Phương pháp phân tích phổ nguyên tử và ứng dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ TRỊNH THỊ LAN HƯƠNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ NGUYÊN TỬ VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Đình Trọng Hà Nội, 2017 i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc nhất tới thầy giáo – PGS.TS Lê Đình Trọng với giúp đỡ bảo tận tình thầy suốt trình làm khóa luận Em xin cảm ơn thầy cô giáo khoa vật lý Trường đại học sư phạm Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn Cuối em xin cảm ơn gia đình, bạn bè động viên, khích lệ tạo điều kiện để em hoàn thành khóa luận cách tốt nhất Hà Nội, tháng năm 2017 Sinh viên thực Trịnh Thị Lan Hương ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận kết nghiên cứu riêng Trong nghiên cứu kế thừa nghiên cứu nhà khoa học, nhà nghiên cứu với trân trọng biết ơn Những kết nêu khóa luận chưa công bố bất kỳ công trình khác Hà Nội, tháng năm 2017 Sinh viên thực Trịnh Thị Lan Hương iii MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Lời cam đoan Mở đầu Nội dung Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ NGUYÊN TỬ .3 1.1 Vài nét lịch sử phổ .3 1.2 Sự phân loại phổ 1.2.1 Sự phân chia theo đặc trưng phổ 1.2.2 Sự phân chia theo độ dài sóng 1.3 Sự xuất phổ nguyên tử 1.3.1 Tóm tắt cấu tạo nguyên tử 1.3.2 Sự xuất phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử 1.4 Khái quát phương pháp phân tích phổ nguyên tử 1.4.1 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử 10 1.4.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử 11 Chương ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ PHÁT XẠ VÀ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ 12 2.1 Đại cương phân tích phổ phát xạ nguyên tử AES 12 2.1.1 Nguyên tắc phép đo phổ phát xạ nguyên tử 12 2.1.2 Đối tượng phép đo phổ phát xạ 13 2.1.3 Nguồn kích thích phổ phát xạ nguyên tử 13 2.1.4 Máy đo phổ phát xạ 26 2.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo phổ phát xạ nguyên tử .29 2.1.6 Ưu điểm nhược điểm phép đo phổ phát xạ 31 2.2 Đại cương phương pháp quang phổ hấp thụ 31 2.2.1 Nguyên tắc phép đo phổ hấp thụ 31 iv 2.2.2 Đối tượng phép đo phổ hấp thụ 32 2.2.3 Nguồn phát xạ đơn sắc 33 2.2.4 Máy đo phổ hấp thụ 37 2.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo phổ hấp thụ 40 2.2.6 Ưu điểm nhược điểm phép đo phổ hấp thụ nguyên tử 42 Chương ỨNG DỤNG 44 3.1 Ứng dụng phép đo phổ phát xạ nguyên tử AES 44 3.1.1 Khả phạm vi ứng dụng 44 3.1.2 Ứng dụng phân tích định tính AES 45 3.2 Ứng dụng phép đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS 47 3.2.1 Khả phạm vi ứng dụng 47 3.2.2 Ứng dụng phương pháp nguyên tử hóa lửa ……………48 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 v MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Trong thời đại công nghiệp đô thị hóa nay, môi trường sống bị ô nhiễm trầm trọng Các chất thải từ khu công nghiệp, phương tiện giao thông vào không khí, nước, đất, thực phẩm chứa lượng lớn kim loại nặng độc hại Chúng xâm nhập vào thể người, động vật qua đường hô hấp, ăn uống dẫn đến nhiễm độc Bên cạnh nhà khoa học nhiều nguyên tố kim loại tham gia vào thành phần cấu trúc quan trọng thể sống người Sự thiếu hụt nhiều nguyên tố kim loại vi lượng thể người như: canxi xương, sắt máu, phốt nhân tế bào nguyên nhân dẫn đến suy nhược thể bệnh tật Do việc nghiên cứu kim loại cần thiết kim loại