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:
2.2.2.1. 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
Hình 2.1. Đèn catot rỗng Hình 2.2. Đèn D2
2.2.2.2. 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 graphit) 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 mẫu, nguyên tử hóa để đo phổ hấp thụ và cuối cùng là làm sạch cuvet. Trong đó hai
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
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.
Hình 2.3. Cuvet graphite Hình 2.4. Bộ phận nguyên tử hóa mẫu
2.2.2.3. Hệ quang học và detector dùng để thu, phân ly toàn bộ phổ của mẫu và chọn vạch phổ hấp thụ cần đo hướng vào nhân quang điện để phát tín hiệu hấp thụ của vạch phổ
2.2.2.4. Hệ thống hiển thị kết quả đo có nhiều cách khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp
Để tiến hành nghiên cứu xác định hàm lượng Cd và Pb trong chè chúng tôi xử dụng hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AA – 6300 của hãng Shimadzu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.5. 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
2.3. Giới thiệu về phƣơng pháp xử lý ƣớt mẫu
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)
+ Axit đặc
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 và 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 mất 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 mạng 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
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
- Dung dịch chuẩn Cd2+, Pb2+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Ba2+, Al3+, Sn2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cr3+, Mn2+, Cu2+, Zn2+…dùng cho AAS (1000ppm, Merrck )
- Axit đặc HCl 36%, HNO3 65%, H2O2 30% Merrck.
- 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.
- Dung dịch rửa sunfocromic (hỗn hợp H2SO4 đặc và K2Cr2O7 ).
2.4.2. Dụng cụ
- Máy xay, tủ xấy, máy quang phổ hấp thụ nguyên tử SHIMADZU – 6300 Nhật Bản.
- Cốc thủy tinh loại 50, 100, 150, 500 ml (Merck) - Bình định mức 10, 25, 50, 100, 250, 500, 1000 ml. - Pipet 1, 2, 5, 10 ml.
- Pipetman 100-5000 l.
- Bình kendal, lọ đựng mẫu 25ml.
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 điều kiện đo phổ GF- AAS của Cd và Pb
3.1.1. Khảo sát chọn vạch đo
Mỗi loại nguyên tử của một nguyên tố hóa học chỉ có thể hấp thụ những bức xạ có bước sóng mà chính nó có thể 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. Chúng tôi tiến hành khảo sát vạch đo của dung dịch chuẩn Cd 1ppb và Pb 20ppb, trong HNO3 2%.
Đối với Cd: Chúng tôi tiến hành khảo sát ở 3 vạch phổ đặc trưng nhạy nhất là 228,8 nm; 226,5 nm và 326,1 nm.
Bảng 3.1. Khảo sát vạch đo của Cd
Vạch đo
(nm) Abs-Lần 1 Abs-Lần 2 Abs-Lần 3
Abs-Trung bình %RSD 228,8 0,1554 0,1553 0,1553 0,1553 0,053 226,5 0,1545 0,1558 0,1523 0,1542 1,622 326,1 0,1555 0,1567 0,1547 0,1556 0,915
Kết quả khảo sát cho thấy tại vạch đo 228,8 nm độ hấp thụ của Cd lớn và sai số nhỏ. Do đó chúng tôi chọn vạch đo của Cd là 228,8 nm.
Đối với Pb: Chúng tôi tiến hành khảo sát ở 2 vạch phổ đặc trưng nhạy nhất 217,0 nm và 283,3 nm.
Khảo sát đối với dung dịch chuẩn Pb 20ppb trong HNO3 2% và kết quả thu được thể hiện trong bảng 3.2.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bảng 3.2. Khảo sát vạch đo của Pb
Vạch đo
(nm) Abs-Lần 1 Abs-Lần 2 Abs-Lần 3
Abs-Trung
bình %RSD
217,0 0,2798 0,2792 0,2795 0,2795 0,665
283,3 0,2480 0,2465 0,2464 0,2470 2,513
Kết quả khảo sát cho thấy tại vạch đo 217,0 nm độ hấp thụ của Pb lớn hơn và sai số nhỏ hơn so với vạch đo 283,3 nm. Do đó chúng tôi chọn vạch đo của Pb là 217,0 nm.
3.1.2. Khảo sát 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, sau khi đi qua môi trường hấp thụ, sẽ được hướng vào khe đo của máy, được chuẩn trực, được phân ly và sau đó chỉ một vạch phổ cần đo được chọn và hướng vào khe đo để tác dụng vào nhân quang điện để phát hiện và xác định cường độ của vạch phổ. Do vậy, khe đo của máy được phải chọn chính xác và 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 Cd và Pb, khe đo phù hợp đối với Cd và Pb là 0,5 nm. Ở điều kiện này, 100% diện tích pic của vạch phổ sẽ nằm trong khe đo.
