6. Bốc ục đề tài
2.3.5. Phương pháp hấp thụ phổ nguyên tử (AAS)
a. Sự xuất hiện của phổ hấp thụ nguyên tử
Vật chất được cấu tạo bởi nguyên tử và nguyên tử là phần cơ bản nhỏ nhất còn giữ lại được tính chất của nguyên tố hóa học. Trong điều kiện bình thường, nguyên tử không thu cũng không phát năng lượng, lúc này nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản. Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, nếu ta chiếu một chùm tia sáng có bước sóng xác định vào đám hơi nguyên tử đó thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định ứng đúng với những tia mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ của nó. Lúc này nguyên tử đã nhận bức xạ vào nó và nó chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. Đó là tính chất đặc trưng của nguyên tử ở trạng thái hơi. Quá trình đó được gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của
nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ nguyên tử của nguyên tốđó. Phổ sinh ra trong quá trình này được gọi là phổ hấp thụ nguyên tử [9].
Nếu gọi năng lượng của tia sáng đã bị nguyên tử hấp thụ là DE, thì chúng ta có: 0 ( m ) E E E hn D = - = hc E l D =
Trong đó E0 và Em là năng lượng của nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích, h là hằng số Plank, C là tốc độ ánh sáng, l (nm) là bước sóng ánh sáng.
Như vậy ứng với mọi năng lượng DEimà nguyên tử đã hấp thụ, ta sẽ có một vạch phổ hấp thụ của nguyên tử cũng là phổ vạch.
Nhưng nguyên tử không hấp thụ tất cả các bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ. Quá trình hấp thụ chỉ xảy ra đối với các phổ vạch nhạy, các vạch đặc trưng của nguyên tố. Cho nên đối với các vạch phổ quá trình hấp thụ và phát xạ là ngược nhau [15].
b. Nguyên tắc
Để thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, ta phải thực hiện các quá trình sau:
Ø Quá trình nguyên tử hoá mẫu:
Mục đích của quá trình này là chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hoặc lỏng) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do. Để nguyên tử hoá mẫu (hay hoá hơi mẫu), ta phải chọn các điều kiện và loại thiết bị phù hợp.
Ø Phát bức xạ đơn sắc:
Muốn thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, cần phải có nguồn phát tia bức xạ đơn sắc ứng với nguyên tố cần phân tích để chiều qua đám hơi nguyên tử tự do của mẫu phân tích. Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc cần thoả
mãn các điều kiện sau:
- Nguồn phát xạ tia bức xạ đơn sắc có bước sóng ứng với nguyên tố phân tích. Chùm tia phát xạ phải có cường độ (Io) ổn định, lặp lại trong nhiều lần đo khác cùng điều kiện và phải điều chỉnh được để có cường độ cần thiết mỗi phép đo.
- Nguồn phát xạ phải tạo ra được chùm tia bức xạ thuần khiết, chỉ bao gồm một số vạch nhạy của nguyên tố phân tích. Phổ nền của nó phải không đáng kể.
- Nguồn phát xạ phải tạo ra được dùm tia sáng có cường độ cao, không bị ảnh hưởng bởi các giao động của điều kiện bên ngoài. Ngoài ra không quá đắt và cách sử dụng không quá phức tạp.
Ø Quá trình ghi đo:
Nhờ một hệ thống máy quang phổ, người ta thu, phân ly và chọn vạch hấp thụ một nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ của nó. Cường độ đó chính là hấp thụ của vạch phổ. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ, giá trị cường độ này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nguyên tố trong mẫu phân tích. Cường độ của vạch hấp thụ sau khi được detector thu nhận và khuếch đại sẽ chuyển sang hệ thống chỉ thị. Ở đây, nó được khuếch đại tiếp và được xử lý để có được nồng độ thực của vạch hấp thụ.
c. Cấu tạo máy quang phổ nguyên tử
Muốn thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, hệ thống máy đo phải bao gồm các phần cơ bản sau:
Phần 1: Nguồn phát tia cổng hưởng. Đó chính là các đèn catot rỗng, các đèn phóng điện không điện cực hay nguồn phát bức xạ liên tục đã được biến điện.
