Giáo trình các phương pháp phân tích hóa lý

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM Bùi Xuân Vững (Chủ biên) - Võ Thắng Nguyên GIÁO TRÌNH CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HĨA LÝ ĐÀ NẴNG - NĂM 2023 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 16990019255171000000 Lời nói đầu Giáo trình biên soạn nhằm giúp học viên cao học có tài liệu học tập thức để hồn thành học phần “Các phương pháp phân tích hóa lý” Nội dung giáo trình viết theo đề cương học phần “Các phương pháp phân tích hóa lý” chương trình đào tạo cao học hóa học Giáo trình dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên cán nghiên cứu chuyên ngành có sử dụng phân tích sinh học, mơi trường, hố thực phẩm, hố dầu,… Giáo trình cung cấp cho người học kiến thức chun sâu phương pháp phân tích hố lý đại sử dụng rộng rãi bao gồm: Các phương pháp quang phổ, phương pháp điện hóa đại phương pháp tách sắc ký – điện di mao quản để áp dụng thực tiễn vận dụng nghiên cứu khoa học Giáo trình nhằm mục tiêu giúp người học có tảng vững phân tích để học tập học phần khác chương trình đào tạo bậc học sau đại học Trong trình biên soạn giáo trình này, chúng tơi chân thành cảm ơn đồng nghiệp bỏ thời gian đọc góp ý kiến q báu cho giáo trình Chúng tơi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tác giả tài liệu tham khảo để viết giáo trình Mặc dù cố gắng biên soạn giáo trình chắn cịn nhiều khiếm khuyết Chúng mong nhận ý kiến phản hồi từ độc giả Xin chân thành cảm ơn Đà Nẵng, tháng 02-2023 Chủ biên, TS Bùi Xuân Vững Mục lục Phần A CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC Chương PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ 1.1 Giới thiệu phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 1.2 Thiết bị đo quang UV-Vis 1411 1.3 Ứng dụng phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 2219 Câu hỏi tập……………………………………………………………….39 Chương PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ PHÂN TỬ HUỲNH QUANG VÀ LÂN QUANG 483 2.1 Các trình vật lý phân tử hấp thụ hồi phục lượng 483 2.2 Thiết bị đo huỳnh quang lân quang 593 2.3 Ứng dụng phương pháp huỳnh quang lân quang 59 2.4 Phương pháp phát quang hoá học 7265 Câu hỏi tập……………………………………………………………….68 Chương PHỔ HỒNG NGOẠI CHUYỂN HĨA FOURIER………………… .71 3.1 Phân tích Fourier 781 3.2 Thiết bị hồng ngoại chuyển hóa Fourrier 802 3.3 Những ưu điểm thiết bị đo phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier 913 3.4 Các loại thiết bị IR không tán xạ khác………………………………… 84 3.5 Ứng dụng phổ IR phân tích 9586 Câu hỏi tập……………………………………………………………….89 Chương PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ VÀ HUỲNH QUANG NGUYÊN TỬ 1012 4.1 Giới thiệu phương pháp phổ nguyên tử 1012 4.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) 10999 4.3 Các kỹ thuật phân tích phương pháp AAS 1221 4.4 Phạm vi ứng dụng AAS 12614 4.5 Phương pháp huỳnh quang nguyên tử 12615 Câu hỏi tập…………………………………………………………… 118 Chương PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ 13120 5.1 Phương pháp plasma cao tần cảm ứng – đo phát xạ quang (ICP-OES) 13120 5.2 Các kiểu thiết bị ICP-OES 14028 5.3 Các yếu tố cản trở ICP-OES 14330 5.4 Phương pháp phổ phát xạ plasma cao tần ghép nối khối phổ (ICP-MS) 1431 5.5 Ứng dụng phương pháp quang phổ phát xạ ICP-MS 15037 Câu hỏi tập………………………………………………………… …142 Phần B CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỆN HĨA Chương PHƯƠNG PHÁP ĐO THẾ Error! Bookmark not defined.44 6.1 Nguyên tắc chung phương pháp đo Error! Bookmark not defined.44 