Dựa vào nguyên tắc của phép đo, ta có thể mô tả hệ thống trang thiết bị của máy phổ hấp thụ nguyên tử gồm các phần:
+ Nguồn phát trùm bức xạ đơn sắc của các nguyên tố cần phân tích
- Đèn catot rỗng (Hollow Cathode Lamp - HCL).
- Đèn phóng điện không điện cực (Electrodeless Discharge Lamp - EDL). - Đèn phát phổ liên tục đã biến điệu (Deuterium Hollow Cathode Lamp – D2).
Hình 2.1. Đèn catot rỗng Hình 2.2. Đèn D2 + Hệ thống nguyên tử hóa mẫu phân tích theo kĩ thuật GF - AAS
Trong kĩ thuật này, người ta dùng một lò nung bằng graphit (cuvet graphuit) hay thuyền Tantan để nguyên tử hóa mẫu. Kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hóa mẫu tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng điện công suất lớn có thế thấp (nhỏ hơn 12V) nhưng dòng cao (50 – 800A) trong môi trường khí trơ. Quá trình nguyên tử hóa xảy ra theo các giai đoạn kế tiếp nhau: Sấy khô, tro hóa luyện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
mẫu, nguyên tử hóa 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 hóa đạt kết quả tốt. Nhiệt độ trong cuvet graphit là yếu tố chính quyết định mọi diễn biến của quá trình nguyên tử hóa mẫu. Kĩ thuật này có độ nhạy rất cao, gấp hàng trăm có khi đến hàng nghìn lần phép đo trong ngọn lửa mà lượng mẫu tiêu tốn ít (mỗi lần 20-50μL). Do đó, không cần nhiều mẫu phân tích, việc chuẩn bị mẫu cũng dễ dàng, không tốn nhiều hóa chất cũng như các dung môi tinh khiết cao.
+ Hệ quang học và detector dùng để thu, phân ly toàn bộ phổ của mẫu và chọn vạch phổ hấp thụ cần đo hƣớng vào nhân quang điện để phát tín hiệu hấp thụ của vạch phổ.
+ Hệ thống hiển thị kết quả đo có nhiều cách khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp.
- Trang bị đơn giản gồm: các điện kế chỉ năng lượng hấp thụ của vạch phổ, các máy tự ghi để ghi lại cường độ vạch phổ dưới dạng các píc trên băng giấy.
- Trang bị hiện đại gồm: hệ thống bơm mẫu tự động (Auto Sampler), máy tính và phần mềm chuyên dụng điều khiển mọi quá trình làm việc của phép đo và xử lý, hiển thị kết quả đo ra màn hình. Tuy nhiên, loại trang bị này đắt tiền.
Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử đã và đang được sử dụng như một công cụ phân tích đắc lực cho nhiều ngành khoa học và kinh tế do nó có nhiều tính năng ưu việt:
- Độ nhạy và độ chọn lọc cao
- Không cần làm giàu nguyên tố cần xác định
- Thao tác thực hiện đơn giản, dễ làm và có thể xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Để xác định lượng vết Asen bằng phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, chúng tôi sử dụng hệ thống máy quang phổ hấp thụ Model AA - 6300 (hãng Shimadzu, Nhật). Đi kèm còn có bình khí nén Argon tinh khiết (99,999%). Nguồn tạo tia đơn sắc là đèn catot rỗng (HCL).
Hình 2.3.Sơ đồ hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.5. Hệ lò Graphite nguyên tử hoá mẫu
Hình 2.6. Hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AA-6300
2.3. Giới thiệu về phƣơng pháp xử lý ƣớt mẫu [10] 2.3.1. Nguyên tắc và bản chất
Dùng một axit đặc có tính oxi hóa mạnh, hay hỗn hợp các axit có tính oxi hóa mạnh để phân huỷ hết chất hữu cơ trong bình kín, để chuyển các kim loại về dạng các ion trong dung dịch muối vô cơ dễ tan.
Sự phân huỷ mẫu ở đây là do các tác nhân xẩy ra đồng thời + Năng lượng nhiệt (nhiệt độ)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.3.2. Cơ chế phân huỷ
Dưới tác dụng của axit các hạt (phân tử) mẫu bị phá huỷ và hòa tan, đồng thời tác nhân năng lượng nhiệt làm tan rã các hạt mẫu. Sự khuyếch tán đối lưu, chuyển động nhiệt, va chạm của các hạt mẫu với nhau cũng làm chúng hao mòn dần. Các tác nhân này tấn công và bào mòn dần các hạt mẫu từ ngoài vào, làm cho các hạt mẫu bị mòn dần dần, bé dần và rồi tan hết.
