6. Bố cục đề tài
1.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.3.1. Phân tích trọng lƣợng [19]
* Bản chất của phương pháp
Phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng là phƣơng pháp phân tích định lƣợng dựa vào kết quả cân khối lƣợng của sản phẩm, hình thành sau phản ứng kết tủa bằng phƣơng pháp hóa học hay phƣơng pháp vật lý. Do chất phân tích chiếm một tỉ lệ xác định trong sản phẩm đem cân do đó dựa vào khối lƣợng đem cân dễ dàng suy ra lƣợng chất phân tích trong đối tƣợng phân tích.
Quá trình phân tích một chất theo phƣơng pháp trọng lƣợng: - Chọn mẫu và gia công mẫu.
- Tách trực tiếp chất cần xác định hoặc các thành phần của nó khỏi sản phẩm phân tích dƣới trạng thái tinh khiết hóa học hay dạng hợp chất có thành phần xác định bằng phản ứng kết tủa hay điện phân.
- Xử lý sản phẩm đã tách bằng các biện pháp thích hợp (rửa, nung, sấy…) rồi đem cân để tính toán kết quả.
* Thao tác thực nghiệm của phương pháp
- Để thu đƣợc dạng cân, mẫu cần đƣợc sấy trong tủ sấy hoặc nung đến khối lƣợng không đổi.
- Chén đƣợc rửa cẩn thận, sấy khô và đƣợc nung trong điều kiện nung kết tủa.
- Bình hút ẩm đƣợc đậy lại bằng nút thủy tinh có vòi hút và đƣợc chuyển vào phòng cân.
- Khi chén có nhiệt độ của không khí phòng cân, dùng cặp lấy nó ra khỏi bình hút ẩm và cân trên cân phân tích với độ chính xác 0.002 gam. Việc nung chén sứ có mẫu đƣợc tiến hành không ít hơn 2 lần nếu hệ số của mẫu 2 lần cân không vƣợt quá 0,002 gam. Nếu trƣờng hợp ngƣợc lại, việc nung chén sứ cần đƣợc lặp lại cho đến khi khối lƣợng chén sứ không đổi.
* Ưu – nhược điểm của phương pháp phân tích trọng lượng
- Ƣu điểm
Các phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng cho phép ta xác định đƣợc với độ chính xác cao hàm lƣợng của các cấu tử riêng biệt. Phân tích trọng lƣợng đƣợc dùng nhiều để xác định rất nhiều kim loại và các phi kim thành phần của hợp kim, của quặng silicat, các hợp chất hữu cơ…Bằng phƣơng pháp trọng lƣợng, ngƣời ta tiến hành các xác định với độ chính xác đạt tới 0,01 – 0,005%, độ chính xác đó vƣợt qua độ chính xác của phƣơng pháp chuẩn độ.
- Nhƣợc điểm
Nhƣợc điểm của phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng là thời gian xác định kéo dài. Vì nguyên nhân này mà các phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng bị mất đi giá trị trƣớc kia của mình và trong thực tiễn ngƣời ta thay thế bằng các phƣơng pháp phân tích hóa học và hóa lý hiện đại nhanh hơn nhiều.
1.3.2. Các phƣơng pháp chiết [8]
* Định nghĩa
Phƣơng pháp chiết là phƣơng pháp chuyển một chất ở trạng thái hòa tan hay huyền phù từ pha lỏng (hoặc pha rắn) này sang pha lỏng khác. Chiết những chất hòa tan trong dung dịch hoặc ở dạng huyền phù gọi là chiết lỏng – lỏng, chiết những chất từ hỗn hợp rắn gọi là chiết chất rắn – lỏng.
a. Kỹ thuật chiết lỏng – lỏng
Nguyên tắc cơ bản của chiết lỏng – lỏng là sự phân bố của một chất tan vào hai pha lỏng và hai pha lỏng này không hòa tan vào nhau. Hằng số phân bố của một chất tan cho biết khả năng hòa tan của chất này đối với hai pha lỏng tại thời điểm cân bằng, đƣợc biểu diễn bằng hằng số phân bố K :
K = Ca : nồng độ của chất tan trong pha (a) tại giai đoạn cân bằng Cb: nồng độ của chất tan trong pha (b) tại giai đoạn cân bằng
Dung môi chiết phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Dung môi chiết phải hòa tan tốt nhất đƣợc chiết.
- Không hòa lẫn với dung môi cũ, nghĩa là có tỉ khối khác nhiều với dung môi cũ.
- Dung môi này không đƣợc tƣơng tác với chất cần thiết và có nhiệt độ sôi tƣơng đối thấp.
