Phân tích đặc trưng cơ bản của phổ hấp thụ nguyên tử và sử dụng phổ hấp thụ trong phân tích vật chất

Trong khoa học kĩ thuật từ trước đến nay phân tích vật chất vốn là một trong những vấn đề mà luôn được quan tâm và phát triển,… Cùng với sự phát triển của xã hội thì các phương pháp phân tích vật chất cũng được mở rộng và toàn diện hơn. Bài viết này sẽ giới thiệu tới chúng ta một trong những phương pháp phân tích được ứng dụng rất nhiều hiện nay, đó là phổ hấp thụ nguyên tử AAS, qua bài viết mọi người sẽ được tìm hiểu về những vấn đề cơ bản của phổ hấp thụ nguyên tử, các đặc trưng, ứng dụng của phổ này trong phân tích vật chất cũng như trong đời sống… để từ đó có cái nhìn tổng quan về phổ AAS nói riêng và phần nào về phân tích vật chất nói chung. Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất còn giữ được tính chất hóa học của nguyên tố. Nguyên tử bao gồm: ● Hạt nhân: gồm hạt proton và notron ( trừ hidro) ● Điện tử ( đám mây electron)

Đề tài: Phân tích đặc trưng cơ bản của phổ hấp thụ nguyên tử và sử dụng phổ hấp thụ

Ngô Văn Lâm

Giới thiệu:

Trong khoa học kĩ thuật từ trước đến nay phân tích vật chất vốn là một trong những vấn đề mà luôn được quan tâm

và phát triển,… Cùng với sự phát triển của xã hội thì các

phương pháp phân tích vật chất cũng được mở rộng và toàn diện hơn Bài viết này sẽ giới thiệu tới chúng ta một trong những phương pháp phân tích được ứng dụng rất nhiều hiện nay, đó là phổ hấp thụ nguyên tử AAS, qua bài viết mọi người

sẽ được tìm hiểu về những vấn đề cơ bản của phổ hấp thụ nguyên tử, các đặc trưng, ứng dụng của phổ này trong phân tích vật chất cũng như trong đời sống… để từ đó có cái nhìn tổng quan về phổ AAS nói riêng và phần nào về phân tích vật chất nói chung

I - Các đặc trưng cơ bản của phổ hấp thụ nguyên tử

II - Sử dụng phổ hấp thụ trong phân tích vật chất

Những nội dung chính:

I – Những đặc trưng cơ bản của phổ hấp

thụ nguyên tử

1 Cấu tạo nguyên tử

Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất còn

giữ được tính chất hóa học của

nguyên tố Nguyên tử bao gồm:

● Hạt nhân: gồm hạt proton và

notron ( trừ hidro)

● Điện tử ( đám mây electron)

- Nguyên tử của mỗi nguyên tố có cấu tạo khác nhau nên

chúng có tính chất khác nhau

- Lớp vỏ quyết định tính chất vật lí và hóa học, đặc biệt là các điện tử hóa trị

2 Sự hấp thụ của nguyên tử

Trong điều kiện bình thường, các điện tử chuyển động trên các quĩ đạo ứng với mức năng lượng thấp nhất trang thái này gọi là trạng thái cơ bản bền vững (nguyên tử không phát hoặc thu năng lượng)

Khi các nguyên tử ở dạng hơi và được cung cấp một năng lượng phù hợp dưới dạng bức xạ thì các điện tử hóa trị của nguyên tử này sẽ hấp thu năng lượng đó và nhảy lên mức năng lượng cao hơn, quá trình này được gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử tự

do ở trạng thái hơi

Mỗi loại nguyên tử sẽ hấp thu tối đa và chọn lọc ở một năng lượng bức xạ đặc trưng (bức xạ cộng hưởng) tùy theo cấu tạo hóa học của nguyên tử đó

3.Đặc trưng của phổ hấp thụ nguyên tử

3.1: Nguyên tắc

● dựa trên nguyên lý hấp thụ của hơi nguyên tử, phổ hấp thụ nguyên tử sinh ra do quá trình hấp thụ năng lượng phù hợp của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ nguyên tử của nguyên tố đó

