1.5.2.1. Phương pháp điện hoá
a. Phương pháp cực phổ
Nguyên tắc: Người ta thay đổi liên tục và tuyến tính điện áp đặt vào 2 cực để khử các ion kim loại, do mỗi kim loại có thế khử khác nhau. Thông qua chiều cao của đường cong Von-Ampe có thể định lượng được ion kim loại trong dung dịch ghi cực phổ. Vì dòng giới hạn Igh ở các điều kiện xác định tỉ lệ thuận với nồng độ ion trong dung dịch ghi cực phổ theo phương trình:
Igh = k.C
Phương pháp này sử dụng điện cực giọt thuỷ ngân rơi làm cực làm việc, trong đó thế được quét tuyến tính rất chậm theo thời gian (thường 1 – 5 mV/s) đồng thời ghi dòng là hàm của thế trên cực giọt thuỷ ngân rơi. Sóng cực phổ thu được có dạng bậc thang, dựa vào chiều cao có thể định lượng được chất phân tích. Tuy nhiên phương pháp cực phổ bị ảnh hưởng rất lớn của dòng tụ điện, dòng cực đại, lượng oxi hoà tan hay bề mặt điện cực nên giới hạn phát hiện kém khoảng 10-5
– 10-6 M. [13]
Phương pháp này có khá nhiều ưu điểm: Nó cho phép xác định cả chất vô cơ và hữu cơ với nồng độ 10-510-6M tuỳ thuộc vào cường độ và độ lặp lại
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
của dòng dư. Sai số của phương pháp thường là 23% với nồng độ khoảng 10-310-4M, là 5% với nồng độ 10-5M (ở điều kiện nhiệt độ không đổi).
Đối với Cd và Pb, phương pháp cực phổ xác định Cd và Pb chưa phát huy hết tính ưu việt của nó, vì vậy phải kết hợp với làm giàu thì mới tăng được độ nhạy.
Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những hạn chế như ảnh hưởng của dòng tụ điện, dòng cực đại, của oxi hoà tan, bề mặt điện cực…
Nhằm loại trừ ảnh hưởng trên đồng thời tăng độ nhạy, hiện nay đã có các phương pháp cực phổ hiện đại: cực phổ xung vi phân(DPP), cực phổ sóng vuông (SQWP)… chúng cho phép xác định lượng vết của nhiều nguyên tố.
b. Phương pháp Von-ampe hoà tan [1], [3]
Về bản chất, phương pháp Von-Ampe hoà tan cũng giống như phương pháp cực phổ là dựa trên việc đo cường độ dòng để xác định nồng độ các chất trong dung dịch. Nguyên tắc gồm hai bước:
Bước 1: Điện hoá làm giàu chất cần phân tích trên bề mặt điện cực làm việc trong khoảng thời gian xác định, tại thế điện cực xác định.
Bước 2: Hoà tan kết tủa đã được làm giàu bằng cách phân cực ngược cực làm việc, đo và ghi dòng hoà tan. Trên đường Von-Ampe hoà tan xuất hiện pic của nguyên tố cần phân tích. Chiều cao pic tỉ lệ thuận với nồng độ.
Ưu điểm của phương pháp: Xác định được cả những chất không bị khử trên điện cực với độ nhạy khá cao 10-6 10-8M.
Nhược điểm của phương pháp: Độ nhạy bị hạn chế bởi dòng dư, nhiều yếu tố ảnh hưởng như: điện cực chỉ thị, chất nền, tốc độ quét…
Sử dụng phương pháp này để xác định kim loại nặng trong lương thực, thực phẩm, các tác giả Lê Lan Anh, Lê Trường Giang, Đỗ Việt Anh và Vũ Đức Lợi đã thu được kết quả trong mẫu thức ăn của gà (Gà – HMG) dưới giới hạn xác định, còn trong mẫu ngô hàm lượng Cd 0,196 ppm [1].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Tác giả Phan Diệu Hằng đã xác định Pb trong mẫu nước ngọt giải khát Sprite bằng phương pháp Von – ampe hòa tan và kết quả hàm lượng Pb là (2,70 – 0,06 µg/l) [5].
