bài giảng các phương pháp phân tích công cụ

Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin học, các máy móc thiết bị phân tích cũng được hiện đại hóa, cho phép xác định nhanh chóng với độ chính xác cao các mẫu chứa hàm

MỞ ĐẦU

Các phương pháp phân tích bằng công cụ có vai trò đặc biệt quan trọng trong sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin học, các máy móc thiết bị phân tích cũng được hiện đại hóa, cho phép xác định nhanh chóng với độ chính xác cao các mẫu chứa hàm lượng rất nhỏ của các chất phân tích

Nhóm các phương pháp phân tích quang học dựa trên các tính chất quang học của chất cần phân tích, có một số phương pháp sau:

1 Phương pháp trắc quang dựa trên phép đo lượng bức xạ điện từ ( bxđt )

do dung dịch phân tích hấp thụ Ở đây còn kể đến phương pháp hấp đục, dựa trên phép đo lượng bxđt bị hấp thụ bởi các hạt huyền phù (dung dịch keo); Phương pháp khuyếch đục, dựa trên phép đo lượng bxđt bị khuyếch tán bởi các hạt huyền phù

2 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES (Atomic Emision Spectrometry), dựa trên sự khảo sát phổ phát xạ nguyên tử của nguyên tử chất phân tích

3 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS (Atomic Absorption Spectrometry), dựa trên sự khảo sát phổ hấp thụ nguyên tử của nguyên tử của chất phân tích

4 Phương pháp phát quang, dựa trên phép đo cường độ bức xạ do chất phân tích phát ra, dưới tác dụng của năng lượng bxđt chiếu vào nó

Ngoài ra, thuộc vào các phương pháp quang học còn có phương pháp khúc xạ, dựa trên phép đo chiết suất của chất phân tích; Phương pháp phổ hồng ngoại IR, Phương pháp phổ Rơntgen; Phương pháp phổ Raman…

Bản chất sóng của bxđt thể hiện ở hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa, bxđt

là những dao động có hai thành phần là điện trường và từ trường, các sóng này truyền đi trong không gian với vận tốc của ánh sáng theo hình sin có các cực đại

và cực tiểu; khoảng cách giữa 2 đầu mút của một sóng được gọi là bước sóng,

ký hiệu λ Cường độ của bxđt tỉ lệ với biên độ của dao động Những bxđt khác nhau có độ dài bước sóng khác nhau hay bước sóng là đại lượng đặc trưng cho bxđt Ngoài ra bxđt còn được đặc trưng bằng tần số υ, giữa bước sóng và tần số liên hệ với nhau qua biểu thức:

trong đó c là tốc độ ánh sáng, c = 3.108 m/s

Trong các phương pháp phổ, người ta còn dùng đại lượng nghịch đảo của

λ ( 1/λ ) gọi là số sóng để đặc trưng cho sóng, đơn vị của số sóng luôn là cm-1

1.1.2 Đơn vị đo và sự phân chia các vùng bxđt

Trong biểu thức 1.4 là các đại lượng đặc trưng cho bxđt Bước sóng λ có thứ nguyên là độ dài Để đo λ, người ta dùng các đơn vị đo độ dài là mét (m) cùng các ước số của mét, các đơn vị hay dùng là µm; nm và Ao ( 1A = 10-10m )

Đại lượng nghịch đảo của bước sóng là số sóng chỉ đo bằng một loại đơn vị là

cm-1

Tần số υ được định nghĩa là số dao động mà bxđt thực hiện trong một giây, nên có thứ nguyên là s-1 Đơn vị đo của υ là hec ( hertz ) được ký hiệu là

Hz và các bội số của nó là kHz ( kilohec ); MHz ( megahec )

Để có thể gây hiệu ứng quang phổ, năng lượng của bxđt phải phù hợp với hiệu số mức năng lượng ∆E tương ứng với các trạng thái năng lượng của nguyên

tử hay phân tử, nghĩa là bước sóng λ của bxđt phải phù hợp với hệ thức:

∆E = ε = hυ = hc/λ

hay λ = hc/∆E ( 1.5) Tùy theo bản chất của bxđt tương tác với nguyên tử hay phân tử của chất phân tích mà ta có các phương pháp quang phổ khác nhau, cụ thể là:

- Miền sóng vô tuyến, viba cho phương pháp phổ cộng hưởng từ

- Miền sóng tia Rơntgen và tia γ cho các phương pháp phổ Rơntgen và phổ tia γ

- Miền sóng ánh sáng quang học cho các phương pháp phổ nhìn thấy - phổ tử ngoại ( UV - VIS ); phổ hồng ngoại ( IR )

- Trong miền sóng ánh sáng quang học cũng có các phương pháp phổ phát

xạ nguyên tử; phổ hấp thụ nguyên tử và phổ huỳnh quang

Dưới đây là các vùng sóng chia theo chiều dài bước sóng

Bảng 1.1 Phân loại các vùng bức xạ điện từ

Khi chiếu một chùm bxđt vào một môi trường vật chất, sẽ xảy ra hiện tượng các phân tử hay nguyên tử của vật chất hấp thụ năng lượng hay phát xạ năng lượng Năng lượng mà phân tử hay nguyên tử phát ra hay hấp thụ vào là:

∆E = E2 - E1 = hυ ( 1.6 ) Trong đó E1 và E2 là mức năng lượng ở trạng thái đầu và trạng thái cuối; υ là tần

số của bxđt bị hấp thụ hay phát xạ ra

Nếu năng lượng ở trạng thái cuối cao hơn trạng thái đầu ( ∆E > 0 ) thì xảy ra sự hấp thụ bxđt, phổ sinh ra trong quá trình này là phổ hấp thụ; Còn nếu năng lượng ở trạng thái đầu cao hơn trạng thái cuối ( ∆E < 0 ) thì xảy ra sự phát

xạ năng lượng, phổ sinh ra trong quá trình này là phổ phát xạ

Các phương pháp phân tích dựa vào phổ nguyên tử thực hiện trên các máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS hay máy quang phổ phát xạ nguyên tử AES

Các phương pháp phân tích dựa vào phổ phân tử thì phong phú hơn, thực hiện trên các máy đo quang UV-VIS; máy quang phổ hồng ngoại IR

1.3 Trạng thái năng lượng của phân tử, phổ phân tử

Một phân tử dù là đơn giản nhất cũng có các chuyển động sau:

- Chuyển động của các điện tử quanh các hạt nhân: các điện tử hóa trị và các điện tử không tham gia tạo liên kết hóa học - gọi chung là chuyển động điện

tử

- Chuyển động thay đổi tuần hoàn các vị trí của các hạt nhân so với nhau - gọi là chuyển động dao động của phân tử

- Chuyển động thay đổi phương hướng của toàn phân tử trong không gian

- gọi là chuyển động quay của phân tử, chuyển động này chỉ có ở các phân tử các chất ở trạng thái khí và hơi

Như vậy, năng lượng toàn phần Etf của phân tử có thể biểu diễn:

Etf = Ee + Ev + Er ( 1.7 ) trong đó: Ee là năng lượng liên quan đến chuyển động của điện tử - gọi là năng lượng điện tử

Ev là năng lượng liên quan đến chuyển động dao động của hạt nhân ( vibration ) - gọi là năng lượng dao động

Er là năng lượng liên quan đến chuyển động quay của phân tử ( rotation ) - gọi là năng lượng quay

Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh Ee >> Ev >> Er , nếu năng lượng

đo bằng đơn vị kcal/mol thì Ee khoảng 60 ÷ 150 kcal/mol; Ev khoảng 1 ÷ 10 kcal/mol; Er khoảng 0,01 ÷ 0,1 kcal/mol

Trong điều kiện bình thường, các phân tử tồn tại ở trang thái cơ bản, có năng lượng thấp nhất Eotf, khi phân tử nhận năng lượng, ví dụ khi hấp thụ bức

xạ, có thể chuyển lên mức năng lượng cao hơn Khi phân tử nhận năng lượng đủ lớn, ví dụ bxđt có năng lượng đủ lớn, phân tử chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn E*tf gọi là trạng thái kích thích và:

ta thường nói là có cấu trúc đám Với các máy quang phổ có độ tán sắc không lớn, phổ phân tử hầu như là miền bức xạ liên tục; Với các máy quang phổ có độ tán sắc lớn phổ phân tử gồm vô số vạch sít nhau