● khi hấp thụ bức xạ cộng hưởng nguyên tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng mức cơ bản lên mức năng lượng gần trạng thái cơ bản nhất

● Mỗi nguyên tử của nguyên tố khác nhau thì có phổ hấp thụ khác nhau. ⟐ Năng lượng của nguyên tử hấp thụ

● quá trình hấp thụ chỉ xảy ra với những vạch phổ nhạy

●các vach phổ đặc trưng và các vạch cuối cùng của nguyên tố

3.2 Điều kiện hình thành phổ hấp thụ nguyên tử

Nguyên tử hóa: MeX ↔ Me + X

Ngoài ra còn có: MeO, MeOH, MeH làm giảm nồng độ Me

Hạn chế sự giảm nồng độ của nguyên tử nghiên cứu; tạo điều kiện cho bầu khí có tính khử mạnh Thực hiện nguyên tử hóa tốt hay không

sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phân tích một nguyên tố

* Hiện nay người ta sử dụng các kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu sau

+ Nguyên tử hóa không ngọn lửa: kỹ thuật này bao gồm ba quá trình nối tiếp nhau là: sấy khô, tro hóa luyện mẫu, nguyên tử hóa để đo độ hấp thụ; thời gian thực hiện nhanh, kết quả có đô nhạy cao lên đến 0.1ng

+ Nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa đèn khí: kĩ thuật này ra đời cùng với

sự ra đời của phổ nguyên tử ngày nay kỹ thuật này được sử dụng ít vì độ nhạy của phép đo không cao, thường trong vùng 0.05-1ppm

Tùy thuộc vào kỹ thuật đo mà người ta chia thành phép đo phổ hấp thụ nguyên tử trong ngọn lửa và phép đo phổ hấp thụ không ngọn lửa

3.3 thiết bị đo phổ hấp thụ nguyên tử

Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử PinAAcle 900F Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS AAnalyst 200

- Thu toàn bộ chùm sáng, phân li và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần

nghiên cứu để đo cường độ Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử.

3.3.2: Phân loại thiết bị

● Phần 2: Hệ thống nguyên tử hóa mẫu phân tích

Để nguyên tử hóa mẫu, trong phép đo phổ hấp thụ nguyên

tử người ta thường dùng hai kỹ thuật khác nhau Đó là kĩ

thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa của đèn khí và kĩ thuật

nguyên tử hóa không ngọn lửa Ứng với hai kĩ thuật nguyên

tử hóa trên có hai loại dụng cụ để nguyên tử hóa mẫu.

+Kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa:

Bộ phận dẫn mẫu vào buồng aerosol hóa, thực

hiện quá trình aerosol hóa mẫu, tạo thể sợi khí mẫu.

Đèn nguyên tử hóa mẫu, đốt cháy hỗn hợp khí có

chứa mẫu ở thể huyền phù sol khí.

Buồng aerosol hóa

+Kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn

lửa:

- Dùng lò nung nhỏ bằng graphit

( cuvet graphit) hay thuyền tangtan

(Ta) để nguyên tử hóa mẫu nhờ

nguồn năng lượng điện có thế thấp

( nhỏ hơn 12V) nhưng có dòng rất cao

(50 – 800A)

Hình: Lò nung furnace và cuvet grafit

● Phần 3: Hệ thống máy quang phổ hấp thụ

Hệ thống là bộ đơn sắc có nhiệm vụ thu, phân li và chọn tia sáng (vạch phổ) cần đo hướng vào nhân quang điện để phát tín hiệu hấp thụ AAS của vạch phổ

Cấu tạo gồm 3 phần:

- Hệ chuẩn trực, để chuẩn trực tia sáng vào

- Hệ thống tán sắc (phân li ) để phân li chùm sáng đa sắc thành đơn sắc

- Hệ buồng tối (buồng ảnh) hội tụ, để hội tụ các tia sáng cùng bước sóng lại

Đặc trưng cho hệ quang của máy AAS là các thông số

- Độ tán sắc góc.

- Độ tán sắc dài.

- Độ phân giải (tán sắc).

- Vùng phổ làm việc của hệ.

● Phần 4: Hệ thống chỉ thị tín hiệu hấp thụ của vạch phổ

Hệ thống gồm:

- Điện kế chỉ năng lượng hấp thụ (E) của vạch phổ.

