Phép đo phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử là những kĩ thuật phân tích hóa lí, đã và đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học kĩ thuật, trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, y dược, địa chất, hóa học. Đặc biệt ở các nước phát triển, phương pháp phân tích phổ phát xạ nguyên tử đã trở thành một trong các phương pháp dùng để phân tích lượng vết các kim loại trong nhiều đối tượng khác nhau như đất, nước, không khí, thực phẩm, v.v... Hiện nay trong công tác nghiên cứu bảo vệ môi trường, phương pháp phân tích này là một công cụ đắc lực để xác định các kim loại nặng độc hại.
NỘI DUNG I PHƯƠNG PHÁP LẤY MẪU PHÂN TÍCH Mẫu ghi mẫu khí, lỏng hay rắn Đối với loại mẫu cần có loại cuvet riêng chuẩn bị mẫu thích hợp Mẫu dạng khí Đối với mẫu khí tinh khiết hay hổn hợp khí, người ta cần sử dụng loại cuvet có chiều dài khoảng 10cm Bởi nồng độ phân tử khí lỗng nhiều so với chất lỏng cần thiết phải để ánh sáng qua mẫu với chiều dài lớn, đến hàng mét Vì chiều dài cuvet thực tế có khoảng 10cm người ta phải đặt hệ thống gương phản chiếu ánh sáng cuvet, làm tăng độ dài đường ánh sáng qua mẫu, để tăng độ hấp thụ ánh sáng phân tử khí Hình 1: Đường truyền tia sáng qua cuvet khí Mẫu dạng lỏng Cuvet sử dụng cho mẫu lỏng, có bề dày nhỏ, thường chế tạo cửa sổ (hình trịn hay hình chữ nhật) đơn tinh thể muối (thường tinh thể KBr hay NaCl) vịng đệm đặt chì tráng thủy ngân Tất nhiên phải có khung kim loại giữ cố định hai cửa sổ ép hai bên vòng đệm Chất lỏng bơm ống bơm (như ống bơm thuốc) qua lỗ O hay O’ vào khu vực trống A vịng đệm (có hai nút lấp vào O, O’ để chất lỏng không chảy ra) Bề dày vịng đệm bề dày lớp chất lỏng nghiên cứu Người ta thường sử dụng phương pháp giao thoa để xác định bề dày cuvet Nếu mẫu chất lỏng dạng lỏng nguyên chất bề dày cuvet sử dụng thích hợp khoảng d = 0,01 đến 0,05mm Do tương tác mạnh phân tử, phổ chất lỏng nguyên chất không giống phổ trạng thái khí Để thu phổ giống phổ hở trạnh thái khí người ta thường ghi phổ chất lỏng dạng dung dịch, dung môi trơ Dung mơi sử dụng phải có đám hấp thụ, muốn phân tử phải đối xứng chứa nguyên tử Vì vậy, dung mơi CS2 CCl4 dung môi thường sử dụng nhiều Tuy nhiên, dung môi , vị trí mà dung mơi có đám hấp thụ, có độ hấp thụ lớn khoảng từ 75% đến 100% hệ tự ghi hoạt động khơng xác Vì vậy, tùy theo mẫu chất nghiên cứu, người ta chọn dunhg mơi thích hợp Nồng độ mẫu chất định đến kết ghi phổ Do với loại cuvet, ta có lượng mẫu khác Với cuvet d = 1mm cần khoảng từ 0,3 dến 1ml dung dịch chứa khoảng đến 10 mg mẫu chất Với cuvet d = 0,1mm cần khoảng từ 0,2 đến 0,3 ml dung dịch chứa khoảng từ 20 đến 30 mg mẫu chất 3 Mẫu rắn Đối với mẫu chất trạng thái rắn, có số phương pháp sau đây: - Phương pháp KBr: Trong phương pháp người ta nghiền khoảng 5mg mẫu chất với khoảng 0,5g KBr (bằng máy nghiền rung động) sau ép bột thu (bằng máy nén thủy lực) thành mỏng suốt hình trịn đường kính khoảng 15mm Tấm mỏng đặt cửa sổ tinh thể muối (có khung giữ) đưa vào máy quang phổ Để loại trừ phổ KBr người ta tạo thêm thứ hai giống thứ không chứa mẫu chất, đặt vào chum tia thứ hai (chùm tia so sánh) máy quang phổ - Phương pháp Nujol Trong phương pháp người ta dùng dầu parafin gọi nujol, có độ nhớt lớn làm chất mang Một mẫu chất nhào kỹ với parafin bôi, phết thành lớp mỏng cửa sổ đơn tinh thể muối đặt thẳng góc với chùm tia đo Phương pháp không cho phép loại trừ phổ dầu parafin, phổ thu gồm phổ chất nghiên cứu lẫn phổ chất mang - Phương pháp ATR hay phương pháp phản xạ toàn phần suy giảm (ATR: Attenuated total reflexion): Phương pháp ATR Fahrenfort nêu từ năm 1961 Ta biết, xạ từ mơi trường có chiết xuất n1 lớn sang mơi trường có chiết suất n2 nhỏ xảy tượng phản xạ tồn phần góc tới lớn góc giới hạn igh Trong