Các phương pháp phân tích quang phổ

 Nghiên cứu các phương pháp tách và làm giàu các cấu tử  Đảm bảo việc kiểm tra bằng phân tích hóa học trong quá trình tiến... thành phần định tính, định lượng các chất trong mẫu phân t

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÔNG CỤ

 Trần Tứ Hiếu, Từ Vọng Nghi, Nguyễn Văn Ri, Nguyễn Xuân Trung

(2003), Hóa học phân tích (Phần 2: Các phương pháp phân tích

công cụ) Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

 John Kenedy (1995), Analytical Chemistry, Part Electrochemistry,

USA (bản dịch tiếng Việt).

 David Harvey (2000), Modern Analytical Chemistry , Chapter 11,

thuyết riêng của các phương pháp hiện có và sẽ được xây dựng.

2 Nhiệm vụ của HHPT:

 Phát triển lý thuyết, nghiên cứu và hoàn thiện các phương pháp

phân tích hóa học và các thủ thuật.

 Nghiên cứu các phương pháp tách và làm giàu các cấu tử

 Đảm bảo việc kiểm tra bằng phân tích hóa học trong quá trình tiến

Hình 1 Phân loại các PPPT định lượng

4

thành phần định tính, định lượng các chất trong mẫu phân tích

- Các thông tin thu nhận qua việc xác định thể tích dung dịch, thể tích khí, khối lượng dạng cân

- Cách thu nhận thông tin bằng cảm quan của người phân tích

( quan sát sự thay đổi màu sắc, đọc bằng mắt )

- Các công cụ để tiến hành phân tích đơn giản, thao tác bằng tay

 Các phương pháp phân tích hoá học

những hạn chế như sau:

- Độ nhạy của phương pháp phân tích thường thấp (>10 -4 M)

- Kết quả phân tích thường có độ chính xác không cao (sai số lớn)

- Độ chọn lọc của phương pháp thấp do bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố

- Lượng hoá chất, thuốc thử, chất chuẩn, mẫu phân tích tốn kém nhiều

- Tốn nhiều thời gian phân tích

- Khó áp dụng việc tự động hoá quá trình phân tích

phân tích lượng lớn (thành phần chính) và các đối tượng có thành phần đơn giản

• Nhu cầu phát triển các phương pháp phân tích hoá – lý:

+ Với sự phát triển của các ngành, nghề, lĩnh vực xã hội => yêu cầu phân tích phải cho kết quả nhanh, độ chính xác cao và đặc biệt phân tích hàm lượng nhỏ ( cỡ vết và siêu vết)

VD: theo tiêu chuẩn của bộ y tế As(III) < 0.01 mg/L

Ni < 0.002 mg/L

Hg < 0.5 µg/L

=> Nghiên cứu phát triển các phương pháp phân tích hoá - lý (còn gọi là các phương pháp phân tích công cụ), các phương pháp này dựa trên sự tương quan giữa thành phần (định tính, định lượng) và tính chất vật lý, hoá lý của chất phân tích

8

- Quang phổ hấp thụ phân tử (Ultra Violet – Visible – UV-Vis);

- Quang phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy – IS);

- Phổ huỳnh quang phân tử (Molecular Fluorescein Spectroscopy – MFS).

3.2.2 Quang phổ nguyên tử

- Hấp thụ nguyên tử (Atomic Absortion Spectroscopy – AAS);

- Phát xạ nguyên tử (Atomic Emission Spectroscopy – AES);

- Các PPPT điện lượng (Coulometric Methods of Analysis);

- Các PPPT Von- ampe (Voltammetric Methods of Analysi s).

- Chưng cất (Distilation)

- Các phương pháp chiết

+ Chiết lỏng lỏng (Liquid-Liquid Extraction, LLE);

+ Chiết pha rắn (Solid Phase Extraction, SPE),

- Độ lặp lại (Precision) và độ hồi phục (Reproducibility) tốt;

- Chi phí thiết bị và phân tích đắt tiền;

- Người phân tích cần có trình độ chuyên môn cao.