Mỗi phân tử của một chất thì có cấu trúc khác nhau nên có các bước chuyển năng lượng khác nhau, sẽ có phổ hấp thụ phân tử đặc trưng và khác nhau, mặt khác với các kỹ thuật phù hợp, người ta tạo phổ điện tử, phổ dao động, phổ quay của phân tử của chất nghiên cứu, đó chính là cơ sở của các phương pháp phân tích định tính Còn để phân tích định lượng, người ta dựa vào định luật về sự hấp thụ bxđt Lambert-Beer

1.4 Phổ hấp thụ nguyên tử và phổ phát xạ nguyên tử

Ở trên ta đã xét sự tạo thành phổ của phân tử, tạo bởi sự liên kết của ít nhất là hai nguyên tử Còn khi là nguyên tử ở trạng thái hơi tự do thì sẽ đặc trưng bởi phổ hấp thụ hoặc phổ phát xạ nguyên tử, cơ chế tạo thành có thể giải thích như sau: Trong điều kiện bình thường nguyên tử ở trạng thái cơ bản, không thu và cũng không phát năng lượng dưới dạng các bức xạ Đây là trạng thái bền vững và nghèo năng lượng Nếu nguyên tử nhận năng lượng dưới dạng nhiệt thì nguyên tử sẽ chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích, trạng thái kích thích này không bền, chỉ khoảng 10-8 ÷ 10-9 s, sau

đó nguyên tử có xu hướng trở về trạng thái có mức năng luợng thấp hơn, khi này nguyên tử sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng bxđt bao gồm nhiều tia đơn sắc

có bước sóng khác nhau nằm trong dải phổ quang học ( 190 - 1100nm ) Nếu thu, phân li và ghi chùm tia đó ta sẽ được dải phổ gồm các vạch phát xạ của nguyên tử hoặc ion Trong tập hợp các vạch phổ thì mỗi nguyên tử hoặc ion lại

có những vạch đặc trưng riêng

Một đặc điểm quan trọng là các nguyên tử tự do có khả năng hấp thụ những tia bức xạ mà nó có thể phát ra trong quá trình phát xạ của nó Nếu nguyên tử nhận năng lượng dưới dạng bxđt ứng đúng với những tia mà nó phát

ra trong quá trình phát xạ thì nguyên tử chuyển lên trạng thái kích thích Phổ sinh ra trong quá trình này gọi là phổ hấp thụ nguyên tử Nếu gọi năng lượng của bxđt đã bị nguyên tử hấp thu là ε = hυ thì ta có:

ε = hυ = ∆E = Em - Eo ( 1.10 )

Trong đó Em và Eo là năng lượng ở trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản của nguyên tử; h là hằng số Planck; c là tốc độ ánh sáng; λ là bước sóng của vạch phổ hấp thụ Vậy phổ hấp thụ nguyên tử cũng là phổ vạch

Nhưng nguyên tử không hấp thụ tất cả các bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ Quá trình hấp thụ chỉ xảy ra với các vạch phổ nhạy, các vạch phổ đặc trưng và các vạch phổ cuối cùng của nguyên tố Cho nên đối với các vạch phổ đó quá trình hấp thụ và phát xạ là hai quá trình ngược nhau Trong phương trình ( 1.10 ), nếu giá trị ∆E là dương ta có quá trình phát

xạ, nếu giá trị ∆E là âm ta có quá trình hấp thụ Như vậy tùy theo từng điều kiện

cụ thể để nguyên tủ hóa mẫu và kích thích nguyên tử mà quá trình nào xảy ra là chính, cụ thể là:

- Nếu kích thích nguyên tử bằng năng lượng nhiệt ta có phổ phát xạ nguyên tử

- Nếu kích thích nguyên tử bằng chùm tia đơn sắc ta có phổ phát xạ nguyên tử

Phương pháp phân tích dựa trên phổ phát xạ nguyên tử gọi là phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES (Atomic Emision Spectrometry ) với máy phân tích tương ứng

Phương pháp phân tích dựa trên phổ hấp thụ nguyên tử gọi là Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS ( Atomic Absorption Spectrometry ) với các máy phân tích AAS

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ

PHÂN TỦ UV-VIS

(Phương pháp trắc quang phân tử)

Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử hay còn gọi là phương pháp đo quang, phương pháp phân tích trắc quang phân tử là một trong những phương pháp phân tích công cụ thông dụng với rất nhiều thế hệ máy khác nhau, từ các máy đơn giản của thế hệ trước còn được gọi là các máy so màu đến các máy hiện đại được tự động hóa hiện nay, gọi là máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS Các máy đo quang làm việc trong vùng tử ngoại (UV) và khả kiến (VIS) từ 190nm đến khoảng 900nm

2.1 Cơ sở lí thuyết của phương pháp

2.1.1 Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu

Dung dịch có màu là do bản thân dung dịch đã hấp thụ một phần quang phổ ( một vùng phổ ) của ánh sáng trắng, phần còn lại ló ra cho ta màu của dung dịch, chính là màu phụ của phần ánh sáng trắng đã bị hấp thụ (vùng quang phổ còn lại) Ví dụ: dung dịch Fe(SCN)3 ta nhìn thấy màu đỏ là do khi ánh sáng chiếu vào dung dịch, dung dịch này hấp thụ mạnh bức xạ đơn sắc màu xanh và xanh lá cây, vùng quang phổ còn lại ló ra cho ta màu đỏ

Sự hấp thụ của dung dịch theo màu được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Sự hấp thụ màu của các dung dịch màu

Sự hấp thụ bức xạ đơn sắc (bxđs) của dung dịch còn phụ thuộc vào nồng

độ của chất hấp thụ Ở ví dụ trên, dung dịch Fe(SCN)3 có nồng độ càng lớn thì

sự hấp thụ càng mạnh, biểu hiện ở màu của dung dịch càng đậm

2.1.2 Các định luật cơ bản về sự hấp thụ ánh sáng

Định luật Bugơ - Lambe (Bourguear - Lambert):

Khi chiếu một chùm bxđs có cường độ I0 qua một lớp vật chất có bề dày l, thì cường độ bxđs ló ra I bao giờ cũng nhỏ hơn I0 Có thể biểu diễn bằng biểu thức:

I0 = I + Ia + Ir (2.1) Trong đó: Ia là phần cường độ bị hấp thụ

Định luật Lambe - Bia ( Lambert - Beer):

Khi áp dụng định luật Bugơ - Lambe cho trường hợp vật chất là dung dịch

có độ dày l ( dung dịch đựng trong cuvét có độ dày l ) chứa chất hấp thụ có nồng

độ C Nhà bác học Bia đã đưa ra định luật Lambe - Bia:

- Nội dung: Với cùng bề dày của lớp dung dịch, hệ số hấp thụ k tỉ lệ với nồng độ của chất hấp thụ của dung dịch

hay I = I0 e-ε*C.l (2.4)

Nếu đổi logarit tự nhiên về logarit thập phân thì biểu thức của định luật Lambe - Bia có thể biểu diễn bằng biểu thức:

I = I0 10-ε.l.C (2.5) Trong đó: C- là nồng độ dung dịch, đo bằng mol/l

l - là bề dày của cuvét đựng dung dịch, đo bằng cm

ε - được gọi là hệ số tắt phân tử hay hệ số hấp thụ phân tử ε là đại lượng xác định, phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ, vào bước sóng λ của bxđs và vào nhiệt độ

2.1.3 Các đại lượng hay sử dụng

Biểu thức ( 2.5 ) chính là cơ sở cho phương pháp phân tích định lượng Tuy nhiên, quan hệ giữa cường độ ánh sáng và nồng độ của dung dịch thông qua hàm logarít, để thuận tiện cho sử dụng, chúng ta thường sử dụng các đại lượng sau:

Độ truyền quang T: là tỉ lệ giữa cường độ chùm sáng đơn sắc sau khi đi qua

dung dịch Ivới cường độ chùm sáng đơn sắc chiếu vào I0

T = I/I0 = 10-ε.l.C (2.6) Nếu l = 1cm thì T gọi là hệ số truyền quang

Trên các máy phân tích, T thường được biểu diễn bằng %, Thang đo T từ

0 ÷ 100

Mật độ quang D (Dentisity) hay độ hấp thụ A (Absorption) hay độ tắt E

(Extinction): được định nghĩa theo biểu thức sau

D = A = E = - lg T = lg(I0 /I) = ε.l.C Với các dung dịch chứa chất hấp thụ xác định, đựng trong các cuvét có kích thước như nhau thì ε và l là không đổi, khi này có thể biểu diễn:

Hay nói cách khác, sự phụ thuộc giữa mật độ quang và nồng độ dung dịch

là tuyến tính, đó chính là cơ sở của phương pháp phân tích định lượng trắc quang phân tử Như vậy nguyên tắc chung của phương pháp đo quang để xác định một chất X nào đó, ta chuyển nó thành một chất có khả năng hấp thụ ánh

sáng ( bxđs ) rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó và suy ra hàm lượng chất cần xác định

Tuy nhiên để có thể áp dụng biểu thức này đòi hỏi phải đề cập đến các yếu tố ảnh hưởng

2.1.4 Tính chất của mật độ quang và ứng dụng trong hóa phân tích

Biểu thức D = A = ε.l.C cũng có thể coi là nội dung của định luật Lambe

- Bia Nếu ta đo mật độ quang của dung dịch có nồng độ 1mol/l đựng trong cuvet có bề dày 1cm thì giá trị mật độ quang đo được chính là hệ số hấp thụ phân tử, ε = D, đây chính là ý nghĩa vật lý của hệ số hấp thụ phân tử của một chất nhất định; ε phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ ánh sáng và vào bước sóng của bxđs được hấp thụ

Đo mật độ quang của dung dịch bằng một cuvét (l, C = const) ở các bước sóng khác nhau thì ta được đường cong biểu diễn phổ hấp thụ của dung dịch, D

= f(λ) hay ε = f(λ)

Hình 2.1 Dạng đường cong hấp thụ D = f(λ)

Đo mật độ quang của một dãy dung dịch có nồng độ khác nhau bằng một cuvét tại một bước sóng λ nhất định ( l, λ = const ) thì đường biểu diễn D = f(C)

sẽ là đường thẳng

Hình 2.2 Dạng đường biểu diễn D = f(C)

Một đặc tính rất quan trọng của mật độ quang đó là tính cộng tính, có thể chứng minh như sau:

Giả sử có một chùm bxđs có cường độ I0 đi qua 2 dung dịch có bề dày l1

và l2 tương ứng với các nồng độ C1, hệ số tắt ε1 và C2, hệ số tắt ε2

D = lg(I0 /I2 ) = lg(I0 /I1 ) + lg(I1 /I2 ) = D1 + D2 = ε1.l1.C1 + ε2.l2.C2

Như vậy mật độ quang chỉ phụ thuộc vào số các phần tử hấp thụ ánh sáng nằm trên đường ánh sáng truyền qua Trong dung dịch có nhiều chất tan hấp thụ bxđs thì mật độ quang đo được chính là tổng các mật độ quang của các chất có trong dung dịch, D = Σ Di Khi muốn đo mật độ quang của chất phân tích ở trong dung dịch có nhiều chất thì phải loại trừ mật độ quang của các thành phần còn lại, đó chính là mật độ quang của dung dịch trống hay dung dịch so sánh

Dung dịch trống hay dung dịch so sánh là dung dịch chứa tất cảc các thành phần trong dung dịch phân tích trừ chất phân tích Trong thực tế, nhiều khi

độ hấp thụ của dung dịch so sánh rất nhỏ, không đáng kể thì người ta có thể thay bằng nước cất

2.2 Các điều kiện tối ưu cho một phép đo quang

Ta biết D = f(λ,l,C) và theo định luật Lambe - Bia khi 2 đại lượng λ,l không đổi thì sự phụ thuộc D = f(C) là tuyến tính, phải có dạng y = ax là một đường thẳng, đây cũng chính là cơ sở của phương pháp phân tích định lượng Như vậy những yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng là bước sóng của ánh sáng tới và các yếu tố gây ảnh hưởng tới nồng độ C có thể làm sai lệch định luật Lambe - Bia gây sai số cho phép phân tích, vì vậy ta phải đặc biệt chú ý đến các yếu tố này

2.2.1 Sự đơn sắc của nguồn bxđt

Giả sử chùm sáng tới có cường độ I0 không phải là tia sáng đơn sắc mà là một chùm tia có cường độ I01,I02,I03 và chất phân tích chỉ hấp thụ tia thứ 2 còn không hấp thụ tia 1 và tia 3, khi này

D = lg(I0 /I) = lg(I01+I02+I03)/I01+I2+I03) Nếu tăng nồng độ C thì I2 sẽ giảm còn I01 và I03 vẫn không bị hấp thụ, khi tăng C đến một mức nào đấy thì I2 = 0, lúc đó:

D = lg(I01+I02+I03)/(I01+I03) = const Lúc này D = f(C) không tuyến tính nữa

Việc tạo được chùm tia bxđs có tính đơn sắc cao lại phụ thuộc vào thiết

bị, tùy theo các máy phân tích mà bộ phận tạo bức xạ đơn sắc có thể là kính lọc màu; hệ lăng kính hay cách tử với độ phân giải cụ thể, khi này sẽ quy định tính chính xác của phép đo

2.2.2 Bước sóng tối ưu λ max

Các chất hấp thụ bxđs một cách chọn lọc, miền bxđs bị hấp thụ mạnh nhất ứng với năng lượng của bước chuyển điện tử Hay nói cách khác, dung dịch chất màu mà ta phân tích hấp thụ bxđs một cách chọn lọc, phổ hấp thụ cũng là một đặc trưng điển hình của chất màu

Khi sử dụng phương pháp đo quang để phân tích định lượng một chất, người ta phải dùng tia đơn sắc nào mà khi chiếu vào dung dịch giá trị mật độ quang đo được là lớn nhất, gọi là mật độ quang cực đại Dmax, khi này cho kết quả phân tích có độ nhạy và độ chính xác tốt nhất Bước sóng tương ứng với mật

Hinh 2.3 Khoảng tuyến tính của định luật Lambe-Bia

độ quang cực đại Dmax gọi là bước sóng tối ưu λmax Với mỗi dung dịch nghiên cứu nhất định, chúng ta phải xác định bước sóng λmax trước khi tiến hành phân tích định lượng Thông thường các giá trị λmax của các chất đã được nghiên cứu khảo sát và liệt kê trong các bảng tra hay các quy trình phân tích có sẵn, chúng

ta có thể tham khảo Hoặc chúng ta có thể xây dựng đường cong hấp thụ trên máy đo quang và từ đó chọn λmax thích hợp

2.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ

Thực nghiệm đã chứng minh rằng quan hệ giữa mật độ quang D và nồng

độ dung dịch C chỉ tuyến tính trong một khoảng giá trị nồng độ xác định gọi là khoảng tuyến tính của định luật Lambe-Bia, người ta quan sát được độ lệch khỏi

sự phụ thuộc tuyến tính giữa nồng độ và độ hấp thụ (H.2.4)

Khoảng tuyến tính là khác nhau đối với các máy đo khác nhau và với các đối tượng phân tích khác nhau Do đó phải xác định khoảng tuyến tính cho từng phép phân tích cụ thể

2.2.4 Sự ổn định của dung dịch

Trong các phương pháp đo quang, người ta thường đưa dung dịch phân tích

về dạng dung dịch có màu bằng cách tạo phức với thuốc thử trong môi trường xác định Sự ổn định của dung dịch đo là một yếu tố rất quan trọng để phép đo

được chính xác, sự ổn định này thường là: môi trường pH; Sự có mặt của ion lạ; Thời gian ổn định màu; Nhiệt độ

