1.4.5.1. Nguyên tắc
Để tiến hành phân tích bằng phương pháp Vôn- Ampe hòa tan người ta dùng thiết bị gồm một máy ghi cực phổ tự ghi và một bình điện phân gồm ba hệ điện cực:
• Điện cực làm việc là cực giọt thủy ngân tĩnh hoặc cực rắn đĩa, cực màng thủy ngân.
• Điện cực so sánh có thế không đổi thường là cực calomen hoặc cực bạc clorua có bề mặt lớn.
• Điện cực phù trợ Pt
Nắp bình điện phân còn một lỗ để dẫn một luồng khí trơ (N2, Ar) vào dung dịch phân tích để loại oxi hòa tan trong dung dịch.
Quá trình chung của phương pháp Vôn- Ampe hòa tan gồm hai giai đoạn:
• Giai đoạn điện phân làm giàu chất phân tích lên bề mặt điện cực đo, dưới dạng một kết tủa (kim loại, hợp chất khó tan): Trong quá trình điện phân phải chọn thế thích hợp và giữ không đổi trong suốt quá trình. Dung dịch
được khuấy suốt trong quá trình điện phân. Nếu dùng điện cực rắn đĩa quay thì cho điện cực quay với tốc độ không đổi (từ 1000 đến 4000 vòng /phút để đảm bảo chuyển động của chất lỏng là sự chảy tầng chứ không phải là chuyển động xoáy). Nếu dùng điện cực thủy ngân thì dùng máy khuấy từ và giữ tốc độ khuấy không đổi trong suốt quá trình điện phân. Thời gian điện phân được chọn tùy thuộc vào nồng độ của chất cần xác định trong dung dịch phân tích với kích thước của điện cực làm việc.
• Hòa tan kết tủa làm giàu trên điện cực bằng cách phân cực ngược điện cực làm việc và ghi đương Vôn- Ampe hòa tan. Nếu điện phân là quá trình khử catot ở thế không đổi Eđp thì khi hòa tan cho thế quét với tốc độ không đổi và đủ lớn về phía các giá trị dương hơn. Như vậy trong trường hợp này quá trình hòa tan là quá trình anot và phương pháp phân tích gọi là phương pháp Vôn- Ampe hòa tan anot. Trường hợp ngược lại, nếu quá trình điện phân là quá trình oxi hoá anot chất cần phân tích để kết tủa nó lên bề mặt điện cực, thì quá trình phân cực hóa tan là quá trính catot và sự xác định có tên gọi là Vôn- Ampe hòa tan catot.
Trên đường Vôn- Ampe hòa tan xuất hiện pic của chất cần xác định. Cũng gần tương tự như sóng cực phổ dòng một chiều hoặc các đường cực phổ sóng vuông, cực phổ xung trong phương pháp Vôn -Ampe hòa tan, thế ứng với cực đại của pic Ecđ và chiều cao của pic Icđ tuy phụ thuộc vào nhiều yếu tố rất phức tạp, nhưng trong các điều kiện tối ưu và giữ không đổi một số yếu tố, thì Ecđ đặc trưng cho bản chất chất phân tích và Icđ tỷ lệ thuận với nồng độ của nó trong dung dịch. Vì vậy là cơ sở cho phép phân tích định tính và định lượng như ở các phương pháp phân tích cực phổ.
