2.3 .Quy trỡnh chế tạo vật li ệu
2.4. Cỏc phƣơng phỏp nghiờn cứu đặc trƣng vật liệu
2.4.1. Kớnh hiển vi điện tử quột (Scanning Electron Microscope)
Kớnh hiển vi điện tử quột (SEM) là một loại kớnh hiển vi điện tử cú thể tạo ra ảnh với độ phõn giải cao bằng cỏch quột trờn bề mặt mẫu vật bởi một chựm điện tử (chựm cỏc electron) tập trung. Cỏc electron tƣơng tỏc với cỏc nguyờn tử trờn bề mặt mẫu tạo ra cỏc tớn hiệu bức xạ khỏc nhau chứa thụng tin về mẫu. Vị trớ của chựm tia kết hợp với cƣờng độ tớn hiệu đƣợc ghi nhận và phõn tớch để tạo ra hỡnh ảnh.
Khi chiếu vào mẫu bằng chựm tia điện tử trong chõn khụng: chựm điện tử xuất phỏt từ sỳng điện tử đi qua tụ kớnh, rồi vật kớnh, sau đú hội tụ và quột trờn toàn bộ bề mặt của mẫu, sựtƣơng tỏc của chựm điện tử tới với bề mặt mẫu tạo ra cỏc tia điện tử thứ cấp (SE), điện tử tỏn xạ ngƣợc (BSE), tia X đặc trƣng, và cỏc tớn hiệu
23
khỏc. Trong kớnh hiển vi điện tử quột SEM cỏc tớn hiệu SE và BSE thƣờng đƣợc sử dụng để tạo nờn ảnh. Cỏc chựm điện tử thứ cấp cú năng lƣợng thấp (thƣờng nhỏ hơn 50 eV) đƣợc ghi nhận bằng ống nhõn quang nhấp nhỏy. Vỡ chỳng cú năng lƣợng thấp nờn chủ yếu là cỏc điện tử phỏt ra từ bề mặt mẫu với độ sõu chỉ vài nanomet, do vậy chỳng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu. BSE là cỏc điện tử phản xạ ngƣợc trở lại sau khi va vào cỏc nguyờn tử trờn bề mặt mẫu, do đú chỳng thƣờng cú năng lƣợng cao. Sự tỏn xạ này rất hữu ớch cho phõn tớch độ tƣơng phản thành phần húa học ở bề mặt mẫu bởi số lƣợng điện tử tỏn xạ ngƣợc phụ thuộc vào thành phần (nguyờn tử, hƣớng tinh thể,...) của mẫu. Do đú ảnh BSE phản ỏnh sự phõn bố thành phần cấu tạo của bề mặt mẫu.
Mặc dự khụng thể cú độ phõn giải tốt nhƣ kớnh hiển vi điện tử truyền qua TEM nhƣng kớnh hiển vi điện tử quột lại cú điểm mạnh là phõn tớch mà khụng cần phỏ hủy mẫu vật và cú thể hoạt động ở chõn khụng thấp. Một điểm mạnh khỏc của SEM là cỏc thao tỏc điều khiển đơn giản hơn rất nhiều so với TEM khiến cho nú rất dễ sử dụng cựng với đú là giỏ thành của SEM thấp hơn rất nhiều so với TEM, vỡ thế SEM phổ biến hơn so với TEM.
2.4.2. Phổ tỏn xạnăng lượng tia X (EDX)
Phổ tỏn xạ năng lƣợng tia X là kỹ thuật phõn tớch thành phần húa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phỏt ra từ vật rắn do tƣơng tỏc với cỏc bức xạ (mà chủ yếu là chựm điện tử cú năng lƣợng cao trong cỏc kớnh hiển vi điện tử).
Khi chựm điện tử cú năng lƣợng lớn đƣợc chiếu vào vật rắn, nú sẽ đõm xuyờn sõu vào nguyờn tử vật rắn và tƣơng tỏc với cỏc lớp điện tử bờn trong của nguyờn tử. Tƣơng tỏc này dẫn đến việc tạo ra cỏc tia X cú năng lƣợng biến thiờn trong dải rộng. Cƣờng độ tia X tỉ lệ với tỉ phần nguyờn tố cú mặt trong mẫu. Do đú việc ghi nhận phổ tia X phỏt ra từ vật rắn sẽ cho thụng tin về cỏc nguyờn tố húa học cú mặt trong mẫu đồng thời cho cỏc thụng tin về tỉ phần cỏc nguyờn tố này. Độ chớnh xỏc của EDX ở cấp độ một vài phần trăm (thụng thƣờng ghi nhận đƣợc sự cú mặt của cỏc nguyờn tố cú tỉ phần cỡ 3-5% trở lờn). Tuy nhiờn, EDX tỏ ra khụng hiệu quả với cỏc
24
nguyờn tố nhẹ (vớ dụ: B, C...) vỡ thƣờng xuất hiện hiệu ứng chồng chập cỏc đỉnh tia X của cỏc nguyờn tố khỏc nhau gõy khú khăn cho phõn tớch.
2.4.3. Phương phỏp nhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia X là hiện tƣợng cỏc chựm tia X nhiễu xạ trờn cỏc mặt tinh thể của chất rắn do tớnh tuần hoàn của cấu trỳc tinh thể tạo nờn cỏc cực đại và cực tiểu nhiễu xạ.
