quang phổ hấp thu nguyên tử

quang phổ hấp thu nguyên tử là phương pháp dựa trên sự hấp thụ tia cực tím hay khả kiến bởi các nguyên tử tự do ở trạng thái khí. đây là phương pháp tương đói đơn giản và hiệu quả. Tài liệu này sẽ chia sẻ về quang phổ hấp thu nguyên tử

MỤC LỤC

HÌNH

LỜI NÓI ĐẦU

AAS là phương pháp phân tích dựa trên sự hấp thụ tia cực tím hay tia khả kiến bởi các nguyên tử tự do ở trạng thái khí Đây là một phương pháp tương đối đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất trong các phương pháp quang phổ nguyên tử, dùng để phân tích thực phẩm nhiều năm nay Nó đang dần được thay thế bằng cách kết hợp với phổ plasma (ICP) hoặc plasma-mass Hai loại tác nhân nguyên tử hoá thường được dùng trong AAS là ngọn lửa và nhiệt điện

Ở nước ta phương pháp AAS cũng được chú ý và phát triển trong những năm gần đây, đặc biệt trong các trường học, viện nghiên cứu cũng được trang bị thiết bị này để phục vụ cho nghiên cứu, giảng dạy và học tập

Hiện nay trong thực phẩm, phương pháp này là một trong những công cụ đắc lực để xác định hàm lượng kim loại và các nguyên tố trong thực phẩm

QUANG PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ

1. CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ

1.1 Nguyên tắc

Trong điều kiện bình thường nguyên tử không thu và cũng không phát ra năng lượng dưới dạng các bức xạ Lúc này nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản

Đó 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 bức xạ sóng (tần số) xác định vào đám hơi nguyên tử đó thì các nguyên tử đó sẽ hấp thu các bức xạ có bước sóng nhất định ứng đúng với những tia phát 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

nó chuyển lên trạng thái kích thích có năng lương cao hơn trạng thái cơ bản Đó

là tính chất đặc trưng của nguyên tử ở trạng thái hơi Quá trình đó được gọi là quá trình hấp thu năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ nguyên tử của nguyên tố đó Phổ sinh ra trong quá trình này gọi là phổ hấp thụ nguyên tử

1.2. Quá trình nguyên tử hoá mẫu

Nguyên tử hoá mẫu phân tích là một công việc hết sức quan trọng trong phép đo quang phổ hấp thu nguyên tử, bởi vì chỉ có các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi mới có thể cho phổ hấp thu nguyên tử, nghĩa là số nguyên tử tự do ở trạng thái hơi là yếu tố quyết định cường độ vạch phổ hấp thụ

Mục đích của quá trình này là tạo ra đám hơi của các nguyên tử tự do từ mẫu phân tích với hiệu suất cao và ổn định để phép đo đạt kết quả chính xác và

có độ lặp lại cao Đáp ứng mục đích đó, để nguyên tử hoá mẫu phân tích người

ta thường dùng hai phương pháp Thứ nhất là phương pháp AAS bằng ngọn lửa

Kỹ thuật này ra đời đầu tiên cùng với sự ra đời của phép đo hấp thụ nguyên tử Nhưng kỹ thuật này có độ nhạy không cao, thường là trong vùng 0.05 – 1 ppm Sau đó là phương pháp AAS bằng nhiệt điện Kỹ thuật này ra đời sau nhưng có

độ nhạy cao và hiện nay được ứng dụng nhiều hơn

2. NGUYÊN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP AAS BẰNG NGỌN LỬA

Trong phương pháp AAS bằng ngọn lửa, hệ thống phun sương – đèn khí được sử dụng để biến dung dung trong mẫu thành hơi nguyên tử Lưu ý rằng

mẫu phải được pha thành dạng dung dịch (thường là dung dịch nước) trước khi được phân tích bằng phương pháp AAS sử dụng ngọn lửa Dung dịch mẫu sẽ được phun sương (phân tán thành những giọt nhỏ trộn với khí cháy và khí oxi hoá, rồi bị đốt trong ngọn lửa do quá trình oxi hoá của khí cháy và khí oxi hoá Các nguyên tử và ion được tạo ra trong ngọn lửa cũng như các hợp chất cần phân tích sẽ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao

