Giáo trình các phương pháp phân tích hóa lý

PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ

Giới thiệu phổ hấp thụ phân tử UV-Vis

1.1.1 Sự hấp thụ ánh sáng của phân tử trong vùng UV-Vis

Các phân tử ở trạng thái cơ bản bền vững với năng lượng thấp nhất Khi nhận năng lượng từ ánh sáng có bước sóng phù hợp, các electron hóa trị trong phân tử hấp thụ năng lượng và chuyển sang trạng thái kích thích với năng lượng cao hơn.

Theo cơ học lượng tử, trong trạng thái cơ bản của phân tử, các electron được phân bố đầy vào các orbital phân tử liên kết σ và π Ngoài ra, còn tồn tại các cặp electron hóa trị chưa tham gia liên kết (ký hiệu n) với mức năng lượng thấp, như trong trường hợp mỗi nguyên tử nitrogen (N) trong nhóm chức amine có một cặp electron hóa trị chưa tham gia liên kết.

Khi chiếu sáng vào các phân tử với bước sóng phù hợp, electron trong các orbital liên kết (MO) hoặc electron n sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển lên các orbital phản liên kết (σ*, π*) có mức năng lượng cao hơn Các chuyển đổi electron này bao gồm σ→σ*, π→π*, n → σ*, và n → π* Trạng thái này được gọi là trạng thái kích thích, và nó không bền, chỉ tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn, khoảng một phần triệu giây.

Năng lượng ε của photon được hấp thụ tương ứng với hiệu năng lượng giữa hai orbital Sự chuyển động của electron giữa hai orbital này được gọi là dịch chuyển điện tử, trong khi quá trình hấp thụ năng lượng này được gọi là hấp thụ điện tử.

Cùng với sự dịch chuyển điện tử, các phân tử còn trải qua hai loại dịch chuyển cảm ứng bức xạ khác là dịch chuyển dao động và dịch chuyển quay Những dịch chuyển này xảy ra do các mức năng lượng dao động và quay của phân tử được lượng tử hóa, và chúng liên quan chặt chẽ đến các liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử.

Dải hấp thụ điện tử được mở rộng nhờ các mức năng lượng dao động và năng lượng quay khác nhau Phân tử có khả năng hấp thụ photon với năng lượng đa dạng, giúp chuyển từ trạng thái điện tử cơ bản sang trạng thái điện tử kích thích.

Các trạng thái điện tử của formaldehyde được nghiên cứu để minh họa quá trình xảy ra khi phân tử này hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại-khả kiến.

Hình 1.1 cung cấp thông tin ngắn gọn về cấu hình hình học của phân tử formaldehyde Trong trạng thái cơ bản (singlet S o), phân tử này có các nguyên tử nằm trong cùng một mặt phẳng, với một liên kết đôi giữa nguyên tử carbon và oxygen, tạo thành liên kết π Ngoài ra, nguyên tử oxygen còn có hai cặp electron hoá trị chưa tham gia liên kết, được biểu diễn bằng các cặp dấu chấm.

Hình 1.1: Cấu hình hình học của phân tử formaldehyde (a) Trạng thái cơ bản (b) Trạng thái singlet kích thích thấp nhất [6]

Liên kết đôi giữa carbon và oxygen bao gồm một liên kết sigma (σ) và một liên kết pi (π) Liên kết sigma được hình thành trực tiếp giữa hai nguyên tử, trong khi liên kết pi được tạo ra từ các orbital 2p z của carbon và oxygen, nằm ngoài mặt phẳng xy.

Sự phân bố electron trong các orbital phân tử (MO) tương tự như trong các orbital nguyên tử (AO) của nguyên tử Trong giản đồ năng lượng của phân tử formaldehyde, một trong hai orbital không liên kết của oxygen kết hợp với ba orbital liên kết sigma (bao gồm 2 liên kết σ C-H và 1 liên kết σ C-O), tạo thành bốn orbital được đánh số từ sigma.

1 (σ 1 ) đến sigma 4 (σ 4 ) Mỗi orbital này được chiếm giữ bởi cặp electron với spin đối song (số lượng tử spin +1/2 và -1/2)

Trong phân tử formaldehyde, giản đồ năng lượng cho thấy orbital liên kết pi (π) được hình thành từ sự xen phủ của orbital 2p y của carbon và oxygen Orbital có năng lượng cao nhất chứa electron là orbital không liên kết (n), chủ yếu từ orbital 2p x của oxygen Trong khi đó, orbital phản liên kết pi (π*) có năng lượng thấp nhất không bị chiếm giữ bởi electron, và các electron trong orbital này không tạo liên kết mà đẩy nhau giữa carbon và oxygen.

Trong một dịch chuyển điện tử (electronic transition), một electron từ một

MO di chuyển đến một MO khác đi kèm với sự thay đổi năng lượng của phân tử Dịch chuyển điện tử có năng lượng thấp nhất của formaldehyde là chuyển một electron không liên kết lên MO phản liên kết pi Có hai loại dịch chuyển điện tử tùy thuộc vào số lượng tử spin trong trạng thái kích thích.

Khi số lượng tử spin của electron trong trạng thái kích thích ngược dấu với electron ở trạng thái cơ bản, nó được gọi là trạng thái singlet (ký hiệu S) Ngược lại, nếu spin của hai electron có cùng dấu, trạng thái này được gọi là trạng thái triplet (ký hiệu T).

Hình 1.3: Hai trạng thái điện tử có thể nảy sinh từ dịch chuyển điện tử n→π* (a) Trạng thái kích thích singlet S 1 (b) Trạng thái kích thích triplet T 1

Các trạng thái năng lượng bị kích thích thấp nhất singlet và triplet được gọi lần lượt là S 1 và T 1 Nói chung, T 1 có năng lượng thấp hơn S 1

Trong phân tử formaldehyde, sự dịch chuyển n →π*(T 1 ) đòi hỏi sự hấp thụ năng lượng của ánh sáng khả kiến có bước sóng 397 nm Sự dịch chuyển n

→π*(S 1 ) xảy ra khi phân tử formaldehyde hấp thụ bức xạ UV với bước sóng 355 nm

Trong hai dịch chuyển trên, dịch chuyển n(S o ) →π*(T 1 ) ở bước sóng gần

Tại bước sóng 397 nm, xác suất chuyển đổi từ trạng thái singlet sang trạng thái triplet rất thấp, trong khi chuyển đổi từ n(S o) sang π*(S 1) ở bước sóng 355 nm có khả năng xảy ra cao hơn nhiều Điều này dẫn đến sự hấp thụ bức xạ UV với cường độ mạnh hơn đáng kể.

Mặc dù formaldehyde có cấu hình phẳng trong trạng thái cơ bản, nhưng khi ở trạng thái kích thích S1 và T1, nó chuyển sang cấu hình dạng tháp (pyramidal structure), như minh họa trong Hình 1.1b.

• Các trạng thái dao động và quay của Formaldehyde

Thiết bị đo quang UV-Vis

1.2.1.1 Nguồn sáng Đèn tungsten là nguồn sáng phổ biến cho các bức xạ trong vùng khả kiến và cận hồng ngoại Một dây tóc tungsten hoạt động ở nhiệt độ khoảng 3000 K tạo ra ánh sáng trong khoảng bước sóng 320 đến 2500 nm Khoảng bước sóng này bao phủ toàn bộ vùng khả kiến và một phần của vùng UV và vùng hồng ngoại Đèn hồ quang deterium D2 thường được sử dụng để tạo nên phổ hấp thụ

UV Trong đèn này có sự phóng điện được kiểm soát để phân ly D2 và phát ra bức xạ UV trong khoảng từ 110 nm đến 400 nm

Máy UV-Vis được trang bị công tắc chuyển đổi giữa đèn tungsten và đèn D2 khi bước sóng đạt 360 nm, đảm bảo nguồn sáng luôn duy trì cường độ cao nhất cho quá trình sử dụng.

1.2.1.2 Ống chứa mẫu đo (cuvet)

Trong phép đo phổ UV-Vis, dung dịch mẫu được chứa trong các ống hình hộp có mặt cắt ngang vuông với cạnh trong 1,000 cm Ống này có hai mặt nhám để thao tác và hai mặt trong suốt cho ánh sáng đi qua Vật liệu làm cuvet có thể là nhựa trong suốt, thủy tinh hoặc thạch anh (quartz).

1.2.1.3 Bộ chọn bước sóng (bộ đơn sắc hoá)

Bộ đơn sắc hóa bao gồm hai loại chính: cách tử (grating) và lăng kính, có chức năng phân tán chùm sáng đa sắc từ nguồn sáng thành các bước sóng riêng biệt Sau đó, chúng chọn một dải hẹp các bước sóng để chiếu qua dung dịch mẫu hoặc vào detector.

Các thiết bị đo trước đây thường sử dụng lăng kính, nhưng hiện nay, các thiết bị hiện đại chủ yếu áp dụng cách tử phản xạ (reflection grating).

Cách tử phản xạ Echellete là một trong những loại phổ biến nhất, với bề mặt hình chữ nhật dài từ 3 đến 10 cm Bề mặt này được đánh bóng và có độ cứng cao, giúp phản quang hiệu quả nhờ lớp phủ bằng nhôm, hoặc đôi khi là vàng hoặc platinum.

Trên bề mặt, các vạch được khắc song song với số vạch của cách tử, phục vụ cho vùng tử ngoại – khả kiến từ 300 đến 2000 vạch/mm, trong đó cách tử phổ biến nhất là từ 1200 đến 1400 vạch/mm.

Nếu lớp phủ bằng nhôm thì lớp nhôm này được bảo vệ khỏi bị oxy hóa nhờ được phủ thêm một lớp SiO2 trong suốt bên ngoài

Trong hệ thống đơn sắc sử dụng cách tử phản xạ, chùm sáng đa sắc từ khe được chuyển đổi thành chùm tia song song nhờ gương lõm Khi các tia sáng này tiếp cận bề mặt khắc vạch của cách tử, chúng sẽ bị nhiễu xạ tùy theo bước sóng và phản xạ ngược với các góc khác nhau Cuối cùng, những tia sáng đơn sắc này sẽ tập trung tại các điểm khác nhau trên mặt phẳng hội tụ nhờ gương lõm thứ hai.

Cách tử được điều chỉnh để hướng quay phù hợp, cho phép một dải hẹp của bước sóng đi qua khe thoát (exit slit) trong mặt phẳng hội tụ của bộ đơn sắc hóa, trong khi các bước sóng khác bị chắn lại.

Hình 1.6: Sơ đồ một bộ đơn sắc bằng cách tử phản xạ [7]

• Nguyên tắc hoạt động của cách tử phản xạ:

Hình 1.7: Nguyên tắc của cách tử phản xạ [7]

Cách tử phản xạ trong Hình 1.7 được tạo ra bởi các vạch khắc song song gần nhau với khoảng cách d Lớp nhôm phủ trên cách tử giúp phản xạ ánh sáng, trong đó mỗi vạch khắc hoạt động như một nguồn bức xạ Khi ánh sáng phản xạ từ cách tử, nếu các tia sáng kề nhau cùng pha sẽ tạo ra sự cộng hưởng, làm tăng cường độ sóng, ngược lại, nếu ngược pha sẽ bị triệt tiêu hoàn toàn Sự giao thoa đầy đủ xảy ra khi sự khác nhau giữa hai khoảng đường truyền quang của các tia sáng bằng một số nguyên n của bước sóng, được biểu diễn qua công thức nλ = b – a, với n là bậc nhiễu xạ có giá trị ±1, ±2, ±3,…

Sự giao thoa đạt cực đại khi n = ±1 và được gọi là sự nhiễu xạ bậc 1

Khi n = ±2 được gọi là sự nhiễu xạ bậc 2, …

Trong Hình 1.7, góc của tia sáng tới α được xác định là dương, trong khi góc của tia sáng ló theo hướng ngược lại, được ký hiệu là β, thì theo truyền thống được coi là âm.

Từ Hình 1.7, ta có công thức b = dsinα và a = dsinβ, thay vào phương trình E1.7 để thu được phương trình cách tử nλ = d(sinα + sinβ) (E1.8) Ở đây, d là khoảng cách giữa hai vạch khắc kề nhau Mỗi góc tới α tương ứng với một loạt các góc của tia ló β, tại đó một bước sóng nhất định sẽ tạo ra giao thoa cộng hưởng với biên độ cực đại.

• Độ phân giải của cách tử: Độ phân giải của cách tử được cho bởi:

 (E1.9) Ở đây λ là bước sóng; n là bậc nhiễu xạ nhận các giá trị nguyên; và N là số vạch khắc trên cách tử được chiếu sáng

Độ phân giải của cách tử phản xạ tỷ lệ thuận với số vạch khắc trên bề mặt của nó; càng nhiều vạch khắc thì độ phân giải giữa các bước sóng kề nhau càng cao Để phân giải các vạch phổ có bước sóng khác nhau 0,05 nm tại bước sóng 500 nm, cách tử cần đạt độ phân giải (λ/Δλ) = 500 nm/0,05 nm = 10^4.

Theo phương trình E1.9, để đạt được độ phân giải bậc nhất là 10^4, cần có 10^4 vạch khắc trên cách tử phản xạ Nếu cách tử có chiều dài 10 cm, thì mỗi cm cần có 10^3 vạch khắc.

• Độ tán xạ của cách tử: Độ tán xạ của cách tử được định nghĩa bởi khả năng tách góc của hai tia sáng ló kề nhau:

Bậc nhiễu xạ n ảnh hưởng đến độ tán xạ và độ phân giải của cách tử, với việc giảm khoảng cách giữa hai vạch kề nhau d giúp tăng cường độ này Để chọn một dải hẹp của bước sóng từ bộ đơn sắc hóa, cần giảm độ rộng khe thoát (exit slit) như trong Hình 1.6, tuy nhiên điều này lại dẫn đến việc giảm cường độ tia sáng đến detector.

• Chọn độ rộng dải (bandwidth) của bộ đơn sắc hóa

Ứng dụng của phổ hấp thụ phân tử UV-Vis

1.3.1 Độ lớn của hệ số hấp thụ mol phân tử

Hệ số hấp thụ mol phân tử ɛ trong phổ hấp thụ UV-Vis thường dao động từ 0 đến 10^5 L.mol^-1.cm^-1 Đối với mỗi cực đại hấp thụ cụ thể, giá trị của ɛ phụ thuộc vào tiết diện ngang bắt photon của cấu tử và xác suất xảy ra dịch chuyển hấp thụ năng lượng.

Mối quan hệ giữa độ hấp thụ mol (ɛ) và xác suất dịch chuyển (P) cùng với diện tích tiết diện ngang (S) được mô tả bởi phương trình ɛ = 8,7×10^19 P × S Diện tích S cho các phân tử hợp chất hữu cơ được ước tính từ nghiên cứu nhiễu xạ electron và tia X, với giá trị khoảng 10^-15 cm^2/phân tử Xác suất dịch chuyển P có thể thay đổi từ 0 đến 1; trong cơ học lượng tử, các dịch chuyển được phép có xác suất P từ 0,1 đến 1, dẫn đến các dải hấp thụ mạnh với ɛ max từ 10^4 đến 10^5 L.mol^-1.cm^-1 Ngược lại, các cực đại có hệ số hấp thụ mol phân tử nhỏ hơn 10^3 được phân loại là cường độ hấp thụ thấp, thường liên quan đến các dịch chuyển bị cấm với xác suất xảy ra nhỏ hơn 0,01.

