Phương pháp phổ huỳnh quang

Cơ sở của phương pháp phổ huỳnh quang: khi các electron của nguyên tử trong phân tử bị kích thích để chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích có năng lượng cao. Trạng thái này không bền, nó chỉ tồn tại trong khoảng 10-8 giây và có xu hướng trở về trạng thái ban đầu. Khi trở về trạng thái ban đầu nó giải toả ra một phần năng lượng đã hấp thụ. Năng lượng giải toả dưới dạng ánh sáng nên được gọi là hiện tượng phát quang [14].

Phân tích huỳnh quang dựa trên cơ sở chuyển cấu tử cần xác định thành một hợp chất (thường là phức chất), sau đó chuyển hợp chất thu được sang

trạng thái kích thích bằng một dòng ánh sáng có bước sóng xác định. Khi đó, một phần ánh sáng hấp thụ được biến thành dạng nhiệt, còn một phần biến thành ánh sáng huỳnh quang. Độ nhạy của phản ứng càng lớn khi hợp chất nghiên cứu hấp thụ ánh sáng kích thích càng mạnh và chuyển phần ánh sáng hấp thụ đó thành ánh sáng huỳnh quang càng nhiều [22].

Các tác giả [40] đã tổng hợp và so sánh khả năng phát huỳnh quang của các phức chất đơn nhân Ln(Phe)3PhenCl3.3H2O (Phe: phenylalanin; Phen: o- phenantrolin; Ln: La, Y, Eu) với phức đa nhân Ln0.2Eu0.8(Phe)3PhenCl3.3H2O (Ln: La, Y). Phức Eu(Phe)3PhenCl3.3H2O được kích thích bằng bức xạ 319 nm, trên phổ huỳnh quang xuất hiện 3 dải phát xạ tương ứng với các bước chuyển năng lượng của ion Eu3+

: 592,1 nm (5D0 - 7F1); 615,0 nm (5D0 - 7F2); 699,0 nm (5D0 - 7F4). Khi kết hợp ion Ln3+ (La, Y) với ion Eu3+ theo tỉ lệ 1:4 về số mol đã làm tăng cường độ phát quang của ion Eu3+

trong phức chất Ln0.2Eu0.8(Phe)3PhenCl3.3H2O, chứng tỏ phối tử có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phát huỳnh quang.

Các tác giả [33] đã tổng hợp sáu phức chất đất hiếm hai nhân, được tổng hợp bởi phối tử 4-Bromo-N-hydroxy-N-metyl-benzamid. Sáu phức chất thu được đều kết tinh ở dạng tinh thể. Tính chất nhiệt và tính chất liên kết của các phức chất được phân tích bởi phương pháp phân tích nhiệt (TGA) và phương pháp quang phổ hấp thụ hồng ngoại (IR). Phổ huỳnh quang trong vùng nhìn thấy cho thấy các đỉnh phát xạ đặc trưng của các hợp chất Eu (III), Tb(III) và Dy(III). Tác dụng của phức chất của Eu (III) đối với khả năng tồn tại của các tế bào (PC3) được đánh giá bằng cách sử dụng các thí nghiệm (CCK8). Kết quả thí nghiệm (CCK8) cho thấy, nồng độ ion Eu3+

ảnh hưởng lớn đến sự gia tăng của tế bào (PC3). Phức chất của Eu(III) cho thấy, huỳnh quang đỏ xuất hiện trong tế bào chất của tế bào (PC3). Kết quả này chứng tỏ, phức chất của Eu (III) có thể có ứng dụng tiềm năng trong công nghệ hình ảnh tế bào.

