chất đây chỉ là bưíc đầu tiên của quá trình xử lý mẫu. Vì sau khi nung, mẫu bã cịn lại phải được hồ tan (xử lý tiếp) bằng dung dịch muối hay dung dịch axit phù hợp, thì mới chuyển được các chất cần phân tích trong tro mẫu vào dạng dung dịch, để sau đĩ xác định nĩ theo một phương pháp đã chọn. Khi nung các chất hữu cơ của mẫu sẽ bị đốt cháy thành CO
2 và nước.
1.3.2.2. Các ƣu nhƣợc điểm và phạm vi sử dụng
♦ Các ưu và nhược điểm chính của kỹ thuật xử lý mẫu này là: + Thao tác và cách làm đơn giản,
+ Xử lý được triệt để, nhất là các mẫu nền hữu cơ.
+ Đốt cháy hết các chất hữu cơ, vì thế làm dung dịch mẫu thu được sạch, + Nhưng cĩ nhược điểm là cĩ thể mất một số chất dễ bay hơi, ví dụ như Cd, Pb, Zn, Sn, Sb, v.v. nếu khơng cĩ chất phụ gia và chất bảo vệ.
1.3.3. Phƣơng pháp xử lí khơ ƣớt kết hợp. 1.3.3.1. Nguyên tắc chung
Nguyên tắc của kỹ thuật này là mẫu được phân huỷ trong chén hay cốc nung. Trước tiên người ta thực hiện xử lý ướt sơ bộ bằng một lượng nhỏ axit, và chất phụ gia, để phá vỡ sơ bộ cấu trúc ban đầu của các hợp chất mẫu và tạo điều kiện giữ một số nguyên tố cĩ thể bay hơi khi nung. Sau đĩ míi nung ở nhiệt độ thích hợp. Vì thế lượng axit dùng để xử lý thường chỉ bằng 1/4 hay 1/5 lượng cần dùng cho xử lý ướt. Sau đĩ nung sẽ nhanh hơn và quá trình xử lý sẽ triệt để hơn xử lý ướt, đồng thời lại hạn chế được sự mất của một số kim loại khi nung. Do đĩ đã tận dụng được ưu điểm của cả hai kỹ thuật xử lý ướt và xử lý khơ, nhất là giảm bít được các hố chất (axit hay kiềm tinh khiết cao) khi xử lý ướt, sau đĩ hồ tan tro mẫu sẽ thu được dung dịch mẫu trong, vì khơng cịn chất hữu cơ và sạch hơn tro hố ướt bình thường.
Các quá trình vật lý và hố học xẩy ra khi xử lí là tương tự như trong xử lí ướt và khơ đã nêu ở trên, song ở đây là sự kết hợp cả hai kế tiếp nhau. Trong đĩ xử lý ướt ban đầu là để bảo vệ một số nguyên tố cho xử lí khơ tiếp theo khơng bị mất. Cách này thích hợp cho các mẫu cĩ nền (matrix) là chất hữu cơ, như rau quả, thực phẩm,.., xử lí để xác định các kim loại và một số phi kim. Những phịng thí nghiệm khơng cĩ thiết bị lị vi sĩng, thì đây là một cách tốt cho việc xử lý mẫu xác định các kim loại nặng trong các đối tượng mẫu sinh học, mẫu mơi trường và quặng đất đá.
1.3.3.2. Các ƣu nhƣợc điểm và phạm vi ứng dụng
Các ưu và nhược điểm của kỹ thuật này là tận dụng được các ưu điểm của kỹ thuật xử lý ướt và cả xử lý khơ, cụ thể là:
+ Sự tro hố triệt để, sau khi hồ tan tro cịn lại cĩ dung dịch mẫu trong, + Khơng phải dùng nhiều axit tinh khiết cao tốn kém,
+ Thời gian xử lý nhanh hơn tro hố ướt,
+ Khơng phải đuổi axit dư lâu, nên hạn chế được sự nhiễm bẩn, + Phù hợp cho nhiều loại mẫu khác nhau để xác định kim loại, v.v.
Cách này được ứng dụng chủ yếu để xử lý mẫu cho phân tích các nguyên
tố kim loại và một số aniơn vơ cơ, như Cl1-. Br1-, SO
4 2- , PO 4 3- ,..trong các loại
mẫu sinh học, mẫu mơi trường, mẫu hữu cơ và vơ cơ. Khơng dùng được cho xử lý mẫu để xác định các chất hữu cơ. Trong các phịng thí nghiệm bình thường, khơng cĩ trang bị lị vi sĩng, thì cách xử lý này vẫn là một phương pháp thích hợp, đơn giản, mà vẫn đảm bảo cĩ được kết quả tốt.
