Muốn thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử hệ thống máy đo phổ hấp thụ nguyên tử phải bao gồm các phần cơ bản sau:
Phần 1. Nguồn phát tia phát xạ cộng hưởng (vạch phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích), để chiếu vào môi trường hấp thụ nguyên tử tự do của nguyên tố:
+ Đèn catot rỗng (HCL).
+ Đèn phóng điện không điện cực (EDL)
+ Đèn phát xạ liên tục đã được biến điệu (D2).
Phần 2. Hệ thống nguyên tử hóa mẫu phân tích. Hệ thống này được chế tạo theo 3 kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu. Đó là kỹ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa (lúc này ta có phép đo F- AAS) và kỹ thuật không ngọn lửa (lúc này ta có phép đo GF- AAS) và kỹ thuật hoá hơi lạnh (MVU-AAS)
Phần 3. Máy quang phổ, nó thường là bộ đơn sắc, có nhiệm vụ thu, phân ly và chọn tia sáng (vạch phổ) cần đo hướng vào nhân quang điện để phát tín hiệu hấp thụ AAS của vạch phổ.
Phần 4. Hệ thống tín hiệu hấp thụ của vạch phổ (tức là cường độ của vạch phổ hấp thụ hay nồng độ nguyên tố cần phân tích). Hệ thống này có thể là các trang bị:
+ Điện kế chỉ tín hiệu AAS + Bộ tự ghi để chỉ các pic hấp thụ + Bộ chỉ hiện số.
+ Bộ máy in.
+ Máy tính với màn hình để hiển thị dữ liệu, phần mền xử lí số liệu và điều khiển toàn bộ hệ thống máy đo. [9]
Hình 2.3: Nguyên tắc cấu tạo của máy đo AAS
1. Nguồn đơn sắc
2. Hệ nguyên tử hoá mẫu 3. Hệ thống đơn sắc và detector 4. Hệ điện tử
1. Kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu
Nguyên tử hoá mẫu là giai đoạn tạo ra các nguyên tố tự do, là yếu tố sinh ra phổ AAS. Có hai kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu là kĩ thuật ngọn lửa (F-AAS) và không ngọn lửa (GF-AAS). [9, 11]
2. Kĩ thuật ngọn lửa
Theo kỹ thuật này mẫu ở trạng thái dung dịch được dẫn vào buồng để tạo sol khí sau đó được trộn đều với khí (C2H2) và dẫn tới đèn nguyên tử hoá mẫu.
Cơ chế của quá trình nguyêntử hoá mẫu bằng ngọn lửa :
Nếu năng lượng hoá hơi Eh < năng lượng nguyên tử hoá Ea thì các phần tử mẫu sẽ hoá hơi, nguyên tử hoá sẽ hấp thụ bức xạ tạo phổ AAS .Tức là:
MenXm(1) → MenXm(K) → nMe(k) + Mx nMe(k) + n(hv) → phổ F-AAS
Nếu năng lượng hoá hơi Eh> năng lượng nguyên tử hoá En thì các phân tử mẫu sẽ phân ly thành nguyêntử sau đó hoá hơi và hấp thụ tia bức xạ để tạo ra phổ AAS
MenXm(1) → nMen + mX → nMe(k)
3 4 2
nMe(k) + n(hv) → phổ F-AAS
Quá trình này có ưu điểm là kích thích êm dịu, an toàn, xác định phần lớn kim loại. Tuy nhiên, trong ngọn lửa có nhiều cơ chế phụ đó là sự tạo thành các hợp chất bền nhiệt ở vỏ ngọn lửa, làm giảm cường độ vạch phổ. Ngoài ra, đối với các nguyên tử có năng lượng kích thích hấp thụ như kim loại kiềm, kiềm thổ tạo ra nhiều ion, thay vì thu phổ nguyên tử ta thu phổ ion. Như vậy ta phải điều chỉnh ngọn lửa ở nhiệt độ thấp hoặc thêm vào chất phân tích một số chất có năng lượng ion hoá thấp hơn để thay vì ion hoá nguyên tố phan tích thì ion hoá chất thêm. [9, 11]
3. Kĩ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa
Về nguyên tắc, kĩ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hoá tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng điện công suất lớn và trong môi trường khí trơ. Qúa trình nguyên tử hoá xảy ra theo ba giai đoạn kế tiếp nhau: sấy khô, tro hoá luyện mẫu, nguyên tử hoá để đo phổ hấp thụ và cuối cùng là làm sạch cuvet. Trong đó hai giai đoạn đầu là chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hoá để đạt kết quả tốt. Nhiệt độ trong cuvet graphit là yếu tố quyết định mọi sự diễn biến của quá trình nguyên tử hoá mẫu. [9, 11]
2.2.2.2. Phương pháp đường chuẩn
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào phương trình cơ bản của phép đo A = K.C và một dãy mẫu đầu để dựng một đường chuẩn, sau đó nhờ đường chuẩn này và giá trị A để xác định nồng độ CX của nguyên tố cần phân tích trong mẫu đo phổ, rồi từ đó tính được nồng độ của nó trong mẫu phân tích.