6.2 Các loại điên cực so sánh Error! Bookmark not defined.45 6.3 Điện cực thị kim loại Error! Bookmark not defined.48 6.4 Điện cực thị màng Error! Bookmark not defined.1 6.5 Các loại cảm biến hoá học trạng thái rắn Error! Bookmark not defined.63 6.6 Các hệ thống điện cực chọn lọc phân tử Error! Bookmark not defined.67 6.7 Chuẩn độ đo Error! Bookmark not defined.69 Câu hỏi tập ………………………………………………… ….171 Chương PHƯƠNG PHÁP ĐO DÒNG-THẾ Error! Bookmark not defined.74 7.1 Thiết bị phương pháp đo dòng-thế Error! Bookmark not defined.74 7.2 Phương pháp voltammetry thuỷ động lực Error! Bookmark not defined.0 7.3 Phương pháp cực phổ Error! Bookmark not defined.3 7.4 Phương pháp cực phổ xung Error! Bookmark not defined.88 7.5 Phương pháp voltammetry vòng Error! Bookmark not defined.2 7.6 Phương pháp voltammetry hoà tan 196 Câu hỏi tập………………………………………………………… ….203 Chương PHƯƠNG PHÁP ĐO AMPERE VÀ ĐO ĐIỆN LƯỢNG Error! Bookmark not defined.05 8.1 Phương pháp đo ampere Error! Bookmark not defined.06 8.2 Phương pháp đo điện lượng Error! Bookmark not defined.16 8.3 Chuẩn độ điện lượng Error! Bookmark not defined.1 8.4 Phương pháp Karl Fischer xác định nước Error! Bookmark not defined.25 Câu hỏi tập…………………………………………………………… 230 Phần C CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SẮC KÝ Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ Error! Bookmark not defined.33 9.1 Khái niệm sắc ký Error! Bookmark not defined.3 9.2 Tốc độ dịch chuyển chất tan Error! Bookmark not defined.39 9.3 Sự trải rộng dải chất tan hiệu lực cột tách Error! Bookmark not defined.42 9.4 Tối ưu hoá hiệu lực cột tách Error! Bookmark not defined.51 9.5 Các ứng dụng sắc ký Error! Bookmark not defined.3 Câu hỏi tập………………………………………………………… ….259 Chương 10 PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ (GC) Error! Bookmark not defined.2 10.1 Q trình tách sắc ký khí Error! Bookmark not defined.2 10.2 Tiêm mẫu phân tích Error! Bookmark not defined.78 10.3 Bộ phận dị 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 nguyên tố định 295 10.6 Phát triển phương pháp phân tích sắc ký khí 296 Câu hỏi tập………………………………………………………… …299 Chương 11 PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ LỎNG HIỆU NĂNG CAO (HPLC) Error! Bookmark not defined.2 11.1 Giới thiệu HPLC Error! Bookmark not defined.2 11.2 Quá trình sắc ký Error! Bookmark not defined.3 11.3 Tiêm mẫu dị tìm HPLC Error! Bookmark not defined.19 11.4 Sắc ký lỏng ghép khối phổ (LC-MS) Error! Bookmark not defined.25 11.5 Phát triển phương pháp tách pha đảo Error! Bookmark not defined.36 11.6 Các phép tách biến thiên dòng pha động Error! Bookmark not defined.40 Câu hỏi tập………………………………………………………… …345 Chương 12 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ LỎNG VÀ ĐIỆN DI MAO QUẢN Error! Bookmark not defined.48 12.1 Sắc ký trao đổi ion Error! Bookmark not defined.48 12.2 Sắc ký ion Error! Bookmark not defined.56 12.3 Sắc kí cặp ion Error! Bookmark not defined.59 12.4 Sắc ký phân tử theo cở Error! Bookmark not defined.61 12.5 Sắc ký lực Error! Bookmark not defined.65 12.6 Sắc ký tương tác kỵ nước Error! Bookmark not defined.65 12.7 Phương pháp điện di mao quản Error! Bookmark not defined.66 12.8 Triển khai tách điện di mao quản Error! Bookmark not defined.2 Câu hỏi tập……………………………………………………… ……378 Hướng dẫn giải đáp số……………………………………………… ……381 PHẦN A PHÂN TÍCH QUANG HỌC Chương PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử vùng tử ngoại khả kiến (còn gọi phương pháp UV-Vis) sử dụng phổ biến phân tích định