Phần 2: Hệ thống nguyên tử hoá mẫu. Hệ thống này được chế tạo theo 2 loại kĩ thuật, đó là kĩ thuật nguyên tử hoá mẫu bằng ngọn lửa đèn khí và kĩ
thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa.
Phần 3: Là máy quang phổ, nó là bộ phận đơn sắc, có nhiệm vụ thu, phân ly và chọn tia sáng (vạch phổ) cần đo hướng vào nhân quang điện để phát hiện tín hiệu hấp thụ AAS của vạch phổ.
Phần 4: Là hệ thống chỉ thị tín hiệu hấp thụ của vạch phổ (tức là cường độ của vạch phổ hấp thụ hay nồng độ nguyên tố phân tích).
d. Ưu và nhược điểm của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử
Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử có những ưu, nhược điểm sau: Phép đo AAS có độ nhạy và độ chọn lọc tương đối cao. Khoảng 65 nguyên tố hoá học có thể được xác định bằng phương pháp này với độ nhạy từ 1.10-4 đến 1.10-5%. Đặc biệt, nếu sử dụng kĩ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa thì độ nhạy đạt 1.10-7%. Chính vì có độ nhạy cao, nên phương pháp phân tích này được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để xác định lượng vết các kim loại. Nhất là trong phân tích các nguyên tố vi lượng trong các đối tượng mẫu y học, sinh học, nông nghiệp, kiểm tra hoá chất có độ tinh khiết cao [5].
Do độ nhạy cao nên trong nhiều trường hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác định trước khi phân tích. Do đó tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian, không cần dùng nhiều hoá chất tinh khiết cao khi làm giàu mẫu; tránh được sự nhiễm bẩn mẫu khi xử lý qua các giai đoạn phức tạp.
Ngoài ra, các kết quả phân tích có thể ghi lại trên giấy hoặc giản đồ để lưu trữ. Với các thiết bị hiện nay, người ta có thể xác định nồng độ đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu. Các kết quả phân tích rất ổn định, sai số nhỏ. Trong nhiều trường hợp, sai số không quá 15% với khoảng nồng độ 1 – 2 ppm. Hơn nữa, bằng việc ghép với máy tính cá nhân và các phần mềm thích hợp, quá trình đo và xử lý kết quả nhanh và dễ dàng, lưu lại đường chuẩn cho các lần đo sau.
Ngoài những ưu điểm đã nêu, phép đo AAS cũng có một số hạn chế nhất định. Thứ nhất là thiết bị máy đo quang phổ hấp thụ AAS rất đắt tiền.
Mặt khác, do có độ nhạy cao nên sự nhiễm bẩn ý nghĩa đối với kết quả phân tích hàm lượng vết. Vì thế môi trường không khí phòng thí nghiệm phải sạch. Các dụng cụ, hoá chất dùng trong phép đo có độ tinh khiết cao.
Nhược điểm chính của phương pháp phân tích là chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố của mẫu phân tích, mà không chỉ ra trạng thái liên kết của các nguyên tử trong mẫu [5]. Vì thế, nó chỉ là phương pháp phân tích thành phần các nguyên tố trong mẫu.
e. Ứng dụng
Đối tượng chính của phương pháp phân tích theo phổ hấp thụ nguyên tử là phân tích lượng nhỏ (lượng vết) các kim loại trong các loại mẫu khác nhau của các chất vô cơ và hữu cơ. Với các trang bị kỹ thuật hiện nay, bằng phương pháp phân tích này người ta có thể định lượng được hầu hết các kim loại (khoảng 65 nguyên tố) đến giới hạn nồng độ cỡ ppm bằng kỹ thuật F- AAS, và đến nồng độ cỡ ppb bằng kỹ thuật ETA-AAS với sai số không lớn hơn 15%.
Bên cạnh các kim loại, một số á kim như Si, P, S, Se, Te cũng được xác định bằng phương pháp phân tích này. Các á kim C, Cl, O, N không xác định trực tiếp được bằng phương pháp này. Vì các vạch phân tích của các á kim này thường nằm ngoài vùng phổ của các máy hấp thụ nguyên tử thông dụng. Do đó muốn phân tích các á kim này cần phải có các bộđơn sắc đặc biệt.