CHƯƠNG 8 - PHƯƠNG PHÁP HẤP THU PHÂN TỬ UV – VIS

Đầu thế kỷ 19, hầu hết phân tích hoá học định lượng đều sử dụng phương pháp trọng lượng (gravimetry method) hoặc phương pháp chuẩn độ (titrimetry method). Với những phương pháp này đều đạt được độ đúng (accuracy) cao, nhưng khó có thể xác định được những thành phần hợp chất có nồng độ thấp trong nước. Trong suốt thời gian này nhiều nghiên cứu được bắt đầu để mở rộng khả năng phân tích định lượng đặc biệt các các yếu tố vết trong môi trường.

49 CHƢƠNG 8 PHƢƠNG PHÁP HẤP THU PHÂN TỬ UV – VIS 8.1 Tổng quan Đầu thế kỷ 19, hầu hết phân tích hoá học định lượng đều sử dụng phương pháp trọng lượng (gravimetry method) hoặc phương pháp chuẩn độ (titrimetry method). Với những phương pháp này đều đạt được độ đúng (accuracy) cao, nhưng khó có thể xác định được những thành phần hợp chất có nồng độ thấp trong nước. Trong suốt thời gian này nhiều nghiên cứu được bắt đầu để mở rộng khả năng phân tích định lượng đặc biệt các các yếu tố vết trong môi trường. Một trong số những phát minh đó là phương pháp so màu quang phổ. Phương pháp so màu đầu tiên là phương pháp Nessler phân tích hàm lượng ammonia trong nước vào năm 1856. Nessler khám phá ra rằng khi thêm HgI 2 và KI vào trong môi trường có chưa NH 4 + sẽ tạo thành dung dịch màu từ màu vàng đến màu nâu đỏ tuỳ theo nồng độ của NH 4 + . Màu của mẫu sẽ được so sánh với màu của mẫu chuẩn để xác đinh nồng độ tương ứng trong mẫu. Cho đến ngày nay phương pháp này đã được nghiên cứu bổ sung để phân tích nước mặt và nước thải trong Standard Methods. Cuối thế kỷ 19, một số phương pháp mới bắt đầu được khám phá như phương pháp hấp thu, phát xạ, tán xạ, tia cực tím, điện từ hồng ngoại phát xạ. Thế kỷ 20 là giai đoạn phát triển của tia X, microwave, và sóng radio, các hạt năng lượng bao gồm hạt electron và ion. 8.2 Lịch sử nghiên cứu quang phổ học Quang phổ học là một môn học chính yếu trong thiên văn học, nó đã được ứng dụng thành công để nghiên cứu về khí quyển trong hành tinh chúng ta. Cách đây 200 năm, Joseph von Fraunhofer (1787-1826) lần đầu tiên sản xuất loại máy đo quang phổ mà tính năng không có gì sánh kịp lúc bấy giờ. Ông ấy đã khám phá ra rất nhiều các đường tối trong quang phổ của ánh sáng mặt trời. Ông ấy có thể xác định chính xác độ dài bước sóng của nhiều “Fraunhofer lines” (vạch) và thuật ngữ này ngày nay vẫn được dùng. Tuy nhiên, trong thời gian này ông ấy không hiểu được những cơ sở vật lý và ý nghĩa về những vấn đề mà ông ấy khám phá ra. Hình 8.1. Thiết bị Spektralapparat thiết kế bởi Kirchhoff và Bunsen (1833) 50 Thành tựu quan trọng kế tiếp về “Fraunhofer lines” là quá trình tìm ra nguyên lý vật lý của sự hấp thu và phát xạ vào năm 1859 với sự cộng tác của nhiều nhà vật lý nổi tiếng như Gustav R. Kirchhoff và Robert W. Bunsen tại Heidelberg. Thiết bị mà họ sử dụng là “Spektralapparat”, họ ghi nhận được quá trình phát xạ rất đặc biệt của nhiều nguyên tố khác nhau. Với phương pháp này họ đã tiếp tục khám phá ra 2 nguyên tố mới là Cäsium và