Trước hết phải chuẩn bị một dãy mẫu đầu, dãy mẫu chuẩn (thông thường là 5 mẫu) và các mẫu phân tích trong cùng điều kiện. Ví dụ các mẫu đầu có nồng độ của nguyên tố X cần xác định C1, C2, C3, C4, C5 và các mẫu phân tích là CX1, CX2… Rồi sau đó chọn một quá trình phân tích phù hợp để rồi đo phổ. Đo các mẫu chuẩn và các mẫu phân tích theo một vạch đã chọn. Ví dụ thu được các giá trị cường độ tương ứng với các nồng độ là A1, A2, A3, A4, A5, và AX1, AX2… Sau đó dựng đường chuẩn theo hệ toạ độ A - Cx.
Nhờ đường chuẩn và các giá trị AX ta sẽ dễ dàng xác định được nồng độ CX. Công việc cụ thể là đem các giá trị AX đặt lên trục tung A của hệ toạ độ, từ đó kẻ
đường song song với trục hoành CX. Đường này sẽ cắt đường chuẩn tại điểm M. Từ điểm M hạ đường vuông góc với trục hoành cắt trục hoành tại CX. CX là nồng độ cần tìm [9, 11]. C7 C6 C5 C4 C3 C(mg/mL) Ax Cx C1 C2 0
Hình 2.4: Đồ thị của phương pháp đường chuẩn 2.2.2.3. Phương pháp thêm chuẩn
Nguyên tắc của phương pháp này là người ta dùng ngay một mẫu phân tích làm nền để chuẩn bị một dãy mẫu đầu bằng cách lấy một lượng mẫu phân tích nhất định và thêm vào đó những lượng nhất định của nguyên tố cần xác định theo từng bậc nồng độ (theo cấp số cộng). Ví dụ lượng thêm vào là C1, C2, C3, C4, như thế chúng ta sẽ có một dãy mẫu chuẩn là:
C0 = Cx
C1 = (Cx + C1) C2 = (Cx + C2) C3 = (Cx + C3) C4 = (Cx + C4)
Trong đó Cx là nồng độ của nguyên tố cần xác định trong mẫu phân tích đã chọn. Các mẫu phân tích còn lại giả sử kí hiệu Cx1,Cx2,Cx3, …
Tiếp đó chọn các điều kiện thí nghiệm phù hợp và một vạch phổ của nguyên tố phân tích, tiến hành ghi cường độ hấp thụ của vạch phổ đó theo tất cả dãy mẫu đầu và các mẫu phân tích. Kết quả thu được như bảng sau:
Mẫu C0 C1 C2 C3 C4 Cx1 Cx2 Cx3
A A0 A1 A2 A3 A4 Ax1 Ax2 Ax3
Hình 2.5: Đồ thị của phương pháp thêm chuẩn
Từ các giá trị cường độ này ứng với các nồng độ thêm vào của các nguyên tố phân tích chúng ta dựng được một đường chuẩn theo hệ toạ độ A - Cx. Đường này cắt trục tung tại điểm có toạ độ (A0, 0). Sau đó để xác định được nồng độ Cx chưa biết chúng ta làm như sau:
Cách 1: Kéo dài đường chuẩn về phía trái, nó cắt trục hoành tại điểm C0. Chính đoạn OC0 bằng giá trị nồng độ Cx cần tìm.