Nhiệt độ của ngọn lửa rất quan trọng vì nó không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi các hợp chất thành các nguyên tử và ion mà còn ảnh hưởng đến

sự phân bố giữa các nguyên tử và ion trong ngọn lửa Các nguyên tử và ion của cùng một nguyên tố tạo ra quang phổ khác nhau vì vậy chúng hấp thụ bức xạ của các bước sóng khác nhau Cần chọn nhiệt độ ngọn lửa thích hợp sao cho tối

đa hóa quá trình nguyên tử hoá và giảm thiểu quá trình ion hóa bởi vì bức xạ phát ra từ đèn chỉ dành riêng cho nguyên tử tương ứng, không dành cho ion Điều này có nghĩa là hiệu quả hấp thu sẽ giảm khi các nguyên tử trở thành ion hóa Khi tăng nhiệt độ ngọn lửa thì cả quá trình nguyên tử hoá và ion hoá đều tăng, vì vậy việc lựa chọn ngọn lửa tối ưu không phải là một vấn đề đơn giản Đặc điểm của ngọn lửa có thể được điều chỉnh bằng cách lựa chọn khí oxy hóa và khí cháy hoặc bằng cách điều chỉnh các tỷ lệ khí oxy hóa / khí cháy Việc kết hợp không khí nén - acetylen và oxit nitơ -acetylene thường phổ biến nhất Ngoài ra, có thể thêm cesium là nguyên tố có năng lượng ion hoá thấp giúp ngăn chặn sự ion hóa của các nguyên tố khác trong mẫu

Khi mẫu được nguyên tử hoá trong ngọn lửa, hàm lượng nguyên tử trong mẫu được đo bằng cách xác định sự suy yếu của một chùm bức xạ đi qua ngọn lửa Để đo một nguyên tố cụ thể, các nguồn bức xạ được chọn sao cho bức xạ phát ra có chứa một dòng phát xạ tương ứng với dòng có cường độ mạnh nhất trong quang phổ nguyên tử của nguyên tố được đo Điều này được thực hiện bằng cách chế tạo đèn sao cho cực âm làm bằng nguyên tố cần xác định Như vậy, các bức xạ phát ra từ đèn là phổ phát xạ của nguyên tố này Dòng bức xạ cần phân tích sẽ qua bộ đơn sắc, sau đó chỉ có những bức xạ có chiều rộng dải hẹp mới có thể đi đến máy dò Thông thường thì một trong những dòng quang phổ mạnh nhất sẽ được lựa chọn Ví dụ đối với bộ đơn sắc natri chỉ có những bức xạ có bước sóng 589 nm mới có thể ra khỏi bộ đơn sắc rồi chuyền đến máy dò

Lưu ý rằng cường độ của bức xạ từ ngọn lửa nhỏ hơn cường độ của bức

xạ từ nguồn Điều này là do các nguyên tử mẫu trong ngọn lửa hấp thụ một số bức xạ Cũng lưu ý rằng chiều rộng của dòng bức xạ từ nguồn hẹp hơn so với chiều rộng dòng bức xạ tương ứng trong quang phổ hấp thụ Điều này là do nhiệt độ cao của ngọn lửa làm tăng chiều rộng dòng bức xạ

Lượng bức xạ được mẫu hấp thụ tuân theo định luật Beer:

A = log(Io/I) = abc Trong đó:

A : Độ hấp thu

Io : Cường độ bức xạ tới ngọn lửa

I : Cường độ bức xạ khi ra khỏi ngọn lửa

a : Sự hấp thụ mol

b : Chiều dài đường đi qua ngọn lửa

c : Nồng độ các nguyên tử trong ngọn lửa

Rõ ràng, sự hấp thụ có liên quan trực tiếp đến nồng độ của các nguyên tử trong ngọn lửa

Hình : Sơ đồ biểu diễn hệ thống AAS hai chùm tia

3. NGUYÊN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP AAS BẰNG NHIỆT ĐIỆN

Phương pháp AAS bằng nhiệt điện giống hệt với phương pháp AAS bằng ngọn lửa ngoại trừ quá trình nguyên tử hoá Nguyên tử hoá nhiệt điện sẽ đốt mẫu ở nhiệt độ lên đến 2000 – 3000oC, tạo ra sự bay hơi và nguyên tử hoá Điều này được thực hiện trong ống hoặc cốc được đặt ngay đường truyền ánh sáng của thiết bị để mà độ hấp thu được xác định trong không gian trực tiếp trên bề mặt mẫu, nơi mà mẫu được đốt nóng Những ưu điểm của phương pháp AAS nhiệt điện là có thể chứa các mẫu nhỏ hơn so với phương pháp AAS bằng ngọn lửa và giới hạn dò thấp hơn Nhược điểm là chi phí của lò điện nhiệt cao, thông lượng mẫu thấp hơn, hoạt động khó khăn hơn, và độ chính xác thấp hơn Ngoài

ra, còn chịu ảnh hưởng nhiều của nhiễu nền

4 THIẾT BỊ CỦA PHƯƠNG PHÁP AAS

Máy đo quang phổ hấp thu nguyên tử bao gồm các thành phần sau:

+ Nguồn bức xạ: đèn catot rỗng (HCL) hoặc đèn phóng điện không điện cực (EDL)

+Thiết bị nguyên tử hoá: thường là một hệ thống máy phun sương – đèn khí hoặc một lò nhiệt điện

+ Bộ đơn sắc, thường là phổ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis)

+ Máy dò, một ống nhân quang (PMT) hoặc máy dò trạng thái rắn (SSD)

+ Máy tính

Hiện nay thiết bị hai chùm tia khá phổ biến, nguồn sáng từ đèn được phân chia thành hai chùm: chùm mẫu và chùm đối chứng Chùm đối chứng được chuyền xung quanh buồng mẫu (ngọn lửa hoặc lò) và hội tụ lại trước khi đi vào

bộ đơn sắc Các thiết bị điện tử được thiết kế để tạo ra tỉ số của chùm đối chứng

và chùm mẫu Bằng cách này, sẽ loại bỏ được sự biến động của nguồn bức xạ và máy dò, năng suất tín hiệu ổn định hơn

4.1 Nguồn bức xạ

Các nguồn bức xạ trong quang phổ hấp thụ nguyên tử có thể là một HCL hoặc một EDL

Đèn catot rỗng bao gồm một ống rỗng chứa đầy argon hoặc neon, một anot làm bằng vonfram, và một catot làm bằng kim loại của nguyên tố cần phân tích Khi điện áp tác động lên các điện cực, đèn sẽ phát ra bức xạ đặc trưng của kim loại ở catot; nếu catot được làm bằng sắt, một phổ sắt được phát ra Khi

bức xạ này đi qua ngọn lửa chứa mẫu, các nguyên tử sắt trong ngọn lửa sẽ hấp thụ bức xạ này bởi vì bức xạ này có chứa năng lượng bức xạ của chính nguyên

tử sắt

Điều này nhắc chúng ta nhớ rằng trong một quá trình chuyển đổi điện tử diễn ra, thu hoặc phát năng lượng, năng lượng của một photon phát ra chính là năng lượng hấp thu của photon đó Tất nhiên, điều này có nghĩa là cần sử dụng các loại đèn khác nhau cho mỗi nguyên tố cần phân tích (có một vài loại đèn đa nguyên tố có catot được làm từ nhiều hơn một nguyên tố) HCLs có khoảng 60 nguyên tố kim loại có được từ nguồn thương mại, có thể được sử dụng để phân tích cường độ hấp thu nguyên tử của gần 60 nguyên tố Một số nhà sản xuất hiện nay đang đề xuất đèn phóng điện không điện cực cho các nguyên tố dễ bay hơi hơn như asen, thủy ngân, và cađimi Giống như HCLs, EDLs bao gồm một tàu thủy tinh rỗng có chứa khí trơ và nguyên tố cần phân tích Tuy nhiên, việc phóng điện được tạo ra bởi một cuộn dây máy phát tần số vô tuyến chứ không phải là một dòng điện

Hình : Cấu tạo đèn catot rỗng

Bức xạ đi đến bộ đơn sắc gồm hai nguồn: tia bức xạ từ đèn HCL hoặc EDL sau khi được chiếu qua hơi nguyên tử và bức xạ nguyên tử trong ngọn lửa Các thiết bị được thiết kế để phân biệt riêng hai nguồn này hoặc bằng cách điều khiển các đèn sao cho đầu ra dao động ở một tần số không đổi hoặc đặt bộ phận điều biến vuông góc với đường ánh sáng giữa nguồn và ngọn lửa

