Phương pháp phân tích công cụ trong hóa học

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC GIỚI THIỆU VỀ QUANG PHỔ Về mặt lịch sử, “quang phổ spectroscopy” là một nhánh của khoa học trong đó ánh sáng được phân giải thành các bước sóng thành phầ

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC

GIỚI THIỆU VỀ QUANG PHỔ

Về mặt lịch sử, “quang phổ (spectroscopy)” là một nhánh của khoa học trong đó ánh sáng được phân giải thành các bước sóng thành phần của nó để tạo ra phổ quang học, là một đồ thị của một vài hàm của cường độ bức xạ với bước sóng hoặc tần số Hiện nay, nghĩa của quang phổ được mở rộng bao gồm những nghiên cứu không chỉ với các bức xạ khả kiến mà còn với những loại khác của bức xạ điện từ như tia X, tử ngoại, hồng ngoại, vi sóng và bức xạ tần số radio

Quang phổ đóng một vai trò cốt yếu trong sự phát triển của thuyết nguyên tử hiện đại Hơn nữa, các phương pháp đo phổ cung cấp những công cụ được sử dụng rộng rải trong việc so sánh cấu trúc của các loại phân tử cũng như phân tích định tính và định lượng của các hợp chất vô cơ và hữu

cơ

I Tính chất chung của bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ là một dạng năng lượng mà dễ thấy nhất là ánh sáng khả kiến và bức xạ nhiêt Những loại khác gồm tia gamma, tia X, tia tử ngoại, vi sóng và sóng radio Nhiều tính chất của bức xạ điện từ được mô tả một cách thuận tiện bởi kiểu sóng hình sin cổ điển sử dụng nhiều thông số như bước sóng, tần số, vận tốc và biên độ Khác với nhiều hiện tượng sóng khác như âm thanh, bức xạ điện từ không đòi hỏi môi trường hỗ trợ cho sự lan truyền của nó và nhờ vậy nó có thể đi qua một môi trường chân không

Mô hình sóng thất bại trong việc giải thích những hiện tượng gắn liền với sự hấp thụ và bức xạ của năng lượng bức xạ Để hiểu những quá trình này cần thiết phải nhờ đến một mô hình kiểu hạt trong đó bức xạ điện từ được xem như là một dòng hạt rời rạc gọi là photon, với năng lượng của một photon tỉ lệ với tần số của bức xạ Quan niệm về lưỡng tính sóng hạt này của ánh sáng không loại trừ lẫn nhau mà có tính chất bổ sung cho nhau Thực vậy, lưỡng tính này được thấy trong những dòng electron và những hạt cơ bản khác như proton và được hoàn toàn lý giải bởi cơ học sóng

Tính chất sóng của ánh sáng được mô tả bởi hai đại lượng tần số và bước sóng

• Tần số ν là số dao động của điện trường trong một giây, đơn vị của nó là S-1 hay còn gọi là Hertz

• Bước sóng λ là khoảng cách giữa hai điểm cực đại hoặc cực tiểu liên tiếp của sóng, thường được

biểu diễn theo mét (m) hoặc nanomet (nm) cho những bước sóng rất ngắn (1nm = 10-9 m) hoặc Ao(angstrongs, đơn vị không thuộc hệ SI, 1 Ao = 10-10m)

• Vận tốc của tất cả bức xạ điện từ trong chân không (trong không khí nhỏ hơn 0.03%) đều

bằng tích của tần số và bước sóng của nó:

Số sóng được định nghĩa như nghịch đảo của bước sóng (cm) là một cách khác để mô tả bức

xạ điện từ Thứ nguyên của số sóng là cm-1

Số sóng tiện ích vì ngược với bước sóng, nó được sử dụng rộng rải trong phổ hồng ngoại Nó là đại lượng rất tiện lợi vì trái với bước sóng nó tỉ lệ thuận với tần số tức với năng lượng của bức xạ Như vậy ta có thể biễu diễn:

= kν

Ở đây k là hằng số tỉ lệ phụ thuộc vào môi trường và bằng nghịch đảo của vận tốc

Ví dụ: tính số sóng của bức xạ hồng ngoại có bước sóng 5.00µm

= 1/(5.00x10-4) = 2000 cm-1

3.Tính chất hạt của bức xạ

• Năm 1900, để giải thích bức xạ của vật đen (blackbody radiation) khi bị nung nóng Planck đã đề

ra thuyết lượng tử Theo thuyết này bức xạ được phát ra hay hấp thụ những lượng gián đoạn của năng lượng hay các lượng tử năng lượng

• Trên cở sở thuyết lượng tử Planck, Einstein đã đề xuất thuyết photon của ánh sáng để giải thích hiệu ứng quang điện; theo đó ánh sáng được xem như chùm ‘hạt’ photon

• Năng lượng của một photon phụ thuộc vào tần số và vào bước sóng của bức xạ:

4 Biểu thức thống nhất lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng

Ánh sáng là một dạng của vật chất và như vậy theo thuyết tương đối của Einstein mỗi photon được xem như một ‘hạt’ có khối lượng m và phương trình biễu diễn mối quan hệ giữa vật chất (ở đây là

photon) với năng lượng là: ε = mc 2

Quang phổ của bức xạ điện từ bao gồm một dải rất lớn các bước sóng (và là năng lượng) Trong

đó phần của bức xạ khả kiến mà mắt người có thể thấy được là rất nhỏ khi so với những vùng phổ khác Cũng cần phải chú ý là các phương pháp quang phổ sử dụng không chỉ ở vùng khả kiến mà còn

tử ngoại, hồng ngoại và thường được gọi là phương pháp đo quang mặc dầu mắt người không nhạy với hai loại sau

Bảng liệt kê các dải bước sóng và tần số của những vùng phổ quan trọng trong mục đích phân tích và cũng kèm theo tên của những phương pháp phổ liên quan Các cột cuối cùng liệt kê các loại chuyển dịch lượng tử của hạt nhân, nguyên tử và phân tử, là cơ sở cho các kỹ thuật quang phổ khác nhau

Loại quang phổ Dải bước sóng Dải số sóng(cm-1) Kiểu dịch chuyển lượng

tử Phát xạ tia gamma

Nhiểu xạ, huỳnh quang,

10-180 nm

180-780 nm

0.78-300 µm 0.75-3.75 mm

3 cm 0.6-10 m

0.33 1.7x 10-2 đến 1 x 103

Hạt nhân Electron bên trong

từ trường

Chương 1: PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ UV-VIS

1.1 Sự hấp thụ phân tử UV-VIS

Các phân tử ở điều kiện bình thường tồn tại ở trạng thái cơ bản bền vững có năng lượng thấp Khi chúng được cung cấp năng lượng, ví dụ như có nguồn sáng kích thích tần số thích hợp, thì các điện tử hóa trị (liên kết) trong phân tử sẽ hấp thụ năng lượng của nguồn sáng và chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn

Theo cơ học lượng tử, trong phân tử ở trạng thái cơ bản, các điện tử được xếp đầy vào các orbitan liên kết σ, π hoặc các cặp electron hóa trị chưa tham gia liên kết n có mức năng lượng thấp (ví dụ các nguyên tử N còn một cặp electron hóa trị chưa tham gia liên kết)

Nếu chiếu vào chúng chùm sáng có bước sóng v thích hợp thì chúng sẽ chuyển lên các obitan phản liên kết có mức năng lượng cao hơn như σ→σ*, π→π* , n → σ*, n → π * Trạng thái này gọi là trạng thái kích thích, nó không bền chỉ tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn (cỡ phần triệu giây)

Năng lượng hν của photon đúng bằng hiệu của hai mức năng lượng của hai obitan Sự dịch

chuyển của một electron giữa hai obitan được gọi là sự dịch chuyển điện tử (electron transition)

và quá trình hấp thu được gọi là sự hấp thụ điện tử

Cùng với sự chuyển dịch điện tử thì các phân tử thể hiện hai loại khác của sự dịch chuyển cảm ứng bức xạ là sự dao động và quay Những dịch chuyển dao động tạo ra vì một phân tử có một số mức năng lượng được lượng tử hoá gắn với những liên kết giữa các phân tử

Hình 1 là sơ đồ mức năng lượng mô tả một vài quá trình xảy ra khi một phân tử hai nguyên tử khác nhau hấp thu bức xạ tử ngoại khả kiến, trong đó năng lượng trạng thái kích thích điện tử đầu tiên En của phân tử đó được biễu diễn tương đối so với năng lượng của trạng thái cơ bản Eo Ngoài ra, các mức năng lượng tương đối của một vài trạng thái dao động và rất nhiều các trạng thái năng lượng của dao động quay nhỏ hơn cũng được thể hiện trên sơ đồ này (các chỉ số 0,1,2 , với giá trị 0 được biểu diễn cho mức năng lượng dao động hoặc quay nhỏ nhất)

Năng lượng tổng cộng E với của một phân tử được viết như sau:

E = Eđiện tử(e) + Edao động(d) + E quay(q)

Ở đây: Eđiện tử(e) là năng lượng của các electron trong các obitan ở lớp vỏ của phân tử,

Edao động(d) là năng lượng các dao động giữa các nguyên tử trong toàn bộ phân tử,

Equay(q) là giải thích cho năng lượng liên quan với sự quay của phân tử quanh trọng tâm của chúng