Nếu thuốc thử dùng trong phương pháp này thuộc dạng axit mạnh thì pH hầu như không ảnh hưởng đến sự hấp thụ bức xạ điện từ Nếu thuốc thử thuộc dạng axit yếu thì yếu tố pH sẽ ảnh hưởng đến sự tạo phức và phải tìm điều kiện môi trường pH tối ưu cho quá trình xác định Ngoài ra cũng phải kể đến một số phức màu có màu và độ bền thay đổi theo pH, ví dụ phức của ion Fe3+ với axít salixilic (H2Sal) ở môi trường axít pH < 2 có màu tím; ở môi trường pH từ 4 ÷

10 có màu đỏ và ở trong môi trường kiềm pH > 10 có màu vàng

Thông thường trong các mẫu phân tích ngoài chất phân tích không thể không

kể đến sự có mặt của ion lạ, các ion này có khả năng tương tác với chất cần phân tích hay tạo màu với thuốc thử trong dung dịch cho nên sẽ ảnh hưởng đến quá trình xác định, bắt buộc phải tìm cách loại trừ Hai cách hay sử dụng nhất để loại trừ là tách chúng ra khỏi dung dịch phân tích hoặc tìm cách che Việc tách các ion lạ ra khỏi dung dịch phân tích nói chung rất khó thực hiện do nồng độ của chúng trong dung dịch phân tích rất nhỏ cho nên trong thực tế phân tích người ta thường tìm cách che ảnh hưởng của chúng bằng biện pháp thích hợp, nghĩa là chúng vẫn ở trong dung dịch phân tích nhưng được đưa vào dạng hợp chất, thường là dạng hợp chất phức bền, nên không ảnh hưởng đến quá trình phân tích Ví dụ: ion Fe3+ ảnh hưởng đến quá trình phân tích phôtphát trong nước, người ta thường che ảnh hưởng của nó bằng cách đưa về phức bền với F-; ion

Ca2+, Mg2+ ảnh hưởng đến quá trình phân tích nitrat và amoni, được che ảnh hưởng bằng cách đưa về phức bền với TrilonB…

Thời gian ổn định màu của phức giữa chất cần phân tích với thuốc thử cũng

là một yếu tố quan trọng, ta nên kiểm tra xem thời gian nào ổn định màu vì cường độ màu của một số dung dịch thì bền nhưng đối một số dung dịch màu khác thì lại chỉ bền trong một thời gian nhất định

Nói chung với nguyên tắc chung của phương pháp là dựa vào định luật Lambe - Bia nhưng trong từng quy trình cụ thể cho từng đối tượng phân tích bao giờ cũng phải xác định các điều kiện tối ưu, đó là: bước sóng cực đại λmax ;

khoảng tuyến tính và các điều kiện có thể ảnh hưởng như nhiệt độ; thời gian; lượng thuốc thử và nếu cần phải loại trừ ảnh hưởng của các ion lạ trong dung dịch phân tích

2.3 Các máy đo quang

Không phụ thuộc vào vùng phổ, các máy đo độ truyền quang và độ hấp thụ ( mật độ quang ) của dung dịch bao gồm 5 bộ phận cơ bản:

- Nguồn bức xạ có năng lượng ổn định

- Bộ phận tạo bức xạ đơn sắc cho phép ta chọn bước sóng của bức xạ đơn sắc thích hợp với chất nghiên cứu

- Các cuvet chứa dung dịch đo

- Đêtectơ để chuyển tín hiệu quang - năng lượng bức xạ - thành tín hiệu

đo được, thường là tín hiệu điện

- Bộ phận chỉ thị kết quả đo của tín hiệu

Sơ đồ khối tổng quát của một thiết bị đo quang như sau:

Tuỳ theo cấu tạo của các loại thiết bị mà người ta chia ra làm 2 loại máy

đo quang là máy 1 chùm tia và máy 2 chùm tia

Độ phức tạp của các bộ phận riêng của các máy đo phổ hấp thụ của dung dịch cũng phụ thuộc vào các máy khác nhau, vào vùng bước sóng kể cả vùng sử dụng các số liệu Ví dụ: để đo độ hấp thụ trong vùng khả kiến ta có các máy so màu bằng mắt, máy so màu quang điện, trong vùng hồng ngoại ta có máy quang phổ hồng ngoại IR, hiện nay các máy quang phổ hấp thụ phân tử thường cho phép đo trong vùng tử ngoại UV và cả vùng khả kiến VIS từ 190nm đến 1100nm, gọi chung là các máy quang phổ hấp thụ phân tử UV - VIS Sau đây chúng ta đề cập đến một số thiết bị

2.3.1 Các máy so màu bằng mắt

Trong các máy so màu bằng mắt thì nguồn bức xạ liên tục chính là ánh sáng mặt trời; đetectơ chính là mắt và bộ não của con người Tuy nhiên mắt và

Chỉ thị kết quả Detectơ

Nguồn

bức xạ

liên tục

Bộ phận tạo tia đơn sắc

Cuvet đựng dung dịch

bộ não chỉ có khả năng so sánh màu chứ không có khả năng cho thông báo về giá trị cường độ hấp thụ hay mật độ quang do vậy chúng ta cần có các dung dịch chất chuẩn để so sánh màu của chúng với màu của các dung dịch cần phân tích Như vậy nguyên tắc chung ở đây là việc so màu của mẫu với màu của một dãy dung dịch chuẩn để tìm ra các màu bằng nhau, tức là có nồng độ chất cần xác định như nhau Trong phương pháp này người ta dùng các ống nghiệm so màu Nexxler, được chuẩn hóa sao cho bề dày của các dung dịch đều giống nhau Với nguyên tắc này người ta cũng tiến hành quá trình chuẩn độ so màu

Các phương pháp so màu bằng mắt có nhiều hạn chế nhưng chúng cũng

có ứng dụng rộng rãi đối với các phép phân tích hàng loạt nếu nhu cầu về độ chính xác không cần thật cao

2.3.2 Các máy so màu quang điện

Máy so màu quang điện có cấu tạo đơn giản, tương đối rẻ tiền để thực hiện phép phân tích định lượng bằng phương pháp đo quang Ưu điểm của chúng so với các máy quang phổ phức tạp chính là sự đơn giản trong cấu tạo và cách sử dụng Một máy so màu quang điện thường có 2 chức năng đo là độ truyền quang T hoặc mật độ quang D và bộ phận chỉ thị kết quả chỉ là thang đo hoặc màn hình digital hiện số

• Nguồn bức xạ:

Nguồn bức xạ hay sử dụng nhất trong máy so màu quang điện để nhận được bức xạ vùng khả kiến là sợi chỉ của đèn vonfram mà tính chất của nó gần với tính chất của vật đen tuyệt đối, khi nung nóng đến sáng trắng sẽ phát ra bức

xạ liên tục, bức xạ này có năng lượng phụ thuộc vào nhiệt độ ở lũy thừa bậc bốn

và công suất bức xạ ở một nhiệt độ nhất định lại phụ thuộc vào độ dài sóng ở lũy thừa bậc năm Nói chung nhiệt độ làm việc của sợi vonfram đạt được gần đến 2870K, phần chính của năng lượng do vậy được phát xạ trong vùng hồng ngoại, người ta dùng đèn với sợi vonfram trong khoảng bước sóng từ 320nm đến 2500nm Để đèn cho bức xạ liên tục và ổn định trong vùng khả kiến phải có sự kiểm tra nghiêm ngặt về hiệu thế, thường dùng máy biến thế có hiệu thế cố định hoặc một ắc quy để cung cấp cho đèn một nguồn ổn định

• Bộ phận tạo bức xạ đơn sắc:

Kính lọc sáng có khả năng hấp thụ một phần xác định của phổ và tách ra một chùm bức xạ, coi như tạo được một chùm tia đơn sắc, tuy nhiên độ đơn sắc

là không cao Các kính lọc sáng hay dùng là các thủy tinh màu hay các bản thủy tinh mà ở giữa các bản này người ta đặt những chất nhuộm được pha trong gelatin, tùy theo máy đo sẽ có các bộ kính lọc sáng ( kính màu ) với số lượng nhất định

