2.8.1.1. Cơ sở lý thuyết
Hình 26: Quá trình hấp thu và phát xạ nguyên tử
Sự hấp thu và phát xạ năng lượng nguyên tử lần đầu tiên được áp dụng trong việc định tính các nguyên tố với Guystav Kirchhoff và Robert Bunsen vào năm 1859 – 1860. Đến năm 1955, phép đo phổ hấp thu nguyên tử AAS được phát triển bởi A.Walsh và C.T.J.Alkemade. Những thiết bị đo phổ hấp thu nguyên tử bắt đầu xuấ hiện trên thị trường từ đầu những năm 1960 và phép đo này sớm đã chứng minh được vai trò và tầm quan trọng của nó trong lĩnh vực
phân tích.
Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử dựa trên sự hấp thu năng lượng bức xạ khi các nguyên tử tự do ở trạng thái khí tiếp nhận một chùm tia đơn sắc phù hợp. Sự hấp thu năng lượng bức xạ của nguyên tử tự do ở thể khí có tính chọn lọc, tức chỉ nhận những năng lượng mà bức sóng tương ứng đúng với những bức xạ mà nó có thể phát xạ mới hấp thu được.
Quá trình chuyển từ nguyên tử liên kết sang nguyên tử không liên kết được gọi là quá trình nguyên tử hóa
Ví dụ: Quá trình nguyên tử hóa của tinh thể natri clorua:
Tinh thể NaCl (rắn) NaCl nóng chảy (lỏng) NaCl hơi Na + Clo (khí)
Na+, Cl- (ion).
Để nguyên tử hóa cần dùng ngọn lửa ở nhiệt độ cao: ngọn lửa đèn khí, plasma, điện áp cao.
Điều kiện cần là nguyên tử ở trạng thái cơ bản tự do, không liên kết. Điều kiện đủ là năng lượng bức xạ điện tử chiếu vào hơi nguyên tử từ đó chuyển nguyên tử từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích.
Muốn có phổ hấp thu nguyên tử trước hết phải tạo được đám hơi nguyên tử tự dọ. Và sau đó chiếu vào một chùm tia sáng có bước sóng tương ứng đúng với các tia phát xạ nhạy của nguyên tố cần nghiên cứu. Khi đó nguyên tử tự do sẽ hấp thu năng lượng của chùm tia đó và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của nó.
2.8.1.2. Các kỹ thuật nguyên tử hóa
Quá trình nguyên tử hóa mẫu là quá trình chuyển hóa chất phân tích, có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc dung dịch, thánh các nguyên tửu tự do ở trạng thái hơi. Đây là một trong những giai đoạn quan trọng của của phép đo AAS vì chỉ có các nguyên tử tự do (của các nguyên tố phân tích) ở tạng thái hơi mới hấp thu các bức xạ và cho phổ hấp thu nguyên tử. Quá trình này có ý nghĩa quyết định đến độ nhạy của kết quả phân tích.
Quá trình nguyên tử hóa của mẫu phải có hiệu suất cao, ổn địng để đảm bảo cho phép đo đưa ra kết quả có độ chính xác cao và có độ lặp cao. Hiện nay có bốn kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu được sử dụng trong phép đo AAS bao gồm:
-Kỹ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lữa đèn khí – F – AAS (Flame Actomic Absoption Ion Spectrophotometry): độ nhạy không cao, xác định được trong khoảng 0,05 – 1ppm.
-Kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa – ETA – AAS ( Electro – Thermal Atomizat Ion Absoption Ion Spectrophotometry): độ nhạy rất cao, có thể phát hiện được ở nồng độ đạt đến 0,1mg; ứng dụng phổ biến hơn.
-Kỹ thuật hydrua hóa mẫu.
-Kỹ thuật hóa hơi trực tiếp mẫu rắn và bột.
Trong chỉ tiêu xác định hàm lượng đồng ta sử dụng kỹ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa đèn khí với ngọn lửa là Acetylen – Không khí. Với độ nhạy là 0,04
Thành phần của ngọn lửa với khí đốt là acetylen và khí oxy hóa là không khí theo tỷ lệ không khí – acetylen = 4,2 : 1,2 (l/ph). Hỗn hợp khí này tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ từ 2100 – 2400oC. Miệng đèn nguyên tử hóa thường có dạng khe hép có độ rộng 0,5 – 1mm, chiều dài 10cm cho hỗn hợp khí acetylen – không khí.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy cảu F – AAS:
-Sự chọn lựa vạch phổ nhạy để phân tích.
-Thành phần, tốc độ và nhiệt độ của hỗn hợp khí đốt.
-Tốc độ dẫn dung dịch mẫu vào hệ thống nguyên tử hóa (thường tốc độ này nằm trong khoảng 5 -6ml/phút.