- Một máy tự ghi lực của vạch phổ.

- Bộ hiện số digital.

- Bộ máy tính và máy in.

- Máy phân tích (Intergrator).

3.3.2.1 Máy quang phổ hấp thụ một chùm tia

Nguồn sáng ( từ đèn Catot rỗng hoặc đèn EDL) phát bức xạ một phổ đăc trưng cho từng nguyên tố truyền qua buồng mẫu đi vào máy đơn sắc

3.2.2.2 Máy quang phổ hấp thụ hai chùm tia.

Nguồn sáng từ đèn được chia thành hai chùm, chùm mẫu được hội tụ chuyển qua buồng mẫu và chùm đối chứng được hội tụ và được chuyền trực tiếp vòng qua buồng mẫu Trong hệ máy hai chùm, tín hiệu ghi lại tiêu biểu chi tỉ lệ chùm mẫu và chùm đối chứng Do đó, sự thay đổi ở cường độ nguồn gây ra sự thay đổi ở thiết bị ghi tín hiệu, và vì vậy tăng tính ổn định

3.3.4: Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo AAS

Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo phổ hấp thụ phân tử rất đa dạng và phức tạp, trên thực tế người ta xét đến tất cả các yếu tố đó và chia chúng thành 6 nhóm sau:

• Nhóm 1: các thông số của hệ máy ảo phổ ( cần được khảo sát và chọn cho từng trường hợp cụ thể)

• Nhóm 2: các điều kiện nguyên tử hóa mẫu( phụ thuộc vào kỹ

thuật nguyên tử hóa mẫu)

• Nhóm 3: kỹ thuật và phương pháp được chọn để xử lí mẫu, tùy từng loại mẫu mà cần chọn phương pháp xử lí hợp lí

3.4: Ưu – nhược điểm của phổ hấp thụ nguyên tử

•Ưu điểm:

- Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc cao

- Tốn ít nguyên liệu, tốn ít thời gian không cần dùng nhiều hóa chất tinh khiết khi làm giàu mẫu do độ nhạy cao nên nhiều trường hợp không cần làm giàu mẫu

- Tránh được sự nhiễm bẩn mẫu khi qua các giai đoạn phức tạp

- Các kết quả có thể lưu được trên máy tính

- Có thể xác định đồng thời hoặc liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu, kết quả ổn định, sai số nhỏ

•Nhược điểm:

- Phương pháp này chỉ cho biết thành phần nguyên tố của chất trong mẫu phân tích mà không chỉ ra trạng thái liên kết của nguyên tố trong mẫu

- Đối tượng chính của phương pháp là phân tích lượng nhỏ các kim loại trong nhiều đối tượng mẫu khác nhau của các chất vô cơ và hữu

- Với các trang thiết bị hiện nay, bằng phương pháp phân tích này người ta có thể đinh

lượng hầu hết các kim loại và một số á kim đến giới hạn nồng độ cỡ ppm bằng ki thuật

F-AAS và đến nồng độ ppb bằng kĩ thuật ETA-F-AAS với sai số phân tích dao động trong

khoảng 3 – 10%.

- Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử được sử dụng khá phổ biến để xác định các kim loại trong mẫu quặng, đất, đám nước khoáng,dầu mỏ, các mẫu y học, sinh học, các sản phẩm nông nghiệp, rau quả, thực phẩm, nược uống, các nguyên tố vi lượng trong phân bón, thức ăn gia súc …

- Phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử đang được phát triển rất nhanh, không những

để phân tích các kim loại, mà phương hướng đang phát triển nhất hiện nay là nghiên cứu xác định các chất hữu cơ, như các hợp chất halogen, lưu huỳnh, photpho Nó cũng đã và đang sử dụng như một công cụ phân tích cho nhiều nghành khoa học và kinh tế.

3.5: Đối tượng của phương pháp.