1.3.2 Sự hấp thụ UV-Vis của các cấu tử

Sự hấp thụ bức xạ UV hoặc khả kiến từ sự kích thích của các electron liên kết có mối tương quan với các kiểu liên kết trong cấu tử Điều này cho thấy phổ hấp thụ phân tử có giá trị trong việc nhận diện các nhóm chức trong một phân tử Hơn nữa, phổ UV-Vis còn đóng vai trò quan trọng trong phân tích định lượng các hợp chất chứa các nhóm hấp thụ.

1.3.2.1 Sự hấp thụ của các hợp chất hữu cơ

Tất cả các hợp chất hữu cơ có khả năng hấp thụ bức xạ điện từ nhờ vào các electron hóa trị có thể được kích thích lên mức năng lượng cao hơn Sự hấp thụ xảy ra trong vùng tử ngoại chân không với bước sóng dưới 185 nm, nơi mà nhiều cấu tử trong không khí cũng hấp thụ.

Những dịch chuyển như vậy có liên quan đến sự kích thích cặp electron không liên kết lên các MO σ*

Hệ số dịch chuyển n→σ* của các hợp chất hữu cơ thường có giá trị thấp đến trung bình, dao động từ 100 đến 3000 L.mol -1 cm -1 Do những thách thức trong thực nghiệm liên quan đến vùng tử ngoại chân không, hầu hết các phép đo quang học chỉ được thực hiện ở bước sóng dài hơn 185 nm.

Hầu hết các ứng dụng của phổ hấp thụ hợp chất hữu cơ dựa vào sự dịch chuyển của các electron n hoặc π lên trạng thái kích thích π* Năng lượng cần thiết cho những dịch chuyển này nằm trong vùng tử ngoại khả kiến, từ 200 đến 700 nm.

Cả hai quá trình dịch chuyển n→π* và π→π* cần có sự hiện diện của các nhóm chức không bão hòa để cung cấp các orbital phân tử π Những phân tử có các nhóm chức này, được gọi là hợp chất chứa nhóm mang màu (chromophores), có khả năng hấp thụ bức xạ UV-Vis.

Bảng 1.2 trình bày các hợp chất hữu cơ có nhóm mang màu cùng với bước sóng mà chúng hấp thụ Thông tin về bước sóng hấp thụ cực đại và cường độ tương ứng (ɛ max) có thể được sử dụng để nhận diện sơ bộ, tuy nhiên, cả hai yếu tố này đều bị ảnh hưởng bởi dung môi và cấu trúc phân tử cụ thể.

Bảng 1.2: Đặc trưng hấp thụ của một số nhóm mang màu thông dụng [7]

Ví dụ Dung môi Bước sóng cực đại, nm ɛ max Kiểu dịch chuyển

CH 3 NO 2 n-heptane n-heptane n-hexane n-hexane ethanol water ethanol isooctane

Sự liên hợp giữa hai hoặc nhiều nhóm màu có xu hướng dịch chuyển các cực đại hấp thụ về vùng bước sóng dài hơn Điều này dẫn đến việc các ảnh hưởng dao động mở rộng các pic hấp thụ trong các vùng tử ngoại và khả kiến, gây khó khăn trong việc xác định chính xác các cực đại hấp thụ.

Hệ số hấp thụ mol phân tử của dịch chuyển n→σ* thường có giá trị thấp, dao động từ 10 đến 100 L.mol⁻¹.cm⁻¹ Ngược lại, dịch chuyển π→π* thường có hệ số hấp thụ cao hơn nhiều, nằm trong khoảng từ 1000 đến 15000 L.mol⁻¹.cm⁻¹.

1.3.2.2 Sự hấp thụ của các cấu tử vô cơ

Một số anion vô cơ như nitrate (NO3-), carbonate (CO3 2-), nitrite (NO2-), azido (N3-), và trithiocarbonate (CS3 2-) cho thấy các dải hấp thụ trong vùng tử ngoại do sự kích thích các electron không tham gia liên kết Cụ thể, ion nitrate hấp thụ tại 313 nm, carbonate tại 217 nm, nitrite tại 360 và 280 nm, azido tại 230 nm, và trithiocarbonate tại 500 nm.

Các ion và phức chất của các nguyên tố trong hai dãy chuyển tiếp đầu tiên thường có màu sắc do khả năng hấp thụ bức xạ khả kiến trong ít nhất một trạng thái oxy hóa Sự hấp thụ này liên quan đến các chuyển dịch giữa các orbital d đã điền và chưa điền, với năng lượng phụ thuộc vào các phối tử liên kết với ion kim loại trung tâm.

Nhiều ion kim loại chuyển tiếp như Cu²⁺ và Co²⁺ tạo ra dung dịch có màu do khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến của các ion này Sự hấp thụ ánh sáng xảy ra nhờ sự dịch chuyển của các electron hóa trị trong các orbital d của ion kim loại Trong trường hợp các ion kim loại chuyển tiếp tự do, năng lượng của 5 orbital d là bằng nhau Tuy nhiên, khi có sự hiện diện của các phối tử hoặc phân tử dung môi, các orbital d sẽ tách thành hai nhóm có năng lượng khác nhau Ví dụ, trong phức bát diện Cu(H₂O)₆²⁺, sáu phân tử nước làm cho các orbital d chia thành hai nhóm năng lượng khác nhau Các dịch chuyển d-d của các ion kim loại chuyển tiếp thường tương đối yếu.

Hình 1.11: Sự tách các orbital d trong trường bát diện

Năng lượng của các orbital d và vị trí của cực đại hấp thụ phụ thuộc vào vị trí của nguyên tố trong Bảng tuần hoàn, trạng thái oxy hóa của nguyên tố và bản chất của phối tử liên kết.

Phổ hấp thụ của các nguyên tố lanthanide và actinide có sự tương đồng rõ rệt, như thể hiện trong Hình 1.12b Các electron 4f và 5f của các nguyên tố này chịu trách nhiệm cho sự hấp thụ, nhưng bị che khuất bởi các electron trong các orbital có số lượng tử chính n lớn hơn Kết quả là, các dải hấp thụ có khuynh hướng hẹp và tương đối nhỏ.

Hình 1.12: Phổ hấp thụ UV-VIS (a) của một số ion kim loại chuyển tiếp và (b) của một số ion đất hiếm [7]

PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ PHÂN TỬ HUỲNH QUANG VÀ LÂN

Các quá trình vật lý khi phân tử hấp thụ và hồi phục năng lượng

2.1.1 Trạng thái kích thích tạo phổ huỳnh quang và lân quang

Hình 2.1 minh họa giản đồ năng lượng của một loại phân tử, cho thấy các quá trình xảy ra khi phân tử ở trạng thái điện tử singlet S0 hấp thụ năng lượng, dẫn đến sự chuyển đổi sang trạng thái điện tử kích thích singlet S1 và triplet T1.

Mỗi trạng thái điện tử được biểu diễn bởi nhiều trạng thái dao động kích thích

Hình 2.1: Các quá trình vật lý có thể xảy ra sau khi phân tử hấp thụ năng lượng

Trạng thái điện tử cơ bản là S, trong khi S1 và T1 đại diện cho các trạng thái điện tử bị kích thích singlet và triplet với năng lượng thấp nhất của phân tử Các quá trình hồi phục không bức xạ được ký hiệu là R1, R2, R3 và R4.

Trong quá trình dịch chuyển điện tử, một electron di chuyển từ một orbital phân tử (MO) sang một MO khác, đồng thời làm thay đổi năng lượng của phân tử, có thể tăng lên hoặc giảm xuống.

Sự dịch chuyển điện tử có thể xảy ra theo hai khả năng, phụ thuộc vào các số lượng tử spin trong trạng thái kích thích của phân tử, như đã nêu trong mục 1.1.1 và được minh họa trong Hình 1.3.

Trong phân tử hợp chất hữu cơ, dịch chuyển điện tử n→π* xảy ra khi một electron từ cặp electron không tham gia liên kết được kích thích và chuyển lên orbital phản liên kết π*.

Trong Hình 1.3, có hai khả năng xảy ra: (a) hai electron có spin đối nhau được gọi là trạng thái singlet (ký hiệu S) và (b) hai electron có spin song song nhau được gọi là trạng thái triplet (ký hiệu T) Khi ở trạng thái kích thích, phân tử sẽ trở về trạng thái năng lượng thấp hơn thông qua các quá trình hồi phục không bức xạ (ký hiệu R1, R2, R3 và R4) và hồi phục phát bức xạ dưới dạng huỳnh quang và lân quang.

2.1.2 Các quá trình khử hoạt hóa

Thời gian sống của các phân tử và nguyên tử trong trạng thái kích thích rất ngắn Chúng nhanh chóng trở về trạng thái cơ bản với năng lượng thấp bằng cách nhường lại năng lượng đã nhận được.

Một phân tử bị kích thích có thể trở lại trạng thái cơ bản thông qua nhiều bước khác nhau Hai bước quan trọng trong quá trình này là phát huỳnh quang (fluorescence) và lân quang (phosphorescence), cả hai đều liên quan đến sự phát ra photon từ bức xạ.

Các bước khử hoạt hóa khác bao gồm các quá trình hồi phục không phát bức xạ Trong số các bước này, bước thuận lợi nhất để quay trở lại trạng thái cơ bản là khi thời gian sống của trạng thái kích thích là nhỏ nhất.

Nếu quá trình khử hoạt hóa thông qua phát huỳnh quang diễn ra nhanh hơn so với các quá trình không bức xạ, thì hiện tượng phát xạ sẽ được quan sát thấy.

Mặt khác, nếu đường dẫn không bức xạ thuận lợi hơn, sự phát huỳnh quang không thấy hoặc có cường độ rất yếu

2.1.2.2 Quá trình hồi phục không tạo bức xạ

Có hai loại của quá trình hồi phục không tạo bức xạ: a) Sự hồi phục dao động (vibrational relaxation)

Một phân tử có khả năng chuyển đổi giữa các mức năng lượng dao động khi bị kích thích điện tử, như minh họa trong Hình 2.1 Sự va chạm giữa các phân tử bị kích thích và phân tử dung môi dẫn đến việc truyền năng lượng nhanh chóng, gây ra sự tăng nhẹ nhiệt độ của dung môi.

Sự hồi phục dao động có thời gian sống trung bình khoảng 10 -12 giây, ngắn hơn thời gian sống của trạng thái kích thích điện tử Điều này khiến phát huỳnh quang từ dung dịch liên quan đến dịch chuyển từ mức dao động thấp nhất của trạng thái điện tử bị kích thích Tuy nhiên, nhiều vạch phát xạ gần nhau được tạo ra, và sự dịch chuyển có thể kết thúc ở bất kỳ mức dao động nào của trạng thái cơ bản.

Do phân tử nhường một phần năng lượng cho hồi phục dao động không bức xạ, dải huỳnh quang sẽ dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn so với bước sóng của dải hấp thụ Sự chuyển đổi nội phân tử (Internal conversion) là quá trình quan trọng trong hiện tượng này.

Quá trình thứ hai trong hồi phục không bức xạ là sự chuyển đổi nội phân tử, diễn ra giữa mức năng lượng dao động thấp nhất của trạng thái điện tử kích thích và mức năng lượng dao động cao hơn của một trạng thái năng lượng khác.

Sự chuyển nội phân tử là quá trình mà một phân tử chuyển đổi đến trạng thái điện tử năng lượng thấp mà không phát ra bức xạ.

Thiết bị đo huỳnh quang và lân quang

2.2.1 Các bộ phận chính trong thiết bị đo huỳnh quang

Các bộ phận chính trong thiết bị đo huỳnh quang cơ bản giống như đã được đề cập trong máy UV-VIS

Nguồn sáng sử dụng trong máy đo huỳnh quang thông thường có phổ quang học với năng lượng liên tục hoặc loại có các vạch gián đoạn

• Đèn hồ quang xenon và đèn thủy ngân

Đèn hồ quang xenon và đèn thủy ngân là hai loại đèn phổ biến trong lĩnh vực chiếu sáng Đặc biệt, đèn thủy ngân được sử dụng rộng rãi trong các máy huỳnh quang đơn giản (Fluometer) nhờ vào khả năng tạo ra phổ vạch ánh sáng Đặc tính của đèn thủy ngân là phổ ánh sáng phát ra phụ thuộc vào áp suất của hơi thủy ngân, với đèn Hg áp suất thấp cho ra các vạch ánh sáng ở vùng UV-VIS, bao gồm các bước sóng 254, 302, 313, 546, 578, 691 và 773 nm.

Mặc dù nguồn sáng vạch thường được sử dụng hiệu quả, nhưng nhiều trường hợp phổ ánh sáng có sẵn không phù hợp với bước sóng kích thích tối ưu cho mẫu.

Việc sử dụng nguồn sáng có phổ liên tục mang lại nhiều lợi ích, trong đó đèn hồ quang xenon áp suất cao với công suất từ 75 đến 450 W là lựa chọn phổ biến nhất cho các máy đo phổ huỳnh quang hiện đại (Spectrofluometer).

• Đèn LED (Light Emitting Diode)

Đèn LED ánh sáng xanh dương, phát ra bức xạ trong khoảng 450-475 nm, được ứng dụng trong các thiết bị đo huỳnh quang, giúp kích thích nhiều hợp chất phát huỳnh quang Một số loại đèn LED sử dụng hỗn hợp phosphorus còn cung cấp bức xạ trong vùng UV đến 375 nm.

Trong các ứng dụng cụ thể, nhiều loại laser được sử dụng trong thiết bị kích thích phát quang hiện nay Dye laser, được bơm bởi laser nitrogen xung hoặc Nd-YAg laser, là loại laser được quan tâm nhất Ngoài ra, các laser có bước sóng xác định cũng được ứng dụng trong các detector của thiết bị sắc ký và điện di mao quản.

Các máy đo huỳnh quang cơ bản nhất sử dụng bộ lọc ánh sáng thủy tinh để phân tách các bước sóng kích thích và phát xạ huỳnh quang.

Gần đây, bộ lọc sáng giao thoa với độ truyền qua cao khoảng 40% trong khoảng bước sóng hẹp từ 10 đến 15 nm đã xuất hiện trên thị trường, cho phép người dùng mua các bộ lọc có độ truyền qua cực đại cho bất kỳ bước sóng nào.

Các thiết bị hiện đại sử dụng hai bộ đơn sắc hóa với cách tử nhiễu xạ để lựa chọn bước sóng ánh sáng kích thích và phát xạ huỳnh quang.

Việc sử dụng bộ đơn sắc để chọn bước sóng cho phép điều chỉnh độ rộng khe thoát của bộ đơn sắc hóa kích thích và phát xạ một cách độc lập Nhiều phân tích không yêu cầu độ phân giải cao sẽ có độ nhạy cao hơn khi mở rộng độ rộng khe thoát Ngược lại, để ghi phổ phát xạ huỳnh quang sắc nét hơn, có thể thu hẹp độ rộng khe thoát.

2.2.1.3 Bộ phận dò tìm (Detector)

Tất cả máy đo huỳnh quang hiện nay đều sử dụng ống nhân quang điện (PMT) làm bộ dò tìm, với vật liệu chế tạo cathode quang quyết định khoảng phổ ánh sáng dò tìm Các ống PMT thường được thiết kế để phủ toàn bộ vùng UV-VIS Thông tin chi tiết về PMT có thể tham khảo trong tài liệu số [5].

2.2.2 Các kiếu cấu hình thiết bị đo huỳnh quang

2.2.2.1 Kiểu máy đo huỳnh quang- Fluometer

Máy đo huỳnh quang sử dụng bộ chọn bước sóng bằng kính lọc sáng (Filter fluorometer) mang lại phương pháp phân tích huỳnh quang định lượng với chi phí thấp và thao tác đơn giản Các bộ lọc sáng này hấp thụ hoặc giao thoa nhằm chọn lọc các bước sóng của bức xạ kích thích và bức xạ phát huỳnh quang.