Giả sử năng lượng của một phân tử ở trạng thái cơ bản được biễu diễn là Eo, còn ở trạng thái kích thích là En thì hiệu hai mức năng lượng của phân tử ở hai thạng thái này đúng bằng năng lượng hν của photon:

ΔE = En – Eo = ΔE(e) + ΔE(d) + ΔE(q) = hν =hc/λ

Trong đó ΔE(e) > ΔE(d) > ΔE(q) Như đã chỉ ra trong hình 2, sự hấp thụ phân tử trong vùng tử ngoại khả kiến gồm những dải hấp thụ được tạo do rất nhiều vạch có khoảng cách rất gần nhau, dẫn đến phổ UV-VIS không phải là

phổ vạch như phổ phát xạ hoặc hấp thụ nguyên tử mà là phổ đám

Như vậy phổ hấp thu phân tử UV-VIS là phổ xuất hiện do sự tương tác của các điện tử hóa trị trong phân tử hay nhóm phân tử với chùm sáng kích thích có bước sóng nằm trong vùng UV-VIS tạo ra

Hình 1: Các mức năng lượng điện tử, dao động và quay (không theo tỉ lệ) của hai mức năng lượng điện tử đầu tiên của phân tử hai nguyên tử (ví dụ CO)

Hình 2: Phổ hấp thụ phân tử của một vài hợp chất hữu cơ (phổ đám) và phổ hấp thụ nguyên tử Na (phổ vạch)

1.2 Định luật Beer

1.2.1 Định luật

Nếu ta chiếu một chùm sáng đơn sắc có cường độ Io vào một cuvet chứa dung dịch chất mẫu có

độ dài là l thì một phần chùm sáng đi qua cuvet, một phần phản xạ và tán xạ ra các phương do va đập vào thành cuvet và một phần bị các phân tử trong cuvet hấp thu Trong đó phần hấp thụ bởi các phân tử chất màu trong cuvet là chính

Nếu sau khi đi qua cuvet cường độ ánh sáng còn là I thì ta có sự hấp thụ ánh sáng đơn sắc của các phân tử trong cuvet được biễu diễn bởi:

 Đại lượng mật độ quang D = log(Io/I) hay

 L là chiều dài của dung dịch ánh sáng đi qua (cm)

 C là nồng độ của chất hấp thu (mol/L)

1.2.2 Áp dụng định luật Beer trong dung dịch hỗn hợp

Định luật Beer cũng được áp dụng cho dung dịch chứa hơn một loại chất có thể hấp thụ được ánh sáng chiếu qua Nếu không có sự tương tác giữa các chất, mật độ quang của dung dịch được cho như sau:

D tổng = D1 + D2 + … + Dn = ε1LC1 + ε2LC2 + … + εnLCn

Ở đây các chỉ số 1,2,…,n chỉ các chất thứ 1,2,…, n

Hệ quả: D dung dịch mẫu = Dchất màu + D so sánh

 Dso sánh là mật độ quang của dung dịch trống (blank)

 Dung dịch này được chuẩn bị sao cho có thành phần như dung dịch mẫu đo nhưng không chứa chất màu

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến định luật Beer

a Ảnh hưởng nồng độ:

Định luật Beer chỉ đúng trong trường hợp nồng độ chất phân tích tương đối thấp

Tại những nồng độ cao (thường lớn hơn 0.01M) khoảng cách trung bình giữa các phân tử chất tan hấp thụ ánh sáng bị thu hẹp tới mức tác động đến sự phân bố điện tích của các phân tử xung quanh Điều này làm thay đổi khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc, dẫn đến làm sai lệch mối quan hệ tuyến tính giữa A và nồng độ C của chất hấp thu bức xạ đó

Ảnh hưởng tương tự cũng thỉnh thoảng xảy ra khi trong dung dịch mẫu đo có chứa nồng độ chất cần đo thấp nhưng chứa nồng độ rất cao các loại khác, đặc biệt là các chất điện ly Sự tiếp cận của các ion đến chất hấp thu làm thay đổi hệ số hấp thu phân tử do tương tác tĩnh điện Ảnh hưởng này có thể giảm thiểu bởi sự pha loãng

Độ lệch của Định luật Beer cũng nảy sinh do ε phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ của dung dịch đo bị thay đổi khi thay đổi nồng độ, Tuy nhiên, ảnh hưởng này là không đáng kể khi nồng độ dung dịch loãng hơn 0,01M

b Độ lêch của Định luật Beer do các quá trình hóa học

Độ lêch từ định luật Beer cũng nảy sinh khi chất phân tích bị phân ly, kết hợp hoặc tương tác hóa học với dung môi để tạo sản phẩm có một phổ hấp thu khác với chất phân tích ban đầu

Một ví dụ điển hình cho vấn đề này là khi pha loãng các chất chỉ thị màu axit- bazơ thì cân bằng

bị dịch chuyển :

Thiết bị có bộ đơn sắc hóa càng tốt thì Δλ càng nhỏ lại Điều này dẫn đến sự sai lệch nhỏ so với định luật Sự sai lệch này được hạn chế đến mức không đáng kể nếu ta chọn dải sóng hấp thụ cực đại để đo mẫu

Hình 3 minh họa ảnh hưởng của bức xạ không đơn sắc đến định luật Beer Dải 1 được chọn để đo thì độ sai lệch so với định luật Beer là nhỏ (trên hình cho thấy mối quan hệ giữa và nồng độ C vẫn tuyến tính) vì giá trị hệ số tắt phân tử ε không thay đổi lớn trong toàn dải đo Trong khi đó dải

2 có độ sai lệch lớn do ε thay đổi đáng kể trong vùng này (mối quan hệ giữa D và C không còn tuyến tính)

Hình 3: Ảnh hưởng của bức xạ không đơn sắc đến định luật Beer

d Sai lệch do sự hiện diện của bức xạ nhiểu tạp (stray)

Các bức xạ sử dụng cho những phép đo quang thường bị nhiểm bẩn bởi một lượng nhỏ bức xạ nhiểu tạp do sự khiếm khuyết của thiết bị Những bức xạ này là kết quả của hiện tượng phát tán

từ bề mặt của lăng kính, bộ lọc ánh sáng hoặc các cửa sổ

2

Nó thường có bước sóng rất khác so với bức xạ cơ bản đang dùng, thêm vào đó có thể không đi qua dung dịch mẫu mà đi vào trực tiếp detector dẫn đến sai lệch từ sự tuyến tính giữa mật độ quang và nồng độ chất phân tích

1.3 Nguyên tắc và trang thiết bị của phép đo phổ UV-VIS

1.3.1 Nguyên tắc:

Phổ hấp thụ UV-VIS là phổ hấp thụ của chất phân tích ở trạng thái dung dịch đồng thể với một trong các dung môi như nước, methanol, benzen, aceton, CCl4… Như vậy các bước đo có thể như sau:

 Hòa tan chất phân tích trong một dung môi phù hợp nếu chất đó có phổ hấp thụ nhạy trong vùng tử ngoại khả kiến (ví dụ các chất hữu cơ); hoặc cho chất đó, thường là kim loại, tác dụng với một thuốc thử trong một dung môi thích hợp để tạo ra một hợp chất có phổ hấp thụ UV-VIS nhậy

 Chiếu vào dung dịch mẫu chứa hợp chất cần phân tích 1 chùm sáng có bước sóng phù hợp để cho chất phân tích hay sản phẩm của nó hấp thu bức xạ để tạo ra phổ hấp thu UV-VIS của nó

Vì thế chất phân tích cùng dung môi cần được chứa trong ống đo (cuvet) có chiều dày xác định

 Thu, phân ly phổ đó và chọn sóng cần đo rồi ghi lại giá trị mật độ quang A của phổ, nghĩa là

đo cường độ chùm sáng sau khi đi qua dung dịch mẫu nghiên cứu

Dựa trên nguyên tắc như vậy, một máy đo UV-VIS cần những bộ phân cơ bản như sau

1.3.2 Các bộ phận cơ bản

a Nguồn sáng

Nguồn sáng cho hấp thụ phân tử cần có năng lượng đủ lớn trong vùng bước sóng hấp thụ của chất phân tích để cho phép sẵn sàng dò tìm và đo Ngoài ra nó còn phải ổn định trong suốt thời gian

đo Có như vậy thì các phép đo mật độ quang mới cho kết quả lặp lại

Nguồn sáng phổ biến nhất để tạo ra bức xạ khả kiến và cận hồng ngoại là đèn dây tóc vonfram W

từ 380 nm đến 2500 nm Đèn vonfram-halogen chứa một lượng nhỏ iot trong vỏ bọc bằng thủy tinh thạch anh chứa dây tóc W, cho phép nó hoạt động ở nhiệt độ khoảng 3500 K Điều này cho phép đèn hoạt động có cường độ cao hơn và mở rộng khoảng bước sóng phát ra vào một phần vùng tử ngoại Đèn loại này cũng có tuổi thọ cao hơn do giảm sự bay hơi của W khi hoạt động Các hơi W sẽ tác dụng tạo WI2 khuếch tán quay lại dây tóc ở đó nó phân hủy tạo lại W

