CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.2.TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP
1.2.1. Phương pháp phân tích trọng lượng
a. Bản chất của phương pháp phân tích trọng lượng
Phương pháp phân tích trọng lượng là phương pháp phân tích định lượng dựa vào kết quả cân khối lượng của sản phẩm, hình thành sau phản ứng kết
tủa bằng phương pháp hóa học hay phương pháp vật lý. Do chất phân tích chiếm một tỷ lệ xác định trong sản phẩm đem cân dễ dàng suy ra lượng chất phân tích trong đối tượng phân tích.
Q trình phân tích một chất theo phương pháp trọng lượng: - Chọn mẫu và gia công mẫu.
- Tách trực tiếp chất cần xác định hoặc các thành phần của nó khỏi sản phẩm phân tích dưới trạng thái tinh khiết hóa học. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp việc làm này rất khó khăn, nhiều khi khơng thực hiện được, do đó chất cần xác định thường được tách ra thành kết tủa dưới dạng hợp chất có
thành phần xác định. Để làm được điều đó ta thực hiện như sau:
+ Đưa mẫu vào dung dịch (phá mẫu) và tìm cách tách chất nghiên cứu
khỏi dung dịch (làm 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 kết quả.
b. Phân loại các phương pháp phân tích trọng lượng
+ Phương pháp đẩy: Dựa vào việc tách thành phần cần xác định ở dạng
đơn chất rồi cân.
+ Phương pháp kết tủa: Trong phương này dùng phản ứng kết tủa để
tách chất nghiên cứu ra khỏi dung dịch phân tích. Các kết tủa tách ra có thành phần hóa học được rửa, sấy hoặc đem nung. Khi đó kết tủa thường được
chuyển thành một chất mới có thành phần biết chính xác rồi đem cân trên cân phân tích.
+ Phương pháp điện phân: Người ta dùng điện phân để tách kim loại cần xác định trên catôt bạch kim. Sau khi kết thúc điện phân, đem sấy điện cực rồi cân và suy ra lượng kim loại đã thoát ra trên điện cực bạch kim. Phương pháp này thường được dùng để xác định các kim loại trong môi trường đệm
pH = 7.
+ Phương pháp chưng cất: Trong phương pháp này chất đem phân tích được chưng cất trực tiếp hay gián tiếp. Trong phương pháp chưng cất trực
tiếp, chất đem phân tích được chuyển sang dạng bay hơi rồi hấp thụ nó vào
chất hấp phụ thích hợp. Khối lượng của chất hấp thụ tăng lên một lượng ứng
với lượng chất đã hấp thu vào.
c. Ưu nhược điểm của phương pháp phân tích trọng lượng
+ Ưu điểm: Các phương pháp phân tích trọng lượng cho phép ta xác định với độ chính xác cao hàm lượng của các cấu tử riêng biệt trong một mẫu đã cho của chất phân tích hoặc nồng độ của chúng trong dung dịch. Phân tích
trọng lượng được dùng để xác định rất nhiều kim loại (các cation) và các phi kim (các anion), các thành phần của hợp kim, của các quặng silicat, các hợp chất hữu cơ,… Bằng phân tích trọng lượng, người ta tiến hành xác định với
độ chính xác đạt tới 0,01 – 0,005%, độ chính xác đó vượt xa dộ chính xác của
các phương pháp chuẩn độ.
+ Nhược điểm: Nhược điểm chủ yếu của phương pháp phân tích trọng lượng là thời gian xác định dài hơn nhiều so với thời gian phân tích khi thực hiện các phương pháp phân tích chuẩn độ. Vì vậy mà các phương pháp phân tích trọng lượng bị mất đi gia trị trước kia của mình và trong thực tiễn người
tat hay thế bằng các phương pháp phân tích hóa học và hóa lý hiện đại vì thời gian thực hiện phân tích mẫu bằng các phương pháp này nhanh hơn nhiều.
1.2.2. Phương pháp rắn lỏng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
a. Kỹ thuật chiết soxhlet
Thiết bị có bán sẵn với nhiều cỡ khác nhau, từ bình cầu 250ml đến 15 lít. + Dụng cụ
Gồm một bình cầu A đặt trong một bếp đun có thể điều chỉnh nhiệt độ. Một bộ phận chứa mẫu nguyên liệu gồm ba ống: Ống D có đường kính lớn, ở giữa, để chứa mẫu ngun liệu; ống B có đường kính trung bình, để dẫn dung mơi từ bình A bay lên, đi vào ống D; ống E có đường kính nhỏ, là ống thơng nhau, để dẫn dung môi từ ống D trả lại bình cầu A. trên cao nhất là ống C
ngưng hơi (Hình 1.12) [3].