1.5.2.2. Phương pháp quang phổ [4], [11]
a. Phương pháp trắc quang
Phương pháp này chính là phương pháp phổ hấp thụ phân tử trong vùng UV-VIS. Ở điều kiện thường, các phân tử, nhóm phân tử của chất bền vững và nghèo năng lượng. Đây là trạng thái cơ bản. Nhưng khi có một chùm sáng với năng lượng thích hợp chiếu vào thì các điện tử hoá trị trong các liên kết (л, ∂ , n) sẽ hấp thụ năng lượng chùm sáng, chuyển lên trạng thái kích thích với năng lượng cao hơn. Hiệu số giữa hai mức năng lượng (cơ bản EO và kích thích Em) chính là năng lượng mà phân tử hấp thụ từ nguồn sáng để tạo ra phổ hấp thụ phân tử của chất. [9], [17]
Nguyên tắc: Dựa trên việc đo độ hấp thụ ánh sáng của một dung dịch phức tạo thành giữa ion cần xác định với một thuốc thử vô cơ hoặc hữu cơ trong môi trường thích hợp khi được chiếu bởi chùm sáng. Phương pháp định lượng theo phương trình cơ bản.
A = K.C
Trong đó: A: độ hấp thụ quang của chất K: hằng số thực nghiệm C: nồng độ của chất phân tích
Phương pháp này cho phép xác định nồng độ của chất ở khoảng 10-5 - 10-7M và là một trong các phương pháp được dùng khá phổ biến.
Cd2+ không có phổ hấp thụ phân tử UV – VIS, do đó ta phải chuyển nó về dạng hợp chất phức. Để xác định Cd người ta có thể cho nó tạo phức với Dithizon. Sau đó đo độ hấp thụ quang của phức ở bước sóng 520 nm. Phức của Cd với dithizon có thể được chiết bằng CHCl3, phứccó màu đỏ và có thẻ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
xác định bằng phương pháp so màu. Giới hạn phát hiện của phương pháp là 0,02mg/l. Ngoài dithizon còn có một số loại thuốc thử khác được dùng trong phân tích trắc quang Cd. Để phân tích định lượng Cd theo phổ UV – VIS ta có thể sử dụng 2 phương pháp đường chuẩn và phương pháp thêm tiêu chuẩn.
Tương tự ta có thể xác định Pb bằng cách chuyển nó về dạng Chì- dithizonat trong môi trường pH=56. Sau đó, chiết phức này với dung môi hữu cơ CHCl3 hoặc CCl4 rồi đem đo mật độ quang tại =510 nm. Giới hạn của phương pháp này đối với Pb là 0,05 ppm.
Gao Hong Wen (Trung Quốc) sử dụng Dithizon kết hợp với sử dụng màng lọc tế bào tách Cd để xác định vi lượng Cd(II) trong nước biển. Giới hạn phát hiện là 0,006 ppm [31]
Tác giả Phạm Thị Xuân Lan đã xác định Pb bằng phương pháp trắc quang dùng thuốc thử Xylen da cam có độ nhạy cao và kết quả thu được khá chính xác ở điều kiện tối ưu của phép đo là 12ml urotropin 10%, 8 ml HCl 0,5N, 1,2 ml thuốc thử Xylen da cam 0,05% định mức 25ml và đo bằng cuvet 50 mm với lọc sáng màu lục. [7]
Ưu điểm của phương pháp: Độ nhạy, độ ổn định và độ chính xác khá cao, được sử dụng nhiều trong phân tích vi lượng.
Nhược điểm của phương pháp: Không chọn lọc, một thuốc thử có thể tạo nhiều phức với nhiều ion.
b. Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử (AES) [10]
Ở điều kiện bình thường, nguyên tử không thu hay không phát xạ năng lượng, nhưng nếu bị kích thích thì các electron sẽ nhận năng lượng chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn. Trạng thái này không bền, chúng có xu hướng giải phóng năng lượng để trở về trạng thái ban đầu bền vững dưới dạng các bức xạ. Các bức xạ này gọi là phổ phát xạ nguyên tử.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nguyên tắc: Là dựa trên sự xuất hiện phổ phát xạ của nguyên tử tự do của nguyên tố phân tích ở trạng thái khi có sự tương tác với nguồn năng lượng phù hợp. Một số nguồn năng lượng thường dùng để kích thích phổ AES như: ngọn lửa đèn khí, hồ quang điện, tia lửa điện…
Ưu điểm: Phương pháp AES có độ nhạy cao (thường từ n.10-3 đến
n.10-4%), ít tốn mẫu, có thể phân tích đồng thời nhiều nguyên tố trong cùng một mẫu.Vì vậy, đây là phương pháp dùng để kiểm tra đánh giá hóa chất, nguyên liệu tinh khiết, phân tích được lượng vết ion kim loại độc trong nước, lương thực, thực phẩm.
