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 điều kiện bình thường tồn tại trong trạng thái cơ bản bền vững với năng lượng thấp nhất Khi được cung cấp năng lượng, chẳng hạn như từ chùm sáng có bước sóng phù hợp, các electron hóa trị trong phân tử sẽ 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 đủ vào các orbital phân tử liên kết σ và π Bên cạnh đó, trong phân tử còn tồn tại các cặp electron hóa trị chưa tham gia vào liên kết, được ký hiệu là 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, các electron trong các MO liên kết hoặc electron n sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển lên các MO 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, tuy nhiên, nó không bền và chỉ tồn tại trong một 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 mức orbital Quá trình dịch chuyển của electron giữa hai orbital được gọi là sự dịch chuyển điện tử, trong khi đó, sự hấp thụ năng lượng này được biết đến là sự hấp thụ điện tử.

Cùng với sự dịch chuyển điện tử, các phân tử còn có hai loại dịch chuyển cảm ứng bức xạ quan trọng là dịch chuyển dao động và dịch chuyển quay Những dịch chuyển này được hình thành từ các mức năng lượng dao động và quay được lượng tử hóa, liên quan chặt chẽ đến các liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử.

Dải hấp thụ điện tử được mở rộng nhờ sự khác biệt nhỏ giữa các mức năng lượng dao động và năng lượng quay Phân tử có khả năng hấp thụ photon với năng lượng đa dạng, cho phép 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 hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại-khả kiến Phân tử formaldehyde là đối tượng lý tưởng để xem xét những thay đổi xảy ra khi nó tương tác với ánh sáng.

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 carbon và oxygen, thể hiện qua liên kết π Nguyên tử oxygen còn có hai cặp electron hóa trị chưa tham gia liên kết, được biểu diễn bằng 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 từ sự chồng chéo của các orbital, trong khi liên kết pi được tạo ra từ các orbital 2p z nằm ngoài mặt phẳng xy của hai nguyên tố này.

Sự phân bố electron trong các orbital phân tử (MO) tương tự như trong các orbital nguyên tử (AO) của một 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 hai liên kết σ C-H và một liên kết σ C-O), tạo ra bốn orbital mới 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 nguyên tử 2p y của carbon và oxygen Orbital có năng lượng cao nhất chứa electron là orbital không liên kết (n), chủ yếu từ orbital nguyên tử 2p x của oxygen Trong khi đó, orbital phản liên kết pi (π*) có năng lượng thấp nhất không bị chiếm giữ bởi electron, khiến các electron trong orbital này đẩy nhau thay vì tạo liên kết 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 (n) lên MO phản liên kết pi (π*) 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 có dấu hiệu ngược với electron trong trạng thái cơ bản, trạng thái này được gọi là trạng thái singlet (ký hiệu là S) Ngược lại, nếu spin của hai electron cùng dấu, thì trạng thái đó được gọi là trạng thái triplet (ký hiệu là 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 đó, quá trình dịch chuyển n(S o) → π*(S 1) ở bước sóng 355 nm lại có khả năng xảy ra cao hơn Do đó, sự hấp thụ bức xạ UV tại 355 nm mạnh mẽ hơn nhiều so với ở 397 nm.

Mặc dù formaldehyde có cấu hình phẳng ở trạng thái cơ bản, nhưng khi ở trạng thái kích thích S1 và T1, nó chuyển sang cấu hình dạng tháp (cấu trúc pyramidal), 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 dễ thao tác và hai mặt còn lại 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, dùng để phân tán chùm sáng đa sắc từ nguồn sáng thành các bước sóng riêng biệt Sau đó, bộ đơn sắc hóa chọn một dải hẹp các bước sóng để chiếu qua dung dịch mẫu hoặc vào detector.

Trong quá khứ, các thiết bị đo thường sử dụng loại lăng kính, nhưng hiện nay, các thiết bị hiện đại đã chuyển sang sử dụng cách tử phản xạ (reflection grating) để nâng cao độ chính xác và hiệu suất.

Một trong những loại thông dụng nhất của cách tử phản xạ là cách tử Echellete, có bề mặt hình chữ nhật với độ dài từ 3 đến 10 cm Bề mặt này được đánh bóng, cứng và phản quang 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, áp dụng cho vùng tử ngoại - khả kiến từ 300 đến 2000 vạch/mm, trong đó cách tử phổ biến nhất có 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 bộ đơn sắc sử dụng cách tử phản xạ, chùm sáng đa sắc từ khe vào được biến thành chùm tia song song nhờ gương lõm Khi các tia sáng này tiếp cận bề mặt khắc vạch, chúng bị nhiễu xạ qua khe vạch khắc và phản xạ với các góc khác nhau do bước sóng khác nhau Cuối cùng, các tia sáng đơn sắc này sẽ hội tụ tại những điểm khác nhau trên mặt phẳng hội tụ khi đập vào gương lõm thứ hai.

Hướng quay của cách tử được điều chỉnh để cho phép một dải hẹp bước sóng đi qua khe thoát (exit slit) của mặt phẳng hội tụ trong bộ đơn sắc hóa, trong khi các bước sóng khác sẽ 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 hình thành từ các vạch khắc song song gần nhau với khoảng cách d Bề mặt cách tử được phủ lớp nhôm để phản xạ ánh sáng, khiến 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, biên độ sóng sẽ tăng cường, còn nếu ngược pha thì sẽ bị triệt tiêu Sự giao thoa đầy đủ xảy ra khi sự khác nhau của hai khoảng đường truyền quang của hai tia sáng gấp số nguyên n của bước sóng, được biểu diễn bằng công thức nλ = b – a, với n là bậc nhiễu xạ nhận 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, tức là góc β, được coi là âm theo truyền thống.

Từ Hình 1.7, ta có b = dsinα và a = dsinβ, thay vào phương trình E1.7 để thu được nλ = d(sinα + sinβ) (E1.8) Ở đây, d là khoảng cách giữa hai vạch khắc kề nhau Mỗi góc tới α sẽ tương ứng với một loạt các góc 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 giữa các bước sóng kề nhau tăng lên khi số vạch khắc trên cách tử tăng Để phân giải các vạch phổ có bước sóng khác nhau 0,05 nm ở bước sóng 500 nm, cách tử phản xạ cần có độ phân giải (λ/Δλ) đạt 10.000.

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

Trong bài viết này, n đại diện cho bậc nhiễu xạ, cho thấy rằng độ tán xạ và độ phân giải của cách tử gia tăng khi khoảng cách giữa các vạch kề nhau d giảm Để chọn một dải hẹp của bước sóng từ bộ đơn sắc hóa, cần giảm độ rộng khe thoát (exit slit) như minh họa trong Hình 1.6, tuy nhiên điều này sẽ 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 phân tử UV-Vis thường nằm trong khoảng từ 0 đến 10^5 L.mol^-1.cm^-1 Đối với các cực đại hấp thụ cụ thể, độ lớn của ɛ phụ thuộc vào tiết diện ngang bắt photon của cấu tử cũng như xác suất xảy ra dịch chuyển hấp thụ năng lượng.

Mối quan hệ giữa ε và các biến số được mô tả qua phương trình ε = 8,7×10^19 P × S, trong đó P là xác suất dịch chuyển và S là diện tích tiết diện ngang (cm².mol⁻¹) Diện tích S của phân tử hợp chất hữu cơ được ước tính khoảng 10⁻¹⁵ cm²/phân tử từ các nghiên cứu nhiễu xạ electron và tia X Xác suất dịch chuyển có thể thay đổi từ 0 đến 1; đối với các dịch chuyển được phép trong cơ học lượng tử, P dao động từ 0,1 đến 1, dẫn đến các dải hấp thụ mạnh với ε max từ 10⁴ đến 10⁵ L.mol⁻¹.cm⁻¹ Ngược lại, các cực đại có hệ số hấp thụ mol phân tử nhỏ hơn 10³ được xem là cường độ hấp thụ thấp, thường liên quan đến các dịch chuyển bị cấm với xác suất xảy ra dưới 0,01.

1.3.2 Sự hấp thụ UV-Vis của các cấu tử

Sự hấp thụ bức xạ UV hoặc khả kiến liên quan đến kích thích của các electron liên kết, với các bước sóng của dải hấp thụ tương ứng với kiểu liên kết trong cấu tử Do đó, phổ hấp thụ phân tử có giá trị trong việc nhận diện các nhóm chức của phân tử Quan trọng hơn, phổ UV-Vis được ứng dụng rộng rãi 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 đều có khả năng hấp thụ bức xạ điện từ do sự hiện diện của các electron hóa trị có thể được kích thích lên các mức năng lượng cao hơn Sự hấp thụ này xảy ra trong vùng tử ngoại chân không với bước sóng dưới 185 nm, nơi mà nhiều cấu tử trong không khí cũng có khả năng 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 ɛ của dịch chuyển n→σ* thường có giá trị thấp đến trung bình, dao động trong khoảng từ 100 đến 3000 L.mol -1 cm -1 Do những khó khăn trong thực nghiệm liên quan đến vùng tử ngoại chân không, hầu hết các phép đo quang của các hợp chất hữu cơ chủ yếu được thực hiện ở bước sóng dài hơn 185 nm.

Hầu hết các ứng dụng của phổ hấp thụ hợp chất hữu cơ dựa trên 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 khoảng 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 tạo ra các orbital phân tử π Những phân tử chứa các nhóm chức này có khả năng hấp thụ bức xạ UV-Vis, được gọi là hợp chất chứa nhóm mang màu (chromophores).

Bảng 1.2 trình bày danh sách các hợp chất hữu cơ có nhóm mang màu cùng với các 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 chịu ảnh hưởng bởi dung môi và các đặc điểm cấu trúc khác của phân tử.

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 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 thấp, dao động từ 10 đến 100 L.mol⁻¹.cm⁻¹ Ngược lại, dịch chuyển π→π* có hệ số hấp thụ cao hơn nhiều, nằm trong khoảng 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 có dải hấp thụ trong vùng tử ngoại do sự kích thích của các electron không tham gia liên kết Ví dụ, ion nitrate (NO3-) hấp thụ ở 313 nm, ion carbonate (CO3 2-) ở 217 nm, ion nitrite (NO2-) tại 360 và 280 nm, ion azido (N3-) ở 230 nm, và ion trithiocarbonate (CS3 2-) ở 500 nm.