Các quá trình xảy ra khi phân huỷ mẫu: Dưới tác dụng của axit đặc và năng lượng nhiệt (nhiệt độ), các quá trình vật lý và hóa học sau đây sẽ xảy ra: + Sự phá vỡ màng lưới cấu trúc của hạt mẫu để giải phóng các chất phân tích và chuyển chúng vào dung dịch dưới dạng các muối tan.
+ Quá trình oxi hóa khử làm thay đổi hóa trị, chuyển đổi dạng, làm tan vỡ các hạt vật chất mẫu để giải phóng chất phân tích về dạng muối tan.
+ Tạo ra hợp chất dễ bay hơi, làm mất đi các anion trong phân tử chất mẫu…làm mẫu bị phân huỷ tạo ra các hợp chất tan trong dung dịch.
+ Sự tạo thành các hợp chất hay muối phức tan trong dung dịch.
Như vậy, trong quá trình xử lý mẫu có thể có các phản ứng hóa học xảy ra như phản ứng oxi hóa khử, phản ứng thuỷ phân, phản ứng tạo phức, phản ứng hòa tan, phản ứng kết tủa… của các phân tử chất mẫu với các axit dùng để phân hủy mẫu và các chất có trong mẫu với nhau. Trong đó, quá trình nào là chính hay phụ được quyết định bởi thành phần, chất nền, bản chất của chất mẫu và các loại axit dùng để phân hủy và hòa tan mẫu.
2.4. Hóa chất và dụng cụ 2.4.1.Hóa chất 2.4.1.Hóa chất
- Dung dịch chuẩn As3+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Ba2+, Al3+, Sn2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cr3+, Mn2+, Cu2+, Pb2+, Zn2+…dùng cho AAS (1000ppb, Merrck )
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Nước cất hai lần, các dung dịch nền và các muối: NH4Ac, NaAc, LaCl3, Mg(NO3)2, Pb(NO3)2, NH4H2PO4 tinh khiết loại PA và không phát hiện As bằng phương pháp AAS ( Merck).
2.4.2. Dụng cụ
- Máy xay, tủ xấy, máy quang phổ hấp thụ nguyên tử SHIMADZU – 6300 Nhật Bản của Trung tâm Y tế dự phòng Thái Nguyên.
- Cốc thủy tinh loại 50, 100, 150, 500 ml.
- Bình định mức 10, 25, 50, 100, 250, 500, 1000 ml. - Pipetman: 0.5, 2, 5, 10 ml.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chƣơng 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát các điều kiện đo phổ GF-AAS của Asen 3.1.1. Khảo sát chọn vạch đo
Ở trạng thái hơi, mỗi loại nguyên tử của một nguyên tố hoá học chỉ có thể hấp thụ những bức xạ có bước sóng mà chính nó phát ra trong quá trình phát xạ. Nhưng thực tế không phải mỗi loại nguyên tử có thể hấp thụ được tất cả các bức xạ mà nó phát ra, quá trình hấp thụ chỉ tốt và nhạy chủ yếu đối với các vạch nhạy (vạch đặc trưng). Đối với một nguyên tố vạch phổ nào có khả năng hấp thụ càng mạnh thì phép đo vạch đó có độ nhạy càng cao. Như vậy, đối với một nguyên tố các vạch phổ khác nhau sẽ có độ nhạy khác nhau, đồng thời với mỗi vạch này có thể có rất nhiều các nguyên tố khác trong mẫu có những vạch phổ gần với vạch phổ này, có thể chen lẫn hay nhiễu tới vạch phổ của nguyên tố phân tích làm cho việc đo cường độ vạch phân tích là thiếu chính xác. Vì mục đích xác định hàm lượng As trong chè xanh có nồng độ rất nhỏ nên chúng tôi tiến hành khảo sát để tìm ra vạch phổ có độ nhạy cao và hạn chế được ảnh hưởng của các nguyên tố có vạch phổ lân cận.
Asen có 3 bước sóng hấp thụ cộng hưởng là 189,0 nm; 193,7 nm; 197,2 nm.