Hình 2.6 minh họa sơ đồ của máy đo huỳnh quang, sử dụng đèn thủy ngân để kích thích huỳnh quang và được trang bị một cặp ống nhân quang điện để phát hiện tín hiệu huỳnh quang.

Hình 2.6: Sơ đồ kiểu máy đo huỳnh quang (Fluometer) [7]

Chùm sáng từ đèn được chia thành chùm so sánh và chùm mẫu Chùm so sánh được làm suy giảm bởi đĩa khẩu độ, giúp cường độ của nó gần bằng cường độ chùm kích thích huỳnh quang Cả hai chùm đều đi qua kính lọc sơ bộ, với chùm so sánh được phản chiếu đến ống nhân quang điện Chùm mẫu được tập trung lên mẫu đo qua cặp thấu kính hội tụ, tạo ra chùm phát xạ huỳnh quang Bức xạ này đi qua kính lọc thứ hai và được tập trung vào ống nhân quang điện cho mẫu Tín hiệu điện từ hai ống nhân quang điện được xử lý để tính tỉ số cường độ giữa mẫu và chùm so sánh, sử dụng như một biến phân tích.

2.2.2.2 Kiểu máy đo phổ huỳnh quang (spectrofluometer)

Máy đo phổ huỳnh quang thường được trang bị hệ thống quang hai chùm tia, giúp bù trừ cho sự dao động của cường độ chùm sáng từ nguồn, như thể hiện trong Hình 2.7.

Hình 2.7: Sơ đồ của máy đo phổ huỳnh quang (spectrofluometer) [7]

Trước khi tia sáng đi qua mẫu để kích thích phát huỳnh quang, nó cần được chiếu qua bộ đơn sắc hóa đầu tiên Bộ này giúp tách loại tia có bước sóng tương ứng với bước sóng của tia huỳnh quang phát ra từ mẫu.

Ứng dụng của phương pháp huỳnh quang và lân quang

2.3.1 Xác định các chất vô cơ bằng phương pháp đo huỳnh quang

Các phương pháp đo huỳnh quang có độ nhạy cao gấp ba lần so với các phương pháp dựa vào sự hấp thụ, nhờ vào việc tăng cường cường độ chùm sáng kích thích hoặc khuếch đại tín hiệu từ detector.

Trong phương pháp đo phổ hấp thụ phân tử, việc tăng cường độ chùm sáng kích thích không giúp tăng độ nhạy, vì cường độ chùm sáng ló ra sau khi qua dung dịch cũng tăng tương ứng Do đó, độ nhạy không thể được cải thiện.

Trong phân tích các chất vô cơ, có hai phương pháp đo huỳnh quang chính Phương pháp trực tiếp sử dụng phản ứng giữa chất phân tích và thuốc thử để tạo ra phức chelate, từ đó hình thành phức có khả năng phát huỳnh quang.

Phương pháp gián tiếp trong phân tích hóa học dựa vào sự giảm cường độ huỳnh quang của thuốc thử khi phản ứng với chất phân tích Phương pháp này thường được áp dụng để xác định các anion.

Các thuốc thử huỳnh quang hiệu quả nhất để xác định cation là các hợp chất thơm có hai hoặc nhiều nhóm chức, cho phép tạo phức chelat với ion kim loại, chẳng hạn như 8-hydroxyquinoline Các phức này thường được chiết vào dung môi hữu cơ như chloroform, và sự phát huỳnh quang của dịch chiết sau đó được đo lường.

Phân tích định lượng selenium trong hạt Brazil có thể thực hiện thông qua phương pháp huỳnh quang, vì selenium là nguyên tố vi lượng thiết yếu cho sự sống Enzyme peroxidase glutathione, chứa selenium, có vai trò quan trọng trong việc phân hủy peroxide (RCOOH) có hại cho tế bào Tuy nhiên, selenium ở nồng độ cao lại có thể gây độc hại Để đo lượng selenium trong hạt đậu Brazil, 0,1 gam hạt được phân hủy bằng 2,5 mL dung dịch HNO3 đặc 70%wt trong bình phá mẫu teflon bằng lò vi sóng Trong quá trình này, hydrogen selenate (H2SeO4) trong dịch bị khử thành hydrogen selenite (H2SeO3) bằng hydroxylamine (NH2OH), và selenite sau đó được tạo dẫn xuất thành sản phẩm phát huỳnh quang được chiết bằng cyclohexane.

Hỡnh 2.10: Cường độ phỏt huỳnh quang tỉ lệ tuyến tớnh đến nồng độ khoảng 0,1àg Se/m L

Sản phẩm phát huỳnh quang này đạt tín hiệu cực đại tại bước sóng kích thích 378 nm và phát ra bức xạ ở bước sóng 518 nm, cho thấy cường độ bức xạ đáng chú ý.

Tại bước sóng 518 nm, tỉ lệ tuyến tính với nồng độ Se chỉ đạt khoảng 0,1 àg/mL, và sau đó giảm khi nồng độ tăng do sự tự hấp thụ trở nên chiếm ưu thế, như thể hiện trong Hình 2.10.

2.3.2 Xác định các hợp chất hữu cơ bằng phương pháp đo huỳnh quang

2.3.2.1 Phương pháp đo phổ huỳnh quang một số hợp chất hữu cơ

Các phương pháp đo huỳnh quang để xác định hợp chất hữu cơ có nhiều ứng dụng, đặc biệt trong lĩnh vực phân tích dược phẩm Bảng 2.1 cung cấp thông tin chi tiết về phương pháp đo phổ huỳnh quang cho một số chất hữu cơ tiêu biểu.

B ả ng 2.1: Phương pháp đo phổ huỳnh quang của một số hợp chất hữu cơ [15]

Một ứng dụng quan trọng của huỳnh quang là xét nghiệm miễn dịch (immunoassay), sử dụng kháng thể để phát hiện chất phân tích Kháng thể là protein do hệ thống miễn dịch của động vật sản xuất để phản ứng với kháng nguyên, một phân tử ngoại lai Chúng có khả năng nhận diện kháng nguyên đã kích thích hệ miễn dịch tạo ra kháng thể.

Hằng số tạo thành của phức kháng thể-kháng nguyên lớn hơn đáng kể so với sự kết hợp của kháng thể với các phân tử khác Hình 2.11 minh họa nguyên tắc hoạt động của xét nghiệm miễn dịch enzyme pha rắn, hay còn gọi là xét nghiệm ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay) trong lĩnh vực hóa sinh.

Hình 2.11: Nguyên tắc phương pháp ELISA [8]

Phương pháp ELISA, như minh họa trong Hình 2.11, sử dụng kháng thể 1 chuyên dụng gắn trên chất mang polymer để phân tích kháng nguyên Trong bước 1 và 2, chất phân tích được ủ với chất mang có kháng thể 1, tạo thành phức hợp, với lượng kháng thể liên kết tỉ lệ thuận với nồng độ chất phân tích trong mẫu Sau đó, bề mặt được rửa sạch để loại bỏ các chất không liên kết Ở bước 3 và 4, phức hợp kháng thể 1-kháng nguyên được xử lý với kháng thể 2, giúp nhận diện các vùng khác nhau của chất phân tích.

Hai chất được chuẩn bị đặc biệt cho xét nghiệm miễn dịch thông qua liên kết cộng hóa trị với một enzyme, enzyme này sẽ được sử dụng trong quá trình xét nghiệm Sau đó, các chất dư không liên kết sẽ được rửa sạch Enzyme gắn lên kháng thể 2 đóng vai trò quyết định trong phân tích định lượng.

Enzyme có hai cách sử dụng chính: chúng có khả năng chuyển hóa chất phản ứng không màu thành sản phẩm phản ứng có màu Mỗi phân tử enzyme có thể xúc tác cho cùng một phản ứng nhiều lần, dẫn đến việc tạo ra nhiều phân tử sản phẩm màu từ mỗi phân tử chất phân tích Nhờ vào khả năng này, enzyme đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại tín hiệu trong phân tích hóa học.

Nồng độ chất phân tích trong mẫu càng cao, càng nhiều enzyme được gắn lên và mức độ phản ứng được xúc tác bởi enzyme càng lớn

Một cách khác, enzyme có thể chuyển hóa một chất phản ứng không phát huỳnh quang thành một sản phẩm phản ứng phát được huỳnh quang

Phân tích ELISA so màu và đo huỳnh quang có độ nhạy thấp hơn đến nanogram của chất phân tích Các xét nghiệm khám thai dựa trên việc phát hiện protein thuộc nhau thai có trong nước tiểu.

Phương pháp phát quang hoá học

2.4.1 Hiện tượng phát quang hóa học

Sự phát quang hóa học (chemiluminescence) xảy ra khi một phản ứng hóa học tạo ra sản phẩm có cấu tử ở trạng thái kích thích điện tử Khi cấu tử này trở về trạng thái cơ bản, nó sẽ phát ra ánh sáng.

Phản ứng phát quang trong các hệ sinh học được gọi là sự phát quang sinh học (bioluminescence), với những ví dụ tiêu biểu như đom đóm, sứa biển và vi khuẩn Tuy nhiên, bản chất hóa học của các quá trình phát quang sinh học tự nhiên vẫn chưa được hiểu rõ.

Các nhà khoa học đã phát hiện ra nhiều hợp chất hữu cơ đơn giản có khả năng phát quang hóa học Phản ứng cơ bản của những hợp chất này dẫn đến hiện tượng phát quang hóa học.

Phản ứng A + B tạo ra C* và D, trong đó C* là cấu tử C ở trạng thái kích thích Phổ phát quang được hình thành từ sản phẩm phản ứng C* Các quá trình phát quang hóa học thường phức tạp hơn so với phản ứng đơn giản đã nêu Cường độ phát xạ I CL (số photon trên giây) phụ thuộc vào tốc độ phản ứng hóa học (d[C]/dt) và hiệu suất lượng tử phát quang hóa học  CL (số photon trên phân tử đã phản ứng) Hiệu suất lượng tử này là tích của hiệu suất lượng tử kích thích  EX (số trạng thái kích thích trên phân tử đã phản ứng) và hiệu suất lượng tử phát xạ  EM (số photon trên trạng thái kích thích), được mô tả bởi phương trình dt.

Một hệ phát quang hóa học thực sự hữu ích trong hóa phân tích khi hiệu suất lượng tử  CL nằm trong khoảng từ 0,01 đến 0,2

2.4.2 Phép đo phát quang hóa học

Thiết bị đo phát quang hóa học rất đơn giản, thường chỉ cần một bình phản ứng hóa học và một ống nhân quang điện Không cần bộ chọn bước sóng vì nguồn bức xạ duy nhất là phản ứng giữa chất phân tích và thuốc thử.

Hiện nay có nhiều thiết bị đo phát quang hóa học

Tín hiệu đặc trưng trong thí nghiệm phát quang hóa học là tín hiệu theo thời gian, tăng nhanh đến cực đại khi thuốc thử và chất phân tích được trộn hoàn toàn Sau đó, cường độ tín hiệu giảm nhanh chóng theo hàm mũ.

Trong phân tích định lượng, tín hiệu thường được tích phân trong khoảng thời gian cố định và so sánh với chuẩn được xử lý theo cùng điều kiện Một phương pháp khác là sử dụng chiều cao pic để định lượng Mối quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu và nồng độ thường được quan sát trong các khoảng nồng độ khác nhau.

2.4.3 Ứng dụng trong phân tích của phương pháp phát quang hóa học

Phương pháp phát quang hóa học được sử dụng để định lượng NOx dựa vào các phản ứng sau:

NO2* → NO2 + hv (ở đây λ = 600 - 875 nm)

Ozone được tạo ra trong thiết bị và được trộn với mẫu khí ở áp suất thấp Bức xạ phát ra sau đó được đo bằng ống nhân quang điện (photomultiplier tube), cho phép xác định nồng độ của NO trong mẫu khí.

Nồng độ tổng NO2 và NO được xác định bằng cách chuyển NO2 thành NO qua nhiệt, sau đó phân tích để tính toán nồng độ của hai khí trong mẫu dựa trên hai lần đo Đây là phương pháp tiêu chuẩn của EPA và EU để xác định nồng độ NO2, với giới hạn dò tìm là 10 ppb (18 microgam/m³) Phương pháp này cũng được áp dụng để phát hiện nồng độ ozone trong khí quyển Một phương pháp phát quang hóa thứ hai có thể được sử dụng, dựa trên phản ứng giữa ozone và ethylene, với bước sóng phát ra ở 430 nm, có ưu điểm là ít bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của NO, với giới hạn dò tìm khoảng 1 ppb (2 microgam/m³).

SO2 trong không khí có thể được đo bằng phương pháp phát quang hóa học theo phương trình phản ứng sau:

Quá trình tạo ra dimer S2* từ mẫu chứa SO2 diễn ra khi được đốt bằng ngọn lửa hydrogen H2, dẫn đến sự kích thích của S2* Khi S2* trở về trạng thái cơ bản, nó phát ra ánh sáng xanh dương với bước sóng 384 và 394 nm Cường độ phát xạ này tỉ lệ thuận với nồng độ của dimer S2* bị kích thích.

2.3.4.2 Phân tích cấu tử vô cơ trong pha lỏng

Nhiều phép phân tích cấu tử vô cơ được thực hiện trong pha lỏng sử dụng các chất phát quang hóa học chứa các nhóm chức ─C─NH-NHR

Các thuốc thử này tương tác với oxygen, hydrogen peroxide và nhiều sản phẩm oxy hóa mạnh khác, tạo ra các sản phẩm oxy hóa phát quang hóa học Luminol là một ví dụ tiêu biểu, phản ứng với các chất oxy hóa mạnh như oxygen, hydrogen peroxide, ion hypochlorite và ion permanganate trong môi trường có base mạnh.

Để tăng tốc độ phản ứng, một chất xúc tác thường được yêu cầu Sự phát xạ tạo ra phù hợp với phổ huỳnh quang của anion 3-aminophthalate Phát quang hóa học xuất hiện với màu xanh dương, có bước sóng khoảng 425 nm.

Cường độ phát quang hóa học của luminol tỉ lệ thuận với nồng độ chất oxy hóa, chất xúc tác hoặc nồng độ luminol Phản ứng này mang lại một phương pháp nhạy để xác định một trong các thành phần này.

2.3.4.3 Phân tích cấu tử hữu cơ Để tăng tính chọn lọc của các phản ứng phát quang hóa học và mở rộng sự phát quang hóa học đến các chất phân tích không liên quan trực tiếp đến các phản ứng này, thông thường phản ứng xúc tác enzyme diễn ra trước bước phát quang hóa học Trong phản ứng enzyme đó chất cần phân tích là cơ chất và một trong những sản phẩm phản ứng này được dò tìm bởi sự phát quang hóa học Đây là cách làm thông dụng trong hệ thống phân tích dòng chảy với các buồng phản ứng chứa các enzyme được cố định Gần đây, biosensor được thiết kế sử dụng enzyme được gắn trên các sợi cáp quang (optical fiber)

Các enzyme oxidase sản sinh H2O2, một chất được sử dụng phổ biến trong các bước dò tìm ban đầu H2O2 có thể được xác định qua nhiều hệ thống phát quang hóa học khác nhau, và oxy (O2) - chất oxy hóa cần thiết - thường có sẵn trong hầu hết các mẫu.