độc hại môi trường nhằm đề biện pháp bảo vệ chăm sức khỏe cộng đồng vô quan trọng Vậy câu hỏi đặt làm để biết có mặt nguyên tố kim loại đối tượng vật chất khác nhau? Phương pháp nghiên cứu quang phổ nguyên tử đời đáp ứng yêu cầu Nó nghiên cứu cấu trúc vật chất dựa vào quang phổ ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực: khoa học kĩ thuật, y học, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, địa chất Nhờ phương pháp ta xác định kim loại Ví dụ Cr, Ni, Cu nước tiểu, Fe máu Xác định nguyên tố Cd, Cu, Mo,Zn nước biển Trong thiên văn nhờ nghiên cứu quang phổ mà biết thành phần cấu tạo mặt trời Hiện hai phương pháp phân tích quang phổ sử dụng phổ biến phân tích phổ phát xạ (AES) hấp thụ nguyên tử (AAS) Nó công cụ đắc lực để xác định kim loại độc hại nghiên cứu bảo vệ môi trường Ở nước ta phương pháp phân tích phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử phát triển ứng dụng hai chục năm Từ tầm quan trọng phương pháp phân tích quang phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử mà em chọn đề tài “ Phương pháp phân tích phổ nguyên tử ứng dụng ’’ Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu phương pháp phân tích quang phổ nguyên tử - Tìm hiểu ứng dụng phương pháp quang phổ nguyên tử Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Cơ sở lý thuyết xuất phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử - Các nguyên tắc phương pháp phân tích phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử - Những ứng dụng chúng lĩnh vực nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu sở lý thuyết phương pháp quang phổ nguyên tử - Nghiên cứu ứng dụng phương pháp Phương pháp nghiên cứu Thu thập nghiên cứu tài liệu Tổng hợp lại vấn đề phương pháp ứng dụng nó, từ đến kết luận Cấu trúc khóa luận Chương 1: Cơ sở lý thuyết phương pháp phân tích quang phổ nguyên tử Chương 2: Đại cương phương pháp phân tích phổ phát xạ hấp thụ Chương 3: Ứng dụng NỘI DUNG Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ NGUYÊN TỬ 1.1 Vài nét lịch sử phổ Từ năm 1670 đến 1672, Newton khám phá tán sắc ánh sáng giải thích việc ánh sáng qua lăng kính trở thành nhiều màu, thấu kính hay lăng kính sẽ hội tụ ánh sáng màu trở thành ánh sáng trắng Newton cho thấy ánh sáng màu không thay đổi tính chất việc phân tích tia màu chiếu vào vật khác ông ý dù: phản xạ, tán xạ hay truyền qua màu sắc vẫn giữ nguyên Vì màu mà ta quan sát kết vật tương tác với ánh sáng có sẵn màu sắc kết vật tạo màu Năm 1800, nhà thiên văn học Sir William Herschel làm thí nghiệm với lăng kính, bìa giấy nhiệt kế với bóng sơn đen để quan sát gia tăng nhiệt độ ông di chuyển từ ánh sáng màu tím đến ánh sáng đỏ cầu vồng tạo từ ánh sáng mặt trời qua lăng kính Ông phát điểm nóng nhất thực nằm phía ánh sáng đỏ Bức xạ phát nhiệt nhìn thấy được, ông đặt tên cho xạ không nhìn “tia nhiệt” (calorific ray) mà ngày gọi tia hồng ngoại Năm 1801, Ritter định làm lại thí nghiệm Herschel, nhiên mục đích ông quan sát xem tốc độ làm cho giấy bạc clorua chuyển màu tất ánh sáng có giống hay không Ritter phát tia hồng ngoại gần làm cho giấy chuyển màu tia có ánh sáng màu tím làm cho giấy chuyển màu nhanh nhất Năm 1802, William Hyde Wollatson phát vạch sẫm rất mảnh cắt ngang phổ ánh sáng mặt trời Sau 12 năm Joseph Von Fraunhofer giải thích nguyên nhân vạch tối chất khí mặt trời hấp thụ ánh sáng Từ năm 1860 đến 1861, nhà khoa học Robert