Các ion và phức chất của các nguyên tố trong hai dãy chuyển tiếp đầu tiên thường hấp thụ bức xạ khả kiến trong ít nhất một trạng thái oxy hóa, dẫn đến sự xuất hiện màu sắc Sự hấp thụ này liên quan đến các dịch chuyển 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 chúng Sự hấp thụ này liên quan đến các electron hóa trị trong các orbital d của các ion kim loại Trong trạng thái tự do, năng lượng của năm orbital d là bằng nhau, nhưng khi có sự hiện diện của các phối tử hoặc phân tử dung môi, các orbital d sẽ tách thành hai nhóm năng lượng khác nhau Chẳng hạn, trong phức bát diện Cu(H₂O)₆²⁺, sáu phân tử nước làm cho các orbital d phân chia thành hai nhóm khác nhau Các dịch chuyển d-d ở các ion kim loại chuyển tiếp thường có cường độ tương đối yếu.

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

Sự khác biệt về năng lượng của các orbital d ảnh hưởng đến vị trí của cực đại hấp thụ, tùy thuộc vào vị trí của nguyên tố trong Bảng tuần hoàn, trạng thái oxy hóa của nó và bản chất của các phối tử liên kết.

Phổ hấp thụ của các nguyên tố lanthanide và actinide thể hiện sự khác biệt rõ rệt, với các electron 4f và 5f chịu trách nhiệm cho sự hấp thụ bị che khuất bởi các electron trong các orbital có số lượng tử chính n lớn hơn Điều này dẫn đến các dải hấp thụ có xu 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 và chuyển 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

S trạng thái điện tử cơ bản, trong khi S1 và T1 là 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, dẫn đến sự thay đổi năng lượng của phân tử, có thể tăng hoặc giảm.

Sự dịch chuyển điện tử có thể xảy ra theo hai khả năng khác nhau, tùy 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, quá trình dịch chuyển điện tử n→π* diễn ra khi một electron từ cặp electron không tham gia liên kết được kích thích và chuyển lên orbital phản liên kết π*.

Có hai trạng thái spin của electron: trạng thái singlet (ký hiệu S) với hai spin đối nhau và trạng thái triplet (ký hiệu T) với hai spin song song Khi phân tử ở trạng thái kích thích, nó sẽ trở về trạng thái năng lượng thấp hơn qua các quá trình hồi phục không bức xạ (R1, R2, R3, R4) và phát ra 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, và chúng nhanh chóng trở về trạng thái cơ bản với năng lượng thấp bằng cách nhường lại năng lượng đã nhận.

Một phân tử bị kích thích có thể trở về 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 việc phát ra photon từ bức xạ.

Các bước khử hoạt hóa khác bao gồm các quá trình hồi phục không phát bức xạ Trong những bước này, bước thuận lợi để trở về trạng thái cơ bản là khi thời gian sống của trạng thái kích thích đạt mức tối thiểu.

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

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 trong quá trình kích thích điện tử, như minh họa ở 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, làm tăng nhiệt độ của dung môi, mặc dù mức tăng này là rất nhỏ.

Sự hồi phục dao động diễn ra nhanh chóng, với thời gian sống trung bình của một phân tử bị kích thích dao động khoảng 10 -12 giây hoặc thậm chí nhỏ hơn Thời gian sống này ngắn hơn so với thời gian sống trung bình của một trạng thái kích thích điện tử, dẫn đến hiện tượng phát huỳnh quang từ dung dịch liên quan đến sự 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, cho phép sự dịch chuyển này có thể kết thúc ở bất kỳ mức dao động nào của trạng thái cơ bản.

Do phân tử nhường năng lượng một phần cho hồi phục dao động không phát ra bức xạ, dải huỳnh quang cho một dịch chuyển điện tử sẽ dịch về phía bước sóng dài hơn so với 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 các phân tử chuyển sang trạng thái điện tử có 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 chiếu sáng Đèn thủy ngân, một nguồn sáng tạo phổ vạch, được sử dụng rộng rãi trong các máy huỳnh quang đơn giản (Fluometer) Đặc điểm nổi bật của đèn thủy ngân là phổ ánh sáng phát ra phụ thuộc vào áp suất của hơi thủy ngân (Hg), với đèn Hg áp suất thấp cho ra các vạch ánh sáng ở vùng UV-VIS như 254, 302, 313, 546, 578, 691 và 773 nm.

Mặc dù nguồn sáng vạch thường được sử dụng hiệu quả, nhưng nhiều trường hợp lại không tương thích với bước sóng kích thích tối ưu cần thiết cho mẫu.

Việc sử dụng nguồn sáng có phổ liên tục là rất quan trọng, và đèn hồ quang xenon áp suất cao với công suất từ 75 đến 450 W là loại đèn phổ biến nhất trong 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 Ngoài ra, một số đèn LED sử dụng hỗn hợp phosphorus có khả năng cung cấp bức xạ trong vùng UV lên đến 375 nm.

Trong các ứng dụng cụ thể, nhiều loại laser, đặc biệt là laser nhuộm, được sử dụng trong thiết bị kích thích phát quang hiện nay Laser nhuộm thường được 'bơm' bởi laser nitrogen xung hoặc laser Nd-YAg Ngoài ra, các laser với bước sóng xác định cũng đóng vai trò quan trọng 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, thị trường đã xuất hiện bộ lọc sáng giao thoa với độ truyền qua cao khoảng 40% trong khoảng bước sóng hẹp từ 10 đến 15 nm, 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 ứng dụng hai bộ đơn sắc hóa với cách tử nhiễu xạ nhằm chọn lọc bước sóng của ánh sáng kích thích và phát xạ huỳnh quang.

Bộ đơn sắc hóa có khả năng điều chỉnh độ rộng khe thoát độc lập cho cả kích thích và phát xạ Việc mở rộng khe thoát sẽ cải thiện độ nhạy phân tích trong các phân tích không yêu cầu độ phân giải cao Ngược lại, để ghi lại phổ phát xạ huỳnh quang sắc nét hơn, cần thu hẹp độ rộng khe thoát.

2.2.1.3 Bộ phận dò tìm (Detector)

Tất cả máy đo huỳnh quang hiện nay 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 cần phủ toàn bộ vùng UV-VIS để đảm bảo hiệu suất 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 là 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 này hấp thụ hoặc giao thoa giúp lựa chọn các bước sóng của bức xạ kích thích và bức xạ phát huỳnh quang một cách hiệu quả.

Hình 2.6 minh họa sơ đồ máy đo huỳnh quang, sử dụng đèn thủy ngân để kích thích huỳnh quang và đi kèm với 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 bị suy giảm bởi đĩa khẩu độ, làm cho cường độ của nó gần bằng cường độ chùm kích thích huỳnh quang Cả hai chùm sáng 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 so sánh, sử dụng kết quả này làm 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 đi qua bộ đơn sắc hóa đầu tiên để 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 Điều này đạt được nhờ vào việc tăng cường cường độ chùm sáng kích thích và khuếch đại tín hiệu từ detector.

Trong phương pháp đo phổ hấp thụ phân tử, việc tăng cường độ chùm sáng kích thích không làm tăng độ nhạy, vì cường độ chùm sáng ló sau khi qua dung dịch cũng tăng theo Do đó, độ nhạy không thể được cải thiện bằng cách này.

Có hai phương pháp đo huỳnh quang trong phân tích các chất vô cơ 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 sử dụng sự giảm cường độ huỳnh quang của thuốc thử khi phản ứng với chất phân tích, 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 Phức hợp này thường được chiết vào dung môi hữu cơ như chloroform, và sự phát huỳnh quang của dịch chiết sẽ được đo để xác định nồng độ cation.

Phân tích định lượng selenium trong hạt Brazil có thể thực hiện bằng phương pháp huỳnh quang, vì selenium là nguyên tố vi lượng cần thiết cho sự sống Enzyme peroxidase glutathione chứa selenium giúp phân hủy các peroxide có hại cho tế bào Tuy nhiên, selenium cũng có thể gây độc hại ở nồng độ cao 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 Hydrogen selenate (H2SeO4) trong dịch phá mẫu được 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 cho tín hiệu cực đại ở bước sóng kích thích 378 nm, với bức xạ phát ra ở bước sóng 518 nm Cường độ bức xạ đạt mức tối ưu, thể hiện hiệu suất cao của sản phẩm.

Tại bước sóng 518 nm, tỷ lệ tuyến tính với nồng độ chỉ đạt khoảng 0,1 àg Se/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 ứng dụng rộng rãi, 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, phản ứng với phân tử ngoại lai gọi là kháng nguyên Chúng có khả năng nhận diện kháng nguyên đã kích thích hệ miễn dịch, đóng vai trò quan trọng trong quá trình xét nghiệm.

Hằng số tạo thành của phức kháng thể-kháng nguyên cao hơn nhiều so với sự kết hợp của kháng thể với các phân tử khác Hình 2.11 minh họa nguyên tắc của xét nghiệm miễn dịch enzyme pha rắn, hay còn gọi là xét nghiệm ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay), một phương pháp quan trọng trong hóa sinh.

Hình 2.11: Nguyên tắc phương pháp ELISA [8]

Phương pháp ELISA, như được minh họa trong Hình 2.11, sử dụng kháng thể 1 chuyên dụng để phân tích kháng nguyên, được gắn lên chất mang polymer Trong bước đầu tiên và thứ hai, chất phân tích được ủ với chất mang chứa kháng thể 1, tạo thành phức hợp mà nồng độ của chất phân tích trong mẫu tỷ lệ với lượng kháng thể gắn kết Sau đó, bề mặt được rửa sạch để loại bỏ các chất không liên kết Ở bước ba và bốn, phức hợp kháng thể 1-kháng nguyên được xử lý bằng kháng thể 2, có khả năng nhận diện các vùng khác nhau của chất phân tích.

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

Enzyme có hai cách sử dụng chính trong phân tích hóa học Đầu tiên, enzyme có khả năng chuyển hóa chất phản ứng không màu thành sản phẩm phản ứng có màu Điều này cho phép một phân tử enzyme xúc tác nhiều lần, 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 các 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 sử dụng phương pháp so màu và đo huỳnh quang có độ nhạy thấp hơn đến nanogram của chất phân tích Các xét nghiệm khám thai dựa vào protein thuộc nhau thai có mặt trong nước tiểu.

Phương pháp phát quang hoá học

2.4.1 Hiện tượng phát quang hóa học

Sự phát quang hóa học (chemiluminescence) là hiện tượng ánh sáng được tạo ra từ một phản ứng hóa học, trong đó sản phẩm phản ứng là các phân tử ở trạng thái kích thích điện tử Khi các phân tử này trở về trạng thái cơ bản, chúng phát ra ánh sáng.

Phản ứng phát quang trong các hệ sinh học được gọi là sự phát quang sinh học (bioluminescence) Những ví dụ nổi bật về các sinh vật phát quang bao gồm đom đóm, sứa biển và vi khuẩn Tuy nhiên, bản chất hóa học của các quá trình phát quang sinh học tự nhiên này 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 để tạo ra hiện tượng phát quang hóa học rất đơn giản.