lượng để xác định số lượng lớn cấu tử sinh học, hữu vô Chương giới thiệu nguyên lý phổ hấp thụ phân tử dựa xạ điện từ vùng bước sóng từ 190 đến 800 nm Nhiều nguyên lý áp dụng cho vùng phổ khác vùng hồng ngoại Những ứng dụng quan trọng phương pháp hấp thụ phân tử UV-Vis sử dụng rộng rải tất phịng thí nghiệm hóa học, mơi trường, pháp y, xét nghiệm y học toàn giới, trình bày tóm tắt chương 1.1 Giới thiệu phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 1.1.1 Sự hấp thụ ánh sáng phân tử vùng UV-Vis Các phân tử điều kiện bình thường tồn trạng thái bền vững có lượng thấp Khi chúng cung cấp lượng, ví dụ chúng chiếu chùm sáng có bước sóng phù hợp, electron hóa trị (tham gia liên kết) phân tử hấp thụ lượng nguồn sáng chuyển lên trạng thái kích thích có lượng cao Theo học lượng tử, phân tử trạng thái electron xếp đầy vào orbital phân tử (Molecular Orbital (MO)) liên kết σ, π Ngồi ra, phân tử cịn cặp electron hóa trị chưa tham gia liên kết (ký hiệu n) có mức lượng thấp (ví dụ ngun tử N nhóm chức amine cịn cặp electron hóa trị chưa tham gia liên kết) Nếu chiếu vào phân tử chùm sáng có bước sóng thích hợp, electron MO liên kết electron n hấp thụ lượng chuyển lên MO phản liên kết (σ*, π*) có mức lượng cao Cụ thể, bước chuyển electron chọn lọc σ→σ*, π→π*, n → σ*, n → π * Trạng thái gọi trạng thái kích thích, khơng bền tồn khoảng thời gian ngắn (cỡ phần triệu giây) Năng lượng ε photon bị hấp thụ hiệu hai mức lượng hai orbital Sự dịch chuyển electron hai orbital gọi dịch chuyển điện tử (electronic transition), hấp thụ lượng gọi hấp thụ điện tử (electronic absorption) Cùng với dịch chuyển điện tử, phân tử cịn có hai dịch chuyển cảm ứng xạ khác dịch chuyển dao động (vibrational transition) dịch chuyển quay (rotational transition) Những dịch chuyển dao động quay, tạo phân tử có mức lượng dao động quay lượng tử hoá, liên quan đến liên kết nguyên tử phân tử Dải hấp thụ điện tử (electronic absorption band) thường mở rộng nhờ mức lượng dao động lượng quay tương ứng khác nhỏ Một phân tử hấp thụ photon có lượng khoảng rộng để chuyển từ trạng thái điện tử (ground electronic state) sang trạng thái điện tử kích thích (excited electronic state) • Các trạng thái điện tử formaldehyde Để minh hoạ cho điều xảy khi phân tử hấp thụ ánh sáng vùng tử ngoại-khả kiến, phân tử formaldehyde chọn để xem xét Hình 1.1 trình bày thơng tin ngắn gọn cấu hình hình học phân tử formaldehyde Ở trạng thái (trạng thái singlet So Hình 1.1a), phân tử có ngun tử mặt phẳng với liên kết đơi tức có liên kết π nguyên tử carbon oxygen Ngun tử oxygen cịn chứa hai cặp electron hố trị chưa tham gia liên kết với cặp electron biểu diễn cặp dấu chấm Hình 1.1: Cấu hình hình học phân tử formaldehyde (a) Trạng thái (b) Trạng thái singlet kích thích thấp [6] Liên kết đôi gồm liên kết sigma (σ) carbon oxygen, liên kết pi (π) tạo thành từ orbital 2pz (nằm mặt phẳng xy) carbon oxygen Sự phân bố electron orbital phân tử (MO) giống phân bố electron vào orbital nguyên tử (AO) nguyên tử Trong giản đồ lượng cho phân tử formaldehyde trình bày Hình 1.2, hai orbital không liên kết oxygen trộn (tổ hợp) với orbital liên kết sigma (2 liên kết σC-H, liên kết σC-O tạo orbital đánh số từ sigma (σ1) đến sigma (σ4) Mỗi orbital chiếm giữ cặp electron với spin đối song (số lượng tử spin +1/2 -1/2) Hình 1.2: Giản đồ lượng MO phân tử formaldehyde [6] Ở mức lượng cao orbital liên kết pi (π) tạo thành xen phủ orbital nguyên tử 2py nguyên tử carbon nguyên tử oxygen Orbital có lượng cao chứa electron orbital không liên kết (n) tạo