- Ảnh hƣởng của pH - Vai trò của sự tạo phức
- Ảnh hƣởng của sự tạo thành hợp chất ít tan.
b. Kỹ thuật chiết rắn – lỏng
Có thể tiến hành theo các phƣơng pháp: phƣơng pháp chiết nguội và phƣơng pháp chiết nóng.
vào dung môi thích hợp trong thời gian xác định, sau đó gạn hoặc lọc lấy dung dịch rồi cô quay dung môi.
Phƣơng pháp chiết nóng đƣợc tiến hành bằng cách đun hồi lƣu chất rắn với dung môi rồi gạn hoặc lọc lấy dung dịch. Để tăng hiệu qủa chiết và tiết kiệm dung môi, ngƣời ta dùng bộ chiết soxhlet.
Ngoài ra, ngày nay ngƣời ta còn sử dụng những phƣơng pháp chiết hiện đại với sự kết hợp của các thiết bị khác nhƣ: chiết bằng phƣơng pháp CO2 trạng thái siêu tới hạn, phƣơng pháp trích ly có hỗ trợ vi sóng, hỗ trợ sóng siêu âm.
1.3.3 Phƣơng pháp quang phổ UV – Vis
* Nguyên tắc của phương pháp
Phƣơng pháp quang phổ UV – Vis là phƣơng pháp phân tích dựa trên việc đo độ hấp thụ bức xạ đơn sắc của dung dịch nghiên cứu ở các bƣớc sóng xác định trong vùng tử ngoại – khả kiến [9].
Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp là định luật Lamber – Beer và đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình sau:
A = lg = lg = ε.C.l Trong đó :
Ε : hệ số tắt phân tán T : hệ số truyền qua
L : chiều dày lớp dung dịch
Io : cƣờng độ ánh sáng đơn sắc tới
I : cƣờng độ ánh sáng sau khi truyền qua dung dịch C : nồng độ của chất tan trong dung dịch
Điều kiện áp dụng định luật Lamber – Beer: - Ánh sáng phải đơn sắc.
- Dung dịch phải trong suốt.
- Chất thử phải bền trong dung dịch và bền dƣới tác dụng của ánh sáng UV – Vis
* Sơ đồ nguyên lý của máy
Nguồn sáng Bộ chọn sóng đơn sắc Mẫu đo Detector Xử lý số liệu
1.3.4. Phƣơng pháp hấp thụ nguyên tử [7]
* Nguyên tắc và các bộ phận cơ bản của phép đo AAS
Nguyên tắc của phƣơng pháp này dựa trên ba bƣớc chính nhƣ sau: 1. Quá trình nguyên tử hoá mẫu:
Trong bƣớc này cần chọn các điều kiện và một loại trang bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do. Những trang bị để thực hiện quá trình này đƣợc gọi là hệ thống nguyên tử hoá mẫu. Nhờ đó ta có đƣợc đám hơi của các nguyên tử tự do của mẫu phân tích. Đám hơi này chính là môi trƣờng hấp thụ bức xạ và sinh ra phổ hấp thụ nguyên tử.
2. Quá trình tạo phổ hấp thu nguyên tử AAS
Chiếu chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tố cần xác định trong đám hơi nguyên tử vừa điều chế ở trên. Các nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong đám hơi sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó. Ở đây, phần cƣờng độ của chùm tia sáng đã bị một loại nguyên tử hấp thụ là phụ thuộc vào nồng độ của nó trong môi trƣờng hấp thụ. Nguồn cung cấp chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần nghiên cứu đƣợc gọi là nguồn phát bức xạ đơn sắc hay bức xạ cộng hƣởng.
3. Quá trình thu phân li và chọn vạch phổ hấp thụ đặc trƣng của nguyên tố cần nghiên cứu để đo cƣờng độ của nó. Cƣờng độ đó chính là tín hiệu hấp thụ của vạch phổ hấp thụ. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ giá trị
cƣờng độ này là phụ thuộc tính vào nồng độ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích [20].
* Những ưu điểm và nhược điểm của phép đo AAS - Ưu điểm
Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc cao. Gần 60 nguyên tố hoá học có thể đƣợc xác định bằng phƣơng pháp này với độ nhạy từ 10-4 đến 10-5 . Đặc biệt, nếu sử dụng kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa thì có thể đạt đến độ nhạy n.10-7. Đồng thời cũng do độ nhạy cao nên trong nhiều trƣờng hợp không phải làm giầu nguyên tố cần xác định trƣớc khi phân tích. Do đó tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian và không cần phải dùng nhiều hoá chất tinh khiết cao khi làm giầu mẫu. Mặt khác cũng tránh đƣợc sự nhiễm bẩn mẫu khi xử lí qua các giai đoạn phức tạp. Đó cũng là một ƣu điểm lớn của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử.