A + B → C* + D, trong đó C* là cấu tử C ở trạng thái kích thích Phổ phát quang được tạo ra từ sản phẩm phản ứng C* Các quá trình phát quang hóa học thường phức tạp hơn nhiều so với phản ứng đơn giản như trên 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 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) Mối quan hệ này 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 bao gồm một bình phản ứng hóa học và một ống nhân quang điện Đặc biệt, không cần bộ chọn bước sóng vì nguồn bức xạ duy nhất là từ phản ứng hóa học giữa chất phân tích và thuốc thử.

Hiện nay có nhiều thiết bị đo phát quang hóa học

Tín hiệu tiêu biểu từ thí nghiệm phát quang hóa học thể hiện sự phụ thuộc theo thời gian, với cường độ tín hiệu 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 một khoảng thời gian cố định và so sánh với chuẩn đã được xử lý trong 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 sản xuất trong thiết bị và sau đó được hòa trộn với mẫu khí dưới áp suất thấp Bức xạ phát ra từ quá trình này được đo bằng ống nhân quang điện (photomultiplier tube), từ đó 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 độ, sau đó phân tích mẫu Phương pháp này, được công nhận bởi EPA và EU, cho phép tính toán nồng độ hai khí dựa trên hai lần đo, với giới hạn dò tìm là 10 ppb (18 microgam/m³) Ngoài ra, phản ứng này cũng được sử dụng để xác định nồng độ ozone trong khí quyển Một phương pháp phát quang hóa thứ hai, dựa trên phản ứng giữa ozone và ethylene, có thể đo lường ở bước sóng 430 nm và ít bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện 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:

Mẫu chứa SO2 được đốt bằng ngọn lửa hydrogen H2, tạo ra dimer S2* bị kích thích Khi S2* trở về trạng thái cơ bản, sự phát xạ xảy ra với ánh sáng xanh dương có bước sóng 384 và 394 nm Cường độ phát xạ tỷ 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 oxy, hydrogen peroxide và nhiều chất oxy hóa mạnh khác, tạo ra sản phẩm phát quang hóa học Luminol là một trong những hợp chất tiêu biểu, phản ứng với các chất oxy hóa mạnh như oxy, hydrogen peroxide, ion hypochlorite và ion permanganate khi có mặt của base mạnh.

Chất xúc tác là yếu tố quan trọng để tăng tốc độ phản ứng, cho phép sự phát xạ tương ứng với phổ huỳnh quang của anion 3-aminophthalate Phản ứng này tạo ra ánh sáng phát quang màu xanh dương với bước sóng khoảng 425 nm.

Cường độ phát quang hóa học của luminol tỉ lệ thuận với nồng độ của chất oxy hóa, chất xúc tác, hoặc nồng độ luminol Điều này cho phép phản ứng này trở thành một phương pháp nhạy để xác định một trong các thành phần trên.

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 ra H2O2, thường được sử dụng trong các bước dò tìm ban đầu H2O2 có thể được xác định qua nhiều hệ thống phát quang hóa học khác nhau, trong khi chất oxy hóa cần thiết (O2) 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) là một phương pháp phân tích dựa trên sự 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 quy trình phân tách một đường cong thành tổng của các hàm cosin và sin, được gọi là các dãy Fourier Thủ tục này giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và đặc điểm của tín hiệu.

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 được biểu diễn dưới dạng: y = a₀sin(0ωx) + b₀cos(0ωx) + a₁sin(1ωx) + b₁cos(1ωx) + a₂sin(2ωx) + b₂cos(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 Hệ số càng lớn thì mức độ đóng góp của hàm sin và cosin càng tăng.

Khi giá trị n tăng lên, tổng số hàm sin và cosin trong phương trình E3.1 cũng tăng theo Điều này dẫn đến việc đường cong y = f(x) được vẽ với n lớn sẽ ngày càng tiệm cận 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 theo số ẩn Tuy nhiên, vấn đề này có thể được giải quyết hiệu quả bằng phần mềm chuyên dụng trên máy tính, nhờ vào tốc độ xử lý nhanh và dung lượng bộ nhớ lớn hiện nay.

Hình 3.2 minh họa quá trình tái tạo đường cong bằng dãy Fourier Đường liên tục trong hình là đường gốc từ Hình 3.1, trong khi các đường rời được hình thành từ các dãy với n = 0 đến n = 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 bởi dòng điện Thanh SiC này phát ra phổ bức xạ tương tự như một 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, với tất cả sóng từ các dao động laser đều ở cùng một pha Để quá trình phát laser diễn ra, cần có sự đảo ngược mật độ, tức là trạng thái năng lượng cao phải 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 thông qua sơ đồ các mức năng lượng và các cấu phần cơ bản của đèn laser Trong quá trình hoạt động, sự đảo ngược mật độ được tạo ra trong môi trường laser (lasing medium), với năng lượng bơm có thể nhận được từ đèn công suất lớn hoặc từ sự phóng điện.

Trong Hình 3.3a, khi mật độ trạng thái E2 vượt qua mật độ trạng thái E1, điều kiện này xảy ra Các phân tử ở trạng thái cơ bản Eo của môi trường phát laser được bơm lên trạng thái kích thích 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 lại trạng thái E2, nơi có thời gian sống tương đối dài Khi một phân tử chuyển từ trạng thái E2 sang E1, nó sẽ nhanh chóng phục hồi 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 kích thích một phân tử lên trạng thái kích thích Khi đó, phân tử này sẽ phát ra một photon và trở về trạng thái năng lượng thấp hơn, quá trình này gọi là phát xạ cưỡng bức hay phát xạ kích thích Khi một photon phát ra từ phân tử chuyển từ trạng thái E2 về E1 va chạm với một phân tử khác ở trạng thái E2, nó có thể kích thích phát ra một photon thứ hai cùng pha và độ phân cực với photon ban đầu Nếu xảy ra sự đảo ngược mật độ (n2 > n1), một photon có khả năng kích thích phát xạ của nhiều photon 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 được trang bị gương phản chiếu toàn bộ ánh sáng (0% truyền qua), trong khi đầu còn lại có gương trong suốt, phản chiếu hầu hết ánh sáng (1% truyền qua).

Các photon với năng lượng E2 - E1 di chuyển giữa các gương, kích thích sự phát sinh của nhiều photon mới Một phần ánh sáng đi qua gương trong suốt tạo thành chùm tia laser hữu ích Đèn laser helium-neon là nguồn laser phổ biến, phát ra ánh sáng đỏ với bước sóng 632,8 nm và công suất đầu ra từ 0,1–25 mW Quá trình phóng điện kích thích các nguyên tử helium lên trạng thái E3, sau đó helium chuyển giao năng lượng cho nguyên tử neon, nâng neon lên trạng thái E2 Nồng độ cao của helium cùng với quá trình bơm điện tích mạnh mẽ tạo ra 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 một trường điện cao áp đặt lên lớp chuyển tiếp p-n, thường sử dụng các chất bán dẫn như GaAs, GaN, hoặc 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 photon va chạm, tạo ra electron từ bề mặt nhạy quang hoặc chuyển electron từ dải hóa trị của silicon đến dải dẫn Tuy nhiên, photon hồng ngoại không đủ năng lượng để tạo tín hiệu trong các detector này, vì vậy cần sử dụng các loại detector khác chuyên dụng cho việc dò tìm hồng ngoại.

Cặp nhiệt (thermocouple) là thiết bị chuyển đổi giữa hai loại chất dẫn điện khác nhau, nơi các electron có năng lượng tự do sẽ di chuyển từ chất dẫn điện có năng lượng thấp sang chất dẫn điện có năng lượng cao hơn Sự di chuyển này tiếp tục cho đến khi hiệu điện thế tạo ra ngăn cản dòng chảy electron Hiệu ứng này phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng, các electron có xu hướng chảy ngược về chất dẫn điện có năng lượng cao hơn.

Khi một cặp nhiệt được phủ đen để tối ưu hóa khả năng hấp thụ nhiệt, nhiệt độ và điện áp của nó trở nên nhạy cảm với bức xạ nhiệt Độ nhạy điển hình đạt khoảng 6 V/watt đối với bức xạ hấp thụ.

Detector vật liệu sắt điện, như tinh thể triglycine sulfate đồng vị deuterium, có độ phân cực điện vĩnh cửu do sự sắp xếp thẳng hàng của các phân tử trong tinh thể Điều này tạo ra một mặt tích điện dương và mặt kia tích điện âm Độ phân cực này phụ thuộc vào nhiệt độ, và sự biến động 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 cho loại detector này Đây là một trong những loại detector phổ biến trong máy FTIR.

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

Máy đo phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier mang lại tỉ số tín hiệu trên tiếng ồn cao hơn so với thiết bị đo phổ hồng ngoại sử dụng bộ đơn sắc hóa Điều này giúp cải thiện độ phân giải, khả năng xử lý số liệu, tốc độ và độ chính xác một cách đáng kể.

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 hiện nay gần như không còn máy hồng ngoại tán xạ nào có sẵn trên thị trường.

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

Ví dụ đối với phổ khả kiến,

Độ biến thiên năng lượng có thể đạt đến 25000 cm^-1 (tương đương 400 nm) khi δ = 0,2 micromet và gương di chuyển chỉ 0,1 micromet giữa các điểm thu thập dữ liệu Sự di chuyển gương quá nhỏ này làm cho việc kiểm soát trở nên không khả thi.

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

3.4 Các thiết bị hồng ngoại không tán xạ khác

Các thiết bị không tán xạ dùng 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 đã được đề cập Dưới đây là một số 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 được trình bày trong Hình 3.14 Nhiều mẫu máy đã được hiệu chuẩn cho 1, 5, 30 hoặc hơn 100 chất khí tại nơi sản xuất Thiết bị hoạt động dưới sự kiểm soát của máy tính Các bộ lọc dải truyền cố định có thể sử dụng là 1,8; 3,3; 3,6; 4,0; 4,2; 4,5; 4,7; 8; 11 và 14 âm Ngoài ra, bộ lọc thay đổi liên tục trong khoảng 7,7 đến 14,1 âm (từ 1300 đến 710 cm -1) cũng có thể 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 để phân tích khí, với cấu tạo bao gồm một bình đo mà mẫu khí được đưa vào thông qua bơm Đặc biệt, 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) nhờ bơm pin với tốc độ 20 L/phút Trong bình đo, ba gương mạ vàng được thiết kế với đường truyền quang bị gấp, cho phép lựa chọn giữa các đường truyền quang dài 0,5 m và 12,5 m Hệ thống này có khả năng dò tìm nhiều loại khí ở mức dưới ppm, đặc biệt hiệu quả với đường truyền quang dài.

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 (IR), nó sẽ làm tăng nhiệt độ của khí Quá trình hấp thụ bức xạ IR chỉ xảy ra tại những bước sóng đặc trưng của từng phân tử khí.