Cách 2: Cũng có thể xác định Cx bằng cách từ gốc toạ độ kẻ một đường song song với đường chuẩn và từ điểm A0 kẻ đường song song với trục hoành hai điểm này cắt nhau tại điểm M. Từ điểm M hạ đường vuông góc với trục hoành. Đường này cắt trục hoành tại điểm C0. Chính đoạn C0 là giá trị Cx cần tìm. [9, 11]
2.3. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ MẪU
Nguyên tắc: Chuyển các ion kim loại về dạng muối vô cơ tan trong nước, rồi xác định hàm lượng của chúng trong dung dịch đó. [12]
A A0 C0 O C1 C2 C3 C4 C0 M C (g/ml) . . . .
2.3.1. Xử lý mẫu nước
- Đo pH của dung dịch mẫu ngay tại thời điểm lấy mẫu, sau đó axit hóa bằng axit HNO3 đặc.
- Lọc bỏ cặn, các chất lơ lửng
- Đem xác định hàm lượng kim loại bằng phương pháp AAS. [12]
2.3.2. Xử lý mẫu đất
Cân một lượng 0,1 – 1 gam mẫu đất khô mịn, sau đó chuyển vào bình Kenđan, thêm vào 10ml dung dịch HNO3 65%, 30ml HCl 37%, 2ml HClO4. Đun trên bếp điện trong tủ hốt khoảng 5 – 10 giờ, để nguội cho thêm 5ml HClO4 đun đến khi hết mầu, thu được dung dịch trong suốt. Sau đó làm bay hơi hết axit, đến khi còn muối ẩm + cặn (silic cát), lọc bỏ cặn và định mức 25ml bằng HNO3 2%. [12]
2.4. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU, TÍNH TOÁN
Lập đường chuẩn và dựng đường chuẩn , dùng phần mềm Excel, Origin 8.5. Sau khi tiến hành phân tích trên đường chuẩn, kết quả được tính, so sánh giữa 2 phương pháp phân tích (AAS và ICP – OES) bằng Origin 8.5 và xử lý thống kê bằng Excel.
2.5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
Trong phần thực nghiệm luận văn phải thực hiện các nhiệm vụ sau:
2.5.1. Chọn nền và môi trường phân tích
2.5.2. Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Chì, Kẽm.
2.5.3. Đánh giá sai số, độ lặp, khoảng tin cậy của phép đo, xác định LOD, LOQ. 2.5.4. Xác định hàm lượng Chì, Kẽm trong các mẫu đất và nước bằng phương 2.5.4. Xác định hàm lượng Chì, Kẽm trong các mẫu đất và nước bằng phương pháp đường chuẩn.