1.4.5.2. Kỹ thuật Vôn-Ampe xung vi phân (Differential PulseVoltammetry) [12]Voltammetry) [12] Voltammetry) [12]
Kỹ thuật Vôn-Ampe xung vi phân được sử dụng phổ biến nhất để ghi đường Vôn-Ampe hòa tan. Theo kỹ thuật này xung thế có biên độ như nhau
khoảng (10÷100)mV và bề rộng xung không đổi khoảng (30 ÷ 100)ms được đặt chồng lên mỗi bước thế. Dòng được đo hai lần: trước khi nạp xung (I1) và trước khi ngắt xung (I2), khoảng thời gian đo dòng thông thường là 10 ÷ 30 ms. Dòng thu được là hiệu của hai giá trị dòng đó (I = I1 - I2) và I được ghi là hàm của thế đặt lên điện cực làm việc. Khi xung thế được áp vào, dòng tổng cộng trong hệ sẽ tăng lên do sự tăng dòng Faraday (If) và dòng tụ điện (Ic). Suốt thời gian đặt xung dòng Faraday tăng theo t1/2 và dòng tụ điện tăng theo e-kt [78]. Ở đây t là thời gian sau khi áp xung, R là điện trở, C* là điện dung vi phân kép. Theo cách ghi dòng như trên, dòng tụ điện ghi trước lúc nạp xung và trước lúc ngắt xung là gần như nhau và do đó, hiệu số dòng ghi được chủ yếu là dòng Faraday. Như vậy, kỹ thuật Vôn-Ampe xung vi phân cho phép loại trừ tối đa ảnh hưởng của dòng tụ điện.
So sánh với kỹ thuật quét thế tuyến tính, kỹ thuật Vôn-Ampe xung vi phân đạt được giới hạn phát hiện thấp hơn khoảng 10 lần khi dùng điện cực HMDE. Bằng kỹ thuật Vôn-Ampe xung vi phân, với điện cực MFE giới hạn phát hiện chất đạt được thấp hơn khoảng (3 ÷ 5) lần so với điện cực HMDE. Phương trình dòng đỉnh hòa tan xung vi phân khi phân tích theo phương pháp AdSV trên điện cực HMDE là:
Ip = k.n2.r. E.U1/2.thp.C Trong đó: thp: thời gian hấp phụ (giây)
C: nồng độ chất khử cực, r: bán kính giọt (mm) n: số e trao đổi trên điện cực, E(mV): biên độ xung, U (vòng/phút): tốc độ khuấy dung dịch, k: hằng số,
1.4.5.3. Kỹ thuật Vôn-Ampe vòng
Nguyên tắc của phương pháp Vôn-Ampe vòng như sau: nhúng vào bình điện phân chứa dung dịch nghiên cứu hệ 3 điện cực: điện cực than thủy tinh, điện cực so sánh (calomen) và điện cực phụ trợ (Pt), đặt thế đầu ở một giá trị xác định (thí dụ +1,00V), cho điện cực quay với tốc độ không đổi (thí dụ
3000 vòng/phút), quét thế phân cực với tốc độ không đổi (thí dụ 5 mV/phút) theo chiều âm dần tới một giá trị xác định (thí dụ -1,00V), rồi lập tức cho phân cực ngược lại (từ -1,00V đến +1,00V), ghi đường Vôn-Ampe cả 2 lần đi và về. Phân tích các đường cong Vôn-Ampe vòng thu được ta có kết luận về tính chất điện hoá của hệ nghiên cứu.
Từ sự khác nhau của các pic khi quét thế catot và anot trên đường cong Vôn-Ampe vòng, việc xác định tốc độ phản ứng điện cực được thực hiện bằng cách sử dụng hàm ψ do Nicholson và Shain đưa ra.
ox r s D nFS ) RT ( k 1/2 π γ = Ψ α 2 / 1 kh ox D D = γ
α: hệ số trao đổi điện tích
Ks: hằng số tốc độ phản ứng (cm2/s)
Dox: hệ số khuếch tán của dạng oxi hóa (cm2/s) Dkh: hệ số khuếch tán của dạng khử (cm2/s)
n: số e trao đổi R: hằng số khử
Sr: tốc độ quét (V/s) T: nhiệt độ tuyệt đối F: hằng số Faraday
Đối với các trường hợp phản ứng trên điện cực là thuận nghịch hoặc gần thuận nghịch người ta dùng thế đối xứng Ef:
2 E - E Ef = p,a p,c và n mV 57 Ep= ∆ ở 25oC
Trong đó: Ep,a: thế pic anot Ep,c: thế pic catot ΔEp: độ lệch thế đỉnh pic anot và catot n: số electron trao đổi điện tích
1.4.6. Những điểm cần chú ý khi nghiên cứu phân tích vết1.4.6.1. Sự nhiễm bẩn và mất chất phân tích [23], [24].1.4.6.1. Sự nhiễm bẩn và mất chất phân tích [23], [24].1.4.6.1. Sự nhiễm bẩn và mất chất phân tích [23], [24]. 1.4.6.1. Sự nhiễm bẩn và mất chất phân tích [23], [24].