Ƣu điểm thứ ba của phƣơng pháp này là có thể xác định đồng thời với liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu. Các kết quả phân tích lại rất ổn định, sai số nhỏ. Trong nhiều trƣờng hợp sai số không quá 15% với vùng nồng độ cỡ ppm.
- Nhược điểm
Bên cạnh những ƣu điểm, phép đo phổ hấp thụ nguyên tử cũng có một số hạn chế và nhƣợc điểm nhất định. Điều hạn chế trƣớc hết là muốn thực hiện phép đo này cần phải có một hệ thống máy tƣơng đối đắt tiền. Do đó nhiều cơ sở nhỏ không đỏ để xây dựngphòng thí nghiệm về mua sắm máy móc.
Mặt khác cũng chính do phép đo có độ nhậy cao, cho nên sự nhiễm bẩn rất có ý nghĩa đối với kết quả phân tích hàm lƣợng vết. Vì thế môi trƣờng không khí phòng thí nghiệm phải không có bụi. Các dụng cụ, hoá chất dùng trong phép đo phải có độ tinh khiết cao. Đó cũng là một khó khăn khi ứng dụng phƣơng pháp phân tích này.
Nhƣợc điểm chính của phƣơng pháp phân tích này là chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố của chất ở trong mẫu phân tích, mà không chỉ ra trạng thái liên kết của nguyên tố ở trong mẫu. Vì thế nó chỉ là phƣơng pháp phân tích thành phần nguyên tố mà thôi [11].
* Đối tượng và phạm vi ứng dụng của phép đo AAS
Đối tƣợng chính của phƣơng pháp phân tích theo phổ hấp thụ nguyên tử là phân tích lƣợng nhỏ (lƣợng vết) các kim loại trong các loại mẫu khác nhau của các chất vô cơ và hữu cơ. Với các trang bị và kĩ thuật hiện nay, bằng phƣơng pháp phân tích này ngƣời ta có thể định lƣợng đƣợc hầu hết các kim loại (khoảng 65 nguyên tố) và một số á kim đến giớ hạn nồng độ cỡ ppb (một phần tỉ), với sai số không lớn hơn 15%. Phƣơng pháp phân tích này đã đƣợc sử dụng để xác định các kim loại trong quặng, đất đá, nƣớc khoáng, các mẫu của y học, sinh học, các sản phẩm nông nghiệp, rau quả, thực phẩm, nƣớc uống, các nguyên tố vi lƣợng trong phân bón, trong thức ăn gia súc.
Bên cạnh các kim loại, một vài á kim nhƣ Si, P, As, Se, Te, cũng đƣợc xác định bằng phƣơng pháp phân tích này. Các á kim khác nhƣ C, Cl, O, N không xác định đƣợc bằng phƣơng pháp này.
1.3.5. Phƣơng pháp soxhlet [6]
Máy gồm 3 bộ phận tháo ráp đƣợc tại các vị trí nút mài (1), (2), (3). Gồm một bình cầu đặt trong bếp đun có thể điều chỉnh nhiệt độ. Một bộ phận chứa mẫu, gồm 3 ống. Ống D có đƣờng kính lớn, ở giữa để chứa bột cây, ống B có đƣờng kính trung bình, để dẫn dung môi từ bình cầu bay lên, đi vào ống D chứa bột cây, ống E có đƣờng kính nhỏ, là ống thông nhau, để dẫn dung môi từ D trả ngƣợc trở lại bình cầu. Trên cao nhất là ống sinh hàn.
Mẫu đƣơc đặt trực tiếp trong ống D hoặc tốt nhất đƣợc đặt trong túi vải hoặc giấy lọc để dễ lấy mẫu ra khỏi máy. Lƣu ý đặt vài viên bi thủy tinh dƣới đáy ống D để tránh làm nghẹt lối ra vào của ống thông nhau E.
Rót dung môi đã lựa chọn vào bình cầu bằng cách tháo hệ thống ở chỗ nút mài 2 nhƣ thế dung môi sẽ thấm ƣớt mẫu rồi mới chạy xuống bình cầu, ngang qua ngõ ống thông nhau E. Lƣu ý, để thể tích lƣợng dung môi trong bình cầu không đƣợc nhiều hơn hai phần ba thể tích của bình cầu.