Các cơ chất được dò tìm theo cách này bao gồm glucose, cholesterol, choline, uric acid, amino acid, aldehyde, và lactate

Ví dụ: uric acid + O2 ⎯ Uricase ⎯ → ⎯ allantoin + H2O2

PHỔ HỒNG NGOẠI CHUYỂN HÓA FOURIER

Phân tích Fourier

Phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (FTIR) dựa trên nguyên lý giao thoa của hai chùm sáng, tạo ra phổ giao thoa (interferogram) Tín hiệu này có mối quan hệ hàm số với sự thay đổi độ dài đường đi giữa hai chùm sáng.

Giữa khoảng cách và tần số có thể chuyển hóa lẫn nhau bởi phương pháp toán học là phân tích Fourier

Phân tích Fourier là một quy trình trong đó một đường cong được phân tách thành tổng của các hàm cosin và sin, được gọi là dãy Fourier Phương pháp này giúp hiểu rõ hơn về các thành phần tần số của tín hiệu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xử lý tín hiệu, truyền thông và phân tích âm thanh.

Hình 3.1: Một đường cong được phân tích thành một tổng của các dạng sin và cosin trong phân tích chuỗi Fourier [6]

Khi phân tích đường cong trong Hình 3.1, với khoảng gián đoạn từ x1=0 đến x2=10, dãy Fourier có dạng: y = a sin(0ωx) + b cos(0ωx) + a1 sin(1ωx) + b1 cos(1ωx) + a2 sin(2ωx) + b2 cos(2ωx) + … = n.

Phương trình E3.1 cho thấy rằng mối quan hệ của y đối với x có thể được biểu diễn dưới dạng tổng các hàm sóng sin và cosin

Hình 3.2 minh họa ba trường hợp với n tương ứng là 3, 5 và 9, thể hiện tổng hợp sóng sin và cosin so với đường cong trong Hình 3.1 Các hệ số a n và b n cần thiết để xây dựng đường cong trong Hình 3.2 được liệt kê trong bảng Khi các hệ số này tăng, sự đóng góp của hàm sin và cosin tương ứng cũng trở nên lớn hơn.

Khi giá trị của n tăng lên, tổng số hàm sin và cosin trong phương trình E3.1 cũng gia tăng Điều này dẫn đến việc đường cong y = f(x) được vẽ với n lớn sẽ ngày càng tiệm cận gần hơn với đường cong ban đầu.

Khi n tăng, việc xác định các giá trị a_n và b_n trở nên khó khăn hơn do số lượng phương trình trong hệ tăng tương ứng với số ẩn Tuy nhiên, vấn đề này có thể được giải quyết hiệu quả nhờ vào phần mềm chuyên dụng trên máy tính, với tốc độ xử lý nhanh và bộ nhớ lớn hiện nay.

Hình 3.2 minh họa quá trình xây dựng lại đường cong bằng dãy Fourier, trong đó đường liên tục đại diện cho đường gốc trong Hình 3.1 Các đường rời được hình thành từ các dãy Fourier với các giá trị n = 0, 2, 4.

8 trong phương trình E3.1 Hệ số a n và b n được cho trong bảng bên phải [6]

Thiết bị hồng ngoại chuyển hóa Fourrier

3.2.1 Nguồn sáng trong máy FTIR

3.2.1.1 Nguồn bức xạ hồng ngoại

Bức xạ hồng ngoại có tần số từ 4000 đến 200 cm⁻¹ thường được thu từ thanh silicon carbide (SiC) được nung nóng gần 1500 K bằng dòng điện Thanh SiC phát ra phổ bức xạ tương tự như vật đen ở nhiệt độ 1000 K.

3.2.1.2 Đèn laser Đèn laser cung cấp các vạch cô lập của một bước sóng đơn cho nhiều ứng dụng Trong thiết bị FTIR một đèn laser khả kiến được sử dụng trong giao thoa kế để lấy mẫu số liệu khi gương di động dịch chuyển, như được trình bày trong mục 3.2.3

Chùm tia laser phát ra đồng pha, tức là tất cả các sóng từ dao động laser đều ở cùng một pha Để quá trình phát laser diễn ra, cần có sự đảo ngược mật độ, trong đó trạng thái năng lượng cao có mật độ lớn hơn trạng thái năng lượng thấp trong môi trường phát laser.

Hình 3.3 minh họa nguyên tắc hoạt động của laser qua sơ đồ các mức năng lượng và các cấu phần cơ bản của đèn laser Quá trình đảo ngược mật độ xảy ra trong môi trường laser, với năng lượng bơm được cung cấp từ đèn công suất lớn hoặc từ sự phóng điện.

Trong Hình 3.3a, mật độ trạng thái E2 vượt qua mật độ trạng thái E1, dẫn đến hiện tượng này Các phân tử ở trạng thái cơ bản E0 của môi trường phát laser được kích thích lên trạng thái E3 nhờ bức xạ dải rộng từ đèn năng lượng cao hoặc từ sự phóng điện.

Các phân tử trong trạng thái E3 nhanh chóng trở về trạng thái E2, nơi có thời gian sống dài hơn Khi một phân tử chuyển từ trạng thái E2 sang trạng thái E1, nó sẽ nhanh chóng hồi phục về trạng thái cơ bản E0, giúp duy trì mật độ của hệ thống.

E 2 lớn hơn mật độ của E 1)

Một photon với năng lượng tương đương hiệu năng lượng giữa hai trạng thái có thể được hấp thụ, khiến một phân tử chuyển sang trạng thái kích thích Khi đó, phân tử này có khả năng phát ra một photon và trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn, quá trình này được gọi là phát xạ cưỡng bức hay phát xạ kích thích Khi một photon phát ra từ phân tử ở trạng thái E2 va chạm với một phân tử khác cũng ở trạng thái E2, nó có thể kích thích phát ra một photon thứ hai cùng pha và độ phân cực Nếu xảy ra sự đảo ngược mật độ (n2 > n1), một photon có thể kích thích sự phát xạ của nhiều photon khác khi đi qua đèn laser.

Hình 3.3b minh họa các thành phần thiết yếu của một laser, trong đó năng lượng bơm được truyền trực tiếp vào môi trường laser để tạo ra sự đảo ngược mật độ Một đầu của hốc cộng hưởng laser có gương phản chiếu hoàn toàn ánh sáng (0% ánh sáng truyền qua), trong khi đầu còn lại sử dụng gương trong suốt, phản chiếu hầu hết ánh sáng (1% ánh sáng truyền qua).

Các photon với năng lượng E2 - E1 di chuyển giữa các gương, kích thích sự hình thành một dòng thác photon mới Một phần nhỏ của ánh sáng đi qua gương trong suốt, tạo thành chùm tia laser hữu ích Đèn laser helium-neon, với bước sóng đỏ 632,8 nm và công suất từ 0,1–25 mW, là nguồn laser phổ biến Quá trình phóng điện kích thích các nguyên tử helium lên trạng thái E3, và thông qua va chạm, helium chuyển năng lượng cho nguyên tử neon, nâng chúng lên trạng thái E2 Nồng độ cao của helium cùng với bơm điện tích mạnh mẽ dẫn đến sự đảo ngược mật độ trong các nguyên tử neon.

Trong đèn laser diode, sự đảo ngược mật độ điện tích trong chất bán dẫn được thực hiện thông qua trường điện cao tại lớp chuyển tiếp p-n Các chất bán dẫn thường được sử dụng bao gồm GaAs, GaN và hợp chất AlxGa1-xN.

Các đèn laser diode có sẵn hiện nay phủ khoảng bước sóng 360–1550 nm

3.2.2 Các loại detector dò tìm tia hồng ngoại

Các detector cho bức xạ khả kiến và tử ngoại hoạt động dựa trên số lượng photon tác động, kích thích việc giải phóng electron từ bề mặt nhạy quang hoặc chuyển electron từ dải hóa trị sang dải dẫn của silicon Trong khi đó, photon hồng ngoại không đủ năng lượng để tạo tín hiệu trong các detector này, dẫn đến việc sử dụng các loại detector khác chuyên dụng cho việc dò tìm hồng ngoại.

Detector cặp nhiệt (thermocouple) hoạt động như một bộ nối giữa hai chất dẫn điện khác nhau, nơi các electron có năng lượng tự do chảy từ chất dẫn điện này sang chất dẫn điện kia cho đến khi hiệu điện thế ngăn cản dòng chảy Sự chuyển tiếp này phụ thuộc vào nhiệt độ, với các electron có xu hướng quay trở lại chất dẫn điện có năng lượng cao hơn khi nhiệt độ tăng.

Khi một cặp nhiệt được phủ đen để tối ưu hóa khả năng hấp thụ nhiệt, nhiệt độ của nó sẽ trở nên nhạy cảm với bức xạ nhiệt, dẫn đến sự thay đổi điện áp Độ nhạy tiêu biểu của cặp nhiệt này đạt khoảng 6 V/watt đối với bức xạ hấp thụ.

Detector vật liệu sắt điện, chẳng hạn như tinh thể triglycine sulfate đồng vị deuterium, có đặc tính phân cực điện vĩnh cửu nhờ vào sự sắp xếp thẳng hàng của các phân tử trong tinh thể Điều này tạo ra một mặt tích điện dương và một mặt tích điện âm Độ phân cực này phụ thuộc vào nhiệt độ, và sự thay đổi của nó theo nhiệt độ được gọi là hiệu ứng hỏa điện.

Khi tinh thể triglycine sulfate deuterium hóa hấp thụ bức xạ hồng ngoại, nhiệt độ và độ phân cực của nó sẽ thay đổi, tạo ra tín hiệu trong loại detector này Đây là loại detector phổ biến được sử dụng trong máy FTIR.

Những ưu điểm của thiết bị đo phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier

Máy đo phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier vượt trội hơn thiết bị đo phổ hồng ngoại sử dụng bộ đơn sắc hóa nhờ vào tỉ số tín hiệu trên tiếng ồn (signal to noise ratio) được cải thiện, cùng với độ phân giải, khả năng xử lý số liệu, tốc độ và độ chính xác cao hơn nhiều.

Máy đo phổ hồng ngoại Fourier cải thiện tỉ số tín hiệu trên tiếng ồn bằng cách sử dụng năng lượng của toàn bộ phổ ánh sáng nguồn, thay vì phân tích tuần tự từng dải sóng tách ra từ bộ đơn sắc hóa.

Việc lặp lại chính xác vị trí của số sóng giúp các thiết bị đo phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier cải thiện tỉ số tín hiệu so với tiếng ồn bằng cách lấy trung bình tín hiệu qua nhiều lần quét Độ chính xác cao của các bước sóng cùng với tiếng ồn thấp cho phép các phổ thể hiện sự khác biệt ngay cả khi rất nhỏ.

Máy hồng ngoại chuyển hóa Fourier đã trở nên phổ biến đến mức việc tìm mua máy hồng ngoại tán xạ trên thị trường hiện nay gần như không còn khả thi.

Máy tử ngoại khả kiến chuyển hóa Fourier chưa được thương mại hóa do yêu cầu lấy mẫu số liệu của giao thoa kế ở các khoảng độ trễ.

Ví dụ đối với phổ khả kiến,

Tần số dao động có thể đạt đến 25.000 cm-1 (tương đương 400 nm) khi δ = 0,2 micromet, trong khi gương chỉ di chuyển 0,1 micromet giữa các điểm lấy số liệu Sự di chuyển gương quá nhỏ này gây khó khăn trong việc kiểm soát chính xác.

Máy phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier, khi kết hợp với sắc kí lỏng cao áp và sắc kí khí, đóng vai trò quan trọng như một detector trong việc nghiên cứu cấu trúc và định danh các hợp chất hữu cơ.

3.4 Các thiết bị hồng ngoại không tán xạ khác

Các thiết bị không tán xạ cho phân tích định lượng IR thường có thiết kế đơn giản, dễ bảo quản và chi phí thấp hơn so với các thiết bị đo phổ FTIR Dưới đây là những thiết bị tiêu biểu trong lĩnh vực này.

3.4.1 Máy đo quang IR có bộ lọc

Máy đo IR với bộ lọc sáng được thiết kế cho phân tích định lượng nhiều chất trong không khí, như trình bày trong Hình 3.14 Nhiều mẫu máy đã được hiệu chuẩn tại nơi sản xuất cho từ 1 đến hơn 100 chất khí Thiết bị hoạt động dưới sự kiểm soát của máy tính Các bộ lọc dải truyền cố định có thể sử dụng gồm 1,8; 3,3; 3,6; 4,0; 4,2; 4,5; 4,7; 8; 11 và 14 âm Ngoài ra, bộ lọc có thể thay đổi liên tục trong khoảng 7,7 đến 14,1 âm (từ 1300 đến 710 cm -1) cũng được áp dụng cho các bước sóng thay thế hoặc quét phổ.

Nguồn IR là dây tóc nung đỏ nichrome và bộ dò tìm hồng ngoại là detector vật liệu sắt điện (ferroelectric material detector)

Máy đo quang IR xách tay được thiết kế cho phân tích khí, với mẫu được đưa vào bình đo qua bơm Đường truyền quang có thể điều chỉnh độ dài bằng cách thay đổi số lần phản chiếu qua gương.

Mẫu khí được đưa vào bình đo (cuvet) thông qua bơm pin với tốc độ 20 L/phút Trong bình đo, ba gương mạ vàng được thiết kế với đường truyền quang gấp, cho phép lựa chọn giữa các chiều dài đường truyền quang 0,5 m và 12,5 m Phương pháp này cho phép phát hiện nhiều loại khí ở mức dưới ppm, đặc biệt hiệu quả với chiều dài đường truyền quang dài được chọn.

3.4.2 Thiết bị đo IR không tán xạ phân tích khí CO

Hình 3.15 trình bày sơ đồ của một máy đo quang IR không tán xạ dùng cho phân tích khí CO trong mẫu khí

Khi một phân tử khí hấp thụ bức xạ hồng ngoại, khí sẽ nóng lên do hiệu ứng tổng cộng Sự hấp thụ bức xạ IR chỉ xảy ra tại các bước sóng đặc trưng của phân tử khí đó.

Khí trong buồng detector, đồng thời là khí trong mẫu không khí đang được phân tích, có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại đặc trưng Buồng này được đổ đầy khí và được ngăn cách bởi một vách ngăn co dãn, cho phép tạo ra dao động.

Hình 3.15: Máy đo quang IR không tán xạ dùng cho phân tích khí CO trong mẫu khí [7]

Trong cuvet bên trái, khí không hấp thụ bức xạ hồng ngoại cho phép chùm sáng đi qua mà không bị cản trở Khi chùm sáng này tiếp tục vào ngăn trái của buồng detector, CO trong đó sẽ hấp thụ bức xạ, dẫn đến việc ngăn bên trái của buồng detector nóng lên và khí bên trong bị dãn nở.

Cuvet bên phải chứa mẫu khí CO, cho phép hấp thụ chùm tia IR đặc trưng từ nguồn sáng Kết quả là, chùm tia ló ra từ ngăn phải của buồng detector sẽ không bị hấp thu bởi CO trong ngăn, dẫn đến nhiệt độ của nó thấp hơn so với ngăn trái.

Ứng dụng phổ IR trong phân tích

Việc ứng dụng phổ mid-IR trong nhận diện hợp chất hữu cơ đã bắt đầu từ cuối thập niên 1950, nhờ vào sự ra đời của máy đo phổ hai chùm tia giá cả phải chăng, hoạt động trong vùng 5000 đến 670 cm -1 Sự phát triển của thiết bị này, cùng với máy khối phổ và cộng hưởng từ nhân, đã tạo ra một cuộc cách mạng trong việc xác định các chất hữu cơ và vô cơ, giúp cho việc phân tích định tính và xác định cấu trúc trở nên dễ dàng hơn.

