Bài giảng các phương pháp phân tích công cụ

BÀI GIẢNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CƠNG CỤ MỞ ĐẦU Các phương pháp phân tích cơng cụ có vai trò đặc biệt quan trọng phát triển ngành khoa học kỹ thuật công nghệ Với phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử tin học, máy móc thiết bị phân tích đại hóa, cho phép xác định nhanh chóng với độ xác cao mẫu chứa hàm lượng nhỏ chất phân tích Nhóm phương pháp phân tích quang học dựa tính chất quang học chất cần phân tích, có số phương pháp sau: Phương pháp trắc quang dựa phép đo lượng xạ điện từ ( bxđt ) dung dịch phân tích hấp thụ Ở kể đến phương pháp hấp đục, dựa phép đo lượng bxđt bị hấp thụ hạt huyền phù (dung dịch keo); Phương pháp khuyếch đục, dựa phép đo lượng bxđt bị khuyếch tán hạt huyền phù Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES (Atomic Emision Spectrometry), dựa khảo sát phổ phát xạ nguyên tử nguyên tử chất phân tích Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS (Atomic Absorption Spectrometry), dựa khảo sát phổ hấp thụ nguyên tử nguyên tử chất phân tích Phương pháp phát quang, dựa phép đo cường độ xạ chất phân tích phát ra, tác dụng lượng bxđt chiếu vào Ngồi ra, thuộc vào phương pháp quang học cịn có phương pháp khúc xạ, dựa phép đo chiết suất chất phân tích; Phương pháp phổ hồng ngoại IR, Phương pháp phổ Rơntgen; Phương pháp phổ Raman… CHƯƠNG CÁC VẤN ĐỀ CHUNG 1.1 Bản chất xạ điện từ phương pháp phổ 1.1.1 Bản chất xạ điện từ Bức xạ điện từ ( bxđt ) bao gồm từ sóng vơ tuyến đến xạ Rơntgen Gamma có chất sóng hạt Bản chất sóng bxđt thể tượng nhiễu xạ giao thoa, bxđt dao động có hai thành phần điện trường từ trường, sóng truyền không gian với vận tốc ánh sáng theo hình sin có cực đại cực tiểu; khoảng cách đầu mút sóng gọi bước sóng, ký hiệu λ Cường độ bxđt tỉ lệ với biên độ dao động Những bxđt khác có độ dài bước sóng khác hay bước sóng đại lượng đặc trưng cho bxđt Ngồi bxđt đặc trưng tần số υ, bước sóng tần số liên hệ với qua biểu thức: c=λυ (1.1) hay λ = c / υ (1.2) c tốc độ ánh sáng, c = 3.108 m/s Trong phương pháp phổ, người ta dùng đại lượng nghịch đảo λ ( 1/λ ) gọi số sóng để đặc trưng cho sóng, đơn vị số sóng ln cm-1 υ = 1/ λ ( 1.3) Với chất hạt, bxđt phần nhỏ mang lượng gọi photon, dạng bxđt từ khác có lượng khác Sự thống chất sóng chất hạt bxđt thể biểu thức: ε = hυ = hc/λ (1.4) h số Planc, h = 6,62.10-34J.s 1.1.2 Đơn vị đo phân chia vùng bxđt Trong biểu thức 1.4 đại lượng đặc trưng cho bxđt Bước sóng λ có thứ nguyên độ dài Để đo λ, người ta dùng đơn vị đo độ dài mét (m) ước số mét, đơn vị hay dùng μm; nm Ao ( 1A = 10-10m ) Đại lượng nghịch đảo bước sóng số sóng đo loại đơn vị cm-1 Tần số υ định nghĩa số dao động mà bxđt thực giây, nên có thứ nguyên s-1 Đơn vị đo υ hec ( hertz ) ký hiệu Hz bội số kHz ( kilohec ); MHz ( megahec ) Để gây hiệu ứng quang phổ, lượng bxđt phải phù hợp với hiệu số mức lượng ∆E tương ứng với trạng thái lượng nguyên tử hay phân tử, nghĩa bước sóng λ bxđt phải phù hợp với hệ thức: ∆E = ε = hυ = hc/λ hay λ = hc/∆E ( 1.5) Tùy theo chất bxđt tương tác với nguyên tử hay phân tử chất phân tích mà ta có phương pháp quang phổ khác nhau, cụ thể là: - Miền sóng vơ tuyến, viba cho phương pháp phổ cộng hưởng từ - Miền sóng tia Rơntgen tia γ cho phương pháp phổ Rơntgen phổ tia γ - Miền sóng ánh sáng quang học cho phương pháp phổ nhìn thấy phổ tử ngoại ( UV - VIS ); phổ hồng ngoại ( IR ) - Trong miền sóng ánh sáng quang học có phương pháp phổ phát xạ nguyên tử; phổ hấp thụ nguyên tử phổ huỳnh quang Dưới vùng sóng chia theo chiều dài bước sóng Bảng 1.1 Phân loại vùng xạ điện từ λ , cm E, eV Tia γ 10-11 - 10-8 ~ 107 Tia Röntgen 10-8 - 10-6 ~ 105 Tử ngoại khả kiến 10-6 - 10-4 ~ 10 Hồng ngoại 10-4 - 10-2 ~ 10-1 10-1 - 10 ~ 10-3 > 10 < 10-6 Bức xạ Vi sóng Sóng vô tuyến 1.2 Sự tương tác vật chất bxđt Khi chiếu chùm bxđt vào môi trường vật chất, xảy tượng phân tử hay nguyên tử vật chất hấp thụ lượng hay phát xạ lượng Năng lượng mà phân tử hay nguyên tử phát hay hấp thụ vào là: ∆E = E2 - E1 = hυ ( 1.6 ) Trong E1 E2 mức lượng trạng thái đầu trạng thái cuối; υ tần số bxđt bị hấp thụ hay phát xạ Nếu lượng trạng thái cuối cao trạng thái đầu ( ∆E > ) xảy hấp thụ bxđt, phổ sinh