PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC BẰNG MÁY QUẢNG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ

C¸c kim lo¹i nÆng cã thÓ cÇn thiÕt cho c¬ thÓ sinh vËt vµ khi ë mét hµm l­îng nµo ®ã, nÕu Ýt h¬n hoÆc nhá h¬n ®Òu g©y nh÷ng t¸c ®éng ®éc h¹i tíi sinh vËt. Kim lo¹i nÆng khi vµo c¬ thÓ sinh vËt kÓ c¶ ë d¹ng vÕt ®Òu g©y nh÷ng t¸c dông ®éc h¹i kh«ng mong muèn. ChÝnh v× vËy viÖc ph©n tÝch vµ t×m c¸ch xö lý c¸c kim lo¹i nµy vÒ hµm l­îng cho phÐp lµ ®iÒu hÕt søc cÇn thiÕt. ChÝnh v× vËy em ®• chän ®Ò tµi: “Ph­¬ng ph¸p ph©n tÝch kim lo¹i nÆng trong n­íc b»ng m¸y quang phæ hÊp thô nguyªn tö’’

Trờng đại học hải phòng Khoa khoa học tự nhiên

đào mạnh kiên

đề tài nghiên cứu khoa học

Phơng pháp phân tích kim loại nặng trong nớc bằng máy quang phổ hấp thụ

nguyên tử

Ngời hớng dẫn: Thầy giáo Vũ Thành Công

Hải phòng 2008

lời cảm ơn

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu em đã hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này Trớc khi trình bày kết quả nghiên cứu, em xin bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc đến Thầy giáo Vũ Thành Công Khoa Khoa học Tự nhiên trờng Đại

học Hải Phòng, thầy đã tận tình giúp đỡ, động viên và hớng dẫn em hoàn thành

đề tài nghiên cứu khoa học này.

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Thầy Cô giáo trong Khoa Khoa học Tự nhiên trờng Đại học Hải Phòng đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian hoàn thành đề tài.

Hải Phòng, tháng 5 năm 2008

Sinh viên đào mạnh kiên

Mục lụcLời cảm ơn 01

Mở đầu 03

Chơng 1 tổng quan1.1 Giới thiệu chung về kim loại nặng ……… 1.2 Vòng tuần hoàn của kim loại nặng trong tự nhiên……….…… 1.3 Khái quát về kim loại nặng trong nớc

1.4 Vai trò của việc xác định hàm lợng kim loại nặng trong nớc

1.5 Các phơng pháp xác định kim loại nặng trong nớc

1.5.1 Phơng pháp phổ phân tử UV- Vis

1.5.2 Phơng pháp điện hóa

1.5.3 Phơng pháp quang phổ nguyên tử ……… 1.5.3.1 Các phơng pháp phổ nguyên tử phổ biến

Chơng 2Máy Quang Phổ hấp thụ nguyên tử

2.1 Cấu tạo chung của hệ thống quang phổ hấp thụ nguyên tử

2.2.1 Nguồn đơn sắc

2.2.2 Buồng nguyên tử hóa

2.2.3 Buồng nguyên tử hóa

2.2.4 Hệ thống quang học

2.2.5 Hệ thống phát hiện

2.2.6 Hệ thống điều khiển

2.2 Nguyên lí hoạt động

2.3 Các loại máy quang phổ

2.3.1 Máy quang phổ đo bức xạ

2.3.2 Máy quang phổ hấp thụ hồng ngoại

2.3.2.1 Máy quang phổ hồng ngoại dùng hệ tán sắc

2 3.2.2 Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi FOURIER

CHƯƠNG 3Phơng pháp xác định3.1 La chọn mẫu

3.2 Lấy và bảo quản mẫu

3.3.Xử lí mẫu

3.4.Phân tích mẫu

Mở đầu

Các kim loại nặng có thể cần thiết cho cơ thể sinh vật và khi ở một hàm l ợng nào đó, nếu ít hơn hoặc nhỏ hơn đều gây những tác động độc hại tới sinhvật Kim loại nặng khi vào cơ thể sinh vật kể cả ở dạng vết đều gây những tácdụng độc hại không mong muốn Chính vì vậy việc phân tích và tìm cách xử lýcác kim loại này về hàm lợng cho phép là điều hết sức cần thiết Chính vì vậy em

-đã chọn đề tài:

“Phơng pháp phân tích kim loại nặng trong nớc bằng máy quang phổ hấp

thụ nguyên tử’’

Mục đích:

- Tìm hiểu tác hại của mộ số kim loại nặng

- Tìm hiểu các phơng pháp phân tích kim loại nặng

- Tìm hiểu cấu tạo máy quang phổ hấp thụ nguyên tử

- Tìm hiểu phơng pháp lấy mẫu, và phân tích hàm lợng kim loại nặng trong nớc dựa vào máy quang phổ hấp thụ nguyên tử

- 

 -Chơng 1

tổng quan 1.1 Giới thiệu chung về kim loại nặng

chúng có thể tồn tại trong khí quyển, thủy quyển, sinh quyển Các kim loại nặng

có thể cần thiết cho cơ thể sinh vật và khi ở một hàm lợng nào đó, nếu ít hơnhoặc nhỏ hơn đều gây những tác động độc hại tới sinh vật Kim loại nặng khivào cơ thể sinh vật kể cả ở dạng vết đều gây những tác dụng độc hại không mongmuốn Kim lọai nặng trong môi trờng thờng không bị phân hủy sinh học và tạothành các hợp chất độc hại hơn chúng cũng có thể đợc tích tụ trong hệ thống phisinh học ( không khí, đất, nớc, trầm tích ) và chuyển hóa nhờ sự biến đổi của cácyếu tố vật lí và hóa học nh nhiệt độ, áp suất dòng chảy Nhiều hoạt động nhântạo cũng tham gia vào quá trình biến đổi các kim loại nặng và là nguyên nhângây ảnh hởng tới vòng tuần hoàn vật chất hóa địa, sinh học của nhiều kim loại.Sau đây chúng ta sẽ xét tới một số kim loại điển hình nh Cadimi(Cd) , Chì (Pb) , Sắt ( Fe) , Đồng ( Cu)

Cadimi (Cd) thuộc nhóm II của bảng phân loại tuần hoàn và là một kimloại quí hiếm Cd không có chức năng thiết yếu về mặt sinh học đối với cơ thểsống nhng rất độc hại với động thực vật Cd gây tác hại với sức khỏe của con ng-

ời và thờng tích tụ mãn tính trong thận, sự ô nhiễm môi trờng do Cd đã tăngnhanh trong các thập niên gần đây là do hậu quả của việc sử dụng Cd trong côngnghiệp , nông nghiệp và các hoạt động khác của con ngời

Chì ( Pb) là một kim loại độc có ảnh hởng nghiêm trọng đến môi trờng sinhthái Pb là nguyên tố nhóm IVA , có tính mềm , dễ cán mỏng , dễ cắt và dễ địnhhình nên đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong cuộc sống ngay từ thời

xa xa Khi phát thải vào môi trờng đất , Pb có thời gian tồn tại lâu dài Hợp chấtcủa Pb có xu hớng tích lũy trong đất và trầm tích , tồn tại lâu dài trong tự nhiên ,gây ô nhiễm cho thức ăn và ảnh hởng tới quá trình trao đổi chất trong cơ thể Asen ( As) thuộc chu kì III và thuộc phân nhóm chính nhóm VA Là mộtkim loại cực độc và có ảnh hởng trực tiếp tới cơ thể sống

Trong nớc Asenic hoặc Asenat hoặc đôi khi Asen còn xuất hiện trong nớcngầm do sự tồn tại của các khoáng vật chứa Asen Trong các hợp chất của Asenthì As3+ là độc nhất As3+ thể hiện tính độc vì nó tấn công vào các nhóm hoạt

động –Sh của Enzim , làm ức chế hoạt động của enzim và ion AsO43- ngăn chặnquá trình hình thành ATP là chất sản sinh ra năng lợng trong cơ thể sinh vật Một số kim loại nặng khi tồn tại ở dạng vi lợng sẽ là một yếu tố cần thiếtcho sự sống , nhng khi chúng ở các nhiệt độ khác nhau thì sẽ trở thành các tácnhân vô cùng độc hại cho sinh vật và cho con ngời

1.2 Vòng tuần hoàn của kim loại nặng trong tự nhiên

Các kim loại nặng không phân bố đều trong từng phần môi trờng khácnhau hay trong chính thành phần môi trờng nhất định nào đó Do đó hàm lợnhkim loại ở một khu vực rất có ý nghĩa trong quá trình tuần hoàn của kim loại

Cd là nguyên tố không cần thiết cho sự sống, tuy nhiên sự có mặt của nó

là một tác nhân độc hại cho môi trờng và cho con ngời Lợng hợp chất của Cdthải vào môi trờng khoảng từ 8-> 9.103 tấn / năm, trong đó 90% do các hoạt