Nhược điểm: Chỉ cho biết thành phần nguyên tố trong mẫu mà không chỉ ra được trạng thái liên kết của nó trong mẫu.
Các tác giả [28] đã sử dụng nguồn Plasma cao tần cảm ứng kích thích phổ AES để xác định hàm lượng Cd, Cu, Pb trong mẫu nước, đạt hiệu xuất thu hồi cao (>97%).
c. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS [13]
Khi nguyên tử tồn tại tự do ở thể khí và ở trạng thái năng lượng cơ bản, thì nguyên tử không thu hay không phát ra năng lượng. Tức là nguyên tử ở trạng thái cơ bản. Song nếu nguyên tử đang tồn tại ở trạng thái này mà chúng ta kích thích nó bằng một chùm tia sáng đơn sắc có năng lượng phù hợp, có độ dài sóng trùng với các vạch phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tố đó, thì chúng sẽ hấp thụ các tia sáng đó sinh ra một loại phổ của nguyên tử. Phổ này được gọi là phổ hấp thụ của nguyên tử. [9]
Thực tế cho thấy phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử có nhiều ưu việt
hơn các phương pháp khác như: Độ nhạy, độ chính xác cao, lượng mẫu tiêu thụ ít, tốc độ phân tích nhanh. Với ưu điểm này, AAS được thế giới dùng làm phương pháp tiêu chuẩn để xác định lượng nhỏ và lượng vết các kim loại trong nhiều đối tượng khác nhau. Để xác định Asen trong chè xanh người ta
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
thường dùng hai phương pháp: Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật Hydrua hoá (HG-AAS) và phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (GF- AAS, dùng lò nhiệt điện ). Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử dùng kỹ thuật hydrua hoá là phương pháp đặc trưng. Mặc dù vậy phương pháp
AAS dùng lò nhiệt điện đơn giản và không bị nhiễu cũng thường được sử dụng.
* Phép đo phổ F-AAS
Đây là kỹ thuật dùng năng lượng nhiệt của ngọn lửa đèn khí để hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích. Vì thế mọi quá trình xảy ra trong khi nguyên tử hóa mẫu phụ thuộc vào các đặc trưng và tính chất của ngọn lửa đèn, nhưng chủ yếu là nhiệt độ của ngọn lửa. Đó là yếu tố quyết định hiệu suất nguyên tử hóa mẫu phân tích, và mọi yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ của ngọn lửa đèn khí đều ảnh hưởng đến kết quả phương pháp phân tích.
Khi ứng dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F – AAS), Phạm Luận và các cộng sự đã phân tích và xác định một số kim loại nặng trong máu, huyết thanh và tóc của công nhân khu gang thép Thái Nguyên và công nhân nhà máy in.
* Phép đo phổ GF-AAS
Kĩ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa ra đời sau kĩ thuật nguyên tử hoá trong ngọn lửa. Nhưng kĩ thuật này được phát triển rất nhanh và hiện nay đang được ứng dụng rất phổ biến vì kĩ thuật này có độ nhạy rất cao (mức ppb). Do đó, khi phân tích lượng vết kim loại trong trường hợp không cần thiết phải làm giàu sơ bộ các nguyên tố cần phân tích.
Về nguyên tắc, kĩ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hoá tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng nhiệt của dòng điện có công suất lớn và trong môi trường khí trơ. Quá trình nguyên tử hoá xảy ra theo ba giai đoạn kế tiếp nhau: sấy khô, tro hoá luyện mẫu, nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
tử hoá để đo phổ hấp thụ và cuối cùng làm sạch cuvet. Nhiệt độ trong cuvet graphit là yếu tố chính quyết định mọi sự diễn biến của quá trình nguyên tử hoá mẫu.
GS. Phạm Luận và các cộng sự thuộc trường ĐHKHTN Hà Nội đã nghiên cứu xác định kim loại trong lá cây và cây thuốc Đông Y ở Việt Nam, trong thực phẩm tươi sống bằng phổ hấp thụ nguyên tử [8], [9].