Wilhelm Eberhard Bunsen với Gustav Kirchhoff so sánh bước sóng vạch Frauhofer nghiên cứu quang phổ phát xạ nguyên tố bị nung nóng phát natri, sắt, magie, cacium, crom kim loại khác mặt trời Trong thí nghiệm họ phát hai nguyên tố caesium rubidium Năm 1865, lí thuyết điện từ Jonh Clerk Maxwell khẳng định lại lần tính chất sóng ánh sáng Đặc biệt lý thuyết kết nối tượng quang học với tượng điện từ học cho thấy ánh sáng trường hợp riêng sóng điện từ Năm 1900, thuyết lượng tử ánh sáng Planck đời ánh sáng hay xạ nói chung gồm lượng tử lượng E gọi photon, phát từ nguồn sáng Lượng tử ánh sáng E tính theo hệ thức Planck đề xướng: E = hv (v tần số xạ) Năm 1919, Johannes Stark nghiên cứu hiệu ứng Doppler ánh sáng tách vạch phổ tác dụng từ trường Từ năm 1900 đến 25 giải Nobel trao cho nhà khoa học nghiên cứu quang phổ 1.2 Sự phân loại phổ Tuỳ theo quan niệm dựa theo điều kiện kích thích phổ, phương tiện thu ghi quan sát phổ, chất trình sinh phổ mà người ta có số cách phân chia sau: 1.2.1 Sự phân chia theo đặc trưng của phổ Theo cách người ta có phổ quang học sau: - Phổ nguyên tử, gồm có: phổ phát xạ nguyên tử, phổ hấp thụ nguyên tử, phổ huỳnh quang nguyên tử Đây phổ chuyển mức lượng điện tử hóa trị nguyên tử ở trạng thái khí (hơi) tự do, bị kích thích mà sinh - Phổ phân tử, gồm có: phổ hấp thụ phân tử vùng UV-VIS, phổ hồng ngoại (IR NIR), phổ tán xạ Raman Phổ định bởi điện tử hóa trị nguyên tử ở phân tử, điện tử hóa trị nằm liên kết hay cặp tự do, chuyển mức lượng bị kích thích - Phổ Rơn-ghen (tia X), phổ điện tử nội nguyên tử, gồm có: phổ phát xạ tia X, phổ huỳnh quang tia X, phổ nhiễu xạ tia X - Phổ cộng hưởng từ, gồm có: cộng hưởng từ điện tử (ERMS), cộng hưởng từ proton hay hạt nhân (NRMS) - Phổ khối, phổ định bởi khối lượng Ion phân tử hay mảnh Ion chất phân tích bị cắt (tỉ số m/z) 1.2.2 Sự phân chia theo độ dài sóng Như biết, xạ điện từ có đủ bước sóng, từ sóng dài hàng ngàn mét đến sóng ngắn vài micromet hay nanomet Do phổ xạ điện từ đầy đủ phải chứa hết tất vùng sóng Nhưng thực tế dụng cụ quang học có khả thu nhận, phân li hay phát toàn vùng phổ Vì người ta chia phổ điện từ thành nhiều miền (vùng phổ) khác Đó nguyên tắc cách chia thứ hai (Bảng 1.1) Trên hai cách phân chia hay sử dụng.Sự phân chia có tính chất giới thiệu chung toàn vùng phổ Trong khóa luận em đề cập đến phổ nguyên tử với hai phương pháp phân tích phổ nguyên tử hấp thụ phát xạ Bảng 1.1: Sự phân chia phổ theo độ dài sóng Tên vùng phổ Số TT Độ dài sóng Tia gama () < 0.1 nm Tia X 0.1 ÷ nm Tử ngoại 80 ÷ 400 nm Khả kiến 400 ÷ 800 nm Hồng ngoại 1÷ 400 μm Sóng ngắn 400 ÷ 1000 μm Sóng Rađa 0.1 ÷ cm Sóng cực ngắn 0.1 ÷ 50 cm Tivi-FM 1÷ 10 m 10 Sóng rađio 10 ÷ 1500 m kim loại đèn ở điều kiện nhiệt độ 550 ÷ 800 oC khoảng từ ÷ 1,5 mmHg Chất thay cho catốt HCL, nguồn cung cấp chùm tia phát xạ nguyên tố phân tích, chúng bị kích thích trình đèn EDL hoạt động - Khí đèn: Trong đèn phải hút hết không khí nạp thay vào khí trơ Ar, He hay N có áp suất thấp vài mmHg - Nguồn nuôi đèn làm việc: Nguồn lượng cao tần để nuôi đèn chế tạo theo tần số: tần số sóng ngắn 450 MHz tần số sóng radio 27,12 MHz có công suất kW Do nguồn nuôi lượng cảm ứng điện từ với tần số khác nên đèn EDL chia Hình 2.16 Đèn phóng điện không thành loại: đèn EDL sóng ngắn (nguồn phân cực nuôi 450 MHz) đèn sóng rađio (nguồn nuôi tần số sóng rađio 27,12 MHz) 2.2.3.3 Đèn phổ liên tục có