Bảng 3.1. Khảo sát vạch đo của Asen
Vạch đo Abs Lần 1 Abs Lần 2 Abs Lần 3 Abs Trung bình %RSD 189,0 nm 0,1118 0,1120 0,1117 0,1118 0,137 193,7 nm 0,1120 0,1119 0,1120 0,1120 0,052 197,2 nm. 0,1121 0,1119 0,1118 0,1119 0,136
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Như vậy, qua kết quả khảo sát bảng 3.1 ta thấy tại vạch đo 193,7 nm độ hấp thụ của Asen lớn nhất và sai số nhỏ nhất. Do vậy chúng tôi chọn vạch đo của Asen là 193,7 nm.
3.1.2. Khảo sát chọn khe đo của máy phổ hấp thụ nguyên tử
Theo nguyên tắc hoạt động của hệ thống đơn sắc trong máy phổ hấp thụ nguyên tử, chùm tia phát xạ cộng hưởng của nguyên tố cần nghiên cứu được phát ra từ đèn catot rỗng đi qua môi trường hấp thụ hướng vào khe đo của máy, được chuẩn trực, phân ly cuối cùng chỉ một vạch phổ cần đo được chọn và hướng vào khe đo tác dụng vào nhân quang điện để phát hiện và xác định cường độ vạch phổ. Do vậy, khe đo của máy phải được chọn chính xác, phù hợp với từng vạch phổ, có độ lặp lại cao trong mỗi phép đo và lấy được hết độ rộng của vạch phổ.
Đối với vạch phổ hấp thụ của Asen, khe đo phù hợp là 0,5 nm. Ở khe này diện tích píc của vạch phổ nằm hoàn toàn trong khe đo.
3.1.3. Khảo sát cƣờng độ dòng đèn catot rỗng
Đèn catot rỗng (HCL) là nguồn phát bức xạ cộng hưởng, nó chỉ phát ra những tia phát xạ nhậy của nguyên tố kim loại được dùng làm catot rỗng. Đèn HCL làm việc tại mỗi chế độ dòng nhất định sẽ cho chùm phát xạ có cường độ nhất định. Cường độ làm việc của đèn catot rỗng HCL có liên quan chặt chẽ tới cường độ hấp thụ của vạch phổ. Dòng điện làm việc đèn của mỗi nguyên tố là khác nhau.
Mỗi đèn HCL đều có dòng giới hạn cực đại (Imax) được ghi trên vỏ đèn. Theo lý thuyết và thực nghiệm phân tích phổ hấp thụ nguyên tử chỉ nên dùng cường độ trong vùng giới hạn từ 60 – 80% Imax. Vì ở điều kiện dòng cực đại thì đèn làm việc không ổn định và nhanh hỏng đèn, đồng thời phép đo có độ nhạy và độ lặp lại kém.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khảo sát cường độ dòng đèn HCL của Asen để xem xét mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ với cường độ dòng đèn, đồng thời chọn ra cường độ dòng đèn thích hợp nhất cho nguyên tố Asen.
Bảng 3.2. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào cƣờng độ dòng đèn
Cường độ dòng (mA) 9 10 11 Độ hấp thụ của As Lần 1 0,1122 0,1121 0,1118 Lần 2 0,1119 0,1121 0,1115 Lần 3 0,1120 0,1119 0,1108 Trung bình 0,1120 0,1120 0,1114 Sai số (%RSD) 0,1163 0,1030 0,1866
Kết quả nghiên cứu bảng 3.2 cho thấy ở cường độ dòng 10 mA sai số nhỏ mà vẫn đảm bảo độ hấp thụ tốt. Vì vậy chúng tôi chọn cường độ dòng đèn cho phép đo là 10 mA.
