Một trong các phương pháp làm giàu lượng vết các kim loại được sử dụng rộng rãi nhất là phương pháp chiết bằng một dung môi hữu cơ không trộn lẫn với nước. Phương pháp này có ưu điểm như: có thể chiết chất cần phân tích từ những dung dịch có nồng độ rất nhỏ, tốc độ chiết lớn (đạt tới cân bằng nhanh), sự tách giữa pha nước và pha hữu cơ nhanh, dễ dàng. Phần dịch chiết được định lượng bằng các phương pháp khác nhau.
Hệ chiết Pb, Cd - dithzonat trong CH3Cl hoặc CCl4, sau đó xác định Pb, Cd theo phương pháp trắc quang.
b) Phương pháp Sắc ký
Sắc kí là quá trình tách dựa trên sự phân bố liên tục các cấu tử chất phân tích lên hai pha: một pha thường đứng yên, có khả năng hấp phụ các chất phân tích gọi là pha tĩnh, một pha di chuyển qua pha tĩnh gọi là pha động. Do các cấu tử chất phân tích có ái lực khác nhau với pha tĩnh và pha động nên chúng di chuyển với tốc độ khác nhau và tách khỏi nhau.
Các phương pháp sắc ký được sử dụng rộng rãi trong phân tích định lượng để tách và làm giàu các cấu tử riêng biệt từ những hỗn hợp phức tạp của các chất vô cơ và hữu cơ.Nhờ một hệ thống detector mà ta có thể phát hiện ra hàm lượng của từng chất có trong mẫu. Tuỳ từng pha động khác nhau mà ta có các phương pháp tách sắc ký khác nhau.
Sắc kí lỏng có lịch sử phát triển sớm, ban đầu phương pháp thực hiện ở áp suất thường vì chất nhồi có kích thước lớn. Cơ chế tách là sắc kí hấp phụ, sắc kí phân bố nhưng do tốc độ phát triển nhanh của phương pháp, các chất nhồi khác nhau ngày càng được cải tiến, hiệu quả tách của cột cũng ngày càng được nâng cao. Sắc kí lỏng hiệu năng cao bao gồm nhiều phương pháp có đặc thù riêng, đó là sắc kí lỏng pha liên kết, sắc kí lỏng phân bố lỏng-lỏng, sắc kí trao đổi ion lỏng-rắn…
Các tác giả Joseph J.Topping và William A.Maccrehan đã làm giàu và xác định cadimi trong nước bằng cột sắc kí pha đảo và phổ hấp thụ nguyên tử. Nhờ khả năng tách và xác định đồng thời lượng vết Pb, Hg, Cd sau khi làm giàu trên cột các ion kim loại trên với thuốc thử tetra (4-bromophenyl)- porphyrin (T4BPP) trên cột chiết pha rắn Xterra TMRP18 (cột 5µm,
3,9x20mm). Sau đó phân tích lượng vết các phức chất tạo thành trên cột phân tích TMRP18 (cột 5µm, 3,9x150mm).
*Phương pháp sắc kí điện di mao quản
Dưới tác dụng của lực điện trường từ nguồn thế cao được đặt vào hai đầu cột tách (ống mao quản) trong môi trường chất điện li và chết đệm thích hợp, các phần tử chất tan ion khác nhau sẽ di chuyển khác nhau và tách ra khỏi nhau. Cơ chế chính của sự di chuyển các ion trong ống mao quản là do tác dụng nhất định của lực điện trường và tính chất của dòng điện di thẩm thấu. Cột tách được nhồi hay tẩm các loại pha tĩnh loại pha thường hay pha ngược nhưng có đường kính nhỏ trong vùng 30-50 µm, vì thế lượng mẫu nạp vào ống mao quản rất nhỏ, chỉ khoảng 5-20 nL cho một lần tách. Sau khi tách các chất phân tích được phát hiện bằng các loại detector: UV, UV-VIS, huỳnh quang, đo độ dẫn điện. Ví dụ: xác định chì trong nước bọt sử dụng phương pháp điện di mao quản động học mixen. Đo độ hấp thụ quan của phức ở bước
sóng 205nm trong dung môi acetonitrin. Phép đo tuyến tính đến 400 ppb và có giới hạn phát hiện là 11,4 ppb.