-Chiều cao của đèn nguyên tử hóa. -Bề dày của môi trường hấp thu.
-Tần số máy siêu âm.
-Độ nhớt của dung dịch mẫu.
Ưu điểm của phương pháp F – AAS
-Thời gian phân tích nhanh. -Độ chính xác cao.
-Các yếu tố cản nhiễu cơ bản có thể được kiểm soát. -Giá thành thấp.
Nhược điểm của phương pháp F – AAS
-Mỗi lần đo một chỉ tiêu đều phải thay loại đen của nguyên tố đó.
2.8.1.4. Thiết bị đo phổ hấp thu nguyên tử AAS
Hình 27: Sơ đồ khối về hệ thống hấp thu nguyên tử AAS
Philips Pye Unlcam, Wet Zeiss, Shimadu,…
Hình 28: Hệ thống thiết bị AAS
Hình 29: Đèn cathode rỗng
Bộ phận đèn cathode rỗng hay còn được gọi một cách bao quát hơn là nguồn phát bức xạ đơn sắc. Nguồn phát bức xạ đơn sắc là một nguồn phát bức xạ đơn sắc của nguyên tố cần phân tích để chiếu qua môi trường hấp thụ. Nguồn phát xạ đơn sắc thường là:
- Đèn cathode rỗng (HCl – Hollow Cathode Lamp): thường được sử dụng phổ biến nhất.
- Đèn phóng điện phi cực (EDL – Electrodeless Discharge Lamp)
- Đèn phát phổ liên tục đã được biến điệu (D2 – lamp, W – lamp): có ưu việt trong máy nhiều kênh và quá trình phân tích tự động liên tiếp nguyên tố, tuy nhiên giá đắt và độ nhạy còn kém.
b. Trang bị để nguyên tử hóa mẫu
Hệ thống nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa của thiết bị F – AAS gồm 2 phần chính:
- Buồng aerosol hóa (Nebulizer system)/ Bộ phun sương (Nebulizer). - Đầu đốt / Đèn nguyên tử hóa mẫu (burner head)
Hình 30: Quá trình kỹ thuật ngọn lửa
c. Hệ thống đơn sắc và máy quang phổ hấp thụ nguyên tử
Hệ thống đơn sắc: là hệ thống để thu, phân li, chọn và phát hiện vạch phổ Quá trình aerosol hóa
+ Hỗn hợp khí đốt Dung dịch mẫu Các hạt sol Đầu đốt (Burner head)
hấp thụ cần phải đo. Hệ thống đơn sắc này là một máy quang phổ có độ phân giải tương đối cao, có thể là hệ mấy một chùm tia hay hệ máy hai chùm tia.
Cấu tạo gồm 3 phần chính:
- Hệ thông chuẩn trực dùng để chuẩn trực chùm tia sáng vào. - Hệ thống tán sắc để phân li chùm sáng đa sắc thành đơn sắc.
- Hệ buồng tối (buồng ảnh) hội tụ, để hội tụ các tia cùng bước sóng tại. Hệ thống chuẩn trực nằm sau khe vào của chùm tia sáng đa sắc và khe ra của chùm tia đơn sắc cần đo nằm sau buồng ảnh
d. Trang bị phát hiện (đầu dò) detector, photomultivlier
Detector là dụng cụ dùng để thu nhận và phát hiện tính hiệu quang học theo hiệu ứng quang điện của nó.
Detector quang học kiểu ống có thể khuyếch đại tính hiệu đo lên được cỡ triệu lần: ống nhận quang điện (photomutivler tube) có độ nhạy và độ chọn lọc cao.
Vùng phổ hoạt động của các detector dạng ống thường là 190 – 900nm.
2.8.2. Hóa chất và dụng cụ2.8.2.1. Hóa chất 2.8.2.1. Hóa chất
- Dung dịch mẫu thử đã chuẩn bị ở mục 5. - Bình khí acetylen 99,8%/40L - Chuẩn Cu 1000ppm 2.8.2.2. Dụng cụ và thiết bị - Pipet vạch 1ml - Pipit vạch 10ml - Pipet bầu 5ml - Pipet bầu 25ml
- Bình định mức 25ml - Hệ thống thiết bị AAS
- Đèn cathode lõm Cu: Tạo ánh sáng bức xạ để tạo phổ với chất phân tích.
- Micro pipet + đầu tip : 100 – 1000 để đưa lượng mẫu vào bên trong bộ phận nguyên tử hóa.
- Micro pipet + đầu tip : 0 – 100 dẫn dung dịch vào buồng tạo sol khí.