trình phổ hấp thụ; Cịn lượng trạng thái đầu cao trạng thái cuối ( ∆E < ) xảy phát xạ lượng, phổ sinh trình phổ phát xạ Các phương pháp phân tích dựa vào phổ nguyên tử thực máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS hay máy quang phổ phát xạ nguyên tử AES Các phương pháp phân tích dựa vào phổ phân tử phong phú hơn, thực máy đo quang UV-VIS; máy quang phổ hồng ngoại IR 1.3 Trạng thái lượng phân tử, phổ phân tử Một phân tử dù đơn giản có chuyển động sau: - Chuyển động điện tử quanh hạt nhân: điện tử hóa trị điện tử khơng tham gia tạo liên kết hóa học - gọi chung chuyển động điện tử - Chuyển động thay đổi tuần hoàn vị trí hạt nhân so với gọi chuyển động dao động phân tử - Chuyển động thay đổi phương hướng toàn phân tử không gian - gọi chuyển động quay phân tử, chuyển động có phân tử chất trạng thái khí Như vậy, lượng tồn phần Etf phân tử biểu diễn: Etf = Ee + Ev + Er ( 1.7 ) đó: Ee lượng liên quan đến chuyển động điện tử - gọi lượng điện tử Ev lượng liên quan đến chuyển động dao động hạt nhân ( vibration ) - gọi lượng dao động Er lượng liên quan đến chuyển động quay phân tử ( rotation ) - gọi lượng quay Lý thuyết thực nghiệm chứng minh Ee >> Ev >> Er , lượng đo đơn vị kcal/mol Ee khoảng 60 ÷ 150 kcal/mol; Ev khoảng ÷ 10 kcal/mol; Er khoảng 0,01 ÷ 0,1 kcal/mol Trong điều kiện bình thường, phân tử tồn trang thái bản, có lượng thấp Eotf, phân tử nhận lượng, ví dụ hấp thụ xạ, chuyển lên mức lượng cao Khi phân tử nhận lượng đủ lớn, ví dụ bxđt có lượng đủ lớn, phân tử chuyển lên trạng thái có lượng cao E*tf gọi trạng thái kích thích và: E*tf = E*e + E*v + E*r (1.8 ) Sự thay đổi trạng thái phân tử có thay đổi lượng phân tử ∆Etf = E*tf - Eotf = ∆Ee + ∆Ev + ∆Er ( 1.9 ) ∆Etf bước chuyển lượng toàn phần phân tử; ∆Ee bước chuyển lượng điện tử; ∆Ev bước chuyển lượng dao động; ∆Er bước chuyển lượng quay Như tượng hấp thụ bxđt phân tử gây nên bước chuyển lượng điện tử, lượng dao động, lượng quay phân tử, nguồn gốc loại phổ hấp thụ phân tử: phổ quay, phổ dao động - quay, phổ điện tử - dao động - quay Ngồi ra, để phân tử hấp thụ bxđt gây nên bước chuyển lượng, việc cần có điều kiện lượng phù hợp theo hệ thức ( 1.5 ) cịn có u cầu khác, gọi theo quy tắc chọn lọc Có hai loại quy tắc quy tắc cho phép quy tắc cấm: quy tắc cho phép quy định điều kiện cho phép xảy bước chuyển; Quy tắc cấm nêu điều kiện mà với điều kiện bước chuyển lượng khơng xảy Chính chất mà phổ phân tử có cấu trúc phức tạp, thường nói có cấu trúc đám Với máy quang phổ có độ tán sắc không lớn, phổ phân tử miền xạ liên tục; Với máy quang phổ có độ tán sắc lớn phổ phân tử gồm vơ số vạch sít Mỗi phân tử chất có cấu trúc khác nên có bước chuyển lượng khác nhau, có phổ hấp thụ phân tử đặc trưng khác nhau, mặt khác với kỹ thuật phù hợp, người ta tạo phổ điện tử, phổ dao động, phổ quay phân tử chất nghiên cứu, sở phương pháp phân tích định tính Cịn để phân tích định lượng, người ta dựa vào định luật hấp thụ bxđt Lambert-Beer 1.4 Phổ hấp thụ nguyên tử phổ phát xạ nguyên tử Ở ta xét tạo thành phổ phân tử, tạo liên kết hai nguyên tử Còn nguyên tử trạng thái tự đặc trưng phổ hấp thụ phổ phát xạ nguyên tử, chế tạo thành giải thích sau: Trong điều kiện bình thường nguyên tử trạng thái bản, không thu không phát lượng dạng xạ Đây trạng thái bền vững nghèo lượng Nếu nguyên tử nhận lượng dạng nhiệt nguyên tử chuyển lên trạng thái có lượng cao hơn, gọi trạng thái kích thích, trạng thái kích thích khơng bền, khoảng 10-8 ÷ 10-9 s, sau ngun tử có xu hướng trở trạng thái có mức luợng thấp hơn, nguyên tử giải phóng lượng dạng bxđt bao gồm nhiều tia đơn sắc có bước sóng khác nằm dải phổ quang học ( 190 - 1100nm ) Nếu thu, phân li ghi chùm tia ta dải phổ gồm vạch phát xạ nguyên tử ion Trong tập hợp vạch phổ nguyên tử ion lại có vạch đặc trưng riêng Một đặc điểm quan trọng nguyên tử tự có khả hấp thụ tia xạ mà phát q trình phát xạ Nếu nguyên tử nhận lượng dạng bxđt ứng với tia mà phát trình phát xạ nguyên tử chuyển lên trạng thái kích thích Phổ sinh q trình gọi phổ hấp thụ nguyên tử Nếu gọi lượng bxđt bị nguyên tử hấp thu ε = hυ ta có: ε = hυ = ∆E = Em - Eo ( 1.10 ) ∆E = h.c/λ (1.11 ) hay Trong Em Eo lượng trạng thái kích thích trạng thái nguyên tử; h số