1.4. GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ
Ở trạng thái cơ bản, các nguyên tử tồn tại bền vững và có năng lượng nhỏ nhất, nguyên tử không phát cũng không thu năng lượng (bức xạ).
Khi chuyển các nguyên tử về trạng thái hơi tự do ở mức năng lượng cơ bản và chiếu vào đám hơi nguyên tử một chùm tia sáng đơn sắc λ có năng lượng thích hợp (thường là bức xạ có bước sóng đúng bằng bước sóng mà nguyên tử phát ra trong quá trình phát xạ), nguyên tử sẽ hấp thụ năng lượng của tia sáng λ và nhảy lên mức năng lượng cao hơn (trạng thái kích thích). Phổ được sinh ra trong quá trình này là phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) [18, 19, 21].
1.4.1. Nguyên tắc của phương pháp
Muốn đo phổ hấp thụ nguyên tử để xác định hàm lượng của một nguyên tố chúng ta phải thực hiện theo các nguyên tắc sau:
- Xử lí mẫu, chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu ( rắn hoặc lỏng) về dạng dung dich đồng thể.
- Hóa hơi dung dịch mẫu, để có đám hơi (khí) của các chất mẫu.
Nguyên tử hóa đám hơi, tạo ra môi trường của các nguyên tử tự do. Đây là bước rất quan trọng, vì chỉ khi nguyên tử ở trạng thái tự do thì chúng mới có thể hấp thụ được năng lượng của bức xạ. Do đó, phải sử dụng các nguồn năng lượng có nhiệt độ cao như ngọn lửa đèn khí, lò graphit hoặc dùng kĩ thuật hóa hơi lạnh để đảm bảo nguyên tử hóa hoàn toàn đám hơi mẫu phân tích, mang lại kết quả phân tích tốt và ổn định.
- Chiếu chùm tia đơn sắc vào đám hơi nguyên tử tự do để sinh phổ AAS (chùm tia phát xạ của chính nguyên tố cần phân tích). Các loại nguồn đơn sắc thường được dùng là đèn catot rỗng (HCL), đèn phóng điện không điện cực (EDL), ngoài ra còn dùng nguồn liên tục biến điệu, đen hơi Hg áp suất cao.
- Hệ thống máy quang phổ thu phổ AAS, phân tích dải phổ này, chọn một λ để đo Aλ và ghi lại Aλ.
1.4.2. Phép định lượng của phương pháp
Khi chiếu một chùm tia sáng đơn sắc λ vào môi trường có chứa các nguyên tử tự do của một nguyên tố ở thể khí thì cường độ của vạch phổ hấp thụ Aλ phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Số nguyên tử đã hấp thụ bức xạ λ (Nk).
- Năng lượng của chùm tia đơn sắc mà các nguyên tử hấp thụ ∆E=hν. - Nhiệt độ môi trường hấp thụ.
- Bề dày lớp chất hấp thụ (L) mà chùm sáng λ đi qua. - Hệ số hấp thụ bức xạ λ của nguyên tử kλ.
Sự hấp thụ bức xạ λ của nguyên tử ở trạng thái hơi (khí) cũng tuân theo định luật Lambe - Bear:
Aλ= log(Io/It) = 2,303.kλ.L.Nk
Độ hấp thụ Aλ của một vạch phổ hấp thụ phụ thuộc vào 2 đại lượng bề dày lớp nguyên tử ở trạng thái khí L và nồng độ đám hơi nguyên tử tự do ở trạng thái khí Nk:
A λ = f(L,Nk)
Trong điều kiện nhất định thì kλ và L đều không đổi nên mật độ hấp thụ quang chỉ phụ thuộc vào nồng độ của nguyên tử hấp thụ quang:
A λ = k.Nk với k = 2,303.kλ.L.