Kính lọc giao thoa ánh sáng có thể tạo được dải sóng hẹp hơn ( khoảng 10nm ), được làm từ vật liệu trong suốt từ CaF2 hay MgF2, được đặt giữa hai bản thủy tinh mà bề mặt của chúng được phủ bằng các màng kim loại nửa trong suốt Bề dày của lớp vật liệu xác định độ dài sóng của bức xạ đi ra, được kiểm tra chặt chẽ Sự giao thoa ánh sáng thực hiện nhờ hai lớp kim loại, tạo dải truyền quang hẹp hơn, có nghĩa là có khả năng lớn hơn để tạo ra bước sóng mong muốn

so với kính lọc hấp thụ Các kính lọc giao thoa ánh sáng được sản xuất với các giải truyền quang trong khoảng từ vùng tử ngoại cho đến gần 6µm trong vùng hồng ngoại

• Cuvet đựng dung dịch đo:

Các cuvet được dùng trong các máy so màu quang điện thường được chế tạo từ thủy tinh, mặc dù các cuvet chất dẻo trong suốt cũng có một số ứng dụng Các cuvet phải được đặt hoàn toàn vuông góc với chùm sáng để làm giảm sự mất mát do phản xạ Độ tin cậy của phép đo cũng phụ thuộc nhiều vào cách làm việc đúng với cuvet Dấu vân tay, dầu mỡ và các chất bẩn làm thay đổi đáng kể khả năng truyền quang của chúng Do vậy nhất thiết phải làm sạch cuvet trước

và sau khi dùng Không được sấy cuvet trong tủ sấy hay hơ trên ngọn lửa Các cuvet thường phải được chuẩn hóa có hệ thống so với nhau nhờ dung dịch so sánh

• Đêtectơ:

Đêtectơ có nhiệm vụ biến đổi năng lượng bức xạ thành tín hiệu điện, trong các máy so màu quang điện hay dùng tế bào quang điện hay nhân quang điện Đêtectơ của bức xạ cần phải tác động lên bức xạ trong một vùng rộng của

bước sóng; phải nhạy với bức xạ có cường độ nhỏ và phản ứng nhanh với bức

xạ cho tín hiệu điện có thể dễ dàng khuyếch đại lên Quan trọng nhất là làm sao cho tín hiệu nhận được tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng đến, cụ thể như sau:

S = I.k + d Trong đó: S là tín hiệu của đêtectơ trong các đơn vị cường độ dòng, điện trở hay hiệu điện thế Hằng số k là số đo độ nhạy của đêtectơ trong các đơn vị của tín hiệu điện trên một đơn vị cường độ bức xạ Đại lượng d còn gọi là dòng tối ( dark current ), là một tín hiệu hằng định đối với đêtectơ khi không có bức xạ Giá trị của d thường không lớn, về nguyên tắc các máy với đêtectơ có dòng tối được trang bị một điện kế cho phép nhờ một tín hiệu ngược lại dẫn đến giá trị d bằng không Như vậy:

I = S/k

I0 = S0/k Trong đó S và S0 là các tín hiệu điện của đêtectơ khi bức xạ đi qua dung dịch phân tích và dung dịch so sánh ( dung dịch trống ) Thay các phương trình này vào phương trình định luật Lambe - Bia ta có:

lg( I0/I ) = lg( S0/S ) = D Với nguyên tắc hoạt động như vậy, có một số loại tế bào quang điện được đề cập dưới đây

Tế bào quang điện lớp chắn: được cấu tạo từ điện cực đồng hay sắt trên

đó có đưa vào vật liệu bán dẫn, bề mặt của chất bán dẫn được phủ một lớp màng trong suốt từ vàng bạc hay chì, màng này cũng chính là điện cực thứ hai hay điện cực thu nhận, tất cả hệ được bảo vệ bằng một vỏ bọc trong suốt Cơ chế hoạt động như sau: Khi chiếu một chùm sáng thì một số electron trong lớp chất bán dẫn có một năng lượng đủ lớn để vượt qua bản chắn và thâm nhập vào màng kim loại Nếu nối màng với bản theo một phía khác của lớp bán dẫn bằng sợi chỉ bên ngoài và nếu điện trở không quá lớn thì xuất hiện dòng điện, dòng điện này thường là đủ lớn hoặc có thể được khuyếch đại để đo bằng một điện kế hay một microampe kế Như vậy lực của dòng điện tỉ lệ với cường độ của bức xạ chiếu

vào tế bào quang điện, nói chung các dòng cỡ từ 10 đến 100µA Các tế bào quang điện lớp chắn chủ yếu được sử dụng để đo bức xạ trong vùng khả kiến, độ nhạy cực đại với bước sóng khoảng 550nm và giảm cho đến bước sóng khoảng 250nm và 750nm

Tế bào quang điện chân không ( Tế bào quang điện với hiệu ứng quang

điên ngoài ):

Tế bào quang điện bao gồm một catôt nửa hình ống và một anôt dây được đặt giữa một bình chân không Bề mặt lõm của catôt được phủ một lớp vật liệu nhạy ánh sáng và phát ra electron dưới tác dụng của bức xạ Sơ đồ trên hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ tế bào quang điện với hiệu ứng quang điện ngoài

1- Chỉ anot; 2- Catot nhạy quang; 3- Acquy; 4- Điện trở; 5- Bộ phận chỉ thị

Nếu đặt một hiệu điện thế vào các điện cực thì các electron bắn ra được hướng đến anôt, kết quả sẽ xuất hiện một dòng điện quang, sẽ được khuyếch đại

và cho tín hiệu đo Dòng điện nhận được gây ra sự giảm hiệu thế dọc theo điện trở R sau đó được khuyếch đại và đo nhờ bộ phận chỉ thị Bề mặt của catôt nhạy quang của tế bào quang điện được cấu tạo từ một kim loại kiềm hay oxyt của nó,

có khi là sự tổ hợp với oxyt của các kim loại khác; Vật liệu catôt xác định đặc tính quang phổ của tế bào quang điện

Các máy so màu quang điện do các hãng khác nhau sản xuất sẽ khác nhau

về độ phức tạp, các đặc tính làm việc và giá thành Không một máy nào có thể

xem là toàn năng mà việc chọn máy được xác định bằng loại công việc mà máy phải phục vụ Dưới đây là sơ đồ máy so màu quang điện một chùm tia và hai chùm tia

Hình 2.5 Sơ đồ máy so màu quang điện một và hai chùm tia

a) Máy một chùm tia: 1- Đèn vofram; 2- Màng di động để chuẩn hóa 100%T; 3- Cuvet chứa dung dịch so sánh; 4- Microampe kế; 5- Kính lọc sáng; 6- Cuvet chứa dung dịch phân tích; 7- Tế bào quang điện với hiệu ứng quang điện ngoài b) Máy hai chùm tia: 8- Gương; 9- Tế bào quang điện; 10- Điện kế để chuẩn hóa 100%T

Ở máy hai chùm tia dòng sáng được phân giải nhờ gương, một phần đi qua dung dịch phân tích, phần thứ hai đi qua dung dịch so sánh Bộ phận chỉ thị

tín hiệu là thang đo của độ truyền quang trong các đơn vị tuyến tính từ 0 đến

100, hoặc cũng có thể là thang đo mật độ quang D

2.3.3 Các máy quang phổ UV- VIS

Khác với máy so màu quang điện, các máy quang phổ UV-VIS hiện nay được thiết kế để đo phổ trong vùng tử ngoại và trông thấy, thường sử dụng lăng kính hay cách tử cho phép thay đổi một cách liên tục độ dài sóng; đêtectơ là nhân quang điện hay ống nhân quang điện

• Nguồn bức xạ:

Trong các máy quang phổ UV-VIS hiện nay thường trang bị 2 loại nguồn, trong vùng khả kiến thì dùng đèn vonfram W- Lamp, còn nguồn bức xạ tử ngoại được biết đến nhiều nhất là đèn hiđrô hay đèn đơteri D- Lamp Các đèn hiđrô hay đèn đơteri bức xạ một phổ liên tục do có sự chuyển các phân tử khí vào trạng thái kích thích Sự trở về trạng thái ban đầu có kèm theo sự phân hủy của phân tử bị kích thích để tạo ra photon của bức xạ tử ngoại và 2 nguyên tử hiđrô trong trạng thái cơ bản Năng lượng được hấp thụ tách ra ở hai dạng và chính là năng lượng động học của các nguyên tử hiđrô và năng lượng photon của bức xạ

tử ngoại Năng lượng động học cung cấp cho cả 2 nguyên tử hiđrô không bị lượng tử hóa, do vậy mà nhận được một phổ rộng của năng lượng các 2 nguyên

tử hiđrô

• Các nguồn tạo bức xạ đơn sắc ( máy tạo bức xạ đơn sắc ): làm nhiệm

vụ phân li bức xạ thành bức xạ đơn sắc có độ dài sóng khác nhau, có một số loại như sau :