Khí trong buồng detector, cũng là khí được phân tích trong mẫu không khí, 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 hấp thụ Khi chùm sáng tiếp tục vào ngăn trái của buồng detector, nó sẽ bị CO hấp thụ, dẫn đến việc ngăn này nóng lên và khí bên trong 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 đi vào ngăn phải của buồng detector sẽ không bị hấp thu bởi CO, dẫn đến nhiệt độ ngăn này thấp hơn so với ngăn trái.

Ứng dụng phổ IR trong phân tích

Việc sử dụng phổ mid-IR để nhận diện các hợp chất hữu cơ bắt đầu từ cuối thập niên 1950 với sự ra đời của máy đo phổ hai chùm tia giá rẻ, 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 cách mạng hóa quá trình nhận diện các chất hữu cơ và vô cơ, giúp 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 là so sánh chi tiết phổ của hợp chất nguyên chất, bao gồm tất cả các nhóm chức từ bước đầu tiên Vùng vân tay (fingerprint region) từ 1200 đến 600 cm -1 rất quan trọng, vì những khác biệt nhỏ trong cấu trúc và thành phần phân tử sẽ tạo ra những thay đổi trong hình dạng và phân bố của các dải hấp thụ trong khu vực này.

Kết quả cho thấy sự tương đồng gần gũi giữa hai phổ trong vùng vân tay nhận diện, cùng với các vùng khác, cung cấp bằng chứng xác thực cho thấy hai hợp chất này là giống nhau.

Các phương pháp định lượng hấp thụ hồng ngoại (IR) có sự tương đồng nhất định với phương pháp phổ phân tử UV-Vis Tuy nhiên, quang phổ IR thường phức tạp hơn, với các dải hấp thụ hẹp và những hạn chế về thiết bị IR.

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, các thiết bị FTIR hiện đại cho độ lặp và độ chính xác trong 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) Việc đo phổ IR cho phép xác định một lượng lớn các chất, và sự độc đáo của phổ IR mang lại độ chuyên biệt không kém gì, thậm chí còn vượt trội hơn so với nhiều phương pháp phân tích khác.

Nhờ vào đặc tính chuyên biệt của phổ IR, nó được ứng dụng rộng rãi trong việc phân tích hỗn hợp các hợp chất hữu cơ tương đồng và phân tích khí Hai ví dụ điển hình cho những ứng dụng này là phân tích thành phần trong các mẫu hỗn hợp và xác định các khí trong không khí.

• 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 cho phép xác định độ phân giải của các đồng phân C8H10 trong hỗn hợp o-xylene, m-xylene, p-xylene và ethylbenzene Các phổ hấp thụ IR của từng thành phần được ghi nhận trong khoảng bước sóng từ 12 đến 15 µm, sử dụng dung môi cyclohexane, như được minh họa trong Hình 3.16.

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

• Xác định các chất ô nhiễm không khí

Sự gia tăng 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 Các quy trình phân tích dựa trên hấp thụ hồng ngoại (IR) đang đáp ứng hiệu quả nhu cầu này hơn bất kỳ công cụ phân tích đơn lẻ nào khác.

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 xác định được phân tích bằng thiết bị đo IR, được điều khiển bởi máy tính, như thể hiện trong Hình 3.14, với chiều dài đường truyền quang là 20 m Dữ liệu sẽ được in báo cáo chỉ 1 hoặc 2 phút sau 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 đo quang IR gặp phải một số bất lợi, bao gồm việc nhiều trường hợp không tuân theo định luật Beer và sự phức tạp của phổ.

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

Các cuvet có đường truyền quang hẹp mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng trong các phép phân tích, nhưng 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 từ ngọn lửa Để quan sát phổ huỳnh quang nguyên tử, các nguyên tử 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, quá trình nguyên tử hóa mẫu diễn ra bằng ngọn lửa đèn khí, nơi một mẫu lỏng được hút vào ngọn lửa có nhiệt độ từ 2000-3000 độ C.

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 cuvet trong phép đo phổ truyền thống Độ dài đường đi của ánh sáng qua ngọn lửa thường là 10 cm Ánh sáng này được phát ra từ đèn cathode rỗng (Hollow Cathode Lamp - HCL), với vật liệu cathode được làm từ chính 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

Nguyên tử trong ngọn lửa phát xạ, hấp thụ và huỳnh quang khi được chiếu tia sáng đơn sắc từ đèn laser, giúp chuyển các nguyên tử này lên trạng thái kích thích.

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

Sự phát huỳnh quang nhạy hơn so với quá trình hấp thụ, vì tín hiệu huỳnh quang yếu có thể dễ dàng quan sát trên nền tối Ngược lại, trong hấp thụ, tín hiệu nhỏ phải được phân biệt giữa một lượng lớn ánh sáng khác cùng hướng 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 sử dụng đèn bên ngoài.

Cường độ phát xạ của tia sáng đơn sắc là đặc trưng của nguyên tố và tỷ lệ tuyến tính với nồng độ của nguyên tố trong mẫu đo Hiện nay, sự phát xạ trong ngọn lửa plasma đang chiếm ưu thế trong phân tích 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 hoặc phát xạ Đối với các chất lỏng và chất rắn, phổ hấp thụ hoặc phát xạ phân tử thường có độ rộng dải từ 10 đến 100 nm, như minh họa 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 có độ sắc nét cao với độ rộng khoảng 0,001 nm, dẫn đến sự chồng chéo 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 trong cùng một mẫu, tuy nhiên, cần lưu 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 của đèn cathode rỗng với cathode thép, hiển thị các vạch phổ nguyên tử hóa hơi của sắt (Fe), niken (Ni) và crom (Cr), cùng với các vạch phổ nguyên tử yếu của Cr+ và Fe+ Độ phân giải của bộ đơn sắc hóa đạt 0,001 nm, phù hợp 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:

Định luật năng lượng cho biết rằng độ bất định về hiệu năng lượng (δE) giữa trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích liên quan đến thời gian sống (δt) của trạng thái kích thích trước khi trở về trạng thái cơ bản, với hằng số Planck (h) là yếu tố quan trọng trong công thức này.

Phương trình này thể hiện mối quan hệ giữa độ bất định năng lượng của 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 Nói cách khác, khi độ bất định năng lượng (δE) tăng lên, thời gian tồn tại (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 chuyển hóa thành dạng sương khí thông qua sự trộn lẫn với khí nhiên liệu và khí oxy hóa Sau đó, hỗn hợp này đi vào ngọn lửa đèn khí, nơi diễn ra quá trình nguyên tử hóa mẫu một cách hiệu quả.

Trong ngọn lửa đèn khí, hợp chất đơn giản MX trải qua một loạt các quá trình phức tạp, như minh họa trong Hình 4.7 Đầu tiên, các hạt sương khí bay hơi dung môi, dẫn đến sự hình thành các hạt sương phân tử rắn siêu mịn.

Các hạt sương siêu mịn chuyển đổi 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, hình thành cation và electron Quá trình tương tác giữa khí nhiên liệu và khí oxy hóa cùng các cấu tử khác trong mẫu tạo ra các phân tử và nguyên tử mới.

Hình 4.7 cho thấy rằng một số phân tử, nguyên tử và ion được kích thích bởi nhiệt từ ngọn lửa đèn khí, dẫn đến việc tạo ra quang phổ phát xạ đặc trưng của chúng.

Quá trình nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa đèn khí là bước quan trọng trong phương pháp 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 khí acetylene và khí oxy, với nhiệt độ dao động từ 2400 đến 2700 K Để đạt được nhiệt độ ngọn lửa cao hơn, cần thay thế không khí bằng khí N2O, giúp nguyên tử hóa các nguyên tố có nhiệt độ sôi cao.

Ngọn lửa giàu khí nhiên liệu có xu hướng tạo ra nhiều carbon, điều này làm giảm độ nhạy phân tích do khử các oxide và hydroxide kim loại Ngược lại, khi có khí oxy hóa dư, 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.

Để thu được tín hiệu của nguyên tố phân tích, cần phải loại bỏ ngọn lửa, vì nó tạo ra phổ ánh sáng riêng của mình trong tín hiệu tổng.

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

Chiều cao ngọn lửa đạt mức hấp thụ tối đa phụ thuộc vào nguyên tố được đo, tốc độ chảy của mẫu, loại khí nhiên liệu và khí oxy hóa, cũng như tỷ lệ giữa chúng trong việc tạo ra ngọn lửa đèn khí.

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

Hình 4.9 minh họa cấu trúc lò graphite sử dụng nhiệt điện và mặt cắt dọc của lò Lò graphite hoạt động bằng cách nung nóng nhờ điện năng, 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 ở trung tâm Ánh sáng từ đèn cathode rỗng chiếu qua hai cửa sổ quang ở hai đầu ống graphite Để ngăn chặn sự oxy hóa carbon graphite, khí argon được dẫn qua lò Nhờ hệ thống làm mát bằng nước, lò có thể hoạt động ở nhiệt độ lên đến 2550 o C 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, mang lại độ nhạy phân tích vượt trội.

Trong 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 (ETA-AAS hay GF-AAS) chỉ yêu cầu 1 µL mẫu Độ chính xác của phương pháp này thường đạt từ 5-10% khi tiêm mẫu bằng tay, nhưng khi sử dụng autosampler để tiêm mẫu tự động, độ lặp và độ chính xác có thể cải thiện lên đến 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, sẵn sàng cho quá trình nguyên tử hóa mẫu.

Sự phân hủy mẫu và các bước chuẩn bị dung dịch thường tốn nhiều thời gian và có thể tạo ra nhiều sai số hơn so với sai số của phép đo phổ.

Sự phân hủy vật liệu yêu cầu xử lý mẫu ở nhiệt độ cao, đồng thời tiềm ẩn nguy cơ mất chất phân tích do hóa hơi hoặc dưới dạng hạt trong khói Các hóa chất dùng để phân hủy mẫu có thể gây ra cản trở trong quá trình phân tích phổ hoặc hóa học Bên cạnh đó, chất phân tích có thể xuất hiện trong các thuốc thử dưới dạng tạp chất, nếu không được kiểm soát kỹ lưỡng, đây có thể là nguồn gốc lớn nhất của chất phân tích trong mẫu, dẫn đến sai số nghiêm trọng 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: sử dụng 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 bảo toàn chất phân tích, tro hóa ở nhiệt độ cao, và nung chảy với các thuốc thử như boric oxide, sodium carbonate, sodium peroxide, hoặc potassium pyrosulfate.

Phương pháp nguyên tử hóa mẫu bằng nhiệt điện (lò graphite) có ưu điểm nổi bật là cho phép nguyên tử hóa nhiều loại vật liệu trực tiếp, giúp loại bỏ bước hòa tan thành dung dịch, từ đó nâng cao hiệu quả và tiết kiệm thời gian trong quá trình phân tích.

