Hệ thống này tạo ra nhiệt độ thích hợp và ổn định để nguyên tử hóa nguyên tố thành trạng thái hơi rời rạc. Có hai loại kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu là kỹ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa đèn khí Flame-AAS và kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa.
1.4.3.1. Kỹ thuật nguyên tử hóa ngọn lửa đèn khí Flame-AAS
Là quá trình nguyên tử hóa nhờ nguồn nhiệt của ngọn lửa đèn khí mà phổ biến nhất là ngọn lửa C2H2/không khí. Kỹ thuật Flame-AAS cho phép xác định nhanh, đúng chính xác các kim loại ở mức ppm.
Nếu nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa đèn khí thì ngọn lửa đèn khí cần thỏa mãn một số yêu cầu nhất định sau đây:
+ Ngọn lửa đèn khí phải làm nóng đầu được mẫu phân tích
+ Năng lượng của ngọn lửa phải đủ lớn và có thể điều chỉnh được theo từng mục đích phân tích nguyên tố. Đồng thời lại phải ổn định theo thời gian và có thể lặp lại được trong các lần phân tích khác nhau để đảm bảo cho phép phân tích đạt kết quả đúng đắn.
+ Tiêu tốn ít mẫu phân tích
Để tạo ra ngọn lửa với những yêu cầu trên đó là ngọn lửa của đèn khí được đốt bằng hốn hợp khí: (axetylen và không khí nén) hay ngọn lửa đèn khí (N2O và axetylen) hay (hydro và axetylen). Kỹ thuật này ra đời đầu tiên cũng với sự ra đời của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử nhưng kỹ thuật này có độ nhạy không cao, thường trong vùng 0,05-1ppm.
+ Ngọn lửa phải thuần khiết, nghĩa là không sinh ra các vạch phổ phụ làm khó khăn cho phép đo hay tạo ra phổ nền quá lớn quấy rối phép đo. Quá trình ion hóa và phát xạ phải không đáng kể vì quá trình này làm mất các nguyên tử tự do.
+ Ngọn lửa phải có bề dày đủ lớn để có được lớp hấp thụ đủ dày làm tăng độ nhạy của phép đo. Đồng thời bề dày của lớp hấp thụ lại có thể thay đổi được khi cần thiết để đo ở nồng độ lớn. Trong các máy hiện này bề dày này có thể thay đổi được từ 2cm đến 10cm.
Bảng 1.3: Quan hệ giữa nhiệt độ và loại khí đốt
Khí oxi hóa Khí nhiên liệu Tỷ lệ l/phút Nhiệt độ 0C
Không khí Propan 6/1,4 2200 Không khí Axetylen 4,2/1,2 2450 Không khí Hydro 4/3 2050 Oxy Axetylen 1/1 3000 N2O Axetylen 2/1,8 2900 Bảng 1.4: Thành phần khí và nhiệt độ ngọn lửa
Khí oxi hóa Khí nhiên liệu Tỷ lệ Nhiệt độ 0C
Không khí Axetylen 4,2/0,7 1800 Không khí Axetylen 4,2/0,9 2000 Không khí Axetylen 4,2/1,1 2300 Không khí Axetylen 4,2/1,2 2450 Không khí Axetylen 4,2/1,5 2400 Không khí Axetylen 4,2/1,6 2300
Đặc điểm kỹ thuật của ngọn lửa đèn khí: Nhiệt độ là một thông số đặc trưng cho ngọn lửa đèn khí. Nhiệt độ của một loại đèn khí phụ thuộc rất nhiều vào bản chất thành phần của chất khí được đốt cháy để tạo ra ngọn lửa. Nghĩa là ứng với một hỗn hợp khí cháy ngọn lửa sẽ có một nhiệt độ xác định và khi thành phần khí thay đổi thì nhiệt độ của ngọn lửa cũng bị thay đổi. Ngoài yếu tố trên tốc độ dẫn của hỗn hợp khí vào đèn để đốt cháy cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ của ngọn lửa và qua đó mà ảnh hưởng đến cường độ vạch phổ hấp thụ.
Xét về cấu tạo ngọn lửa đèn gồm 3 phần chính:
- Phần tối của ngọn lửa: Phần này hỗ hợp khí được trộn đều và đốt nóng cùng với các hạt sol khí (thể aerosol) của mẫu phân tích. Phần này có nhiệt độ thấp (700-1200 0C). Dung môi hòa tan mẫu sẽ được bay hơi trong phần này và mẫu được sấy nóng.