Planck; c tốc độ ánh sáng; λ bước sóng vạch phổ hấp thụ Vậy phổ hấp thụ nguyên tử phổ vạch Nhưng nguyên tử không hấp thụ tất xạ mà phát trình phát xạ Quá trình hấp thụ xảy với vạch phổ nhạy, vạch phổ đặc trưng vạch phổ cuối nguyên tố Cho nên vạch phổ q trình hấp thụ phát xạ hai trình ngược Trong phương trình ( 1.10 ), giá trị ∆E dương ta có trình phát xạ, giá trị ∆E âm ta có q trình hấp thụ Như tùy theo điều kiện cụ thể để nguyên tủ hóa mẫu kích thích ngun tử mà q trình xảy chính, cụ thể là: - Nếu kích thích nguyên tử lượng nhiệt ta có phổ phát xạ nguyên tử - Nếu kích thích nguyên tử chùm tia đơn sắc ta có phổ phát xạ nguyên tử Phương pháp phân tích dựa phổ phát xạ nguyên tử gọi phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES (Atomic Emision Spectrometry ) với máy phân tích tương ứng Phương pháp phân tích dựa phổ hấp thụ nguyên tử gọi Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS ( Atomic Absorption Spectrometry ) với máy phân tích AAS Chương PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỦ UV-VIS (Phương pháp trắc quang phân tử) Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử hay gọi phương pháp đo quang, phương pháp phân tích trắc quang phân tử phương pháp phân tích cơng cụ thơng dụng với nhiều hệ máy khác nhau, từ máy đơn giản hệ trước gọi máy so màu đến máy đại tự động hóa nay, gọi máy quang phổ hấp thụ phân tử UVVIS Các máy đo quang làm việc vùng tử ngoại (UV) khả kiến (VIS) từ 190nm đến khoảng 900nm 2.1 Cơ sở lí thuyết phương pháp 2.1.1 Sự hấp thụ ánh sáng dung dịch màu Dung dịch có màu thân dung dịch hấp thụ phần quang phổ ( vùng phổ ) ánh sáng trắng, phần cịn lại ló cho ta màu dung dịch, màu phụ phần ánh sáng trắng bị hấp thụ (vùng quang phổ cịn lại) Ví dụ: dung dịch Fe(SCN)3 ta nhìn thấy màu đỏ ánh sáng chiếu vào dung dịch, dung dịch hấp thụ mạnh xạ đơn sắc màu xanh xanh cây, vùng quang phổ cịn lại ló cho ta màu đỏ Sự hấp thụ dung dịch theo màu trình bày bảng 2.1 Bảng 2.1 Sự hấp thụ màu dung dịch màu TIA SÁNG ĐƠN SẮC BỊ HẤP THỤ MÀU CỦA DUNG DỊCH 400nm ÷ 450nm: vùng tím lục ánh vàng 450nm ÷ 480nm: vùng chàm vàng 480nm ÷ 490nm: vùng chàm lục da cam 490nm ÷ 510nm: vùng lục chàm đỏ 510nm ÷ 560nm: vùng lục đỏ tía 5600nm ÷ 575nm: vùng lục ánh vàng tím 575nm ÷ 590nm: vùng vàng chàm 590nm ÷ 640nm: vùng da cam chàm lục 640nm ÷ 720nm: vùng đỏ lục chàm 720nm ÷ 800nm: vùng đỏ tía lục Sự hấp thụ xạ đơn sắc (bxđs) dung dịch phụ thuộc vào nồng độ chất hấp thụ Ở ví dụ trên, dung dịch Fe(SCN)3 có nồng độ lớn hấp thụ mạnh, biểu màu dung dịch đậm 2.1.2 Các định luật hấp thụ ánh sáng Định luật Bugơ - Lambe (Bourguear - Lambert): Khi chiếu chùm bxđs có cường độ I0 qua lớp vật chất có bề dày l, cường độ bxđs ló I nhỏ I0 Có thể biểu diễn biểu thức: I0 = I + Ia + Ir Trong đó: (2.1) Ia phần cường độ bị hấp thụ Ir phần cường độ bị phản xạ lại I phần cường độ ló Dựa vào vơ số thực nghiệm, hai nhà bác học đưa định luật hấp thụ ánh sáng, biểu diễn biểu thức: I = I0 e-kl (2.2) Trong k hệ số hấp thụ, giá trị k phụ thuộc vào chất vật chất vào bước sóng λ bxđs Định luật Lambe - Bia ( Lambert - Beer): Khi áp dụng định luật Bugơ - Lambe cho trường hợp vật chất dung dịch có độ dày l ( dung dịch đựng cuvét có độ dày l ) chứa chất hấp thụ có nồng độ C Nhà bác học Bia đưa định luật Lambe - Bia: - Nội dung: Với bề dày lớp dung dịch, hệ số hấp thụ k tỉ lệ với nồng độ chất hấp thụ dung dịch - Biểu thức: k = ε*.C (2.3) hay I = I0 e-ε*C.l (2.4) Nếu đổi logarit tự nhiên logarit thập phân biểu thức định luật Lambe - Bia biểu diễn biểu thức: I = I0 10-ε.l.C (2.5) Trong đó: C- nồng độ dung dịch, đo mol/l l - bề dày cuvét đựng dung dịch, đo cm ε - gọi hệ số tắt phân tử hay hệ số hấp thụ phân tử ε đại lượng xác định, phụ thuộc vào chất chất hấp thụ, vào bước sóng λ bxđs vào nhiệt độ 2.1.3 Các đại lượng hay sử dụng Biểu thức ( 2.5 ) sở cho phương pháp phân tích định lượng Tuy nhiên, quan hệ cường độ ánh sáng nồng độ dung dịch thơng qua hàm logarít, để thuận tiện cho sử dụng, thường sử dụng đại lượng sau: Độ truyền quang T: tỉ lệ cường độ chùm sáng đơn sắc sau qua dung dịch I với cường độ chùm sáng đơn sắc chiếu vào I0 T = I/I0 = 10-ε.l.C (2.6) Nếu l = 1cm T gọi hệ số truyền quang Trên máy phân tích, T