biến điệu Trong khoảng vài năm trở lại đây, loại nguồn phát xạ phổ liên tục dùng làm nguồn phát xạ cộng hưởng cho phép đo AAS Đó đèn Hydrogen nặng (D2-Lamp), đèn xenon áp suất cao (Xe-Lamp), đèn halit kim loại W (W-Lamp) Nguồn phát phổ liên tục có ưu điểm dễ chế tạo, rẻ tiền có độ bền tương đối cao Vì cần có đèn thực phép đo AAS nhiều nguyên tố vùng phổ UV hay VIS Do đó, rất ưu việt máy phổ hấp thụ nhiều kênh xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố mẫu phân tích mà thay đèn HCL cho việc đo phổ 36 Hình 2.17 Đèn hyđro (D2Lamp) nguyên tố Với đèn có vùng tuyến tính rộng lại tượng tự hấp thụ riêng (tự đảo) Song độ đơn sắc độ chọn lọc hay độ nhạy nói chung nhiều trường hợp kém đèn HCL EDL Nhưng lại ưu việt dễ dàng trình phân tích tự động hàng loạt máy đo hấp thụ nhiều kênh 2.2.3.4 Các loại nguồn đơn sắc khác Ngoài loại nguồn phát xạ đơn sắc chủ yếu trình bày ở trên, phép đo AAS người ta sử dụng vài loại nguồn phát xạ đơn sắc khác đèn catốt rỗng có độ dọi cao, ống phát xạ đặc biệt, tia lazer Nhưng loại chủ yếu dùng nghiên cứu lý thuyết vật lý 2.2.4 Máy đo phổ hấp thụ [5] 2.2.4.1 Cấu tạo máy quang phổ hấp thụ (hệ đơn sắc) Hệ thống đơn sắc hệ thống để thu, phân li, chọn phát vạch phổ hấp thụ cần phải đo Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử hệ thống đơn sắc máy quang phổ có độ phân giải tương đối cao hệ máy chùm tia hay hệ máy chùm tia Cấu tạo gồm ba phần chính: - Hệ chuẩn trực, để chuẩn trực chùm 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 tia bước sóng lại Đặc trưng cho hệ quang máy AAS thông số: Độ tán sắc góc; Độ tán sắc dài; Độ phân giải (tán sắc); Vùng phổ làm việc hệ Bốn thông số yếu tố để xem xét chất lượng máy quang phổ AAS Trước hệ chuẩn trực khe vào chùm sáng đa sắc sau hệ buồng ảnh khe chùm tia đơn sắc cần đo Hình 2.18 sơ đồ nguyên tắc quang học, hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Theo sơ đồ này, chùm tia phát xạ cộng hưởng nguyên tố cần nghiên cứu phát từ đèn catốt rỗng sau qua môi trường hấp thụ, sẽ hướng vào khe máy vào hệ chuẩn trực, vào phận tán sắc, vào hệ hội tụ để chọn tia cần đo Như vậy chùm sáng đa sắc chuẩn trực, phân li sau vạch phổ cần đo chọn hướng vào khe đo để tác dụng vào nhân quang điện (detector-photomultiveler) để phát 37 xác định cường độ vạch phổ hấp thụ Hình 2.18 Sơ đồ nguyên tắc cấu tạo hệ thống máy AAS: a) Hệ chùm tia; b) Hệ chùm tia; 1- Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc; 2- Hệ thống nguyên tử hóa mẫu; 3- Hệ thống đơn sắc detetctor; 4- Bộ khuếch đại thị kết đo; 5- Microcomputer Muốn hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử cho kết tốt hệ thống tán sắc phải bảo đảm số yêu cầu bắt buộc sau đây: - Có độ tán sắc đủ lớn để tách cô lập tốt vạch phổ cần đo, tránh nhiễu, chen lấn vạch phổ khác ở bên cạnh Trong máy nay, phận thường hệ cách tử có số từ 1200 đến 2400 vạch/mm - Không gây bất kì tượng sai lệch làm mất lượng chùm sáng ở máy, hấp thụ, tán xạ, khuyếch tán phận cấu tạo thành máy Đặc biệt hệ thống gương, thấu kính, khe vào, khe 38 củachùm sáng Các thấu kính phải suốt vùng phổ làm việc máy - Khe vào khe máy phải có độ mở xác phải điều chỉnh cho phù hợp với vạch phổ có độ lặp lại cao phép đo - Detector để phát cường độ vạch phổ phải có độ nhạy cao Có phát thay đổi nhỏ trình hấp thụ vạch phổ nguyên tố Đó điều kiện tối thiểu hệ quang học máy phổ hấp thụ nguyên tử Với phát triển