1.4. Các phƣơng pháp xác định kim loại. [9][11]
Hiện nay cĩ nhiều phương pháp khác nhau để xác định các khống chất, kim loại như phương pháp phân tích khối lượng, phân tích thể tích, phân tích điện hĩa, phân tích phổ phân tử UV-VIS, phổ phát xạ nguyên tử (AES), phổ hấp thụ nguyên tử (AAS).
1.4.1. Phƣơng pháp phân tích hĩa học :[10]
1.4.1.1. Phương pháp phân tích khối lượng :
Nguyên tắc : Đây là phương pháp dựa trên sự kết tủa chất cần phân tích với thuốc thử phù hợp, sau đĩ lọc, rửa, sấy hoặc nung rồi cân chính xác sản phẩm thu được trên cân phân tích, từ đĩ xác định được hàm lượng chất phân tích.
Phương pháp này đơn giản, khơng địi hỏi máy mĩc hiện đại, đắt tiền. Tuy nhiên, phương pháp này cho độ chính xác giới hạn, tốn nhiều thời gian, thao tác phức tạp.
1.4.1.2. Phương pháp phân tích thể tích
Nguyên tắc : Dựa trên sự đo thể tích thuốc thử đã biết nồng độ chính xác (dung dịch) chuẩn được thêm vào dung dịch chất phân tích đủ tác dụng hết lượng chất phân tích đĩ. Tùy thuộc vào loại phản ứng chính được dùng
mà người ta chia phương pháp phân tích thể tích thành nhĩm các phương pháp : phương pháp trung hịa, phương pháp oxi hĩa khử, phương pháp kết tủa và phương pháp complexon.
1.4.2. Phƣơng pháp phân tích cơng cụ :[2][6][19][21][26] 1.4.2.1. Phƣơng pháp điện hĩa : 1.4.2.1. Phƣơng pháp điện hĩa :
a. Phƣơng pháp cực phổ
● Nguyên tắc: Người ta thay đổi liên tục và tuyến tính điện áp đặt vào 2 cực để khử các ion kim loại, do mỗi kim loại cĩ thế khử khác nhau. Thơng qua chiều cao của đường cong Von – Ampe cĩ thể định lượng được ion kim loại trong dùng dịch ghi cực phổ. Vì dịng giới hạn Igh ở các điều kiện xác định tỉ lệ thuận với nồng độ ion trong dung dịch ghi cực phổ theo phương trình: I=K.C
● Ưu điểm: Phương pháp này cho phép xác định chất vơ cơ, chất hữu cơ với nồng độ 10-5 : 10-6M tùy thuộc vào cường độ và độ lập lại của dịng dư. Sai số của phương pháp thưởng la 2 : 3% với nịng độ 10-3 : 10-4M, là 5% với nồng độ 10-5M ( ở điều kiện nhiệt độ khơng đổi ).
● Nhược điểm: Phương pháp này cĩ những hạn chế như ảnh hưởng của dịng tụ điện , dịng cực đại, của oxi hịa tan, vê mặc điện cực … Nhằm loại trừ ảnh hưởng trên đồng thời tăng độ nhạy, hiện nay đã cĩ các phương pháp cực phổ hiện đại: cực phổ xung vi phân , cực phổ sĩng vuơng …chúng cho phép xác định lượng vết của nhiều nguyên tố . b. Phƣơng pháp Von-Ampe hịa tan
Về bản chất , phương pháp Von-Ampe hịa tan cũng giồng như phương pháp cực phổ là dựa trên việc đo cường độ dong để xác định nồng độ các chất trong dung dich .
● Nguyên tắc: Gồm 2 bước
Bước 1 : Điện phân lam giàu chất cần phan tích trên bề mặt điện cực làm việc , trong khoảng thời gian xác định , tai thế điện cực xác định.
Bước 2: Hịa tan kết tủa đã dc làm giàu bằng cách phân cực ngược điện cực làm việc , đo và ghi dịng hồ tan . Trên đưởng Von-Ampe hịa tan cho pic của nguyên tố cần phân tích . chiều cao pic tỉ lệ thuận với nồng độ . ● Ưu điểm : xác định những chất k bị khử trên điện cực vs độ nhạy khá cao 10-6 10-8 M.