2.8.3. Nguyên tắc
Xác định hàm lượng đồng bằng phương pháp phổ hấp thu nguyên tử ngọn lửa với đèn cathode lõm Cu tại bước sóng 324,7nm (bước sóng thay thế 219,9nm – 218,2nm).
Trong chỉ tiêu này quy định hàm lượng đồng (Cu) phát hiện không lớn hơn 0,00005%.
2.8.4. Các bước tiến hành
Pha 100ml dung dịch chuẩn Cu có nồng độ Cc’ (ppm) từ dung dịch chuẩn 1000ppm.
Ta có (CV) = (CV)’ 1000V= 100Cc’ Vc= 0,1Cc (ml).
Hút Vc (ml) dung dịch chuẩn Cu 1000ppm cho vào bình định mức 100ml. Sau đó định mức bằng nước cất ta thu được dung dịch chuẩn Cu có nồng độ Cc’ (ppm).
Hình 31: Sơ đồ quy trình xác định hàm lượng Cu bằng F – AAS
Tiền hành chuẩn bị dãy chuẩn và mẫu theo bảng trong bình định mức 25ml:
Bình 1 2 3 4 5 6 Thể tích chuẩn Cu Cc’ (ppm) (ml) 0 V2 V3 V4 V5 V6 Thể tích mẫu (ml) 0 5 5 5 5 5 Nước cất 2 lần Định mức 25ml Với V2 < V3 < V4 < V5 < V6.
Cài đặt các thông số cố định trên máy (cường độ đền, tốc độ và tỉ lệ dòng Pha dung dịch
chuẩn Cu
Tiến hành lập dãy chuẩn như
bảng
Cài đặt các thông số cần thiết cho quá
trình đo Tiến hành đo (Mỗi dung dịch đo 3 lần) Tính toán kết quả
khí, bước sóng, chiều rộng khe theo hướng dẫn sử sụng của máy). Đo lần lượt các dung dịch, mỗi dung dịch đo 3 lần lấy kết quả trung bình và tìm độ lệch chuẩn tương đối.
Sau khi đo ta được các số liệu sau:
Bình 1 2 3 4 5 6
A 0 A2 A3 A4 A5 A6
Trong đó A2, A3, A4, A5, A6 lần lượt là độ hấp thu của bình 2, 3, 4, 5 ,6.
2.8.5. Công thức tính toán
Trong phương pháp này áp dụng kỹ thuật đường chuẩn thêm chuẩn. Tuy nhiên ta cũng có thể áp dụng các kỹ thuật khác để tính ra hàm lượng của đồng. Kỹ thuật này khắc phục được nhược điểm của kỹ thuật đường chuẩn trực tiếp khi ảnh hưởng của nền mẫu quá lớn.
Từ các bộ số liệu tính hiệu đô chuẩn thêm mẫu – nồng độ chuẩn thêm mẫu, thiết lập phương trình hồi quy có dạng y = a +bx. Từ đó tính ra nồng độ của Cu có trong 5ml mẫu theo công thức:
(4)
Vậy phần trăm Cu trong mẫu ban đầu:
Cách tính độ lệch chuẩn tương đối:
- Giả sử với bình 2, khi đo ba lần ta sẽ được bộ số liệu x1, x2, x3 với số lần thí nghiệm n = 3.
- Độ lệch chuẩn:
Độ lệch chuẩn thường được dùng để đo độ lặp lại hơn là phương sai do đó có cùng thứ nguyên với đại lượng đo.
Ý nghĩa của độ lệch chuẩn: Độ lệch chuẩn (mẫu hoặc tổng quát) là thước đo của sai số ngẫu nhiên. Nó biếu thị độ phân tán của kết quả đo, cũng có ý nghĩ là độ lặp lại của phép đo. Nó thay đổi ngẫu nhiên tùy thuộc phương pháp đo lường, đọ lớn của đại lượng đo và vào cá nhân người đo lường.
Không thể loại bỏ được sai số ngẫu nhiên nhưng có thể giảm tới mức tùy ý muốn bằng cách tăng lên số lần đo n một cách tương ứng.
- Độ lệch chuẩn tương đối (RSD – Relative standard devition)
RSD là tỷ sổ giữa độ lệch chuẩn và giá trị trung bình của mẫu hoặc tổng thể. Nó thường được biếu diễn bằng phần trăm.
Trong đó xi là giá trị tại thí nghiệm i
Từ độ lệch chuẩn tương đối cho ta biết được bộ số liệu đó có đáng tin cậy hay không. Nếu RSD càng lớn bộ số liệu càng sai mắc nhiều sai số. Do đó kết quả tính toán không được chấp nhận.
Để kiểm tra độ tin cậy của phép đo ngoài việc tính RSD có thể áp dụng các thuật toán excel trong việc kiểm tra độ đúng của phương trình hồi quy tuyến tính.