Rubidium, họ chiết được một lượng rất nhỏ (7g) từ 44.000 lít nước khoáng gần núi Bad Nauheim, Đức. Sự khám phá này là nền tảng cho sự khám phá tiếp theo về sự hấp thu và phát xạ của hấp thu phân tử. Năm 1879 Marie Alfred Cornu thấy rằng, những tia có bước sóng ngắn của bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất bị hấp thụ bởi khí quyển. Một năm sau đó, Walther Noel Hartley mô tả rất tỉ mỉ về sự hấp thụ UV của O 3 với độ dài bước sóng 200 và 300 nm và nó trở nên rõ ràng hơn khi họ phát hiện ra rằng O 3 chứa đầy trong bầu khí quyển. Năm 1880, Chappuis khám phá ra sự hấp thu trong vùng khả kiến (400 – 840nm). Năm 1925 Dobson phát triển một máy quang phổ mới rất ổn định sử dụng lăng kính bằng thạch anh. 8.3 Đại cƣơng về quang phổ Trong quang phổ học, ánh sáng nhìn thấy (ánh sáng khả kiến), tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia Rơnghen, sóng radio . đều được gọi chung một thuật ngữ là bức xạ. Theo thuyết sóng, các dạng bức xạ này là dao động sóng của cường độ điện trường và cường độ từ trường, nên bức xạ còn được gọi là bức xạ điện từ. Sau thuyết sóng, thuyết hạt cho thấy bức xạ gồm các “hạt năng lượng” gọi là photon chuyển động với tốc độ ánh sáng (c = 3.10 8 m/s). Các dạng bức xạ khác nhau thì khác nhau về năng lượng  h của các photon. Ở đây, năng lượng của bức xạ đã được lượng tử hóa, nghĩa là năng lượng của bức xạ không phải liên tục mà các lượng tử năng lượng tỉ lệ với tần số  của dao động điện từ theo hệ thức Planck.  h h = 6,625.10 – 34 J.s: hằng số Planck. Louis de Broglie đã đưa ra thuyết thống nhất cả khái niệm sóng và khái niệm hạt của sóng ánh sáng. Ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Tổng quát hơn là bức xạ có bản chất sóng hạt. Nội dung như sau: Hạt có khối lượng m chuyển động với vận tốc v có bước sóng đi đôi với nó là  cho bởi hệ thức: p h mv h   Trong đó : p = mv là động lượng của hạt λlà bước sóng (de Broglie) h = 6,625.10 -34 J.s là hằng số Planck. 51 8.3.1 Các đại lƣợng đo bức xạ điện từ Bước sóng  : Là quảng đường mà bức xạ đi được sau mỗi dao động đầy đủ. Đơn vị: m, cm, m  , nm, o A . (1cm = 10 8 o A = 10 7 m =10 4 m) Tần số  : Là số dao động trong một đơn vị thời gian (giây) Trong 1 giây bức xạ đi được c cm và bức sóng  cm, vậy:   c  Lưu ý: Bức xạ truyền trong chân không với vận tốc c = 2,9979.10 8 m/s (thường lấy tròn 3.10 8 m/s) Đơn vị: CPS ( VÒNG DÂY), Hz, KHz, MHz. (1CPS=1Hz; 1MHz=10 3 KHz=10 6 Hz) Năng lượng bức xạ: Các dao động tử (phân tử chẳng hạn) chỉ có thể phát ra hoặc hấp thụ năng lượng từng đơn vị gián đoạn, từng lượng nhỏ nguyên vẹn gọi là lượng tử năng lượng:    hc hc h  Đơn vị: Jun (J), Calo (Cal), electron von (eV). 