Các mẫu lỏng như máu, sản phẩm dầu mỏ và dung môi hữu cơ có thể được pipet trực tiếp vào lò để tiến hành quá trình tro hóa và nguyên tử hóa Đối với các mẫu rắn như lá cây, mô động vật và nhiều chất hữu cơ khác, cần cân chính xác và đưa vào bộ nguyên tử hóa hoặc thuyền mẫu tantalum trước khi cho 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 đương với mẫu cần phân tích.

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

Phương pháp tiêm dòng chảy (FIA) là một kỹ thuật quan trọng đã được mô tả trong mục 1.3.5, bao gồm cả phương pháp và thiết bị sử dụng FIA không chỉ là một phương pháp hiệu quả mà còn là một công cụ tuyệt vời 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, trong đó 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, điều này đặc biệt quan trọng để bảo toàn mẫu.

Hệ thống FIA sử dụng nước khử ion hoặc dung dịch điện ly loãng để duy trì sự làm sạch liên tục cho bộ phận nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa, rất hữu ích cho các mẫu có nồng độ muối hoặc chất rắn huyền phù 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 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 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, một 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, giúp tăng độ nhạy 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 các ion kim loại khỏi dung dịch nước lớn.

Quy trình chiết tách phức chelate có lợi thế là nhiều chất nền mẫu vẫn còn trong dung dịch nước, giúp giảm cản trở khi đo mẫu Các thuốc thử tạo phức phổ biến 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 hiệu quả 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 vùng ngắn hơn 200 nm, điều này gây khó khăn cho việc xác định chúng bằng các máy đo quang không tạo chân không hiện có trên thị trường.

Giới hạn dò tìm của phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) phụ thuộc vào kỹ thuật sử dụng; đối với phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng ngọn lửa đèn khí (F-AAS), giới hạn dò tìm nằm trong khoảng từ 1 đến 20 ng/mL (0,001 đến 0,020 ppm), trong khi phương pháp hấp thụ nguyên tử với nhiệt điện (ETA-AAS) có giới hạn dò tìm từ 0,002 đến 0,01 ng/mL (2×10^-6 đến 1×10^-5 ppm) Một số nguyên tố 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, nghiên cứu phát triển phương pháp phân tích huỳnh quang nguyên tử đã đạt được nhiều tiến bộ Phổ huỳnh quang nguyên tử được chứng minh là một công cụ hiệu quả và tiện lợi trong 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 đi trước phổ huỳnh quang nguyên tử hàng chục năm, dẫn đến việc một số nhà sản xuất chỉ mới giới thiệu thành công 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 vẫn còn hạn chế, chủ yếu 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 nâng cao độ nhạy trong phân tích huỳnh quang nguyên tử, cần có nguồn liên tục cho các phép đo Tuy nhiên, năng lượng từ các nguồn này trong các vùng vạch phổ hấp thụ hẹp thường quá thấp Do đó, việc sử dụng các đèn hoạt động với dòng xung ngắn là cần thiết để cải thiện độ đầu ra Các detector phải được thiết kế để theo dõi tín hiệu huỳnh quang trong suốt các xung của nguồn bức xạ.

Đèn EDL là nguồn phổ biến nhất cho huỳnh quang nguyên tử, với cường độ bức xạ cao hơn từ một đến hai mươi lần so với đèn cathode rỗng, nhưng không phải lúc nào cũng có sẵn cho nhiều nguyên tố Mặc dù laser với cường độ năng lượng cao và độ rộng dải hẹp là nguồn lý tưởng cho các phép đo huỳnh quang nguyên tử, giá thành 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

Một 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 hay kính lọc sáng giao thoa cho 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 những đèn này chủ yếu đến từ nguyên tố phân tích trong cathode, 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 mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm thiết kế đơn giản và chi phí thấp Nó có khả năng phân tích nhiều nguyên tố với độ nhạy cao nhờ vào năng lượng kích thích mạnh mẽ Thêm vào đó, việc thu năng lượng từ nhiều vạch phổ của chùm huỳnh quang cũng góp phần nâng cao độ nhạy của phương pháp phân tích.

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 dùng để phân tích thủy ngân trong nước theo phương pháp 1631 của US.EPA được mô tả trong Hình 4.18 Phương pháp này bắt đầu bằng việc oxy hóa toàn bộ thủy ngân trong mẫu nước, chuyển đổi thành Hg 2+ bằng cách sử dụng BrCl trong bình có sục bọt khí argon Tiếp theo, các hợp chất halogen 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 để 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 lên đến 450 o C, sau đó Hg bay vào cuvet để tạo ra huỳnh quang Cường độ huỳnh quang của Hg bị ảnh hưởng bởi các tạp chất trong khí, có thể làm giảm hoặc 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 đóng vai trò quan trọng hơn Sự ổn định này đảm bảo rằng quá trình hấp thụ và phát xạ diễn ra một cách hiệu quả, giúp tối ưu hóa độ chính xác của các phép đo và kết quả phân tích Khi nhiệt độ không ổn định, các nguyên tử có thể bị kích thích không đồng nhất, dẫn đến sai lệch trong dữ liệu thu được Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ là yếu tố then chốt để đạt được kết quả chính xác trong các thí nghiệm liên quan đến hấp thụ và phát xạ nguyên tử.

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 Điều này giúp tạo phức với calcium, nâng cao độ chính xác và độ nhạy của phép đo, đồng thời ngăn chặn sự can thiệp từ các ion khác có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích.

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 về 3 và chiết bằng 5 mL dung môi methyl isobutyl ketone hai lần, chứa thuốc thử APDC để tạo phức hữu cơ với chì Dịch chiết được đưa vào máy F-AAS, cho độ hấp thụ quang 0,444 tại bước sóng 283,3 nm Hai dung dịch chuẩn 0,250 và 0,450 ppm Pb, mỗi dung dịch 5,00 mL, xử lý tương tự cho độ hấp thụ lần lượt là 0,396 và 0,599 Từ đó, tính nồng độ Pb (ppm) trong mẫu máu với giả định tuân theo 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 cản trở mà ngọn lửa đèn khí gặp phải Do đó, trong nhiều trường hợp phân tích đa nguyên tố, phương pháp phổ phát xạ nguyên tử plasma cao tần cảm ứng đã trở thành lựa chọn thay thế hiệu quả cho phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử dùng 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 bằng thạch anh Khí argon tinh khiết cao được dẫn vào cổng khí tạo plasma, và 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, giữ nhiệt độ trong khoảng 6000 đến 10000 K Để bảo vệ đầu đốt ICP khỏi quá nhiệt, khí làm mát argon được đưa vào qua cổng khí 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 xuống 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 là loại tinh thể có kích thước thay đổi khi chịu tác động của điện trường Khi một điện áp hình sin được áp vào hai mặt của tinh thể, nó sẽ tạo ra dao động.

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 nhờ dòng khí argon được dẫn qua ống nóng, giúp hóa hơi dung môi Tiếp theo, dung môi sẽ ngưng tụ và được tách ra khỏi hệ thống.

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 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 Hầu hết mẫu được chuyển đến plasma, dẫn đến việc nguyên tử hóa hiệu quả hơn so với bộ tạo sương khí truyền thống Độ nhạy của ICP được cải thiện từ 3 đến 10 lần nhờ quan sát sự phát xạ dọc theo chiều dài ngọn lửa plasma thay vì ngang qua đường kính Hơn nữa, độ nhạy còn tăng cường hơn nữa khi sử dụng máy khối phổ (Mass Spectrometer - MS) để dò tìm ion thay vì sử dụng 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 chùm laser nạp xung để tập trung vào một vi điểm trên mẫu rắn, tạo ra sự bùng nổ các hạt, nguyên tử, electron và ion, chuyển chúng thành pha khí.

Laser Nd:YAG, với bước sóng 1064 nm, thường được sử dụng trong phân tích mẫu rắn Mỗi xung laser có năng lượng 10 mJ và kéo dài 10 ns, tập trung tại điểm có đường kính 50 µm, tạo ra năng lượng lên tới 50 GW/cm² Phương pháp này cho phép tách loại vật liệu khỏi bề mặt mẫu với độ sâu từ 0,02 đến 5 µm, gần như không phá hủy mẫu Vật liệu hóa hơi được thu thập trong buồng kín và được dẫn vào plasma bằng 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 theo thời gian, mẫu sẽ được lấy sâu dần khi các xung laser được áp dụng 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 trong vùng ngọn lửa plasma, nơi các nguyên tử mẫu tồn tại trong plasma khoảng 2 ms trước khi được quan sát Trong khoảng thời gian này, chúng trải qua nhiệt độ dao động 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 quá trình nguyên tử hóa diễn ra hoàn toàn hơn và giảm thiểu cản trở hóa học Sự cản trở bởi ion hóa cũng thấp, nhờ vào nồng độ electron cao từ ion hóa argon, giúp duy trì nồng độ electron trong plasma ổn định.

Một vài ưu điểm khác liên quan đến nguồn plasma

Sự nguyên tử hóa diễn ra trong môi trường hóa học trơ, 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 sự gia tăng đáng kể về độ lớn nồng độ của các đường định chuẩn tuyến tính.

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

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 mô tả trong Hình 5.6 Tất cả các thành phần di chuyển được điều khiển bởi máy tính, và các kiểu di chuyển được thể hiện qua 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 trong hệ thống bao gồm cách tử hình nổi, một gương cho bộ chọn detector PMT, một tấm khúc xạ nhằm tối ưu hóa tín hiệu, và một gương chiếu để tối ưu hóa 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 milimet.

Trong nhiều thiết bị quét bước sóng, việc điều chỉnh bước sóng diễn ra thông qua việc xoay màng cách tử bằng một mô tơ bước được kiểm soát kỹ thuật số, giúp tập trung các bước sóng khác nhau một cách chính xác Tuy nhiên, ở một số thiết kế, màng cách tử được cố định, trong khi khe thoát và ống nhân quang điện (PMT) lại 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 tia ánh sáng được chuyển từ một PMT sang PMT khác thông qua gương phẳng được đặt giữa hai detector PMT, 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, trong khi máy ghi quang phổ áp dụng 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 phổ biến của ICP-OES, bao gồm bộ đơn sắc Rowland circle và bộ phận dò tìm là ống nhân quang điện (PMT).