khoa học kĩ thuật, ngày người ta thỏa mãn tất yêu cầu 2.2.4.2 Trang bị hệ thống máy đo phổ hấp thụ Muốn thực phép đo phổ hấp thụ nguyên tử hệ thống máy đo phổ hấp thụ phải bao gồm phần sau: - Phần 1: Nguồn phát tia cộng hưởng Đó đèn catôt rỗng (HCL), đèn phóng điện không điện cực (EDL) hay nguồn phát xạ liên tục biến điệu - Phần 2: Hệ thống nguyên tử hóa mẫu Hệ thống chế tạo theo loại kỹ thuật, kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu lửa đèn khí (lúc ta có phép đo F – AAS) kỹ thuật nguyên tử hóa không lửa (lúc có phép đo ETA – AAS) Hình 2.19 Sơ đồ hệ thống AAS dùng kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu lửa - Phần 3: Là máy quang phổ, phận đơn sắc, có nhiệm vụ thu, phân ly chọn tia sáng (vạch phổ) cần đo hướng vào nhân quang điện để phát tín hiệu hấp thụ AAS vạch phổ 39 - Phần 4: Là hệ thống thị tín hiệu hấp thụ vạch phổ (tức cường độ vạch phổ hấp thụ hay nồng độ nguyên tố phân tích) 2.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo phổ hấp thụ Các yếu tố ảnh hưởng đến phép phân tích phổ hấp thụ nguyên tử chia làm nhóm : Nhóm thông số hệ máy ảo phổ ; Nhóm điều kiện nguyên tử hóa mẫu ; Nhóm kĩ thuật phương pháp chọn để xử lí mẫu ; Nhóm yếu tố phổ ; Nhóm yếu tố vật lý ; Nhóm yếu tố hóa học Trong phần em sẽ nghiên cứu cụ thể yếu tố nhóm vật lý hóa học 2.2.5.1 Nhóm yếu tố vật lý - Độ nhớt sức căng bề mặt dung dịch mẫu Để loại trừ ảnh hưởng dùng biện pháp sau: đo xác định phương pháp thêm chuẩn; pha loãng mẫu dung môi hay phù hợp; thêm vào mẫu chuẩn chất đệm có nồng độ đủ lớn; dùng bơm để lấy mẫu với tốc độ xác định mà mong muốn - Hiệu ứng lưu lại Khi nguyên tử hóa mẫu để đo cường độ vạch phổ, lượng nhỏ nguyên tố phân tích không bị nguyên tử hóa Chúng lưu lại bề mặt cuvet tích tụ lại qua số lần nguyên tử hóa mẫu Nhưng đến lần lại bị nguyên tử hóa mẫu theo tạo số nguyên tử tự nguyên tố phân tích tăng đột ngột không theo nồng độ mẫu Nghĩa làm tăng cường độ vạch phổ dẫn đến làm sai kết phân tích Cách khắc phục làm cuvet sau lần nguyên tử hóa mẫu để làm bay hết chất lại cuvet - Sự ion hóa Để loại trừ ion hóa nguyên tố phân tích sử dụng biện pháp sau: Chọn điều kiện nguyên tử hóa có nhiệt độ thấp mà điều kiện nguyên tố phân tích gần không bị ion hóa, thêm vào mẫu phân tích chất đệm cho ion hóa Đó muối halogen kim loại kiềm ion hóa thấp ion hóa nguyên tố phân tích với nồng độ lớn phù hợp Như vậy điều kiện nguyên tố phân tích sẽ không bị ion hóa - Sự kích thích phổ phát xạ Yếu tố xuất thường làm giảm nồng độ 40 nguyên tử trung hòa có khả hấp thụ xạ môi trường hấp thụ Vì vậy chọn nhiệt độ nguyên tử hóa mẫu thấp phù hợp mà nhiệt độ kích thích phổ phát xạ không đáng kể hoặc không xảy nguyên tố phân tích; thêm vào mẫu chất đệm để hạn chế phát xạ nguyên tố phân tích 2.2.5.2 Nhóm yếu tố hóa học - Nồng độ axit, loại axit dung dịch mẫu Các axit khó bay thường làm giảm nhiều đến cường độ vạch phổ Các axit dễ bay gây ảnh hưởng nhỏ Nói chung axit làm giảm cường độ vạch phổ theo thứ tự: HCl < HNO3< H2SO4< H3PO4< HF Nghĩa axit HCLO4, HCl HNO3 gây ảnh hưởng nhỏ nhất vùng nồng độ nhỏ Chính thực tế phân tích phép đo phổ hấp thụ nguyên tử người ta thường dùng axit HCl HNO3 1% hay 2%, ở nồng độ ảnh hưởng axit không đáng kể - Ảnh hưởng cation Để loại trừ ảnh hưởng cation sử dụng số biện pháp sau hoặc riêng biệt hoặc tổ hợp chúng với nhau: Chọn điều kiện sử lý mẫu phù hợp để loại nguyên