Kiểm tra hệ thống kín: mở cho nƣớc chảy hoàn lƣu trong ống ngƣng hơi. Cắm bếp điện và điều chỉnh nhiệt độ sao cho dung môi trong bình cầu sôi nhẹ đều. Dung môi tinh khiết khi đƣợc đun nóng sẽ bốc hơi lên cao, theo ống B lên cao hơn, rồi theo sinh hàn để lên cao hơn nữa, tại đây hơi dung môi bị ống sinh hàn làm lạnh, ngƣng tụ thành thể lỏng, rớt thẳng xuống ống D đang chứa mẫu. Dung môi ngấm vào mẫu và chiết những chất hữu cơ nào có thể hòa tan trong dung môi. Theo quá trình đun nóng lƣợng dung môi rơi vào ống D càng nhiều, mức dung môi dâng lên cao trong ống D và đồng thời cũng dâng cao trong ống E, vì đây là ống thông nhau. Đến một mức cao nhất trong ống E, dung môi sẽ bị hút về bình cầu, lực hút này sẽ rút hết lƣợng dung môi đang chứa trong D, bếp vẫn tiếp tục đun và một quy trình mới vận chuyển dung môi theo nhƣ mô tả lúc đầu. Các hợp chất đƣợc hút xuống bình cầu và nằm lại tại đó, chỉ có dung môi tinh khiết là đƣợc bốc hơi bay lên để tiếp tục quá trình chiết. Tiếp tục chiết đến khi chiết kiệt chất trong mẫu.
Kiểm tra sự chiết kiệt bằng cách tắt máy để nguội và mở hệ thống chỗ nút mài (3), rút lấy một giọt dung môi và thử trên mặt kiếng, nếu thấy không có vết gì trên kiếng là đã chiết kiệt.
Sau khi hoàn tất, lấy dung môi chiết ra khỏi bình cầu A, đuổi dung môi thu đƣợc cao chiết.
1.3.6. Phƣơng pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) [9]
Hình 2.2. Máy sắc ký khí ghép khối phổ (Nguồn: tnic.com.vn)
Phƣơng pháp sắc ký khí ghép khối phổ (viết tắc là GC - MS hoặc GCMS) dựa trên cơ sở mối ghép máy sắc ký khí (gas chromatography) và khối phổ (mass spectrometry). Phần sắc ký khí (GC) dùng để phân tích hỗn hợp các chất và tìm ra chất cần phân tích, phần khối phổ (MS) mô tả các hợp phần riêng lẻ bằng cách mô tả số khối. Bằng sự kết hợp hai kỹ thuật này các nhà hóa học có thể đánh giá, phân tích định tính và định lƣợng và có cách giải quyết đối với một số hóa chất. Ngày nay, ngƣời ta ứng dụng ký thuật GC – MS rất nhiều và sử dụng rộng rãi trong các ngành y học, môi trƣờng, nông sản, kiểm nghiệm thục phẩm
Các bộ phận chính của máy khối phổ:
Buồng ion hóa
Bộ phận phân tích tử
Bộ phận tập hợp ion và phóng đại
Bộ phận ghi
* Nguyên lý hoạt động của máy sắc ký khí kết hợp khối phổ
Dung môi chứa hỗn hợp các chất sẽ đƣợc tiêm vào hệ thống tại cửa tiên mẫu. Mẫu sau đó đƣợc dẫn qua hệ thống bởi khí trơ, thƣờng là helium, nhiệt độ ở cửa tiêm mẫu sẽ đƣợc nâng lên 30000C để mẫu trở thành dạng khí. Phần vỏ ngoài (oven) của hệ thống GC chính là một lò nung đặc biệt. Nhiệt độ của lò này dao động từ 40o
C – 3200C. Bên trong hệ thống GC là một cuộn ống nhỏ hình trụ có chiều dài 30m với mặt trong đƣợc tráng bằng một loại polimer đặc biệt. Các chất trong hỗn hợp đƣợc phân tách bằng cách chạy dọc theo cột này.
Sau khi đi qua cột sắc ký khí, các hóa chất tiếp tục đi vào pha khối phổ, ở đây chúng bị ion hóa, sau đó tới bộ phận lọc. Dựa trên khối lƣợng, bộ lọc lựa chọn chỉ cho phép các hạt có khối lƣợng nằm trong một giới hạn nhất định đi qua. Thiết bị cảm ứng có nhiệm vụ đếm số lƣợng các hạt có cùng khối lƣợng. Thông tin này sau đó đƣợc chuyển đến máy tính và xuất ra kết quả gọi là phổ khối. Phổ khối là một phổ đồ phản ánh các ion với khối lƣợng khác nhau đi qua bộ phận lọc. Máy tính là bộ phận chịu trách nhiệm tính toán các tín hiệu do bộ cảm biến cung cấp và đƣa ra kết quả khối phổ.
Ta so sánh kết quả khối phổ thu đƣợc trong thí nghiệm với một thƣ