phương pháp ATR môi trường thứ lăng kính phản xạ tồn phần đơn tinh thể AgCl, gemani hay KRS5 (tinh thể hổn hợp) gọi chất mang Mẫu chất nghiên cứu ép vào mặt phản xạ toàn phần tinh thể Tại vị trí phổ mà xạ bị hấp thụ, có biến thiên chiết suất chất nghiên cứu từu dẫn đến biến thiên góc tới giới hạn Một phần xạ qua mặt Hình 1: Thiết bị thu phổ ART phân cách cường độ xạ phản xạ bị suy giảm, phổ phản xạ thu có dạng giống phổ truyền qua chất nghiên cứu Vì xạ truyền qua mặt phân cách khoảng nhỏ (khoảng 5𝜇𝑚) nên bề dày mẫu thử không ảnh hưởng đến phổ phản xạ toàn phần Phương pháp ATR thường sử dụng cho mẫu rắn (có bề dày tùy ý) lớp sơn, lớp polymer, hồ dán,… II CÁC KĨ THUẬT NGUN TỬ HĨA MẪU Mục đích nhiệm vụ việc nguyên tử hóa mẫu Nguyên tử hóa mẫu phân tích cơng việc quan trọng phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, có ngun tử tự trạng thái cho phổ hấp thụ nguyên tử, nghĩa số nguyên tử tự trạng thái yếu tố định cường độ vạch phổ hấp thụ q trình ngun tử hóa mẫu thực tốt hay khơng tốt có ảnh hưởng trực tiếp đến kết phân tích nguyên tố Chính người ta thường ví q trình ngun tử hóa mẫu hoạt động trái tim phép đo phổ hấp thụ ngun tử Mục đích q trình tạo đám nguyên tử tự từ mẫu phân tích với hiệu suất cao ổn định để phép đo đạt kết xác có độ lặp lại cao Đáp ứng mục đích đó, để ngun tử hóa mẫu phân tích, ngày nay, người ta thường dùng hai kĩ thuật: Thứ kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu lửa đèn khí Kĩ thuật đời với đời phép đo phổ hấp thụ ngun tử Nhưng kĩ thuật có độ nhạy khơng cao, thường vùng 0,05 - ppm Sau kỹ thuật ngun tử hóa khơng lửa Kĩ thuật đời sau, lại có độ nhạy cao đạt đến 0,1ng/ml lại ứng dụng nhiều kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu lửa Chính có hai kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu khác nên có hai phép đo tương ứng Đó phép đo phổ hấp thụ nguyên tử lửa (F-AAS: Flame Atomic Absorpt Ion Spectrophotometry) phép đo phổ hấp thụ nguyên tử không lửa (Electro-Thermal Atomizat Ion Atomic Absorpt Ion Spectrophotometry: ETA- AAS) Kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu lửa Theo kĩ thuật người ta dùng lượng nhiệt lửa đèn khí để hóa ngun tử hóa mẫu phân tích Vì trình xảy nguyên tử hóa mẫu phụ thuộc vào đặc trưng tính chất lửa đèn khí, chủ yếu nhiệt độ lửa Đó yếu tố định hiệu suất ngun tử hóa mẫu phân tích, yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ lửa đèn khí ảnh hưởng đến kết 2.1 Yêu cầu nhiệm vụ lửa Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, lửa môi trường hấp thụ Nó có nhiệm vụ hóa ngun tử hóa mẫu phân tích, tạo đám nguyên tử tự có khả hấp thụ xạ đơn sắc để tạo phổ hấp thụ ngun tử Vì lửa đèn khí muốn dùng vào mục đích để hóa ngun tử hóa mẫu phân tích cần phải thoả mãn số yêu cầu định sau đây: Ngọn lửa đèn khí phải làm nóng mẫu phân tích, hóa ngun tử hóa mẫu phân tích với hiệu suất cao, để bảo đảm cho phép phân tích đạt độ xác độ nhạy cao Năng lượng (nhiệt độ) lửa phải đủ lớn điều chỉnh tùy theo mục đích phân tích nguyên tố, đồng thời lại phải ổn định theo thời gian lặp lại lần phân tích khác để đảm bảo cho phép phân tích đạt kết đắn Yêu cầu có lúc khơng thỏa mãn, nhiệt độ cao lửa đến 3300oC Do đó, với nguyên tố tạo thành hợp chất bền nhiệt hiệu suất ngun tử hóa lửa Yêu cầu thứ ba lửa phải khiết, nghĩa không sinh vạch phổ phụ làm khó khăn cho phép đo hay tạo phổ lớn quấy rối phép đo Quá trình Ion hóa phát xạ phải khơng đáng kể trình làm nguyên tử tự tạo phổ hấp thụ nguyên tử Một yêu cầu lửa phải có bề dày đủ lớn để có lớp hấp thụ đủ dầy làm tăng độ nhạy phép đo Đồng thời, bề dày lớp hấp thụ lại thay đổi cần thiết, để đo nồng độ lớn Trong máy nay, bề dày thay đổi từ 2cm đến 10cm Tiêu tốn mẫu phân tích Để tạo lửa, người ta đốt cháy nhiều hỗn hợp khí