Các tác giả [26] đã tổng hợp các hợp chất Ba0,05Sr0,95WO4 đồng pha tạp Tm3+ và Dy3+ bằng phương pháp đốt cháy nhiệt độ thấp. Cấu trúc của các mẫu là SrWO4 được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Hình thái học bề mặt của Ba0,05Sr0.91WO4: 0.01Tm3+0.03Dy3+ được xác định bằng phương pháp hiển vi điện tử quét. Các hạt có hình elip và đường kính trung bình của chúng khoảng 0,5 μm. Phổ phát xạ huỳnh quang của Ba0,05 Sr0.95WO4: Tm3+ cho thấy có một pic cực đại tại 454 nm tương ứng sự chuyển mức năng lượng 3 1

6 2

H  D của Tm3+, nồng độ doping tối ưu của các ion Tm3+

là 0,01. Phổ phát xạ của Ba0,05Sr0,95WO4: Dy3+ xuất hiện với cường độ mạnh tương ứng với sự chuyển dời 4 6

9 / 2 1 3 / 2

F  H tại pic ở 573 nm, sự chuyển dời 4 6

9 / 2 1 5 / 2

F  H có cường độ yếu hơn nằm ở 478 và 485 nm, cường độ phát xạ yếu nhất thuộc về chuyển dời 4 6

9 / 2 1 1 / 2

F  H nằm ở 660 nm và nồng độ doping tối ưu của các ion Dy3+

là 0,05. Ánh sáng trắng thu được từ tinh thể Ba0,05Sr0,95 MoO4 pha trộn Tm3+ và Dy3+ khi được kích thích ở 352-366 nm. Với nồng độ doping của Tm3+

cố định ở 0,01, phát quang của Ba0,05Sr0,95MoO4: Tm3+ Dy3+ gần với phát xạ ánh sáng trắng tiêu chuẩn khi nồng độ Dy3+ là 0,03.

Sự phát quang hoá học đã được biết từ lâu, song những nghiên cứu về khả năng phát quang của phức chất đất hiếm không nhiều và đặc biệt có ít tài liệu công bố về sự phát quang của các phức chất benzoat đất hiếm.

Chƣơng 2

THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 2.1. Dụng cụ và hoá chất 2.1.1. Dụng cụ - Bình nón 100ml. Bình Kendan. - Các loại bình định mức 50 ml, 100 ml, 250 ml, 500 ml, 1000 ml. - Buret 25 ml. - Pipet các loại 1ml, 5 ml, 10 ml, 20 ml, 25 ml. - Cốc thủy tinh chịu nhiệt dung tích 50 ml, 100 ml. - Giấy thử pH.

- Phễu lọc thủy tinh xốp. - Cân phân tích điện tử.

- Bếp điện, tủ sấy, bình hút ẩm, tủ hút. - Máy khuấy từ.

- Máy lọc hút chân không.

2.1.2. Hóa chất

- Các oxit đất hiếm: Tb2O3, Er2O3, Yb2O3 (Nhật). - Axit benzoic (Merck)

- Axit HCl đặc (36,5%), H2SO4 đặc (98%). - Dung dịch H2O2 (30%). - CH3COONa dạng tinh thể. - EDTA. - Asenazo III. - Ống chuẩn NaOH 0,1N.

2.2. Chuẩn ị hoá chất

2.2.1. Dung dịch LnCl3

Cân một lượng oxit ứng với 10-4

mol Ln2O3 cho vào cốc chịu nhiệt 100ml, thêm một lượng dư axit HCl 36,5%. Khuấy và đun h n hợp cho đến khi thu được dung dịch trong suốt. Cô cạn dung dịch để đuổi hết axit dư.

Phương trình phản ứng xảy ra như sau:

Ln2O3 + 6HCl → 2LnCl3 + 3H2O (Ln3+: Tb3+, Er3+, Yb3+)

Thêm nước cất và lắc đều, thu được dung dịch LnCl3 trong suốt có màu đặc trưng của ion đất hiếm.

2.2.2. Dung dịch EDTA 10-2M

Sấy EDTA tinh khiết trong tủ sấy ở nhiệt độ 800C đến khối lượng không đổi, để nguội. Cân chính xác 0,3720 gam EDTA trên cân điện tử (tương ứng với 0,001 mol EDTA). Chuyển toàn bộ lượng cân vào bình định mức 100 ml, thêm nước cất đến 1/3 bình lắc đều cho tan hết. Cho nước cất đến vạch định mức và lắc đều sẽ thu được dung dịch EDTA 10-2

2.2.3. Dung dịch đệm axetat có pH ≈ 5

Để pha dung dịch đệm axetat có pH ≈ 5, cần pha dung dịch CH3COONa ~ 2M và dung dịch CH3COOH 2M như sau:

* Pha dung dịch CH3COONa ~ 2M: Cân 8,2 gam CH3COONa (ứng với 0,1 mol CH3COONa), hòa tan bằng một ít nước cất, chuyển vào bình định mức 50 ml. Thêm nước cất đến vạch định mức và lắc đều sẽ thu được dung dịch CH3COONa ~ 2M.