12

- Những ưu điểm của PPPT công cụ;

- Sự phát triển của các ngành vật lý, hoá lý và công nghệ thông tin;

- Sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ cao: vật liệu (nano); điện tử; chế tạo ,

5 Phổ hấp thụ

nguyên tử Atomic absorption spectrometry AAS

tính chất quang học của chất phân tích (nguyên tử, ion, phân tử, nhóm chức, ) như: - Tính chất hấp thụ quang;

khác hấp phụ và vì vậy, cần đo bằng thiết bị chân không.

- Khi 200   < 400 nm: ánh sáng vùng tử ngoại Chia làm 2 vùng:

E = h Trong đó, h: hằng số Plank 6,62.10 –27 erg.giây;

Mỗi tương tác có thể đặc trưng cho một tính chất nào đó của vật chất

tử ngoại sẽ làm kích thích hệ electron của phân tử Ở trạng thái kích thích, phân tử không bền Sau thời gian ngắn (10 –8 s) phân tử trở lại trạng thái ban đầu Khi trở lại nó sẽ tỏa ra năng lượng (E) ở 3 dạng:

 E giải tỏa gây ra biến đổi hóa học của chất – ngành Quang hóa

Ví dụ Fe(SCN) 3 tự oxy hóa dưới tác dụng của ánh sáng

Fe 3+  Fe 2+ và 2SCN –  (SCN) 2

 E giải tỏa có thể thoát ra dưới dạng ánh sáng Do mất đi một phần

phân tích quang phổ hấp thụ phân tử.

- h

1 Sự xuất hiện của phổ hấp phụ phân tử

Phân tử được cấu tạo từ các nguyên tử theo những cách và kiểu liên kết nhất định của các điện tử hóa trị của các nguyên tố.

Các điện tử liên kết:

Trong Hydrocacbon no:

- Điện tử  có thể có trong liên kết C-C hoặc lk C-H

Trong Hydrocacbon chưa no:

- Điện tử  có trong lk đôi và lk ba: C = O, C = C , -C 

- Nếu phân tử có nối đôi liên hợp

– C = C – C = C – thì ưu tiên hấp thụ bức xạ có bước sóng dài hơn

Mô tả các mức năng lượng:

*

*n





1 Sự xuất hiện của phổ hấp phụ phân tử

- Khi phân tử nhận năng lượng ( bức xạ, nhiệt ), phân tử chuyên lên

trạng thái năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích (E*)

E t = E t * - E o = (E* e - E o ) + (E* v - E ov ) + (E* r – E or )

= E e + E v + E r

Sự hấp thụ năng lượng bx tương ứng với bước chuyển mức năng lượng nào thì sẽ tao ra loại phổ hấp thụ phân tử tương ứng:

E e : Phổ hấp thụ phân tử UV-VIS E v : Phổ dao động phân tử

E r : Phổ quay phân tử

=> Phổ UV- VIS đgl phổ điện tử hay là phổ electron

1 Sự xuất hiện của phổ hấp phụ phân tử

E e >> E v >> E r

E t = E e

Kết luận

• Phổ UV – VIS là phổ do sự tương tác của các điện tử hóa trị ở trong

phân tử hay nhóm phân tử của chất với chùm tia sáng kích thích thích hợp tạo ra

• Nó là phổ của tổ hợp sự dịch chuyển mức năng lượng của các

điện tử hóa trị trong liên kết ,  và đôi điện tử n cùng với sự quay

sự dao động của phân tử.

1 Sự xuất hiện của phổ hấp phụ phân tử

26

 Trong phổ các bức xạ điện từ, các tia tử ngoại và khả kiến chỉ

chiếm một phần rất hẹp:

bước sóng Tia UV xa  = 50  200 nm

Tia UV gần  = 200  400 nm

Tia Vis  = 400  800 nm

2 Các vùng phổ

 Tia UV xa: Bức xạ này ít được dùng vì:

 Có năng lượng khá cao  làm phá vỡ liên kết trong các phân

tử

 Bị hầu hết các dung môi hấp thụ mạnh, nên có thể làm hoá

hơi dung môi

 Bị thạch anh (quartz) hấp thụ

 Ôxi trong không khí cũng hấp thụ mạnh bức xạ có  < 180

2 Các vùng phổ

 Tia UV gần và Vis thường được dùng vì:

 Làm thay đổi trạng thái năng lượng của điện tử trong

phân tử

 Thạch anh (quartz) không hấp thụ trong miền này.