khác nhau, bao gồm khí oxy hóa khí cháy, đèn khí thích hợp Nhưng với u cầu nói có vài loại đèn khí tạo lửa tương đối phù hợp cho phép đo phổ hấp thụ nguyên tử Đó mơi trường ngun tử hóa mẫu tương đối bền vững kinh tế Đặc biệt ứng dụng nhiều phép đo AAS lửa đèn khí đốt hỗn hợp khí: (axetylen khơng khí nén) hay lửa đèn khí (N2O axetylen), hay (hydro axetylen) Bảng số ví dụ nhiệt độ lửa số đèn khí dùng phép đo AAS Bảng 1: Thành phần khí nhiệt độ lửa Loại khí Tỷ lệ khí Nhiệt độ (oC) Khơng khí Propan 6/1,4 2200 Khơng khí Axetylen 4,2/1,2 2450 Khơng khí Hydro 4/3 2050 Oxy Axetylen 1/1 3000 N2 O Axetylen 2/1,8 2900 Khơng khí Axetylen 4,2/0,7 1800 Khơng khí Axetylen 4,2/0,9 2000 Khơng khí Axetylen 4,2/1,1 2300 Khơng khí Axetylen 4,2/1,2 2450 Khơng khí Axetylen 4,2/1,5 2400 Khơng khí Axetylen 4,2/1,6 2300 2.2 Đặc điểm cấu tạo lửa đèn khí Nhiệt độ thơng số đặc trưng lửa đèn khí Nhiệt độ lửa loại đèn khí phụ thuộc nhiều vào chất thành phần chất khí đốt cháy để tạo lửa, nghĩa ứng với hỗn hợp khí cháy, lửa có nhiệt độ xác định thành phần khí cháy thay đổi nhiệt độ lửa bị thay đổi Ngoài yếu tố trên, tốc độ dẫn hỗn hợp khí vào đèn để đốt cháy ảnh hưởng đến nhiệt độ lửa qua mà ảnh hưởng đến cường độ vạch phổ Xét cấu tạo, lửa đèn khí gồm ba phần (hình1): - Phần a: Là phần tối lửa Trong phần hỗn hợp khí trộn với đất nóng với hạt sol khí (thể aerosol) mẫu phân tích Phần có nhiệt độ thấp (700-1200oC) Dung mơi hịa tan mẫu bay phần mẫu sấy nóng - Phần b: Là vùng trung tâm lửa Phần có nhiệt độ cao, đỉnh b, thường khơng có màu có màu xanh nhạt Trong phần hỗn hợp khí đốt cháy tốt khơng có phản ứng thứ cấp Vì phép đo phổ hấp thụ nguyên tử người ta phải đưa mẫu vào phần để nguyên tử hóa thực phép đo, nghĩa nguồn đơn sắc phải chiếu qua phần lửa Hình 1: Cấu tạo lửa đèn khí - Phần c: Là vỏ đuôi lửa Vùng có nhiệt độ thấp, lửa có mầu vàng thường xảy nhiều phản ứng thứ cấp khơng có lợi cho phép đo phổ hấp thụ nguyên tử Chính đặc điểm cấu tạo nên phép phân tích cần phải khảo sát để chọn điều kiện phù hợp, thành phần tốc độ hỗn hợp khí cháy tạo lửa, chiều cao lửa, v.v 2.3 Trang bị để nguyên tử hóa mẫu Muốn thực phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (F-AAS), trước hết phải chuẩn bị mẫu phân tích trạng thái dung dịch Sau dẫn dung dịch mẫu vào lửa đèn khí để hóa ngun tử hóa mẫu phân tích thực phép đo Q trình ngun tử hóa lửa gồm hai bước Bước chuyển dung dịch mẫu phân tích thành thể hạt nhỏ sương mù trộn với khí mang khí cháy Đó hạt sol khí (thể aerosol) Q trình gọi q trình aerosol hóa hay nebulize hóa Kĩ thuật thực q trình hiệu suất ảnh hưởng trực tiếp đến kết phép đo AAS Sau dẫn hỗn hợp aerosol hỗn hợp khí đốt vào đèn để ngun tử hóa Khí mang hai khí để đốt cháy tạo lửa Thơng thường người ta hay dùng khí oxy hóa (khơng khí nén hay khí N2O) Hai giai đoạn thực hệ thống trang bị nguyên tử hóa mẫu Hệ thống gọi Nebulizer System, gồm hai phần chính: - Đèn ngun tử hóa mẫu (burner head) Các đèn thường có hai dạng khác nhau, hình trịn có nhiều lỗ hay hình khe hẹp có độ rộng từ 0,5 - 1,0mm chiều dài cm hay 10cm Loại khe dài 10cm cho hỗn hợp khí đốt axetylen khơng khí nén; loại khe dài 5cm cho hỗn hợp khí đốt axetylen khí N2O Cịn loại miệng trịn thích hợp cho phép đo phổ phát xạ - Phần hai buồng aerosol hóa mẫu Đó buồng để điều chế hạt sol khí mẫu với khí mang Để thực công việc người ta áp dụng hai kĩ thuật theo ngun lí khác Đó kĩ thuật pneumatic-mao dẫn (phun khí) kĩ thuật ultrasonic (siêu nm) Do có hai loại hệ trang bị khác để điều chế sol khí mẫu 2.3.1 Aerosol hóa mẫu theo kĩ thuật pneumatic-mao dẫn Theo cách người ta dùng hệ thống nebulize khí mang để tạo thể sợi khí mẫu phân tích nhờ tượng mao dẫn Trước hết nhờ ống mao dẫn S dịng khí mang K mà dung dịch mẫu dẫn vào buồng aerosol hóa