Bộ phận điều biến là một đĩa phân khúc Các đĩa được quay ở một tốc độ không đổi sao cho chùm ánh sáng đến ngọn lửa bật hoặc tắt đều đặn Ngọn lửa cũng tạo ra bức xạ nhưng bức xạ của ngọn lửa liên tục Vì vậy, các bức xạ chuyền đến máy dò bao gồm các tín hiệu xen kẽ và tín hiệu liên tục Thiết bị điện tử sẽ loại trừ đi các tín hiệu liên tục và chỉ gửi các tín hiệu xen kẽ tới thiết

bị truy xuất Điều này giúp loại bỏ dòng phát xạ từ các nguyên tố trong ngọn lửa đến tín hiệu cuối cùng

4.2 Hệ thống nguyên tử hoá

Một số hệ thống nguyên tử hoá được sử dụng trong AAS: Bao gồm các hệ thống sử dụng kỹ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa, bằng nhiệt điện, kỹ thuật hơi lạnh cho thủy ngân và hóa hơi hydride

 Hệ thống nguyên tử hoá bằng ngọn lửa gồm một ống phun và một đèn khí

− Các ống phun được thiết kế để chuyển dung dịch mẫu thành thể các hạt nhỏ như sương hay aerosol: Nhờ ống mao dẫn và dòng khí mang mà dung dịch mẫu được dẫn vào buồng aerosol hóa Buồng này có chứa vách ngăn, loại bỏ các giọt lớn hơn, chỉ để lại những hạt sương rất nhỏ Chỉ có khoảng 1% mẫu được trộn đều với khí đốt và được dẫn đến ngọn lửa Các giọt lớn rớt xuống đáy của buồng aerosol hoá và được thu nhận như chất thải

− Đầu của đèn khí chứa một khe hẹp và dài tạo ra một ngọn lửa có thể dài tới 5-10 cm Giúp tạo ra một đường truyền dài, làm tăng độ nhạy của phép đo

Đặc điểm của ngọn lửa có thể được thao tác bằng cách điều chỉnh tỷ lệ khí oxy hóa / khí cháy hay bằng việc lựa chọn khí oxy hóa và khí cháy Không khí nén - acetylen và oxit nitơ - axetylen là hỗn hợp khí đốt thường được sử dụng nhất Có ba loại lửa:

(1) Ngọn lửa thu được từ cân bằng hóa học: Ngọn lửa này được sinh ra từ việc cân bằng hoá học giữa khí oxi hoá và khí cháy sao cho khí cháy được đốt cháy hoàn toàn và khí oxi hoá phải được tiêu thụ hết Ngọn lửa này đặc trưng bởi rìa vàng

(2) Ngọn lửa tạo ra quá trình oxi hoá Ngọn lửa này được sản xuất từ một hỗn hợp nghèo khí cháy Đó là ngọn lửa nóng nhất và có màu xanh rõ ràng

(3) Ngọn lửa tạo ra từ quá trình khử Ngọn lửa này được sản xuất từ một hỗn hợp giàu khí cháy Đó là một ngọn lửa có nhiệt độ tương đối thấp và có màu vàng

Các nhà phân tích nên tuân theo các hướng dẫn để sử dụng các loại lửa thích hợp cho mỗi nguyên tố Hệ thống nguyên tử hoá bằng ngọn lửa có lợi thế

là ổn định và dễ sử dụng Tuy nhiên, độ nhạy tương đối thấp vì nhiều mẫu không được đưa đến ngọn lửa và thời gian mẫu ở trong ngọn lửa thì ngắn

 Hệ thống nguyên tử hoá bằng nhiệt điện thường có ống graphite hình trụ nối với một nguồn cung cấp năng lượng điện Chúng thường được gọi là

lò graphite Các mẫu được đưa vào ống thông qua một lỗ nhỏ bằng cách

sử dụng một ống tiêm đo vi (thể tích mẫu bình thường nằm trong khoảng 0,5 - 10 ml) Trong thời gian hoạt động, hệ thống chứa đầy khí trơ để ngăn cho ống khỏi cháy và đuổi không khí từ nơi chứa mẫu Các ống được đốt nóng bằng điện Thông qua một sự gia tăng nhiệt độ từng bước, đầu tiên sấy khô, sau đó là tro hoá mẫu, và cuối cùng nhiệt độ được tăng lên nhanh chóng 2,000-3,0000C để nhanh chóng bốc hơi nước và nguyên tử hoá mẫu