tố ảnh hưởng khỏi dung dịch mẫu phân tích để đo phổ, chọn thông số máy đo thích hợp thêm vào mẫu phân tích chất phụ gia phù hợp để loại trừ ảnh hưởng - Ảnh hưởng anion Nói chung anion loại axit dễ bay thường làm giảm đến cường độ vạch phổ Cần giữ cho cường độ anion mẫu phân tích mẫu chuẩn ở giá trị nhất định không đổi Mặt khác không nên chọn axit H2SO4 làm môi trường mẫu cho phép mà nên dùng HCl hoặc HNO3 nồng độ 2% - Thành phần mẫu yếu tố ảnh hưởng gọi matric effect Nhưng lúc xuất mà thường thấy số trường hợp nhất định Thông thường mẫu có chữa nguyên tố dạng hợp chất bền nhiệt, khó bay khó nguyên tử hóa - Ảnh hưởng dung môi hữu Sự có mặt dung môi hữu thường làm tăng cường độ vạch phổ hấp thụ lên nhiều lần Đây cách làm tăng độ nhạy phương pháp phân tích 41 2.2.6 Ưu điểm và nhược điểm của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử [1] Cũng phương pháp phân tích khác, phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử có ưu, nhược điểm nhất định Ưu điểm: - Phép đo AAS có độ nhạy độ chọn lọc tương đối cao Khoảng 65 nguyên tố hóa học xác định phương pháp với độ nhạy từ 10-4 ÷ 10-5% Nếu sử dụng kỹ thuật nguyên tử hóa không lửa độ nhạy đạt 10-7% Chính có độ nhạy cao, nên phương pháp phân tích sử dụng rất rộng rãi nhiều lĩnh vực để xác định lượng vết kim loại Nhất phân tích nguyên tố vi lượng đối tượng mẫu y học, sinh học, nông nghiệp, kiểm tra hóa chất có độ tinh khiết cao - Đồng thời độ nhạy cao nên nhiều trường hợp làm giàu nguyên tố cần xác định trước phân tích Do tốn nguyên liệu mẫu, tốn thời gian không cần phải dùng nhiều hóa chất tinh khiết cao làm giàu mẫu Mặt khác tránh nhiễm bẩn mẫu xử lý qua giai đoạn phức tạp Đó ưu điểm lớn phép đo AAS - Các động tác thực nhẹ nhàng Các kết phân tích lại ghi lại băng giấy hay giản đồ để lưu trữ lại sau Đồng thời với trang bị nay, người ta xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố mẫu Các kết phân tích lại rất ổn định, sai số nhỏ Trong nhiều trường hợp sai số không 15% với vùng nồng độ cỡ ÷ ppm Hơn ghép với máy tính cá nhân phần mềm thích hợp trình đo xử lý kết sẽ nhanh dễ dàng, lưu lại đường chuẩn cho lần sau Bên cạnh ưu điểm nêu, phép đo AAS có số hạn chế nhất định Điều hạn chế trước hết muốn thực phép đo cần phải có hệ thống máy AAS tương đối đắt tiền Do nhiều sở nhỏ không đủ điều kiện để xây dựng phòng thí nghiệm mua sắm máy móc 42 Hạn chế: - Mặt khác phép đo có độ nhạy cao, nhiễm bẩn có ý nghĩa kết phân tích hàm lượng vết Vì môi trường không khí phòng thí nghiệm phải bụi Các dụng cụ, hóa chất dùng phép đo có độ tinh khiết cao Đó khó khăn ứng dụng phân tích Mặt khác phép đo có độ nhạy cao nên thiết bị máy móc tinh vi phức tạp Do cần phải có kỹ sư trình độ cao để bảo dưỡng chăm sóc Cần cán làm phân tích công cụ thành thạo để vận hành máy Những yếu tố khắc phục qua công tác chuẩn bị đào tạo cán - Nhược điểm phương pháp phân tích cho ta biết thành phần nguyên tố chất ở mẫu phân tích, mà không trạng thái liên kết nguyên tố mẫu Vì thế, phương pháp phân tích thành phần hóa học nguyên tố mà 43 Chương ỨNG DỤNG 3.1 Ứng dụng phép đo phổ phát xạ nguyên tử AES 3.1.1 Khả và phạm vi ứng dụng Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử ngày giữ vai trò quan trọng hóa học phân tích Bằng phương pháp người ta xác định định tính, bán định lượng định lượng năm chục kim loại gần chục nguyên tố kim đối tượng mẫu khác (vô hữu cơ) Phương