động nhân tạo Khoảng 2/3 đi vào khí quyển là do công nghiệp kim loại màu ,ngoài ra còn do quá trình đốt rác, sản xuất phân bón và các quá trình sử dụngnhiệt độ khác

Pb là một trong các kim loại nặng có ảnh hởng nhiều tới môi trờng vì nó

có khả năng tích lũy lâu dài trong cơ thể và gây nhiễm độc tới ngời và động vậtthủy sinh thông qua dây truyền thực phẩm Phản ứng ôxi hóa khử của Pb trongmôi trờng nh sau:

bề mặt trái đất hoặc đi vào đại dơng

Các hợp chất chì ở dạng hòa tan hay huyền phù sẽ theo dòng chảy đổ racác sông suối, biển và một phần đáng kể đi vào cơ thể sống theo dây truyền thựcphẩm hoặc giữ lại ở lớp trầm tích

1.3 Khái quát về kim loại nặng trong nớc

Một số kim loại nặng (Pb, Mn, Cd, As, Hg, Fe ) đi vào nguồn nớc donguồn nớc thải sinh hoạt hoặc nớc thải công nghiệp Các kim loại nặng tồn tạitrong các môi trờng khác nhau và gây ô nhiễm nguồn nớc

Sự hình thành kim loại nặng trong nớc chủ yếu do quá trình phong hóa lục

địa, dạng hòa tan của chúng đợc đa vào dòng chảy các sông suối và đổ ra biển

Có hai quá trình cân bằng của kim loại nặng trong nớc biển song songcùng tồn tại Quá trình chuyển hóa nhờ vi sinh vật và quá trình chuyển hóa nhờ

sự biến đổi của các yếu tố vật lí hóa học nh nhiệt độ, áp suất, dòng chảy, lợng

ôxi hòa tan

Cấp biến đổi hóa học xảy ra dới tác động của vi khuẩn có trong nớc quacác quá trình phân hủy yếm khí hình thành các hợp chất hữu cơ có chứa kim loạinặng Các hợp chất này chủ yếu là các hợp chất ankyl, dễ tan trong nớc và đợctích lũy trong dây truyền thực phẩm

Trong cơ thể sinh vật do có ái lực hóa học mạnh nên các kim loại nặng cóthể thay thế các kim loại có ích trong Enzim, phá vỡ cấu trúc lập thể và làm mấthoạt tính xúc tác của Enzim Cd, Pb là hai nguyên tố điển hình cho cơ chế này

Các biến đổi hóa học còn lại chủ yếu là các phản ứng ôxi hóa khử Khi bịkhử, các kim loại biến đổi thành các muối khó tan, lắng xuống đáy biển và tíchlũy trong trầm tích, các phản ứng ôxi hóa giải phóng một phần kim loại tan vàotrong nớc

Về cơ bản thành phần các hợp chất trong nớc tơng đối ổn định nhng lại làloại mẫu có nền phức tạp Các hoạt động công nghiệp nh sản năng lợng , luyệnkim , khai thác mỏ có thể làm tăng hàm lợng kim loại trong nớc tiếp nhận trựctiếp nguồn nớc thải

1.4 Vai trò của việc xác định hàm lợng kim loại nặng trong nớc

Các kim loại nặng bắt đầu vòng tuần hoàn của mình bằng cách phát tánvào trong khí quyển Chúng có mặt trong nhiều thành phần của môi trờng Quaquá trình lắng đọng và tích tụ các kim loại nặng đợc vận chuyển vào trong đất vànớc Tại đây chúng đợc tích lũy trong cơ thể của các sinh vật trầm tích và tồn tại

ở dạng hòa tan trong nớc

Trớc hết, việc xác định đợc hàm lợng các kim loại nặng trong nớc kết hợp

so sánh với các tiêu chuẩn chất lợng nớc cho phép đánh giá mức độ ô nhiễm kimloại nặng Trên cơ sở đó tìm hiểu những nguồn thải làm tâng hàm lợng kim loạinặng trong nớc biển, giúp ta đa ra những biện pháp phòng chống, hạn chế cũng

nh khắc phục hiện trạng ô nhiễm

Hàm lợng kim loại nặng trong nớc có mối tơng quan chặt chẽ với hàm ợng kim loại nặng trong trầm tích và các loài động vật đang sinh sống tại khuvực đang nghiên cứu Do đó việc xác định thành phần kim loại nặng trong nớccho phép dự đoán và củng cố số liệu, giúp các nhà quản lí về an toàn thực phẩm

l-đa ra những khuyến cáo kịp thời về sử dụng động vật tại khu vực nghiên cứu làmthực phẩm và đánh giá chất lợng môi trờng nớc tới hệ sinh thái bao quanh.

