Để thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử trước hết phải có nguồn phát ra tia bức xạ đơn sắc của nguyên tố cần phân tích để chiếu vào môi trường hấp thụ. Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc phải thỏa mãn những yêu cầu sau đây:
- Phải tạo được tia phát xạ nhạy ( các vạch phát xạ nhạy, đặc trưng ) của nguyên tố cần phân tích. Chùm tia này phải có cường độ ổn định và có thể điều chỉnh được.
- Phải tạo được chùm tia phát xạ thuần khiết chỉ bao gồm một số vạch nhạy, đặc trưng của nguyên tố cần phân tích còn phổ nền không đáng kể.
- Chùm tia phát xạ đơn sắc phải có cường độ cao, bền vững theo thời gian và không bị các yếu tố vật lý nhiễu loạn để hạn chế sự ảnh hưởng về vật lí và về phổ trong phép đo.
Các máy AAS hiện nay dùng chủ yếu ba loại nguồn, đó là: Đèn catốt rỗng; Đèn phóng điện không điện cực; Đèn phát phổ liên tục đã được biến điệu. Dưới đây là những giới thiệu sơ bộ về các loại đèn này.
Đây là nguồn phát tia bức xạ đơn sắc được dùng sớm nhất và phổ biến nhất trong phép đo phổ AAS. Đèn này chỉ phát ra tia phát xạ nhạy của nguyên tố kim loại làm catốt. Cấu tạo của đèn như trong hình 3.4, bao gồm ba phần chính là: Thân và vỏ đèn; Điện cực; Khí trong đèn và nguồn nuôi đèn.
Hình 3.4.Cấu tạo của đèn catốt rỗng HCL
Thân đèn gồm có vỏ đèn, cửa sổ và bệ đỡ các điện cực anốt và catốt. Thân và vỏ đèn bằng thủy tinh hay thạch anh. Cửa sổ S cũng bằng thủy tinh hay thạch anh trong suốt trong vùng UV hay VIS là tùy thuộc vào loại đèn của từng nguyên tố phát ra chùm tia phát xạ nằm trong vùng phổ nào.
Điện cực của đèn là catốt và anốt. Anốt được chế tạo bằng kim loại trơ và bền nhiệt như W hay Pt; Catốt được chế tạo bằng chính kim loại cần phân tích với độ tinh khiết cao 99,9% có dạng hình ống rỗng. Anốt là một vòng bao quanh catốt, cả hai điện cực được gắn chặt trên bệ đỡ và catốt phải nằm đúng trục xuyên tâm của đèn. Hai đầu của hai điện cực gắn chặt trên đế đèn, để cắm vào nguồn điện nuôi cho đèn làm việc. Đèn được đốt nóng đỏ nhờ một nguồn điện một chiều ổn định, thế làm việc của đèn HCL thường khoảng 250 ÷ 220V tùy thuộc vào từng loại đèn của từng hãng và từng nguyên tố kim loại làm catốt. Cường độ làm việc của đèn HCL thường khoảng 3 ÷ 50mA và cũng tùy thuộc vào từng loại đèn. Thế và cường độ dòng điện làm việc của đèn có liên quan chặt chẽ đến công để tách kim loại ra khỏi bề mặt catốt để tạo ra hơi kim loại sinh ra chùm tia phát xạ của đèn. Mỗi đèn HCL thường có một giá trị cường độ cực đại ghi trên vỏ đèn, khi sử dụng không bao giờ được phép dùng đến dòng điên cực đại đó, thích hợp nhất là trong khoảng 65 ÷ 85% giá trị cực đại.
Khí trong đèn là khí trơ với áp suất khoảng 5 ÷ 15mHg, là khí Ar, He hay N2 có độ tinh khiết đến 99.99%, phải đảm bảo không phát ra phổ làm ảnh hưởng đến chùm tia phát xạ của đèn và khi đèn làm việc trong một điều kiện nhất định thì tỉ số giữa các nguyên tử bị ion hóa và các nguyên tử trung hòa phải không đổi.
Cơ chế làm việc của đèn như sau: nhờ nguồn điện, catốt được nung đỏ, giữa catốt và anốt xảy ra sự phóng điện liên tục, nhờ đó một số phân tử khí bị ion hóa, các ion mới sinh này sẽ tấn công bề mặt catốt đang nóng đỏ làm cho một số nguyên tử của kim loại trên bề mặt catốt bị hóa hơi và trở thành những nguyên tử tự do, dưới tác dụng của nhiệt độ trong đèn đang được đốt nóng, các nguyên tử tự do này bị kích thích và phát ra phổ phát xạ của nó. Đó chính là phổ vạch của kim loại làm catốt, và trong điều kiện môi trường khí trơ có áp suất rất thấp, phổ phát xạ chỉ bao gồm các vạch nhạy của kim loại đó mà thôi. Chùm tia phát xạ này là nguồn đơn sắc để chiếu vào môi trường hấp thụ để thực hiện phép đo AAS.