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

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

Bộ dò tìm phổ biến thường được sử dụng là ống nhân quang điện (PMT), và dữ liệu từ các bộ dò này sẽ được xử lý bằng 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

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

Detector là bộ cảm biến CID với kích thước 8,7 mm x 6,6 mm, chứa 94672 điểm cảm biến Gương Toroidal camera được sử dụng để tập trung hình ảnh lên bề mặt cảm biến CID Để loại bỏ các dòng tối trong các điểm cảm biến, bộ cảm biến được duy trì ở nhiệt độ lạnh sâu ổn định 135 K bằng 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

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

Ở các mẫu có nồng độ thấp, sự phát xạ nền từ việc tái kết hợp 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, quá trình hiệu chỉnh được thực hiện bằng cách lấy 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 có nhiều vạch, dẫn đến khả năng xảy ra cản trở phổ Để giảm thiểu sai số do cản trở này, cần phải hiểu rõ tất cả các cấu tử có trong mẫu và tiến hành nghiên cứu kỹ lưỡng về thông tin liên quan đến các công trình nghiên cứu về cản trở, như đã được chỉ dẫn trong tài liệu tham khảo chuyên ngành.

Phần mềm trên các thiết bị hiện đại kết nối với máy tính cung cấp các thủ tục hiệu quả để chuẩn hóa nồng độ và bước sóng, đồng thời thực hiện 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 17 35 Cl gấp 2,914071 lần khối lượng của đồng vị carbon 12 6 C, từ đó cho thấy khối lượng nguyên tử của chlorine này là một giá trị quan trọng trong hóa học.

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 phân tích khối lượng chính xác của các đồng vị của một nguyên tố và các hợp chất chứa đồng vị cụ thể là rất quan trọng Điều này giúp chúng ta phân biệt rõ ràng giữa các 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

Máy khối phổ hiện đại có khả năng đạt độ phân giải cao, cho phép đo khối lượng chính xác với ba hoặc bốn chữ số sau dấu thập phân Điều này là nhờ vào công nghệ tiên tiến của các máy khối phổ, giúp thực hiện các phép đo với độ chính xác đáng tin cậy.

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 hóa học, được tính theo Dalton, là tổng hợp của khối lượng các đồng vị A1, A2, …, An của một nguyên tố, với P1, P2, …, Pn là tỷ lệ phần trăm của mỗi đồng vị trong tự nhiên Đây là thông số quan trọng mà các nhà hóa học thường sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.

Khối lượng phân tử trung bình của một hợp chất được tính bằng tổng khối lượng nguyên tử 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 được định nghĩa là tỉ số không có thứ nguyên giữa khối lượng của ion và điện tích cơ bản z của nó.

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 đều mang điện tích đơn, do đó đại lượng m/z thường được rút gọn thành đại lượng khối lượng dễ hiểu hơn Mặc dù cách viết tắt này không hoàn toàn chính xác, nhưng nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong các 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 bị kích thích (Ar*) hoặc các electron có năng lượng cao.

Plasma được sử dụng trong máy khối phổ để tách và đo các ion theo tỉ số khối lượng trên điện tích m/z, giúp xác định chính xác các đồng vị Ví dụ, trong Hình 5.9, hạt cà phê được chiết xuất bằng HNO3 tinh khiết và phân tích qua 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.

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

Lấy mẫu cho máy khối phổ gặp khó khăn do yêu cầu chân không cao, nhằm ngăn chặn va chạm giữa các ion và các phần tử khí nền, điều này có thể làm lệch hướng đường đi của 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 dẫn trực tiếp vào mũ hình nón lấy mẫu bằng nickel, được làm mát bằng nước, với lỗ nhỏ có đường kính 1 mm để một phần plasma có thể 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 âm cao để hút các ion dương từ plasma Áp suất giảm dần trong từng phần của thiết bị Từ nón gạn, các ion di chuyển vào buồng va chạm chứa H2, He hoặc cả hai.

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 có m/z đã được chọn sẽ được hướng vào bộ dò tìm, nơi chúng được đếm Trong khi đó, các photon từ plasma không gây va chạm vào bộ dò hoặc tạo ra 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 siêu tinh khiết và HNO3 có mức kim loại cực thấp Để đảm bảo độ chính xác, cần sử dụng bình Teflon hoặc polyethylene được bảo vệ khỏi bụi, đồng thời tránh sử dụng 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 bằng cách chuyển đổi chúng thành carbon, dẫn đến việc bít lỗ Tuy nhiên, vật liệu hữu cơ vẫn có thể được phân tích nếu được 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 linh hoạt, cho phép điều chỉnh dễ dàng để thực hiện phân tích đa nguyên tố Điều này làm cho nó trở thành công cụ lý tưởng để đặc trưng và phân tích bán định lượng các loại 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 nổi bật của phổ 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 lại 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 được thông qua việc đo dòng ion hoặc cường độ pic của dung dịch có nồng độ đã biết trước của nguyên tố Điều này được thực hiện trong cùng điều kiện đo, như thể hiện trong Hình 5.12.

Nồng độ chất phân tích trong mẫu được tính toán dựa trên giả định rằng dòng ion tỷ lệ tuyến tính với nồng độ Phương pháp tính toán này thường cho kết quả với 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 vượt trội so với phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử nhiệt điện sử dụng lò graphite, như 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 khi nồng độ chất rắn hòa tan dưới 2000 µg/mL Đối với nồng độ cao hơn, cần chuẩn bị các dung dịch chuẩn tương ứng với các nguyên tố nền có trong mẫu Để bù trừ cho sự không ổn định của thiết bị và ảnh hưởng của nền mẫu, thường sử dụng một 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 tỉ số cường độ giữa mẫu và chuẩn cho thấy tính tuyến tính qua nhiều bậc nồng độ khác nhau.

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 Đáng chú ý, có mối quan hệ tuyến tính giữa số đếm của pic và nồng độ được quan sát, cho thấy sự tăng trưởng theo bậc của nồng độ.

Bảng 5.2 trình bày các kết quả tiêu biểu từ phân tích định lượng các nguyên tố lượng vết trong mẫu nước tự nhiên, được thực hiện bởi 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 mức 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, với kết quả cho thấy sự tương thích tốt với số liệu của NSB Để đạt được phân tích định lượng chính xác nhất, phương pháp pha loãng đồng vị có thể được áp dụng Kỹ thuật này dựa trên việc đo sự thay đổi tỉ lệ cường độ tín hiệu của hai đồng vị của một nguyên tố thông qua việc thêm vào một lượng đã biết hoặc châm vào một thể tích nhỏ dung dịch chuẩn của một trong hai đồng vị.

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

• Các phép đo tỉ số đồng vị

Việc đo tỉ số đồng vị là rất quan trọng trong các lĩnh vực khoa học và y dược Các nhà khảo cổ và địa chất áp dụng số liệu này để 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 các phép đo tỉ số đồng vị dựa vào quá trình ion hóa và nguyên tử hóa bằng nhiệt, trong đó mẫu bị phân hủy và ion hóa trên các dây điện trở nung nóng Các ion được tạo ra sau đó được đưa vào máy khối phổ để đo tỉ số đồng vị.

PHƯƠNG PHÁP ĐO DÒNG-THẾ Error! Bookmark not defined.74 7.1 Thiết bị trong 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

Phương pháp voltammetry, được trình bày trong chương này, liên quan đến việc phân tích điện hóa để đo dòng thế, cung cấp thông tin về chất phân tích điện hoạt Phương pháp này thực hiện bằng cách ghi nhận các dòng điện như một hàm của điện thế áp vào, dưới điều kiện phân cực của điện cực chỉ thị hoặc điện cực làm việc Cường độ dòng điện tỷ lệ tuyến tính với nồng độ chất phân tích tại một điện thế cố định Để tăng cường sự phân cực, các điện cực làm việc thường có diện tích bề mặt vài milimet vuông, trong nhiều ứng dụng, diện tích này có thể chỉ vài micromet vuông hoặc nhỏ hơn.

7.1 Thiết bị trong phương pháp đo dòng-thế

Các điện cực thủy ngân phổ biến trong phương pháp voltammetry bao gồm điện cực giọt thủy ngân rơi (DME), điện cực giọt thủy ngân treo (HMDE) và điện cực lớp phim mỏng thủy ngân (TMFE).

Điện cực DMF trong phương pháp cực phổ sử dụng ống mao quản thủy tinh có chiều dài từ 12-20 cm và đường kính trong từ 30-50 µm, được kết nối với ống dẫn đến bầu chứa thủy nhân được treo cao.

Hình 7.1: Điện cực giọt thủy ngân sử dụng trong phương pháp cực phổ [8]

Tiếp xúc điện được tạo ra thông qua một dây dẫn nằm trong bầu thủy ngân Thủy ngân chảy xuống dưới tác động của trọng lực qua mao quản với tốc độ ổn định, liên tục tạo ra các giọt.

Hg ở đầu ống thủy tinh mao quản có ảnh hưởng đến thời gian rơi của giọt thủy ngân Sự thay đổi độ cao của bầu thủy ngân dẫn đến sự biến đổi trong chu kỳ rơi của giọt, với thời gian rơi tiêu biểu dao động từ 2 đến 6 giây.

Điện cực giọt thủy ngân treo (HMDE) là một trong những điện cực làm việc phổ biến trong phân tích cực phổ vòng và vôn ampe hòa tan Trong quá trình này, các giọt thủy ngân tĩnh được thay thế từ bầu thủy ngân qua mao quản thẳng đứng, góp phần quan trọng vào độ chính xác của các phép phân tích.

Những thiết kế đầu tiên của HMDE sử dụng phương pháp ép cơ học từ bầu thủy ngân qua mao quản, với bầu thủy nhân được đổ đầy hoàn toàn để loại bỏ không khí Trong khi đó, các HMDE hiện đại áp dụng kiểm soát điện tử để tạo ra giọt, từ đó cải thiện đáng kể độ lặp lại và sự ổn định của giọt.

Hình 7.2: (a) Sơ đồ cấu tạo của điện cực giọt thủy ngân treo HMDE và (b) thiết bị điện hóa với điện cực HMDE [7]

So với điện cực HDME, điện cực lớp phim mỏng thủy ngân (TMFE) được sử dụng phổ biến hơn trong phương pháp vôn-ampe hòa tan TMFE bao gồm một lớp hạt thủy ngân rất nhỏ, kích thước dưới 10 micromet, được điện phân lên bề mặt rắn.

Carbon thủy tinh (glassy carbon) là vật liệu rắn phổ biến trong điện phân để tạo lớp phim thủy ngân Điện cực TMFE có diện tích bề mặt lớn hơn nhiều so với HMDE, giúp tăng cường khả năng tập trung chất phân tích lên bề mặt trong quá trình điện phân Mặc dù TMFE cho phép làm giàu hiệu quả hơn, HMDE lại mang lại kết quả lặp lại tốt hơn.

Trong TMFE, cấu trúc lớp phim Hg phụ thuộc mạnh mẽ vào bản chất của bề mặt rắn, và điều này dẫn đến sự khác biệt trong các lần đo lặp.