8.3.2 Các dạng bức xạ Bức xạ điện từ bao gồm 1 dãy các sóng điện từ có bước sóng biến đổi trong khoảng rất rộng: từ cỡ mét ở sóng rađio đến cỡ o A (10 –10 m) ở tia Rơnghen hoặc nhỏ hơn nữa. Toàn bộ dãy sóng đó được chia thành các vùng phổ khác nhau. Bước sóng λ (nm) ĐỏCamVàngLục Tím Chàm Lam (Khả kiến) Vi sóng Sóng radioTia hồng ngoại Tia XTia γ UV Vùng VIS Hình 8.2. Các phổ của sóng điện từ 52 Mắt người chỉ cảm nhận được một vùng phổ điện từ rất nhỏ gọi là vùng nhìn thấy (khả kiến) bao gồm các bức xạ có bước sóng từ 396 – 760 nm. Hai vùng tiếp giáp với vùng nhìn thấy là vùng hồng ngoại và vùng tử ngoại UV. 8.3.3 Sự tƣơng tác giữa vật chất và bức xạ điện từ Ở điều kiện bình thường, điện tử của phân tử nằm ở trạng thái liên kết, nên phân tử có mức năng lượng thấp, gọi là trạng thái cơ bản E o (Hình 8.3). Khi chiếu một bức xạ điện từ vào một môi trường vật chất, sẽ xảy ra hiện tượng các phân tử vật chất hấp thụ (absorption) hoặc phát xạ (emission) năng lượng, hay được gọi là trạng thái kích thích (Hình 8.3). Năng lượng mà phân tử phát ra hay hấp thụ vào là:  E = E 2 – E 1 =  h Trong đó, E 1 và E 2 là mức năng lượng của phân tử ở trạng thái đầu và trạng thái cuối  (hay còn gọi là trạng thái kích thích) là tần số của bức xạ điện từ bị hấp thụ hay phát xạ ra. Nếu  E > 0 thì xảy ra sự hấp thụ bức xạ điện từ. Nếu  E < 0 thì xảy ra sự phát xạ năng lượng. Hình 8.3. Sự hấp thụ (A) hoặc phát xạ (B) năng lƣợng của một photon Theo thuyết lượng tử, các phân tử và các bức xạ điện từ trao đổi năng lượng với nhau không phải bất kỳ và liên tục mà có tính chất gián đoạn. Phân tử chỉ hấp thụ hoặc phát xạ 0, 1, 2, 3,…n lần lượng tử  h mà thôi. Khi phân tử hấp thụ hoặc phát xạ sẽ làm thay đổi cường độ của bức xạ nhưng không làm thay đổi năng lượng của nó, bởi vì cường độ bức xạ điện từ xác định bằng mật độ các hạt phôton có trong chùm tia, còn năng lượng bức xạ điện từ lại phụ thuộc tần số  của bức xạ. Vì thế khi chiếu một chùm bức xạ điện từ với một tần số duy nhất đi qua môi trường vật chất thì sau khi đi qua năng lượng của bức xạ không hề thay đổi mà chỉ có cường độ bức xạ thay đổi. Các phân tử khi hấp thụ năng lượng của bức xạ sẽ dẫn đến thay đổi các quá trình trong phân tử (quay, dao động, kích thích electron…) hoặc trong nguyên tử (cộng hưởng spin electron, cộng hưởng từ hạt nhân) Mỗi một quá trình như vậy đòi hỏi một năng lượng đặc trưng cho nó, nghĩa là đòi hỏi bức xạ điện từ có tần số hay chiều dài sóng nhất định để kích thích. Do sự hấp thụ chọn lọc này mà khi chiếu chùm bức xạ điện từ với một dãi tần số khác nhau đi qua môi trường vật chất thì sau A B 53 khi đi qua chùm bức xạ này sẽ bị mất đi một số bức xạ có tần số xác định, nghĩa là các tia này đã bị phân tử hấp thụ. Bảng 8.1. Ứng dụng quang phổ điển hình do sự thay đổi năng lƣợng Kiểu chuyển đổi năng lƣợng Vùng bƣớc sóng Thiết bị quang phổ Hấp thụ (absorption) Tia γ Máy quang phổ Mossbauer Tia X Máy hấp thụ quang phổ tia X UV/Vis Máy so màu quang phổ UV/Vis Máy hấp thu nguyên tử AAS Hồng ngoại Máy so quang phổ hồng ngoại Máy so màu hiệu ứng Raman Microwave Máy quang phổ vi sóng Sóng radio Máy quang phổ từ hạt nhân Phát xạ (emission) UV/Vis Máy phát xạ nguyên tử Tia X Máy phát xạ huỳnh quang tia X UV/Vis Máy quang phổ huỳnh quang Máy phát lân quang Máy quang phổ phát xạ huỳnh quang nguyên tử Bảng 8.2. Quang phổ điển hình không