+ Cách tiến hành
Bột cây xay khô đựng trong một cái túi bằng giấy lọc được đặt trực tiếp vào ống D. Rót dung mơi đã lựa chọn vào bình cầu A bằng cách tháo hệ thống
ở nút mài số 2 [3].
Kiểm tra hệ thống kín, mở cho nước chảy hồn lưu trong ống ngưng hơi. Cắm bếp cách thủy và điều chỉnh nhiệt sao cho dung mơi trong bình cầu sơi
nhẹ đều. Dung mơi tinh khiết khi được đun nóng sẽ bốc hơi lên cao, theo ống B lên cao hơn, rồi theo ống ngưng hơi để lên cao hơn nữa, nhưng tại đây hơi
dung môi bị ống ngưng hơi làm lạnh, ngưng tụ thành chất lỏng, rớt thẳng
xuống ống D đang chứa mẫu nguyên liệu. Dung môi ngấm vào nguyên liệu và chiết những chất hữu cơ nào có thể hịa tan vào dung mơi đó. Theo q trình
đun nóng, lượng dung mơi rơi vào ống D và đồng thời cũng dâng lên trong ống E, dung mơi sẽ bị hút vào bình câu A, lực hút này sẽ hút lượng dung môi đang chứa trong ống D xuống bình cầu A [3].
Bếp vẫn tiếp tục đun và một quy trình mới vận chuyển dung mơi theo
như mơ tả lúc đầu. Các hợp chất được rút xuống bình cầu và nằm lại tại đó,
chỉ có dung mơi tinh khiết là được bốc hơi bay lên để tiếp tục quá trình chiết. Sau khi hồn tất, lấy dung mơi chiết ra khỏi bình cầu A, đuổi dung môi và thu được cao chiết.
b. Ưu nhược điểm của phương pháp chiết soxhlet
+ Ưu điểm: Tiết kiệm được dung môi, không trải qua các thao tác lọc và châm dung môi mới. Chỉ cần cắm điện, mở nước hồn lưu thì thiết bị sẽ thực hiện sự chiết. Chiết kết hợp chất có trong bột cây vì bột cây liên tục được
chiết bằng dung môi tinh khiết.
+ Nhược điểm: Kích thước của bộ soxhlet làm giới hạn lượng nguyên
liệu cần chiết. Bộ soxhlet loại lớn nhất với bình cầu 15 lít, có thể chứa một lần
đến 10 lít dung mơi; ống D có thể chứa 800 gam bột nguyên liệu xay nhỏ. Với
bộ soxhlet nhỏ hơn, chỉ có thể cho vào mỗi lần vài trăm gam bột nguyên liệu, muốn chiết lượng lớn nguyên liệu cần phải lặp lại nhiều lần.
Trong quá trình chiết, các hợp chất chiết ra từ nguyên liệu được trữ lại trong bình cầu A, nên chúng ln bị đun nóng ở nhiệt độ sơi của dung mơi vì thế nếu có hợp chất nào kém bền nhiệt sẽ bị phân hủy.
Do toàn bộ hệ thống của bộ soxhlet đều làm bằng thủy tinh và được gia công thủ công nên giá thành khá cao, dễ vỡ, chỉ cần bể một bộ phận nào đó thì khó tìm được một bộ phận khác có thể vừa khớp để thay thế.
1.2.3. Phương pháp hấp thụ nguyên tử
a. Nguyên tắc của phép đo AAS
Để thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử phải thực hiện các quá trình
sau:
Quá trình nguyên tử hóa mẫu
Mục đích của q trình này là tạo ra được các đám hơi nguyên tử tự do (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
từ mẫu phân tích với hiệu suất cao và ổn định. Có thể nguyên tử hóa mẫu
phân tích bằng ngọn lửa và bằng kỹ thuật ngun tử hóa khơng ngọn lửa. Đây là giai đoạn quan trọng nhất có ảnh hưởng đến kết quả đo AAS.
Nguồn bức xạ đơn sắc
Muốn thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, cần phải có nguồn phát tia bức xạ đơn sắc của nguyên tố cần phân tích để chiếu qua đám hơi nguyên tử tự do của mẫu cần phân tích. Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc cần thỏa mãn các yêu cầu sau.
- Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc tạo ra phải là các tia bức xạ nhạy của
nguyên tố phân tích. Chùm tia bức 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 cho mỗi phép đo.