- Phần trung tâm ngọn lửa: Phần này có nhiệt độ cao thường không có màu hoặc có màu xanh nhạt. Trong phần này hỗn hợp khí được đốt cháy tốt
nhất và không có phản ứng thứ cấp. Vì thế trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử người ta phải đưa mẫu vào phần này để nguyên tử hóa và thực hiện phép đo.
- Phần vỏ và đuôi ngọn lửa: Vùng này có nhiệt độ thấp, ngọn lửa có màu vàng và thường xảy ra các phản ứng thứ cấp không có lợi cho phép phân tích quang phổ hấp thụ.
Chính vì lý do trên mà ở mỗi phép phân tích cần phải khảo sát và chọn điều kiện phù hợp như thành phần, tốc độ dẫn khí cháy để tạo ra ngọn lửa.
1.4.3.2. Kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa ETA-AAS
Phương pháp hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa ra đời sau hấp thụ nguyên tử bằng ngọn lửa, nó đã nâng cao độ nhạy lên gấp hàng trăm đến hàng nghìn lần hấp thụ ngọn lửa tuy nhiên đối với phương pháp hấp thụ không ngọn lửa độ ổn định kém hơn và ảnh hưởng của phổ nền thường lớn.
Kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa gồm hai loại chính là lò graphite và hydrua. Kỹ thuật lò graphite cho phép xác định nhanh, đúng, chính xác ở mức ppb. Kỹ thuật hydrua cho phép xác định một số nguyên tố có khả năng tạo khí hydrua, dễ dàng nguyên tử hóa ở nhiệt độ thấp, phép xác định nhanh, đúng chính xác ở mức ppb.
1/ Kỹ thuật lò graphite (GF-AAS)
Nguyên tắc của kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa là dùng năng lượng của dòng điện công suất lớn hay năng lượng của dòng cao tần cảm ứng để nguyên tử hóa gần như tức khắc mẫu chứa chất phân tích trong cuvet graphite và trong môi trường khí trơ Ar để tạo ra các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi có khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc tạo ra phổ nguyên tử của nó.
Mẫu chứa nguyên tố cần xác định được đưa vào lò graphite bằng bộ hút mẫu tự động hoặc bằng tay với thể tích rất nhỏ từ 20μl - 50μl. Quá trình phân tích nguyên tố trong lò graphite bằng phương pháp này xảy ra theo 4 giai đoạn kế tiếp nhau trong thời gian tổng số từ 60-80 giây. Các giai đoạn đó là:
Sấy khô mẫu: Làm cho dung môi hòa tan mẫu bay hơi nhẹ nhàng và hoàn toàn nhưng không làm bắn mẫu mất mẫu.
Tro hóa mẫu: Nhằm mục đích đốt cháy các hợp chất hữu cơ và mùn có trong mẫu sau khi sấy khô. Mỗi nguyên tố đều có một nhiệt độ tro hóa mẫu cho nó trong phép đo GF-AAS. Nhiệt độ tro hóa giới hạn của mỗi nguyên tố là khác nhau. Nó phụ thuộc vào bản chất của mỗi nguyên tố và phụ thuộc vào dạng hợp chất mà nguyên tố đó tồn tại cũng như nền mẫu.
Nguyên tử hóa: Thực hiện nguyên tử hóa mẫu trong thời gian rất ngắn thông thường 3 đến 6 giây, nhưng tốc độ tăng nhiệt độ lại rất lớn cỡ 18000C/giây đến 25000C/giây. Mỗi nguyên tố đều có nhiệt độ nguyên tử hóa giới hạn cho phép nó trong phép đo GF-AAS. Nhiệt độ này phụ thuộc vào bản chất của mỗi nguyên tố và cũng phu thuộc vào dạng hợp chất mà nguyên tố đó tồn tại và thành phần nền của mẫu. Nên tiến hành nguyên tử hóa ở nhiệt độ không được lớn hơn nhiệt độ tới hạn và chọn thời gian nguyên tử hóa sao cho peak cường độ vạch phổ nhọn.
Làm sạch cuvet: Thực hiện ở nhiệt độ trên 27000C để bốc hơi tất cả các chất còn lại trong lò, chuẩn bị cho lần phân tích mẫu tiếp theo.
Khí Argon tinh khiết 99,999% được dùng làm môi trường cho quá trình nguyên tử hóa.
Các nguyên tố Hg, Cd, Pb, As, Se đều có nhiệt độ hóa hơi thấp. Vì vậy nếu tro hóa cũng như nguyên tử hóa ở nhiệt độ cao thì xảy ra sự mất mát đáng kể các nguyên tố phân tích. Để khắc phục, người ta sử dụng chất modifier trong phân tích các nguyên tố bằng phương pháp GF-AAS.