 Các máy đo độ hấp thụ UV-Vis thường đo được các bức xạ

có bước sóng  = 190  1000 nm, dùng cuvet thạch anh

 Đối với tia Vis có thể dùng cuvet thuỷ tinh hoặc cuvet nhựa

trong suốt

2 Các vùng phổ

3 Các nhóm chức hoá học tham gia vào sự hấp thụ ánh sáng

Phương pháp UV-VIS muốn thực hiện được thì yêu cầu đầu tiên là dung dịch phải có màu.

Nếu dung dịch chưa có màu hoặc có màu mà màu đó không đápứng được  tiến hành lên màu dung dịch bằng các

thuốc thử thích hợp ( các thuốc thử thường là các chất có

chứa nhóm chức mang màu hoặc tăng màu…)

3 Các nhóm chức hoá học tham gia vào sự hấp thụ ánh sáng

Nhóm mang màu (chromophore)

 Các chất có mang các nhóm này chủ yếu hấp thụ các bức xạ có bước sóng >200 nm.

Nhóm tăng màu (auxochrome):

 Gồm các halogenua (Cl - , Br - , I - ); các alkyl (-CH 3 , -C 2 H 5 ); các

amin (-NH 2 , -NH-) và nhóm alcol (-OH),…

Các nhóm này hấp thụ bức xạ có  < 200 nm

 Một hợp chất chứa nhóm tăng màu và nhóm mang màu làm

cho sự hấp thụ của hợp chất chuyển về phía có  dài hơn.

3 Các nhóm chức hoá học tham gia vào sự hấp thụ ánh sáng

4 Định luật cơ bản (Định luật Bouguer – Lambert – Beer)

Khi chiếu một dòng ánh sáng qua dung dịch chất hấp thụ ánh sáng thì chất đó sẽ hấp thụ chọn lọc một số tia sáng tủy theo màu sắc của chất

34

I o I 1 I 2 I

L

4 Định luật cơ bản (Định luật Bouguer – Lambert – Beer)

Giữa màu sắc của chất và khả năng hấp thụ các tia sáng của nó được mô tả qua giản đố màu (xem hình 1.1).

Ví dụ: Một chất có màu tím thì hấp thụ các

tia sáng lục ánh vàng (: 560 – 575 nm) và

ngược lại

Trong bảng màu, màu đối diện nhau:

- Gọi là màu bù nhau;

400

450

500

490 480

560 750

Hình 1.1.b Giản đồ màu

Giả sử chiếu một chùm tia sáng có  xác định qua dung dịch chất màu có bề dày L (cm) (xem hình 1.2).

Phản ứng: X (chất PT) + R (T/thử)  XR (Phức màu)

Trong đó, I o và I là cường độ của ánh

sáng tới và ánh sáng ra khỏi dung dịch.

(cường độ ánh sáng được đo bằng E).

Giả sử dung dịch được chứa trong

cuvet có thể xem là các thành song song

 Qua lớp thứ L: I = I o / n L hay I o /I = n L

Lấy log hai vế ta có: lg(I o /I) = L lg(n)

- Đại lượng I/I o gọi là độ truyền qua (T), vậy T = I/I o

- Đại lượng lg(I o /I) gọi là độ hấp thụ quang của dung dịch (A) hay mật độ quang, vậy A = lg(I o /I) = L lg(n) = k L (1.1)

- Biểu thức (1.1) chính là định luật Bouguer – Lambert.

- Độ giảm cường độ ánh sáng phụ thuộc vào số trung tâm hấp thụ ánh sáng có trên đường ánh sáng đi qua.

Giả sử xét sự hấp thụ ánh sáng của một chất màu có thành phần và cấu trúc không đổi, nhưng nồng độ thay đổi (C 1 và C 2 , C 1 > C 2 – do pha loãng).

38

Do thành phần và cấu trúc không đổi nhưng C thay đổi nên khi quan sát từ trên xuống toàn bộ dung dịch thì A là không khác nhau, vậy:

A = k’ C L (1.2) Trong đó, k’ là hệ số tỷ lệ (ký hiệu là  - hệ số hấp thụ phân tử gam)

Theo định luật B – L – B ta có: A =  L C

Trong đó, C – nồng độ chất phân tích (mol/L – M);  – hệ số hấp thụ phân tử gam (phụ thuộc vào bước sóng); L – chiều dày lớp dung dịch chứa trong cuvet (cm).