2.5.5. Kiểm tra độ chính xác của kết quả phân tích bằng phương pháp thêm chuẩn. chuẩn.
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 3.1. PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG CHUẨN ĐỐI VỚI PHÉP ĐO AAS
Từ điều kiện thực nghiệm của máy AA-6300 – Shimazu chúng tôi đã chọn được các điều kiên tối ưu cho phép đo đối với Pb, Zn như sau:
Bảng 3.1: Các điều kiện đo phổ của Zn, Pb
Nguyên tố Các yếu tố Zn Pb Thông số máy Vạch phổ hấp thụ (nm) 213,8 283,3 Khe đo (nm) 0,7 0,5 Cường độ dòng đèn (mA) 10 9
Khí môi trường KK / C2H2 Argon
Chiều cao burner Auto
Thời gian đo 5 s Auto
Số lần lặp lại 3 3
Các điều kiện nguyên tử hóa mẫu T(0C) T(s)
Sấy mẫu 100
150
20 15
Tro hóa có Ramp 600 20
10
Nguyên tử hóa đo phổ 1800 5
Làm sạch cuvet 2300 3
3.1.1. Khảo sát khoảng tuyến tính của nồng độ các kim loại
Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, tín hiệu hấp thụ của vạch phổ phụ thuộc vào nồng độ của nguyên tố phân tích và được xác định theo phương trình sau:
Aλ = K. Cb
Trong đó: Aλ : Cường độ vạch phổ hấp thụ K: Hằng số thực nghiệm
C: Nồng độ của nguyên tố trong mẫu đo phổ b: Hằng số bản chất (0 < b ≤1)
Trong một khoảng nồng độ nhất định thì b = 1, mối quan hệ giữa A và C là tuyến tính theo phương trình dạng y = ax. Khoảng nồng độ này được gọi là khoảng tuyến tính của phép đo. Đối với các nguyên tố khác nhau thì giá trị khoảng tuyến tính khác nhau và phụ thuộc vào kĩ thuật đo.
Để xác định khoảng tuyến tính của Pb, Zn chúng tôi tiến hành pha dãy mẫu chuẩn, Pb có nồng độ từ 1 – 35 ppb, Zn nồng độ trong khoảng 0,1 – 5 ppm trong HNO3 2%, sau đó đo phổ lặp lại 3 lần và lấy kết quả trung bình. Kết quả thu được ở các bảng 3.2 và 3.3 và biểu diển trên các hình 3.1 và 3.2.
Bảng 3.2: Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Zn
Stt Nồng độ (ppm) Độ hấp thụ 1 0,05 0,0215 2 0,1 0,0460 3 0,2 0,0918 4 0,5 0,2292 5 1 0,4321 6 2 0,7972 7 3 0,9021 8 4 0,9830
Bảng 3.3: Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Pb Stt Nồng độ (ppb) Độ hấp thụ 1 1 0,0048 2 2 0,0071 3 7,5 0,0280 4 10 0,0364 5 15 0,0536 6 20 0,0682 7 30 0,1085 8 32 0,1127 9 35 0,1183
Hình 3.2: Đồ Thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Pb
Kết quả khảo sát cho thấy khoảng nồng độ tuyến tính của của Zn là 0,1 2 ppm và của Pb là 1 30 ppb.
3.1.2. Xây dựng đường chuẩn của Zn, Pb
Trên cơ sở các điều kiện đã khảo sát cho máy đo phổ hấp thụ Shimadzu 6300, chúng tôi sử dụng phần mềm origin 8.5 để xây dựng đường chuẩn của Zn, Pb trong khoảng nồng độ tuyến tính (Hình 3.3, 3.4).
3.1.2.1. Đường chuẩn của Kẽm
Từ kết quả thu được ở bảng 3.2 chúng tôi dùng phần mềm Origin 8.5 để xác
định đường chuẩn của chì (hình 3.4).
Phương trình hồi quy đầy đủ của đường chuẩn Pb có dạng Y = a + b. X được viết như sau:
Ai = (a ± Δa) + (b ± Δb) . CZn
Trong đó: Ai là nồng độ hấp thụ của chất i CZn là nồng độ Zn (ppm)
Tra bảng ta được giá trị t(0,95; 4) = 2,776 Δa = t (0,95; 4) . Sa = 2,776× 0,00291 = 0,008 Δb = t (0,95; 4) . Sb = 2,776× 0,00282 = 0,008
Vậy phương trình hồi quy đầy đủ của đường chuẩn Zn là: Ai = (0,01774 ± 0,008) + (0,29219 ± 0,008). CZn
3.1.2.2. Đường chuẩn của Chì
Từ kết quả thu được ở bảng 3.3 chúng tôi dùng phần mềm Origin 8.5 để xác
định đường chuẩn của chì (hình 3.5).