Các chất modifier tạo với nguyên tố chất phân tích hợp chất bền nhiệt nên cho phép tro hóa và nguyên tử hóa ở nhiệt độ cao hơn làm tăng độ nhạy của phương pháp.
Pd là chất có tác dụng modifier rất mạnh cho việc xác định hầu hết các nguyên tố phân tích. Pd loại trừ được nhiễu hóa học nói chung cũng như cho phép tiến hành nguyên tử hóa ở nhiệt độ cao mà không bị hao hụt chất phân tích. Trong quá trình nguyên tử hóa, hợp kim Pd - kim loại bay hơi một cách đột ngột và hoàn toàn giúp ổn định tín hiệu hấp thu của kim loại. Ngoài ra mỗi nguyên tố còn có thể sử dụng các chất modifier khác nhau tùy theo yêu cầu của hãng sản xuất hoặc khi có sự nhiễu rõ.
Đối với GF-AAS, phần lớn các trường hợp đòi hỏi phải hiệu chỉnh nền, ngoại trừ trường hợp λ >450 nm. Một trong các kỹ thuật hiệu chỉnh cần thiết do matrix là hiệu chỉnh nền dựa vào hiệu ứng Zeeman.
Mẫu phân tích của phương pháp này có thể không cần làm giàu ở mức sơ bộ và lượng mẫu tiêu tốn ít.
2/ Kỹ thuật hydrua hóa (HG-AAS)
Năm 1955 ông Walsh đã giới thiệu phương pháp hấp thụ nguyên tử sau đó phương pháp này đã được sử dụng rất phổ biến ở các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới. Tuy nhiên ban đầu việc xác định nguyên tử bằng hấp thụ nguyên tử còn gặp nhiều khó khăn trong việc mù hóa dung dịch mẫu nhất là đối với các nguyên tố As,Se, Sb, Te…mặt khác bước sóng hấp thụ của các nguyên tố này lại nằm xa vùng tử ngoại (nhỏ hơn 230nm) tại đó sự hấp thụ nền là lớn khi sử dụng ngọn lửa thông thường. Ví dụ khi sử dụng ngọn lửa là hỗn hợp khí axetylen/không khí bước sóng hấp thụ của As là 193,7nm tại đó cường độ hấp thụ chỉ đạt 62%. Sự phát triển của kỹ thuật nguyên tử hóa hấp thụ nguyên tử bằng graphite thì tránh được các khó khăn của hấp thụ nguyên tử bằng ngọn lửa. Tuy vậy việc sử dụng các thiết bị này gặp một số vấn đề khác như: Tại bước sóng ngắn sự khuếch tán các hạt gây ra sự nhiễu nền lớn, bên cạnh đó đối với nguyên tố dễ bay hơi như As, Se có thể bị mất trong quá trình nguyên tử hóa nên phép đo kém ổn định.
Năm 1969 Holak đã sử dụng kỹ thuật tạo hydrua kết hợp với hấp thụ nguyên tử. Ông dùng hỗn hợp kim loại và axit (kẽm và axit clohidric) để thực hiện phản ứng, kẽm và axit HCl được đựng trong ống nghiệm có nitơ lỏng, trước tiên ống nghiệm được làm nóng lên rồi dẫn dung dịch có chứa As đi qua, khi As sinh ra được dẫn vào ngọn lửa không khí-axetylen trong môi trường nito. Bằng phương pháp này khắc phục được đáng kể nhược điểm của sự mù hóa, nâng cao được độ nhạy. Chất khử dùng cho phản ứng tạo hydrua là hydro mới sinh. Cũng có thể sử dụng thiếc II clorua hoặc KI là chất khử, về sau người ta sử dụng Natri tetrahdruaborat (NaBH4) có nhiều thuận tiện hơn.
Khí hidrua được đẩy ra khỏi dung dịch chuyển đến buồng nguyên tử hóa nhờ dòng khí mang là khí trơ (Argon, Nitơ hoặc Heli). Có hai kỹ thuật tách hidrua chuyển vào buồng nguyên tử hóa là: Hệ gián đoạn và Hệ liên tục.
Bằng kỹ thuật hydrua hóa độ nhạy của phương pháp tăng lên nhiều lần so với kỹ thuật mù hóa dung dịch thông thường. Dùng năng lượng là ngọn lửa và không khí thì độ nhạy phép xác định là 1μg/ml theo vạch 196,1 nm, nếu dùng ngọn lửa là axetylen-không khí thì độ nhạy là 0,25 μg/ml với Selen.
Phương pháp hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật hydrua hóa để phân tích Se đã tăng độ nhạy lên một cách vượt bậc cỡ vài μg/l.