Các đèn HCL có cấu tạo như đã mô tả ở trên là các đèn đơn, mỗi đèn chỉ phục vụ cho phân tích một nguyên tố. Hiện nay các hãng đã chế tạo được các đèn kép đôi (Ca + Mg; Cu + Mn; K + Na …) , kép ba (Cu + Pb + Zn) hay kép sáu nguyên tố (Cu + Mn + Cr + Fe + Co + Ni), khi này catốt của đèn phải là hợp kim của các nguyên tố đó và thành phần phải phù hợp sao cho cường độ phát xạ của các nguyên tố là gần tương đương như nhau, không ảnh hưởng lẫn nhau. Các đèn kép thường có độ nhạy kém hơn các đèn đơn tương ứng và chế tạo cũng khó hơn đèn đơn nên đến nay cũng chỉ có một số loại mà thôi.
• Đèn phóng điện không điện cực EDL (Electrodeless Discharge Lamp)
Đèn EDL là ống phóng điện trong môi trường khí hiếm có chứa nguyên tố cần phân tích với nồng độ nhất định phù hợp để tạo ra chùm tia phát xạ chỉ bao gồm một số vạch phổ nhạy, đặc trưng của nguyên tố phân tích. Cấu tạo của đèn gồm các bộ phận sau:
- Thân đèn là ống thạch anh chịu nhiệt, dài 15 ÷ 18cm, đường kính 5 ÷ 6cm. Một đầu của đèn cũng có cửa sổ S cho chùm tia phát xạ đi qua. Ngoài ống
thạch anh là cuộn cảm bằng đồng có công suất từ 400 ÷ 800W tùy loại đèn của từng nguyên tố và được nối với nguồn năng lượng cao tần phù hợp để nuôi cho đèn làm việc.
- Chất trong đèn là vài miligam kim loại hay muối kim loại dễ bay hơi của nguyên tố phân tích, để làm sao khi toàn bộ chất hóa hơi bảo đảm cho áp suất hơi của kim loại đó trong đèn ở nhiệt độ 550 ÷ 800oC là khoảng 1 ÷ 1.5mHg. Chất này thay cho catốt trong đèn HCL, nó chính là nguồn cung cấp chùm tia phát xạ của nguyên tố phân tích, khi chúng bị kích thích, khi đèn làm việc.
- Trong đèn EDL cũng phải hút hết không khí và nạp thay vào đó là một khí trơ Ar, He hay N2 có áp suất vài mHg để khởi đầu cho sự làm việc của đèn.
- Nguồn năng lượng cao tần để nuôi đèn được chế tạo theo hai tần số: tần số sóng ngắn 450MHz và tần số sóng radiô 27.12MHz có công suất dưới 1kW nên có hai loại đèn tương ứng ở hai tần số trên.
Cơ chế làm việc của đèn như sau: khi đèn làm việc, dưới tác dụng của năng lượng cao tần cảm ứng, đèn được nung nóng đỏ, kim loại hay muối kim loại trong đèn được hóa hơi và bị nguyên tử hóa, các nguyên tử tự do được sinh ra đó sẽ bị kích thích và phát ra phổ phát xạ của nó. Đó chính là vạch phát xạ nhạy, đặc trưng của kim loại chứa trong đèn.
So với đèn HCL, đèn EDL cho độ nhạy cao hơn, ổn định hơn. Đèn EDL của các á kim hay bán á kim thường có độ bền cao hơn và vùng tuyến tính của phép đo cho một nguyên tố cũng rộng hơn so với đèn HCL. Tuy nhiên số đèn EDL được sản xuất ít hơn, khoảng hơn 30 đèn và giá thành lại cao hơn.
• Đèn phổ liên tục có biến điệu
Trong các máy AAS, hiện nay có xu hướng sử dụng nguồn phát bức xạ liên tục nhưng nhờ hệ thống quang học ( biến điệu và lọc giao thoa ) để tạo chùm bức xạ đơn sắc. Đó là các đèn Dơteri D2-Lamp; đèn wonfram W-Lamp, phát phổ liên tục trong vùng tử ngoại và vùng khả kiến UV-VIS.
Cơ chế làm việc của đèn như sau: chùm sáng khi đi qua hệ thống biến điệu và bộ lọc giao thao sẽ bị biến điệu theo những độ dài sóng nhất định dao động với biên độ như nhau, sau đó được chiếu vào môi trường hấp thụ là ngọn
lửa hay cuvet graphit. Các nguyên tử tự do trong môi trường hấp thụ sẽ hấp thụ một phần năng lượng của chùm sáng ứng với một dải biến điệu của vùng phổ, phần còn lại sẽ đi vào bộ đơn sắc và đetectơ để phát hiện và đo cường độ sau khi qua bộ khuyếch đại băng sóng theo dải phổ của đèn để nắn lại tần số.
Nguồn phát phổ liên tục có ưu điểm là dễ chế tạo, rẻ tiền và có độ bền tương đối cao. Chỉ cần một đèn đã có thể thực hiện phép đo AAS đối với nhiều nguyên tố trong vùng phổ UV-VIS nên rất ưu việt đối với các máy phổ hấp thụ nhiều kênh và xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong cùng một mẫu phân tích mà không phải thay đèn. Về độ đơn sắc và độ nhạy thì nguồn phát phổ liên tục kém hơn các đèn HCL hay EDL, tuy nhiên hiện nay loại nguồn này được phát triển, cải tiến và sử dụng rất nhiều trong các máy AAS.