Nhận diện một hợp chất hữu cơ từ phổ IR là một quá trình hai bước

Bước đầu tiên là xác định các nhóm chức có mặt bằng cách kiểm tra vùng tần số của chúng, vùng này bao gồm bức xạ trong khoảng từ

Bước thứ hai trong quá trình phân tích là so sánh chi tiết phổ của hợp chất nguyên chất, bao gồm tất cả các nhóm chức đã xác định ở bước đầu tiên Vùng vân tay từ 1200 đến 600 cm-1 rất quan trọng, vì những khác biệt nhỏ trong cấu trúc và thành phần của phân tử có thể dẫn đến sự thay đổi trong hình dạng và phân bố các dải hấp thụ trong vùng này.

Kết quả cho thấy có sự tương đồng gần gũi giữa hai phổ trong vùng vân tay nhận diện, cùng với các vùng khác, tạo thành bằng chứng xác thực rằng hai hợp chất này (so sánh và mẫu) là giống nhau.

Các phương pháp định lượng hấp thụ IR có sự tương đồng với các phương pháp phổ phân tử UV-Vis, nhưng phổ IR thường phức tạp hơn với các dải hấp thụ hẹp và gặp phải một số hạn chế về thiết bị.

Số liệu thu được từ các thiết bị tán xạ IR cũ có chất lượng kém hơn so với máy đo quang UV-Vis Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, các thiết bị FTIR hiện đại cho thấy độ lặp và độ chính xác của các phép đo IR vượt trội hơn hẳn so với máy tán xạ IR.

• Những ứng dụng tiêu biểu

Tất cả các phân tử hữu cơ và vô cơ, ngoại trừ các phân tử đồng nhân, đều hấp thụ bức xạ trong vùng hồng ngoại (IR), cho phép đo phổ IR xác định nhiều chất khác nhau Sự độc đáo của phổ IR mang lại mức độ chuyên biệt cao, không thua kém hoặc thậm chí vượt trội so với nhiều phương pháp phân tích khác.

Phổ IR, nhờ vào đặc tính chuyên biệt của nó, được ứng dụng rộng rãi trong phân tích hỗn hợp các hợp chất hữu cơ tương tự nhau và trong phân tích khí Hai ví dụ điển hình cho những ứng dụng này là phân tích thành phần hỗn hợp trong hóa học hữu cơ và xác định các khí trong môi trường.

• Phân tích hỗn hợp các hydrocarbon thơm

Hình 3.16: Phổ IR của các đồng phân C 8 H 10 trong cyclohexane [7]

Phân tích phổ IR định lượng là một ứng dụng quan trọng trong việc xác định độ phân giải của các đồng phân C8H10, bao gồm o-xylene, m-xylene, p-xylene và ethylbenzene Phổ hấp thụ IR của từng thành phần trong khoảng bước sóng từ 12 đến 15 µm được trình bày trong dung môi cyclohexane, cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các đồng phân này.

Các dải hấp thụ quan trọng để xác định từng hợp chất riêng lẻ trong hỗn hợp nằm ở các bước sóng 13,47; 13,01; 12,58; và 14,36 àm Tuy nhiên, độ hấp thụ quang tại các bước sóng này bị ảnh hưởng bởi sự xen phủ của các hợp chất trong hỗn hợp Do đó, hệ số hấp thụ mol phân tử của bốn hợp chất cần được xác định tại bốn bước sóng khác nhau Từ đó, bốn phương trình tương ứng với bốn ẩn số nồng độ của các hợp chất hydrocarbon thơm được thiết lập, cho phép tính toán nồng độ của từng cấu tử từ bốn phép đo quang mẫu phân tích.

• Xác định các chất ô nhiễm không khí

Sự gia tăng các quy định về ô nhiễm không khí đã thúc đẩy nhu cầu phát triển các phương pháp phân tích nhanh chóng và nhạy cho nhiều hợp chất hóa học Trong số các công cụ phân tích, quy trình dựa trên hấp thụ IR nổi bật hơn cả, đáp ứng tốt nhất yêu cầu này.

B ả ng 3.1: Một ví dụ về xác định IR các chất nhiễm bẩn không khí [7]

Nồng độ tìm thấy (ppm)

Bảng 3.1 chứng minh tiềm năng của phổ IR trong phân tích hỗn hợp khí Các mẫu không khí với 5 cấu tử có nồng độ đã biết được phân tích bằng thiết bị đo IR, được điều khiển bởi máy tính, như thể hiện trong Hình 3.14 Bình đo khí có chiều dài đường truyền quang là 20 m, và số liệu sẽ được in báo cáo chỉ sau 1 hoặc 2 phút từ khi giới thiệu mẫu vào bình đo.

• Bất lợi và hạn chế của các phương pháp định lượng bằng phổ IR

Phương pháp định lượng bằng đo quang IR gặp một số bất lợi, trong đó có việc nhiều trường hợp không tuân theo định luật Beer và sự phức tạp của phổ.

Các chi tiết phổ phong phú tăng khả năng xen phủ các dải hấp thụ Đối với thiết bị tán xạ IR cũ, độ hẹp của các dải và ảnh hưởng của bức xạ trôi nổi khiến các phép đo quang trở nên phụ thuộc vào độ rộng khe sáng và bộ chọn bước sóng.

Cuvet có đường truyền quang hẹp mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng trong các phép phân tích, tuy nhiên, chúng cũng có thể gây ra độ bất định phân tích đáng kể.

PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ VÀ HUỲNH

Giới thiệu về các phương pháp phổ nguyên tử

4.1.1 Các loại phổ nguyên tử

Trong quá trình hấp thụ nguyên tử, các nguyên tố hấp thụ một phần ánh sáng từ nguồn sáng, trong khi phần còn lại được gửi đến bộ dò tìm Sự phát xạ nguyên tử diễn ra từ các nguyên tử ở trạng thái kích thích do năng lượng nhiệt cao của ngọn lửa Để quan sát phổ huỳnh quang nguyên tử, các nguyên tử này được kích thích bởi năng lượng từ đèn bên ngoài hoặc nguồn laser.

Như được minh họa trong Hình 4.1 có ba dạng phổ nguyên tử dựa trên sự hấp thụ, phát xạ và huỳnh quang

Trong quang phổ hấp thụ nguyên tử, mẫu lỏng được nguyên tử hóa bằng ngọn lửa đèn khí có nhiệt độ từ 2000-3000 độ C Quá trình này cho phép phân tích thành phần hóa học của mẫu thông qua việc ghi nhận sự hấp thụ ánh sáng.

Mẫu lỏng bị hóa hơi và chất rắn còn lại được nguyên tử hóa thành các nguyên tử tự do trong ngọn lửa, thay thế cho cuvet trong phép đo phổ truyền thống Độ dài đường đi của ánh sáng qua ngọn lửa khoảng 10 cm, với ánh sáng được tạo ra bởi đèn cathode rỗng (Hollow Cathode Lamp - HCL) sử dụng vật liệu cathode là nguyên tố phân tích trong ngọn lửa.

Detector sẽ đo lượng ánh sáng trước và sau khi đi qua ngọn lửa để thu được độ hấp thụ nguyên tử của nguyên tố phân tích

Hình 4.1 minh họa sự phát xạ, hấp thụ và huỳnh quang của các nguyên tử trong ngọn lửa Để tạo ra hiện tượng phát huỳnh quang, các nguyên tử trong ngọn lửa được chiếu sáng bằng tia laser đơn sắc, giúp chúng chuyển sang trạng thái kích thích.

Khi các nguyên tử bị kích thích, chúng nhường một phần năng lượng dưới dạng không bức xạ khi va chạm với các cấu tử khác Sau đó, các nguyên tử này phát huỳnh quang để trở về trạng thái cơ bản.

Sự phát huỳnh quang nhạy hơn so với hấp thụ vì tín hiệu huỳnh quang yếu có thể được quan sát trên nền tối Ngược lại, trong phương pháp hấp thụ, tín hiệu nhỏ phải được phân biệt giữa nhiều tia sáng khác đang đến detector.

Trong quá trình phát xạ nguyên tử, va chạm trong ngọn lửa plasma khiến nhiều nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích năng lượng cao Khi trở về trạng thái năng lượng thấp hơn, các nguyên tử này phát ra photon mà không cần sự hỗ trợ của đèn bên ngoài.

Cường độ phát xạ của tia sáng đơn sắc đặc trưng cho nguyên tố phân tích tỉ lệ tuyến tính với nồng độ của nguyên tố trong mẫu Hiện nay, sự phát xạ trong ngọn lửa plasma đang chiếm ưu thế trong phổ nguyên tử.

4.1.2 Độ rộng các vạch phổ nguyên tử

4.1.2.1 Sự khác biệt của phổ nguyên tử và phân tử

Sự khác biệt chính giữa phổ nguyên tử và phổ phân tử nằm ở độ rộng của các dải hấp thụ và phát xạ Đối với các chất lỏng và rắn tiêu biểu, phổ hấp thụ hoặc phát xạ phân tử có độ rộng dải từ 10 đến 100 nm, như được thể hiện trong Hình 4.2 và Hình 4.3.

Hình 4.2: Phổ hấp thụ phân tử khả kiến của phức (ferrzine) 3 Fe(II) trong phân tích đo quang xác định sắt [6]

Hình 4.3: Phổ hấp thụ phân tử và phổ phát xạ huỳnh quang phân tử của bis(benzylimido)- perylene trong dung dịch dichloromethane [6]

Các vạch phổ trong phổ nguyên tử rất sắc nét, với độ rộng khoảng 0,001 nm, dẫn đến sự chồng lấn tối thiểu giữa các vạch phổ của các nguyên tố khác nhau trong cùng một mẫu đo, như minh họa trong Hình 4.4.

Nhiều thiết bị hiện nay có khả năng đo hơn 70 nguyên tố cùng lúc trong một mẫu, tuy nhiên, cần chú ý rằng các vạch phổ hấp thụ nguyên tử yêu cầu nguồn sáng phải phát ra các vạch phổ sắc tương ứng.

Hình 4.4 trình bày phổ phát xạ nguyên tử từ đèn cathode rỗng với cathode thép, hiển thị các vạch phổ nguyên tử của hơi Fe, Ni và Cr, cùng với các vạch phổ yếu của Cr+ và Fe+ Độ phân giải của bộ đơn sắc hóa đạt 0,001 nm, tương ứng với các vạch phổ nguyên tử của các nguyên tố trong thép.

4.1.2.2 Các vạch phổ nguyên tử Định luật Beer đòi hỏi độ rộng vạch phổ của nguồn bức xạ cần hẹp hơn độ rộng vạch phổ của mẫu đang hấp thụ ánh sáng đó Ngược lại, độ hấp thụ đo được sẽ không tỉ lệ tuyến tính với nồng độ chất phân tích trong mẫu đo Các vạch phổ nguyên tử rất sắc, với độ rộng thực chỉ khoảng 10 -4 nm Độ rộng vạch phổ bị chi phối bởi nguyên lý bất định Heisenberg, được phát biểu rằng thời gian sống của trạng thái kích thích càng ngắn thì độ bất định năng lượng của nó càng lớn

Biểu thức của nguyên lý này như sau:

Trong công thức E ≥ (E4.1), δE biểu thị độ bất định về năng lượng giữa trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích, trong khi δt là thời gian sống của trạng thái kích thích trước khi trở về trạng thái cơ bản Hằng số Planck, ký hiệu là h, cũng đóng vai trò quan trọng trong mối quan hệ này.

Phương trình này thể hiện sự bất định trong hiệu năng lượng giữa hai trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích, với thời gian tồn tại tối thiểu của trạng thái kích thích là h/4π Điều này có nghĩa là khi độ bất định năng lượng δE tăng lên, thì độ bất định thời gian δt sẽ giảm xuống.

Thời gian tồn tại của một trạng thái kích thích của các nguyên tử tự do ở thể khí khoảng 10 -9 s Do đó, độ bất định về hiệu năng lượng là s J s

Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

4.2.1 Các kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu trong AAS

4.2.1.1 Kỹ thuật dùng ngọn lửa đèn khí

Trong quá trình nguyên tử hóa bằng ngọn lửa đèn khí, dung dịch mẫu được biến thành dạng sương khí thông qua sự trộn lẫn với khí nhiên liệu và khí oxy hóa Sau đó, hỗn hợp này được đưa vào ngọn lửa, nơi diễn ra quá trình nguyên tử hóa mẫu.

Trong ngọn lửa đèn khí, hợp chất đơn giản MX trải qua một loạt các quá trình phức tạp Đầu tiên, các hạt sương khí bị bay hơi dung môi, dẫn đến sự hình thành các hạt sương phân tử rắn siêu mịn.

Các hạt sương siêu mịn chuyển hóa thành các phân tử khí, dẫn đến sự phân ly và tạo ra các nguyên tử tự do Nhiều nguyên tử này bị ion hóa, tạo ra cation và electron Sự tương tác giữa khí nhiên liệu và khí oxy hóa cùng với các cấu tử khác trong mẫu tạo ra các phân tử và nguyên tử mới.

Hình 4.7 chỉ ra rằng một phần của các phân tử, nguyên tử và ion bị kích thích bởi nhiệt từ ngọn lửa đèn khí, dẫn đến sự hình thành quang phổ phát xạ đặc trưng của chúng.

Quá trình nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa đèn khí là bước quan trọng trong phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (Flame-AAS), ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của các phép đo AAS.

Do đó, cần phải hiểu những đặc tính của ngọn lửa đèn khí và những yếu tố tác động đến những đặc tính này

Hình 4.7 tóm tắt các quá trình diễn ra sương khí trong ngọn lửa đèn, trong đó vùng mờ biểu thị các quá trình hấp thụ và phát xạ của nguyên tử.

Ngọn lửa đèn khí chủ yếu sử dụng acetylene làm nhiên liệu và oxy hóa bằng không khí, tạo ra nhiệt độ ngọn lửa từ 2400 đến 2700 K Để đạt được nhiệt độ cao hơn nhằm nguyên tử hóa các nguyên tố có nhiệt độ sôi cao, cần sử dụng khí N2O thay vì không khí.

Ngọn lửa giàu khí nhiên liệu sản sinh nhiều carbon có xu hướng khử các oxide và hydroxide kim loại, điều này làm giảm độ nhạy phân tích Ngược lại, khi có sự dư thừa khí oxy, ngọn lửa sẽ nóng hơn.

Các nguyên tố khác nhau yêu cầu tỉ lệ khí nhiên liệu và khí oxy hóa phù hợp để đạt được kết quả phân tích tối ưu.

Ngọn lửa phát ra phổ ánh sáng riêng, vì vậy cần loại bỏ nó trong tín hiệu tổng để thu được tín hiệu chính xác của nguyên tố phân tích.

Hình 4.8: Máy F-AAS với bộ phân nguyên tử hóa mẫu là ngọn lửa đèn khí [8]

Chiều cao ngọn lửa tối ưu để hấp thụ tối đa phụ thuộc vào nguyên tố đo, tốc độ chảy của mẫu, loại khí nhiên liệu và khí oxy hóa, cùng với tỷ lệ giữa chúng trong việc hình thành ngọn lửa đèn khí.

4.2.1.2 Kỹ thuật dùng năng lượng nhiệt điện (lò graphite)

Hình 4.9 minh họa cấu tạo của lò graphite sử dụng nhiệt điện và mặt cắt dọc của lò Lò graphite sử dụng điện năng để nung nóng, cho hiệu quả nhạy hơn trong quá trình nguyên tử hóa mẫu so với việc sử dụng ngọn lửa từ đèn khí.