Khi nghiên cứu phân tích vết, phải thường xuyên chú ý đến độ sạch của dụng cụ, nước cất, hóa chất, môi trường nơi làm việc và đặt máy đo… nhằm loại trừ tới mức thấp nhất những nguyên nhân gây nhiễm bẩn hoặc làm mất chất phân tích, vì chúng có thể làm cho kết quả phân tích bị mắc sai số hệ thống và nhiều khi mắc sai số nghiêm trọng.
Sự nhiễm bẩn và mất chất phân tích cũng có thể phát sinh trong quá trình chuẩn bị mẫu cho phân tích, chẳng hạn khi xử lý mẫu: lọc, axit hóa, kiềm hóa, tách chiết, kết tủa… hay phân hủy mẫu bằng các hỗn hợp axit, tro hóa khô,… Vì vậy, cần hạn chế tới mức tối đa việc đưa nhiều hóa chất vào mẫu trong giai đoạn chuẩn bị mẫu cho phân tích.
1.4.6.2. Thí nghiệm trắng [22], [23]
Trong phân tích vết do sự nhiễm bẩn thường xẩy ra, nên để kiểm tra mức nhiễm bẩn của toàn bộ hệ thống phân tích (hệ thống phân tích ở đây bao gồm: các hóa chất, dụng cụ và máy móc được sử dụng, kỹ thuật chuẩn bị mẫu cho phân tích, phương pháp phân tích…) bắt buộc phải tiến hành thí nghiệm trắng hàng ngày, thậm chí nhiều lần trong ngày. Thí nghiệm trắng là thí nghệm được tiến hành hoàn toàn tương tự (từ khâu đầu đến khâu cuối) như phân tích mẫu thật, nhưng ở đây là thực hiện trên mẫu trắng – là mẫu được chuẩn bị sao cho có thành phần giống với mẫu thật, nhưng không chứa chất phân tích. Từ đó tiến hành hiệu chỉnh kết quả phân tích bằng cách trừ đi kết quả thu được từ thí nghiệm trắng.
1.4.6.3. Các yếu tố đánh giá độ tin cậy của phương pháp phân tích [23]
Một phép đo hay một phương pháp phân tích bất kỳ, được các phòng thí nghiệm thừa nhận và áp dụng vào thực tế, chỉ khi nó có độ tin cậy cao. Chính vì vậy khi nghiên cứu phát triển phương pháp phân tích, nhất thiết phải đánh giá độ tin cậy của nó. Các yếu tố đánh giá độ tin cậy của một phép đo cũng
như của một phương pháp phân tích bao gồm: độ lặp lại, độ đúng, độ nhạy và GHPH… Các yếu tố này bắt buộc phải thông báo khi xây dựng và công bố bất kỳ một phương pháp phân tích nào.
1.4.6.3.1. Đánh giá độ lặp lại
Độ lặp lại và độ phục hồi, một cách tương ứng, là độ sai lệch giữa các giá trị riêng lẽ xi và giá trị trung bình x đo được trong những điều kiện giống nhau và không giống nhau. Kết quả đánh giá độ lặp lại được xác định qua độ lệch chuẩn hoặc độ lệch chuẩn S, S và hệ số biến động V theo các công thứcx [12, 23]:
S V = .100
x Trong đó: x là giá trị trung bình của dãy số liệu thực nghiêm
( ) n 2 2 i 1 1 S x - x n - 1 = ∑ n: là số lần thực hiện thí nghiệm n i n X x = n ∑ xi là số liệu thực nghiệm lần thứ I x k = n-1 là số bậc tự do S2 là phương sai S là độ lệch chuẩn V là hệ số biến động
Như vậy, độ lệch chuẩn hoặc độ lệch chuẩn tương đối càng lớn thì sai số của phép đo hay của phương pháp phân tích càng lớn.