do sự thay đổi năng lƣợng Vùng bước sóng Kiểu tương tác Thiết bị Tia X Nhiểu xạ Máy nhiểu xạ tia X UV/Vis Khúc xạ Máy khúc xạ Tán xạ Máy đo độ đục 8.3.4 Sự hấp thụ bức xạ và màu sắc của các chất Ánh sáng nhìn thấy bao gồm tất cả dải bức xạ có bước sóng từ 396 – 760 nm có màu trắng (ánh sáng tổng hợp). Khi cho ánh sáng trắng (ánh sáng mặt trời) chiếu qua một lăng kính, nó sẽ bị phân tích thành một số tia màu (đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím). Mỗi tia màu đó ứng với một khoảng bước sóng hẹp hơn (xem Bảng 8.3). Cảm giác các màu sắc là một chuỗi các quá trình sinh lý và tâm lý phức tạp khi bức xạ trong vùng khả kiến chiếu vào võng mạc của mắt. Một tia màu với một khoảng bước sóng xác định. Chẳng hạn bức xạ với bước sóng 54 400–430 nm gây cho ta cảm giác màu tím, tia sáng với bước sóng 560 nm cho ta cảm giác màu lục vàng. Ánh sáng chiếu vào một chất nào đó nó đi qua hoàn toàn thì đối với mắt ta chất đó không màu. Thí dụ, thủy tinh thường hấp thụ các bức xạ với bước sóng nhỏ hơn 360 nm nên nó trong suốt với các bức xạ khả kiến. Thủy tinh thạch anh hấp thụ bức xạ với bước sóng nhỏ hơn 160 nm, nó trong suốt đối với bức xạ khả kiến và cả bức xạ tử ngoại gần. Một chất hấp thụ hoàn toàn tất cả các tia ánh sáng thì ta thấy chất đó có màu đen. Nếu sự hấp thụ chỉ xảy ra ở một khoảng nào đó của vùng khả kiến thì các bức xạ ở khoảng còn lại khi đến mắt ta sẽ gây cho ta cảm giác về một màu nào đó. Chẳng hạn một chất hấp thụ tia màu đỏ (  = 610–730 nm) thì ánh sáng còn lại gây cho ta cảm giác màu lục (ta thấy chất đó có màu lục). Ngược lại, nếu chất đó hấp thụ tia màu lục thì đối với mắt ta nó sẽ có màu đỏ. Người ta gọi màu đỏ và màu lục là hai màu phụ nhau. Trộn hai màu phụ nhau lại ta sẽ có màu trắng. Nói cách khác, hai tia phụ nhau khi trộn vào nhau sẽ tạo ra ánh sáng trắng. Quan hệ giữa màu của tia bị hấp thụ và màu của chất hấp thụ (các màu phụ nhau) được ghi ở bảng sau: Bảng 8.3. Quan hệ giữa màu của tia bị hấp thụ và màu chất hấp thụ Tia bị hấp thụ Màu của chất hấp thụ (màu của tia còn lại)  (nm) Màu 400 – 430 430 – 490 490 – 510 510 – 530 530 – 560 560 – 590 590 – 610 610 – 750 Tím Xanh Lục xanh Lục Lục vàng Vàng Da cam Đỏ Vàng lục Vàng da cam Đỏ Đỏ tía Tím Xanh Xanh lục Lục Lưu ý: Giữa các tia màu cạnh nhau không có một ranh giới thật rõ rệt. Việc phân chia ánh sáng trắng thành 7, 8 hay 9 tia màu… còn tùy thuộc vào lăng kính và sự tinh tế của mắt người quan sát. Một chất có màu, thí dụ như màu đỏ chẳng hạn là do nó đã hấp thụ chọn lọc trong vùng khả kiến theo một trong các kiểu sau: - Chất đó hấp thụ tia phụ của tia đỏ (tức là hấp thụ tia màu lục) - Chất đó hấp thụ các tia trừ tia màu đỏ. - Chất đó hấp thụ ở hai vùng khác nhau của ánh sáng trắng sao cho các tia còn lại cho mắt ta cảm giác màu đỏ. 55 Để một hợp chất có màu, không nhất thiết max  của nó phải nằm ở vùng khả kiến mà chỉ cần cường độ hấp thụ ở vùng khả kiến đủ lớn. Nói một cách khác tuy giá trị cực đại của vân hấp thụ nằm ngoài vùng khả kiến nhưng do vân