 A = f(, L, C)

 Nếu đo A của một dung dịch và cùng

một cuvet (L, C = const)

 A = f(), gọi là đường biểu diễn độ

hấp thụ ánh sáng của dung dịch vào  của

ánh sáng tới (hình 1.3).

Hình 1.3 Độ hấp thụ của bromothymol xanh ở các bước sóng khác nhau.

 max

a

- Dùng để định tích chất, nhóm chức,

- Khi đo A thường chọn tại  max , vì độ nhạy cao

- Nếu a càng nhỏ thì càng tốt, vì sẽ có tính chọn lọc cao.

 Nếu đo A của một dãy dung dịch của một chất có nồng độ khác

nhau tại một bước sóng và cùng một cuvet (, , C = const)

 Độ hấp thụ có tính chất cộng tính

Giả sử đo A tại một bước sóng của dung dịch 1 (C 1 ) có A 1 , dung dịch 2 (C 2 ) có A2 và dung dịch 3 (C 1 +C 2 ) có A 3 :

- Nếu 2 dung dịch không tương tác: A 3 = A 1 + A 2

- Nếu 2 dung dịch có tương tác: A 3  A 1 + A 2 42

-  đặc trưng cho bản chất hấp thụ ánh sáng;

- Không phụ thuộc vào thể tích và bề dày của dung dịch;

- Phu thuộc vào bước sóng của dòng ánh sáng tới (I o )

-  dùng đẻ đánh giá độ nhạy của phương pháp UV-Vis.

- Thức nguyên của  là cm 2 milimol –1

- Cách xác định : Xem tài liệu trang 9 và 10 (HHPT – PHẦN 2)

Điều kiện ứng dụng định luật B – L – B

- Chùm tia sáng phải đơn sắc

7.1 Những dấu hiệu

Theo định luật B – L – B ta có: A =  L C

 Nếu đo tại một bước sóng và với một cuvet xác định  A = f(C)

Vậy, là một đường thẳng tuyến tính.

Trường hợp nếu nồng độ quá loãng hay quá đặc thì đường biểu diễn sẽ cong (không tuyến tính)

7.2 Những nguyên nhân

 Do ánh sáng không đơn sắc (xem trang 11)

 Các yếu tố gây nên sự thay đổi nồng độ trong dung dịch

- Sự pha loãng dung dịch (xem trang 11);

- Ảnh hưởng của pH tời hình thành phức màu (xem trang 13);

- Ảnh hưởng của cấu tử lạ (ion cản trở) (xem trang 17);

,

8 Nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ phân tử UV - VIS

1 Hòa tan chất phân tích trong một dung môi thích hợp hay cho

chất phân tích cần xác định ( chủ yếu là ion kim loại) tác dụng

với một loại thuốc thử để tạo ra một chất có phổ hấp phụ UV –

VIS nhạy

2 Chiếu vào dung dịch chất cần phân tích một chùm đơn sắc có

năng lượng phù hợp.

3 Thu, phân ly phổ đó chọn bước sóng λmax cần đo của chất

phân tích rồi đo độ hấp thụ quang A

Mẫu ( Fe (II); Fe(III) ) + hydroxylamin Fe (II)

Fe (II) + phenantrolin Phức màu đỏ cam Xác định nồng độ Fe có trong mẫu bằng PP UV – VIS

Quy trình phân tích

Lấy 25 mL mẫu cho vào bình tam giác 125 mL, thêm vào đó 2 mL HCl đậm đặc, 1 mL hydroxylamin Đun sôi đến thể tích 15-20 mL ( nếu bị khô thì hòa tan cặn bằng 2 mL HClđđ và 5 mL H2O) để về nhiệt độ

phòng rồi chuyển toàn bộ qua bình định mức 50 mL Thêm 10 mL dd đệm axetat, 4 mL phenantrolin và pha loãng bằng nước cất đến vạch Trộn đều và để yên ít nhất 10 phút Đo mật độ quang với dung dịch mẫu trắng làm dung dịch so sánh