1.5 Các phơng pháp xác định kim loại nặng trong nớc

Kim loại nặng tồn tại trong nớc với nồng độ rất thấp Chúng thờng tồn tại

ở dạng vết, trong nền phức tạp, nhiều thành phần nên việc xác định sự có mặtcủa chúng rất khó Do đó phải sử dụng một số phơng pháp sau:

1.5.1 Phơng pháp phổ phân tử UV- Vis

Phơng pháp này có giới hạn phát hiện không cao khi phân tích kim loại.Các kim loại Pb, Cd, cu, Zn , Hg đợc tạo phức với chất phức tạp nh dithizonnatri dietyldithiocacbamat NaDDC), sau đó chiết các phức này vào các dung môi

hũ cơ thích hợp nh CCl4 hay HCCl3, dải nồng độ có thể đợc phát hiện bằng

ph-ơng pháp này là 0.01-> 0.5 mg/ lit

Để xác định Cd trong các loại nớc thờng sử dụng phơng pháp trắc quangdithizon, phơng pháp này có thể xác định đợc hàm lợng cỡ %mg của Cd Để xác

định Cd bằng phơng pháp chiết trắc quang dùng dithizon, ngời ta chiết bằng CCl4

từ môi trờng kiềm mạnh chứa tactrat Dung dịch dithizonat của Cd trong môi ờng hữu cơ có màu đỏ, hấp thụ cực đại ở bớc sóng 515nm (kính lọc sắc màuxanh lá cây) với cuvet dày 1->5 cm

tr-Để xác định chì bằng phơng pháp trắc quang, có thể dùng dithizon Phứcchì dithizonat khó tan trong nớc nhng dễ tan trong các dung môi hữu cơ nh CCl4

hoặc CHCl3, trong CCl4, chì dithizonat có màu đỏ, cực đại hấp thụ bớc sóng520nm Chì dithizonat đợc chiết chọn lọc và định lợng từ dung dịch nớc có PH=8-> 9, chứa lợng d CN- để che nhiều kim loại khác có thể bị chiết cùng với chì

1.5.2 Phơng pháp điện hóa

Phơng pháp điện hóa phổ biến đợc sử dụng là phơng pháp cực phổ cổ điển

và phơng pháp vôn – ampe hòa tan

Phơng pháp cực phổ cổ điển nói chung có độ nhạy thấp khi sử dụng để xác

định hàm lợng kim loại Nền cực phổ cổ điển sử dụng để phân tích Cu, Pb, Zn,

và Cd là NH3+ và Nh4Cl , khoảng nồng độ của kim loại có thể xác định đợc bằngnày là 0.01->1 mg/ l Độ nhạy của phơng pháp cực phổ không cao nên không

đáp ứng đợc yêu cầu phân tích kim loại ở dạng vết

Để xác định hàm lợng Cd ở nồng độ lớn hơn 1mg/l có thể sử dụng phơngpháp cực phổ, vì Cd trong nền hỗn hợp đệm NH3 và nhiều nền khác cho sóng cực

phổ thuận nghịch và định lợng, ngời ta thờng dùng nền đệm NH4Cl Nếu trongmẫu nớc có chứa hàm lợng Cu không đáng kể thì có thể phân tích đồng thời cảhai kim loại đó Trong trờng hợp lợng Cu quá lớn so với hàm lợng Cd thì cần che

Cu bằng CN_ Các kim loại nh Fe, Bi, Sn, Sb sẽ kết tủa dạng hidroxit trong dungdịch đệm Sau đó ngời ta lấy phần dung dịch trong suốt để xác định Cd Các kimloại nh Zn, Ni, Co, Mn là những kim loại trong nền này cho cực phổ ở những thế

âm hơn sóng của Cd nên không ảnh hởng đến việc xác định nó Nếu trong nớc

có lợng chì lớn thì cần tách trớc bằng phơng pháp kết tủa với H2SO4 loãng và lọc

bỏ kết tủa PbSO4 Dung dịch cho vào bình điện phân và ghi cực phổ từ – 0.4 -> 0.8V so với anot đáy Hg