Điện cực TMFE bao gồm một trục kim loại gắn với mô-tơ, cho phép quay tròn và đóng vai trò là vật liệu dẫn điện Trục này tiếp xúc với carbon thủy tinh (glassy carbon), có bề mặt rắn dẫn điện, giúp hình thành lớp phim Hg trong quá trình hoạt động.

Hình 7.3: Cấu tạo của điện cực lớp phim Hg mỏng (TMFE) [9]

Các điện cực rắn từ vật liệu carbon đang trở thành lựa chọn phổ biến trong phân tích điện hóa nhờ vào khoảng thế hoạt động rộng, dòng nền thấp và giá thành hợp lý Chúng cũng có tính chất hóa học trơ, phù hợp với nhiều ứng dụng phân tích khác nhau Tuy nhiên, cần lưu ý rằng tốc độ chuyển electron trên bề mặt điện cực carbon thường thấp hơn so với các điện cực kim loại.

Điện cực carbon thủy tinh (glassy carbon electrode) được ưa chuộng nhờ vào các tính chất điện và cơ học xuất sắc như khoảng thế hoạt động rộng, tính trơ hóa học và khả năng lặp lại cao Vật liệu này được chế tạo thông qua quá trình gia nhiệt kiểm soát của nhựa phenol-formaldehyde trong môi trường khí trơ.

Quá trình carbon hóa được thực hiện rất chậm qua khoảng nhiệt độ từ 300 -

Để loại bỏ oxy, nitơ và hydro, quá trình xử lý được thực hiện ở nhiệt độ 1200 độ C Cấu trúc của carbon thủy tinh bao gồm các dải băng mỏng và các liên kết ngang giữa các tấm tương tự như graphite, giúp tạo ra mật độ cao và kích thước lỗ nhỏ.

Carbon thủy tinh cần được xử lý bề mặt bằng giấy nhám hạt nhôm nhỏ (kích thước 0,05 µm) để tạo ra các điện cực có hoạt tính cao, độ lặp tốt và khả năng phân tích được cải thiện.

PHƯƠNG PHÁP ĐO AMPERE VÀ ĐO ĐIỆN LƯỢNG Error! Bookmark

Phương pháp đo ampere có mối liên hệ chặt chẽ với voltammetry, vì dòng điện đo được tại giá trị thế cố định tỉ lệ tuyến tính với nồng độ chất điện hoạt Chương này cũng đề cập đến các phương pháp đo điện lượng thế không đổi, đo điện lượng dòng không đổi (chuẩn độ điện lượng) và điện trọng lượng Trong điện trọng lượng, sản phẩm điện phân được cân dưới dạng tủa trên điện cực, trong khi trong chuẩn độ điện lượng, chất chuẩn được sinh ra tại điện cực trong quá trình chuẩn độ, và lượng chất chuẩn cần thiết để phản ứng với chất phân tích được xác định qua điện lượng tiêu tốn, từ đó cho phép xác định nồng độ của chất phân tích.

Phương pháp đo ampere (amperometry) là một kỹ thuật điện hóa đặc biệt, dựa trên việc đo cường độ dòng điện giữa hai điện cực trong quá trình phản ứng điện phân Chất phản ứng cần phân tích có nồng độ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện đo được, cho phép xác định chính xác nồng độ của chất phân tích.

Phương pháp đo ampere dựa trên việc đo dòng khuếch tán cuối cùng qua dung dịch tại điện áp cố định giữa hai điện cực: điện cực chỉ thị và điện cực so sánh Dòng điện này hình thành nhờ vào sự tương tác hóa học giữa các chất trong dung dịch.

Dòng điện được tạo ra từ quá trình oxy hóa hoặc khử điện hóa của chất điện hoạt tại điện cực chỉ thị Môi trường đo lường có thể là dung dịch khuấy trộn cố định, dòng chảy, hoặc điện cực đĩa quay.

Phương pháp đo ampere cho phép phân biệt chọn lọc các chất điện hoạt trong dung dịch thông qua việc lựa chọn thế áp phù hợp và/hoặc lựa chọn vật liệu điện cực thích hợp.

Trong phương pháp đo ampere không quét, đồ thị volt-ampere cần được thu thập từ các thí nghiệm khác Thế áp vào phải lớn hơn một chút so với thế tại đó dòng volt-ampere đạt cực đại của chất phân tích Điều này cũng cần được thực hiện trong vùng có dòng dư cực tiểu từ chất điện ly và điện cực làm việc, đồng thời nằm trong khoảng thế cho phép của vật liệu điện cực.

Phương pháp đo ampere đã được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như làm detector trong sắc ký lỏng HPLC, cảm biến đo khí và cảm biến sinh học, cũng như trong chuẩn độ Sự phổ biến này xuất phát từ độ nhạy, tính chọn lọc và tính linh hoạt vượt trội của phương pháp.

Mặc dù phương pháp đo ampere mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số điểm yếu cần khắc phục Độ nhạy dò tìm có thể giảm do phản ứng điện hóa dị thể xảy ra tại ranh giới giữa bề mặt điện cực và dung dịch, khi sản phẩm phản ứng bị hấp phụ lên bề mặt điện cực, làm cản trở sự chuyển dịch điện tích Thêm vào đó, sự thoái hóa chất lượng bề mặt điện cực và tín hiệu nhiễu gia tăng từ đường nền cũng là những vấn đề cần được giải quyết.

Cảm biến đo ampere (amperometric sensor) là thiết bị đo dòng điện để xác định nồng độ chất phân tích tại một giá trị thế cố định Thế áp này điều khiển phản ứng chuyển dịch electron, và dòng điện đo được phản ánh nồng độ chất phân tích theo định luật Faraday Sự phân biệt giữa dòng Faraday và dòng tụ rất quan trọng trong việc xác định nồng độ chất điện hoạt Tại thế không đổi, cường độ dòng đáp ứng có thể được phân tích theo thời gian, kỹ thuật này được gọi là Chronoamperometry.

Một trong những cảm biến đo ampe thông dụng là điện cực Clark xác định oxy hòa tan

8.1.2.1 Điện cực Clark đo oxy hoà tan

Sự khử điện hóa của oxy khi tiếp xúc với điện cực là nền tảng cho nhiều loại cảm biến khác nhau, với các phản ứng sử dụng có sự khác biệt rõ rệt.

Cảm biến oxy Clark là một trong những loại cảm biến nổi bật nhất, với điện cực anode làm bằng bạc (Ag) và điện cực cathode bằng bạch kim (Pt), cả hai đều tiếp xúc với dung dịch KCl.

Chất điện ly trơ được ngăn cách với mẫu đo bằng một màng Teflon có lỗ cho phép oxygen thấm qua, trong khi chất điện trơ không thấm qua được Sau khi đi qua màng, oxygen tiếp xúc với cathode, được đặt cách khoảng 10 mm từ bề mặt bên trong của màng.

Khi áp dụng điện áp khoảng 1,5 V giữa hai điện cực, điện cực cathode được cấp đủ điện thế âm để khử toàn bộ oxy theo các phương trình phản ứng tương ứng.

Dòng điện trong mạch điện tỉ lệ thuận với lượng khí di chuyển qua màng, và do đó cũng tỉ lệ thuận với nồng độ oxygen trong mẫu nước đang đo, theo định luật Faraday.

Cảm biến Clark xác định oxygen hòa tan hoạt động dựa trên nguyên tắc màng Teflon thấm oxygen, được đặt gần cathode để đảm bảo tín hiệu ổn định sau vài giây Vi điện cực oxygen Clark, thiết kế để đo oxygen hòa tan trong thể tích nhỏ, có đầu cathode được mạ vàng (Au) nhằm giảm thiểu sự hấp phụ các thành phần trong dung dịch so với platinum (Pt) Ngoài ra, điện cực bảo vệ bạc (Ag) được đặt ở thế âm để khử bất kỳ oxygen nào từ phần trên của điện cực khuếch tán, giúp cải thiện độ chính xác trong phép đo oxygen qua màng silicon.

8.1.2.2 Cảm biến khí đo ampe

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

Phát triển phương pháp phân tích sắc ký khí

Quá trình sắc ký có nhiều thông số ảnh hưởng, điều này có thể gây bối rối cho những người mới bắt đầu lựa chọn quy trình phân tích cho một đối tượng cụ thể.

Nói chung, có nhiều giải pháp khác nhau có thể thỏa mãn

Trong phần này, chúng ta sẽ bàn luận về cách lựa chọn quy trình phù hợp cho việc phân tích Các yếu tố cần xem xét theo thứ tự bao gồm: xác định mục tiêu phân tích, chuẩn bị mẫu, lựa chọn detector, cột và bơm mẫu.

10.6.1 Mục tiêu của phép phân tích Điều gì cần nhắm đến cho phép phân tích? Có phải chỉ nhận diện định tính các cấu tử có mặt trong một hỗn hợp?

Trong sắc ký đồ, việc quyết định có cần thực hiện một phép tách phân giải cao cho một cấu tử hay chỉ cần một phép tách với độ phân giải đủ tốt cho một phần nào đó là rất quan trọng Sự lựa chọn này phụ thuộc vào mục tiêu phân tích và yêu cầu về độ chính xác của kết quả Nếu mục tiêu là xác định các hợp chất có cấu trúc tương tự, phép tách phân giải cao sẽ là cần thiết Ngược lại, nếu chỉ cần phân tích tổng quát hoặc nhận diện các hợp chất chủ yếu, phép tách với độ phân giải vừa đủ có thể là lựa chọn hợp lý.

Có cần hy sinh độ phân giải để rút ngắn thời gian phân tích? Việc phân tích định lượng có thể chỉ tập trung vào một cấu tử hoặc nhiều cấu tử trong mẫu, tùy thuộc vào mục tiêu nghiên cứu.

Nếu bạn cần độ chính xác cao trong phân tích, việc xác định nồng độ thích hợp của chất phân tích trong mẫu là rất quan trọng Đối với phân tích siêu vết, cần áp dụng các kỹ thuật đặc biệt như cô mẫu và sử dụng detector nhạy Tuy nhiên, mỗi yếu tố này đều dẫn đến những sự thỏa hiệp nhất định khi lựa chọn kỹ thuật phân tích phù hợp.

Các mẫu thực tế rất đa dạng và thường có thành phần phức tạp Một số mẫu có hàm lượng tương tự nhau, trong khi những mẫu khác bên cạnh cấu tử chính còn chứa các cấu tử với hàm lượng vết Ngoài ra, có những mẫu với các cấu tử có nhiệt độ sôi khác nhau trong một khoảng rộng, và chúng có thể tồn tại dưới dạng dung dịch, khí hoặc rắn Các mẫu này cũng có thể chứa nhiều cấu tử phân cực hoặc ít phân cực.