 Bộ cách tử phản xạ là một bệ thủy tinh được phủ lên trên bề mặt của nó một lớp nhôm mỏng

và khắc các vạch có khoảng cách đều nhau

 Số lượng vạch trên một đơn vị chiều dài (mm) càng lớn thì độ phân giải càng cao và các tia tách ra càng đơn sắc Các máy UV-VIS hiện nay có bộ cách tử có só vạch khoảng từ 1200-

1800 vạch/mm, có khi lên đến 2400 vạch/mm đối với những máy có độ phân giải rất cao

 Trên bề mặt của lớp nhôm lại được phủ một lớp mỏng SiO2 để bề mặt kim loại này tránh bị oxi hóa làm giảm sự phản xạ của nó

 Nguyên tắc đơn sắc hóa các chùm tia đa sắc là dựa vào hiện tượng nhiễu xạ Khi ánh sáng đa sắc đâp vào khe hẹp của các vạch thì bị nhiễu xạ và mỗi khe trở thành một nguồn sáng phản chiếu ở những góc khác nhau những tia đơn sắc (hình 4)

Hình 4: Nguyên lí đơn sắc hóa chùm sáng đa sắc bằng bộ cách tử phản xạ

Hình 5: (a) Đơn sắc hóa chùm đa sắc bằng cách tử phản xạ (b) bằng lăng kính

Hệ quang học của những máy đơn giản thường là những hệ một chùm tia còn trong những máy hiện đại là

hệ hai chùm tia (hình 6)

Hình 6a: Máy UV- VIS có hệ quang học một chùm tia

Hình 6b: Sơ đồ cấu tạo của hệ quang học hai chùm tia

Hình 7: Sơ đồ cấu tạo của một tế bào quang điện và một photomultiplier

Hình 8: Cuvet chứa dung dịch mẫu đo trong máy UV-VIS 1.4 Phân tích định lượng

Phổ hấp thụ phân tử dựa trên bức xạ UV-VIS là một trong những công cụ hữu hiệu để phân tích định lượng Những đặc trưng cơ bản của phương pháp phân tích đo quang là:

 Khả năng áp dụng rộng: Một số rất lớn các chất hữu cơ, vô cơ, hóa sinh hấp thu được chùm

sáng trong vùng tử ngoại khả kiến và như vậy có thể phân tích định lượng trực tiếp chúng Nhiều hợp chất không có khả năng hấp thụ trực tiếp cũng có thể áp dụng phương pháp này sau khi chuyển chúng bằng phương pháp hóa học thành những dẫn xuất có thể hấp thụ được Người ta ước lượng rằng khoảng 90% các phân tích trong phòng thí nghiệm ở bệnh viện đều dựa trên phổ UV-VIS

 Độ nhậy cao: giới hạn dò tìm của phổ hấp thụ phân tử trong khoảng 10-4

đến 10-5M Khoảng này có thể được mở rộng đến 10-6 thậm chí 10-7 M với những thủ tục bổ sung

 Độ chọn lọc từ trung bình đến cao: Nếu một bước sóng được tìm thấy mà chất phân tích chỉ

hấp thụ một mình thì không cần phải thực hiện phép tách chúng ra khỏi dung dịch hỗn hợp

 Độ chính xác cao: sai số tương đối về nồng độ trong phổ UV-VIS tiêu biểu nằm trong

khoảng từ 1% đến 5%

 Dễ thao tác và thực hiện nhanh chóng với các máy hiện đại

Áp dụng với những chất hấp thụ trực tiếp: Bảng liệt kê những nhóm chức mang màu hữu cơ

Việc xác định các hợp chất hữu cơ chứa một trong những nhóm chức này là khả thi và có thể tra cứu trong các tài liệu chuyên môn Một số chất vô cơ cũng hấp thu trực tiếp như những ion kim loại chuyển tiếp mang màu trong dung dịch như Cu2+ , Ni2+ … hoặc các ion MnO4

, Cr2O7 2- …

Áp dụng đối với những chất không hấp thụ trực tiếp: Đối với nhiều chất hay ion ví dụ ion kim

loại không hấp thụ trực tiếp hoặc hấp thu với cường độ yếu, người ta thường thêm các thuốc thử

vô cơ như SCN- cho trường hợp Fe3+ hoặc thuốc thử hữu cơ với lượng dư, thiết lập môi trường thích hợp để chuyển toàn bộ chất hoặc ion phân tích về dạng phức có thể hấp thụ trực tiếp chùm sáng khả kiến

1.4.1 Phương pháp lập đường chuẩn

Chuẩn bị một dãy mẫu chuẩn với 5 hay 7 nồng độ có nồng độ chính xác của nguyên tố hay chất phân tích cùng trong điều kiện với mẫu phân tích như chất nền, môi trường pH…

Nghiên cứu chọn điều kiện phù hợp nhất để đo phổ UV-VIS của tất cả mẫu chuẩn và mẫu phân tích

Đo phổ UV-VIS của tất cả mẫu chuẩn và mẫu phân tích theo các điều kiện đã chọn

Từ các cặp giá trị D-C tương ứng của các mẫu chuẩn dựng đường chuẩn trong hệ tọa độ D-C; từ giá trị Dx của mẫu phân tích suy ra giá trị nồng độ Cx trong mẫu

1.4.2 Phương pháp thêm chuẩn

Chuẩn bị một dãy 5 mẫu phân tích nồng độ chưa biết Cx với thể tích Vx của nguyên tố hay chất phân tích cùng trong điều kiện như chất nền, môi trường pH…

Thêm lần lượt vào mỗi mẫu phân tích một thể tích thay đổi Vs của chất chuẩn phân tích có nồng

độ Cs

Thêm nước (dung môi) đến vạch mức thể tích Vt

Đo phổ UV-VIS của tất cả mẫu phân tích trên theo các điều kiện đã chọn, ta có mỗi mẫu có giá trị mật độ quang Dx của mỗi mẫu

Dx= εlVsCs/Vt+ εlVxCx/Vt = kVsCs + kVxCx

= mVs + b với m =kCs và b = kVxCx

Từ các cặp giá trị Dx-Vs tương ứng của các mẫu dựng đường chuẩn trong hệ tọa độ Dx-Cs suy ra giá trị nồng độ Cx trong mẫu như sau:

-Đo mật độ quang 5 dung dịch trên thì giá trị Dx lần lượt là 0.240; 0.437; 0.621; 0.809 và 1.009 Xác định nồng độ của Fe

1.4.3 Phương pháp thêm với 2 mẫu đo

Chuẩn bị một dãy 2 mẫu phân tích nồng độ chưa biết Cx với thể tích Vxcủa nguyên tố hay chất phân tích cùng trong điều kiện như chất nền, môi trường pH…

Thêm vào một mẫu phân tích một thể tích Vs

của chất chuẩn phân tích (dung dịch thêm chuẩn này có nồng độ Cs) Mẫu kia không thêm

Thêm nước (dung môi) đến vạch mức thể tích Vt

Đo phổ UV-VIS của 2 mẫu phân tích trên theo các điều kiện đã chọn

D1 = εlVxCx/Vt

D2 = εlVsCs/Vt + εlVxCx/Vt

Suy ra C x = D 1 C s V s /(D 2 -D 1 )V x

Ví dụ: 2.00 ml một mẫu nước tiểu được xử lý với thuốc thử để tạo phức màu với photphat (không thêm)

và mẫu được pha loãng đến 100 ml 2.00 ml mẫu thứ hai có thêm 5.00 ml dung dịch photphat chứa 0.0300 mg/ml D của dung dịch lần lượt là 0.428 và 0.538 Xác định nồng độ photphat trong mẫu nước tiểu (mg/ml) Đs : 0,292

PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ (AES)

2.1 Sự xuất hiện của phổ AES:

Để hiểu về sự xuất hiện của phổ phát xạ nguyên tử, trước tiên chúng ta hãy xem lại về cấu tạo của nguyên tử Vì phổ phát xạ là phổ của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi, khi nó bị kích thích và chính cấu tạo của nguyên tử là một yếu tố quyết định sự xuất hiện của phổ

Nguyên tử có cấu tạo gồm hai phần cơ bản là:

- Hạt nhân nguyên tử: nó quyết định điện tích dương của nguyên tử, và khối lượng của nguyên tử Hạt nhân nằm giữa nguyên tử, nhưng chiếm một thể tích rất nhỏ (1/1000) so với thể tích toàn bộ của nguyên tử (hình 2.1)

Hình 2.1: Sơ đồ đơn giản của các lớp electron và năng lượng của chúng

- Các điện tử được xếp thành từng lớp và chuyển động trên những quỹ đạo (orbital) khác nhau bao xung quanh hạt nhân Các điện tử chuyển động trên các orbital càng gần hạt nhân thì có năng lượng càng thấp và năng lượng của chúng theo thứ tự tăng dần từ trong ra ngoài trong lớp vỏ electron được xác đinh bởi qui tắc Klechkowski như hình 1.2 Các điện tử chiếm một không gian rất lớn của nguyên tử Các điện tử hoá trị ở lớp ngoài cùng của nguyên tử là yếu tố (nhân tố) tạo ra phổ phát xạ

và hấp thụ nguyên tử

Hình 2.2: Giản đồ năng lượng của các phân lớp

Trong điều kiện bình thường, nguyên tử ở trạng thái bền vững, nó có năng lượng nhỏ nhất và được gọi là trạng thái cơ bản Trong điều kiện này nguyên tử không phát và cũng không thu năng lượng Đó là trạng thái tồn tại của nguyên tử ở trong vật chất Nhưng nếu chúng ta hoá hơi vật chất,

để đưa các nguyên tử đến trạng thái hơi tự do và cung cấp cho đám hơi đó một năng lượng phù hợp, thì các nguyên tử tự do này sẽ nhận năng lượng, nó bị kích thích, các điện tử hoá trị của nó sẽ chuyến lên mức năng lượng cao hơn theo sơ đồ:

A o + ΔE → A*

(Cơ bản) (Bị kích thích)

(Tất nhiên giá trị Ephải nhỏ hơn năng lượng ion hoá): Lúc này nguyên tử đang ở trạng thái kích thích Nhưng trạng thái này không bền, nguyên tử chỉ tồn tại lâu nhất là t = 10-8giây Sau đó nó

có xu hướng giải phóng năng lượng đã nhận vào để quay về trạng thái cơ bản ban đầu bền vững Đó

là quá trình phát xạ của nguyên tử đã bị kích thích Các tia phát xạ (bức xạ) của quá trình này chính là phổ phát xạ của nguyên tử (hình 2.3) Đó là phổ của các điện tử hoá trị của nguyên tử, khi chuyển mức năng lượng tạo ra

Chùm phát xạ này có n tia có độ dài sóng khác nhau (chủ yếu ở trong vùng UV-VIS), và số n là

số nguyên, nó có thể là từ 1 đến hàng ngàn Những nguyên tố nào có số điện tử nhiều, có nhiều năng lượng và nhiều lớp điện tử, số điện tử hoá trị càng nhiều, thì số n càng lớn, tức là số vạch phổ phát

xạ nhiều Ví dụ như Fe, Mn, Ni, Nđ, Ce,

Hình 2.3: Sơ đồ năng lượng của lớp vỏ hóa trị và phổ phát xạ của Na

Theo định luật Anh-stanh, ở đây chúng ta có:

Hay là:

h.c ETrong đó:

c : là vận tốc ánh sáng trong chân không

0 < b ≤ 1

Ở đây, với mọi vạch phổ, chúng ta luôn luôn có một giá trị của nồng độ C0 của chất ở trong mẫu,

mà b = 1, và luôn có:

- Nếu Cx < C0: thì luôn luôn có b = 1

- Nếu Cx > C0: giá trị b tiến dần xa 1 về 0, khi nồng độ Cx tăng dần lên

Công thức (2.1) là phương trình cơ sở của phương pháp phân tích định lượng theo phổ phát xạ nguyên tử, và quan hệ giữ I và C ta có dạng như trong hình 2.4

Hình 2.4 : Mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ I λ và nồng độ C

Đường biểu diễn này có hai đoạn Đoạn AB ứng với vùng nồng độ Ca-C0 là một đoạn thẳng Ở đây quan hệ giữa I và C là tuyến tính (có dạng của phương trình y=ax) Còn đoạn BC là đoạn không tuyến tính Nồng độ C0 được gọi là nồng độ giới hạn của vùng tuyến tính Các vạch phổ càng nhậy thì

C0 càng nhỏ và ngược lại (bảng 1.2) Trong thực tế phân tích người ta chỉ sử dụng đoạn AB Vì việc xây dựng đường chuẩn dễ và thu được độ chính xác cao

Bên cạnh việc phân tích định lượng, phổ phát xạ nguyên tử là một phương pháp rất ưu việt để phân tích định tính (phát hiện) các nguyên tố, đặc biệt là kim loại trong mọi đối tượng mẫu khác nhau Vì mỗi nguyên tố, trong quá trình phát xạ đều phát ra một số vạch đặc trưng riêng cho nó, mà không có ở nguyên tố khác Đó là cơ sở để phát hiện các nguyên tố

Bảng 2.1 Giới hạn của vùng tuyến tính C 0 ( * )

Nguyên tố vạch phổ (nm)

Bộ nhậy ( )

(*) Phổ hồ quang điện cực than, mẫu bột

2.2 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến phổ nguyên tử

2.2.1 Định luật phân bố Boltzmann

Giả sử nguyên tử ở trạng thái cơ bản có năng lượng Eo Khi nhận năng lượng từ bên ngoài nó chuyển lên mức năng lượng lớn hơn E* Nói chung một nguyên tử có nhiều hơn một trạng thái cho mỗi mức năng lượng đã cho Số trạng thái có sẵn cho mỗi mức năng lượng được gọi là độ suy biến (degeneracy) của mức năng lượng đó Ta kí hiệu độ suy biến tương ứng với các mức năng lượng Eo

và E* là go và g*

Ở một nhiệt độ xác định, khi cân bằng nhiệt được thiết lập thì định luật phân bố Boltzomann mô

tả tỉ lượng tương đối (N*/No) của hai trạng thái là:

E kT

o

e g

g N

2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến số trạng thái kích thích

Trạng thái kích thích thấp nhất nằm trên trạng thái cơ bản của nguyên tử Na có mức năng lượng 3.371x10-19 J/nguyên tử Độ suy biến của trạng thái này là 2, trong khi đó độ suy biến của trạng thái

cơ bản là 1 Ta thử tính tỉ lệ số nguyên tử Na ở trạng thái kích thích trên trong ngọn lửa đèn khí C2H2không khí ở 2600 K Sử dụng định luật trên:

-4 )

2600 ( ) / 10 381 1 / 10 371 3 (

10 67 1 1

2

o

e N

N

Nghĩa là có ít hơn 0.02% số nguyên tử Na nằm ở trạng thái kích thích

Ở nhiệt độ 2610 K thì tính toán tương tự cho N*/No = 1.74x 10-4 Như vậy số nguyên tử Na ở trạng thái kích thích ở nhiệt độ 2610 K đã tăng hơn được 4%

2.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát xạ và hấp thụ

Như đã thấy ở nhiệt độ 2600 K thì có hơn 99.98% số nguyên tử Na nằm ở thái thái cơ bản Việc tăng nhiệt độ lên 10 K không làm thay đổi đáng kể số trạng thái cơ bản của nguyên tử, nghĩa là không làm thay đổi đáng kể tín hiệu của sự hấp thụ nguyên tử Nhưng vì tín hiệu của sự phát xạ nguyên tử phát sinh từ số nguyên tử ở trạng thái kích thích nên khi tăng lên 10 K thì số trạng thái kích thích tăng lên 4% nên cường độ tín hiệu phát xạ tăng lên được 4% Hiện nay hầu hết sự phát xạ nguyên tử thực hiện nhờ sử dụng nhiệt độ rất cao của một plasma cao tần cảm ứng và nhiệt độ này ổn định hơn nhiệt

độ ngọn lửa nhiều

2.3 Nguyên tắc và các bộ phận cơ bản của phép đo phổ phát xạ:

2.3.1 Nguyên tắc:

Trên cơ sở của sự xuất hiện phổ phát xạ như đã nêu ở trên, chúng ta thấy, muốn ứng dụng phổ phát xạ

để phân tích các nguyên tố chúng ta phải thực hiện các nguyên tắc sau đây:

1 Tìm điều kiện phù hợp để hoá hơi mẫu phân tích hoàn toàn và tốt nhất, biến tất cả mẫu thành trạng thái hơi (thể khí)

2 Nguyên tử hoá đám hơi của mẫu để tạo ra đám hơi của các nguyên tử tự do của các nguyên tố phân tích một cách hoàn toàn và ổn định

3 Kích thích các nguyên tử của nguyên tố cần phân tích trong đám hơi đó, để chúng phát ra phổ phát xạ của nó, sao cho có hiệu suất cao, ổn định và lặp lại được

4 Thu toàn bộ chùm sáng phát xạ của mẫu, phân ly thành phố và ghi phổ đó lại Như vậy ta có phổ phát xạ của mẫu phân tích

5 Đánh giá định tính và định lượng phổ thu được theo yêu cầu đặt ra

Đó là năm công việc phải thực hiện của một quy trình phân tích Đó cũng là nguyên tắc của phép

đo AES Xây dựng một quy trình phân tích để xác định một nguyên tố chính là tiêu chuẩn hoá và chọn các điều kiện phù hợp nhất cho từng công việc đó

2.3.2 Các bộ phận cơ bản:

Theo nguyên tắc chung thì một hệ thống máy đo phổ phát xạ phải gồm tối thiếu ba bộ phận chính như sau:

1 Nguồn năng lượng: là dụng cụ hay bộ phận trang bị để thực hiện ba nhiệm vụ đầu (từ 1-3) Tức

là hoá hơi, nguyên tử hoá và kích thích phổ

2 Máy quang phổ (bộ đơn sắc hay detector): Là một bộ phận có nhiệm vụ thu nhận, phân ly chùm tia phát xạ thành từng vạch phổ của mỗi nguyên tố và chọn để ghi nhận lại cường độ của các vạch phổ phát xạ đó

3 Hệ thống chỉ thị (biểu thị) các kết quả phân tích định tính và định lượng

Đó là các bộ phận cơ sở tối thiểu của một hệ máy đo phổ phát xạ nguyên tử Song ngày nay, để chương trình hoá các quá trình đo, tăng tốc độ đo, hay lưu trữ, in ấn, so sánh các kết quả các hệ thống

máy phổ phát xạ còn thêm bộ phận tự đưa mẫu, một máy tính chuyên dụng cho nó và màn hình video Máy tính có nhiệm vụ điều khiển tất cả