Trong buồng này, dung dịch mẫu đánh tung thành thể bụi (các hạt nhỏ) nhờ bi E cánh quạt Q, trộn với hỗn hợp khí đốt dẫn lên đèn ngun tử hóa (burner head) Hình 2: Hệ thống tạo sol khí (nebulize) theo kĩ thuật pneumatic Khi hỗn hợp khí đốt cháy burner head tạo lửa, tác dụng nhiệt lửa phần tử mẫu thể sợi khí bị hóa nguyên tử hóa tạo nguyên tử tự nguyên tố có mẫu phân tích Đó phần tử hấp thụ lượng tạo phổ hấp thụ nguyên tử nguyên tố cần nghiên cứu Nhưng cần ý rằng, ngồi ảnh hưởng thành phần khí đốt tốc độ dẫn hỗn hợp khí đến cường độ vạch phổ, tốc độ dẫn dung dịch mẫu vào buồng aerosol hóa ảnh hưởng đáng kể đến cường độ vạch phổ Bảng 2: Ảnh hưởng tốc độ dẫn đến cường độ vạch phổ Cu – 324,70mm Tốc độ khí (lít/phút) Cường độ vạch phổ 1,00 0,150 2,00 0,180 3,00 0,260 4,00 0,225 5,00 0,235 6,00 0,23 Tốc độ dẫn mẫu phụ thuộc vào nhiều yếu tố tính gần theo cơng thức: 𝑉(𝑚𝑙/𝑝ℎ) = 𝜋 𝑟 𝑃 𝐿 𝜂 Trong đó: r- bán kính ống mao dẫn để dẫn mẫu; P- chênh lệch áp suất hai đầu ống mao dẫn; L- chiều dài ống mao dẫn; η- Độ nhớt dung dịch mẫu (g.cm.s) Nghĩa tốc độ dẫn mẫu V phụ thuộc vào tham số r, P, L η Nhưng hệ thống máy r L thường cố định, P giữ không đổi, V phụ thuộc chủ yếu vào độ nhớt η dung dịch mẫu Hình 3: Ảnh hưởng độ nhớt đến tốc độ lấy mẫu 2.3.2 Aerosol hóa mẫu siêu âm Theo kĩ thuật này, để aerosol hóa mẫu phân tích người ta dùng hệ thống siêu âm có tần số từ 1-4,5 MHz Lực siêu âm truyền qua tường rắn hay qua thể lỏng đến dung dịch mẫu để thực việc aerosol hóa mẫu, nghĩa tác dụng lực siêu âm, mẫu dung dịch phân tán (đánh tơi) thành hạt nhỏ trộn với hỗn hợp khí để dẫn lên đèn ngun tử hóa(burner head) Ở đường kính (d) hạt sol khí tính theo cơng thức: 𝑑=√ 𝜋 𝑠 4𝐷𝑖 𝐹 Trong đó: s: sức căng bề mặt dung dịch mẫu; Di: tỉ trọng dung dịch mẫu; F: tần số máy phát siêu nm Như vậy, muốn có hạt aerosol nhỏ phải sử dụng tần số siêu âm cao Tần số công suất máy phát siêu âm ảnh hưởng đến kích thước hạt aerosol Trong hai kĩ thuật aerosol hóa, kỹ thuật pneumatic đơn giản, trang bị rẻ tiền, không phức tạp kĩ thuật siêu âm Nhưng kĩ thuật siêu âm có ưu điểm cho độ nhạy cao Vì kích thước hạt sol khí nhỏ, hiệu suất tạo sol khí cao q trình aerosol phụ thuộc vào khí mang trình dẫn mẫu Đặc biệt việc aerosol hóa dung dịch mẫu có nồng độ muối cao ưu việt kĩ thuật pneumatic Mặt khác, aerosol hóa siêu âm thường cho độ lặp lại tốt 2.4 Tối ưu hóa điều kiện nguyên tử hóa mẫu Như xác định, nguyên tử hóa mẫu công việc quan trọng phép đo F-AAS Q trình thực khơng tốt ảnh hưởng trực tiếp đến kết phép đo Do muốn đạt kết xác đắn, phải khảo sát, phát chọn điều kiện nguyên tử hóa mẫu phù hợp cho nguyên tố cần phân tích loại mẫu cụ thể Các điều kiện cụ thể là: Thành phần tốc độ hỗn hợp khí đốt tạo lửa Đây yếu tố định nhiệt độ lửa Vì qua việc thay đổi thành phần tốc độ hỗn hợp khí đốt tạo lửa chọn nhiệt độ phù hợp để hóa nguyên tử hóa nguyên tố cần nghiên cứu - Tốc độ dẫn dung dịch mẫu vào hệ thống nguyên tử hóa Nói chung, nhiều trường hợp tốc độ dẫn mẫu phù hợp nằm khoảng từ 4-5 ml/phút với phép đo nhiều nguyên tố - Chiều cao đèn nguyên tử hóa Yếu tố ảnh hưởng mức độ định tùy thuộc vào nguyên tố, nên chọn chiều cao burner head cho có cường độ vạch phổ lớn ổn định … - Bề dày môi trường hấp thụ L: Khi thay đổi bề dày lớp hấp thụ (mơi trường hấp thụ) tăng hay giảm độ nhạy phép đo Nghĩa tùy theo nồng độ lớn hay nhỏ nguyên tố phân tích mà thay đổi góc nghiêng đèn nguyên tử hóa mẫu (burner head) để có bề dày L lớp hấp thụ phù hợp Khi L lớn ta có độ nhạy cao nhất, làm giảm L độ nhạy giảm theo, nghĩa đo nồng độ lớn ta phải quay đèn nguyên tử hóa góc cho phù hợp mà khơng cần pha lỗng, sau cần phải giữ khơng đổi suốt q trình đo - Tần số máy siêu âm: Nếu tạo soil khí mẫu phân tích hệ thống aerosol hóa siêu nm tần số công suất