Chìa khóa cho một quá trình sắc ký thành công đối với mẫu phức tạp là làm sạch mẫu trước khi đưa vào cột Các phương pháp như vi chiết pha rắn, chiết lỏng - lỏng, chiết rắn - lỏng, và sự giải hấp nhiệt các cấu tử dễ bay hơi, cùng với nhiều phương pháp mới, giúp cô lập các cấu tử cần phân tích khỏi những chất cản trở.

Các phương pháp này giúp cô lập và làm giàu các cấu tử cần phân tích đến mức có thể dò tìm được Nếu không làm sạch mẫu, sắc ký đồ sẽ chứa nhiều pic kém phân giải, và các cấu tử không hóa hơi có thể giữ lại trong cột, gây hư hại cho các cột đắt tiền.

Giai đoạn tiếp theo trong quá trình sắc ký là lựa chọn detector phù hợp Bạn cần xác định xem có cần thu thập tất cả thông tin từ mẫu hay chỉ cần một detector chuyên biệt để phát hiện một hoặc một nhóm các cấu tử đặc biệt trong mẫu.

Detector được sử dụng rộng rải nhất là detector khối phổ

Detector ion hóa ngọn lửa là loại thiết bị phổ biến, đặc biệt hiệu quả cho việc phát hiện các hợp chất chứa mạch cacbon dài hoặc hydrocacbon Tuy nhiên, độ nhạy của nó không bằng detector bắt electron hay detector huỳnh quang Để thực hiện phân tích tiêm mẫu chia dòng, mẫu cần chứa hơn 10 ppm chất cần phân tích.

Detector dẫn nhiệt là cách phổ biến nhất để dò tìm các chất nhưng nó không đủ nhạy cho những cột mao quản mở có độ phân giải cao

Các detector nhạy cho phân tích siêu vết chỉ phản ứng với một loại hợp chất nhất định Chẳng hạn, detector bắt electron chuyên dụng cho các hợp chất chứa halogen, cacbonyl liên hợp, nitril và hợp chất nitro.

Để nhận diện các chất rửa giải, các detector khối phổ và hồng ngoại là những lựa chọn tốt nếu chỉ cần thông tin định tính Tuy nhiên, detector hồng ngoại, giống như detector đo độ dẫn nhiệt, thường không đủ nhạy cho các cột mao quản mở.

Các yếu tố quan trọng trong lựa chọn cột sắc ký bao gồm pha tĩnh, đường kính cột và chiều dài cột Pha tĩnh không phân cực thường được sử dụng, trong khi pha tĩnh có độ phân cực trung bình thích hợp cho các phép tách mà pha không phân cực không thể thực hiện Đối với hợp chất phân cực cao, cần sử dụng cột phân cực mạnh Các đồng phân quang học và hợp chất có cấu trúc hình học tương tự yêu cầu pha tĩnh đặc biệt để tách biệt Để đạt được độ phân giải cao nhất, nên sử dụng cột hẹp và pha tĩnh mỏng, giúp giảm thiểu độ trở kháng và chiều cao đĩa lý thuyết trong quá trình chuyển khối.

Các cột hẹp và lớp phim mỏng rất hiệu quả trong việc tách các hỗn hợp chứa các chất có nhiệt độ sôi cao, do chúng bị giữ lại quá mạnh trên các cột này Thời gian lưu ngắn giúp thực hiện các phép phân tích nhanh chóng.

PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ LỎNG HIỆU NĂNG CAO (HPLC) Error!

Chương này nhằm cung cấp kiến thức chuyên sâu về phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), một kỹ thuật tinh vi được sử dụng rộng rãi để tách và xác định các cấu tử trong vật liệu sinh học, hữu cơ và vô cơ Phương pháp HPLC kiểu sắc ký phân bố, chủ yếu sử dụng pha đảo, là nội dung chính của chương này Bên cạnh đó, phương pháp HPLC ghép nối khối phổ (LC-MS và LC-MS/MS) cũng được đề cập ở các mục cuối chương Các kiểu sắc ký khác như sắc ký trao đổi ion, sắc ký ion, sắc ký cặp ion, sắc ký theo cỡ và sắc ký ái lực sẽ được trình bày trong chương tiếp theo.

Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) là một phương pháp phân tích sử dụng áp suất cao để đẩy dung môi qua cột chứa các hạt mịn, giúp thực hiện các phép tách với độ phân giải cao.

Hình 11.1: Các cấu phần cơ bản của một máy HPLC của Hãng Agilent (USA) (model HP

Hệ thống HPLC hiện đại trong Hình 11.1 gồm:

(1) ngăn chứa dung môi pha động,

(2) bộ phận loại khí hòa tan trong dung môi pha động cũng như bọt khí trong đường ống,

(3) Bơm cao áp để đẩy dung môi pha động qua cột tách,

(4) bộ phận tiêm mẫu tự động (autosampler) có van tiêm mẫu,

(5) Buồng điều nhiệt chứa cột sắc ký chịu áp suất cao, và

(6) detector tức bộ phận dò tìm Ngoài ra, máy tính với phần mềm chuyên dụng được sử dụng để kiểm soát phần cứng và biểu diễn các kết quả

Cột sắc ký được đặt trong buồng điều nhiệt với cửa buồng thường được đóng kín để giữ cột có nhiệt độ không đổi

Trong chương này chúng ta thảo luận sắc ký phân bố lỏng-lỏng và sắc ký hấp thụ rắn-lỏng

Chương tiếp theo sẽ trình bày về sắc ký trao đổi ion, sắc ký theo cỡ, sắc ký ái lực và sắc ký tương tác kỵ nước

Sắc ký khí thường được ưu tiên hơn sắc ký lỏng khi có sự lựa chọn, vì phương pháp này thường tiết kiệm chi phí và giảm thiểu lượng chất thải.

Sắc ký lỏng là phương pháp quan trọng để phân tích các hợp chất kém bay hơi hoặc dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao, khi sắc ký khí không thể thực hiện hiệu quả.

Tăng tốc độ cân bằng giữa pha tĩnh và pha động là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu lực tách trong sắc ký Đặc biệt, trong sắc ký khí với cột mao quản mở, việc giảm đường kính cột giúp đạt được cân bằng nhanh chóng, cho phép các phân tử khuếch tán hiệu quả giữa hai pha.

Khuếch tán trong chất lỏng diễn ra chậm hơn đến 100 lần so với trong pha khí, khiến việc sử dụng cột mao quản mở trong sắc ký lỏng thường không khả thi Điều này là do đường kính của kênh dung môi quá lớn để phân tử có thể di chuyển trong thời gian ngắn.

Sắc ký lỏng được thực hiện với cột nhồi nhờ đó một phân tử dung môi không phải khuếch tán rất xa để tiếp xúc pha tĩnh

Các hạt nhỏ cho hiệu lực tách cao nhưng đòi hỏi áp suất cao để đưa pha động qua cột

Hiệu lực tách của một cột sắc ký nhồi hạt tăng khi kích thước hạt nhồi giảm Kích thước hạt nhồi tiờu biểu trong HPLC là 1,7 đến 5 àm

Hình 11.2a và b cho thấy rằng độ phân giải được cải thiện khi kích thước hạt giảm Khi kích thước hạt giảm, số đĩa lý thuyết tăng từ 2000 lên 7500, dẫn đến các pic sắc nét hơn với kích thước hạt nhỏ hơn.

Hình 11.2 trình bày hai sắc ký đồ (a) và (b) của cùng một mẫu được phân tích với tốc độ tuyến tính pha động trên cột nhồi pha tĩnh hạt C18-silica dài 5,0 cm Trong hình (c), sắc ký đồ cho thấy kết quả khi sử dụng dung môi pha động mạnh hơn, cho phép rửa giải chất tan nhanh hơn so với sắc ký đồ (b).

Việc sử dụng dung môi mạnh hơn trong quá trình rửa giải các pic giúp rút ngắn thời gian thực hiện Giảm kích thước hạt không chỉ cải thiện độ phân giải mà còn cho phép duy trì độ phân giải tương tự trong khi giảm thời gian chạy sắc ký Đồ thị Van Deemter cho thấy rằng các hạt kích thước nhỏ làm giảm chiều cao đĩa lý thuyết H, đồng thời chiều cao H không nhạy với sự tăng tốc độ dòng tuyến tính khi kích thước hạt nhỏ.

Hình 11.3 minh họa các đường cong van Deemter thể hiện chiều cao đĩa như một hàm số với tốc độ dòng pha động tuyến tính, áp dụng cho các hạt nhồi pha tĩnh có đường kính 5,0; 3,5; 2,7 và 1,8 mm Các phép đo được thực hiện cho naphthalene được rửa giải từ cột C18-silica (dài 50 mm, đường kính 4,6 mm) sử dụng dung dịch 60 vol% acetonitrile và 40 vol% H2O ở nhiệt độ 24°C.

Tại giá trị tối ưu của tốc độ dòng pha động cho mỗi cột (tương ứng với chiều cao

H nhỏ nhất) số đĩa lý thuyết trong một cột có chiều dài L(cm) xấp xỉ

N  L Ở đõy d p là đường kớnh hạt nhồi (àm)

Trong Hỡnh 11.2a, cột dài 5,0 cm với hạt nhồi đường kớnh 4,0 àm được dự đoỏn cung cấp số đĩa lý thuyết (3000)(5,0)/4,0 = 3800 đĩa

Khi đường kính hạt nhồi giảm xuống 1,7, số đĩa lý thuyết tối ưu dự kiến là 8800, tính theo công thức (3000)(5,0)/1,7 Trong khi đó, giá trị số đĩa lý thuyết quan sát được cho pic thứ hai khoảng 7500.

Nguyên nhân chính khiến các hạt nhỏ mang lại độ phân giải tốt hơn là chúng tạo ra dòng chảy đồng nhất hơn khi pha động lỏng đi qua cột, dẫn đến việc giảm số hạng A trong phương trình Van Deemter.

Khoảng cách khuếch tán chất tan giữa pha động và pha tĩnh phụ thuộc vào kích thước của hạt nhồi Khi kích thước hạt nhồi nhỏ hơn, khoảng cách khuếch tán chất tan sẽ giảm Hiệu ứng này dẫn đến việc giảm số hạng C trong phương trình van Deemter, liên quan đến sự chuyển khối của chất tan giữa hai pha.

Tốc độ chảy tối ưu cho hạt nhỏ nhanh hơn cho hạt kích thước lớn hơn, bởi vì các chất tan khuếch tán qua những khoảng cách nhỏ hơn

Một lợi ích quan trọng của hạt kích thước nhỏ kết hợp với cột thân hẹp và tốc độ dòng cao là giúp giảm thiểu sự pha loãng của chất phân tích khi đi qua cột.

Hạt nhỏ hơn sẽ làm tăng trở kháng của cột đối với dung môi pha động Do đó, áp suất cần thiết để đẩy dung môi qua cột sẽ tăng lên.