N(k) liên hệ với nồng độ của chất phân tích theo biểu thức dạng:
Nk= k2.Cxb
Do đó:
Aλ = a. CXb với a = k.k2
Trong một khoảng nồng độ xác định đối với từng nguyên tố và thiết bị sử dụng thì luôn có một khoảng nồng độ mà b=1, tức là Aλ phụ thuộc tuyến tính với Cx (hình 1.4). Trong phân tích người ta dùng khoảng tuyến tính này
để xác định hàm lượng của các nguyên tố theo độ hấp thụ quang Aλ.
Hình 1.1. Sự phụ thuộc của Aλ vào C
1.4.3. Phép đo phổ GF-AAS
1.4.3.1. Nguyên tắc của phép đo
Phép đo phổ GF-AAS dùng năng lượng nhiệt của dòng điện rất cao (300- 500A) để đốt nóng tức khắc cuvet graphite chứa mẫu phân tích, thực hiện nguyên tử hóa mẫu cho phép đo trong môi trường khí trơ để loại trừ sự hình thành hợp chất cacbua kim loại của chất phân tích. Quá trình nguyên tử hóa diễn ra theo ba giai đoạn chính: sấy mẫu, tro hóa luyện mẫu, nguyên tử hóa để đo phổ và hai giai đoạn phụ: làm sạch cuvet và làm lạnh cuvet về nhiệt độ phòng.
1.4.3.2. Yêu cầu của hệ thống nguyên tử hóa mẫu
Hệ thống nguyên tử hóa mẫu trong phép đo GF-AAS bao gồm: - Buồng nguyên tử hóa và cuvet graphite chứa mẫu phân tích.
- Nguồn năng lượng để nung nóng đỏ lò graphite đến nhiệt độ nguyên tử hóa mẫu và bộ điều khiển cài đặt chương trình tự động, chỉ huy quá trình nguyên tử hóa theo các giai đoạn.
Hệ thống này phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Hệ thống nguyên tử hóa của phép đo phổ GF-AAS phải đảm bảo hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích với hiệu suất cao và ổn định để phép đo
C0 Vùng tuyến tính b = 1
có độ nhạy cao và độ lặp lại tốt.
- Cung cấp đủ nhiệt để nguyên tử hóa hoàn toàn nhiều nguyên tố trong mẫu phân tích.
- Cuvet sử dụng phải tinh khiết vì nếu không sẽ gây nên hiện tượng phổ phụ, làm sai lệch kết quả phân tích.
- Khí trơ trong khi sử dụng phải hoàn toàn tinh khiết, nếu không cuvet graphit sẽ bị đốt cháy (bị oxi hóa). Do đó tốt nhất nên dùng khí Ar.
1.4.3.3. Các giai đoạn trong quá trình nguyên tử hóa mẫu
Quá trình nguyên tử hóa xảy ra theo các giai đoạn như trong hình 1.5 trong khoảng thời gian từ 60 – 80 giây.
Hình 1.2. Nhiệt độ và thời gian các giai đoạn của quá trình nguyên tử hóa mẫu trong phép đo GF-AAS
a) Sấy khô mẫu
Mẫu phân tích được bơm vào cuvet ở dạng dung dịch, dạng nhũ tương (huyền phù) hay dạng bột. Giai đoạn này, dung môi bay hơi hoàn toàn, mẫu không bị bắn, mẫu trở thành dạng bột khô đều (muối của các chất), các chất hữu cơ và mùn trong mẫu bị đốt cháy và than hóa.
tồn tại của nó trong mẫu, chất nền của mẫu và nồng độ của chất nền, dung môi hòa tan mẫu.
Trong giai đoạn sấy mẫu, cần phải chọn ba yếu tố phù hợp: nhiệt độ sấy, thời gian sấy, tốc độ tăng nhiệt độ( từ Tp lên đến Ts).