II - sử dụng phổ hấp thụ nguyên tử

trong phân tích vật chất

Nhờ những ưu điểm của phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử mà phương pháp này được ứng dụng nhiều trong phân tích vật chất

Trong phân tích định tính phương pháp không được sử dụng mà ứng dụng chủ yếu của AAS là để phân tích định lượng vật chất do phương pháp này có độ nhay cao, khả năng phân tích tốt,… vì thế ở đây chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu về việc sử dụng phổ hấp thụ nguyên tử trong phân tích định lượng

1 Khái quát phương pháp

Định lượng vật chất dựa trên phổ hấp thụ nguyên tử là phương pháp xác định nồng độ hay hàm lượng của một hay nhiều nguyên tố trong mẫu phân tích bằng cách đo độ hấp thu bức xạ bởi nguyên tử tự do của nguyên tố được hóa hơi từ mẫu phân tích

1.1 Nguyên tắc của phương pháp

Phương trình cơ sở của phép định lượng các nguyên tố theo phổ

1.2 Độ nhạy của phương pháp AAS

Độ nhạy là một đại lượng chỉ ra khả năng của một phương pháp phân tích theo một kĩ thuật đo nào đó được áp dụng cho phương pháp phân tích đó Phương pháp phân tích có độ nhạy cao tức là nồng độ giới hạn dưới có thể phân tích được là nhỏ.

Độ nhạy của phương pháp định lượng theo aas cũng phụ thuộc vào các yếu tố:

● Đặc trưng kỹ thuật của hệ thống máy đo ● Các điều kiện và kỹ thuật thực hiện nguyên tử hóa mẫu ● Khả năng và tính chất hấp thụ bức xạ của mỗi vạch phổ, của mỗi nguyên tố, sự hấp thụ càng tố thì phép đo càng nhạy

1.3 bổ chính (loại trừ) nền trong định lượng bằng aas

- Phổ hấp thụ của nguyên tử luôn có phổ nền kèm theo Nghĩa là tại vị trí vạch phổ cũng có cường độ nền cộng thêm vào Trong phân tích nồng độ nhỏ (mức độ ppm hay ppb) thì phần của phổ nền cũng khá lớn, phổ nền này là:

+ Phổ liên tục, che vạch phổ AAS chính cần đo,

+ Tăng dần từ sóng ngắn sang sóng dài,

Hiện nay có 4 phương pháp để bổ chính (loại trừ) phổ nền:

1 Phương pháp 2 vạch phổ

2 Phương pháp dùng nguồn sáng liên tục để bổ chính

3 Phương pháp dựa theo hiệu ứng Zeeman

4 Phương pháp dùng nguồn đơn sắc hoạt động theo 2 chế độ dòng Mỗi phương pháp thì có các ưu nhược điểm riêng Tùy từng yêu cầu cụ thể mà người ta chọn phương pháp bổ chính nền phù hợp

1.4 Tối ưu hóa các điều kiện của phép đo AAS

Để đảm bảo độ chính xác và ổn định của phép đo thì chúng ta cần tối ưu hóa các điều kiện phân tích:

+Máy đo có thông số đáp ứng được yêu cầu phân tích

+Điều kiên nguyên tử hóa mẫu thích hợp, phụ thuộc vào kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu

+Loại bỏ hoặc giảm tối đa các yếu tố ảnh hưởng bao gồm các yếu tố về vật lí, hóa học, thành phần nền của mẫu

+Quy trình xử lí mẫu phù hợp

+Phương pháp chuẩn hóa để định lượng hợp lí

2 Các phương pháp định lượng của phổ hấp thụ

nguyên tử

Để định lượng một nguyên tố trong mẫu phân tích người ta có thể dùng các phương pháp sau:

1 Phương pháp đường chuẩn

2.Phương pháp thêm tiêu chuẩn

3.Phương pháp đồ thị không đổi

4.Phương pháp dùng một mẫu chuẩn

2.1 Phương pháp đồ thị chuẩn ( đường chuẩn).

Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiên và rất thích hợp với việc phân tích hàng loạt mẫu của cùng một nguyên tố, đó là ưu điểm của phương pháp này Song trong nhiều trường hợp chúng ta không thể chuẩn bị được 1 dãy mẫu đầu thỏa mãn các điều kiện đã qua định cho phương pháp này nên không xác định được chính xác các vị trí của