- Máy tạo bức xạ đơn sắc bằng lăng kính

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống tạo bức xạ đơn sắc bằng lăng kính

1- Khe vào ; 2- Thấu kính tập hợp ; 3- Lăng kính ; 4- Thấu kính tiêu điểm;

5- Mặt phẳng tiêu điểm ; 6- Khe ra

Cơ chế hoạt động như sau: bức xạ đi qua khe vào được tập hợp vào thấu kính thành chùm tia song song và sau đó chiếu đến bề mặt của lăng kính dưới một góc xác định Trên cả 2 mặt của lăng kính xảy ra sự khúc xạ, bức xạ phân giải sau đó được tập trung trên một mặt phẳng hơi lõm trên đó có phân bố khe

ra Bằng cách quay lăng kính có thể hướng bức xạ với độ dài sóng cần thiết vào khe này Để có thể đạt được độ phân giải ánh sáng cao, còn có các biện pháp kỹ thuật nhất định; Tuy nhiên việc sử dụng máy tạo bức xạ đơn sắc với quang học thủy tinh chỉ giới hạn trong vùng khả kiến do thủy tinh hấp thụ bức xạ tử ngoại

- Máy tạo bức xạ đơn sắc bằng cách tử ( mạng lưới ):

Hình 2.7 Sự phân giải tạo chùm bức xạ đơn sắc trên mạng lưới phản xạ

Sự phân giải các bức xạ khả kiến, tử ngoại kể cả hồng ngoại có thể thực hiện được bằng cách cho chùm bức xạ đi qua cách tử trong suốt hay phản xạ bức

xạ từ một lưới phản xạ Các cách tử là một cục thủy tinh hay một vật liệu trong suốt khác trên đó có vạch ra các đường song song Khi có sự chiếu sáng cách tử bằng một chùm bức xạ đi qua khe thì mỗi vạch sẽ trở nên một nguồn bức xạ mới Kết quả giao thoa của nhiều chùm sáng thì bức xạ sẽ được phân giải thành các phần với các độ dài sóng khác nhau Nếu chùm bức xạ được tập trung trên một mặt phẳng ta sẽ nhận được một phổ mà dạng của nó lập lại dạng của khe vào Cách tử thích hợp để dùng trong các vùng khả kiến và tử ngoại có gần 600 vạch trên 1cm Các mạng lưới phản xạ nhận được bằng cách cắt các lỗ rãnh trên

bề mặt đã được đánh bóng của kim loại Tương tự, bức xạ được phản xạ từ mỗi phần lồi lên của mạng lưới và sự giao thoa của các chùm phản xạ sẽ gây ra sự phân giải bức xạ

Ngoài ra còn có các máy tạo bức xạ đơn sắc đôi, bao gồm từ hai cấu phần phân giải, có nghĩa là gồm hai lăng kính, hai mạng lưới hay lăng kính và mạng lưới Sự kết hợp này làm cho khả năng phân giải của máy tăng lên rất nhiều

• Cuvet: thường sử dụng cuvet thủy tinh cho vùng khả kiến, nếu đo trong

vùng tử ngoại thì phải dùng cuvet thạch anh

• Các đêtêctơ : Trong các máy UV-VIS thì đêtêctơ là các tế bào quang

điện với hiệu ứng quang điện ngoài hay các nhân quang điện

Trên hình 2.8 là sơ đồ cấu trúc của một nhân quang điện Bề mặt của catot

về thành phần không khác bề mặt catot của tế bào quang điện phát ra các electron khi chiếu sáng Nhân quang điện còn chứa các điện cực phụ được kí

Hình 2.8 Sơ đồ nhân quang điện

hiệu bằng số từ 1 đến 9 gọi là các đinot Hiệu thế trên đinot 1 dương hơn 90V so với trên catot, do vậy mà các electron được tăng tốc theo hướng của nó Khi đập lên đinot, mỗi electron gây ra sự phát xạ một số electron bổ sung, đến lượt các electron này lại hướng đến đinot 2 mà hiệu thế của nó dương hơn 90V so với hiệu thế của đinot 1 Một lần nữa cứ mỗi một electron đập lên bề mặt lại phát ra một số electron Khi quá trình này lặp lại 9 lần thì cứ mỗi một photon nhận được

106 → 109 electron Tập hợp các electron này cuối cùng hướng tới anot, dòng điện được tăng cường nhận được này đi qua điện trở R, sau đó có thể khuyếch đại bổ sung và được đo

Tương tự như các máy so màu quang điện, các máy UV-VIS giống nhau ở

sơ đồ khối nhưng sẽ khác nhau về độ phức tạp, các đặc tính làm việc và giá thành Trong các máy hai chùm tia, bằng cách nào đó chùm sáng được chia đôi hoặc ở giữa máy tạo bức xạ đơn sắc hoặc theo lối ra khỏi máy này : một chùm đi qua dung dịch phân tích và một chùm khác đi qua dung dịch so sánh Trong một

số máy, người ta so sánh cường độ của cả hai chùm nhờ một hệ đôi của các đêtêctơ và các bộ khuyếch đại sao cho nhận được ngay mật độ quang hay độ truyền quang Trong các máy khác, bức xạ của nguồn được tách ra một cách cơ học và các xung ánh sáng lần lượt đi qua các dung dịch phân tích và dung dịch

so sánh Sau đó chùm sáng cuối cùng được cấu tạo lại và rơi vào một đêtêctơ, qua bộ phận khuyếch đại và cuối cùng cho nhận tín hiệu đo là mật độ quang hay

độ truyền quang

2.3.4 Các máy quang phổ hồng ngoại IR

Các máy IR có cấu trúc tương tự như máy UV-VIS, trong đó nguồn bức

xạ liên tục là đèn vonfram cho bức xạ có bước sóng < 2µm); đèn Nernst cho bức

xạ có bước sóng trong khoảng 0,4 ÷ 20µm, là dây lò xo từ oxit ziriconi và ytri được nung nóng bằng dòng điện đến 1500oC hoặc Globar, là dây lò xo từ cacbit silic cho bức xạ có bước sóng trong khoảng 1 ÷ 4µm khi được nung nóng bằng dòng điện đến 1500oC hoặc cũng có thể là dây Nicrom ( Ni + Cr )

Đối với vùng hồng ngoại trong đó thủy tinh và thạch anh không trong suốt thì người ta chế tạo các lăng kính từ vật liệu như natri clorua, liti florua, canxi florua hay kali bromua Các vật liệu này cũng dùng để tạo cuvet hay tạo mẫu đo phổ hồng ngoại Tuy nhiên những chất này chịu sự phân hủy cơ học và tương tác của hơi nước, do vậy khi làm việc với chúng phải có các biện pháp kỹ thuật thích hợp

Các máy IR nói chung đều là hệ thống hai chùm tia vì thường sử dụng để thăm dò và ghi một vùng rộng của phổ

2.4 Các phương pháp phân tích định tính và định lượng

Phổ hấp thụ phân tử được dùng rộng rãi trong các phép phân tích định tính và định lượng Để nhận biết các hợp chất, nhất là các hợp chất hữu cơ thì phổ hồng ngoại IR có ý nghĩa đặc biệt vì chúng có chứa một lượng lớn các pic hẹp, đặc trưng cho chất, mỗi hợp chất hữu cơ lại có một cấu trúc phổ tinh vi Ngược lại phổ hấp thụ trong vùng khả kiến và tử ngoại thường gồm các dải phổ

bị dãn rộng, điều này làm che mất các cấu trúc tinh vi của chúng nên không thích hợp để nhận biết nhưng lại có giá trị quan trọng để phân tích định lượng