hệ thống siêu âm cần chọn cho phù hợp Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nguyên tử hóa mẫu Tiếp tốc độ dẫn mẫu vào buồng siêu âm cần chọn cho phù hợp - Độ nhớt dung dịch mẫu: Tiếp theo yếu tố độ nhớt dung dịch mẫu Yếu tố ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất nguyên tử hóa thơng qua q trình aerosol hóa mẫu theo kĩ thuật pneumatic Do mẫu phân tích mẫu chuẩn để dựng đường chuẩn cần phải chuẩn bị điều kiện, phải có thành phần hóa học, vật lí, đặc biệt thành phần chất mẫu, độ axit, loại axit dùng làm môi trường để chúng có độ nhớt Kĩ thuật ngun tử hóa khơng lửa 3.1 Đặc điểm ngun tắc Kĩ thuật ngun tử hóa khơng lửa đời sau kĩ thuật nguyên tử hóa lửa Nhưng kĩ thuật phát triển nhanh ứng dụng phổ biến, kĩ thuật cung cấp cho phép đo AAS có độ nhạy cao (mức nanogam ppb); có gấp hàng trăm đến hàng nghìn lần phép đo lửa Đây ưu điểm kỹ thuật ngun tử hóa khơng lửa Do đó, phân tích lượng vết kim loại nhiều trường hợp không cần thiết phải làm giàu sơ nguyên tố cần xác định Đặc biệt xác định nguyên tố vi lượng loại mẫu y học, sinh học, dược phẩm, thực phẩm, nước giải khát, máu, sêrum Tuy có độ nhạy cao số trường hợp, độ ổn định phép đo không lửa thường so với phép đo lửa, ảnh hưởng phổ thường lớn Đó đặc điểm nhược điểm phép đo Song với phát triển vật lý kĩ thuật đo đại, ngày người ta khắc phục nhược điểm khơng khó khăn Vì hệ thống máy đo phổ hấp thụ theo kĩ thuật không lửa năm 1980 ln ln có kèm theo hệ thống độ ổn định khơng hệ thống phép đo lửa đảm bảo độ nhạy cao cỡ ppb nhiều nguyên tố Đặc điểm phép đo khơng lửa địi hỏi lượng mẫu tương đối nhỏ Thông thường lần đo cần lượng mẫu từ 20 đến 50 µL Do khơng cần nhiều lượng mẫu phân tích, việc chuẩn bị mẫu dễ dàng khơng tốn nhiều hóa chất dung môi tinh khiết cao đắt tiền - Về ngun tắc, kĩ thuật ngun tử hóa khơng lửa q trình ngun tử hóa tức khắc thời gian ngắn nhờ lượng dòng điện cơng suất lớn mơi trường khí trơ Q trình ngun tử hóa xảy theo ba giai đoạn nhau: sấy khơ, tro hóa luyện mẫu, nguyên tử hóa để đo phổ hấp thụ cuối làm cuvet Trong hai giai đoạn đầu chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hóa để đạt kết tốt Nhiệt độ cuvet graphit yếu tố định diễn biến q trình ngun tử hóa mẫu 3.2 Các u cầu hệ thống nguyên tử hóa mẫu Hệ thống nguyên tử hóa phải hóa nguyên tử hóa mẫu phân tích với hiệu suất cao ổn định, để đảm bảo cho phép đo có độ nhạy cao độ lặp lại tốt Phải cung cấp lượng (nhiệt độ cao) đủ lớn, để ngun tử hóa nhiều loại mẫu phân tích nhiều nguyên tố Cuvet chứa mẫu để nguyên tử hóa phải có độ tinh khiết cao Khơng làm nhiễm bẩn mẫu, khơng có phổ phụ gây khó khăn cho phép đo nguyên tố cần phân tích Hạn chế, có hay khơng có q trình phụ q trình ngun tử hóa mẫu thực phép đo Tiêu tốn mẫu Đó u cầu tối thiểu cần thiết hệ thống trang bị ngun tử hóa mẫu phép đo khơng lửa Trên sở yêu cầu này, hãng chế tạo máy phổ hấp thụ nguyên tử có hệ trang bị riêng cho máy họ Song nguyên tắc bước trình ngun tử hóa 3.3 Ngun tắc giai đoạn trình nguyên tử hóa mẫu Nguyên tắc cách thực kĩ thuật ngun tử hóa khơng lửa hồn tồn khác với kĩ thuật nguyên tử hóa lửa Ở người ta thường dùng lượng nhiệt nguồn lượng phù hợp để nung nóng, hóa ngun tử hóa mẫu phân tích ống cuvet graphit hay thuyền tăng tan (Ta) nhỏ Nguồn lượng thường dùng dòng điện có cường độ dịng cao (từ 50 - 600 A) điện thấp (dưới 12 V) lượng dòng điện cao tần cảm ứng Dưới tác dụng nguồn lượng này, cuvet chứa mẫu phân tích nung nóng đỏ tức khắc mẫu hóa nguyên tử hóa để tạo nguyên tử tự trạng thái có khả hấp thụ xạ đơn sắc, tạo phổ hấp thụ nguyên tử Dụng cụ để nguyên tử hóa mẫu theo kĩ thuật có nhiều loại khác chế tạo tùy thuộc theo hãng phòng thí nghiệm Nhưng khái qt theo nhóm đây: + Các loại cuvet graphit; + Các loại cốc graphit; + Các loại thuyền