2.4 Trang bị của phép đo phổ phát xạ

2.4.1 Nguồn năng lượng:

Là bộ phận rất quan trọng, nó quyết định độ nhạy của phép đo Bởi vì có hoá hơi và nguyên tử được mẫu có kích thích được các nguyên tử thì mới có được phổ phát xạ của chúng Do đó yêu cầu của nguồn năng lượng là:

- Có năng lượng đủ lớn để hóa hơi được mẫu, nguyên tử hóa được các phân tử và kích thích được các nguyên tử đạt hiệu suất cao Có như thế phép phân tích mới có độ nhạy cao

- Phải ổn định và lặp lại được tốt,

- Điều chỉnh được độ lớn của năng lượng phù hợp cho từng phép phân tích mỗi nguyên tó trong mỗi loại mẫu

- Không tạo ra phổ phụ làm ảnh hưởng hay gây khó khăn cho việc phân tích,

- Tiêu tốn ít mẫu

Trong các yêu cầu này, yêu cầu thứ 5, trong một số trường hợp không cần chú ý nếu có nhiều mẫu, như phân tích quặng Song trong phân tích máu, serum phân tích chất tinh khiết cao thì không thể bỏ qua được

Do phải đạt được những yêu cầu trên, nên nguồn năng lượng thì có rất nhiều, nhưng cho mục đích phân tích phổ phát xạ thì chỉ vài loại là đã được dùng như ngọn lửa đèn khí, hồ quang điện, tia lửa điện, sự bắn phá catốt, tia lade, cảm ứng cao tần, sóng ngắn, đồng thời trên cơ sở đó chúng ta có các kỹ thuật phân tích AES khác nhau Sau đây chúng ta sẽ lần lượt xem xét đến đặc điểm của một số loại đã và đang được dùng phổ biến

Ngọn lửa đèn khí: Là ngọn lửa được tạo thành khi đốt một chất oxy hóa (như oxy, không khí,

N2O) với một chất cháy (như C2H2, propan, ) để tạo ra nhiệt độ của ngọn lửa Nhiệt độ của ngọn lửa

là yếu tố quyết định quá trình hóa hơi, nguyên tử hóa và kích thích phổ của vật chất mẫu Nói chung, ngọn lửa đèn khí thường chỉ cho nhiệt độ từ 1700 - 33000C

Bảng 1.2 Quan hệ giữa nhiệt độ và thành phần khí

Oxy Acetylene 1,2/1,5 2700

Nhiệt độ ngọn lửa đèn khí phụ thuộc vào:

- Cấu tạo của đèn đốt hỗn hợp khí tạo ra ngọn lửa

- Bản chất của các khí cháy tạo ra ngọn lửa

Hình 2.5: Cấu tạo ngọn lửa đèn khí

Về mặt cấu tạo ngọn lửa đèn khí gồm ba phần Phần tối (a) ở sát miệng đèn, có nhiệt độ thấp Phần lõi (tâm b) là phần chính của ngọn lửa, phần này hầu như không có màu, nhiệt độ cao nhất và hầu như không có các quá trình thứ cấp, nhiệt độ lại ổn định Vì thế mẫu phân tích phải được được đặt ở phần này là tốt nhất Phần thứ ba (c) là vỏ và đuôi ngọn lửa Phần này nhiệt độ thấp, có màu hơi vàng, và có nhiều quá trình phụ Vì thế trong chế tạo máy, người ta phải cấu tạo các đèn nguyên tử hóa mẫu sao cho phần này nhỏ nhất, để loại trừ ảnh hưởng của nó Do đặc điểm như thế, nên ngọn lửa đèn khí chỉ được dùng làm nguồn kích thích để phân tích chủ yếu là các kim loại kiềm (Li, Na, K, Rb, Cs) và một vài kim loại kiềm thổ (Ca, Mg) với độ nhạy từ 1 - 10 g/ml Với nguồn năng lượng này người ta có một hệ phép đo phổ phát xạ các kim loại kiềm và kiềm thổ, được gọi là phổ ngọn lửa hay

“quang kế ngọn lửa” (Flame Spectrphotometry) Nhưng về bản chất, thì nó vẫn là phổ phát xạ của nguyên tử Ở đây một điều nên chú ý là sự kích thích phổ trong ngọn lửa lửa đèn khí thì ảnh hưởng của thành phần nền, matrix của mẫu là rất lớn

Hình2.6: Sơ đồ của thiết bị xác định các kim loại kiềm sử dụng phát xạ ngọn lửa

Hồ quang điện: Là nguồn năng lượng nhiệt, được tạo ra do sự phóng điện giữa hai điện cực (chủ

yếu là điện cực than) có dòng cao (10 - 20A) và thế trung bình (220 - 250V) Nhiệt độ của hồ quang điện là từ 3000 - 60000C, nên hồ quang điện là nguồn năng lượng trung bình Nhiệt độ trung bình của

nó phụ thuộc vào:

- Chất và bản chất của vật liệu làm điện cực

- Cường độ dòng điện của mạch hồ quang

- Thành phần matrix của mẫu

Nói chung, nguyên liệu làm điện cực là bền nhiệt, có thể ion hóa và kích thích cao, thì cho hồ quang có nhiệt độ cao và cường độ dòng trong mạch hồ quang càng lớn thì nhiệt độ càng cao

Do đặc điểm này, nên hồ quang là nguồn kích thích phổ phù hợp cho khoảng 45 nguyên tố Nó cũng là một nguồn năng lượng cho độ nhạy tương đối cao (từ 10 - 0,1 g) của phép đo phổ phát xạ

Hồ quang điện có hồ quang dòng xoay chiều và hồ quang dòng một chiều trong hai loại này, hồ quang dòng xoay chiều cho độ ổn định cao hơn nên thường được sử dụng nhiều hơn Nó thích hợp cho cả mẫu bột dẫn điện và không dẫn điện Nhưng sự kích thích phổ phát xạ bằng hồ quang điện bị ảnh hưởng của matrix rất lớn, nhất là các nền (matrix) bền nhiệt, như silicat, quặng Zircomat, Wolfamat

Bảng 2.3 Nhiệt độ và nguyên liệu làm điện cực

Tia lửa điện: Là nguồn năng lượng nhiệt được tạo thành do sự phóng điện giữa hai cực có dòng nhỏ

(100 - 1000 mA) nhưng có thế rất cao (20 - 30 kV) nó là sự phóng điện gián đoạn giữa hai điện cực thường là từ 50 - 500 chu kỳ trong 1 giây Tia lửa điện có nhiệt độ tương đối cao khoảng 4000 - 7000 0

C Nhưng tia lửa điện không làm nóng điện cực, nên sự bay hơi của mẫu thường là khó và chậm Vì thế tia lửa điện có độ nhạy không cao (10 - 100 g) nhưng có độ ổn định tốt hơn hồ quang, vì thế, khi dùng tia lửa điện thời gian kích thích và ghi phổ phải dài

Nhiệt độ của tia lửa điện là phụ thuộc chủ yếu vào mật độ của dòng điện và bị ảnh hưởng của cấu trúc nguyên liệu làm điện cực Các nguyên liệu có độ bền nhiệt cao thì ít ảnh hưởng đến nhiệt độ của tia điện Vì tia lửa điện không làm nóng điện cực, nên nó rất phù hợp để phân tích các vật mẫu kim loại hay hợp kim, cũng như các mẫu dung dịch Song lại không thích hợp với vật mẫu là quặng, đất,

đá, muối, oxit, siliccat,

Plasma cao tần cảm ứng - ICP:

Plasma là một hỗn hợp khí dẫn điện chứa nồng độ lớn các cation và electron Trong plasma argon được dùng trong phân tích phổ phát xạ, ion argon và các electron là các chất dẫn điện chính, mặc dầu các ion tạo ra từ mẫu cũng có góp phần Các ion argon và các electron khi tạo thành trong plasma thì

có khả năng hấp thụ năng lượng từ một nguồn bên ngoài để duy trì nhiệt độ cao lên đến 10000K ICP là môi trường kích thích phổ có nhiệt độ cao (4000 - 10000 oc) được tạo ra bởi năng lượng cảm ứng cao tần của dòng điện được cấp từ máy phát cao tần có tần số 27,12 MHz hay 450 MHz

Hình 2.7: Cấu tạo của đèn nguyên tử hóa mẫu trong ICP

Thực chất của plasma ICP là nguồn năng lượng nhiệt điện của ngọn lửa được duy trì bởi cuộn cảm ứng cao tần Hình 2.7 là hệ thống nguyên tử hóa mẫu và kích thích phổ phát xạ của các nguyên

tử Bộ phận này chính là đèn nguyên tử hóa và kích thích phổ phát xạ của nguyên tử (plasma torch)