Theo kinh nghiệm thực tế, khi sử dụng phép đo GF-AAS đối với các chất vô cơ trong dung môi nước và môi trường axit loãng thì nhiệt độ sấy cho hầu hết các nguyên tố chỉ nên chọn từ 120 - 1500C và sấy trong thời gian ts = 30 giây. Trong đó, tối thiểu phải để 1/3 ts cho sự tăng dần nhiệt độ và tối đa là 2/3ts (5-100C/giây). Cho nên có tối thiểu 1/3ts ở nhiệt độ hằng định (hình 1.6).
Hình 1.3. Nhiệt độ và thời gian trong giai đoạn sấy khô mẫu b) Tro hóa luyện mẫu
Giai đoạn tro hóa luyện mẫu là quá trình đốt cháy hết các chất mùn, chất hữu cơ, làm mẫu không bị bắn, luyện mẫu thành hỗn hợp nóng chảy đồng nhất, chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hóa để đo phổ tiếp theo.
Nhiệt độ tro hóa phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: bản chất của chất mẫu và chất phân tích, dạng muối tồn tại và liên kết hóa học của nó trong chất mẫu, chất nền của mẫu và thành phần của mẫu phân tích, môi trường khí trơ
của giai đoạn nguyên tử hóa mẫu đo phổ, loại cuvet Graphite đựng mẫu để nguyên tử hóa.
Tương tự như giai đoạn sấy khô mẫu, ba yếu tố phải chọn để tro hóa luyện mẫu là nhiệt độ, thời gian, tốc độ tăng nhiệt độ.
Trong phép đo GF-AAS, nhiệt độ tốt nhất cho quá trình tro hóa luyện mẫu là 450-12000C và thời gian tro hóa (ttr) tối đa là 30 giây. Trong thời gian tro hóa, tối thiểu cũng phải để 1/3 và tối đa là 2/3 ttr để tăng dần nhiệt độ (50- 1000C/giây). Do đó, có tối thiểu 1/3 ttr ở nhiệt độ hằng định (Ttr) ( hình 1.7).
Hình 1.4. Nhiệt độ vào thời gian trong giai đoạn tro hóa luyện mẫu c) Nguyên tử hóa
Giai đoạn này gồm có quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa để sinh phổ GF-AAS của nguyên tố cần phân tích. Nhiệt độ nguyên tử hóa thường trong vùng 1800- 28000C trong thời gian rất ngắn (3-5 giây) với tốc độ tăng nhiệt rất lớn, là mức cao nhất của máy AAS (2000-25000C/ giây).
Nhiệt độ nguyên tử hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất của chất phân tích, dạng muối, liên kết hợp chất tồn tại của nó trong mẫu, chất nền của mẫu và thành phần mẫu dung dịch đo phổ, khí trơ làm môi trường nguyên tử hóa mẫu để đo phổ GF-AAS.
Qua nhiều nghiên cứu cho thấy, Aλ phụ thuộc vào nhiệt độ nguyên tử hóa theo hai dạng đường như trong hình 1.8.
Kiểu I có nhiệt độ tới hạn (Tgh), tức là nhiệt độ cuối cùng mà Aλ không tăng thêm nữa, khi đó chọn giá trị Tgh làm nhiệt độ nguyên tử hóa. Kiểu II không có Tgh, khi đó chọn nhiệt độ nguyên tử hóa tại điểm độ dốc của Aλ = f(T) là lớn nhất. Vì dùng nhiệt độ nguyên tử hóa cao hơn nhiệt độ giới hạn thì không cho thêm cường độ vạch phổ mà chỉ làm phép đo kém ổn định và cuvet graphite nhanh vỡ.
Hình 1.5. Sự phụ thuộc của A vào nhiệt độ trong giai đoạn nguyên tử hóa mẫu
Trong giai đoạn nguyên tử hóa, có các quá trình chính (sinh phổ AAS của nguyên tố phân tích) và các quá trình phụ kèm theo không sinh phổ, không có lợi mà phải tìm cách giảm và loại từ chúng ( ion hóa, phát xạ của chất phân tích, phát xạ hạt rắn, nóng, sáng sinh phổ nền liên tục…).