nên chủ yếu từ orbital nguyên tử 2px oxygen Orbital lượng thấp không bị chiếm giữ electron orbital phản liên kết pi (π*) Các electron orbital không hút để tạo liên kết mà đẩy nguyên tử carbon oxygen Trong dịch chuyển điện tử (electronic transition), electron từ MO di chuyển đến MO khác với tăng giảm lượng phân tử Dịch chuyển điện tử lượng thấp formaldehyde chuyển electron không liên kết (n) lên MO phản liên kết pi (π*) Có thể có hai dịch chuyển điện tử tuỳ thuộc vào số lượng tử spin trạng thái kích thích (Hình 1.3) Nếu số lượng tử spin electron trạng thái kích thích ngược dấu với electron trạng thái gọi trạng thái singlet (ký hiệu S) Nếu spin dấu gọi trạng thái triplet (ký hiệu T) Hình 1.3: Hai trạng thái điện tử nảy sinh từ dịch chuyển điện tử n→π* (a) Trạng thái kích thích singlet S1 (b) Trạng thái kích thích triplet T1 Các trạng thái lượng bị kích thích thấp singlet triplet gọi S1 T1 Nói chung, T1 có lượng thấp S1 Trong phân tử formaldehyde, dịch chuyển n →π*(T1) đòi hỏi hấp thụ lượng ánh sáng khả kiến có bước sóng 397 nm Sự dịch chuyển n →π*(S1) xảy phân tử formaldehyde hấp thụ xạ UV với bước sóng 355 nm Trong hai dịch chuyển trên, dịch chuyển n(So) →π*(T1) bước sóng gần 397 nm có xác suất diễn cực nhỏ trải qua dịch chuyển trạng thái singlet sang trạng thái triplet, dịch chuyển n(So) →π*(S1) bước sóng 355 nm xảy cao nhiều Vì hấp thụ xạ UV có cường độ mạnh nhiều Mặc dù formaldehyde có cấu hình phẳng trạng thái bản, trạng thái kích thích S1 T1 có cấu hình cấu trúc dạng tháp (pyramidal structure) minh họa Hình 1.1b • Các trạng thái dao động quay Formaldehyde Sự hấp thụ ánh sáng UV-Vis thúc đẩy electron chuyển lên MO có lượng cao phân tử formaldehyde Bức xạ hồng ngoại vi sóng khơng đủ lượng để thực chuyển dịch điện tử, chúng thay đổi chuyển động dao động quay phân tử Mỗi nguyên tử nguyên tử formaldehyde chuyển động theo trục toạ độ khơng gian, phân tử tồn chuyển động theo 3 = 12 cách khác Ba số chuyển động tương ứng với dịch chuyển toàn phân tử theo hướng trục x, y, z Ba chuyển động khác tương ứng với quay quanh trục x, y, z đặt trọng tâm phân tử Sáu kiểu lại dao động Khi phân tử formaldehyde hấp thụ photon vùng hồng ngoại với số sóng 1251 cm-1 (= 14,97 kJ/mol), dao động biến dạng bất đối xứng bị kích thích Các dao động lắc nguyên tử tăng biên độ dao động lượng phân tử tăng lên Đơn vị khối lượng nguyên tử: amu = Da = (1,992646  10-23 g) = 1,6605387  10-24 g 12 =1,6605387  10-27 kg 35 Khối lượng nguyên tử tương đối đồng vị 17 Cl sau đo 12 35 so với khối lượng nguyên tử C Chlorine 17 Cl có khối lượng gấp 2,914071 lần khối lượng đồng vị 12 C nên khối lượng nguyên tử đồng vị chlorine 2,914071  12,000000Da = = 34,968853 Da Bởi khối lượng mol nguyên tử đồng vị 12 C 12,000000 g, khối lượng mol chlorine 34,968853 g/mol Trong phổ khối, tương phản với hầu hết loại hóa học, ta thường quan tâm đến khối lượng xác m đồng vị nguyên tố khối lượng xác hợp chất chứa đồng vị cụ thể Như vậy, ta cần phân biệt khối lượng hợp chất 12 C 1H : m = (12,000000  l) + (1,007825  4) = 16,031300Da 13 C 1H : m = (13,003355  l) +(1,007825  4) = 17,034655 Da 12 C 1H3 H1 : m = (12,000000  1) + (1,007825  3) + (2,014102  1) = 17,037577 Da Ở đây, khối lượng đồng vị tính tốn với chữ số có nghĩa sau dấu thập phân Mặc dù máy khối phổ có sẵn cho độ phân giải đến khối lượng vậy, thông thường khối lượng xác biểu diễn với ba bốn chữ số sau dấu thập phân Đó máy khối phổ độ phân giải cao tiêu biểu thực phép đo có độ xác mức Khối lượng nguyên tử hóa học hay khối lượng nguyên tử