- Nguồn phát tia bức xạ phải tạo ra được chum tia bức xạ thuần khiết,
chỉ bao gồm một số vạch nhạy của nguyên tố phân tích. Phổ nền của nó phải khơng đáng kể.
- Nguồn phát tia bức xạ phải tạo ra được chùm tia sáng có cường độ cao, nhưng phải bền theo thời gian và không bị các yếu tố vật lý khác gây nhiễu, không bị ảnh hưởng bởi các dao động của điều kiện làm việc. Ngồi ra khơng q đắt và khơng quá phức tạp khi sử dụng.
Gồm hệ thống phân ly anh sáng sau khi hấp thụ, detector, bộ khuếch đại và ghi đo.
Nhờ một hệ thống máy quang phổ, người ta thu, phân ly và chọn vạch hấp thụ một nguyên tố cần nguyên 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 là phụ thuộc tuyến tính vào cường độ C của nguyên tố trong mẫu phân tích. Cường độ của các vạch phổ hấp thụ sau khi được detector thu nhận và khuếch đại sẽ được chuyển sang hệ thống chỉ thị, ở đây nó sẽ được
khuếch đại tiếp và được xử lý để có được cường độ thực của vạch phổ hấp
thụ.
b. Ưu, nhược điểm của phép đo AAS
+ Ưu điểm
Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chính xác cao. Trên 60 nguyên tố hóa học có thể xác định được bằng phương pháp này với độ chính xác 10-4 – 10-5%. Có thể đạt tới 10-7% với kỹ thuật khơng ngọn lửa.
Điều kiện thực hiện tương đối dễ, có thể dùng cho tất cả các phịng thí
nghiệm nhỏ và vừa. Có thể xác định liên tiếp nhiều nguyên tố trong cùng một mẫu. Kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ.
+ Nhược điểm
Chỉ cho biết thành phần ngun tố của chất phân tích có trong mẫu phân tích, mà khơng chỉ ra được trạng thái liên kết, cấu trúc nguyên tố.
Muốn thực hiện phép đo này cần phải có một hệ thống máy tương đối đắt tiền.
Phép đo có độ nhạy cao, nên sự nhiễm bẫn rất có ý nghĩa đối với kết quả phân tích hàm lượng vết. Vì thế mơi trường khơng khí phịng thí nghiệm phải khơng có bụi. Các dụng cụ, hóa chất dùng trong phép đo phải có độ tinh khiết cao. Đó cũng là một khó khăn khi ứng dụng phương pháp phân tích này.
c. Ứng dụng phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử
Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử dùng để phân tích vết các kim loại trong các loại mẫu khác nhau của các chất vô cơ và hữu cơ (khoảng trên 60 nguyên tố đó là các kim loại trong quặng, đất đá, nước khoáng, các
mẫu y học, sinh học, các sản phẩm nông nghiệp, rau quả, thực phẩm, nước uống, các nguyên tố vi lượng trong phân bón, trong thức ăn gia súc).
1.3. PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ GHÉP KHỐI PHỔ (GC – MS) 1.3.1. Phương sắc ký khí (GC)
a. Sơ lược về sắc ký khí
Sắc ký khí là kỹ thuật sắc ký phổ biến, có độ nhạy cao và được áp dụng
đầu tiên vào những năm 40 để kiểm tra các phân đoạn tinh chế của dầu hỏa. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sắc ký khí là phương pháp phân tích dựa trên sự phân chia dùng để tách chất bay hơi hoặc có thể bay hơi khi gia nhiệt nhưng không phá hủy mẫu. Các chất
được tách ra khỏi hỗn hợp bởi tương tác khác nhau của chúng với pha tĩnh.
Dịng khí khơng đóng vai trị của một pha động thực sự trong hệ thống sắc ký, nó chỉ làm nhiệm vụ lôi cuốn các chất trong pha hơi chạy dọc theo pha tĩnh để chúng có thể tương tác với pha tĩnh. Vì vậy, dịng khí chạy trong cột sắc ký chỉ được gọi là khí mang. Đóng vai trị đẩy các chất ra khỏi pha tĩnh trong sắc ký khí chính là nhiệt độ. Các chất có nhiệt độ sơi khác nhau sẽ bị lưu trữ hay bị lôi cuốn bởi dịng khí mang khác nhau, từ đó các chất tách ra khỏi nhau.
Các cấu tử sau khi ra khỏi cột sẽ được phát hiện bằng một bộ phận phát hiện và ghi thành pick.
Tùy thuộc vào bản chất pha tĩnh, chia thành hai loại sắc ký khí:
Sắc ký khí rắn (gas solid chromatography): Chất phân tích được hấp phụ trực tiếp trên pha tĩnh là các tiểu phân rắn.