Trong các phơng pháp điện hóa thờng đợc sử dụng hiện nay, ngời ta quantâm đến phơng pháp von- ampe hòa tan Đây là phơng pháp vừa phân tích, vừalàm giàu nguyên tố trên điện cực Điện cực làm việc có thể là điện cực giọt thủyngân, cực đĩa quay, cực cacbon nhão, cực màng thủy ngân Giới hạn phân tíchbằng phơng pháp này là 0.5->5.10-6 g/l

1.5.3 Phơng pháp quang phổ nguyên tử

1.5.3.1 Các phơng pháp phổ nguyên tử phổ biến

Nguyên tử bao gồm hạt nhân và lớp vỏ electron Bình thờng nguyên tử ởtrạng thái cơ bản bền vững nhất, tơng ứng với mức năng lợng thấp nhất Khichiếu năng lợng có cờng độ thích hợp vào nguyên tử thì các electron(e) sẽ nhảylên một trạng thái năng lợng cao hơn , kém bền vững gọi là trạng thái kích thích.Vì trạng thái này không bền vững nên nguyên tử sẽ ngay lập tức quay trở lạitrạng thái cơ bản của nó và phát ra năng lợng bức xạ có giá trị đứng bằng năng l-ợng nó đã hấp thụ Nếu tiếp tục cung cấp năng lợng thì e sẽ bị bật ra khỏinguyên tử và trở thành cation, đây là quá trình ion hóa

Quá trình này liên quan đến 4 kĩ thuật quang phổ nguyên tử: phổ hấp thụ,phổ phát xạ, phổ khối và phổ huỳnh quang nguyên tử

Trong phổ phát xạ, toàn bộ mẫu phân tích đợc đa vào môi trờng nhiệt độcao để tạo ra các nguyên tử ở trạng thái kích thích sẵn sàng phát xạ Nguồn nănglợng cung cấp cho quá trình này có thể là hồ quang điện, ngọn lửa hoặc dòngplasma Vì bản chất rời rạc của các bớc sóng phát xạ, phổ phát xạ của mộtnguyên tố thể hiện mức năng lợng với các bớc sóng phát xạ cho phép của nguyên

tử đó, thờng đợc gọi là các vạch phát xạ Phơng pháp này đợc dùng để phân tích

định tính nguyên tử

Để phân tích định lợng, ngời ta đo cờng độ của ánh sáng phát xạ với bớcsóng nhất định của nguyên tố cần phân tích Cờng độ phát xạ ở bớc sóng này sẽtăng lên khi tăng số lợng nguyên tử của nguyên tố cần phân tích Kỹ thuật ngọnlửa đợc áp dụng cho phát xạ nguyên tử để phân tích định lợng.

Kỹ thuật thứ 3 của của phơng pháp quang phổ nguyên tử dựa trên hiện ợng huỳnh quang Kỹ thuật này bao gồm cả hai kĩ thuật hấp thụ và phát xạnguyên tử Khi chiếu một chùm sáng vào nó, đám hơi nguyên tử ở trạng thái cơbản sẽ đợcchuyển lên trạng thái kích thích ở trạng thái kích thích các ntử nhảbớt năng lợng, vì thế bức xạ quang phát ra khi điện tử trở về trạng thái cơ bản cónăng lợng thấp hơn bức xạ hấp thụ Bức xạ này phát ra dới dạng ánh sáng huỳnhquang và đợc ghi lại Khi phân tích định lợng, cờng độ ánh sáng huỳnh quangtăng lên khi nồng độ nguyên tử tăng Nguồn sáng cho quá trình phát huỳnhquang đợc đặt lệch góc so với trục quang của thiết bị quang học sao cho bộ phậncảm biến ánh sáng chỉ có thể cảm nhận đợc ánh sáng huỳnh quang phát ra từngọn lửa mà không cảm nhận đợc ánh sáng phát ra từ nguồn kích thích

t-Phơng pháp phổ nguyên tử thứ t đang ngày càng đợc sử dụng phổ biếntrong các phòng thí nghiệm hiện đại là phơng pháp phổ khối Nguyên lí của củaphơng pháp này là dựa vào năng lợng plasma để chuyển nguyên tố cần phân tíchthành dạng điện tích dơng Sau đó các ion kim loại đợc tách ra khỏi nhau nhờ bộphận tích khối Cuối cùng các ion tách ra đợc đếm nhờ một thiết bị gọi là nhân

điện từ Phơng pháp phổ khối rất nhạy, độ nhạy có thể đạt đợc ở mức pg/ l, xác

định nhanh và chính xác (thời gian phân tích cho hầu hết các nguyên tố trongbảng tuần hoàn từ 2->3 phút)