Hình 4.9: a) Sơ đồ cấu tạo của lò graphite sử dụng nhiệt điện [6] b) Sơ đồ mặt cắt dọc lò graphite [8]

Mẫu lỏng từ 1 đến 100 àL được tiêm vào lò graphite qua lỗ trung tâm, trong khi ánh sáng từ đèn cathode đi qua hai cửa sổ quang ở hai đầu ống graphite Để ngăn chặn sự oxy hóa carbon graphite, khí argon được dẫn qua lò, cùng với hệ thống làm mát bằng nước, cho phép lò hoạt động ở nhiệt độ lên đến 2550 oC trong hơn 7 giây.

Trong phổ dùng ngọn lửa đèn khí, thời gian cư trú của chất phân tích trong đường dẫn quang nhỏ hơn 1 giây khi nó trong ngọn lửa

Lò nhiệt điện carbon graphite cho phép nguyên tử hóa các mẫu trong đường truyền quang chỉ trong vài giây, từ đó nâng cao độ nhạy phân tích một cách đáng kể.

Đối với phân tích F-AAS, thể tích mẫu tối thiểu cần thiết là 1-2 mL, trong khi kỹ thuật phân tích dựng lũ nhiệt điện carbon graphite (ElectroThermal Atomization-AAS hay GF-AAS) chỉ yêu cầu tối thiểu 1 µL mẫu Độ chính xác của phương pháp này thường không vượt quá 5-10% khi tiêm mẫu bằng tay, nhưng nếu sử dụng autosampler để tiêm mẫu tự động, độ lặp sẽ được cải thiện và độ chính xác có thể đạt tới 1%.

Các kỹ thuật phân tích trong phương pháp AAS

Một nhược điểm của các phương pháp phổ ngọn lửa đèn khí là yêu cầu mẫu phải được đưa vào nguồn kích thích của thiết bị đo dưới dạng dung dịch lỏng, chủ yếu là dung dịch nước.

Nhiều vật liệu phân tích như đất, mô động vật, thực vật, sản phẩm dầu mỏ và khoáng vật thường không hòa tan trong hầu hết các dung môi Do đó, việc xử lý mẫu trước là cần thiết để thu được dung dịch chứa chất phân tích ở dạng sẵn sàng cho quá trình nguyên tử hóa mẫu.

Sự phân hủy mẫu và các bước chuẩn bị dung dịch thường tiêu tốn nhiều thời gian và có thể gây ra nhiều sai số hơn cả sai số từ phép đo phổ.

Sự phân hủy vật liệu yêu cầu xử lý mẫu ở nhiệt độ cao, gây nguy cơ mất chất phân tích do hóa hơi hoặc phát tán dưới dạng hạt trong khói Các hóa chất dùng để phân hủy mẫu có thể tạo ra các cản trở phổ hoặc hóa học, và chất phân tích có thể xuất hiện trong thuốc thử dưới dạng tạp chất Nếu không được xem xét kỹ lưỡng, tạp chất này có thể trở thành nguồn chất phân tích lớn hơn trong mẫu, dẫn đến sai số nghiêm trọng trong phân tích vết, ngay cả khi đã hiệu chỉnh bằng dung dịch trống.

Một số phương pháp phổ biến để phân hủy và hòa tan mẫu trong các phương pháp hấp thụ nguyên tử bao gồm: xử lý bằng acid vô cơ nóng, oxy hóa bằng các thuốc thử lỏng như sulfuric, nitric, hoặc perchloric acid (tro hóa ướt), đốt cháy trong bình khí nén oxygen hoặc bình kín khác để tránh mất chất phân tích, tro hóa ở nhiệt độ cao, và nung chảy ở nhiệt độ cao với các thuốc thử như boric oxide, sodium carbonate, sodium peroxide, hoặc potassium pyrosulfate.

Một lợi ích của phương pháp nguyên tử hóa mẫu bằng nhiệt điện (lò graphite) là khả năng nguyên tử hóa trực tiếp nhiều loại vật liệu, giúp loại bỏ bước hòa tan thành dung dịch.

Các mẫu lỏng như máu, sản phẩm dầu mỏ và dung môi hữu cơ có thể được pipet trực tiếp vào lò để thực hiện quá trình tro hóa và nguyên tử hóa Trong khi đó, các mẫu rắn như lá cây, mô động vật và nhiều chất hữu cơ khác cần được cân chính xác trước khi đưa vào bộ nguyên tử hóa hoặc thuyền mẫu tantalum để đưa vào lò kiểu ống Tuy nhiên, việc định chuẩn cho các mẫu này thường gặp khó khăn và yêu cầu các chuẩn có thành phần tương tự như mẫu cần phân tích.

4.3.2 Giới thiệu mẫu bằng phương pháp tiêm dòng chảy (FIA)

Phương pháp tiêm dòng chảy (FIA) được trình bày trong mục 1.3.5, bao gồm cả phương pháp và thiết bị FIA là một công cụ hiệu quả để đưa mẫu vào máy quang phổ hấp thụ nguyên tử, sử dụng ngọn lửa đèn khí để nguyên tử hóa mẫu.

Máy quang phổ AAS được coi là một detector hữu ích cho hệ thống FIA, với bơm nhu động và các sắp xếp van của FIA đóng vai trò quan trọng trong việc lấy mẫu các dung dịch phân tích một cách lặp lại và hiệu quả, giúp bảo toàn mẫu tốt hơn.

Hệ thống FIA sử dụng dòng chất mang là nước khử ion hoặc dung dịch điện ly loãng, giúp duy trì sự làm sạch liên tục cho bộ phận nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa Điều này đặc biệt hữu ích cho các mẫu có chứa muối hoặc chất rắn huyền phù với nồng độ cao.

4.3.3 Các dung môi hữu cơ Ở giai đoạn đầu trong sự phát triển của phổ hấp thụ nguyên tử, sự tăng cường hấp thụ trong F-AAS được nhận thấy nếu các dung dịch chứa các rượu phân tử lượng thấp, các ester, hoặc ketone

Hiệu ứng của dung môi hữu cơ chủ yếu là do sự gia tăng hiệu suất tạo sol khí Sức căng bề mặt thấp hơn của các dung dịch này giúp giảm kích thước hạt sol khí, từ đó tăng số lượng mẫu tiếp cận ngọn lửa đèn khí.

Ngoài ra, sự hóa hơi dung môi nhanh hơn cũng góp phần vào hiệu ứng này

Tỉ số nhiên liệu thấp hơn và chất oxy hóa cần được áp dụng với các dung môi hữu cơ nhằm giảm thiểu sự hiện diện của vật liệu hữu cơ được bổ sung.

Không may, hỗn hợp ít nhiên liệu hơn này lại tạo nên nhiệt độ ngọn lửa thấp hơn và có tiềm năng làm tăng các cản trở hóa học

Một ứng dụng quan trọng của dung môi hữu cơ trong phổ nguyên tử là sử dụng methyl isobutyl ketone, dung môi không hòa tan trong nước, để chiết xuất các phức chelate của ion kim loại Dịch chiết này sau đó được phun sương trực tiếp vào ngọn lửa đèn khí Độ nhạy của phương pháp được cải thiện không chỉ nhờ vào sự tăng cường của các vạch hấp thụ mà còn do chỉ cần một lượng nhỏ dung môi hữu cơ để tách định lượng các ion kim loại từ một dung dịch nước lớn.

Quy trình chiết tách phức chelate mang lại lợi ích là nhiều chất nền mẫu vẫn giữ lại trong dung dịch nước, giúp giảm thiểu cản trở khi đo mẫu Các thuốc thử phổ biến dùng để tạo phức bao gồm ammonium pyrrolidinedithiocarbamate, diphenylthiocarbazone (dithizone), 8-hydroxyquinoline và acetylacetone.

4.3.4 Phương pháp lập đường chuẩn

Phạm vi ứng dụng của AAS

AAS là một phương pháp nhạy bén để xác định định lượng hơn 60 nguyên tố kim loại và á kim Tuy nhiên, các vạch phổ cộng hưởng của các nguyên tố phi kim thường nằm trong khoảng dưới 200 nm, điều này gây khó khăn cho việc xác định chúng bằng các máy đo quang không tạo chân không hiện có.

Giới hạn dò tìm của phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) sử dụng ngọn lửa đèn khí (F-AAS) dao động từ 1 đến 20 ng/mL (0,001 đến 0,020 ppm), trong khi phương pháp nhiệt điện (ETA-AAS) có giới hạn từ 0,002 đến 0,01 ng/mL (2×10^-6 đến 1×10^-5 ppm) Một số nguyên tố có thể có giới hạn dò tìm nằm ngoài các khoảng này.

Dưới điều kiện bình thường, sai số tương đối của phương pháp F-AAS dao động từ 1 đến 2% Tuy nhiên, với các biện pháp phòng ngừa đặc biệt, sai số này có thể giảm xuống dưới 1% Đặc biệt, sai số của phương pháp ETA-AAS cao hơn phương pháp F-AAS từ 5 đến 10 lần.

Phương pháp huỳnh quang nguyên tử

4.5.1 Thiết bị đo huỳnh quang nguyên tử

Trong những năm gần đây, đã có nhiều nỗ lực nghiên cứu và phát triển phương pháp phân tích huỳnh quang nguyên tử Phương pháp này chứng minh rằng phổ huỳnh quang nguyên tử là công cụ hữu ích và thuận tiện cho việc xác định định lượng nhiều nguyên tố khác nhau.

Sự phát triển vượt bậc của phổ hấp thụ và phát xạ nguyên tử đã diễn ra trước phổ huỳnh quang nguyên tử hàng chục năm, dẫn đến việc một số nhà sản xuất chỉ mới thành công trong việc giới thiệu thiết bị đo phổ huỳnh quang nguyên tử Thiết bị này có khả năng xác định một số nguyên tố ở dạng hơi hoặc hydride, bao gồm Pb, Hg, Cd, Zn, As, Sb, Bi, Ge và Se.

Việc áp dụng huỳnh quang nguyên tử trong phân tích định lượng còn hạn chế do những lợi ích của nó so với phương pháp phổ hấp thụ và phát xạ nguyên tử không đáng kể Hơn nữa, thiết bị cần thiết cho phương pháp này thường phức tạp và có chi phí cao, mặc dù trong nhiều trường hợp, nó mang lại độ nhạy phân tích tốt hơn.

4.5.1.1 Bộ phận chứa mẫu (cuvet)

Bộ phận chứa mẫu chủ yếu là ngọn lửa đèn khí, nhưng cũng có thể sử dụng cuvet nguyên tử hóa mẫu bằng nhiệt điện hoặc plasma cao tần cảm ứng Cuvet dòng chảy thường được áp dụng trong các phương pháp liên quan đến hơi và khí hydride.

Để cải thiện độ nhạy trong phân tích huỳnh quang nguyên tử, cần có nguồn phát liên tục, nhưng năng lượng của các nguồn này trong vùng vạch phổ hấp thụ hẹp thường quá thấp Việc sử dụng các đèn với dòng xung ngắn là cần thiết để tăng cường độ đầu ra và đảm bảo hoạt động liên tục Các detector được thiết kế đặc biệt để quan sát tín hiệu huỳnh quang trong suốt các xung của nguồn bức xạ, từ đó nâng cao hiệu quả phân tích.

Nguồn phổ biến nhất cho huỳnh quang nguyên tử là đèn EDL, có cường độ bức xạ cao hơn nhiều so với đèn cathode rỗng Tuy nhiên, loại đèn này không có sẵn cho nhiều nguyên tố Laser với cường độ năng lượng cao và độ rộng dải hẹp được coi là nguồn lý tưởng cho các phép đo huỳnh quang nguyên tử, nhưng chi phí cao và sự phức tạp trong hoạt động đã hạn chế việc áp dụng rộng rãi của nó trong các phương pháp này.

4.5.1.3 Loại thiết bị tán xạ

Thiết bị đo huỳnh quang nguyên tử sử dụng hệ tán xạ ánh sáng bao gồm các thành phần chính như nguồn sáng, bộ nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa hoặc không ngọn lửa, bộ đơn sắc hóa hoặc bộ lọc sáng giao thoa, bộ dò tìm, và bộ xử lý tín hiệu kết hợp với bộ hiển thị kết quả.

4.5.1.4 Loại thiết bị không tán xạ

Do không tán xạ, thiết bị không cần bộ đơn sắc hóa hoặc kính lọc sáng giao thoa trong các phép đo huỳnh quang nguyên tử khi sử dụng đèn EDL hoặc đèn cathode rỗng làm nguồn sáng kích thích Ánh sáng phát ra từ các đèn này chủ yếu đến từ nguyên tố phân tích được sử dụng để chế tạo cathode, do đó chỉ kích thích các nguyên tử của nguyên tố phân tích trong mẫu.

Như vậy một thiết bị không tán xạ gồm nguồn sáng, bộ nguyên tử hóa mẫu, và bộ dò tìm (detector)

Hệ thiết bị này có ưu điểm nổi bật như tính đơn giản và giá thành thấp, khả năng thích ứng với việc phân tích nhiều nguyên tố, cùng với năng lượng kích thích cao, góp phần nâng cao độ nhạy phân tích Thêm vào đó, việc thu năng lượng từ nhiều vạch phổ của chùm huỳnh quang cũng làm tăng cường độ nhạy của phương pháp.

4.5.2 Một số ứng dụng tiêu biểu

Ví dụ sau sẽ minh họa cho những ưu điểm trên của thiết bị đo huỳnh quang nguyên tử kiểu không tán xạ

Hình 4.18: Sơ đồ thiết bị huỳnh quang phân tích thủy ngân theo phương pháp 1631 của Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ (US.EPA) [6]

Sơ đồ thiết bị huỳnh quang được thiết kế để phân tích thủy ngân trong nước theo phương pháp 1631 của US.EPA, như trình bày trong Hình 4.18 Phương pháp này bắt đầu bằng việc oxy hóa toàn bộ thủy ngân trong mẫu nước thành Hg 2+ bằng BrCl trong bình có sục bọt khí argon Sau đó, các hợp chất halogen sẽ được khử bằng hydroxylamine (NH2OH).

Hg 2+ bị khử về Hg o bằng SnCl2 Hg o sau đó được kéo khỏi dung dung dịch nhơ thổi bọt khí Ar hoặc N2

Thủy ngân (Hg) được thu thập ở nhiệt độ phòng trong bẫy mẫu chứa silica phủ vàng (Au) Trong quá trình này, Hg liên kết với Au, trong khi các khí khác bị dòng khí cuốn đi Sau đó, bẫy mẫu được nung nóng đến 450 độ C, khiến thủy ngân bay hơi và được giữ lại ở ống bẫy phân tích ở nhiệt độ phòng.

Hai bẫy được sử dụng để tách loại các chất khí cản trở trước khi phân tích

Hg trong bẫy phân tích được làm bay hơi bằng cách gia nhiệt đến 450 °C, sau đó bay vào cuvet để tạo ra huỳnh quang của Hg Cường độ phát huỳnh quang này phụ thuộc vào các tạp chất trong khí, có khả năng dập tắt sự phát xạ của Hg.

Giới hạn định lượng của phương pháp này nhỏ đến cở 0,5 ng/L (tức 0,5 ppt)

Câu hỏi và bài tập

4-1 Phát biểu ưu và nhược của lò graphite so với ngọn lửa đèn khí trong phương pháp hấp thụ nguyên tử

Trong hai kỹ thuật hấp thụ và phát xạ nguyên tử, việc duy trì sự ổn định nhiệt độ của ngọn lửa đèn khí là rất quan trọng Sự ổn định này đảm bảo rằng quá trình hấp thụ và phát xạ diễn ra hiệu quả, giúp cải thiện độ chính xác của các phép đo và kết quả thu được Nếu nhiệt độ không ổn định, nó có thể dẫn đến sai lệch trong dữ liệu và ảnh hưởng đến độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ ngọn lửa là yếu tố then chốt trong các ứng dụng nguyên tử học.