* Pha dung dịch CH3COOH 2M: Lấy 5,7 ml dung dịch CH3COOH 99,5% có d = 1,05 g/ml (ứng với 0,1 mol CH3COOH), chuyển vào bình định mức 50 ml, thêm nước cất đến vạch định mức và lắc đều thu được dung dịch CH3COOH 2M.

* Lấy 50 ml dung dịch CH3COONa ~ 2M chuyển vào bình định mức 500 ml, sau đó thêm 28 ml dung dịch CH3COOH 2M và thêm nước cất đến vạch định mức, lắc đều sẽ thu được dung dịch đệm axetat có pH ≈ 5.

2.2.4. Dung dịch Asenazo III ~ 0,1%

Cân 0,05 gam Asenazo III, chuyển vào cốc thủy tinh cỡ 100 ml, hòa tan bằng một ít nước cất, nhỏ từng giọt dung dịch Na2CO3 10% cho đến khi dung dịch có màu xanh tím, đun nóng đến 600C. Sau đó nhỏ từng giọt dung dịch HCl loãng vào cho đến khi dung dịch có màu tím đỏ. Chuyển tất cả vào bình định mức 50 ml, thêm nước cất đến vạch định mức, lắc đều được dung dịch Asenazo III ~ 0,1%.

2.2.5. Dung dịch NaOH 0,1M

Chuẩn bị ống chuẩn NaOH 0,1N, sau đó chuyển toàn bộ dung dịch trong ống chuẩn vào bình định mức 1 lít rồi thêm nước cất đến vạch định mức ta thu được 1 lít dung dịch NaOH 0,1M.

2.3. Tổng hợp các phức chất enzoat đất hiếm

Các benzoat đất hiếm được tổng hợp mô phỏng theo tài liệu [10]. Cách tiến hành cụ thể như sau:

Hoà tan 0,0733 gam (6.10-4

mol) axit benzoic (HBenz) trong 6ml dung dịch NaOH 0,1M theo tỉ lệ mol HBenz : NaOH = 1 : 1, h n hợp được khuấy trên máy khuấy và đun nóng ở 600

C cho đến khi thu được dung dịch Natri benzoat (NaBenz) trong suốt. Thêm từ từ 2.10-4 mol LnCl3 (Ln3+ : Tb3+, Er3+, Yb3+) vào dung dịch NaBenz. H n hợp được khuấy trên máy khuấy ở nhiệt độ phòng, pH ≈ 4 – 5, khoảng 3 – 4 giờ tinh thể phức chất từ từ tách ra. Lọc, rửa phức chất bằng nước cất trên phễu lọc thủy tinh xốp. Làm khô phức chất trong bình hút ẩm đến khối lượng không đổi. Hiệu suất tổng hợp đạt 80 ÷ 85%.

2.4. Ph n t ch hàm lƣợng ion đất hiếm trong phức chất

Để xác định hàm lượng ion đất hiếm, chúng tôi tiến hành vô cơ hóa mẫu, sau đó xác định hàm lượng ion đất hiếm trong phức chất bằng phương pháp chuẩn độ complexon chất chỉ thị là Asenazo III. Được thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa Vô cơ - Khoa Hóa học - Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên.