thường biểu diễn %, Thang đo T từ ÷ 100 Mật độ quang D (Dentisity) hay độ hấp thụ A (Absorption) hay độ tắt E (Extinction): định nghĩa theo biểu thức sau D = A = E = - lg T = lg(I0 /I) = ε.l.C Với dung dịch chứa chất hấp thụ xác định, đựng cuvét có kích thước ε l khơng đổi, biểu diễn: D = A = K.C (2.7) Hay nói cách khác, phụ thuộc mật độ quang nồng độ dung dịch tuyến tính, sở phương pháp phân tích định lượng trắc quang phân tử Như nguyên tắc chung phương pháp đo quang để xác định chất X đó, ta chuyển thành chất có khả hấp thụ ánh 10 khoảng tuyến tính phép đo, khoảng tuyến tính thay đổi trường hợp phân tích cụ thể phải khảo sát để xác định 3.4.2 Mẫu đầu để dựng đường chuẩn Trong phương pháp phân tích định lượng AAS, dung dịch chuẩn (còn gọi mẫu đầu) để dựng đường chuẩn bắt buộc phải thỏa mãn số điều kiện định, là: Các mẫu đầu phải có trạng thái vật lý hóa học mẫu phân tích Nghĩa mẫu phân tích trạng thái, dung mơi, mơi trường dạng liên kết mẫu đầu phải có tính chất giống Có loại trừ ảnh hưởng thành phần mẫu đến kết phân tích Các mẫu đầu mẫu phân tích phải xử lí, chuẩn bị điều kiện Các mẫu đầu phải bền vững theo thời gian, thành phần tính tốn ban đầu để sử dụng lâu dài Nồng độ nguyên tố cần phân tích mẫu đầu phải xác theo yêu cầu phương pháp phân tích, đồng thời khoảng nồng độ dãy mẫu đầu phải phân bố vùng tuyến tính phép đo 3.4.3 Khái niệm độ nhạy giới hạn phát phép đo AAS 60 3.4.3.1 Khái niệm độ nhạy Độ nhạy đại lượng khả phương pháp phân tích, phương pháp phân tích có độ nhạy cao tức nồng độ giới hạn phân tích nhỏ Độ nhạy phép đo AAS phụ thuộc vào yếu tố như: hệ thống máy đo; Điều kiện kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu, phép đo F-AAS có độ nhạy phép đo ETA-AAS; Khả tính chất hấp thụ xạ vạch phổ, vạch phổ nào, nguyên tố có khả hấp thụ xạ mạnh phép đo nhạy, nguyên tố vạch phổ khác có độ nhạy khác Chính nói đến độ nhạy nguyên tố phải gắn liền với điều kiện phân tích cụ thể Trong phép đo AAS độ nhạy tuyệt đối độ nhạy tương đối định nghĩa là: - Độ nhạy tuyệt đối lượng gam ( khối lượng ) nhỏ nguyên tố cần phân tích phải có mơi trường hấp thụ để cịn thu cường độ vạch phổ chọn gấp lần tín hiệu ( chiếm 1% tồn băng hấp thụ ) Như nguyên tố vạch phổ có độ nhạy tuyệt đối khác nhau, phân tích ngun tố có nồng độ nhỏ phải chọn vạch có độ nhạy cao để đo - Độ nhạy tương đối nồng độ nhỏ ngun tố cần phân tích có mẫu để cịn phát tín hiệu hấp thụ theo vạch phổ chọn tín hiệu phải lần tín hiệu ( chiếm 1% toàn băng hấp thụ ) Loại độ nhạy dùng phổ biến độ nhạy tuyệt đối, kể phương pháp phân tích khác 3.4.3.2 Khái niệm giới hạn phát Bên cạnh khái niệm độ nhạy, người ta sử dụng giới hạn phát nguyên tố dùng vạch phổ để xác định Cũng tương tự độ nhạy, giới hạn phát phân biệt hai khái niệm, là: - Giới hạn phát tuyệt đối nguyên tố khối lượng tối thiểu ngun tố cần có mơi trường hấp thụ để cịn phát tín hiệu hấp thụ điều kiện định chọn 61 - Giới hạn phát tương đối nguyên tố theo vạch phổ định xem nồng độ nhỏ nguyên tố có mẫu để cịn phát tín hiệu hấp thụ theo vạch phổ điều kiện định chọn Trong tài liệu chuyên môn, catalo kèm theo máy AAS, liệt kê giá trị độ nhạy tuyệt đối, độ nhạy tương đối, giới hạn phát tuyệt đối, giới hạn phát tương đối vạch phổ nguyên tố 3.4.4 Các phương pháp định lượng phép đo AAS Cũng tương tự phương pháp phân tích máy khác, để phân tích định lượng có hai phương pháp phương pháp đường chuẩn phương pháp thêm chuẩn 3.4.4.1 Phương pháp đường chuẩn ● Chuẩn bị dãy dung dịch chuẩn ( mẫu đầu ), mẫu, thơng thường đến mẫu, có nồng độ xác, tăng dần định, ví dụ: C1, C2, C3, C4, C5, C6 chất chuẩn phân tích ● Sau chọn thơng số máy, điều kiện phù hợp đo cường độ vạch phổ hấp thụ nguyên tố phân tích dung dịch mẫu chuẩn, ví dụ: giá trị cường độ tương ứng với nồng độ D1, D2, D3, D4, D5, D6 ● Xây dựng đường chuẩn D = f(C) ● Dung dịch mẫu phân tích có nồng độ Cx chưa biết chuẩn bị đo dung dịch mẫu chuẩn, giá trị Dx ● Dựa vào đường chuẩn suy nồng độ Cx Phương pháp đơn giản, dễ thực tích hợp phân tích hàng loạt nhiều mẫu nguyên tố, kiểm tra nguyên liệu sản xuất, chất lượng thành phẩm , ưu điểm phương pháp Song điều kiện mà chuẩn bị dung dịch mẫu chuẩn có thành phần giống dung dịch mẫu phân tích, nguyên