Nó gồm 3 ống tube hình trụ lồng vào nhau, làm bằng thủy tinh thạch anh (quartz) mà argon chảy qua với tốc độ từ 11 đến 17 L/min Đường kính của ống lớn nhất khoảng 2.5 cm Quanh đỉnh của ống này có quấn cuộn dây cảm ứng tần số radio, được làm lạnh bằng nước, tạo ra năng lượng 2 kW với tần số 27 MHz Sự ion hóa ban đầu của khí argon nhờ tia lửa điện từ cuộn Tesla Các ion Ar và electron tạo thành tương tác với từ trường H được tạo ra bởi cuộn dây cảm I Sự tương tác này làm cho các ion và các electron trong vòng cuộn dây chảy theo những đường hình vòng khuyên kín như được mô tả trong hình vẽ Các electron được gia tốc va chạm với các nguyên tử và chuyển năng lượng của chúng cho chúng Một khi quá trình này bắt đầu thì các electron sẽ hấp thụ đủ năng lượng

từ cuộn cảm để duy trì nhiệt độ từ 6000 K đến 10000 K trong plasma này Đèn nguyên tử hóa mẫu rất nóng (đặc biệt ở vùng gần cuộn cảm) nên cần phải được bảo vệ bằng dòng khí làm lạnh Ar chảy quanh ống bên ngoài của đèn này

Trong phương pháp hóa hơi mẫu bằng tần số siêu âm, dung dịch mẫu được đưa trực tiếp lên trên tinh thể piezoelectric dao động với tần số 1 MHz Sự dao động này tạo nên các sol khí và được mang bởi một dòng khí Ar đã được nung nóng Nhờ vậy dung môi bị hóa hơi Dòng khí này được cho đi qua một vùng làm lạnh để dung môi ngưng tụ và bị tách khỏi Chất phân tích dưới dạng sol khí rắn và khô được dẫn vào đèn nguyên tử hóa mẫu Ở đây năng lượng của ngọn lửa plasma không cần dùng để hóa hơi mẫu nhờ vậy có nhiều năng lượng hơn cho sự nguyên tử hóa mẫu Ngoài ra cũng có nhiều hơn lượng mẫu được đi vào ngọn lửa plasma so với dùng phương pháp hóa hơi mẫu truyền thống Kết quả là độ nhạy cũng được tăng lên hành chục lần

Hình 2.9: Bộ hóa hơi mẫu dùng khí mang Ar

Hình 2.10: Bộ hóa hơi mẫu dùng dao động tần số siêu âm của tinh thể trong máy ICP

Plasma ICP hiện nay được sử dụng phổ biến vì nó có nhiều ưu việt như:

- Độ nhạy khá cao, từ 10 - 0,1 ng

- Phân tích được tất cả các nguyên tố bền nhiệt, các matrix bền nhiệt

- Độ ổn định cao, sai số nhỏ, lặp lại tốt

- Vùng tuyến tính rộng (từ 1 đến 103 lần)

- Tốc độ phân tích lớn (50 - 120 mẫu/h)

- Ảnh hưởng của matrix mẫu hầu như không có hoặc là rất ít thấy và rất nhỏ

Do có những ưu việt đó, mà hiện nay nguồn plasma ICP lấn át tất cả các nguồn năng lượng khác trong phép đo phổ phát xạ nguyên tử Đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm, thì ICP là nguồn năng lượng rất phù hợp Trên thế giới hiện nay ở các nước phát triển, hay đang phát triển, nơi nào nghiên cứu đất hiếm, các viện nghiên cứu phân tích địa chất, nghiên cứu vật liệu mới của các đất hiếm, thì đều có phòng phổ xạ nguyên tử ICP (ICP - AES)

2.4.2 Máy quang phổ (Bộ đơn sắc)

Máy quang phổ thu nhận chùm tia phát xạ của mẫu để phân ly thành phổ và ghi lại phổ đó Về nguyên tắc, một bộ đơn sắc của máy phổ xạ phải gồm có hai phần: phần hệ quang học và phần điện

tử Hệ điện tử làm nhiệm vụ khuyếch đại tín hiều do và điều khiển Hệ quang học gồm có:

- Bộ chuẩn trực và khe vào

- Bộ phân ly (tán sắc) chùm sáng đa sắc thành phổ đơn sắc

- Bộ chuẩn trực để hội tụ những tia cùng bước sóng lên mặt phẳng tiêu

Trong các máy quang phổ cổ điển bộ tán sắc thường là hệ lăng kính Nhưng những máy quang phổ hiện đại có độ phân giải cao, thì nó là các cách tử phản xạ, có hằng số k từ 1800 - 3600 V/mm Máy quang phổ có loại một kênh và loại đa kênh Các máy cách tử có thể có một kênh và nhiều kênh Với các máy thế hệ cũ, toàn bộ vùng phổ là được ghi trên kính ảnh hay phim ảnh Sau đó việc định tính và định lượng phải quan sát qua kính ảnh đã ghi phổ đó Các máy quang phổ hiện đại (ICP - AES) phổ thường ghi trên băng giấy hoặc ghép nối với máy tính để phục vụ định tính và đo trực tiếp

I nhờ các nhân quang thu nhận, sau đó hệ điện tử khuyếch đại, bổ sung chính nền, tính và chỉ thị kết quả định lượng nhờ máy in Vì thế các máy này có độ nhạy cao, tốc độ phân tích lớn Với máy đa kênh thì mỗi kện phản có một nhân quang điện kiểu ống, có độ khuyếch đại 104 - 107 lần

Ngoài ba bộ phận chính đã ở trên, để thu được tốt chùm sáng phát xạ của mẫu (ở plasma), trước khe máy còn có hệ thống lọc, hệ thống gương chiếu sáng khe máy phù hợp cho mỗi vùng phổ, hệ thống đưa mẫu tự động

2.4.3 Các trang bị chỉ thị kết quả định lượng

Các trang bị để chỉ thị kết quả phân tích cũng đã được phát triển liên tục Đầu tiên là các điện kế đọc cường độ vạch phổ qua độ lệch của kim Tiếp đến là các máy tự ghi để ghi lại cường độ vạch phổ dưới dạng chiều cao của píc Sau đó là hệ chỉ thị số digital Máy printer in luôn kết quả đo Ngày nay các máy quang phổ đều ghép với máy tính, cho nên việc nghiên cứu đo đạc được chương trình hóa;

các kết quả cũng như điều kiện đo đều được thể hiện trên màn hình vidio Sau đó có thể in ra giấy nhờ máy printer khi cần thiết

2.6 Phân tích định tính bằng AES

Nguyên tắc của phân tích định tính theo phổ phát xạ là dựa trên cơ sở khi bị kích thích trong những điều kiện nhất định, mỗi nguyên tử của một nguyên tố thường phát ra một số vạch phổ phát xạ đặc trưng riêng cho nó mà không có ở nguyên tố khác Vì vậy khi quan sát được các vạch phổ đặc trưng của nó trong phổ thu được của mẫu phân trên kính ảnh hay trên băng giấy, thì ta có thể kết luận nguyên tố đó có mặt trong mẫu Tất nhiên, để đảm bảo độ tin cậy cao, thì chúng ta phải tìm thấy ít nhất là hai vạch đặc trưng của nó trong phổ của mẫu Với các máy có độ phân giải cao thì việc đánh giá định tính là dễ và khó nhầm lẫn Bảng 1.4 là một số vạch phổ phát xạ đặc trưng của một nguyên tố trong phổ hồ quang và phổ ICP

Bảng 2.4 Một số vạch phát xạ đặc trưng của các nguyên tố đó

Vạch phổ (nm)

Thể kích thích (eV)

338,289 520,907

5500R 2800R 100R

3,78 3,66 6,04

309,271 396,153

320R 650R 900R

4,02 4,10 3,14

493,409 553,555

6500R 2000R 650R

7,93 7,72 3,24

327,396 521,820

5000R 2500R

100

3,82 3,79 6,19

358,120 371,994 373,487

280R 600R 600R

700

4,99 4,32 3,32’

4,18

383,231 383,826

6000R

300

500

4,34 5,94 5,90

Mn 279,482

279,827 280,106 403,076

800R 650R 400R 2000R

5,89 6,10 5,90 3,10

Hình 2.11: Một phổ phát xạ thu được từ thư viện phổ

2.7 Phân tích định lượng bằng AES (tương tự trong phương pháp UV-VIS)

2.8 Ứng dụng của AES

Phương pháp AES được sử dụng để phân tích:

- Nguyên tố vi lượng, độc hại trong nước, đất, không khí môi trường

- Nguyên tố vi lượng trong y học, dược phẩm, thực phẩm,

- Nguyên tố vi lượng trong nông nghiệp, như phân bón, thức ăn gia súc

- Kiểm tra chất lượng trong công nghiệp hóa học

CHƯƠNG 3: PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ (PHỔ AAS)

3.1 Sự xuất hiện phổ hấp thụ nguyên tử:

Như chúng ta đã biết, vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử và nguyên tử là phần tử nhỏ nhất còn giữ được tính chất của nguyên tố Nguyên tử lại bao gồm hạt nhân nguyên tử và các điện tử chuyển động xung quanh không gian của hạt nhân Trong điều kiện bình thường, nguyên

tử không thu hay 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 ở trạng thái hơi nguyên tử tự do, nếu ta chiếu một chùm tia sáng có những bước sóng (tần số) xác định vào đám hơi nguyên tử đó, thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định ứng đúng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ Lúc đó nguyên tử đã nhận năng lượng dưới dạng các tia bức xạ và nó chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng 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 thụ năng lượng của nguyên tử Phổ sinh ra trong quá trình này được gọi là phổ hấp thụ nguyên tử