kim loại chịu nhiệt, Ta Trong loại trên, dùng phổ biến cuvet graphit, thoả mãn u cầu phép khơng lửa Về cuvet graphit, hãng chế tạo máy quang phổ hấp thụ nguyên tử có cuvet graphit riêng cho máy họ hệ thống nguyên tử hóa khơng lửa tương ứng Hệ thống ngun tử hóa mẫu theo kĩ thuật khơng lửa gồm có: + Buồng nguyên tử hóa cuvet graphit chứa mẫu phân tích để thực q trình ngun tử hóa; + Nguồn lượng để nung nóng đỏ lị graphit đến nhiệt độ nguyên tử hóa mẫu điều khiển hay chương trình (programer) để đặt chương trình huy q trình ngun tử hóa mẫu theo giai đoạn định Tuy hãng có dụng cụ khác nhau, q trình ngun tử hóa dụng cụ xảy theo giai đoạn thời gian tổng cộng từ 80 - 60 giây Các giai đoạn là: 3.3.1 Sấy khô mẫu Đây giai đoạn q trình ngun từ hóa mẫu Nó cần thiết để đảm bảo cho dung mơi hồ tan mẫu bay nhẹ nhàng hồn tồn, khơng làm bắn mẫu, mẫu Vì khơng thực sấy tốt, mẫu bị bắn làm sai lệch kết phân tích Để thực q trình sấy tốt, loại mẫu cần phải tiến hành nghiên cứu, phát chọn nhiệt độ thời gian sấy cho phù hợp Nhiệt độ thời gian sấy khô loại mẫu phụ thuộc vào chất chất mẫu dung môi hồ tan Thực nghiệm cho thấy rằng, khơng nên sấy mẫu nhiệt độ cao sấy khô nhanh Nói chung nhiệt độ sấy khơ phù hợp đa số mẫu vô dung môi nước nằm khoảng từ 100 – 150oC, thời gian từ 25-40 giây, với lượng mẫu bơm vào cuvet nhỏ 100 µl Tất nhiên q trình sấy khơ chậm nhiệt độ thấp cho kết ổn định Việc tăng nhiệt độ sấy, từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ sấy mong muốn cần thực từ từ, với tốc độ tăng nhiệt độ từ 5oC đến 8OC giây phù hợp Đối với mẫu có chứa chất hữu hay hồ tan dung mơi hữu cơ, thường phải sấy nhiệt độ thấp tốc độ tăng nhiệt độ phải chậm dung môi nước Với loại mẫu này, nhiệt độ sấy thường 100oC Hình ví dụ q trình sấy khơ mẫu Trong T8 nhiệt độ sấy tối đa (tới hạn) tốc độ tăng mhiệt độ sấy, có q trình theo đường số cho kết tốt Đồng thời quan Hình 4: Tốc độ tăng nhiệt độ hệ tỷ lệ thời gian Ramp (thời gian trình sấy mẫu tăng nhiệt độ) thời gian sấy thường nằm tỷ lệ từ 3/4 - 2/4 phù hợp cho nhiều nguyên tố Mặt khác, nguyên tố có nhiệt độ sấy tối đa cho nó, nghĩa sấy mẫu nhiệt độ cao nhiệt độ kết phân tích ổn định mắc sai số lớn 3.3.2 Tro hoá luyện mẫu Đây giai đoạn thứ hai q trình ngun tử hóa mẫu Mục đích tro hóa (đốt cháy) hợp chất hữu mùn có mẫu sau sấy khơ, đồng thời nung luyện nhiệt độ thuận lợi cho giai đoạn nguyên tử hóa đạt hiệu suất cao ổn định Giai đoạn có ảnh hưởng nhiều đến kết phân tích, chọn nhiệt độ tro hóa khơng hợp lý (q cao) số hợp chất bị phân huỷ giai đoạn Lí thuyết kết thực nghiệm xác nhận rằng, tro hóa mẫu từ từ nhiệt độ thấp nhiệt độ giới hạn phép đo ln ln cho kết ổn định, nguyên tố có nhiệt độ tro hóa luyện mẫu giới hạn (Tr) phép đo ETA- AAS Nhiệt độ tro hóa giới hạn nhiệt độ mà tro hóa mẫu nhiệt độ nhỏ nó, cường độ vạch phổ hấp thụ khơng đổi Cịn tro hóa mẫu nhiệt độ lớn nhiệt độ cường độ vạch phổ bị giảm không ổn định Nhiệt độ tro hóa giới hạn nguyên tố khác nhau, phụ thuộc vào chất nguyên tố phụ thuộc vào dạng hợp chất mà nguyên tố tồn tại, matrix (chất nền) mẫu Nói chung, mặt hóa học, nguyên tố bền nhiệt tồn dạng hợp chất bền nhiệt thường phải tro hóa luyện mẫu nhiệt độ tương đối cao Ví dụ Si có nhiệt độ tro hóa giới hạn 1100oC, Ni 1000oC, cịn Pb 600oC Ngay nguyên tố nhiệt độ tro hóa giới hạn Tr khác nhau, chúng tồn chất Nền khác mẫu (matrix effect), chất bền nhiệt Đồng thời qua đó, thấy ý nghĩa chất phụ gia thêm vào mẫu phân tích Khi nghiên cứu kĩ q trình tro hóa luyện mẫu nhiều nguyên tố, người ta thấy rằng, mối quan hệ nhiệt độ tro hóa luyện mẫu cường độ vạch phổ hấp thụ nguyên tử nguyên tố thường tuân theo ba loại hình Loại (1) tiêu biểu cho nguyên tố Pb, Zn, Co, Mg Loại (2) Ni, Cu Loại (3) Si, Ca, Al Mặt khác kết thực nghiệm Hình 5: Quan hệ nhiệt độ tro hóa rằng, khơng nên tro hóa luyện cường độ vạch phổ mẫu nhiệt độ giới hạn, việc luyện mẫu chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hóa khơng tốt Chỉ nên tro hóa nhiệt độ cao hay thấp nhiệt độ tro hóa giới hạn (khoảng 30oC – 50oC) Ngồi yếu tố nhiệt độ tốc độ tăng nhiệt độ q trình tro hóa có ảnh hưởng đến độ ổn định cường độ vạch phổ Nói chung, tốc độ tăng nhiệt độ lớn thường làm bắn mẫu Việc tăng chậm cho kết tốt hơn, nghĩa phải thực tro hóa luyện mẫu thời gian không ngắn Thông thường từ 30 - 60 giây, với lượng mẫu đưa vào cuvet nhỏ 100 µL Trong tổng thời gian tro hóa, thường dành 1/3 cho việc tăng nhiệt độ từ nhiệt độ sấy đến nhiệt độ tro hóa, nghĩa tốc độ tăng nhiệt độ nằm vùng từ 60-100 độ giây thích hợp Sau thời gian cịn lại 2/3 giữ nhiệt độ khơng đổi chọn để luyện mẫu Đối với mẫu có chất hữu hay dung mơi hữu giai đoạn phải cẩn thận nhiệt độ chọn để tro hóa phải thấp dung mơi nước, để tránh bay trước nguyên tố phân tích dạng hợp chất kim Do đó, với loại mẫu, loại dung môi, cần khảo sát để phát nhiệt độ tro hóa phù hợp cho 3.3.3 Ngun tử hố Đây giai đoạn cuối trình nguyên tử hóa mẫu, lại giai đoạn định cường độ vạch phổ Song lại bị ảnh hưởng hai giai đoạn Giai đoạn thực thời gian ngắn, thông thường từ đến giây, đến 8-10 giây Nhưng tốc độ tăng nhiệt độ lại lớn để đạt tức khắc đến nhiệt độ nguyên tử hóa thực phép đo cường độ vạch phổ Tốc độ tăng nhiệt độ thường từ 1800 - 2500oC/giây, thông thường người ta sử dụng tốc độ tối đa.độ nguyên tử hóa nguyên tố khác Đồng thời nguyên tố có nhiệt độ nguyên tử hóa giới hạn Tr Nhiệt độ Tr phụ thuộc vào chất nguyên tố phụ thuộc mức độ định vào trạng thái thành phần mẫu mà tồn tại, chất mẫu Khi nghiên cứu q trình ngun tử hóa nhiều ngun tố điều kiện khác nhau, người ta thấy diễn biến nhiệt độ nguyên tử hóa nguyên tố cường độ vạch phổ thường theo hai loại hình Các nguyên tố theo loại (1) có nhiệt độ nguyên tử hóa giới hạn Tr1, ngược lại, nguyên tố theo loại (2) có nhiệt độ nguyên tử hóa giới hạn Tr2 Hình 6: Quan hệ nhiệt độ nguyên tử hóa cường độ vạch phổ Tiêu biểu cho loại (1) nguyên tố Zn, Fe, Pb, Cu Mo, tiêu biểu cho loại (2) nguyên tố, Si Sn, Mg, Ca (hình 8.17) Các giá trị nhiệt độ Tr1 Tr2 nhiệt độ nguyên tử hóa giới hạn loại Khi nguyên tử hóa mẫu, để đo cường độ vạch phổ nguyên tố nhiệt độ cao nhiệt độ giới hạn thường không lợi thêm cường độ, mà kết thực nghiệm cho thấy kết đo thường không ổn định Tr1 Tr2 thường làm hỏng nhanh cuvet graphit Ngoài việc chọn nhiệt độ, giai đoạn cần phải chọn thời gian nguyên tử hóa cho phù hợp đảm bảo lực cường độ vạch phổ thu phải gọn có đỉnh Như ví dụ hình có trường hợp (a) tốt Hình 7: Quan hệ hình dạng vạch phổ thời gian nguyên tử hóa Đến khái qt tồn q trình ngun tử hóa mẫu theo kĩ thuật khơng lửa hình Trong đó: (1) giai đoạn sấy mẫu; (2) giai đoạn tro hóa luyện mẫu; (3) giai đoạn nguyên tử hóa đo cường độ vạch phổ (4) giai đoạn làm cuvet graphit Đoạn R thời gian tăng nhiệt độ hai giai đoạn đầu (thời gian Ramp) Hình 8: Khái qt tồn q trình ngun tử hóa mẫu 3.4 Các yếu tố ảnh hưởng Cùng với điều kiện sấy, tro hóa nguyên tử hóa mẫu trình bày trên, trình nguyên tử hóa mẫu theo kĩ thuật khơng lửa cịn bị ảnh hưởng số yếu tố khác Các yếu tố ảnh hưởng khác ngun tố có lại khơng gây ảnh hưởng - Trước hết mơi trường khí trơ thực q trình ngun tử hóa Khí trơ thường dùng làm mơi trường cho q trình ngun tử hóa argon (Ar), nitơ (N2) hay (He), nghĩa q trình ngun tử hóa thực mơi trường khơng có oxy Nhưng chất, thành phần tốc độ dẫn khí trơ vào cuvet graphit ảnh hưởng đến cường độ vạch phổ nhiệt độ cuvet graphit Hình 9: Ảnh hưởng loại khí trơ đến nhiệt độ cuvet graphit Trong ba loại khí trơ nói trên, Ar khí tốt nhất, sau đến N2 Đồng thời tăng tốc độ dẫn khí vào cuvet