Phương trình hồi quy đầy đủ của đường chuẩn Pb có dạng Y = a + b. X được viết như sau:
Ai = (a ± Δa) + (b ± Δb) . CPb
Trong đó: Ai là nồng độ hấp thụ của chất i CPb là nồng độ Pb (ppb)
Tra bảng ta được giá trị t(0,95; 6) = 2,447 Δa = t (0,95; 6) . Sa = 2,447× 0,00105 = 0,003
Δb = t (0,95; 6) . Sb = 2,447× 6,78623 × 10-5 = 0,0002 Vậy phương trình hồi quy đầy đủ của đường chuẩn Pb là: Ai = (5,86681 × 10-4 ± 0,003) + (0,00354 ± 0,0002). CPb
Hình 3.4: Đường chuẩn của Chì
3.1.3. Đánh giá sai số, độ lặp và giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ) của phương pháp AAS
3.1.3.1. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phương pháp
Để đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo chúng tôi chuẩn bị 1 mẫu chuẩn có nồng độ nằm trong khoảng tuyến tính của mỗi nguyên tố, ở mỗi loại nồng độ chúng tôi tiến hành đo lặp lại 10 lần.
Các kết quả thí nghiệm được xử lý thống kê theo các công thức sau: + Độ lệch chuẩn: 1 1 2 n X X S n i i tt Trong đó: Stt: Độ lệch chuẩn
n: Số lần phân tích lặp lại của mẫu i Xi: Giá trị phân tích lần thứ i
X : Giá trị phân tích trung bình của n lần phân tích + Độ lệch chuẩn tương đối:
100 X S Std tt + Chuẩn Student: tt S X t Trong đó: t: Chuẩn Student µ: Giá trị thực cần đo được + Độ chính xác ε: n S t. tt
+ Khoảng tin cậy của giá trị phân tích:
X
X
Tiến hành thực nghiệm với các mẫu chuẩn và xử lý các kết quả thu được bằng thống kê chúng tôi xác định được sai số và độ lặp lại của phép đo. Kết quả được trình bày trong bảng 3.5
- So sánh chuẩn Student t với tα, f = 2,262 (α = 0,95; f = 9) cho thấy t < tα, f, do đó phép đo không mắc sai số hệ thống. [13]
Bảng 3.4: Kết quả xác định sai số của phương pháp với phép đo Zn, Pb
Nguyên tố Zn Pb Nồng độ chuẩn bị 2 ppm 5ppb Nồng độ được phát hi ện ở 10 lầ n đo Lần 1 2,0006 4,9992 Lần 2 1,9996 4,9987 Lần 3 1,9992 4,9991 Lần 4 1,9987 4,9996 Lần 5 1,9994 5,0008 Lần 6 1,9991 4,9994 Lần 7 2,0003 4,9985 Lần 8 2,0004 4,9993 Lần 9 1,9995 4,9993 Lần 10 1,9985 4,9994 Nồng độ trung bình ( 1,9995 4,9993 Độ lệch chuẩn (Stt) 7,13.10-4 6,16.10-4
Độ lệch chuẩn tương đối (Stđ) 0,0356 0,0123
Chuẩn Student (t) 0,7013 1,1364
Độ chính xác (ε) 1,58.10-4 2,21.10-4
3.1.3.2. Giới hạn phát hiện và giới hạn đinh lượng của phép đo AAS
- Giới hạn phát hiện (LOD): là nồng độ thấp nhất của chất phân tích mà hệ thống phân tích còn cho tín hiệu phân tích khác có nghĩa với tín hiệu của mẫu trắng hay tín hiệu nền.
- Giới hạn định lượng (LOQ): là nồng độ thấp nhất của chất phân tích mà hệ thống định lượng được với tín hiệu phân tích khác có ý nghĩa định lượng với tín hiệu của mẫu trắng hay tín hiệu nền và đạt độ tin cậy ≥ 95%.
Để tính được giới hạn phát hiên và giới hạn định lượng, ở đây chúng tôi sử dụng phần mềm origin 8.5 và áp dụng công thức: 3S LOD B