pháp phân tích trở thành công cụ phân tích nguyên tố đắc lực nhiều lĩnh vực, nhất sau có nguồn kích thích ICP - Phân tích quang phổ phát xạ ngành hóa công nghiệp hóa học Nó công cụ để nhà hóa học xác định thành phần định tính định lượng nhiều chất, kiểm tra độ tinh khiết hóa phẩm, nguyên liệu đánh giá chất lượng chúng Nó phương pháp để xác định đồng vị phóng xạ nghiên cứu cấu trúc nguyên tử - Phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử địa chất Ngay từ đời, phương pháp nhà địa chất sử dụng phân tích mẫu quặng phục vụ cho công việc thăm dò địa chất tìm tài nguyên khoáng sản - Phân tích quang phổ phát xạ luyện kim Nó công cụ giúp nhà luyện kim xác định thành phần chất nóng chảy lò luyện kim, qua mà họ điều chỉnh nguyên liệu đưa vào để chế tạo hợp kim có thành phần mong muốn, kiểm tra thành phần, kiểm tra nguyên liệu - Phân tích quang phổ phát xạ tiêu chuẩn học Giúp tìm hiểu thành phần hóa học hành tinh xung quanh trái đất Bằng phương pháp phổ phát xạ kết hợp với số kính thiên văn, nhà thiên văn quan sát thành phần nguyên tố hóa học hành tinh khác Mặt Trăng, 44 - Phân tích quang phổ phát xạ nông nghiệp, y sinh học Đây ngành khoa học sử dụng phương pháp đem lại nhiều kết rực rỡ, đặc biệt việc nghiên cứu thổ nhưỡng, nghiên cứu nguyên tố vi lượng đất trồng, trồng, phân bón nông nghiệp, hay nghiên cứu thành phần thức ăn phục vụ chăn nuôi, phân tích nguyên tố vi lượng máu, serum, nước tiểu, phục vụ chữa bệnh - Phân tích quang phổ lĩnh vực khác Ngoài lĩnh vực nêu, phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử số ngành khác sử dụng công cụ phân tích Ví dụ ngành dược để kiểm tra số kim loại độc hại dược phẩm (Pb, Cu, Zn, Hg, ) Ngành nghiên cứu cổ sử, công an, án, ngoại thương Ngày nay, phổ phát xạ ICP loại công cụ phục vụ đắc lực cho công việc nghiên cứu sản xuất vật liệu khoa học, vật liệu từ, ván dẫn, vật liệu công nghiệp điện tử cao cấp Nó rất phù hợp để xác định nguyên tố đất hiếm, định tính định lượng, từ lượng lớn đến lượng nhỏ loại mẫu khác 3.1.2.Ứng dụng phân tích định tính AES Nguyên tắc phân tích định tính theo phổ phát xạ dựa sở bị kích thích điều kiện nhất định, nguyên tử nguyên tố thường phát số vạch phổ phát xạ đặc trưng riêng cho mà ở nguyên tố khác Vì vậy quan sát vạch phổ đặc trưng phổ thu mẫu phân kính ảnh hay băng giấy, ta kết luận nguyên tố có mặt mẫu Tất nhiên, để đảm bảo độ tin Hình 3.1 Quang phổ vạch phát xạ 45 cậy cao, phải tìm thấy nhất hai vạch đặc trưng phổ mẫu Với máy có độ phân giải cao việc đánh giá định tính dễ khó nhầm lẫn Bảng 3.1 số vạch phổ phát xạ đặc trưng nguyên tố phổ hồ quang phổ ICP Bảng 3.1 Một số vạch phát xạ đặc trưng các nguyên tố đó Nguyên tố Ag Al Ba Fe Mn Thế kích thích Vạch phổ (nm) Cường độ 328,068 5500R 3,78 338,289 2800R 3,66 520,907 100R 6,04 308,216 320R 4,02 309,271 650R 4,10 396,153 900R 3,14 455,404 6500R 7,93 493,409 2000R 7,72 553,555 650R 3,24 248,328 280R 4,99 358,120 600R 4,32 371,994 600R 3,32 373,487 700 4,18 279,482 800R 5,89 279,827 650R 6,10 280,106 400R 5,90 403,076 2000R 3,10 46 (eV) 3.2 Ứng dụng phép đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS 3.2.1 Khả và phạm vi ứng dụng Trong khoảng 10 năm trở lại đây, phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử phát triển nhanh chóng, để phân tích kim loại mà sử dụng nghiên cứu xác định hợp chất hữu như: halogen, lưu huỳnh, phốt Với trang bị kĩ thuật