Khi phân tích calcium bằng phương pháp F-AAS, việc thêm ethylene diamine tetracetic acid (EDTA) vào mẫu đo là cần thiết khi calcium tồn tại dưới dạng phosphate EDTA giúp chelating calcium, ngăn chặn sự hình thành các phức hợp không mong muốn, từ đó cải thiện độ chính xác và độ nhạy của phương pháp phân tích Việc sử dụng EDTA đảm bảo rằng calcium được phát hiện một cách hiệu quả, đặc biệt trong các mẫu phức tạp chứa phosphate.

4-4 Giải thích hiệu ứng Doppler Lý giải tại sao sự mở rộng Doppler tăng lên khi tăng nhiệt độ và giảm khối lượng trong phương trình E4.2?

4-5 Giải thích các kỹ thuật hiệu chỉnh nền sau đây hoạt động như thế nào: (a)

Sử dụng chopper; (b) Đèn D2; (c) Hiệu ứng Zeeman

4-6 Trạng thái kích thích thứ nhất của Ca đạt được khi Ca ở trạng thái cơ bản hấp thụ tia sáng có bước sóng 422,7 nm

(a) Tìm ΔE (kJ/mol) giữa hai trạng thái kích thích và cơ bản trên

(b) Biết độ suy biến là g*/go = 3 cho Ca Tìm N*/No ở 2500 K

(c) Hỏi khi tăng nhiệt độ lên 15 K thì tỉ lệ N*/No sẽ tăng lên bao nhiêu phần trăm?

4-7 Từ kết quả tính toán bài tập 4-6 trên hãy bình luận về ảnh hưởng của nhiệt độ đến phổ phát xạ AES và phổ hấp thụ nguyên tử AAS

Trong hai phương pháp trên, sự ổn định của nhiệt độ là yếu tố quyết định hơn

4-8 Tính độ rộng vạch phổ Doppler ở nhiệt độ 2000 K cho vạch phổ 589 nm của Na và vạch phổ 254 nm của Hg

4-9 5,00 mL mẫu máu được xử lý với trichloroacetic acid để kết tủa các protein

Sau khi ly tâm, dung dịch được điều chỉnh pH 3 và chiết bằng 5 mL methyl isobutyl ketone hai lần, trong đó chứa thuốc thử tạo phức hữu cơ với chì là APDC Dịch chiết được đưa vào máy F-AAS với ngọn lửa acetylene-không khí, cho độ hấp thụ quang 0,444 tại bước sóng 283,3 nm Hai dung dịch chuẩn 0,250 và 0,450 ppm Pb cũng được xử lý tương tự, cho độ hấp thụ lần lượt là 0,396 và 0,599 Từ đó, nồng độ Pb (ppm) trong mẫu máu được tính toán dựa trên định luật Beer.

PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ

Phương pháp plasma cao tần cảm ứng – đo phát xạ quang (ICP-OES)

5.1.1 Plasma cao tần cảm ứng (ICP)

Plasma cao tần cảm ứng (ICP) sử dụng môi trường khí trơ argon ổn định và nhiệt độ cao, giúp loại bỏ nhiều hạn chế mà ngọn lửa đèn khí gặp phải Do đó, trong nhiều trường hợp phân tích đa nguyên tố, phương pháp ICP đã trở thành lựa chọn thay thế cho phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử bằng ngọn lửa đèn khí (F-AAS).

Hình 5.1: Nhiệt độ trong các vùng của ngọn lửa plasma cao tần cảm ứng ICP [7]

Thiết bị plasma thường đắt tiền hơn và chi phí đo mẫu cũng cao hơn do tiêu tốn nhiều khí argon

Mặt cắt của đầu đốt ICP cho thấy cuộn dây cảm hai nấc tần số radio 27 hoặc 41 MHz bao quanh phần đầu mở làm bằng thạch anh Khí argon tinh khiết cao được dẫn vào cổng khí để tạo plasma Sau khi tia lửa điện từ cuộn dây Tesla ion hóa argon, các electron tự do được gia tốc bởi điện trường tần số radio.

Hình 5.2: Mặt cắt dọc đầu đốt plasma cao tần cảm ứng (ICP) [7]

Các electron va chạm với nguyên tử, truyền năng lượng cho khí, duy trì nhiệt độ từ 6000 đến 10000 K Đầu đốt ICP được bảo vệ khỏi quá nhiệt nhờ khí làm mát argon vào qua cổng làm nguội.

5.1.2 Giới thiệu mẫu phân tích vào ICP

5.1.2.1 Giới thiệu mẫu vào ICP bằng siêu âm

Hình 5.3 minh họa sơ đồ cấu tạo của bộ sương khí siêu âm (ultrasonic nebulizer)

Sử dụng bộ tạo sương khí siêu âm có thể giảm nồng độ của nguyên tố phân tích cần thiết cho tín hiệu thích hợp đến hàng chục lần so với phương pháp phun sương truyền thống.

Dung dịch mẫu được đưa trực tiếp vào tinh thể áp điện đang dao động với tần số 1 MHz Tinh thể áp điện có khả năng thay đổi kích thước khi chịu tác động của điện trường Khi một điện áp hình sin được áp vào hai bề mặt của tinh thể, nó sẽ kích thích dao động của tinh thể.

Thạch anh (quartz) là loại vật liệu phổ biến nhất của tinh thể áp điện (piezoelectric crystal)

Tinh thể dao động tạo ra sương khí mịn, trong khi dòng khí argon được dẫn qua ống nóng để hóa hơi dung môi Ở vùng tiếp theo, dung môi sẽ ngưng tụ và được tách ra một cách hiệu quả.

Dòng chảy của sương khí tiếp tục đi vào ống loại sương khí dung môi qua màng vi lỗ polytetrafluoroethylene trong buồng ống được duy trì ở nhiệt độ

Ở nhiệt độ 160 độ C, hơi dung môi còn sót lại được khuếch tán qua màng và bị cuốn đi bởi dòng khí argon Chất phân tích sau đó di chuyển đến ngọn lửa plasma dưới dạng các hạt sương khí rắn và khô.

Hình 5.3: (trái) Sơ đồ bộ tạo sương khí dùng siêu âm; (phải) Hình ảnh thực tế của bộ tạo sương khí bằng siêu âm [6]

Plasma hiện tại không cần năng lượng để bay hơi dung môi, do đó có nhiều năng lượng hơn cho quá trình nguyên tử hóa mẫu Hơn nữa, phần lớn mẫu được chuyển đến plasma, dẫn đến tỷ lệ nguyên tử hóa cao hơn so với việc sử dụng bộ tạo sương khí truyền thống Độ nhạy của ICP được cải thiện từ 3 đến 10 lần khi quan sát sự phát xạ dọc theo chiều dài ngọn lửa plasma thay vì qua đường kính Đặc biệt, độ nhạy còn tăng cường hơn nữa khi sử dụng máy khối phổ (Mass Spectrometer - MS) để dò tìm ion thay vì sử dụng sự phát xạ quang (Optical Emission Spectroscopy - OES).

5.1.2.2 Giới thiệu mẫu vào ICP bằng kỹ thuật đốt laser

Kỹ thuật giới thiệu mẫu bằng đốt laser sử dụng một chùm laser nạp xung để tập trung vào một vi điểm trên mẫu rắn, gây ra sự bùng nổ của các hạt, nguyên tử, electron và ion, chuyển chúng thành pha khí.

Trong hầu hết các trường hợp, laser Nd:YAG với bước sóng 1064 nm được sử dụng, với mỗi xung có năng lượng 10 mJ kéo dài 10 ns, tập trung vào điểm đường kính 50 µm, chuyển giao năng lượng 50 GW/cm² Vật liệu tiêu biểu được tách loại khỏi bề mặt mẫu rắn có độ sâu khoảng 0,02 đến 5 µm bởi mỗi xung, chỉ đốt hóa hơi vài nanogram vật liệu, giúp phương pháp này gần như không phá hủy mẫu đo Sản phẩm hóa hơi được thu thập trong buồng kín và bị lôi cuốn vào plasma bởi khí Ar hoặc He để phân tích bằng máy khối phổ hoặc phát xạ quang nguyên tử Khi nghiên cứu nồng độ của nguyên tố phân tích theo thời gian, mẫu được lấy sâu dần khi các xung được áp dụng tăng dần theo chiều sâu.

5.1.3 Sự nguyên tử hóa và ion hoá chất phân tích

Hình 5.1 minh họa nhiệt độ tại các vị trí khác nhau của vùng ngọn lửa plasma Các nguyên tử mẫu tồn tại trong plasma khoảng 2 ms trước khi tới các điểm quan sát được Trong thời gian này, chúng trải qua nhiệt độ từ 5500 đến 8000 K.

Thời gian và nhiệt độ trong plasma cao gấp 2 đến 3 lần so với ngọn lửa đèn khí acetylene-N2O, dẫn đến sự nguyên tử hóa hoàn toàn hơn và giảm thiểu cản trở hóa học Sự cản trở do ion hóa cũng thấp, nhờ vào nồng độ electron lớn từ ion hóa argon, giúp duy trì nồng độ electron ổn định trong plasma.

Một vài ưu điểm khác liên quan đến nguồn plasma

Sự nguyên tử hóa diễn ra trong môi trường trơ về mặt hóa học, giúp kéo dài thời gian tồn tại của các nguyên tử phân tích và ngăn chặn quá trình hình thành oxide.

Nhiệt độ trong plasma tương đối đồng nhất, khác với nguồn năng lượng hồ quang điện, tia lửa điện và ngọn lửa đèn khí, giúp giảm thiểu các ảnh hưởng tự hấp thụ và tự nghịch đảo Điều này dẫn đến việc các đường định chuẩn tuyến tính tăng lên đáng kể về độ lớn nồng độ.

Plasma tạo ra ion hóa mạnh mẽ cho các nguyên tử phân tích, khiến nó trở thành nguồn năng lượng lý tưởng cho phương pháp ICP-MS (khối phổ ghép nối cảm ứng plasma).

5.1.4 Dò tìm xác định nhiều nguyên tố với plasma cao tần cảm ứng

Các kiểu thiết bị trong ICP-OES

5.2.1 Kiểu thiết bị tuần tự

Các thiết bị tuần tự thường bao gồm một bộ đơn sắc hóa loại cách tử (grating), như thể hiện trong Hình 5.6 Tất cả các bộ phận di chuyển của thiết bị được điều khiển bởi máy tính, với các kiểu di chuyển được chỉ dẫn bằng các mũi tên ba chiều.

Hình 5.6: Sơ đồ quang của một máy quang phổ phát xạ ICP-OES [7]

Các bộ phận di chuyển bao gồm cách tử hình nổi, gương cho bộ chọn detector PMT, tấm khúc xạ để tối ưu hóa tín hiệu, và gương chiếu nhằm tối ưu vị trí quan sát ngọn lửa plasma.

Máy quang phổ sử dụng đèn thủy ngân để tự động định chuẩn bước sóng Thiết bị này thường có khả năng tạo hình ảnh nổi ba chiều với 2400 hoặc 3600 vạch trên mỗi mm.

Nhiều thiết bị quét bước sóng sử dụng mô tơ bước kỹ thuật số để xoay màng cách tử, cho phép tập trung chính xác các bước sóng khác nhau trên khe thoát Trong một số thiết kế, cách tử được cố định, trong khi khe thoát và ống nhân quang điện (PMT) được di chuyển dọc theo mặt phẳng tiêu cự hoặc đường cong.

Những thiết bị như được minh họa trong Hình 5.6 có hai bộ khe và hai ống nhân quang điện, một cho vùng UV và một cho vùng khả kiến

Trong các thiết bị này, chùm ánh sáng sẽ được chuyển từ detector PMT này sang detector PMT khác thông qua gương phẳng được lắp đặt giữa hai detector, tại một bước sóng thích hợp.

5.2.2 Kiểu thiết bị quang phổ ICP đa kênh đồng thời

Các thiết bị đa kênh đồng thời có hai loại: bộ tán xạ đa sắc (polychromator) và máy ghi quang phổ (spectrograph)

Bộ tán xạ đa sắc sử dụng nhiều ống nhân quang điện (PMT) để phát hiện tín hiệu, trong khi máy ghi quang phổ áp dụng các cảm biến CID (charge injection device) hai chiều hoặc cảm biến CDD (charge coupled device) làm phần dò tìm.

• Kiểu thiết bị đa kênh sử dụng bộ tán xạ đa sắc

Hình 5.7: Sơ đồ thiết bị quang phổ phát xạ nguyên tử - plasma cao tần cảm ứng (ICP-OES) kiểu thiết bị đa kênh dùng bộ tán xạ đa sắc [7]

Hình 5.7 minh họa sơ đồ thiết bị ICP-OES phổ biến, sử dụng bộ đơn sắc Rowland circle và ống nhân quang điện (PMT) làm bộ phận dò tìm.

Bộ vòng tròn Rowland sử dụng cầu lõm kiểu Echellette để phân tách các chùm tia đơn sắc có bước sóng khác nhau, đồng thời hội tụ chúng vào các khe sáng.

Mỗi khe sáng cho phép chỉ một bức xạ đặc trưng từ một nguyên tố cụ thể đi qua, sau đó bức xạ này tiếp tục vào bộ dò tìm (detector) để đo cường độ phát xạ của nó.

Bộ dò tìm phổ biến thường được sử dụng là ống nhân quang điện (PMT), và dữ liệu từ các bộ dò tìm này sẽ được xử lý trên máy tính kết nối với thiết bị ICP-OES.

5.2.3 Kiểu thiết bị đa kênh sử dụng máy ghi quang phổ

• Máy ghi quang phổ dùng cảm biến CID

Hình 5.8 minh họa sơ đồ quang học của máy đo phổ kiểu echelle, sử dụng cảm biến CID (charge injection device) cho hoạt động đồng bộ Máy đo này áp dụng lăng kính calcium chloride (CaCl2) để phân loại các bậc phổ do cách tử echelle tạo ra.

Bộ cảm biến CID có kích thước 8,7 mm x 6,6 mm, bao gồm 94.672 điểm cảm biến Để tập trung hình ảnh khe lên bề mặt cảm biến, một gương Toroidal camera được sử dụng Để giảm thiểu các dòng tối trong các điểm cảm biến, bộ cảm biến được duy trì ở nhiệt độ lạnh sâu 135 K, ổn định nhờ nitrogen lỏng.

Hình 5.8: Sơ đồ quang học của máy quang phổ echelle với bộ dò tìm là bộ cảm biến CID [7]

Các yếu tố cản trở trong ICP-OES

Sử dụng plasma làm nguồn năng lượng cho quá trình nguyên tử hóa mẫu và tạo phổ phát xạ giúp giảm đáng kể sự cản trở hóa học và hiệu ứng nền mẫu so với các nguồn năng lượng khác.

Ở những mẫu có nồng độ thấp, sự phát xạ nền từ việc tái kết hợp các ion argon với electron có thể gây ảnh hưởng lớn, do đó cần thực hiện hiệu chỉnh cẩn thận Đối với thiết bị tuần tự và thiết bị đa kênh đồng thời, việc hiệu chỉnh được thực hiện bằng cách lấy các giá trị đọc được của nền ở hai bên vạch phổ cần phân tích.