Quá trình sinh phổ AAS có thể xảy ra theo hai cơ chế, dựa vào sự chênh lệch năng lượng hóa hơi (Ehh)và năng lượng nguyên tử hóa (Enth) của
• Ehh < Enth: chất mẫu hóa hơi trước, rồi bị nguyên tử hóa tạo ra các nguyên tử tự do của nguyên tố cần phân tích:
Mẫu (1) → Bột mẫu MnXm (r) (dung môi bay hơi) MnXm (r) → MnXm (k) (hóa hơi)
MnXm (k) → nM (k) (nguyên tử hóa)
M (k) + hν → phổ AAS của nguyên tố M
Theo cơ chế này, phép đo GF- AAS có độ nhạy cao, độ ổn định và độ lặp lại tốt, sai số nhỏ hơn 12% ở cấp ppb.
• Ehh > Enth: chất mẫu bị nguyên tử hóa (phân li) thành nguyên tử, rồi mới hóa hơi thành các nguyên tử tự do:
Mẫu (1) → Bột mẫu MnXm (r) (dung môi bay hơi) MnXm (r) → nM (r) (phân li, nguyên tử hóa) M (r) → M (k) (hóa hơi)
M (k) + hν → phổ AAS của nguyên tố M
Theo cơ chế này, phép đo GF-AAS có độ nhạy kém hơn cơ chế thứ nhất, dễ sinh hợp chất bền nhiệt (MeO), kém ổn định và lặp lại không tốt, sai số thường lớn hơn (khoảng 20%) ở cấp độ ppb.
Để phân tích có kết quả chính xác hơn, người ta tạo điều kiện để giai đoạn nguyên tử hóa xảy ra theo cơ chế thứ nhất bằng cách thêm chất phụ gia và chọ nền mẫu (cải biến nền) trong phép đo GF-AAS.
d) Làm sạch cuvet
Để loại hết các chất mẫu còn lại trong cuvet chưa hóa hơi hết, để có cuvet sạch dùng cho lần đo sau thì phải có giai đoạn làm sạch cuvet. Nhiệt độ làm sạch cuvet thường lớn hơn nhiệt độ nguyên tử hóa 150-2500C trong khoảng 1-2 giây.
e) Làm nguội cuvet
bơm mẫu tiếp theo được vào vì mẫu sẽ bị bắn. Do đó phải làm nguội cuvet về nhiệt độ phòng rồi mới bơm mẫu. Các hãng sản xuất thường đặt cố định thời gian làm nguội cuvet là 40 giây để nước chảy liên tục qua hộp cuvet. Sau quá trình này cuvet graphite thường có nhiệt độ dưới 250C.
1.4.4. Ưu điểm, nhược điểm của phương pháp GF-AAS
1.4.4.1. Ưu điểm
Phép đo GF-AAS có độ nhạy và độ chọn lọc cao. Hiện nay đã có khoảng 60 nguyên tố được xác định bằng phương pháp này với độ nhạy n.10- 7%. Do đó có thể xác định lượng vết các kim loại trong các mẫu y học, sinh học, nông nghiệp, nước, kiểm tra hóa chất có độ tinh khiết cao [18, 19, 21].
Do có độ nhạy cao nên trong nhiều trường hợp không phải làm giàu các nguyên tố cần xác định trước khi phân tích nên tốn ít mẫu, ít thời gian, không phải dùng nhiều hóa chất tinh khiết, đắt tiền.
Hệ thống hoàn toàn tự động, có thể phân tích hàng loạt mẫu trong khoảng thời gian ngắn, xử lí số liệu nhanh và mang lại kết quả có độ chính xác cao.
1.4.4.2. Nhược điểm
Hệ thống máy GF-AAS tương đối đắt tiền nên nhiều cơ sở không có đủ