1015 ÷ 3.1016 8,6 1014 ÷ 1,7.1015 3,9.1014 ÷ 8,6 1014 1,2.1014 ÷ 3,9 1014 6.1012 ÷ 1,2 1014 3.1011 ÷ 6.1012 1.109 ÷ 3.1011 < 1.109 Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN SƠ ĐỒ CHUNG CỦA THIẾT BỊ ĐO QUANG I o = I dm + I x + I pc + I tx + I Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK I o = I dm + I pc + I tx + I ′ Ix =I′−I Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PHỔ HẤP THỤ HỒNG NGOẠI (PHỔ ĐIỆN TỬ - PHỔ DAO ĐỘNG) Trạng thái lượng phân tử Etf = Ee + Ev + Ej Etf : lượng toàn phần hệ phân tử Ee : lượng liên quan đến chuyển động điện tử Ev: lượng liên quan đến chuyển động dao động Ej: lượng liên quan đến chuyển động quay Ee ≥ Ev ≥ Ej Ee ≈ 60 - 150 Kcal/mol Ev ≈ - 10 Kcal/mol Ej ≈ 0.01 - 0.1 Kcal/mol Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK Trạng thái dao động phân tử • Phân tử có nguyên tử s = 1 = + M m1 m2 K 2∏ M Dao động điều hòa: E = K     v +  = h  S  v +  M     h ∏ Dao động phi điều hòa: E = h   v +  − h    s   x: hệ số phi điều hòa Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN    v +  4D   s 1 1   E  = h  s  v +  − x h  s  v +  2 2   2 • Phân tử có nhiều nguyên tử – Dao động hóa trị (dao động co dãn liên kết) – Dao động biến dạng (dao động biến hình) Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 10 Máy quang phổ hồng ngoại • Nguồn sáng Nguồn phát xạ Miền phổ  (cm-1) Điều kiện phát xạ Thanh Cacbon silic Miền hồng ngoại gần trung bình: 300 - 5000 Miền hồng ngoại gần trung bình 400 – 5000 50V; A 1600 K 90 V; 04 A 1900 K V; A (chứa Ar hay N) Thanh nén nec từ hỗn hợp: ZrO2, CeO2, Y2O3 ThO2 Miền hồng ngọai gần Đèn sợi đốt Vonfram miền nhìn thấy 2500 5000 Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN • Bộ tán sắc Lăng kính 11 Miền phổ  (cm-1) Ngồi dùng cách tử nhiễu xạ phản xạ, giao thoa kế Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 12 • Bộ thu xạ Khơng dùng tế bào quang điện nhân quang điện tử, mà dùng cặp nhiệt điện • Bộ ghi Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 13 Ứng dụng phổ hồng ngoại • Đồng chất hữu • Xác định cấu trúc phân tử hợp chất • Ứng dụng nghiên cứu hợp chất vơ • Phân tích định lượng kiểm tra sản xuất • Nghiên cứu động học phản ứng • Nghiên cứu toàn diện phân tử Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 14 PHỔ HẤP THỤ TỬ NGOẠI-KHẢ KIẾN (PHỔ UV-VIS) Nguyên lý phương pháp Khi cho ánh sáng qua dung dịch nghiên cứu, dung dịch hấp thụ phần lượng ánh sáng ti cho truyền qua phần ánh sáng, phần ánh sáng tới máy thu (Detector) ghi nhận λ =200 ÷ 800nm Định luật Định luật Lambert-Beer: I I = Io.e-klC hay lg o = .l.C = A I A = as.lcm.Cg.l-1 = am.lcmCmol.l-1 Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 15 Tính cộng tính độ hấp thụ Io A1 ε1, l, C1 I1 A2 I ε2, l, C2 I I  I I I  Atong = log o  = log o  = log O + log = A1 + A2 I I I I  I    ATổng = ε1.l.C1 + ε2.l.C2+…+ εn.l.Cn = l (ε1.C1+ + εnCn) Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 16 Hiệu lực định luật Lambert-Beer A C Cmax • Tính đơn sắc ánh sáng • Ảnh hưởng số khúc xạ nhiệt độ dung dịch • Tương tác chất nghiên cứu với chất lạ môi trường Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 17 Các điều kiện thực nghiệm • Chọn bề dày dung dịch • Chọn bước sóng thích hợp • Nền phổ – Khơng có ảnh hưởng phổ – Nền phổ hấp thụ λmax không điểm – Nền phổ hấp thụ bước sóng Các phương pháp xác định nồng độ 6.1 Phương pháp so màu Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 18 6.2 Phương pháp đo độ hấp thụ • Đối với chât nghiên cứu – Phương pháp đường chuẩn – Phương pháp thêm – Phương pháp vi sai • Đối với hỗn hợp chất nghiên cứu – Trường hợp lý tưởng – Một hai chất ảnh hưởng đến chất – Trường hợp chung Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 19 Thiết bị đo • Sơ đồ nguyên lý Nguồn sáng Khe vào F- lọc Cốc đo R- Bộ thu quang học • Nguồn sáng • Bộ lọc sóng – Kính lọc Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 20 10 – Nguyên tắc chọn kính lọc Vùng sóng bị hấp thụ (nm) Màu bị hấp thụ Màu phụ họa mắt thấy 400 ÷ 450 Tím Lục vàng 450 ÷ 480 Xanh Vàng 480 ÷ 490 Xanh lục Da cam 490 ÷ 500 Lục xanh Đỏ 500 ÷ 560 Lục Đỏ tía 560 ÷ 580 Lục vàng Tím 580 ÷ 600 Vàng Xanh 600 ÷ 650 Da cam Xanh lục 650 ÷ 750 Đỏ Lục xanh Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 21 – Đơn sắc kế – Cách tử Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 22 11 • Bộ thu quang điện Detector quang điện: Tế bào quang điện, ống nhân quang • Cốc đo: – Vùng khả kiến: thủy tinh, chất dẻo – Vùng tử ngoại: thạch anh, silica nung chảy Ứng dụng • Kiểm tra thực phẩm – Xác định thành phần hóa học, giá trị thực phẩm – Đánh giá chất lượng sản phẩm – Xác định chất chống oxy hóa – Kim loại nặng • Ứng dụng khác – Dược phẩm – Môi trường – Y học Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 23 PHỔ HUỲNH QUANG Sự phát quang A(If) Phát quang Hấp thụ Chuyển dịch Stoc λ Nguyên tắc Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 24 12 Phân tích huỳnh quang • Phân tích định tính • Phân tích định lượng If= k.Io(1-10-ε.l.c) Khai triển chuỗi Taylor  ( l.c )2 + 2,3033 ( l.c )3 −  I f = k I o  2,303. l.c − 2,3032  2! 3!   I f = 2,303.k I o  l.c Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 25 Thiết bị đo • Sơ đồ đo – Một nhánh quang học Đèn tử ngoại Cửa sổ Kính lọc sơ cấp Bộ ghi Mẫu Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK Kính lọc thứ cấp 26 13 – Hai nhánh quang học Đèn tử ngoại Cửa sổ Kính lọc sơ cấp Thấu kính Bộ ghi Bộ ghi Mẫu Kính lọc thứ cấp Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 27 • Nguồn sáng • Bộ chọn sóng: hay dùng kính lọc giao thoa đơn sắc kế có độ phân giải trung bình • Cốc đựng mẫu: vật liệu Silica tổng hợp nung chảy • Bộ ghi: ống nhân quang Ứng dụng • Định lượng chất vơ • Phân tích chất hữu cơ: phân tích lâm sàng, sinh hóa, mơi trường Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 28 14 PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ Sự phát sinh quang phổ phát xạ Việc phát xạ điện từ nguyên tử thay đổi trạng thái lượng nguyên tử Tần số xạ phát xạ: E* E  = − h h Với nguyên tử hydro có điện tử:  1   = R −   n1 n2  R: số Rydberg 1,097.107 m-1 Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 29 Với hạt ion có điện tử, với điện tích Z  1  −   n1 n2   = Z R Với hạt nhiều điện tử   1  − 2   (n1 + ∆ ) (n2 + ∆ )   = Z R Δ: số hiệu chỉnh phụ thuộc số lượng tử phụ Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 30 15 a- Dãy (tử ngoại chân khơng) b- Dãy phụ I (nhìn thấy) c- Dãy phụ II (hồng ngoại) Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 31 Cường độ vạch quang phổ Định luật Planck 2h.v I = × C2 e h / kT − Hệ thức Lomakin I = a.C b Vạch quang phổ đặc trưng nguyên tố • Vạch cuối – vạch cộng hưởng Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 32 16 Cấu tạo thiết bị • Sơ đồ ngun lý - Kính ảnh máy phát hồ quang Hệ tán sắc Bộ thu ánh sáng - Tbào quang điện • Nguồn sáng – Ngọn lửa – Hồ quang – Tia lửa điện – Nguồn plasmatron • Hệ tán sắc: lăng kính, cách tử nhiểu xạ Lăng kính thủy tinh, thạch anh, fluorin, muối mỏ… • Bộ ghi phổ: kính ảnh, thiết bị quang điện (tế bào quang điện, nhân quang điện tử) Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 33 Phân tích phương pháp phổ phát xạ 5.1 Phân tích định tính Mỗi nguyên tố có quang phổ phát xạ đặc trưng • Phương pháp đo độ dài sóng • So sánh với mẫu chuẩn biết trước thành phần • Tìm vạch cuối 5.2 Phân tích bán định lượng • Phương pháp vạch • Phương pháp so sánh Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 34 17 5.3 Phân tích định lượng • Quang phổ chụp ảnh (dùng kính ảnh) – Phương pháp so sánh độ đen (phương pháp đường chuẩn) S = K.lgC + Ko – Phương pháp “cặp vạch phân tích” (pp nội chuẩn) ΔS = Snc – Sss = k.lgC + ko • Thiết bị quang điện (tế bào quang điện, nhân quang điện tử) Các ứng dụng • Luyện kim • Địa chất, khai khống • Mơi trường, y sinh học, thực phẩm • Nghiên cứu vũ trụ (phương pháp thay được) Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 35 PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ Nguyên lý chung Khả hấp thụ chọn lọc xạ cộng hưởng nguyên tử trạng thái tự Sự hấp thụ xạ có tần số cộng hưởng Định luật Lambert-Beer A = lg Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK I0 = K l.C I 36 18 Thiết bị đo 3.1 Sơ đồ nguyên lý Hệ thống phát xạ I0,λ Iλ Iλ Ngọn lửa Nguồn photon Nguồn nguyên tử Bộ lọc tia đơn sắc Bộ thu Mẫu phân tích Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 37 3.2 Nguồn xạ • Đèn catot rỗng • Đèn khác 3.3 Thiết bị ngun tử hóa • Ngọn lửa • Kỹ thuật sợi cacbon • Lị graphit 3.4 Bộ tách tia đơn sắc (hay dùng ngắt-biến điện tín hiệu) Phân tích định lượng I A = lg = K l.C • Phương pháp đường chuẩn I • Phương pháp thêm Ứng dụng Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 38 19 PHƯƠNG PHÁP KHỐI PHỔ Đặc điểm chung Phương pháp nghiên cứu chất cách đo xác khối lượng phân tử chất Chất nghiên cứu → hóa → ion hóa → phân tích Sự hình thành khối phổ 2.1 Sự ion hóa • Ion hóa va chạm điện tử • Ion hóa trường điện tử Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 39 2.2 Máy khối phổ R Bộ nạp; Buồng ion hóa; Thấu kính đẩy; Thấu kính hội tụ (điện cực); Khe vào buồng phân tích; Bộ phận tích từ; Khe ra; Bộ thu; Điện nghiệm; 10 Nhân điện từ; 11 Bộ ghi R= Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK m 2V × z e H 40 20 Ion phân tử ion phân tử đồng vị Đa số nguyên tố thiên nhiên gồm hỗn hợp nhiều đồng vị Giả sử phân tử có nguyên tố A B nguyên tố có số đồng vị: A1, A2…Ai; B1, B2…Bj thành phần tương ứng chúng thiên nhiên a1, a2,…ai; b1, b2…bj Hệ số hóa học A, B hợp chất n m (An Bm).Cường độ tương đối pic tính theo hệ thức: (a1 + a2 + …ai)n (b1 + b2 +…+ bj)m Khai triển đa thức cần ý tổ hợp số hạng đồng cho ion khối lượng từ tính cường độ tương đối pic Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 41 Năng suất phân giải R Năng suất phân giải R máy khối phổ đo khả phân biệt hai pic ứng với khối lượng gần M M + ∆M khối phổ đồ R= M ∆M Ứng dụng khối phổ • Đồng chất • Xác định cơng thức cấu tạo • Phân tích định lượng I = K.C Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 42 21 PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN THẾ Đặc điểm chung phương pháp Phương pháp xác định nồng độ ion dựa vào thay đổi điện cực nhúng vào dung dịch phân tích Phương trình Nernst R.T E = Eo + Với dung dịch loãng n.F E = Eo + 2,303 Ở 25oC ta có E = Eo + ln ame R.T lg Cme n.F 0,059 lg Cme n Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN 43 Điện cực dùng phương pháp điện 2.1 Điện cực thị • Phương pháp kết tủa, tạo phức: điện cực Ag • Phản ứng oxy hóa khử: điện cực trơ: Pt, Au, Pd, Ir • Phản ứng trung hòa: điện cực Quinhydron, điện cực thủy tinh 2.2 Điện cực tiêu chuẩn (điện cực so sánh) • Điện cực Ag-AgCl • Điện cực Calomel (Hg2Cl2) Định phân theo phương pháp điện • Phương pháp axit-bazơ • Phản ứng oxy hóa khử • Phản ứng tạo kết tủa • Phản ứng tạo phức complexon Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 44 22 ... dụng • Kiểm tra thực phẩm – Xác định thành phần hóa học, giá trị thực phẩm – Đánh giá chất lượng sản phẩm – Xác định chất chống oxy hóa – Kim loại nặng • Ứng dụng khác – Dược phẩm – Môi trường... dịch Stoc λ Nguyên tắc Vũ Hồng Sơn-ĐHBK HN PhD Vũ Hồng Sơn-ĐHBK 24 12 Phân tích huỳnh quang • Phân tích định tính • Phân tích định lượng If= k.Io(1-10-ε.l.c) Khai triển chuỗi Taylor  ( l.c... Sơn-ĐHBK HN 33 Phân tích phương pháp phổ phát xạ 5.1 Phân tích định tính Mỗi ngun tố có quang phổ phát xạ đặc trưng • Phương pháp đo độ dài sóng • So sánh với mẫu chuẩn biết trước thành phần • Tìm