Nếu gọi năng lượng của tia sáng đã bị nguyên tử hấp thụ là E thì chúng ta có:

ΔE = (Em – Eo) = hγ (3.1)

Hay là:

∆ = ℎ / (3.2) Trong đó:

0

E và Em là năng lượng của nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích m;

h là hằng số plank; γ là tần số của chùm tia sáng; và là độ dài sóng của vạch phổ hấp thụ Như vậy ứng với mỗi giá trị năng lượng E, mà nguyên tử đã hấp thụ ta sẽ có một vạch phổ hấp thụ với độ dài sóng i Nghĩa là phổ hấp thụ của nguyên tử cũng là phổ vạch

Nhưng nguyên tử không hấp thụ tất cả các bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ Quá trình hấp thụ chỉ xảy ra đối với các vạch phổ nhậy, các vạch đặc trưng của các nguyên tố Cho nên đối với các vạch phổ đó quá trình hấp thụ và phát xạ là hai quá trình ngược nhau (hình 1) Theo phương trình (3.1) nếu giá trị năng lượng E là dương ta có quá trình phát xạ; ngược lại giá trị E là âm ta có quá trình hấp thụ Chính vì thế mà theo từng điều kiện cụ thể của nguồn năng lượng dùng để nguyên tử hoá mẫu mà quá trình nào xảy ra là chính

Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử trước hết phải tạo ra được đám hơi nguyên tử tự do, và sau đó chiếu vào nó một chùm tia sáng có những bước sóng xác định ứng đúng với các tia phát

xạ của nguyên tố cần nghiên cứu Khi đó các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ năng lượng và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của nó

Hình 3.1: Một phần Phổ AAS của nguyên tử Na và các bước dịch chuyển

2 Cường độ của vạch phổ hấp thụ:

Nghiên cứu sự phụ thuộc của cường độ một vạch phổ hấp thụ của một nguyên tố và nồng độ

C của nguyên tố đó trong mẫu phân tích, lý thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng, trong một vùng nồng độ C nhỏ, mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ hấp dẫn và nồng độ của nguyên tố đó trong đám hơi cũng tuân theo định luật Lambe Bia Nghĩa là nếu có một chùm sáng cường độ là IO qua đám hơi nguyên tử tự do nồng độ là N và bề dày là l thì chúng ta có:

I = Io.e –Kγ.N.l (3.3) Trong đó Kγ là hệ số hấp thụ nguyên tử của vạch phổ tần số γ

Kγ là đặc trưng riêng cho từng vạch phổ hấp thụ của mỗi nguyên tố

Nếu gọi D là cường độ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử, từ công thức (3.3) chúng ta có:

Trong đó K là hệ số thực nghiệm Nó phụ thuộc vào:

F là tốc độ dẫn mẫu vào hệ thống nguyên tử hoá (ml/phút),

w là hiệu suất aerôsol hoá,

s là hiệu suất nguyên tử hoá,

0

R

n là số phần tử khí ở nhiệt độ môi trường R0,

nT là số phần tử khí ở nhiệt độ T (K) của ngọn lửa nguyên tử hoá,

Q là tốc độ của dòng khí mang mẫu vào buồng nguyên tử hóa mẫu (lít/phút),

C là nồng độ của nguyên tố hấp thụ bức xạ trong dung dịch mẫu

Phương trình (3.5) cho ta biết mối quan hệ giữa D và N, phương trình (3.6) cho ta biết mối quan hệ giữa N và C Mối quan hệ này là rất phức tạp, nó phụ thuộc vào vào tất cả các điều kiện nguyên tử hoá mẫu, phụ thuộc vào thành phần vật lý, hoá học của nguyên tố ở trong mẫu Nhưng nhiều kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, trong một giới hạn nhất định của nồng độ C, thì mối quan

hệ giữa N và C có thể đựơc biểu thị theo công thức sau:

N = Ka.Cb (3.7) Trong đó Ka là hằng số thực nghiệm, nó phụ thuộc vào tất cả các điều kiện hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu, còn b được gọi là nguyên tố, b có giá trị bằng 1 và nhỏ hơn 1, b bằng 1 khi nồng độ C là nhỏ và ứng với mỗi một vạch phổ đều có một giá trị C = C0 để b bắt đầu nhỏ hơn 1 Nghĩa là ứng với các nồng độ C lớn hơn C0 thì b luôn luôn nhỏ hơn 1

Kết hợp phương trình (3.5) và (3.7) ta có:

D = a.Cb (3.8)

3.4 Nguyên tắc và các bộ phận cơ bản của phép đo AAS

Phương pháp phân tích dựa trên cơ sở đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố được gọi

là phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (phép đo AAS: Atomic Absorption Spectrometry) Như trong mục 3.1 đã đề cập, cơ sở lý thuyết của phép đo này là sự hấp thụ năng lượng (dưới dạng bức xạ đơn sắc đặc trưng) của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ Vì thế nguyên tắc của phương pháp này dựa trên

ba bước chính như sau:

1 Quá trình nguyên tử hoá mẫu:

(3.6)

Trong bước này cần chọn các điều kiện và một loại trang bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên

tử tự do Những trang bị để thực hiện quá trình này được gọi là hệ thống nguyên tử hoá mẫu Nhờ đó ta có được đám hơi của các nguyên tử tự do của mẫu phân tích Đám hơi này chính là môi trường hấp thụ bức xạ và sinh ra phổ hấp thụ nguyên tử

2 Quá trình tạo phổ hấp thu nguyên tử AAS:

Chiếu chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tố cần xác định trong đám hơi nguyên tử vừa điều chế ở trên Các nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong đám hơi sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó Ở đây, phần cường độ của chùm tia sáng đã bị một loại nguyên tử hấp thụ là phụ thuộc vào nồng độ của nó trong môi trường hấp thụ Nguồn cung cấp chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần nghiên cứu được gọi là nguồn phát bức xạ đơn sắc hay bức xạ cộng hưởng

3 Quá trình thu phân li và chọn vạch phổ hấp thụ đặc trưng của nguyên tố cần nghiên cứu để

đo cường độ của nó Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ của vạch phổ hấp thụ Trong một giới hạn nhất định của nồng độ giá trị cường độ này là phụ thuộc tính vào nồng độ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích theo phương trình (3.8)

Ba quá trình trên chính là nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử Vì vậy muốn thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử hệ thống máy đo phổ hấp thụ nguyên tử phải bao gồm các

bộ phận cơ bản sau đây:

Phần 1: Nguồn phát xạ cộng hưởng của nguyên tố cần phân tích, để chiếu vào môi trường hấp thụ chứa các nguyên tử tự do của nguyên tố đó Đó là các đèn catốt rỗng (HCL), các đèn phóng điện không điện cực (EDL), hay nguồn phát bức xạ liên tục đã được biến điệu

Hình 3.2: Sơ đồ của một đèn catốt rỗng (HCL)

Phần 2: Hệ thống nguyên tử hoá mẫu phân tích Hệ thống này được chế tạo theo hai loại kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu Đó là kỹ thuật nguyên tử hoá bằng ngọn lửa (F-AAS) và kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa (ETA-AAS) Trong kỹ thuật nguyên tử hoá bằng ngọn lửa, hệ thống này bao gồm:

- Bộ phận dẫn mẫu vào buồng aerôsol hoá và thực hiện quá trình aerôsol hóa mẫu

- Đèn để nguyên tử hoá mẫu khi đốt cháy hỗn hợp khí có chứa mẫu ở thể huyền phù khí

Hình : Sơ đồ của hệ thống AAS dùng kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa

Hình: Buồng Aerosol hóa và đèn nguyên tử hóa mẫu

Ngược lại, khi nguyên tử hoá mẫu bằng kỹ thuật không ngọn lửa người ta thường dùng một

lò nung nhỏ bằng graphit (cuvet graphit) để nguyên tử hoá mẫu nhờ nguồn năng lượng điện có thế thấp (nhỏ hơn 12V) nhưng có dòng rất cao (50 - 500A)

Hình: Lò nung furnace và cuvet grafit

Phần 3: Là máy quang phổ, nó là bộ đơn sắc, có nhiệm vụ thu, phân li và chọn tia sáng cần

đo hướng vào nhân quang điện để phát hiện tín hiệu hấp thụ AAS

Phần 4: Là hệ thống chỉ thị tín hiệu hấp thụ của vạch phổ (tức là cường độ của vạch phổ hấp thụ) Hệ thống này có thể là một điện kế, hay một máy tự ghi pic của vạch phổ, hoặc bộ hiện số digital, hay bộ printer Với các máy hiện đại còn có thêm một microcomputer hay microprocessor Máy này có nhiệm vụ xử lý các kết quả đo và lập chương trình điều khiển tất cả bốn phần trên Một cách tóm tắt, chúng ta có thể minh hoạ một hệ thống đo phổ hấp thụ nguyên

tử như trong hình 1.6

1.5 Những ưu điểm và nhược điểm của phép đo AAS

Cũng như các phương pháp phân tích khác, phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử cũng có những ưu điểm và nhược điểm nhất định Các ưu điểm đó là:

- Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc cao Gần 60 nguyên tố hoá học

có thể được xác định bằng phương pháp này với độ nhạy từ 1.10-4 đến 1.10-5 Đặc biệt, nếu sử dụng kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa thì có thể đạt đến độ nhạy n.10-7 (Bảng 1.3)

Đồng thời cũng do độ nhạy cao nên trong nhiều trường hợp không phải làm giầu nguyên tố cần xác định trước khi phân tích Do đó tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian và không cần phải dùng nhiều hoá chất tinh khiết cao khi làm giầu mẫu Mặt khác cũng tránh được sự nhiễm bẩn mẫu khi xử lí qua các giai đoạn phức tạp Đó cũng là một ưu điểm lớn của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử

Ưu điểm thứ ba của phương pháp này là có thể xác định đồng thời với liên tiếp nhiều nguyên

tố trong một mẫu Các kết quả phân tích lại rất ổn định, sai số nhỏ Trong nhiều trường hợp sai

số không quá 15% với vùng nồng độ cỡ ppm

Bên cạnh những ưu điểm, phép đo phổ hấp thụ nguyên tử cũng có một số hạn chế và nhược điểm nhất định Điều hạn chế trước hết là muốn thực hiện phép đo này cần phải có một hệ thống máy tương đối đắt tiền Do đó nhiều cơ sở nhỏ không đỏ để xây dựngphòng thí nghiệm về mua sắm máy móc

Mặt khác cũng chính do phép đo có độ nhậy cao, cho nên sự nhiễm bẩn rất có ý nghĩa đối với kết quả phân tích hàm lượng vết Vì thế môi trường không khí phòng thí nghiệm phải không

có bụi Các dụng cụ, hoá chất dùng trong phép đo phải có độ tinh khiết cao Đó cũng là một khó khăn khi ứng dụng phương pháp phân tích này

Nhược chính của phương pháp phân tích này là chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố của chất

ở trong mẫu phân tích, mà không chỉ ra trạng thái liên kết của nguyên tố ở trong mẫu Vì thế nó chỉ là phương pháp phân tích thành phân nguyên tố mà thôi

1.6 Đối tượng và phạm vi ứng dụng của phép đo AAS

Đối tượng chính của phương pháp phân tích theo phổ hấp thụ nguyên tử là phan tích lượng nhỏ (lượng vết) các kim loại trong các loại mẫu khác nhau của các chất vô cơ và hữu cơ Với các trang bị và kĩ thuật hiện nay, bằng phương pháp phân tích này người ta có thể định lượng được hầu hết các kim loại (khoảng 65 nguyên tố) và một số á kim đến giớ hạn nồng độ cỡ ppb (một phần tỉ), với sai số không lớn hơn 15% Phương pháp phân tích này đã được sử dụng để xác định các kim loại trong quặng, đất đá, nước khoáng, các mẫu của y học, sinh học, các sản phẩm nông nghiệp, rau quả, thực phẩm, nước uống, các nguyên tố vi lượng trong phân bón, trong thức

ăn gia súc

Bên cạnh các kim loại, một vài á kim như Si, P, As, Se, Te, cũng được xác định bằng phương pháp phân tích này Các á kim khác như C, Cl, O, N không xác định được bằng phương pháp này Vì các vạch phân tích của các á kim này thường nằm ngòai vùng phổ của các máy hấp thụ nguyên tử thông dụng (190 - 900nm) Ví dụ C-165,70; N-134,70; O-130,20; Cl-134,78; S-180,70nm Do đó, muốn phân tích các á kim này cần phải có các bộ đơn sắc đặc biệt Cho nên đến nay đối tượng chính của phương pháp phân tích theo phổ hấp thụ nguyên tử vẫn là phân tích lượng nhỏ và lượng vết các kim loại

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỆN HOÁ

Mở đầu

Các phương pháp phân tích điện hoá học dựa trên cơ sở ứng dụng:

- Các tính chất, quy luật và các hiện tượng điện hoá có liên quan đến các phản ứng điện hoá học xảy ra trên bề mặt hay trên ranh giới tiếp xúc giữa các cực (điện cực) và dung dịch phân tích

- Các tính chất điện hoá của dung dịch điện hoá giữa các cực trong bình phản ứng (bình điện hoá)

Các phương pháp phân tích điện hoá đã được phát triển từ lâu và phát triển mạnh trong khoảng vài thập niên trở lại đây Đó là những phương pháp phân tích công cụ không những dùng định tính và định lượng mà còn là phương tiện để nghiên cứu lý thuyết các quá trình điện hoá và các phản ứng hoá học của các chất vô cơ (ion kim loại, muối) và các chất hữu cơ

Các phương pháp phân tích điện hoá có nguyên tắc và sơ đồ chung là: chất phân tích được hoà tan thành dung dịch (thường là trong dung môi nước) rồi cho vào bình đo có cấu tạo phù hợp với từng phương pháp cụ thể Trong bình đo có 2 (hay 3) điện cực là:

Như vậy, các phương pháp phân tích điện hoá luôn có các trang bị cơ sở sau:

- Bình chứa dung dịch chất nghiên cứu và chất điện ly (bình đo điện hoá)

- Các điện cực

- Máy đo (có thể đo thế hay đo dòng hay điện trở)

Vì thế tất cả các phương pháp phân tích điện hoá đều có cơ sở lý thuyết chung về điện hoá học như cân bằng điện hoá, điện cực và thế điện cực,

Phân loại các phương pháp phân tích điện hoá

Hiện nay các phương pháp phân tích điện hoá có rất nhiều, nhưng chủ yếu được chia thành 2 nhóm:

1 Nhóm dựa trên quá trình điện cực

2 Nhóm các phương pháp điện hoá không có phản ứng điện cực như đo độ dẫn, điện trở,

Trong 2 nhóm này, nhóm 1 là có nhiều phương pháp, đa dạng và phong phú Nhóm này được chia thành 2 phân nhóm:

+ Phân nhóm 1: là phân nhóm các phương pháp điện hoá có phản ứng điện hoá ở điện cực trong điều kiện dòng không đổi (thường là bằng 0)

+ Phân nhóm 2: Là phân nhóm của các phương pháp điện hoá có phản ứng điện hoá ở điện cực trong điều kiện dòng khác 0 Đây là phân nhóm của phương pháp có sự điện phân Phân nhóm này có nhiều phương pháp điện hoá có độ nhạy cao và được ứng dụng nhiều

Một cách tóm tắt về sự phân loại này, chúng ta có thể thấy trong bảng 1.1 sau đây là một

số ví dụ về sự phân loại đó

Bảng 1.1: Phân loại các phương pháp điện hoá

quan hệ

Đại lượng kiểm soát

Đại lượng đo

- Điện lượng (I = Const)

- Điện lượng ( E = Const)

- Chuẩn độ điện thế (I = const)

- Cực phổ dòng xoay chiều

- Cực phổ sóng vuông

- Von - Ampe hoà tan

- Điện thế - thời gian hoà tan

- Đo độ dẫn và chuẩn độ đo độ dẫn

- Đo độ dẫn cao tần và chuẩn độ cao tan

f(X, C) f(x, E, C)

C

C

x

x + e

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐO THẾ (Potentiometric Methods) 4.1 Nguyên tắc

Các phương pháp đo thế là một họ của phương pháp phân tích điện hoá Quá trình đo thế được thực hiện trong 1 bình đo (cell) có chứa dung dịch mẫu và hai điện cực, trong đó có:

- 1 điện cực so sánh có thể cố định (Ess = const)

- 1 điện cực chỉ thị biểu thị thế của dung dịch

Hệ điện cực này được nối với một máy đo thế (potentiometer) Như vậy đo thế là quá trình theo dõi sự biến thiên nồng độ của 1 chất (ion) trong dung dịch nhờ điện cực chỉ thị mà trên đó xảy ra các quá trình điện hoá, được chỉ thị bằng sự thay đổi (biến thiên) của thế điện cực Thế đo được của dung dịch là hiệu số của thế ở điện cực chỉ thị (Eind) và điện cực so sánh (Ess), nghĩa là:

Còn điện cực chỉ thị có 3 loại khác nhau:

a Điện cực đo pH: đó là các điện cực thuỷ tinh màng

b Điện cực chọn lọc ion: đó là điện cực chế tạo đo riêng từng ion kim loại (ví dụ: K, Cd, Pb, ),

đo các anion (ví dụ: Cl-, F-, I-, CN-)

Hai loại điện cực này là các điện cực màng Nó có thể là màng rắn hay màng lỏng Các quá trình điện hoá là xảy ra trên bề mặt tiếp xúc của màng này

c Điện cực kim loại trơ: loại điện cực này phục vụ cho quá trình chuẩn độ đo thế Ví dụ điện cực

Pt, Ag, Pd Các quá trình điện hoá xảy ra trên bề mặt điện cực Các chất phân tích có thể:

- Nhận điện tử ở điện cực (sự oxy hoá)

- Nhường điện từ cho các điện cực (sự khử)

Do đặc điểm trên, nên bề mặt của các điện cực chỉ thị có ảnh hưởng đến thế của điện cực Vì thế phải giữ cho điện cực sạch và có bề mặt đồng nhất

Các quá trình điện hoá ở trong kỷ thuật đo thế là có dòng bằng 0 hay là không đổi (I = 0, hay = const ) Hình 4.1 sau đây là mô tả sơ đồ của một hệ thống máy đo thế