47

Đun cách thủy

48

PC

Khoảng bước sóng hoạt động (khoảng đo): (190  1100 nm)

9.1 Định tính và thử độ tinh khiết

 Dựa vào  max:

Ví dụ: Vitamin B 12 có 3 cực đại hấp thụ ở các bước sóng:

- Phương pháp cân bằng (Xem trang 24)

- Phương pháp đường chuẩn

- Phương pháp đường thêm chuẩn

- Phương pháp vi sai (Xem trang 27)

- Phương pháp chuẩn độ đo quang (Xem trang 29).

52

Chuẩn bị một dãy dung dịch chuẩn của chất phân tích có nồng độ tăng dần Thêm lượng thuốc thử, điều chỉnh pH, dung môi, trong các dung dịch là như nhau Đem đo A của dãy dung dịch, thiết lập A = f(C).

Ví dụ: Từ một dung dịch chuẩn ban đầu (dd A) của chất phân tích X

V (ddA) – mL V A1 V A2 V A3 V A4 V A5 V A6

Sau đó thiết lập phương trình hối quy tuyến tính dạng:

A = a + b.C Trong đó, A: độ hấp thụ quang tại  max ;

Ví dụ: Xác định Fe trong nước thải sử dụng thuốc thử phenanthroline Số liệu thu được ở bảng sau Xác định nồng độ của Fe trong nước thải, biết A m = 0,269 ?

o-Từ bảng kết quả, thiết lập phương trình

hồi quy tuyến tính ta có:

0.5 0.6 0.7 0.8

Chuẩn bị một dãy dung dịch như ở bảng sau:

hóa chất cần thiết và dung dich Fe chuẩn 0.5 ppm

VFe mL

VH2O

F-AAS: Flame Atomic Absorption Spectroscopy - Phổ hấp thụ

60

nguyên tử.

 Phổ phát sinh trong quá trình này gọi là phổ hấp thụ nguyên tử.

2.1.2 Đặc điểm của các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi

- Có khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ của các bức xạ mà nó có khả năng phát ra trong qúa trình phát xạ;

- Bức xạ nguyên tử phát xạ càng nhạy thì cường độ hấp thụ của nguyên tử càng cao, bức xạ đó gọi là bức xạ cộng hưởng.

bức xạ đặc trưng (của chính các nguyên tố đó phát ra trong quá

trình phát xạ) của các nguyên tử ở trang thái hơi nguyên tử tự do

62

hoá mẫu được thực hiện bằng 2 kỹ thuật:

* Dùng ngọn lửa (F-AAS)

* Dùng không ngọn lửa lò điện trong cuvet graphit (ETA-AAS)

- Chiếu vào đám hơi các nguyên tử tự do chùm bức xạ đặc trưng của

chính nguyên tố phân tích phát ra trong quá trình phát xạ

h

hấp thụ

Sự phụ thuộc của độ hấp thụ (A) và số nguyên tử tự do ở trạng thái hơi (N) cũng tuân theo định luật hấp thụ ánh sáng của Lambert – Beer:

Tức là: A = log(I 0 /I) = K a N L Trong đó, K a là hệ số hấp thụ nguyên tử Phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng bị hấp phụ và bản chất nguyên tử;

N là số nguyên tử tự do ở trạng thái hơi;cuvet

L là bề dày của lớp hấp phụ Trong thiết bị đo, L chính

là chiều dày của lớp nguyên tử hóa hay cuvet graphit (thường là const).

Mặt khác, giữa N và C có mối quan hệ sau N = K 2 C L (1.5)

64

các phần cơ bản sau:

A Hệ thống nguyên tử hoá trong phương pháp AAS

B.Nguồn bức xạ trong phổ AAS

C Hệ đơn sắc

D.Detector

E.Bộ ghi tín hiệu đo

Nguyên tử ở trạng thái tự do mới cho phổ  Yếu tố quyết định đến cường độ vạch  Ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo  hoạt động trái tim của phép đo

Mục đích:

Tạo ra đám hơi nguyên tử tự do từ mẫu phân tích với hiệu suất cao

và ổn định  KQ đo chính xác, độ lặp lại cao.