● Nhược điểm: Độ nhạy hạn chế bởi dịng dư , nhiều yếu tố ảnh hưởng như: điện cực chỉ thị , chất nền…
1.4.2.2. Các phƣơng pháp phân tích quang phổ : [2][3][6][11][20[21][26]
Các phương pháp phân tích ngành quang học bao gồm các phương pháp quang phân tử (MS) và quang nguyên tử (AS).
Trong phương pháp đo phân tử hiện nay đang nghiên cứu nhiều về chiết trắc quang phức chelat đaligan, phương pháp cho độ nhạy (độ chọn lọc, độ chính xác) cao đáp ứng yêu cầu hàm lượng vết các kim loại.
Trong phương pháp đo quang phổ nguyên tử bao gồm các phương pháp hấp thụ nguyên tử (AAS), phát xạ nguyên tử (AES) và phương pháp huỳnh quang nguyên tử (AFS).
Trong các phương pháp đo phổ trên thì phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS cĩ nhiều ưu điểm khi phân tích hàm lượng vết kim loại. Người ta coi đây là phương pháp chuẩn phân tích vết các kim loại trong các đối tượng phân tích khác nhau.
Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử:
Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử là phương pháp sử dụng sự hấp thụ ánh sáng của đám hơi nguyên tử ở một bước sĩng nhất định để phân tích định tính và định lượng kim loại cĩ trong các mẫu rắn hoặc lỏng.
Ở nhiệt độ cao, các chất khống bị hố hơi và nguyên tử hố sẽ cĩ khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ đặc trưng, khi đĩ, từ trạng thái cơ bản chúng sẽ chuyển lên trạng thái kích thích ở trạng thái hơi. Đĩ là tính chất đặc trưng của nguyên tử các nguyên tố. Quá trình đĩ được gọi là quá trình hấp thụ năng
lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của nguyên tố đĩ. Các nguyên tử cĩ khả năng hấp thụ bức xạ nào thì cũng cĩ khả năng phát xạ bức xạ ấy. Vì vậy, mỗi nguyên tố hố học ở trạng thái hơi hoặc khí khi nĩng sáng dưới áp suất thấp cho một vạch quang phổ đặc trưng của nguyên tố đĩ.
a) Sự xuất hiện phổ hấp thụ nguyên tử:
Trong điều kiện bình thường nguyên tử khơng thu và cũng khơng phát ra năng lượng dưới dạng các bức xạ. Lúc này nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản. Đĩ là trạng thái bền vững và nghèo năng lượng nhất của nguyên tử. Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, nếu ta chiếu một chùm tia sáng cĩ những bước sĩng (tần số) xác định vào đám hơi nguyên tử đĩ, thì các nguyên tử tự do đĩ sẽ hấp thu các bức xạ cĩ bước sĩng nhất định ứng đúng với những tia bức xạ mà nĩ cĩ thể phát ra được trong quá trình phát xạ của nĩ. Lúc này nguyên tử đã nhận năng lượng của các tia bức xạ chiếu vào nĩ và nĩ chuyển lên trạng thái kích thích cĩ năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. Đĩ là tính chất đặc trưng của nguyên tử ở trạng thái hơi. Quá trình đĩ được gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ nguyên tử của nguyên tố đĩ. 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 cĩ: h E E E m 0 (1.1) hay là. hc E (1.2)
Trong đĩ: Eo : là năng lượng của nguyên tử ở trạng thái cơ bản Em : Năng lượng của nguyên tử ở trạng thái kích thích m.
h : là hằng số Plank;
c : là tốc độ của ánh sáng trong chân khơng; λ : là độ dài sĩng của vạch phổ hấp thụ.
Như vậy, ứng với mỗi giá trị năng lượng ∆E; mà nguyên tử đã hấp thụ ta sẽ cĩ một vạch phổ hấp thụ với độ dài sĩng đi đặc trưng cho quá trình đĩ, nghĩa là phổ hấp thụ của nguyên tử cũng là phổ vạch.