Các phức chất đã tổng hợp đều được phân tích xác định hàm lượng ion đất hiếm. Phương pháp phân tích hàm lượng ion đất hiếm được tiến hành như sau:

Cân một lượng chính xác mẫu nghiên cứu (0,020 ÷ 0,040) gam trên cân điện tử. Chuyển toàn bộ lượng cân vào bình Kendan. Thấm ướt mẫu bằng vài giọt H2SO4 đặc, sau đó đun trên bếp điện cho tới khi có khí SO2 bay ra. Để nguội, thêm 1 ÷ 2 ml H2O2 30%, tiếp tục đun nóng cho tới khi SO2 bay ra hết. Cứ lặp lại như vậy cho tới khi thu được dung dịch trong suốt có màu đặc trưng của ion đất hiếm. Sau đó, chuyển toàn bộ dung dịch vào bình định mức 50 ml, thêm nước cất đến vạch định mức và lắc đều.

Hàm lượng ion đất hiếm Ln3+ được xác định dựa trên phản ứng tạo phức bền của Ln3+

với EDTA ở pH ≈ 5, chất chỉ thị là Asenazo III. - Nguyên tắc:

Dựa trên phản ứng tạo phức bền của ion Ln3+

với EDTA. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:

Ln 3+ + H2Ind  LnInd+ + 2H+ LnInd+ + H2Y2-  LnY- + H2Ind (H2Ind: Chất chỉ thị, H2Y2-: EDTA)

Tại điểm tương đương dung dịch chuyển màu từ xanh biếc sang đỏ nho. - Cách tiến hành cụ thể như sau: Dùng pipet lấy chính xác V(ml) dung dịch Ln3+

cho vào bình nón 100 ml. Thêm khoảng 5 ml dung dịch đệm axetat có pH = 5. Thêm tiếp vào đó 2 ÷ 3 giọt chất chỉ thị Asenazo III, dung dịch có màu xanh. Đun nóng nhẹ dung dịch rồi sau đó chuẩn độ bằng dung dịch EDTA 10-3M, khi dung dịch có màu đỏ nho thì ngừng chuẩn độ.

Ghi số ml EDTA đã tiêu tốn, làm thí nghiệm 3 lần, sau đó lấy kết quả trung bình.

Hàm lượng ion Ln3+

được tính theo công thức sau:

3 3 3 3 3 E D T A E D T A E D T A E D T A L n 3 L n L n L n 5 .V .C .M V .C 5 0 1 % L n . .M . .1 0 0 % V 1 0 m m .V        (%) Trong đó:

VEDTA là thể tích dung dịch EDTA đã dùng chuẩn độ (ml). CEDTA là nồng độ mol/l của dung dịch EDTA (M).

MLn3+ là khối lượng mol của ion Ln3+ (Ln3+ : Tb3+, Er3+, Yb3+)(g/mol)). m là khối lượng mẫu đem phân tích (g).

VLn3+ là thể tích dung dịch Ln3+ đem chuẩn độ (ml).

Kết quả được trình bày ở bảng 2.1. Công thức giả thiết của phức chất đưa ra được dựa trên cơ sở kết hợp dữ kiện phổ hấp thụ hồng ngoại, giản đồ phân tích nhiệt và phổ khối lượng của phức chất.

Bảng 2.1. Hàm lƣợng ion kim loại trong các phức chất benzoat đất hiếm STT Công thức giả định

của các phức chất

Hàm lƣợng ion kim loại trong các phức chất (%) Lý thuyết Th c nghiệm 1 Na[Tb(Bez) 4] 23,87 23,73 2 Na[Er(Bez) 4] 24,77 24,64 3 Na[Yb(Bez) 4] 25,44 25,31

Kết quả phân tích hàm lượng ion đất hiếm trong các phức chất tương đối phù hợp với công thức giả thiết của các phức chất.

2.5. Nghiên cứu các phức chất ằng phƣơng pháp phổ hồng ngoại

Để nghiên cứu tính chất liên kết trong phức chất chúng tôi nghiên cứu phổ hồng ngoại của chúng. Phổ hồng ngoại của axit benzoic và các phức chất benzoat được đưa ra ở các hình từ 2.1đến 2.3. Kết quả được tóm tắt trong bảng 2.2.

Hình 2.1. Phổ hấp thụ hồng ngoại của axit benzoic

Trên cơ sở so sánh phổ hồng ngoại của các phức chất với phổ hồng ngoại của axit benzoic tự do, chúng tôi quy kết các dải hấp thụ của các benzoat đất hiếm như trong bảng 2.2.