nay, phương pháp phân tích người ta định lượng hầu hết kim loại (khoảng 65 nguyên tố) số kim đến giới hạn nồng độ cỡ ppb (một phần tỉ), với sai số không lớn 15% Có thể nói hầu hết lĩnh vực khoa học kỹ thuật kinh tế sử dụng phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử Hình 3.2 Một phần Phổ AAS nguyên tử Na bước dịch chuyển 47 3.2.2 Ứng dụng của phương pháp nguyên tử hóa lửa Trong phương pháp người ta dùng lượng nhiệt lửa đèn khí để hóa nguyên tử hóa mẫu phân tích Dưới số ứng dụng phương pháp nguyên tử hóa lửa: - Xác định Pb Nếu nguồn nguyên tử hóa mẫu lửa sử dụng hỗn hợp khí: Không khí/Acetylene, tốc độ dòng đo ở bước sóng 283,3 nm, phương pháp cho phép xác định trực tiếp Pb đến nồng độ 0,004 mg/L với giới hạn phát 0,01 mg/L Các chất gây nhiễu chủ yếu ở nồng độ cao Al, Si, Sr, Mg Ca Bước sóng 283,3 nm thường sử dụng để đo phổ hấp thụ chì Các bước sóng 217 nm 261,4 nm sử dụng - Xác định As Đối với As có vạch hấp thu ở vùng tử ngoại chân không, vùng bị hấp thụ rất mạnh bởi không khí sản phẩm cháy chất hữu nên phép định lượng có độ nhạy thấp Nguồn nguyên tử hóa Nitrousoxide/Acetylene đo ở bước sóng 193,7 nm Giới hạn phát phương pháp 0,3 mg/L Ở bước sóng 193,7 nm hiệu ứng phân tán rất rõ,vì vậy nên sử dụng hiệu chỉnh để loại bỏ - Xác định thủy ngân Nếu nguồn nguyên tử hóa lửa Không khí/Acetylene đo ở bước sóng 253,7 nm, phương pháp cho phép xác định trực tiếp Hg với giới hạn phát 0,2 mg/L Coban gây nhiễu xác định thủy ngân Nồng độ lớn Co sẽ hấp thụ vạch cộng hưởng 253,7 nm thủy ngân Dung dịch Co 1000mg/L cho độ hấp thụ xấp xỉ 10% 48 KẾT LUẬN Qua thời gian tìm tòi nghiên cứu tài liệu, với hướng dẫn tận tình thầy giáo – PGS.TS Lê Đình Trọng, đề tài “ Phương pháp phân tích phổ nguyên tử ứng dụng ” hoàn thành nội dung sau: - Khóa luận tìm hiểu sở lý thuyết xuất phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử - Đã tìm hiểu nguyên tắc hai phương pháp phân tích phổ nguyên tử - Đã tìm hiểu số ưu nhược điểm phương pháp phân tích phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử - Đã nghiên cứu số ứng dụng quan trọng hai phương pháp phân tích phổ nguyên tử lĩnh vực Do lần em làm công tác nghiên cứu khoa học, nên khóa luận không tránh khỏi thiếu sót nhất định Em rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô giáo Em xin chân thành cảm ơn 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Luận ( 2006) , Giáo trình phương pháp phân tích phổ nguyên tử, NXB Đại học Quốc Gia Hà nội [2] Đặng Thị Nhung ( 2012) , Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội [3] Nguyễn Phương Thảo (2005) , Luận án thạc sĩ, Trường ĐHKHTN - ĐHQG Hà Nội [4] Nguyễn Ngọc Tuấn (2008), Phép đo AAS [5] Bùi Xuân Vững, (2009), Hóa phân tích công cụ, tài liệu nội Trường ĐHSP Đà Nẵng 50 ... trọng phương pháp phân tích quang phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử mà em chọn đề tài “ Phương pháp phân tích phổ nguyên tử ứng dụng ’’ Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu phương pháp phân tích. .. xuất phổ nguyên tử 1.3.1 Tóm tắt cấu tạo nguyên tử 1.3.2 Sự xuất phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử 1.4 Khái quát phương pháp phân tích phổ nguyên tử 1.4.1 Phương pháp. .. trưng nguyên tử ở trạng thái Quá trình gọi trình hấp thụ lượng nguyên tử tự trạng thái tạo phổ nguyên tử nguyên tố Phổ sinh trình gọi phổ hấp thụ nguyên tử [1].Nếu gọi lượng bxđt bị nguyên