trung bình (A) ngun tố tự nhiên tính theo phương trình sau: n A = A1P1 + A2P2 + + AnPn = A P i =1 n n (E5.1) Ở A1, A2, …, An khối lượng nguyên tử tính theo Dalton n đồng vị nguyên tố đó; P1, P2, …, Pn phần trăm đồng vị tương ứng tự nhiên Dĩ nhiên khối lượng nguyên tử hóa học loại khối lượng nhà hóa học quan tâm hầu hết mục đích sử dụng Khối lượng phân tử trung bình hóa học hợp chất sau tổng khối lượng nguyên tử hóa học ngun tử có mặt cơng thức phân tử hợp chất Như khối lượng phân tử hóa học CH4 = 12,01115 + (4  1,00797) = 16,0434 Da Khối lượng nguyên tử phân tử biểu diễn khơng có thứ ngun số khối 5.4.1.2 Tỉ số khối lượng/điện tích (m/z) Một đại lượng khác sử dụng phổ khối tỉ số khối lượng/điện tích ion nguyên tử hay ion phân tử Tỉ số khối lượng/điện tích ion tỉ số khơng có thứ ngun số khối số điện tích z ion + Như vậy, cho trường hợp ion phân tử 12C 1H tỉ số m/z = 16,0313/1 = 2+ 16,0313 Cho ion 13C 1H m/z = 17,0346/2 = 8,5173 Bởi hầu hết ion phổ khối mang điện tích đơn, đại lượng m/z thường làm gọn lại thành đại lượng khối lượng thuận tiện Xét nghiêm ngặt cách viết tắt khơng đúng, sử dụng rộng rải tài liệu phổ khối 5.4.2 Thiết bị ICP-MS Năng lượng ion hóa Ar 15,8 eV cao tất nguyên tố trừ He, Ne, F Trong plasma Ar, nguyên tố phân tích bị ion hóa va chạm với Ar+, nguyên tử Ar bị kích thích Ar*, electron lượng cao Plasma hướng vào máy khối phổ để tách đo ion theo tỉ số khối lượng điện tích m/z Đối với hầu hết phép đo xác tỉ số đồng vị, máy khối phổ detector giúp xác định đồng vị mong đợi Hình 5.9 trình bày ví dụ hạt cà phê chiết với HNO3 cấp tinh khiết phân tích, dịch chiết nước phân tích ICP-MS Hạt cà phê Hawaiian Cuban chứa khoảng 15 ng/mL Tuy nhiên, hạt cà phê Cuban chứa Hg nồng độ tương tự với nồng độ Pb Hình 5.9: Kết phân tích nguyên tố hạt cà phê Hawaiian cà phê Cuban ICPMS [6] Vấn đề khó khăn lấy mẫu cho máy khối phổ địi hỏi chân không cao để tránh va chạm ion, phần tử khí làm lệch hướng đường ion từ trường Hình 5.10 cho thấy chuyển tiếp (interface) plasma Ar nằm ngang máy phổ khối ghép nối Plasma phía bên trái hướng trực tiếp vào mũ hình nón lấy mẫu làm Ni làm nguội nước với lỗ nhỏ đường kính mm để phần plasma xuyên 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 âm cao để hút ion dương từ plasma Áp suất bị giảm phần thiết bị Từ nón gạn, ion vào buồng va chạm chứa H2 He hai Buồng va chạm hướng ion vào tách khối phổ làm giảm dải lượng động học ion 10 lần Các ion có m/z chọn làm chệch hướng vào dị tìm, chúng đếm số lượng ion Các photon từ plasma khơng va đập vào dị tìm, chúng tạo nên tín hiệu Giới hạn dị tìm phần ngàn tỉ (parts per trillion (ppt)) cho phương pháp ICP-MS cực thấp đến mức yêu cầu dung dịch phải tạo từ nước cực siêu tinh khiết HNO3 loại có kim loại mức siêu vết Các bình Teflon polyethylene bảo vệ từ bụi acid H2SO4, HCl tránh dùng, chúng tạo cản trở đẳng khối (isobaric interference) thảo luận mục Bộ chuyển tiếp plasma-máy phổ khối chịu đựng nỗi nồng độ cao chất rắn hịa tan làm bít lỗ mũ hình nón lẫy mẫu Plasma làm giảm chất hữu biến chúng thành carbon làm bít lỗ Vật liệu hữu phân tích O2 cung cấp thêm lửa plasma để oxy hóa carbon Các ảnh hưởng mẫu đến lượng ion plasma quan trọng, nên chuẩn dựng đường chuẩn cần có mẫu mẫu phân tích Phương pháp thêm chuẩn cách thích hợp để hiệu chỉnh ảnh hưởng mẫu Ví dụ, nguyên tố vết mẫu máu đo phương pháp ICP-MS, ảnh hưởng mẫu sinh giá trị 75As+, 78Se+ mà lớn hai lần giá trị chứng nhận cho vật liệu chuẩn Phép định chuẩn theo phương pháp thêm chuẩn làm giảm sai số từ ÷ 4% Một giải pháp khác dùng phương pháp nội chuẩn chúng có lượng ion hóa gần với ngun tố phân tích Ví dụ, Tm sử dụng chất chuẩn nội cho U Các lượng ion hóa hai nguyên tố 5,81 6,08 eV, chúng nên ion hóa gần mức mẫu khác Nếu có thể, chuẩn nội với đồng vị nên chọn tín hiệu cực đại 5.