Sắc ký khí lỏng (gas liquid chromatography): Pha tĩnh là một chất lỏng không bay hơi.
b. Cấu tạo của sắc ký khí
Dưới đây là sơ đồ cấu tạo của máy sắc ký khí (Hình 1.13)
Hệ thống cung cấp khí mang
Khí mang trơ về mặt hóa học như Heli, Ar, N2, CO2, H2 và lựa chọn khí mang quyết định bởi detector sử dụng. Hệ thống cung cấp khí mang bao gồm các bộ điều chỉnh áp suất, thiết bị đo áp suất, thiết bị đo tốc độ dịng. Hệ
thống khí mang cịn chứa hệ thống lọc phân tử để tách nước và chất nhiễm
bẩn khác. Độ tinh khiết của khí phải đạt 99,95%. Có thể sử dụng bình chứa
khí hoặc các thiết bị sinh khí (thiết bị tách khí N2 từ khơng khí, thiết bị cung cấp khí H2 từ nước cất,…).
Hệ thống tiêm mẫu
Cách thông dụng nhất để đưa mẫu vào cột là sử dụng một bơm tiêm mẫu vi lượng để tiêm một mẫu lỏng hoặc khí qua một đệm cao su silicon chịu
nhiệt vào buồng hóa hơi. Lượng mẫu bơm vào thay đổi từ 0,1 – 10 μl đối với cột mao quản, cột nhồi lượng mẫu bơm có thể lớn hơn.
Có 2 cách đưa mẫu vào cột: bằng tiêm mẫu thủ công hoặc tiêm mẫu tự
động.
Lị cột và cột phân tích
Lò cột làm nhiệm vụ điều nhiệt cho cột sắc ký
Có 2 loại cột: cột nhồi và cột mao quản.
- Cột nhồi (packed column): cột thường được làm bằng thép khơng rỉ, niken, thủy tinh với đường kính 3 – 6 mm và chiều dài từ 1 – 5 m chứa các
hạt chất mang rắn được phủ pha tĩnh lỏng hoặc bản thân hạt rắn là pha tĩnh được nhồi vào trong cột. Cột nhồi thường có hiệu quả tách thấp, tuy nhiên có
hệ số lưu giữ cao, dung lượng mẫu lớn.
- Cột mao quản (capillary): được chế tạo từ thủy tinh oxit tinh khiết nấu chảy, có mức độ liên kết cao nên bền và chịu được nhiệt độ cao đến 350oC, cột có đường kính trong 0,1 – 5 μm phủ thành trong cột hoặc các chất mang
rắn phủ một lớp pha tĩnh mỏng được gắn trên bề mặt bên trong của cột, hoặc một pha tĩnh xốp của chất hấp phụ hay rây phân tử.
Đầu dò
Đầu dị dùng phát hiện tín hiệu để định tính và định lượng các chất cần (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
phân tích. Có nhiều loại đầu dị khác nhau tùy theo mục đích phân tích như đầu dị ion hóa ngọn lửa (Flame Ioniation Detector), đầu dò dẫn nhiệt
(Thermal Conductivity Detector), đầu dò cộng kết điện tử (Electron Capture
Detector), đầu dị quang hóa ngọn lửa (Flame Photometric Detector), đầu dị NPD (Nitrogen Phospho Detector), đầu dò khối phổ (Mass Spectrometry
Detector).
Bộ phận ghi nhận tín hiệu
Bộ phận này ghi tín hiệu cho đầu dị phát hiện. Đối với các hệ thống sắc ký hiện đại, phần này được phần mềm trong hệ thống ghi nhận, lưu các thông số, sắc ký đồ, các thông số liên quan đến peak như tính đối xứng, hệ số phân giải,… đồng thời tính tốn, xử lý các thông số liên quan đến kết quả phân
1.3.2. Phương pháp khối phổ MS
Phương pháp khối phổ là phương pháp nghiên cứu các chất bằng cách
đo, phân tích chính xác khối lượng phân tử của chất đó dựa trên sự chuyển động của các hạt mang điện hay ion trong một điện trường hoặc từ trường
nhất định.
Máy khối phổ là thiết bị dùng cho phương pháp phổ khối, cho ra phổ khối lượng của một mẫu, để tìm ra thành phần của nó.
Theo tính năng của bộ ghi, người ta chia các máy khối phổ thành hai loại:
+ Máy khối phổ ghi bằng hình ảnh: Tín hiệu phổ được ghi bằng hình ảnh