Trong các phơng pháp quang phổ nguyên tử, phơng pháp quang phổ hấpthụ nguyên tử đợc áp dụng rộng rãi nhất vì có nhiều u điểm hơn so với phơngpháp phổ phát xạ và phổ huỳnh quang nguyên tử và có chi phí đầu t, vận hànhthấp hơn phơng pháp phổ khối Trong phơng pháp quang hpổ hấp thụ, có 3 chế

độ phân tích: chế độ ngọn lửa, chế độ lò Graphit và chế độ bay hơi hydrit

Chơng 2 Máy Quang Phổ hấp thụ nguyên tử

2.1 Cấu tạo chung của hệ thống quang phổ hấp thụ nguyên tử

Mỗi hệ thống quang phổ hấp thụ nguyên tử đều phải có đầy đủ các bộphận đáp ứng các yêu cầu về nguồn phát tia đơn sắc, buồng nguyên tử hóa, hệthống quang học, hệ thống phát hiện và bộ phận đọc tín hiệu Trong đó, nguồnphát tia đơn sắc sẽ phát ra các tia sáng với bớc sóng phù hợp với bớc sóng hấp

thụ của nguyên tố cần phân tích Nguồn sáng đợc sử dụng rộng rãi nhất là đèncatôt rỗng Đèn đợc thiết kế đẻ phát ra phổ nguyên tử của một nguyên tố nhất

định

Nguồn phát xạ (radiation source) phải thỏa mãn yêu cầu điều biến tốt (bậtlên và tắt đi trong thời gian ngắn nhất đẻ đáp ứng việc khuếch đại ánh sáng phátxạ một cách có chọn lọc và không tiếp nhận bức xạ từ ngăn mẫu Việc điều biếnnguồn có thể thực hiện đợc bằng cách đặt một bộ ngắt chùm sáng

Buồng nguyên tử hoá (sample cell) phải đáp ứng yêu cầu tạo ra hơinguyên tử của nguyên tố cần phân tích tại đờng truyền của chùm sáng tới, thựchiện bằng cách đa mẫu vào buồng đốt hoặc lò đốt không ngọn lửa đặt thẳnghàng với đờng truyền của ánh sáng

Hệ thống quang học (optical system) đợc sử dụng để tán sắc các bớc sóngkhác nhau của ánh sáng phát ra từ đèn và tách ra tia sáng cần đo Việc lựa chọnnguồn sáng phù hợp và bớc sóng đặc trng từ nguồn sáng đó cho phép xác định đ-

ợc sự có mặt của nguyên tố cần phân tích trong điều kiện có mặt các nguyên tốkhác

ánh sáng với bớc sóng nhất định đợc tách ra bởi hệ thống quang học đợctruyền thẳng tới hệ thống phát hiện (detector), thờng là một ống nhân quang điện

có khả năng tạo ra dòng điện với cờng độ phụ thuộc vào cờng độ ánh sáng chiếutới Dòng điện đợc tạo ra bởi ống nhân quang điện sau đó đợc khuếch đại và xử

lí bằng một thiết bị điện tử để tạo ra tín hiệu giúp cho ta đo đợc độ suy giảm của

ánh sáng khi đi qua buồng nguyên tử hóa Tín hiệu này có thể đợc xử lí qua bộphận đọc tín hiệu trực tiếp thành đơn vị nồng độ

2.2.2 Nguồn đơn sắc

Hệ thống phát tia đơn sắc phổ biến hiện nay là đèn caôt rỗng và đèn phóng

điịen không cực nhạy, cho cờng độ lớn, ổn định và có thời gian làm việc kéo dài

Đèn catôt rỗng là hệ thống phát tia đơn sắc đợc sử dụng phổ biến nhất đểxác định hầu hết các nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn Catôt của đèn làmột ống thủy tinh rỗng và hở một đầu, làm bằng kim loại có phổ nguyên tố cần

đo Anôt va Catôt đợc gắn vào ống đã nạp đầy khí Argon ở áp suất thấp Một

đầu ống làm bằng thủy tinh trong suốt để các tia bức xạ có thể đi qua Khi ápmột thế vào hai đầu anôt va catôt , một số nguyên tử khí argon bị ion hoá thànhcác ion dơng Các ion này đợc gia tốc trong điện trờng bay đến đập vào catôttích điện âm làm bứt ra các nguyên tử kim lọai rời rạc Các nguyên tử này sau đóchuyển lên trạng thái kích thích nhờ nhận đợc động năng khi va chạm với cácion khí Khi chuyển về trạng thái cơ bản, các nguyên tử sẽ bức xạ ra năng lợngdạng ánh sáng có bớc sóng phù hợp với nguyên tố cần phân tích