1.4.6.3.2. Độ đúng [23]
Độ đúng là độ gần sát giữa kết quả xác định được x và giá trị thực µ của nó. Giá trị µ của một chất phân tích được chấp nhận là giá trị thông báo trong chứng chỉ đi kèm với vật liệu so sánh (Certified reference Material - CRM). Các CRM được cung cấp bởi đơn vị chế tạo - thường là một số tổ chức quốc tế nổi tiếng như: Community Bureau of Reference (BCR), National Institute
of Standards & Technology (NIST), Laboratory of the Gverment Chemist (LGC)… Như vậy để xác định độ đúng của phép đo hay của phương pháp phân tích nhất thiêt phải phân tích CRM. Trong trường hợp không có CRM có thể đánh giá độ đúng thông qua việc phân tích mẫu chuẩn do phòng thí nghiệm tự chuẩn bị, song phải bảo đảm sao cho mẫu chuẩn và mẫu phân tích có thành phần càng giống nhau càng tốt.
1.4.6.3.3. Độ nhạy [23]
Một cách tổng quát độ nhạy của phép đo hay phương pháp phân tích được xác định bởi độ biến thiên của tín hiệu đo (y) khi có biến thiên của thông số kích thích, chẳng hạn nồng độ của chất phân tích (C) hoặc pH, nhiệt độ… như vậy độ nhạy chính là độ dốc (hay tang góc nghiêng) của đường chuẩn. Nếu phương trình đường chuẩn có dạng y = a + bC, thì độ nhạy là y
C
∆ ∆
= b. Riêng trong phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ (phần tử hoặc nguyên tử) độ nhạy được định nghĩa khác.
1.4.7. Các loại điện cực được sử dụng trong phương pháp Vôn –Ampehòa tan [19], [20]hòa tan [19], [20]hòa tan [19], [20] hòa tan [19], [20]
1.4.7.1. Điện cực màng thuỷ ngân (TMFE)
Loại điện cực này rất thuận lợi cho việc xác định lượng vết các kim loại dễ tạo hỗn hổng với thuỷ ngân.
Chỉ cần thêm vào dung dịch phân tích một lượng Hg2+ với nồng độ 10-5 ÷ 10-4M, khi điện phân làm giàu kim loại phân tích thì ion Hg2+ cũng bị khử đồng thời hoặc khử trước tạo thành một màng mỏng và đều thuỷ ngân trên bề mặt cực rắn. Kim loại cần xác định được hoà tan đều trong màng đó, dùng điện cực TMFE hạn chế được sự hình thành hợp chất gian kim loại hoặc dung dịch rắn khi xác định lượng vết của một số ion kim loại có mặt trong dung dịch.
Thông thường người ta dùng điện cực màng thuỷ ngân trên nền than thuỷ tinh. Có 3 loại than thường dùng:
+ Grafit ngâm tẩm: loại này ít sử dụng vì có lỗ xốp hấp thụ khí + Grafit cacbon (than thuỷ tinh): được dùng nhiều nhất
+ Grafit nhão: Đôi khi cũng được dùng tuy nhiên hình dạng của nó có thể bị biến đổi trong một số truờng hợp.
- Màng mỏng thuỷ ngân được tạo ra bằng hai cách: + Tạo màng mỏng trước
+ Tạo màng đồng thời
Mỗi cách có một ưu việt riêng được áp dụng cho từng đối tượng khác nhau tuỳ vị trí của ion kim loại tạo màng. Nồng độ thuỷ ngân thường được dùng gấp 100 ÷ 1000 lần so với nồng độ của ion phân tích.
1.4.7.2. Điện cực giọt thuỷ ngân treo (HMDE)
Điện cực giọt thuỷ ngân bao gồm 3 loại: điện cực giọt thuỷ ngân treo (HMDE), điện cực giọt thuỷ ngân rơi cưỡng bức (SMDE), và điện cực giọt rơi (DME).