3.1.3. Khảo sát cường độ dòng đèn catot rỗng (HCL)
Đèn Catot rỗng (HCL) là nguồn phát bức xạ cộng hưởng, nó chỉ phát ra những tia phát xạ nhạy 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
chẽ tới cường độ hấp thụ của vạch phổ. Dòng điện làm việc đèn HCL của mỗi nguyên tố là rất 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 giới hạn từ 60 80% dòng cực đại.
Vì nếu ở điều kiện dòng cực đại thì đèn làm việc không ổn định và rất chóng hỏng, đồng thời phép đo có độ nhạy và độ lặp lại rất kém.
Tiến hành khảo sát cường độ dòng đèn HCL của dung dịch Cd 1ppb, 2ppb và dung dịch Pb 20ppb, 40ppb trong nền HNO3 2% để xét xem mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ với cường độ dòng đèn, đồng thời chọn ra cường độ dòng đèn thích hợp nhất. Kết quả khảo sát cường độ dòng đèn catốt rỗng được trình bày trong bảng 3.3 và 3.4 dưới đây.
Bảng 3.3. Khảo sát cƣờng độ dòng đèn đối với Cd
I(%Imax)
Mẫu
60%Imax 65%Imax 70%Imax 75%Imax 80%Imax
1ppb lần 1 0,1630 0,1594 0,1567 0,1497 0,1354 lần 2 0,1626 0,1598 0,1553 0,1490 0,1341 lần 3 0,1637 0,1606 0,1557 0,1506 0,1350 Tb 0,1631 0,1600 0,1559 0,1497 0,1348 %RSD 0,4828 0,5402 0,6541 0,7573 0,5774 2ppb lần 1 0,2772 0,2731 0,2692 0,2655 0,2602 lần 2 0,2788 0,2736 0,2686 0,2662 0,2615 lần 3 0,2781 0,2740 0,2698 0,2667 0,2621 Tb 0,2780 0,2735 0,2692 0,2661 0,2612 %RSD 0,4080 0,2331 0,3152 0,3203 0,5257
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bảng 3.4. Khảo sát cƣờng độ dòng đèn đối với Pb
Qua kết quả khảo sát ta thấy khi cường độ dòng đèn giảm thì cường độ hấp thụ của vạch phổ tăng hay sai số tăng, vì vậy ta phải chọn được cường độ dòng đèn sao cho cường độ của vạch phổ vừa cao vừa ổn định tức sai số nhỏ, do đó chúng tôi chọn cường độ dòng đèn của Cd là 8mA (65% Imax), cường độ dòng đèn của Pb 10mA (75% Imax).
3.1.4. 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 sảy ra theo bốn giai đoạn kế tiếp nhau:
Giai đoạn sấy khô
Giai đoạn tro hoá luyện mẫu Giai đoạn nguyên tử hoá mẫu Giai đoạn làm sạch cuvet.
I(%Imax)
Mẫu 60%Imax 65%Imax 70%Imax 75%Imax 80%Imax
20ppb lần 1 0,2843 0,2832 0,2820 0,2815 0,2786 lần 2 0,2845 0,2841 0,2832 0,2821 0,2794 lần 3 0,2852 0,2838 0,2838 0,2820 0,2777 Tb 0,2847 0,2837 0,2830 0,2818 0,2786 %RSD 0,2348 0,2284 0,4580 0,1612 0,4317 40ppb lần 1 0,5661 0,5656 0,5658 0,5652 0,5648 lần 2 0,5665 0,5663 0,5655 0,5656 0,5641 lần 3 0,5672 0,5666 0,5664 0,5657 0,5640 Tb 0,5632 0,5661 0,5659 0,5655 0,5643 %RSD 1,4778 0,1281 0,1145 0,0662 0,1092
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
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 sảy ra theo bốn giai đoạn kế tiếp tổng thời gian 60 – 80s.
3.1.4.1 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 100 µl. 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 - 8oC/giây là phù hợp. Vì vậy, chúng tôi thực hiện giai đoạn sấy khô mẫu làm hai giai đoạn:
- Giai đoạn 1: ở 1200C với thời gian là 20 giây. - Giai đoạn 2: ở 2500C với thời gian là 10 giây.
3.1.4.2. Khảo sát nhiệt độ tro hoá luyện mẫu
Đây là giai đoạn thứ 2 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 650oC). Thực nghiệm cũng cho ta thấy tro hoá luyện mẫu ở nhiệt độ quá thấp so với nhiệt độ tro hoá tới
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
hạn, 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.
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 100 µl. 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 Cd 1ppb, Pb 20ppb trong HNO3 2% có nền Mg(NO3)2 0.01%. Chọn tổng thời gian tro hoá luyện mẫu là 30 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 3.5.
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát nhiệt độ tro hoá của Cd
Nhiệt độ (t0 C) 300 400 500 600 700 Abs-Cd 0,1651 0,1654 0,1561 0,1420 0,1314 Abs-Pb 0,2855 0,28554 0,2853 0,2843 0,2830 300 400 500 600 700 0.130 0.135 0.140 0.145 0.150 0.155 0.160 0.165 0.170 Ab s- Cd to (C)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Dựa vào đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang (Abs) vào