Đèn catôt có hai loại: đơn nguyên tố và loại đa nguyên tố (thờng kết hợp 3hoặc 6 nguyên tố trong một đèn) Loại đèn này cho ánh sáng đơn sắc hoàn toànphù hợp Trong một số trờng hợp, chất lợng phân tích bị giảm sút do các hạn chếcủa đèn catốt rỗng hay thành phần của các nguyên tố dễ bay hơi lớn hơn trongkhi cờng độ và tuổi thọ của đèn thấp Trong trờng hợp đó, cần thiết phải sử dụngmột nguồn kích thích ổn định với cờng độ lớn hơn nh đèn phóng điện không điệncực.

Một lợng nhỏ kim loại hoặc muối của nó cho phổ của nguyên tố cần đo

đ-ợc đặt vào trong một bầu thạch anh Bầu thạch anh đđ-ợc đặt vào một mấp phátsóng radio độc lập Nguồn năng lợng thứ cấp này sẽ làm bốc hơi và kích thíchcác nguyên tử có trong bầu thạch anh, làm chúng phát ra phổ của nguyên tố cần

đo Ngoài ra, ngời ta cần cung cấp thêm năng lợng để vận hành đèn

Đèn phóng điện không điện cực là loại đèn cho bức xạ mạnh và nhạy hơnnhiều so với đèn catôt rỗng của cùng nguyên tố Để vận hành đèn cần có một hệthống quang học đợc thiết kế tơng thích Đèn phóng điện không điện cực đợc sửdụng cho nhiều nguyên tố nh Sb , Bi ,Cd, Ge,Hg, P, K , Rb …

2.2.3 Buồng nguyên tử hóa

Ngăn mẫu (sample cell) hay buồng nguyên tử hóa của thiết bị quang phổhấp thụ nguyên tử có chức năng tạo ra các nguyên tử riêng rẽ ở trạng thái cơ bản.Qúa trình này sử dụng năng lợng nhiệt để phá vỡ liên kết của nguyên tử trongphân tử

Đối với kĩ thuật ngọn lửa, mẫu sẽ đợc nguyên tử hóa nhờ vào năng lợngnhiệt của dòng điện có công suất lớn trong môi trờng khí trơ thông qua lògraphit

2.2.4 Hệ thống quang học

Tất cả các hệ thống quang học đợc sử dụng rộng rãi hiện nay là hệ thốnghai chùm tia Hệ thống này sử dụng đợc thêm một thiết bị quang học để chia ánhsáng đến từ đèn thành hai chùm tia mẫu và chùm tia quy chiếu Chùm sáng quychiếu đợc dùng nh một thiết bị kiểm tra cờng độ dèn vả đặc điểm phản hồi củamặch điện từ Do đó , độ hấp thụ thu đợc bị ít ảnh hởng hơn khi cờng độ dòng

điện thay đổi và khi có những bất thờng về hệ thống điện từ khác gây ảnh hởng

đến chùm mẫu và chùm quy chiếu

Trong hệ thống quang học gồm hai phần chính :

-Hệ thống chuẩn trục ánh sáng : bao gồm các loại gơng có tác dụng chuẩntrục và hội tụ ánh đơn sắc từ nguồn đơn sắc đI qua buồng nguyên tử hóa tới hệthống hai chùm tia cũng ngh tới bộ phận đo

- Hệ thống đơn sắc : các thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử ngày nay

đều sử dụng cách tử để phân ly ánh sáng tới từ buồng nguyên tử hóa và ánh sáng

tới từ chùm sáng quy chiếu của hệ thống hai chùm tia Các lại cách tử thờnggặplà cách tử nhiễu xạ và cách tử bậc cao Echelle.

Hệ thống điều khiển thực hiện chức năng điều khiển thiết bị , thu nhận, xử

kí và báo cáo kết quả Tín hiệu phổ đợc sốhóa và có thể đợc xuất ra máy in

2.2 Nguyên lí hoạt động

Chiếu một chùm tia san trắng đi qua một khối khí hay hơI bị nung nóng ởnhiệt độ cao khi đó ta sẽ thu đợc một hệ thống các vặch mau riêng rẽ trên mộtnền tối và dựa vao máu sắc cũng nh vị trí của hệ thống màn đó đẻ xác định đợcthành phần các nguyên tố trong khối khí hay hơi đó