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng ICP-MS 5.4.3.1 Sự cản trở đẳng khối ICP-MS Ar khí ‘trơ’ khơng có tính chất hóa học Tuy nhiên, Ar+ có cấu hình electron Cl, tính chất hóa học tương tự Plasma cao tần cảm ứng ICP nguồn Ar+ ion ArH+, ArC+, ArN+, ArNH+, ArO+, ArCl+ Ar2+ Những ion cản trở phép đo ion nguyên tố phân tích có tỉ lệ m/z (khối lượng điện tích ion) Ví dụ, 40Ar16O+ có gần khối lượng với 56Fe+, 40Ar2+ có m/z với 80 Se+ Sự cản trở ion có m/z gọi cản trở đẳng khối (Isobaric interference) Ion 138 Ba2+ cản trở ion 69Ga+ chúng có tỉ số m/z (138/2 = 69/1) Các máy khối phổ độ phân giải cao loại bỏ cản trở nhờ phân giải cấu tử 40Ar16O+ 56Fe+ có phân biệt sai khác 0,02 amu, hầu hết thiết bị khối phổ khơng có độ phân giải cao Đối với nguyên tố có nhiều đồng vị, kiểm tra cản trở đẳng khối cách đo tỉ số đồng vị Ví dụ, tỉ số đồng vị Se hịa hợp với tỉ số tìm tự nhiên (74Se : 76Se : 78Se : 80Se : 82Se = 0,0087 : 0,090 : 0,078 : 0,235 : 0,498 : 0,092) khơng thể tin có cản trở đồng khối giá trị khối lượng 5.4.3.2 Loại trừ cản trở đẳng khối Trong buồng va chạm Hình 5.10, va chạm ion tốc độ cao ArO+ với H2 He phân bố lại lượng động học ion lượng dao động, làm cho ArO+ bị phân ly Liên kết bị đứt thu nhiệt nhận lượng từ lượng động học cao ArO+ Tuy nhiên, nồng độ ArO+ không bị khử đủ để loại bỏ cản trở đẳng khối Buồng phản ứng động học (dynamic reaction cell) thay buồng va chạm Hình 5.10 sử dụng phản ứng thuận lợi mặt động học để khử cản trở đẳng khối Các buồng phản ứng động học chứa khí hoạt tính NH3, CH4, N2O, CO O2 trường điện thiết kế để chọn khối lượng cao thấp ion qua buồng Các cấu tử plasma cản trở nhiều nguyên tố bị giảm đến 109 phản ứng sau: Sự chuyển electron từ NH3: Sự chuyển proton từ NH3: Ví dụ, 40Ar12C+ cản trở ion 52Cr+ 35Cl17OH+ cản trở ion 53Cr+ Một buồng phản ứng động học với khí NH3 cho phép đo Cr cách loại bỏ ArC+ ClOH+ 40Ar16O+ cản trở ion 56Fe+ Hoặc ArO+ bị loại bỏ phản ứng với NH3 56Fe+ bị dịch chuyển đến khối lượng khác phản ứng với N2O: Fe+ + N2O →FeO+ +N2 Trong loại nước tự nhiên với lượng vết Fe nồng độ cao calcium, 40 Ca16O+ cản trở ion 56Fe+ CaO+ bị loại bỏ phản ứng với CO: CaO+ + CO → Ca+ + CO2 5.5 Ứng dụng phương pháp quang phổ phát xạ ICP-MS ICP-MS sử dụng cho xác định định tính, bán định lượng định lượng nhiều nguyên tố mẫu vật chất 5.5.1 Xác định nguyên tố Bởi ICP-MS dễ dàng điều chỉnh để thích nghi với phân tích đa ngun tố, phù hợp tốt cho việc đặc trưng phân tích bán định lượng loại khác vật liệu phức hợp nhân tạo diện tự nhiên Nói chung, giới hạn dị tìm tốt so với ICP phát xạ quang học, cạnh tranh với phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử nhiệt điện dùng lò graphite để ngun tử hóa mẫu (Bảng 5.1) Thơng thường phổ khối nguyên tử đơn giản đáng kể dễ giải thích so với phổ phát xạ quang học Tính chất đặc biệt quan trọng cho mẫu chứa nguyên tố đất kim loại nặng khác sắt, chúng tạo phổ phát xạ phức tạp Hình 5.11 minh họa cho ưu điểm Tính đơn giản phổ ICP-MS minh họa xa Hình 5.12, trình bày phổ khối nguyên tử 14 nguyên tố đất có khoảng khối lượng nguyên tử từ 139 đến 175 Phổ phát xạ plasma quang học (ICP-OES) cho hỗn hợp phức tạp đến mức việc giải thích phổ nhàm chán, tốn thời gian có lẽ khơng thể Hình 5.11: So sánh phổ phát xạ (a) ICP quang học 100 ppm cerium (b) ICP-MS 10 ppm cerium [7] Hình 5.12: Phổ ICP-MS cho nguyên tố đất Dung dịch chứa mg/mL cho nguyên tố [7] Phân tích bán định lượng ICP-MS cho nhiều cấu tử hỗn hợp tạo nên phổ Hình 5.12 có thể, cách đo dịng ion cường độ pic cho dung dịch có nồng độ biết trước nguyên tố điều kiện đo Nồng độ chất phân tích mẫu sau tính tốn cách giả sử dịng ion tỉ lệ tuyến tính với nồng độ Với cách tính thơ nồng độ tính tốn nói chung có độ đến ± 100% Một hấp dẫn ICP-MS có giới hạn dị tìm đạt thấp nhiều so với phương pháp dị tìm quang học ICP-OES Những giới hạn dị tìm theo phương pháp ICP-MS vượt xa giới hạn dị tìm theo phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử nhiệt điện dùng lò graphite (Bảng 5.1) Về quy trình phân tích ICP-MS cung cấp thuận lợi vượt trội thời gian phân tích lực phân tích nhiều nguyên tố đồng thời Bảng 5.1: So sánh đặc trưng tính chất phương pháp phổ nguyên tử [6] Tính chất F-AAS ET-AAS ICP-OES ICP-MS Giới hạn dị tìm (ng/g) 10-1000 0,01-1 0,1-10 0,00001-0,0001 Khoảng tuyến tính 102 102 105 108 Thời hạn ngắn (5-10 phút) 0,1-1% 0,5-5% 0,1-2% 0,5-2% Thời hạn dài (vài giờ) 1-10% 1-10% 1-5% 20% 1-20% 0,1-0,4% Lớn Rất nhỏ Trung bình Trung bình 4-9 10-15 Độ xác (precision): Các cản trở: Chất rắn bị hịa tan Thể tích mẫu cần Giá thành phân tích 5.5.2 Định lượng phương pháp ICP-MS Phương pháp định lượng sử dụng rộng rải ICP-MS sử dụng loạt dung dịch chuẩn để dựng đường định chuẩn Các dung dịch chuẩn nước đơn giản thường thích hợp dung dịch phân tích pha lỗng để tổng lượng chất rắn hịa tan 2000 µg/mL Với nồng độ cao nguyên tố nền, dung dịch chuẩn thường cần chuẩn bị nguyên tố tương ứng nguyên tố mẫu Để bù trừ cho không ổn định thiết bị ảnh hưởng mẫu, chuẩn nội thường đưa vào chuẩn mẫu phân tích Chuẩn nội ngun tố khơng có mặt mẫu, có khối lượng nguyên tử ion hóa gần với nguyên tố phân tích mẫu Hai nguyên tố thường sử dụng làm chuẩn nội indium rhodium Cả hai tạo ion nằm khoảng khối lượng 115In, 113In 103Rh thường khơng tìm thấy có mặt mẫu tự nhiên Nói chung, đồ thị log-log dịng ion, đếm ion, tỉ số cường độ cho mẫu chuẩn tuyến tính đến nhiều bậc độ lớn nồng độ Hình 5.13: Các đường định chuẩn số nguyên tố đất [7] Hình 5.13 cho thấy đường định chuẩn dùng cho xác định số nguyên tố đất Chú ý mối quan hệ tuyến tính số đếm pic nồng độ quan sát vợt qua bậc độ lớn nồng độ Bảng 5.2 minh họa kết tiêu biểu thu từ việc phân tích định lượng nguyên tố lượng vết mẫu nước tự nhiên từ Viện quốc gia chuẩn (National Bureau of Standards: NBS) từ viện quốc gia chuẩn kỹ thuật (the National Institute of Standards and Technology: NIST) Chú ý nồng độ nồng độ ppb (parts per billion) Bảng 5.2: Xác định định lượng nguyên tố vết mẫu nước chuẩn ICP-MS [7] a Nguyên tố Ion NBS ICP-MS Trung bìnhb Beryllium Vanadium 21 20 51 + V 54 52 Cr+ 17 18 12 32 34 59 CO+ 19 21 66 Zn+ 69 57 11 75 As+ 77 76 88 Sr+ 243 297 2,8 3,5 16 10 13 22 47 74 17 27 31 Manganese 55 Mn+ Arsenic Strontium 98 MO+ 97 134 107 Ag+ Silver Cadmium 114 Cd+ Barium 138 Ba+ 208 Lead : nồng độ ppb (parts per billion) a 19 52 Zinc Molybdenum Be+ Chromium Cobalt RSD(%)b Pb+ : Tính dựa 10 lần xác định lặp b Việc phân tích 13 nguyên tố mẫu nước chuẩn ICP-MS hoàn thành khoảng thời gian 15 phút Các kết phân tích Bảng 5.2 cho thấy có tương thích hài hịa tốt với số liệu NSB Đối với phân tích định lượng xác nhất, phương pháp pha lỗng đồng vị sử dụng Cơ sở kỹ thuật đo thay đổi tỉ số cường độ tín hiệu hai đồng vị nguyên tố nhận từ việc thêm vào lượng biết, châm vào thể tích nhỏ dung dịch chuẩn hai đồng vị Những thuận lợi phương pháp pha lỗng đồng vị độ cải thiện miễn nhiễm nhiều cản trở vật lý hóa học phương pháp ICP Hạn chế phương pháp thời gian cần để hoàn tất kiểu phân tích • Các phép đo tỉ số đồng vị Việc đo tỉ số đồng vị có vai trị quan trọng nhiều lĩnh vực khoa học y dược Ví dụ, nhà khảo cổ địa chất sử dụng số liệu để thiết lập tuoir cổ vật loại trầm tích khác Các nhà hóa học thầy thuốc sử dụng vật liệu làm giàu đồng vị những chất đánh dấu cho nhiều nghiên cứu khác Về lịch sử, phép đo tỉ số đồng vị dựa ion hóa nguyên tử hóa nhiệt mẫu bị phân hủy, nguyên tử hóa ion hóa dây điện trở nung nóng điện Các ion tạo thành theo cách sau hướng vào máy khối phổ tỉ số đồng vị đo Các phép đo tốn thường gian xác, với độ lệch chuẩn bậc độ lớn 0,01% Hiện nay, tỉ số đồng vị thường xác định ICP-MS với phép đo thường hoàn tất 10 phút Tuy nhiên độ xác trường hợp thường thấp khoảng 10 đến 100 lần Câu hỏi tập 5-1 Phát biểu ưu nhược điểm phương pháp ICP-OES so với phương pháp phổ nguyên tử lửa đèn khí 5-2 Giải thích cản trở phổ nền, hóa học, ion hóa isobaric 5-3 (a) Giải thích mục đích buồng va chạm (collision cell) Hình 5.10 (b) Giải thích mục đích buồng phản ứng động học thay buồng va chạm (c) Trong phân tích đồng vị strontium địa chất, có cản trở isobaric 87Rb+ and 87Sr+ Một buồng va chạm với CH3F chuyển hóa Sr+ thành SrF+ khơng chuyển hóa Rb+ thành RbF+ Làm phản ứng loại bỏ cản trở này? 5-4 Tại phương pháp chuẩn nội thường sử dụng phương pháp ICP-AES? 5-5 Một electron volt (eV) biến đổi lượng electron di chuyển qua điện trường volt: eV (1,602  10-19 C)(1 V) hay 1,602  10-19 J /electron 96,49 KJ/mole electron Sử dụng định luật phân bố Boltzmann để điền vào bảng sau giải thích Br khơng quan sát phổ hấp thụ phổ phát xạ nguyên tử Na Năng lượng trạng thái kích thích(eV) 2,10 Bước sóng (nm) Tỉ số độ suy biến (g*/g0) N*/N0 600 K lửa N*/N0 000 K plasma 5-6 Cu 3,78 8,04 3 Br 2/3 Titanocene dichloride, (π-C5H5)2TiCl2, loại thuốc chống ung thư tiềm cho mang đến tế bào ung thư protein transferrin Để đo lực liên kết Ti(IV) transferrin, protein xử lý với lượng dư titanocene dichloride Sau thời gian cho phép Ti(IV) liên kết với protein này, phân tử nhỏ dư loại bỏ phương pháp dialysis Protein sau hịa tan NH3 M sử dụng để chuẩn bị dãy dung dịch với phương pháp thêm chuẩn phân tích hóa học Tất dung dịch đưa thể tích tổng Titanium sulfur dung dịch đo phương pháp ICP-AES với kết trình bày bảng sau Biết phân tử transferrin chứa 39 nguyên tử S, tìm tỉ lệ mol Ti/transferrin protein Ti thêm vào (mg/L) Tín hiệu ICP-AES 3,00 6,00 12,0 (Nguồn of số liệu Human 0,86 1,10 1,34 1,82 từ: A Cardona Transferrin by Anal Bioanal Chem 2006, 386, 1689.) S thêm vào (mg/L) 37,0 74,0 148,0 and E Meléndez, Inductively-Coupled Tín hiệu ICP-AES 0,0174 0,0221 0,0268 0,0362 “Determination of the Plasma-Atomic-Emission Titanium Content Spectroscopy,” 5-7 Vàng (Gold) xác định dung dịch chứa ion khác với nồng độ cao phương pháp ICP-AES Các phần 50,0 mL dung dịch mẫu chuyển vào bình định mức 100,0 mL Một dung dịch chuẩn chứa 10,0 mg/L Au H2SO4 20% lượng dung dịch cho vào dung dịch mẫu bình định mức để 0; 2,5; 5, 10 mg Au/L thêm vào bình Các dung dịch sau thêm nước cất đến vạch thể tích 100,0 mL, trộn phân tích ICP-AES Số liệu kết đo thu bảng sau: Au thêm vào mg/L 0,0 2,5 5,0 10,0 Cường độ phát xạ 12,568 19,324 26,622 40,021 (a) Sử dụng Excel để tìm phương trình hồi quy để xác định độ dốc, giao điểm trục tung (b) Sử dụng kết để xác định nồng độ vàng dung dịch mẫu theo mg/L