nhân dung dịch mẫu phân tích có thành phần phức tạp chưa xác định được, 62 dễ mắc sai số lớn Trong trường hợp này, nên dùng phương pháp thêm tiêu chuẩn 3.4.4.2 Phương pháp thêm tiêu chuẩn Trong thực tiễn phân tích, đặc biệt xác định lượng vết kim loại, thường gặp phải đối tượng phân tích có thành phần phức tạp nên chuẩn bị dung dịch mẫu chuẩn thích hợp Trong trường hợp tốt dùng phương pháp thêm tiêu chuẩn để loại trừ ảnh hưởng thành phần mẫu (Matrix effect ) Nguyên tắc phương pháp người ta dùng mẫu phân tích làm để chuẩn bị dãy dung dịch mẫu đầu, cách lấy lượng dung dịch mẫu phân tích gia thêm vào lượng định nguyên tố cần phân tích theo bậc nồng độ Ví dụ lượng thêm vào ∆C1, ∆C2, ∆C3, ∆C4, có dãy mẫu chuẩn là: C0 = Cx C1 = Cx + ∆C1 C2 = Cx + ∆C2 C3 = Cx + ∆C3 C4 = Cx + ∆C4 Trong Cx nồng độ nguyên tố cần phân tích Tiếp chọn điều kiện thí nghiệm phù hợp vạch phổ của nguyên tố cần phân tích, tiến hành ghi cường độ hấp thụ vạch phổ dãy mẫu chuẩn, ví dụ ta giá trị: D0, D1, D2, D3 D4 Từ giá trị này, xây dựng đường chuẩn theo hệ tọa độ D - ∆C Đường chuẩn cắt trục tung D điểm có tọa độ ( D0; ), sau để xác định nồng độ Cx chưa biết, ta làm sau: - Cách 1: Kéo dài đường chuẩn phía trái, cắt trục hồnh điểm C0 , đoạn OC0 giá trị nồng độ Cx - Cách 2: Từ gốc tọa độ kẻ đường song song với đường chuẩn từ điểm D0 kẻ đường song song với trục hoành, hai đường cắt điểm M, 63 từ M hạ đường vng góc với trục hồnh, cắt trục hồnh điểm ∆C0 , đoạn O∆C0 giá trị nồng độ Cx phải tìm Phương pháp có ưu điểm chuẩn bị mẫu dễ dàng, khơng cần nhiều hóa chất tinh khiết cao để chuẩn bị dãy mẫu chuẩn nhân tạo Mặt khác lại loại trừ hoàn toàn ảnh hưởng thành phần mẫu cấu trúc vật lý chất tạo thành mẫu Tuy nhiên phải ý nồng độ thêm vào nguyên tố cần phân tích phải theo bậc khoảng cách bậc phải xấp xỉ nồng độ Cx phần nội suy tuyến tính xác Phương pháp sử dụng nhiều phân tích lượng vết lượng cực nhỏ nguyên tố kim loại loại mẫu, đặc biệt loại mẫu có thành phần phức tạp, mẫu quặng đa kim Đồng thời phương pháp để xác định độ phát phương pháp phân tích 3.4.5 Các phương pháp phân tích trực tiếp gián tiếp phép đo AAS Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS để xác định nguyên tố hay hợp chất, người ta tiến hành phân tích chất theo phổ hấp thụ nguyên tử nó, phân tích kim loại, hay thơng qua việc đo phổ hấp thụ nguyên tử chất khác, chất phân tích khơng có tính chất hấp thụ ngun tử, chất lại có tương tác định lượng mặt hóa học theo phản ứng hóa học định với kim loại có phổ hấp thụ nguyên tử nhạy Vì xuất hai loại phương pháp phân tích định lượng theo phổ hấp thụ nguyên tử AAS, là: - Các phương pháp phân tích trực tiếp, áp dụng để phân tích chất có phổ hấp thụ nguyên tử AAS - Các phương pháp phân tích gián tiếp, áp dụng để phân tích chất khơng có phổ hấp thụ ngun tử AAS 3.4.5.1 Các phương pháp phân tích trực tiếp Các phương pháp phân tích trực tiếp phù hợp cho việc xác định kim loại có vạch phổ hấp thụ nguyên tử Vì đối tượng phương pháp phân tích kim loại mẫu vô hữu cơ, mẫu vô quặng, đất , đá, hợp kim, xi măng, nước, không khí cịn mẫu hữu 64 thực phẩm, đường, sữa, đồ hộp, nước giải khát, mẫu sinh học máu, serum, nước tiểu, thực vật Nguyên tắc chung phương pháp phân tích trực tiếp bao gồm hai giai đoạn: - Giai đoạn 1: xử lý mẫu để đưa nguyên tố kim loại cần xác định có mẫu trạng thái dung dịch cation theo quy trình phù hợp để chuyển hoàn toàn nguyên tố kim loại cần xác định vào dung dịch đo phổ Giai đoạn quan trọng xử lý mẫu khơng tốt làm nguyên tố cần xác định hay làm nhiễm bẩn thêm vào Nói cách khác xử lý mẫu không nguồn sai số lớn cho kết phân tích phương pháp phân tích chọn phù hợp - Giai đoạn 2: tiến hành phân tích nguyên tố kim loại theo cách phù hợp đề cập 3.4.5.2 Các phương pháp phân tích gián tiếp Trong năm gần phương pháp phân tích gián tiếp sử dụng nhiều để phân tích chất khơng có phổ hấp thụ nguyên tử, ví dụ phân tích anion, nhóm phân tử, hợp chất hữu cơ, loại dược phẩm Nguyên tắc phương pháp phân tích gián tiếp nhờ phản ứng hóa học trung gian có tính chất định lượng chất cần phân tích với thuốc thử thích hợp điều kiện định Sau xem xét vài phương pháp gián tiếp nhờ phản ứng hóa học trung gian Phản ứng chất phân tích