graphit cường độ vạch phổ ln giảm mức độ giảm khác ngun tố Do phân tích, Hình 10: Ảnh hưởng tốc độ khí trơ đo cường độ vạch phổ bắt buộc phải giữ đến cường độ vạch phổ cho tốc độ d ẫn không đổi, tắt khí mơi trường giai đoạn nguyên tử hóa để đo cường độ vạch phổ - Yếu tố thứ hai cơng suất đốt nóng cuvet Nhìn chung, tăng cơng suất đốt nóng cuvet cường độ vạch phổ tăng theo Nhưng phụ thuộc giới hạn định, cơng suất đốt nóng cuvet nhỏ KW Cịn đốt nóng cuvet cơng suất lớn KW cường độ vạch phổ khơng tăng Hình 11: Ảnh hưởng cơng suất đốt nóng cuvet đến cường độ vạch phổ - Yếu tố thứ ba tốc độ đốt nóng cuvet Tốc độ đốt nóng cuvet thời gian nguyên tử hóa tỉ lệ nghịch với Nếu đo diện tích lực yếu tố không ảnh hưởng, đo chiều cao lực lại khác (hình 8.24) Nói chung, chiều cao lực tỉ lệ với tốc độ đốt nóng cuvet - Yếu tố thứ tư loại cuvet graphit dùng để nguyên tử hóa mẫu, nghĩa loại nguyên liệu graphit khác ảnh hưởng đến cường độ vạch phổ thời gian nguyên tử hóa mẫu Nói chung, loại graphit hoạt hóa tồn phần thường cho kết tốt nhất, độ nhạy cao, ổn định 3.5 Trang bị để nguyên tử hóa mẫu Hệ thống trang bị để nguyên tử hóa mẫu theo kĩ thuật khơng lửa bao gồm hai phần chính: Bộ phận đồng mẫu để nguyên tử hóa Đó loại cuvet graphit, cốc graphit, hay thuyền tantan, loại filamen chứa mẫu Trong loại này, cuvet graphit dùng phổ biến tốt cuvet graphit hoạt hóa nhiệt luyện tồn phần Về loại hãng chế tạo máy đo phổ h ấp thụ ngun tử có loại có hình dáng kích thước riêng cho máy họ (hình 8.26) Phần thứ hai nguồn lượng để nung nóng đỏ cuvet giá đỡ cuvet Phần bao gồm chương trình điều khiển theo bốn giai đoạn (bốn phase) sấy, tro hóa, nguyên tử hóa làm cuvet theo nguyên lý phép đo nguồn lượng có cơng suất cực đại cỡ 3,5 - 7,5 KVA để cung cấp lượng cho trình nguyên tử hóa mẫu Nó thường nguồn lượng điện có dịng cao (thay đổi từ 50 đến 600 A), thấp (dưới 12 V) 3.6 Tối ưu hóa diều kiện cho phép đo không lửa mẫu Vấn đề nghiên cứu kĩ Do nêu lại số điều cần ý Cụ thể với phép đo ETA-AAS bao gồm điều kiện: - Các điều kiện nguyên tử hóa mẫu: + Thời gian, nhiệt độ nung nóng cuvet giai đoạn sấy mẫu, tro hóa luyện mẫu nguyên tử hóa để đo cường độ vạch phổ, + Khí mơi trường cho q trình ngun tử hóa mẫu (tốc độ, loại khỏi) + Cơng suất, tốc độ đốt nóng cuvet graphit để ngun tử hóa mẫu; + Điều kiện làm cuvet graphit; + Lượng mẫu cách đưa vào cuvet để nguyên tử hóa cho phép đo - Chất mẫu phân tích mẫu chuẩn cần phải pha chế chuẩn cho đồng Môi trường axit loại axit pha chế mẫu làm môi trường cho dung dịch mẫu chuẩn mẫu phân tích - Các yếu tố ảnh hưởng sau cần xem xét Trong phép đo cụ thể yếu tố ảnh hưởng cần phải xem xét là: + Các ảnh hưởng phổ; + Các ảnh hưởng vật lí; + Các ảnh hưởng hóa học Cation Anion có mẫu; + Về ảnh hưởng thành phần mẫu Trên yếu tố có ảnh hưởng đến q trình ngun tử hóa mẫu Tất nhiên yếu tố có ảnh hưởng mức độ khác nhau, có trường hợp xuất hiện, song có trường hợp khơng xuất rõ rệt Nếu chọn điều kiện nguyên tử hóa mẫu phù hợp, nhiều trường hợp lại loại trừ số yếu tố ảnh hưởng định Thực cơng việc tiêu chuẩn hóa xây dựng quy trình phân tích ngun tố phép đo phổ hấp thụ nguyên tử ... NGUN TỬ HĨA MẪU Mục đích nhiệm vụ việc nguyên tử hóa mẫu Nguyên tử hóa mẫu phân tích cơng việc quan trọng phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, có ngun tử tự trạng thái cho phổ hấp thụ nguyên tử, nghĩa... nhiệt lửa phần tử mẫu thể sợi khí bị hóa ngun tử hóa tạo nguyên tử tự nguyên tố có mẫu phân tích Đó phần tử hấp thụ lượng tạo phổ hấp thụ nguyên tử nguyên tố cần nghiên cứu Nhưng cần ý rằng, ngồi... này, cuvet chứa mẫu phân tích nung nóng đỏ tức khắc mẫu hóa nguyên tử hóa để tạo nguyên tử tự trạng thái có khả hấp thụ xạ đơn sắc, tạo phổ hấp thụ nguyên tử Dụng cụ để nguyên tử hóa mẫu theo kĩ