Các thiết bị tinh xảo thường có phần mềm máy tính để hiệu chỉnh nền tự động hoặc dưới sự kiểm soát của người hoạt động máy

Phổ ICP của nhiều nguyên tố thường chứa nhiều vạch, do đó có thể xuất hiện các cản trở phổ Để giảm thiểu sai số do cản trở này, cần nắm rõ các cấu tử có trong mẫu và nghiên cứu kỹ lưỡng thông tin từ các tài liệu tham khảo chuyên ngành liên quan đến hiện tượng cản trở.

Phần mềm của các thiết bị hiện đại kết nối với máy tính cung cấp các thủ tục hiệu quả để định chuẩn nồng độ và bước sóng, cũng như phân tích phổ một cách chính xác.

Phương pháp phổ phát xạ plasma cao tần ghép nối khối phổ (ICP-MS)

5.4.1 Một số kiến thức đại cương về phổ khối nguyên tử

5.4.1.1 Khối lượng nguyên tử trong phổ khối

Các khối lượng nguyên tử và phân tử thông thường được biểu diễn theo đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass units (amu)), hay Dalton (Da)

Dalton được định nghĩa tương đối so với khối lượng đồng vị carbon 12 6 C và đồng vị này được công nhận có khối lượng chính xác 12 amu

Như vậy, amu hay Da được định nghĩa là 1/12 khối lượng của nguyên tử trung hòa 12 6 C , hay:

Khối lượng của 1 nguyên tử 12 6 C= 1,99264610 -23 g = 1,99264610 -26 Đơn vị khối lượng nguyên tử:

Khối lượng nguyên tử tương đối của đồng vị chlorine 17 35 Cl được xác định so với khối lượng của nguyên tử carbon 12 6 C Cụ thể, khối lượng của đồng vị chlorine này gấp 2,914071 lần khối lượng của đồng vị carbon, từ đó cho thấy khối lượng nguyên tử của chlorine 17 35 Cl.

Bởi vì khối lượng của 1 mol nguyên tử đồng vị 12 6 C là 12,000000 g, khối lượng mol của chlorine là 34,968853 g/mol

Trong hóa học, việc xác định khối lượng chính xác m của các đồng vị một nguyên tố và các hợp chất chứa đồng vị cụ thể là rất quan trọng Điều này giúp phân biệt rõ ràng khối lượng của các hợp chất khác nhau.

Da Ở đây, các khối lượng đồng vị trong các tính toán ở trên với 6 chữ số có nghĩa sau dấu thập phân

Mặc dù máy khối phổ hiện đại có khả năng đạt độ phân giải cao đến mức khối lượng, nhưng thường thì khối lượng chính xác chỉ được biểu diễn với ba hoặc bốn chữ số sau dấu thập phân Điều này xuất phát từ việc các máy khối phổ độ phân giải cao thường thực hiện các phép đo với độ chính xác ở mức này.

Khối lượng nguyên tử hóa học hay khối lượng nguyên tử trung bình (A) của một nguyên tố trong tự nhiên được tính theo phương trình sau:

Khối lượng nguyên tử của một nguyên tố được tính theo Dalton và được biểu diễn bằng A1, A2, …, An cho n đồng vị của nguyên tố đó Các phần trăm P1, P2, …, Pn tương ứng với sự hiện diện tự nhiên của từng đồng vị Khối lượng nguyên tử hóa học là thông số quan trọng mà các nhà hóa học thường xem xét trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Khối lượng phân tử trung bình của một hợp chất được xác định bằng cách tổng hợp các khối lượng nguyên tử hóa học của các nguyên tử có trong công thức phân tử của hợp chất đó.

Như vậy khối lượng phân tử hóa học của CH4

Khối lượng nguyên tử hoặc phân tử được biểu diễn không có thứ nguyên là số khối

5.4.1.2 Tỉ số khối lượng/điện tích (m/z)

Một đại lượng khác được sử dụng trong phổ khối là tỉ số khối lượng/điện tích của một ion nguyên tử hay ion phân tử

Tỉ số khối lượng/điện tích của một ion là tỉ lệ giữa khối lượng của ion và điện tích cơ bản z của nó, và đây là một tỉ số không có thứ nguyên.

Như vậy, cho trường hợp ion phân tử 12 C 1 H 4 + thì tỉ số m/z = 16,0313/1 16,0313 Cho ion 13 C 1 H 4 2 + thì m/z = 17,0346/2 = 8,5173

Hầu hết các ion trong phổ khối mang điện tích đơn, do đó đại lượng m/z thường được rút gọn thành khối lượng để tiện lợi hơn Mặc dù cách viết tắt này không hoàn toàn chính xác, nhưng nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong tài liệu về phổ khối.

Năng lượng ion hóa của Ar là 15,8 eV cao hơn tất cả các nguyên tố trừ He,

Trong plasma Argon (Ar), các nguyên tố phân tích có thể bị ion hóa thông qua va chạm với ion Argon (Ar+), các nguyên tử Argon kích thích (Ar*) hoặc các electron có năng lượng cao.

Plasma được đưa vào máy khối phổ để tách và đo các ion theo tỉ số khối lượng trên điện tích (m/z), đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các đồng vị mong đợi Ví dụ, hạt cà phê được chiết xuất bằng HNO3 tinh khiết và sau đó phân tích bằng ICP-MS cho thấy hạt cà phê Hawaiian hoặc Cuban chứa khoảng 15 ng/mL Đặc biệt, hạt cà phê Cuban có nồng độ Hg tương đương với nồng độ Pb, cho thấy sự cần thiết trong việc kiểm tra các chỉ số an toàn thực phẩm.

Hình 5.9: Kết quả phân tích nguyên tố trong hạt cà phê Hawaiian và cà phê Cuban bằng ICP-

Việc lấy mẫu cho máy khối phổ gặp nhiều khó khăn do yêu cầu chân không cao, điều này giúp ngăn chặn sự va chạm giữa các ion và các phần tử khí nền, từ đó tránh làm lệch hướng đường đi của các ion trong từ trường.

Hình 5.10 cho thấy một bộ chuyển tiếp (interface) giữa plasma Ar nằm ngang và máy phổ khối được ghép nối

Plasma bên trái được chiếu trực tiếp vào mũ hình nón lấy mẫu bằng niken, được làm mát bằng nước, với lỗ nhỏ có đường kính 1 mm cho phép một phần plasma đi qua.

Hình 5.10: Sơ đồ cấu tạo thiết bị plasma cao tần cảm ứng ghép máy khối phổ (ICP-MS) [6]

Các thấu kính chiết xuất phía sau nón gạn có khả năng tạo ra âm cao để hút các ion dương từ plasma Áp suất giảm dần trong từng phần của thiết bị Từ nón gạn, các ion sẽ đi vào một buồng va chạm chứa H2, He hoặc cả hai loại khí này.

Buồng va chạm hướng các ion đi vào bộ tách khối phổ và làm giảm dải năng lượng động học ion 10 lần

Các ion với m/z được chọn sẽ được định hướng vào bộ dò tìm, nơi chúng được đếm số lượng Các photon từ plasma không va chạm vào bộ dò tìm, hoặc tạo ra một tín hiệu.

Giới hạn dò tìm một phần ngàn tỉ (ppt) của phương pháp ICP-MS yêu cầu dung dịch phải được tạo từ nước cực siêu tinh khiết và HNO3 với mức kim loại siêu vết Việc sử dụng các bình Teflon hoặc polyethylene được bảo vệ khỏi bụi là cần thiết, đồng thời cần tránh các acid như H2SO4 và HCl, vì chúng có thể gây ra cản trở đẳng khối (isobaric interference).

Bộ chuyển tiếp plasma-máy phổ khối không thể chịu đựng nồng độ cao của các chất rắn hòa tan, vì chúng có thể làm bít lỗ của các mũ hình nón lẫy mẫu Plasma có khả năng làm giảm các chất hữu cơ, biến chúng thành carbon, dẫn đến tình trạng bít lỗ Tuy nhiên, vật liệu hữu cơ vẫn có thể được phân tích nếu cung cấp thêm O2 trong ngọn lửa plasma để oxy hóa carbon.

Ứng dụng của phương pháp quang phổ phát xạ ICP-MS

ICP-MS có thể được sử dụng cho xác định định tính, bán định lượng và định lượng một hoặc nhiều nguyên tố trong các mẫu vật chất

5.5.1 Xác định các nguyên tố

ICP-MS là phương pháp phân tích đa nguyên tố linh hoạt, phù hợp cho việc đặc trưng và phân tích bán định lượng các vật liệu phức hợp, cả nhân tạo lẫn tự nhiên.

Giới hạn dò tìm của phương pháp này vượt trội hơn so với ICP phát xạ quang học và có khả năng cạnh tranh với phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử nhiệt điện sử dụng lò graphite để nguyên tử hóa mẫu.

Phổ khối nguyên tử thường đơn giản và dễ hiểu hơn so với phổ phát xạ quang học, điều này đặc biệt quan trọng đối với các mẫu chứa nguyên tố đất hiếm và kim loại nặng như sắt, vì chúng tạo ra phổ phát xạ phức tạp.

Hình 5.11 minh họa ưu điểm của phương pháp ICP-MS, trong khi Hình 5.12 cho thấy tính đơn giản của phổ khối nguyên tử của 14 nguyên tố đất hiếm với khoảng khối lượng từ 139 đến 175 Ngược lại, phổ phát xạ plasma quang học (ICP-OES) cho hỗn hợp này phức tạp, khiến việc giải thích trở nên khó khăn, tốn thời gian và có thể không khả thi.

Hình 5.11: So sánh phổ phát xạ (a) ICP quang học của 100 ppm cerium và (b) ICP-MS của 10 ppm cerium [7]

Hình 5.12: Phổ ICP-MS cho các nguyên tố đất hiếm Dung dịch chứa 1 mg/mL cho mỗi nguyên tố [7]

Phân tích bán định lượng bằng ICP-MS cho một hoặc nhiều cấu tử trong hỗn hợp có thể thực hiện thông qua việc đo dòng ion hoặc cường độ pic Điều này được thực hiện với một dung dịch có nồng độ nguyên tố đã biết trước, trong cùng điều kiện đo, như minh họa trong Hình 5.12.

Nồng độ chất phân tích trong mẫu được tính toán dựa trên giả định rằng dòng ion tỷ lệ thuận với nồng độ Phương pháp tính toán đơn giản này thường cho kết quả có độ chính xác khoảng ± 100%.

Một trong những hấp dẫn của ICP-MS là có giới hạn dò tìm đạt được thấp hơn nhiều so với phương pháp dò tìm quang học ICP-OES

Phương pháp ICP-MS có khả năng dò tìm các giới hạn vượt trội so với phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử nhiệt điện sử dụng lò graphite, như được thể hiện trong Bảng 5.1.

Về quy trình phân tích ICP-MS cung cấp những thuận lợi vượt trội về thời gian phân tích và năng lực phân tích nhiều nguyên tố đồng thời

B ả ng 5.1: So sánh về đặc trưng và tính chất của các phương pháp phổ nguyên tử [6]

Tính chất F-AAS ET-AAS ICP-OES ICP-MS

Giới hạn dò tìm (ng/g)

Khoảng tuyến tính Độ chính xác (precision):

Thời hạn dài (vài giờ)

Khối lượng Đầu ra mẫu

Chất rắn bị hòa tan

Tất cả nguyên tố/2-5 phút 0,1-0,4%

5.5.2 Định lượng bằng phương pháp ICP-MS

Phương pháp định lượng được sử dụng rộng rải nhất của ICP-MS là sử dụng một loạt các dung dịch chuẩn để dựng đường định chuẩn

Các dung dịch chuẩn nước đơn giản thường phù hợp cho những mẫu có tổng lượng chất rắn hòa tan dưới 2000 µg/mL Đối với nồng độ cao hơn, cần chuẩn bị các dung dịch chuẩn với các nguyên tố nền tương ứng có mặt trong mẫu Để điều chỉnh sự không ổn định của thiết bị và ảnh hưởng từ nền mẫu, thường sử dụng chuẩn nội trong các chuẩn và mẫu phân tích.

Chuẩn nội là một nguyên tố không có mặt trong mẫu, có khối lượng nguyên tử và thế ion hóa gần với các nguyên tố phân tích trong mẫu

Hai nguyên tố thường được sử dụng làm chuẩn nội là indium và rhodium

Cả hai tạo ra các ion nằm trong khoảng giữa về khối lượng 115 In, 113 In và 103 Rh và thường không tìm thấy có mặt trong các mẫu tự nhiên

Các đồ thị log-log của dòng ion, đếm ion hoặc tỷ số cường độ cho mẫu và chuẩn cho thấy mối quan hệ tuyến tính trong nhiều bậc độ lớn của nồng độ.

Hình 5.13: Các đường định chuẩn của một số nguyên tố đất hiếm [7]

Hình 5.13 minh họa các đường định chuẩn để xác định một số nguyên tố đất hiếm Đặc biệt, có sự liên hệ tuyến tính giữa số đếm của pic và nồng độ quan sát, cho thấy sự tương quan rõ rệt với mức độ nồng độ.

Bảng 5.2 trình bày các kết quả tiêu biểu từ việc phân tích định lượng các nguyên tố lượng vết trong mẫu nước tự nhiên, được thu thập từ Viện quốc gia về các chuẩn (NBS) và hiện tại là Viện quốc gia về các chuẩn và các kỹ thuật (NIST) Lưu ý rằng các nồng độ được thể hiện ở đơn vị ppb (parts per billion).

Bảng 5.2: Xác định định lượng các nguyên tố vết trong mẫu nước chuẩn bằng ICP-MS [7]

Nguyên tố Ion NBS a ICP-MS

Lead 208 Pb + 27 31 8 a : nồng độ ppb (parts per billion) b : Tính dựa trên 10 lần xác định lặp

Phân tích 13 nguyên tố trong mẫu nước chuẩn bằng ICP-MS chỉ mất 15 phút và cho kết quả tương thích tốt với số liệu của NSB, như thể hiện trong Bảng 5.2 Để đạt được phân tích định lượng chính xác nhất, phương pháp pha loãng đồng vị có thể được áp dụng, dựa trên việc đo sự thay đổi tỉ lệ cường độ tín hiệu giữa hai đồng vị của một nguyên tố thông qua việc thêm vào lượng đã biết hoặc châm vào thể tích nhỏ dung dịch chuẩn của một trong hai đồng vị đó.

Phương pháp pha loãng đồng vị mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc cải thiện độ chính xác và khả năng miễn nhiễm với nhiều cản trở vật lý và hóa học trong phương pháp ICP Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là thời gian cần thiết để hoàn thành quá trình phân tích.

• Các phép đo tỉ số đồng vị

Đo tỉ số đồng vị đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và y dược, giúp các nhà khảo cổ và địa chất xác định tuổi của cổ vật và các loại trầm tích khác nhau.

Các nhà hóa học và thầy thuốc sử dụng các vật liệu làm giàu đồng vị như những những chất đánh dấu cho nhiều nghiên cứu khác nhau

Lịch sử đo tỉ số đồng vị dựa trên quá trình ion hóa và nguyên tử hóa bằng nhiệt, trong đó mẫu vật bị phân hủy và ion hóa trên các dây điện trở nung nóng Các ion được tạo ra sau đó được dẫn vào máy khối phổ để đo tỉ số đồng vị.

PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ (GC) Error! Bookmark not defined.2 10.1 Quá trình tách trong sắc ký khí Error! Bookmark not defined.2 10.2 Tiêm mẫu phân tích Error! Bookmark not defined.78 10.3 Bộ phận dò tìm Error! Bookmark not defined.1 10.4 Sắc ký khí ghép nối khối phổ Error! Bookmark not defined.86 10.5 Các detector plasma dò các nguyên tố chỉ định