với ion kim loại tạo kết tủa: Nói chung chất tác dụng với ion kim loại tạo kết tủa tan, có tính chất định lượng tách khỏi dung dịch mẫu phản ứng dùng cho phép đo Theo nguyên tắc người ta xây dựng phương pháp phân tích ion như: Cl-, NH4+, SO42-, PO43-, C2O42- Ví dụ để xác định hàm lượng ion SO42- mẫu, người ta cho ion tác dụng với dung dịch BaCl2 hay Pb(NO3)2 có nồng độ xác định điều kiện phù hợp để tạo kết tủa BaSO4 hay PbSO4 , lọc tách kết tủa khỏi dung dịch Sau xác định Ba hay Pb theo hai cách, kết tủa sau hòa tan chúng, 65 xác định lượng Ba hay Pb dư dung dịch sau phản ứng hoàn toàn với lượng ion SO42- mẫu Và từ lượng Ba hay Pb tiêu tốn để kết tủa hoàn toàn ion SO42- dễ dàng tính hàm lượng ion SO42- mẫu phân tích Phản ứng chất phân tích với phức chất kim loại để tạo hợp chất phức bền chiết tách Sau tách lấy phức chất xác định hàm lượng kim loại phức chất từ tính hàm lượng chất cần phân tích Ví dụ để xác định hàm lượng axit phtalic người ta cho tác dụng với thuốc thử Cu(I)-neocupron để tạo phức chất Cu(I)neocupron phtalic Sau chiết lấy phức chất vào dung mơi hữu phù hợp xác định hàm lượng Cu phức này, từ tính hàm lượng axit phtalic mẫu phân tích Tương tự người ta xác định hàm lượng ion NO3- thuốc thử Cu(I)- neocupron Phản ứng chất phân tích tạo thành hợp chất dị đa axit Theo cách này, kim loại, ion hay hợp chất có khả tạo thành hợp chất axit dị đa xác định cách gián tiếp qua hợp chất dị đa Ví dụ để xác định P hay ion phơtphat PO43- xác định cách cho cho tác dụng với thuốc thử molypdat môi trường axit HNO3 để tạo hợp chất dị đa phôtphomolypdat kết tủa, tách lấy sản phẩm xác định Mo hợp chất dị đa theo vạch phổ hấp thụ ngun tử Mo - 313nm, từ tính lượng P hay ion phôtphat PO43- Muối asenat số hợp chất alcaloit xác định theo cách gián tiếp Phản ứng khử ion kim loại kim loại: Một số hợp chất hữu tác dụng với muối kim loại điều kiện xác định, khử ion kim loại trạng thái kim loại tự phản ứng có tính chất định lượng Ví dụ phản ứng chức andehyd với muối AgNO3 môi trường NH3 ( thuốc thử Tulene ) Tính chất áp dụng để phân tích hợp chất hữu có nhóm -CHO phép đo AAS sau: cho andehyd tác dụng với lượng dư AgNO3 để toàn lượng andehyd mẫu phản ứng với AgNO3 giải phóng Ag kim loại, tách Ag kim loại, hịa tan axit HNO3 xác định Ag 66 phép đo AAS theo vạch phổ Ag-328.1nm, từ tính hàm lượng andehyd mẫu phân tích Vì điều kiện này, nhóm -CHO giải phóng nguyên tử Ag kim loại Ngoài ra, để phân tích gián tiếp cịn có số phương pháp khác như: dựa vào khả làm tăng hay giảm cường độ hấp thụ vạch phổ nguyên tố tăng hay giảm tuyến tính giới hạn định nồng độ chất phân tích, ví dụ với dung dịch Mg 10μg/ml ion F- làm giảm cường độ hấp thụ vạch phổ Mg- 285.2nm với dung dịch Cr 1300μg/ml ion F- làm tăng cường độ hấp thụ vạch phổ Cr360.1nm 67 Chương PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ ( ATOMIC EMISION SPECTROMETRY - AES ) 4.1 Phân tích định tính phép đo AES 4.1.1 Nguyên tắc chung Như biết, cung cấp lượng để hóa hơi, ngun tử hóa mẫu kích thích đám ngun tử đến phát xạ thu phổ phát xạ nằm dải phổ quang học ( 190 - 1100nm ) mẫu phân tích, bao gồm ba thành phần: Phổ vạch nguyên tử ion Phổ đám phân tử nhóm phân tử Phổ liên tục Trong ba thành phần phổ vạch thành phần đặc trưng cho nguyên tử ion trạng thái tự bị kích thích, gọi vạch phổ phát xạ đặc trưng loại nguyên tố Ví dụ bị kích thích: - Nguyên tử Al phát vạch đặc trưng: 308.2nm; 309.3nm - Nguyên tử Cu phát vạch đặc trưng: 324.8nm; 327.4nm - Nguyên tử Mn phát vạch đặc trưng: 259.4nm; 269.6nm Như dựa vào vạch phổ đặc trưng nhận biết có mặt hay vắng mặt chúng mẫu phân tích, sở phép phân tích định tính trình phân tích quang phổ phát xạ định tính gồm giai đoạn sau: Cung cấp lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu tạo đám ngun tử tự kích thích đám phát phổ phát xạ chúng Thu chùm sáng phát xạ đó, phân li ghi phổ phát xạ mẫu phân tích Quan sát phổ thu mẫu phân tích theo vạch đặc trưng nguyên tố để phát chúng Các giai đoạn thực nhờ hệ thống máy quang phổ phát xạ, hệ thống gồm ba phần tương ứng với ba nhiệm vụ nêu trên, là: 68 Nguồn lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu kích thích đám phát phổ phát xạ Hệ thống quang học để thu, phân