2.4 Các loại máy quang phổ

2.4.1 Máy quang phổ đo bức xạ

Trong quang phổ bức xạ, mẫu nghiên cứu đợc kích thích phát sángbằng nhiều cách khác nhau (hồ quang, tia điện trong phân tích phát xạ, kíchthích bằng chiếu sáng trong huỳnh quang, tán xạ Raman) Tuỳ theo năng lợngkích thích các phân tử có thể phân chia thành các phân tử tự do rồi bức xạ hoặcbức xạ ngay ở trạng thá1 phân tử Do đó bức xạ phát ra có thể nằm trong vùng tửngoại khả kiến hoặc hồng ngoại Bức xạ này mang thông tin về mầu nghiên cứucần đợc phân tích bằng máy quang phổ Ngời ta cần biết các thành phần đơn sắccũng nh phân bố cờng độ bức xạ của chúng theo bớc sóng Các máy quang phổ

đo bức xạ sẽ đáp ứng nhu cầu này Bộ phận chính của máy quang phổ là hệ tánsắc Tuỳ bức xạ cần khảo sát nằm trong vùng phổ nào, cờng độ mạnh hay yếu,năng suet phân giải cao hay thấp… ta phải sử dụng máy quang phổ có cấu tạophù hợp Chẳng hạn nếu bức xạ nghiên cứu thuộc vùng tử ngoại thì lăng kínhthấu kính phải bằng thạch anh để truyền qua tốt vùng tử ngoại, nếu cần năng suấtphân giải cao thì ding cách tử thay cho lăng kính

Trên thực tế có rất nhiều loại máy quang phổ có cấ trúc khác nhau, nhng

về cơ bản gồm: khe máy lối vào, hệ tán sắc, khe máy lối ra, hợp với một hệ thuphổ Trên hình 1 là sơ đồ máy quang phổ khá điển hình

Thông thờng ở máy quang phổ ngời ta sử dụng một khe lối ra, kết hợp với

1 môtơ bớc làm quay cách tử, tong thành phần đơn sắc của phổ sẽ lớt qua khe và

đợc thu trên tế bào quang điện hoặc nhân quang điện Máy quang phổ hoạt động

nh vậy đợc gọi là máy quang phổ đơn kênh Năng lợng ánh sáng thu đợc chuyểnthành tín hiệu điện, sau khi khuếch đại có thể đa vào máy tự ghi hoặc sử lí và sốhoá rồi hiển thị trên màn hình máy tính.

Nếu tách rời hệ thu phổ chỉ có khe sáng lối ra thì máy quang phổ gọi làmáy đơn sắc, cho ánh sáng đơn sắc sau khe lối ra

Hình 3.1 Sơ đồ máy quang phổ MS -125 ( Hãng Oriel Mỹ)

1- khe máy lối vào, 2- gơng cầu chuẩn trực, 3- cách tử đặt trên giá quay vi

chỉnh, 4- gơng cầu buồng tối, 5- khe sáng lối ra

Mặt đặc trng quan trọng của máy là năng suất phân giải của máy Vớimột cấu hình xác định thì năng suất phân giải của máy phụ thuộc vào năng suấtphân giải của hệ tán sắc (cách tử, lăng kính) và năng suất phân giải của CCDtrong trờng hợp thu đa kênh Ta có thể thay đổi cách tử với số vạch khác nhau để

có đợc năng suất phân giải mong muốn trong vùng phổ làm việc Thông thờngcác nhà sản suất máy quang phổ đều gợi ý mua kèm theo một tập hợp các cách

tử làm việc ở các vùng phổ khác nhau với số vạch/mm khác nhau Các cách tửholography có 1200v/mm, 1800/mm hoặc 2400v/mm trong khi cách tử thông th-ờng chỉ từ 600-1200 vạch/mm Cách tử phản xạ đều có bớc sóng phản xạ mạch

Khe máy (lối vào và lối ra) cũng là một bộ phận quan trọng ảnh hởng đếnnăng suất phân giảI và chất lợng phổ thu đợc Độ rộng khe cần đợc thay đội tuỳtheo cờng độ ánh sáng tới Thay đổi độ cao sử dụng của khe lối vào cho phépkhảo sát phổ ở các vùng khác nhau của nguồn sáng

Với máy quang phổ MS-125 độ rộng khe vào có thể thay đổi từ 1500mm và độ cao từ 3-12mm

25-Khác với máy quang phổ đơn kênh, trong máy thu phổ đa kênh, ở lối rakhông dùng khe sáng mà đặt trực tiếp mạng diode(Diode Aray PDA) hoặc

Hình 3.1