3.2. Khảo sát các điều kiện nguyên tử hoá mẫu
Kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hoá tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng điện có công suất lớn và trong môi trường khí trơ. Quá trình nguyên tử hoá mẫu xảy ra theo bốn giai đoạn kế tiếp nhau:
- Giai đoạn sấy khô
- Giai đoạn tro hoá luyện mẫu
- Giai đoạn nguyên tử hoá mẫu để đo phổ hấp thụ nguyên tử và cuối cùng là giai đoạn làm sạch cuvet. Trong đó hai giai đoạn đầu là chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hoá để đạt được kết quả tốt. Nhiệt độ trong cuvet graphit quyết định mọi sự diễn biến của quá trình nguyên tử hoá mẫu. Thường quá trình nguyên tử hoá xảy ra theo bốn giai đoạn kế tiếp, tổng thời gian là 60 – 80s.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.2.1. Nhiệt độ sấy khô mẫu
Đây là giai đoạn đầu tiên và rất cần thiết để đảm bảo cho dung môi hoà tan bay hơi nhẹ hoàn toàn, nhưng không bị bắn ra ngoài làm mất mẫu. Nhiệt độ và thời gian sấy khô của mỗi loại mẫu phụ thuộc vào bản chất của các chất ở trong mẫu và dung môi hoà tan nó. Nói chung nhiệt độ sấy khô phù hợp với đa số các mẫu vô cơ trong dung môi nước nằm trong khoảng từ 100 - 2500
C trong thời gian từ 20-40 giây với lượng mẫu được bơm vào cuvet nhỏ hơn 100µl. Việc tăng nhiệt độ sấy từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ sấy mong muốn cần phải được thực hiện từ từ, với tốc độ tăng nhiệt độ từ 5 - 8 o
C /giây là phù hợp. Vì vậy, chúng tôi thực hiện sấy khô mẫu làm hai giai đoạn:
- Giai đoạn 1: ở 1200C với thời gian là 20 giây. - Giai đoạn 2: ở 1500C với thời gian là 10 giây.
3.2.2. Khảo sát nhiệt độ tro hoá luyện mẫu
Đây là giai đoạn thứ hai của quá trình nguyên tử hoá mẫu, mục đích là để tro hoá đốt cháy các hợp chất hữu cơ và mùn có trong mẫu sau khi đã sấy khô. Đồng thời cũng là để nung luyện mẫu ở một nhiệt độ thuận lợi cho giai đoạn nguyên tử hoá tiếp theo đạt hiệu suất cao ổn định. Giai đoạn này có ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả phân tích, nếu chọn nhiệt độ tro hoá không phù hợp thì một số hợp chất có thể bị phân huỷ và mất trong giai đoạn này. Lý thuyết và các kết quả thực nghiệm cho thấy tro hoá mẫu từ từ và ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ giới hạn thì phép đo luôn cho kết quả ổn định. Mỗi nguyên tố đều có một nhiệt độ tro hoá luyện mẫu giới hạn (nhỏ hơn 650 oC). Thực nghiệm cũng cho ta thấy tro hoá luyện mẫu ở nhiệt độ quá thấp so với nhiệt độ tro hoá tới hạn, thì mẫu chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hoá sẽ không tốt, nếu tro hoá mẫu ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ đó thì cường độ vạch phổ giảm và không ổn định.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Ngoài yếu tố nhiệt độ thì tốc độ tăng nhiệt độ trong quá trình tro hoá cũng ảnh hưởng đến độ ổn định của cường độ vạch phổ. Tốc độ tăng nhiệt độ quá lớn làm cho bắn mẫu, tăng chậm nhiệt độ cho kết quả tốt hơn. Từ thực nghiệm cho thấy thời gian tro hoá luyện mẫu 20 – 25 giây với lượng mẫu đưa vào cuvet nhỏ hơn 100µl. Ở đây chúng tôi chọn tổng thời gian tro hoá luyện mẫu là 20 giây. Trong đó 10 giây dùng cho việc tăng nhiệt độ từ sấy đến nhiệt độ tro hoá, 10 giây giữ nhiệt độ không đổi để luyện mẫu.
Để chọn được nhiệt độ tro hoá phù hợp chúng tôi tiến hành khảo sát đối với dung dịch chuẩn As 8 ppb trong HNO3 2% có nền Mg(NO3)2 0.01%. Chọn tổng thời gian tro hoá luyện mẫu là 20 giây, tốc độ tăng nhiệt độ (Ram time) là 60- 100 độ/giây, kết quả lấy trung bình của ba lần đo được dẫn ra bảng 3.3.
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát nhiệt độ tro hoá của Asen
Nhiệt độ (t0
C) 400 500 600 650 700
Abs-As 0,1118 0,1118 0,1118 0,1117 0,1116 Từ lý thuyết và thực nghiệm trên chúng tôi chọn nhiệt độ 6000C để tro hoá đo mẫu chè xanh đối với nguyên tố Asen.
3.2.3. Khảo sát nhiệt độ nguyên tử hoá mẫu
Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình nguyên tử hoá mẫu nhưng lại là giai đoạn quyết định cường độ của vạch phổ. Giai đoạn này thường thực hiện trong thời gian rất ngắn 3-5 giây. Nhưng tốc độ tăng nhiệt độ lại rất lớn để đạt ngay tức khắc đến nhiệt độ nguyên tử hoá mẫu và thực hiện phép đo cường độ