 Kỹ thuật hơi lạnh chỉ áp dụng đối với thủy ngân, vì thủy ngân là nguyên

tố khoáng chỉ có thể tồn tại các nguyên tử tự do ở trạng thái khí ở nhiệt độ phòng Trong kỹ thuật này, các hợp chất thủy ngân trong một mẫu được biến đổi thành nguyên tố thuỷ ngân do tác động của thiếc clorua, một tác nhân khử mạnh Sau đó, dòng khí hoặc argon mang nguyên tố thuỷ ngân vào một tế bào hấp thụ và hấp thụ nguyên tử được đo giống như phương pháp ion hóa ngọn lửa hệ thống nhiệt điện Phương pháp này có ưu điểm

là độ nhạy rất cao bởi vì tất cả các thủy ngân trong mẫu có thể được chuyển cho các tế bào hấp thu và đo

 Trong kỹ thuật hoá hơi hydride, hidrua bay hơi được hình thành từ phản ứng của các mẫu với Sodium Bohiđrua Các hydrua sau đó cũng được đưa vào một tế bào hấp thụ và nung để phân hủy chúng thành các nguyên tử tự

do Sau đó, các phép đo hấp thụ nguyên tử được thực hiện theo cách thức giống như với các kỹ thuật nguyên tử hoá khác Cũng giống với các kỹ thuật hơi lạnh thuỷ ngân, kỹ thuật này có độ nhạy cao vì ít thất thoát mẫu Tuy nhiên, kỹ thuật này được giới hạn bởi chỉ tương đối ít các nguyên tố

có khả năng tạo thành hiđrua dễ bay hơi Chúng bao gồm As, Pb, Sn, Bi,

Sb, Te, Ge, và Se

4.3 Bộ đơn sắc

Bộ đơn sắc được đặt trong đường dẫn quang học giữa ngọn lửa hoặc lò và máy dò Mục đích của nó là để phân ly chùm tia phát xạ cộng hưởng của nguyên

tố cần phân tích được phát ra từ đèn sau khi qua môi trường hấp thụ, để chỉ có

bức xạ của bước sóng mong muốn mới được đưa đến máy dò Thông thường, hay sử dụng loại đơn sắc lưới

4.4 Máy dò

Hai loại máy dò được sử dụng trong quang phổ kế AA là ống nhân quang

và thiết bị dò trạng thái rắn Máy sẽ phát hiện và chuyển đổi năng lượng bức xạ thành tín hiệu điện Tín hiệu này có thể sử dụng để tạo ra thông tin truy xuất tương tự hoặc kỹ thuật số Các thiết bị hiện đại được kết nối với máy tính để thu thập dữ liệu, thao tác và lưu trữ

5. PHƯƠNG THỨC CHUNG CHO KỸ THUẬT PHÂN TÍCH HẤP THU NGUYÊN TỬ

Trong khi thiết kế cơ bản của các thiết bị trong phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử giống nhau, thì cách vận hành có sự đa dạng hơn tuỳ vào thiết

bị Vì thế, nên xem kỹ hướng dẫn sử dụng về phương thức hoạt động của thiết bị

từ nhà sản xuất trước khi sử dụng thiết bị Hầu hết các hướng dẫn sử dụng có các phương thức vận hành chi tiết của các thiết bị cũng như các bảng niêm yết điều kiện tiêu chuẩn (yêu cầuvề bước sóng và chiều rộng khe, nhiễu và các bước

để tránh chúng, đặc điểm ngọn lửa, khoảng tuyến tính, và gợi ý cho việc chuẩn

bị mẫu chuẩn) cho mỗi nguyên tố

Hãy chắc chắn phải chú ý đến biện pháp phòng ngừa an toàn theo khuyến cáo của nhà sản xuất ACETY LEN LÀ KHÍ NỔ nên cần phải chú ý đặc biệt để tránh các vụ nổ nguy hiểm

5.1 Sự vận hành của các thiết bị trong phương pháp AAS bằng ngọn lửa

1 Xoay núm điều khiển dòng điện vào đèn về vị trí off

2 Cài đặt đèn trong khoang đèn theo đúng yêu cầu

3 Bật nguồn điện chính và nguồn điện của đèn Điều chỉnh dòng điện qua đèn theo đúng yêu cầu ghi trên nhãn

4 Lựa chọn khe hẹp và bước sóng theo yêu cầu và chỉnh chùm ánh sáng bằng hệ thống quang học

5 Đốt cháy ngọn lửa và điều chỉnh tỉ lệ dòng khí oxi hoá và khí cháy