Ngoài ra những nghiên cứu quang phổ trong vùng này thường cho thông báo định tính bổ ích về sự có mặt hay không có mặt của một số nhóm chức trong các hợp chất hữu cơ ( như nhóm cacbonyl; vòng thơm ; nhóm nitro hay liên kết đôi liên hợp…) Một ứng dụng quan trọng khác của phổ hấp thụ phân tử là phát hiện hỗn hợp hấp thụ mạnh trong môi trường không hấp thụ, nếu hệ số hấp thụ trong cực đại hấp thụ đủ lớn thì dễ dàng thiết lập sự có mặt những lượng vết nhiễm bẩn Hình 2.9 và 2.10 cho thấy phổ hấp thụ của một số chất

Hình 2.9 Một số phổ hấp thụ tử ngoại

1- Hơi natri; 2- Hơi benzen; 3- Benzen trong hexan ; 4- dyphenyl trong hexan

Hình 2.10 Phổ hồng ngoại của anđehyt CH 3 CH 2 CH 2 CHO

1- Các dao động hóa trị của liên kết C- H của nhóm metyl; 2- Các dao động hóa trị của liên kết C- H của nhóm anđehyt; 3- Các dao động hóa trị của liên kết C=O; 4- Các dao động biến dạng của liên kết C- H của nhóm anđehyt

Dưới đây chúng ta chủ yếu đề cập đến phương pháp phân tích định lượng cho các máy so màu quang điện hay máy UV-VIS, còn gọi là các phương pháp trắc quang phân tử hay đo quang Còn các phương pháp phổ hồng ngoại IR sẽ có chuyên đề riêng

Để phân tích định lượng trắc quang phân tử, có hai phương pháp hay được sử dụng là phương pháp đường chuẩn; phương pháp thêm chuẩn; ngoài ra còn có phương pháp vi sai Tuy nhiên trước khi thực hiện các phương pháp này, người phân tích phải tìm được các điều kiện tối ưu cho sự làm việc của máy đo,

xác định bước sóng cực đại λ max và khoảng tuyến tính của nồng độ

2.4.1 Phân tích định lượng bằng phương pháp đường chuẩn

Khi phân tích hàng loạt nhiều mẫu, người ta thường sử dụng phương pháp đường tiêu chuẩn, phương pháp này cho phép phân tích và tính toán kết quả nhanh, có thể triệt tiêu được các sai số hệ thống, thường được lập trình sẵn trong các phần mềm điều khiển của máy Quy trình thực hiện như sau :

● Chuẩn bị một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ chính xác, tăng dần nhất định C1, C2, C3, C4, C5, C6 của chất chuẩn phân tích, chất chuẩn phân tích X đã được đưa về dạng phức màu bằng thuốc thử thích hợp

● Đo mật độ quang D1, D2, D3,D4,D5,D6 của các dung dịch chuẩn tại bước

sóng λ max đã khảo sát

● Xây dựng đường chuẩn D = f(C)

● Chuẩn bị mẫu trong điều kiện tương tự, đo mật độ quang Dx

● Dựa vào đường chuẩn suy ra nồng độ Cx

2.4.2 Phân tích định lượng bằng phương pháp thêm chuẩn

● Đo mật độ quang của dung dịch phân tích Dx

● Thêm một lượng chất chuẩn a vào dung dịch phân tích, đo mật độ quang

Dx+a từ các giá trị đo được, xác định nồng độ của mẫu Cx

x a x

x a x

a x x

a x

x

D D

D C C

D

D C

đi qua dung dịch do các hạt keo hấp thụ mất một phần gọi là phương pháp hấp đục

Hình 2.11 Đường đi của tia sáng qua hệ keo

I 0 - cường độ dòng sáng ban đầu, I r - cường độ dòng khuyếch tán, I t - cường độ

dòng còn lại ra khỏi dung dịch

Cơ sở của phương pháp là sự phụ thuộc cường độ dòng khuyếch tán Ir (do các hạt huyền phù sinh ra) vào nồng độ dung dịch phân tích tuân theo phương trình Rơ-lây (Relay), có dạng rút gọn như sau:

Ir = I0K(N.V2/λ4) Trong đó: N - tổng số các hạt huyền phù trong dung dịch, tức là tỉ lệ với nồng độ chất phân tích

λ - bước sóng của ánh sáng tới I0

V- thể tích hạt huyền phù

K - hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào bản chất của dung dịch và điều kiện đo

Sự phụ thuộc này nói chung rất phức tạp, tùy thuộc vào điều kiện tiến hành thí nghiệm, tiến hành đo…, tuy nhiên nếu được khống chế nghiêm ngặt thì

đó là cơ sở của phương pháp phân tích định lượng

2.5.2 Phương pháp hấp đục

Cơ sở của phương pháp dựa trên sự đo cường độ dòng sáng It đi ra khỏi dung dịch phân tích Tỉ lệ I0/It tuân theo phương trình:

lg(I0/It) = k.Cbd3/( d4 + αλ4 ) trong đó: C - Nồng độ các phần tử ( hạt keo ) hấp thụ ánh sáng trong dung dịch

b - Chiều dày lớp dung dịch

d - Đường kính trung bình của các hạt keo

k, α - Những hệ số, tùy thuộc vào bản chất các hạt keo và phương pháp đo

λ - Bước sóng của ánh sáng tới I0

Nếu d, k, α, λ cố định thì:

lg(I0/It) = KbC

đó cũng là phương trình cơ bản của định luật Lambe-Bia, vậy trong phương

pháp hấp đục cũng dùng phép đo mật độ quang để phân tích định lượng

Dhấp đục = lg(I0/It) = KbC Tuy nhiên trong các phương pháp trắc quang độ đục, để có thể thu được

kết quả chính xác, có độ tin cậy cao cần phải tuân thủ rất nghiêm ngặt các điều

kiện thực nghiệm, cụ thể như:

- Các hạt keo ( huyền phù) phải ít tan

- Các hạt keo ( huyền phù) điều chế được phải đồng nhất

- Các hạt keo ( huyền phù) phải bền với thời gian, không bị lắng đọng

Để đạt được các điều kiện này lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố thực nghiệm như:

nồng độ, thứ tự, tốc độ khi cho chất phân tích và thuốc thử tác dụng với nhau để

tạo hạt huyền phù; Thời gian cần thiết để thu được độ đục cực đại hay độ ổn

định của hạt keo; sự có mặt của các chất lạ như chất trợ keo, chất điện giải ngoại

lai kể cả yếu tố nhiệt độ…

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ AAS

( ATOMIC ABSORPTION SPECTROMETRY ) 3.1 Cơ sở lí thuyết của phương pháp

3.1.1 Sự xuất hiện phổ hấp thụ nguyên tử

Như chúng ta đã biết, vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử và nguyên

tử là phần tử cơ bản nhỏ nhất còn giữ được tính chất của nguyên tố hóa học Trong điều kiện bình thường nguyên tử không thu và cũng không phát ra năng lượng, lúc này nguyên tử ở trạng thái cơ bản, đây là trạng thái bền vững và nghèo năng lượng nhất của nguyên tử Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự

do, nếu ta chiếu một chùm tia sáng có bước sóng xác định vào đám hơi nguyên

tử đó, thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định ứng đúng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ của

nó Lúc này nguyên tử đã nhận năng lượng của các tia bức xạ chiếu vào nó và chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản Quá trình này gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ của nguyên tử của nguyên tố đó, phổ sinh ra trong quá trình này được gọi là phổ hấp thụ nguyên tử

Nếu gọi năng lượng của tia sáng đã bị nguyên tử hấp thụ là ∆E thì:

∆E = Em - E0 = hυ = hc/λ Trong đó: E0 và Em là năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích m; h là hằng số Planck; c là tốc độ của ánh sáng trong chân không; υ và λ là tần số và bước sóng của vạch phổ hấp thụ