Điện cực giọt thuỷ ngân là một giọt thuỷ ngân có kích thước nhỏ và bất động, đường kính khoảng 1mm được treo trên một mao quản bằng thuỷ tinh hơi lõm ở giữa có một mẩu nhỏ ngắn platin để dẫn điện. Để đảm bảo tính chính xác và độ lặp lại của phép xác định yêu cầu của giọt thuỷ ngân tĩnh là có kích thước không đổi và độ lặp lại cao. Vì sau mỗi lần đo phải tạo một giọt khác giống như giọt ban đầu.
Ưu điểm của điện cực giọt thuỷ ngân:
+ Khoảng thế cho phép của thuỷ ngân rất rộng, nên xác định được một số lớn kim loại. Trong môi trường axít khoảng thế axít tốt là -0,15 ÷ -1,2V và trong môi trường bazơ khoảng thế tốt là -0,15 ÷ 2V.
+ Dùng điện cực thuỷ ngân thuận lợi cho việc chọn nền phân tích, chọn thế điện phân, có độ lặp lại cao. Có thể xác định được nồng độ thấp tuỳ phương pháp.
Nếu trong quá trình ghi cực phổ đồ của chất phân tích giọt thuỷ ngân bị rơi cưỡng bức theo một chu kì nhất định thì được gọi là điện cực giọt thuỷ ngân rơi cưỡng bức (SMDE).
Ưu điểm của điện cực SMDE cũng như DME là điện cực giọt rơi nên điện cực luôn được làm mới, nhưng SMDE lại có ưu điểm như HMDE kích cỡ nhỏ và tĩnh lặng trong quá trình xác định.
Cả hai loại điện cực HMDE và TMFE có ưu điểm giống nhau về giới hạn phát hiện và độ nhạy.
Với điện cực màng thuỷ ngân (TMFE) nồng độ kim loại trong hỗn hống điện cực cao hơn, tốc độ khuếch tán kim loại ra khỏi điện cực TMFE nhanh hơn và có đặc điểm quá trình điện hoá lớp mỏng. Mặt khác nếu dùng TMFE quay, điều kiện đối lưu là sự chuyển khối tốt hơn do đó TMFE có độ nhạy và độ phân giải trong một số trường hợp cao hơn.
Tuy thế đối với phương pháp sử dụng TMFE các hợp chất gian kim loại dễ hình thành khi phân tích theo phương pháp Vôn - ampe hoà tan, gây ra sự biến dạng tín hiệu dẫn đến sai số.
1.4.7.3. Điện cực rắn hình đĩa (RDE)
Là một mặt phẳng hình tròn, đường kính 3- 5mm làm bằng các vật liệu trơ như Pt, Au và các loại cacbon có độ chính xác cao và phải trơ về mặt hóa học, có bề mặt dể đánh bóng để diện tích bề mặt không đổi. Vật liệu tốt nhất để sản xuất điện cực rắn hình đĩa quay là cacbon thủy tinh có độ bền hóa học cao, không thay đổi kể cả ngâm nhiều giờ trong nước cường thủy, dễ đánh bóng bề mặt. Thực nghiệm đã chứng minh, lấy các loại giấy nhám mịn đánh bóng bề mặt điện cực thực tế bằng bề mặt hình học của nó S = π .r2
Ngoài cacbon thủy tinh có thể dùng cacbon ngâm tẩm điện cực để làm điện cực. Khoảng thế hoạt động này của điện cực này khá rộng +1V ÷ -1V trong môi trường axit và +1V ÷ -1,8V trong môi trường trung tính hoặc kiềm.
1.4.8. Các phương pháp phân tích định lượng trong phân tích điện hoá[17], [23][17], [23][17], [23] [17], [23]
1.4.8.1. Phương pháp mẫu chuẩn
Người ta sử dụng hai dung dịch của cùng một chất:
Dung dịch 1: Có nồng độ Cx của chất phân tích cần xác định