Nhưng nguyên tử khơng hấp thụ tất cả các bức xạ mà nĩ cĩ thể phát ra được trong quá trình phát xạ. Quá trình hấp thụ chỉ xảy ra đối với các vạch phổ nhạy, các vạch phổ đặc trưng và các vạch cuối cùng của các nguyên tố. Cho nên đối với các vạch phổ đĩ quá trình hấp thu và phát xạ là hai quá trình ngược nhau . Theo phương trình (1.1), nếu giá trị năng lượng ∆E là dương ta cĩ quá trình phát xạ; ngược lại khi giá trị ∆E là âm ta cĩ quá trình hấp thụ. Chính vì thế, tùy theo từng điều kiện cụ thể của nguồn năng lượng dùng để nguyên tử hĩa mẫu và kích thích nguyên tử mà quá trình nào xảy ra là chính, nghĩa là nếu kích thích nguyên tử:
Bằng năng lượng Cm ta cĩ phổ phát xạ nguyên tử,
Bằng chùm tia đơn sắc ta cĩ phổ hấp thụ nguyên tử.
Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử đám hơi nguyên tử của mẫu trong ngọn lửa hay trong cuvet graphite là mơi trường hấp thụ bức xạ (hấp thụ năng lượng của tia bức xạ) Phần tử hấp thu năng lượng của tia bức xạ hv là các nguyên tử tự do trong đám hơi đĩ. Do đĩ, muốn cĩ phổ hấp thụ nguyên tử trước hết phải tạo ra được đám hơi nguyên tử tự do, và sau đĩ chiếu vào nĩ một chùm tia sáng cĩ những bước sĩng nhất định ứng đúng với các tia phát xạ nhạy của nguyên tố cần nghiên cứu. Khi đĩ các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ năng lượng của chùm tia đĩ và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của nĩ.
Trong nguyên tử, sự chuyển mức của điện tử từ mức năng lượng En
khơng phải chỉ về mức E0, mà cĩ rất nhiều sự chuyển mức từ En về các mức khác E01, E02, E03… cùng với mức E0. Nghĩa là cĩ rất nhiều sự chuyển mức của điện tử đã được lượng tử hĩa, và ứng với mỗi bước chuyển mức đĩ ta cĩ 1 tia bức xạ, tức là một vạch phổ. Chính vì thế mà một nguyên tố khi bị kích thích thường cĩ thể phát ra rất nhiều vạch phổ phát xạ. Nguyên tố nào cĩ
nhiều điện tử và cĩ cấu tạo phức tạp của các lớp điện tử hĩa trị thì càng cĩ nhiều vạch phổ phát xạ.
b) Nguyên tắc và trang bị của phép đo:
● Nguyên tắc:
Phương pháp phân tích dựa trên cơ sở đo phổ hấp thụ hay phát xạ nguyên tử của một nguyên tố được gọi là phép đo phổ hấp thụ – phát xạ nguyên tử. Cơ sở lí thuyết của phép đo này là sự hấp thu năng lượng (bức xạ đơn sắc) của nguyên tử tự do ở trong trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi của nguyên tố ấy trong mơi trường hấp thụ. Vì thế muốn thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố cần thực hiện các quá trình sau đây:
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. Đĩ là quá trình hĩa hơi và nguyên tử hĩa mẫu. Những trang bị để thực hiện quá trình này được gọi là hệ thống nguyên tử hĩa mẫu (dụng cụ để nguyên tử hĩa mẫu). Nhờ đĩ chúng ta cĩ được đám hơi của các nguyên tử tự do của các nguyên tố trong mẫu phân tích. Đám hơi chính là mơi trường hấp thụ bức xạ và sinh ra phổ hấp thụ nguyên tử.
Chiếu chùm tia sáng bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử vừa điều chế được ở trên. Các nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong đám hơi đĩ sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nĩ. Ở đây, phần cường độ của chùm tia sáng đã bị một loại nguyên tử hấp thụ là phụ thuộc vào nồng độ của nĩ ở mơi trường hấp thụ. Nguồn cung cấp chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần nghiên cứu gọi là nguồn phát bức xạ đơn sắc hay bức xạ cộng hưởng.
Tiếp đĩ, nhờ một hệ thống máy quang phổ người ta thu tồn bộ chùm sáng, phân li và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ của nĩ. Cường độ đĩ chính là tín hiệu hấp thụ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ C, giá trị cường độ
này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích theo phương trình .
= K.Cb (1.3) Trong đĩ : : cường độ hấp thụ.
K: Hằng số thực nghiệm
C : nồng độ nguyên tố trong mẫu.
b : Hằng số bản chất, phụ thuộc vào nồng độ (0 < b 1)
Phương trình (1.3) là cơ sở định lượng cho phép đo AAS tùy thuộc vào