đường chuẩn

Nguyên tắc của phương pháp này dựa vào phương trình cơ bản của phép đo A=K.C và một dãy mẫu đầu ( ít nhất là 3 mẫu đầu ) để dựng một đường chuẩn và sau đó nhờ đường chuẩn này và giá trị Ax để xác định nồng độ Cx của nguyên tố cần phân tích trong mẫu đo phổ, rồi từ đó tính nồng độ của nó trong mẫu phân tích

2.2 Phương pháp thêm tiêu chuẩn.

Nguyên tắc của phương pháp này là dùng ngay mẫu phân tích làm nền để chuẩn bị một dãy mẫu đầu, băng cách lấy một lượng mẫu phân tích nhất định

và gia thêm vào đó những lượng nhất đinh của nguyên tố cần xác đinh theo từng bậc nồng độ (theo cấp số cộng) )

Sau đó chọn các điều kiện thí nghiệm phù hợp và một vạch phổ của

nguyên tố phân tích, tiến hành ghi cường độ hấp thụ của vạch phổ đó theo tất cả dãy mẫu đầu Xây dựng đường chuẩn

Phương pháp này được sử dụng rất nhiều trong phân tích lượng vết và lượng cực nhỏ các nguyên tố kim loại trong các mẫu khác nhau đăc biệt là các loại mẫu có thành phần vật lí và hóa học phức tạp, các mẫu quặng đa kim.

2.3 Phương pháp đồ thị không đổi

- Nguyên tắc của phương pháp là muốn xác định một nguyên tố nào đó, trước hết người ta phải dựng một đường chuẩn như trong phương pháp ba mẫu đầu, phương pháp đường chuẩn Đường

chuẩn này gọi là đường chuẩn cố định và được dùng lâu dài Dựa

vào đường chuẩn này để xác định, định lượng

- Phương pháp có ưu điểm là dùng được cho hàng loạt mẫu trong nhiều ngày vì mỗi ngày chúng ta không phải ghi lại phổ tiết kiệm được thời gian và tính kinh tế nhưng nhược điểm cua nó là phải xây dựng một dãy mẫu chuẩn ban đầu đầy đủ

Khi có mẫu chuẩn: Ta chỉ cần đo A1 mẫu chuẩn của chất cần phân tích đã biết nồng độ C1 và Ax của chất phân tích Sau đó Cxcủa chất cần phân tích.

Nghĩa là chúng ta có: Với mẫu phân tích: Ax=a.Cx

Với mẫu đầu: A1=a.C1

Cx = AxC1 /λ A1

Khi không có mẫu chuẩn: Ta tiến hành tương tự như

phương pháp thêm, chỉ khác không cần pha một dãy chuẩn Nhưng một điều cần chú ý là thêm vào và các giá trị Cx phải nằm trong vùng tuyến tính của phương pháp

2.4 Phương pháp dùng một mẫu chuẩn

3 Các phương pháp phân tích theo AAS

Tùy theo tính chất đặc trưng của các loại mẫu và các yếu tố ảnh hưởng mà người ta chia cách phân tích định lượng dựa trên phổ hấp thụ nguyên tử thành hai loại:

+ Các phương pháp phân tích trực tiếp: dùng cho chất có phổ aas và phổ aas mạnh, dùng chủ yếu trong phân tích các kim loại trong các mẫu vô cơ và hữu cơ

+ Các phương pháp phân tích gián tiếp: dùng cho chất có phổ aas yếu hoặc không có phổ aas dùng để phân tích các anion và một

số chất hữu cơ

4 Một số ứng dụng quang phổ hấp thụ nguyên tử trong phân tích vật chất

Trong y tế: dùng để định lượng các nguyên tố như crom,…

các nguyên tố vi lượng như magie, kẽm, can xi,…

Trong thực phẩm: phân tích Na, Ca, Fe,…

Trong thủy sản: xác định lượng chì

Trong xử lí nước: phân tích asen

Trong sản xuất phân bón: phân tích P, S, Zn

…

Kết luận:

Qua bài thuyết trình ta có thể biết được:

1 Các đặc trưng của phổ hấp thụ nguyên tử

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân tích vật chất của phổ hấp thụ nguyên tử.

3 Các ứng dụng của phổ hấp thụ nguyên tử trong phân tích định lượng vật chất và các ngành mà có sử dụng phổ hấp thụ nguyên

tử