Bảng 2.2. Các số sóng hấp thụ đặc trƣng trong phổ hồng ngoại của phối t và phức chất benzoat đất hiếm (cm-1

)

Stt Hợp chất v(COOH) νas(COO-) νs(COO-) v(CH) v(C-C) v(Ln-O) v(OH)

1 HBez 1687 - 1423 2835 1602 3485 3 Na[Tb(Benz)4] - 1519 1396 2974 1595 424 - 4 Na[Er(Benz)4] - 1519 1390 2987 1595 445 - 5 Na[Yb(Benz)4] - 1523 1394 2974 1597 422 -

Phổ hồng ngoại của axit benzoic xuất hiện dải hấp thụ ở 3485 cm-1, dải này được quy gán cho dao động hoá trị của nhóm OH trong COOH. Dải ở 1687 cm-1 có cường độ rất mạnh được quy gán cho dao động hoá trị bất đối xứng của

liên kết C=O trong nhóm –COOH. Dải này có số sóng thấp chứng tỏ axit tồn tại ở dạng dime. Dải ở 1423 cm-1 được quy gán cho dao động hoá trị đối xứng của nhóm C O O. Dải ở 1602 cm-1 được quy gán cho dao động của liên kết C=C.

Đối với các phức chất của Tb(III), Er(III), Yb(III), trên phổ hấp thụ hồng ngoại đều xuất hiện dải có cường độ mạnh ở vùng (1519 ÷ 1523) cm-1, các dải nàyđược quy gán cho dao động hóa trị bất đối xứng của nhóm -COO-. Các dải này đã dịch chuyển về vùng có số sóng thấp hơn so với vị trí tương ứng của nó trong phổ hấp thụ hồng ngoại của axit benzoic (1687 cm-1), chứng tỏ trong các phức chất không còn nhóm -COOH tự do mà đã hình thành sự phối trí của ion đất hiếm qua nguyên tử oxi của nhóm -COO-, làm cho liên kết C=O trong các phức chất bị yếu đi. Các dải có cường độ mạnh ở 1492 cm-1 được quy gán cho dao động hóa trị đối xứng của nhóm -COO-. Trong phổ hồng ngoại của các phức chất, giá trị hiệu các số sóng của dao động bất đối xứng và đối xứng

( C O ) a s s

(       ) của nhóm -COO- nằm trong khoảng (129 ÷ 133) cm-1, chứng tỏ

khuynh hướng phối trí vòng hai càng là đặc trưng trong các benzoat đất hiếm. Các dải ở vùng (2974 - 2987) cm-1

được quy gán cho dao động hóa trị của liên kết C-H, các dải ở vùng (1595 - 1597) cm-1

được quy gán cho dao động hóa trị của liên kết C=C.

Trong phổ hồng ngoại của các phức chất của Tb(III), Er(III), Yb(III) không xuất hiện dao động hóa trị trong vùng (3000-3500) cm-1

đặc trưng cho sự có mặt của nhóm –OH trong phân tử nước, chứng tỏ 3 phức chất đều ở trạng thái khan, không chứa nước.

2.6. Nghiên cứu các phức chất ằng phƣơng pháp ph n t ch nhiệt

Nghiên cứu tính bền nhiệt của các phức chất chúng tôi sử dụng phương pháp phân tích nhiệt. Giản đồ phân tích nhiệt được ghi trên máy SETARAM Labsys TG trong môi trường không khí. Nhiệt độ được nâng từ nhiệt độ phòng đến 10000C với tốc độ đốt nóng 100C/phút, thực hiện tại Viện Hóa học, Viện Hàn Lâm KH và CN Việt Nam.

Độ bền nhiệt của các phức chất được nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt. Giản đồ phân tích nhiệt của các phức chất được đưa ra ở các hình từ 2.4 ÷ 2.6. Kết quả được tóm tắt ở bảng 2.3.

Bảng 2.3. Kết quả ph n t ch nhiệt của các phức chất benzoat đất hiếm

TT Phức chất Nhiệt độ xuất hiện hiệu ứng

Phương pháp phổ hồng ngoại

Phương pháp phân tích nhiệt