ly ghi phổ phát xạ mẫu Hệ thống thiết bị để thị kết xử lý số liệu Với nguyên tắc chung máy hãng sản xuất khác cách sử dụng, kỹ thuật đo…, đề cập cụ thể catolog kèm theo máy Sau xem xét số vấn đề quan trọng phương pháp 4.1.2 Vạch phổ đặc trưng nguyên tố Muốn xác nhận có mặt nguyên tố mẫu phân tích, người ta phải tìm số vạch đặc trưng ngun tố phổ mẫu phân tích để từ mà kết luận, vạch đặc trưng gọi vạch chứng minh nguyên tố Nói chung, để phát nguyên tố đạt kết xác chắn, người ta phải chọn hai vạch chứng minh quan sát phổ mẫu phân tích Các vạch phổ chọn phải thỏa mãn điều kiện sau đây: Những vạch phổ phải rõ ràng không trùng lẫn với vạch đặc trưng nguyên tố khác Các vạch phổ phải vạch phổ nhạy, để phát nguyên tố mẫu với nồng độ nhỏ ( phân tích lượng vết ) Khi chọn vạch chứng minh nguyên tố phải lưu ý nguồn lượng dùng để kích thích phổ mẫu phân tích Vì nguồn kích thích có lượng thấp phổ ngun tử chủ yếu vạch ngun tử, cịn nguồn kích thích có lượng lớn phổ ngun tử chủ yếu phổ ion Cho nên phải tùy thuộc vào nguồn lượng kích thích để chọn vạch chứng minh cho phù hợp Việc chọn vạch chứng minh nguyên tố phụ thuộc vào máy sử dụng, với máy khác nhau, vạch phổ đặc trưng có giá trị khác không lớn, điều phụ thuộc vào quy trình đo Nói chung với 69 máy quang phổ thường có Atlas phổ kèm theo dành cho người phân tích sử dụng Ngồi cần nhớ phổ phát xạ nguyên tố thường có nhiều vạch, có đến hàng ngàn vạch, vạch phân bố từ vùng sóng ngắn đến vùng sóng dài dải phổ quang học ( 190 - 1100nm ), nguyên tố có cấu tạo lớp vỏ điện tử phức tạp, số điện tử hóa trị nhiều phổ phát xạ nhiều vạch Vì phân tích mẫu đa kim loại, người phân tích phải cẩn thận chọn vạch chứng minh nguyên tố, tránh tượng vạch phổ trùng, vạch phổ chen lấn quấy rối, kể phổ đám phân tử nhóm phân tử Một vài kinh nghiệm thực tế để loại trừ yếu tố ảnh hưởng sau: - Dựa vào tính chất bay khác nguyên tố theo thời gian để chọn thời gian ghi phổ cho thích hợp, loại trừ quấy rối nguyên tố khác nguyên tố cần phân tích - Chọn điều kiện nguồn lượng kích thích phù hợp để tạo kích thích phổ có ưu tiên chọn lọc ngun tố cần phân tích - Chọn mơi trường kích thích phổ phù hợp Ví dụ khơng kích thích khơng khí mà kích thích chúng mơi trường khí trơ hay hỗn hợp khí trơ ôxy, loại trừ phổ đám phân tử nhóm phân tử Khí trơ hay sử dụng khí argon - Thêm vào mẫu chất phụ gia thích hợp để loại trừ hợp phần sinh phổ quấy rối, nhờ tạo bay chọn lọc, bay phân đoạn nguyên tố khác - Chọn máy quang phổ có độ tán sắc lớn vùng phổ phù hợp để thu, phân ly ghi phổ mẫu phân tích Nếu với cách mà chưa loại trừ ảnh hưởng phải dùng phương pháp tách chiết để loại các nguyên tố ảnh hưởng khỏi mẫu phân tích 4.1.3 Các phương pháp phân tích định tính 70 Mục đích phân tích quang phổ phát xạ định tính phát nguyên tố, chủ yếu kim loại mẫu phân tích Thực tế thường có hai trường hợp phân tích định tính xảy là: xác định nguyên tố mẫu phân tích ( cịn gọi phân tích phần ) phân tích tồn diện mẫu phân tích để xem mẫu phân tích chứa nguyên tố kim loại Dưới số phương pháp phân tích định tính dựa vào phổ phát xạ nguyên tử 4.1.3.1 Phương pháp quan sát trực tiếp ảnh Nguyên tắc phương pháp ảnh máy quang phổ (mặt phẳng tiêu) người ta đặt màng mờ, màng mờ có đánh dấu vị trí vạch đặc trưng số nguyên tố định Đồng thời bố trí hệ thống kính lúp phóng quan sát trực tiếp ảnh Như muốn định tính mẫu phân tích đó, ta thu phổ mẫu phân tích kích thích nguồn lượng phù hợp quan sát phổ trực tiếp ảnh máy nhờ hệ thống kính lúp phóng đại, dựa vào vạch đặc trưng đánh dấu màng mờ mà kết luận có hay khơng có mặt ngun tố mẫu phân tích Phương pháp nhanh, đơn giản giới hạn cho mẫu đơn giản số nguyên tố đánh dấu vị trí vạch đặc trưng màng mờ máy quang phổ Phương pháp chủ yếu phục vụ cho phân tích luyện kim, để kiểm tra nhanh vài nguyên tố cần thiết Mn, Cr, Si, C, Al… Và mà có số máy quang phổ chuyên dùng cho mục đích 4.1.3.2 Phương pháp so sánh phổ Đây phương pháp đơn giản, xác phục vụ cho mục đích phân tích phần Nguyên tắc phương pháp ghi phổ nguyên tố X nguyên chất ( chất chuẩn ) kề với phổ mẫu phân tích, tìm nhóm vạch đặc trưng nguyên tố X mẫu nguyên chất so sánh nhóm vạch phổ với phổ mẫu phân tích xem có nhóm vạch đặc trưng hay khơng Trên