Như vậy ứng với mỗi giá trị năng lượng ∆Ei mà nguyên tử đã hấp thụ sẽ

có một vạch phổ hấp thụ với độ dài sóng λi đặc trưng cho quá trình đó, nghĩa là phổ hấp thụ nguyên tử là phổ vạch Nhưng nguyên tử không hấp thụ tất cả các bức xạ mà nó có thể phát ra trong quá trình phát xạ, quá trình hấp thụ chỉ xảy ra đối với các vạch phổ nhạy, các vạch phổ đặc trưng của các nguyên tố Đây chính

là sự khác nhau cơ bản khi muốn tạo phổ hấp thụ hay phổ phát xạ của nguyên tử: để tạo phổ phát xạ, phải kích thích nguyên tử bằng năng lượng Em, để tạo phổ

hấp thụ thì phải kích thích nguyên tử bằng chùm tia đơn sắc phù hợp Hình 3.1 cho thấy quá trình tạo phổ hấp thụ và phổ phát xạ của nguyên tử

Hình 3.1 Quá trình phát xạ và hấp thụ của nguyên tử

E 0 : năng lượng ở trạng thái cơ bản; E m : năng lượng ở trạng thái kích thích;

+hυ và ∆E : năng lượng kích thích; -hυ : tia phát xạ

Tóm lại, muốn có phổ hấp thụ nguyên tử trước hết phải tạo ra đám hơi nguyên tử tự do, sau đó chiếu vào nó một chùm sáng đơn sắc có bước sóng nhất định, ứng đúng với các tia phát xạ nhạy của nguyên tố cần nghiên cứu Khi này, nguyên tử tự do sẽ hấp thụ năng lượng của chùm tia đơn sắc và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử, dựa vào cường độ vạch phổ hấp thụ nguyên tử để phân tích định lượng Đây cũng chính là điều kiện quyết định cấu trúc của một máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS, chúng ta sẽ đề cập đến ở phần sau

3.1.2 Cường độ của vạch phổ hấp thụ

Khi nghiên cứu sự phụ thuộc của cường độ một vạch phổ hấp thụ của một nguyên tố vào nồng độ C của nguyên tố đó trong mẫu phân tích, lí thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng, trong một vùng nồng độ C nhỏ của chất phân tích, mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ hấp thụ và nồng độ N của nguyên tố đó trong đám hơi nguyên tử tự do cũng tuân theo định luật Lambe-Bia Nghĩa là

nếu chiếu một chùm sáng có cường độ ban đầu là I0 qua đám hơi nguyên tử tự

do của nguyên tố có nồng độ nguyên tử là N và bề dày là L cm, thì có:

I = I0 .e-(Kυ N L) (3.1) Trong đó Kυ là hệ số hấp thụ nguyên tử của vạch phổ tần số υ, Kυ đặc trưng riêng cho từng vạch phổ hấp thụ của mỗi nguyên tố

Như vậy nếu gọi D (hay A) là cường độ vạch phổ hấp thụ nguyên tử, chính là độ tắt của chùm sáng cường độ ban đầu là I0 qua môi trường hấp thụ, còn gọi là độ hấp thụ hay mật độ quang, thì có:

D = lg( I0/I ) = 2,303 Kυ N L (3.2) Trong các máy đo AAS, bề dày L phụ thuộc vào cấu trúc của máy, nên có thể coi như không đổi, vậy D chỉ phụ thuộc vào số nguyên tử N trong môi trường hấp thụ, khi này biểu thức (3.2) có thể viết là:

trong đó K là hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào các yếu tố: hệ số hấp thụ Kυ của vạch phổ hấp thụ; bề dày của môi trường hấp thụ và nhiệt độ của môi trường hấp thụ

Ngoài ra giữa số nguyên tử N của nguyên tố trong môi trường hấp thụ và nồng độ C của nguyên tố đó trong mẫu phân tích cũng có quan hệ nhất định, mối quan hệ này rất phức tạp, phụ thuộc vào điều kiện nguyên tử hóa mẫu; thành phần vật lý, hóa học, trạng thái tồn tại của nguyên tố trong mẫu Nhưng các kết quả thực nghiệm cũng đã chỉ ra rằng, trong một giới hạn nhất định của nồng độ

C thì mối quan hệ giữa N và C có thể biểu thị theo công thức:

Trong đó Ka là hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào tất cả các điều kiện thực nghiệm của phép đo phổ Hệ số b được gọi là hằng số bản chất, nó phụ thuộc vào từng vạch phổ của từng nguyên tố, b có giá trị bằng 1 và nhỏ hơn 1 Giá trị b

= 1 khi nồng độ C là nhỏ và ứng với mỗi vạch phổ của mỗi nguyên tố phân tích,

ta luôn tìm được một giá trị C = Co để b bắt đầu nhỏ hơn 1 Bây giờ có thể biểu diễn là:

Với C< Co thì luôn có b = 1 và khi C> Co thì b nhỏ hơn 1, giá trị Co được coi

là giới hạn của vùng tuyến tính Hình 3.2 dưới đây cho biết quan hệ giữa D và C; phương trình (3.5) được gọi là phương trình cơ sở của phép đo định lượng các nguyên tố theo phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

Hình 3.2 Quan hệ giữa D và C

3.2 Nguyên tắc và trang thiết bị của phép đo AAS

3.2.1 Nguyên tắc chung của phương pháp

Phương pháp phân tích dựa trên cơ sở đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố được gọi là phép đo phổ hấp thụ nguyên tử ( phép đo AAS ), cơ sở lí thuyết của phép đo như đã xét ở trên, là sự hấp thụ năng lượng (dạng bức xạ đơn sắc) của nguyên tử tự do ở trong trạng thái hơi ( khí ) khi chiếu chùm tia đơn sắc qua đám hơi nguyên tử tự do của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ Vì vậy muốn thực hiện phép đo AAS của một nguyên tố cần phải thực hiện các quá trình sau đây:

1 Chọn các điều kiện và một loại trang bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu ( rắn hay dung dịch ) thành trạng thái hơi của các

nguyên tử tự do Quá trình này gọi là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa

mẫu Những trang bị để thực hiện quá trình này được gọi là hệ thống nguyên tử

hóa mẫu Nhờ đó chúng ta có được đám hơi của các nguyên tử tự do của các nguyên tố trong mẫu phân tích, đám hơi này chính là môi trường hấp thụ bức xạ

và sinh ra phổ hấp thụ nguyên tử

2 Chiếu chùm tia bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử vừa điều chế được ở trên, các nguyên tử của nguyên tố cần phân tích trong đám hơi sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó Ở đây, phần cường độ của chùm tia bức xạ đã bị một loại nguyên tử hấp thụ là phụ thuộc vào nồng độ của nó trong môi trường hấp thụ Nguồn cung cấp

chùm tia bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích được gọi là nguồn bức

xạ đơn sắc hay bức xạ cộng hưởng

3 Tiếp theo, nhờ một hệ thống quang học, thu toàn bộ chùm sáng, phân li

và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần phân tích để đo cường độ của

nó Trong một giới hạn nhất định của nồng độ C, giá trị cường độ này là phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích theo phương trình (3.5) với b = 1

3.2.2 Sơ đồ hệ thống máy đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS

Ba quá trình trên chính là nguyên tắc của phép đo AAS, từ đó cũng quyết định các bộ phận cơ bản của máy đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS, bao gồm các phần sau:

1 Bộ phận thứ nhất là nguồn phát tia bức xạ đơn sắc (chính là vạch phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích) nên còn gọi là nguồn bức xạ cộng hưởng, để chiếu vào môi trường hấp thụ chứa các nguyên tử tự do của các nguyên tố trong mẫu phân tích Có các loại nguồn: Đèn catốt rỗng; đèn phóng điện không điện cực hay các nguồn phát bức xạ liên tục đã được biến điệu

2 Bộ phận thứ hai là hệ thống nguyên tử hóa mẫu phân tích, hệ thống này được chế tạo theo hai loại kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu, đó là:

- Kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa đèn khí, lúc này ta có phép

đo F - AAS Hệ thống này lại bao gồm bộ phận dẫn mẫu vào buồng aerôsol hóa mẫu để tạo thể sol khí và đèn để nguyên tử hóa mẫu, đốt cháy hỗn hợp khí có chứa mẫu ở thể huyền phù sol khí