hấp thụ trải rộng sang vùng khả kiến nên hợp chất vẫn có màu. Tất nhiên để có được sự hấp thụ thấy được ở vùng khả kiến thì max  của chất cũng phải gần với ranh giới của vùng khả kiến. Tương ứng với một bước chuyển điện tử, ta thu được phổ hấp thu có dạng: Hai đại lượng đặc trưng của phổ hấp thu là vị trí và cường độ - Vị trí cực đại hấp thu, giá trị  max tùy thuộc vào E mà hợp chất này hấp thu ở các vùng phổ khác nhau. Bán chiều rộng của vân phổ điện tử dao động khá rộng khoảng 50 – 60 nm. - Cường độ thể hiện qua diện tích hoặc chiều cao của đỉnh biểu đồ (peak). Cường độ vân phổ phụ thuộc vào xác xuất chuyển mức năng lượng của điện tử. Xác suất lớn cho cường độ vân phổ lớn. Một hợp chất màu có phổ hấp thu tốt khi đỉnh biểu đồ (peak) cao và bán chiều rộng vân phổ hẹp. Peak Độ rộng Bán vân phổ λ max 56 Hình 8.4. Đỉnh (peak) và bán chiều rộng vân phổ Khi bán chiều rộng vân phổ hẹp, khi  thay đổi nhỏ thì độ hấp thu A thay đổi lớn. Điều này rất có ý nghĩa trong phân tích định lượng. Giả sử hợp chất X có A max ở 500 nm. Khi chúng ta đo ở bước sóng 510 nm . thì độ hấp thu đo được sẽ khác rất xa đối với ở bước sóng 500 nm. Từ đó ta thấy rằng ở mỗi hợp chất màu có một giá trị max  nhất định và nó phản ánh độ nhạy của phương pháp. Mặt khác, một hợp chất đòi hỏi đỉnh biểu đồ cao nghĩa là khi ta đo ở bước sóng max  thì ta được độ hấp thụ quang cực đại, khoảng làm việc rộng. 8.3.5 Định luật Lambert – Beer Khi chiếu một chùm tia sáng đơn sắc đi qua một môi trường vật chất thì cường độ của tia sáng ban đầu (I o ) sẽ bị giảm đi chỉ còn là I Tỉ số T I I o  0 0 100 được gọi là độ truyền qua. Tỉ số A I II o   0 0 100 được gọi là độ hấp thụ. Nguyên tắc của phương pháp biểu diễn theo sơ đồ : Mẫu Cuvette I o I A I I R I o = I A + I R + I Hình 8.5. Sơ đồ mô tả sự hấp thụ ánh sáng của một dung dịch Trong đó: I o : Cường độ ban đầu của nguồn sáng I A : Cường độ ánh sáng bị hấp thu bởi dung dịch I: Cường độ ánh sáng sau khi qua dung dịch. I R : Cường độ ánh sáng phản xạ bởi thành cuvette và dung dịch, giá trị này được loại bỏ bằng cách lặp lại 2 lần đo. Giữa I A , I, độ dày truyền ánh sáng (l) và nồng độ (C) liên hệ qua quy luật Lambert – Beer là định luật hợp nhất của Bouguer: 57 Lambert (1766) lK I Io 1 lg  Beer (1852): CK I Io 1 lg  Độ truyền quang (T) hay độ hấp thụ (A) phụ thuộc vào bản chất của vật chất, độ dày truyền ánh sáng l và nồng độ C của dung dịch. Có thể viết: Định luật Lambert – Beer : lC I I A     )lg( 0 Trong đó:  là hệ số hấp thu phân tử, C nồng độ dung dịch (mol/L), l độ dày truyền ánh sáng (cm), A là độ hấp thụ quang. (Lưu ý phương trình trên chỉ đúng đối với tia sáng đơn sắc). Trong phân tích định lượng bằng phương pháp trắc quang người ta chọn một bước sóng  nhất định, chiều dày cuvet l nhất định và lập phương trình phụ thuộc của độ hấp thụ quang A vào nồng độ C. Khảo sát khoảng tuân theo định luật Lambert – Beer: Khi biểu diễn định luật Lambert – Beer trên đồ thị tùy theo cách thực hiện phép đo, ta thường gặp đường biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thu A vào cường độ C của dung dịch có dạng: y = ax + b Hệ số góc a cho biết độ nhạy của phương pháp, trong phương pháp trắc quang người ta chỉ đo dung dịch trong khoảng tuân theo định luật Lambert – Beer tức là khoảng nồng độ mà ở đó giá trị  không thay đổi. Hệ số góc a càng lớn và khoảng tuân theo định luật Beer càng rộng là điều kiện thuận lợi cho phép xác định. Sự lệch khỏi định luật Beer: Sự lệch khỏi định luật Beer được biểu diễn bằng sơ đồ sau: Hình 8.6. Giới hạn của định luật Beer về sự hấp thụ quang Khoảng tuyến tính LOL (Limit of Linear Response) là khoảng nồng độ tuân theo định luật Beer )( ClA   nghĩa là khi nồng độ tăng thì độ hấp thụ quang A tăng. Ngoài giới hạn LOL là sự lệch khỏi định luật Beer, nghĩa là khi nồng độ tăng thì độ hấp thụ quang A hầu như 58 không tăng nữa. Nguyên nhân của quá trình này là do nồng độ dung dịch quá lớn. Ngoài ra, khoảng tuyến tính LOL còn bị ảnh hưởng của mức độ đơn sắc của ánh sáng sử dụng, pH của dung dịch, lực ion, sự pha loãng . Ý nghĩa của các đại lƣợng: - Hệ số hấp thu mol : phụ thuộc bản chất mỗi chất, bước sóng , nhiệt độ, chiết suất (theo nồng độ). Giá trị tính lý thuyết của một bước chuyển được phép cho 1 electron là  = 10 5 mol -1 .cm -1 . lC A   (l. mol -1 cm -1 )  cao cho ta biết được độ nhạy của phản ứng, là thước đo độ nhạy của phương pháp. Trong phân tích trắc quang,  = 10 3 – 10 5 mol -1 . cm -1 là đủ nhạy để dùng cho phương pháp trắc quang,  phụ thuộc vào chiết suất mà chiết suất lại phụ thuộc vào nồng độ. Khi chiết suất tăng lên thì  giảm và để  không thay đổi thì phải thực hiện C  10 -2 mol/L. - Độ hấp thụ quang A: Là đại lượng không có đơn vị, có tính chất quan trọng là tính cộng độ hấp thụ quang. Giả sử 2 chất A và B có nồng độ C A và C B , độ hấp thu tại bước sóng  là: A = A A + A B = l × ( A C A +  B C B ) Nếu một chất tan X nào đó có độ hấp thụ quang là A X , dung môi có độ hấp thụ quang là A dm , ta có: A = A x + A dm Để đo được chính xác A x thì A dm = 0, có nghĩa là phải chọn  max của dung môi khác xa với  max chất tan. Những chất được chọn làm dung môi thường có  hấp thu ở miền ranh giới tử ngoại chân không. Bảng 8.4. Các dung môi thƣờng sử dụng trong vùng UV – VIS Dung môi Bước sóng (nm) Dung môi Bước sóng (nm) Nước cất 190 Benzen 280 HCl 190 Cloroform 245 Etanol, metanol 210 Tetra Clorocarbon 265 n- Butanol 210 Dietyl Eter 218 n- Hexan 210 Aceton 330 Cyclohexan 210 1,4 Dioxan 215 Trong hỗn hợp có nhiều cấu tử không làm thay đổi tương tác, không phản ứng hóa học, không dịch chuyển cân bằng, thì có thể xác định hỗn hợp các cấu tử theo hệ thức sau: . độ nằm trong khoảng tuân theo định luật Beer. C x -- -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - A x C tc -- -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- A tc Ta cần xác định C x : tc tcx x A CA C  . ngoại Đèn cực âm hallow UV/ Vis Hấp thụ nguyên tử Đèn hơi nước Hg UV/ Vis Phát xạ huỳnh quang phân tử Laser UV/ Vis Hấp thụ phân tử, nguyên tử, huỳnh quang, tán