sở mà rút kết luận có mặt nguyên tố X mẫu phân tích 71 Phương pháp đơn giản với nguyên tố cần phân tích lại phải có chất chuẩn tinh khiết để làm phổ so sánh nên bị hạn chế, ứng dụng thực tế 4.1.3.3 Phương pháp phổ chuẩn Phổ chuẩn hay gọi atlas phổ, bảng vạch phổ Fe theo máy quang phổ định Atlas xem thang độ dài sóng phục vụ cho việc đánh dấu vị trí vạch phổ đặc trưng nguyên tố, cấu tạo gồm hai phần: phần dãy vạch phổ Fe vùng phổ định máy quang phổ; phần dưới, tức kề với phổ Fe vị trí vạch phổ đặc trưng nguyên tố khác thang số sóng Khi định tính mẫu ta cần ghi phổ Fe kề phổ mẫu phân tích kính ảnh; Sau nhờ máy chiếu phổ atlas ta nhận biết cách đem phổ Fe kính ảnh làm trùng với phổ Fe atlas Vì để phân tích định tính phải ghi phổ theo cặp, phổ Fe kề phổ mẫu phân tích Phương pháp phù hợp cho mục đích phân tích phần phân tích tồn diện, sử dụng rộng rãi Mỗi máy quang phổ AES phải có mộ atlas hồn chỉnh cho tất ngun tố, thơng thường hãng bán máy cung cấp bảng atlas cho máy họ 4.2 Phân tích định lượng phép đo AES 4.2.1 Nguyên tắc chung Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ định lượng dựa sở mối quan hệ nồng độ C nguyên tố cần xác định với cường độ Iλ vạch phổ phát xạ phát bị kích thích điều kiện thích hợp, mối quan hệ tuyến tính đơn trị theo biểu thức giống trình bày chương 3: Iλ = k.Cb (4.1) Với Cx < Co ln có b = Cx > Co b nhỏ 1, giá trị Co coi giới hạn vùng tuyến tính 72 Như vậy, dựa vào phương trình phân tích định lượng theo phương pháp đường chuẩn hay thêm tiêu chuẩn Tuy nhiên trước ( trước năm 1965 ), không xác định trực tiếp giá trị cường độ phát xạ Iλ vạch phổ, mà người ta phải chiếu chùm sáng phát xạ có cường độ Iλ lên kính ảnh, sau xác định cường độ hay độ đen chúng kính ảnh chỗ bị chùm sáng Iλ tác dụng lên Độ đen S tính theo cơng thức: S = a log Iλ (4.2) Cuối có mối liên hệ nồng độ nguyên tố cần xác định với cường độ vạch phổ phát xạ Tóm lại, q trình phân tích quang phổ phát xạ định lượng gồm giai đoạn sau: Cung cấp lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu tạo đám nguyên tử tự kích thích đám phát phổ phát xạ chúng Thu chùm sáng phát xạ đó, phân li chọn vạch phổ phát xạ nhạy nguyên tố hướng vào đetectơ để đo cường độ Dựa vào cường độ vạch phổ phát xạ nguyên tố để định lượng Các giai đoạn thực nhờ hệ thống máy quang phổ phát xạ nguyên tử, hệ thống gồm ba phần tương ứng với ba nhiệm vụ nêu trên, là: Nguồn lượng để hóa hơi, ngun tử hóa mẫu kích thích đám phát phổ phát xạ Hệ thống quang học để thu, phân ly chọn ghi vạch phổ phát xạ nguyên tố cần phân tích mẫu Hệ thống thiết bị để thị kết xử lý số liệu 4.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo AES Các yếu tố ảnh hưởng đến kết phân tích định lượng phép đo phổ AES đa dạng phức tạp, có xuất có khơng xuất hiện, tùy thuộc vào thành phần mẫu phân tích matrix ( chất ) mẫu, phụ 73 thuộc vào nguồn lượng dùng để kích thích phổ Người ta thường chia yếu tố ảnh hưởng thành nhóm sau: - Nhóm thông số hệ máy đo phổ, thông số cần khảo sát chọn phù hợp cho trường hợp cụ thể Q trình cịn gọi q trình tối ưu hóa thơng số máy quang phổ, thông số cần lựa chọn khe đo, điều kiện ghi phổ… - Nhóm kỹ thuật phương pháp xử lý mẫu để đo phổ - Nhóm điều kiện hóa hơi, ngun tử hóa mẫu kích thích phổ Các yếu tố ảnh hưởng thể phép đo AAS - Nhóm yếu tố phổ, yếu tố ảnh hưởng vật lý, yếu tố ảnh hưởng hóa học Các yếu tố ảnh hưởng thể phép đo AAS 4.2.3 Các phương pháp phân tích định lượng Các phương pháp để định lượng tương tự phép đo AAS, nhiên đại lượng đo mật độ quang D mà cường độ Iλ vạch phổ phát xạ độ đen S kính ảnh 74 ... trừ tách chúng khỏi dung dịch phân tích tìm cách che Việc tách ion lạ khỏi dung dịch phân tích nói chung khó thực nồng độ chúng dung dịch phân tích nhỏ thực tế phân tích người ta thường tìm cách... với đối tượng phân tích khác Do phải xác định khoảng tuyến tính cho phép phân tích cụ thể 2.2.4 Sự ổn định dung dịch Trong phương pháp đo quang, người ta thường đưa dung dịch phân tích dạng dung... máy phân tích AAS Chương PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỦ UV-VIS (Phương pháp trắc quang phân tử) Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử hay gọi phương pháp đo quang, phương pháp phân tích