GS. Nakashima và các cộng sự thuộc trường ĐHTH Okayama (Nhật Bản) đã phân tích xác định hàm lượng kim loại nặng trong nước bằng phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa phát hiện đạt cỡ vài ng/ml [30].
Tác giả Nguyễn Ngọc Sơn [20] trong khoá luận tốt nghiệp của mình cũng đã sử dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa GF – AAS để xác định lượng vết một số kim loại trong đất hiếm tinh khiết (99,5%) có so sánh với kĩ thuật ICP – MS và có đưa ra nhận xét: phương pháp GF – AAS có thể xác định tạp chất trong đất hiếm tinh khiết với độ nhạy và độ chính xác cao. Sự sai khác giữa hai phương pháp GF – AAS và ICP – MS là rất nhỏ.
Những ưu - nhược điểm của phép đo:
Cũng như các phương pháp phân tích khác, phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử cũng có những ưu, nhược điểm nhất định đó là:
Ưu điểm:
Đây là phép đo có độ nhạy cao và độ chọn lọc tương đối cao. Gần 60 nguyên tố hoá học có thể xác định bằng phương pháp này với độ nhạy từ 1.10-4 – 1.10-5 %. Đặc biệt, nếu sử dụng kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa thì có thể đạt tới độ nhạy n.10-7
%. Chính vì có độ nhạy cao nên phương pháp phân tích này đã được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để xác định lượng vết các kim loại.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Một ưu điểm lớn của phép đo là: trong nhiều trường hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác định trước khi phân tích. Do đó, tốn ít mẫu, ít thời gian cũng như hoá chất tinh khiết để làm giàu mẫu. Tránh được sự nhiễm bẩn khi xử lý mẫu qua các giai đoạn phức tạp, kết quả phân tích lại rất ổn định, sai số nhỏ.
Nhược điểm:
Bên cạnh những ưu điểm phép đo AAS cũng có nhược điểm là chỉ cho biết thành phần nguyên tố của chất ở trong mẫu phân tích mà không chỉ ra trạng thái liên kết của nguyên tố ở trong mẫu.
1.6. Các phƣơng pháp tách và làm giàu hàm lƣợng vết các kim loại
Trong thực tế phân tích, hàm lượng các chất có trong mẫu đặc biệt là hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước thường rất nhỏ, nằm dưới giới hạn phát hiện của các công cụ phân tích. Vì vậy, trước khi xác định chúng thì cần thông qua quá trình tách và làm giàu.
Để tách, làm giàu kim loại nặng trong nước thường dùng một số phương pháp thông dụng như phương pháp kết tủa và cộng kết, phương pháp chiết pha rắn SPE, phương pháp chiết lỏng – lỏng, phương pháp tách và làm giàu bằng điện hoá…
1.6.1. Phương pháp kết tủa, cộng kết
Cộng kết là phương pháp kết tủa chất cần phân tích bằng cách đưa thêm những chất kết tủa đồng hành thường gọi là chất góp, vào đối tượng phân tích để cộng kết các nguyên tố khi hàm lượng của chúng rất nhỏ. Nhờ vậy mà chất phân tích sẽ được thu góp lại. Khi đó hàm lượng của nó tăng lên rất nhiều lần. Người ta có thể chọn một số hyđroxyt khó tan như: Fe(OH)3, Al(OH)3....hoặc một số sunfua hay một số chất hữu cơ làm chất góp [17].
Khi sử dụng chất hữu cơ để cộng kết có thể kết tủa được những hàm lượng vết tới 10-3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
với chất vô cơ vỡ kết tủa dễ lọc rửa. Bằng cách thay đổi pH của dung dịch có thể tiến hành kết tủa lần lượt và tách được nhiều cation kim loại khác nhau với cùng một chất kết tủa hữu cơ. Hơn nữa phân tử hữu cơ dễ dàng bị phân huỷ khi nung kết tủa từ đó thu được nguyên tố cần xác định ở trạng thái đó làm giàu, tinh khiết. Mặt khác, chất góp hữu cơ cũng có khả năng cộng kết được hàm lượng vết nguyên tố khi có mặt lượng lớn nguyên tố khác.
Phương pháp cộng kết có ưu điểm: Đơn giản, hiệu quả cao nền mẫu phân tích được chuyển từ phức tạp sang đơn giản hơn. Tuy nhiên nhược điểm chính của phương pháp là mất nhiều thời gian nên phương pháp này ít được sử dụng.