Hỡnh 2.4. Hiện tƣợng nhiễu xạ tia X trờn mặttinh thểcủachất rắn
Khi chiếu một chựm tia X cú bƣớc súng tới một tinh thể chất rắn dƣới gúc tới . Do tinh thể cú tớnh chất tuần hoàn, cỏc mặt tinh thể sẽ cỏch nhau những khoảng đều đặn d, đúng vai trũ giống nhƣ cỏc cỏch tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tƣợng nhiễu xạ của cỏc tia X. Nếu ta quan sỏt cỏc chựm tiatỏn xạ theo phƣơng phản xạ (bằng gúc tới) thỡ hiệu quang trỡnh giữa cỏc tia tỏn xạ trờn cỏc mặt là: L=2d.sin . Nhƣ vậy, để cú cực đại nhiễu xạ thỡ gúc tới phải thỏa món điều kiện: L=2d.sin =n. (trong đú, n là số nguyờn nhận cỏc giỏ trị 1, 2,...). Đõy là định luật Vulf-Bragg mụ tả hiện tƣợng nhiễu xạ tia X trờn cỏc mặt tinh thể.
Ứng dụng: Cỏc đỉnh giao thoa đặc trƣng bởi sự phõn bố của cỏc nguyờn tử trong mạng tinh thể. Từ vị trớ cỏc đỉnh nhiễu xạ cú thể xỏc định đƣợc hằng số mạng
25
và cỏc kiểu đối xứng của nú thụng qua định luật Bragg và cỏc phộp tớnh toỏn. Ta cú thể tỏi hiện hỡnh ảnh của tinh thể. So sỏnh với cơ sở dữ liệu của mụ hỡnh nhiễu xạ Xray cho phộp xỏc định pha của hầu hết cỏc mẫu tinh thể. Phƣơng phỏp nhiễu xạ đƣợc sử dụng rộng rói nhất cho việc xỏc định cỏc vật liệu tinh thể chƣa biết (vớ dụ khoỏng chất, cỏc hợp chất vụ cơ). Xỏc định chất rắn chƣa biết là rất quan trọng để nghiờn cứu về địa chất, khoa học mụi trƣờng, khoa học vật liệu, kỹ thuật và sinh học,…
2.4.4. Quang phổ hồng ngoại fourier (FT-IR)
FT-IR là một kỹ thuật đo lƣờng cho phộp ghi lại phổ hồng ngoại của vật chất cần nghiờn cứu. Ánh sỏng hồng ngoại đƣợc dẫn qua một giao thoa kế Michelson (thay cho bộ tạo đơn sắc) và sau đú qua mẫu. Sau khi hấp thụ cỏc bức xạ hồng ngoại, cỏc phõn tử của cỏc hơp chất hoỏ học dao động với nhiều vận tốc khỏc nhau và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Cỏc đỏm phổ khỏc nhau cú mặt trong phổ hồng ngoại tƣơng ứng với cỏc nhúm chức đặc trƣng và cỏc liờn kết cú trong phõn tử hợp chất hoỏ học. Bởi vậy, ta cú thể nhận dạng cỏc chất húa học dựa vào phổ hồng ngoại của chỳng.
Phƣơng phỏp này cho phộp phõn tớch với hàm lƣợng mẫu chất rất thấp và cú thể đạt độ nhạy rất cao ngay cả khi mẫu chỉ cú bề dày cỡ 50 nm…. Cỏc số liệu ghi nhận đƣợc từ phổ hồng ngoại cung cấp rất nhiều thụng tin về chất nghiờn cứu, cú thể phõn tớch cấu trỳc phõn tử, xỏc định thành phần định tớnh để nhận biết cỏc chất dựa vào một số tuyển tập phổ hồng ngoài và tần số nhúm đặc trƣng đó đƣợc cụng bố. Ngày nay, sự ra đời của cỏc mỏy quang phổ hồng ngoại hiện đại, làm cho việc phõn tớch định lƣợng càng thờm chớnh xỏc và do đú mở rộng đƣợc phạm vi phõn tớch định lƣợng.
2.4.5. Phương phỏp phõn tớch phổ huỳnh quang
Hiện tƣợng huỳnh quang là quỏ trỡnh phỏt xạ của nguyờn tử hay phõn tử đƣợc kớch thớch nhờ bức xạ điện từ. Ánh sỏng từ nguồn kớch thớch đƣợc đƣa qua bộ phận lọc đơn sắc rồi chiếu trực tiếp lờn mẫu để kớch thớch cỏc điện tử từ trạng thỏi cơ bản
26
chuyển lờn trạng thỏi kớch thớch. Trong quỏ trỡnh hồi phục về trạng thỏi cơ bản, phần năng lƣợng dƣ thừa đƣợc phỏt ra dƣới dạng photon và đƣợc truyền tới mỏy đơn sắc. Tớn hiệu quang sau đú đƣợc biến đổi thành tớn hiệu điện nhờ vào ống nhõn quang điện hoặc CCD, rồi đƣợc đƣa vào mỏy tớnh xử lý, hiển thị.
Ứng dụng: Dựa vào bƣớc súng kớch thớch và bƣớc súng huỳnh quang để định tớnh cỏc hợp chất hữu cơ. Do độ nhạy và độ đặc hiệu cao nờn cú thể đo trực tiếp cƣờng độ huỳnh quang và dựng phƣơng phỏp so sỏnh để định lƣợng cỏc chất phỏt huỳnh quang mạnh. Ngu?n B? đơn s?c(kớch thớch) B? đơn s?c (phỏt x?) Chùm bức xạ kích thích M?u Huỳnh quang H? th?ng đi?n t? và thi?t b? đ?u ra Bộ thu Nguồn Bộ đơn sắc(kích thích) Bộ đơn sắc (phát xạ) Mẫu Hệ thống điện tử và thiết bị đầu ra
Hỡnh 2.5. Sơ đồ hệđo phổ huỳnh quang
2.5. Phõn tớch định lƣợng phức chất huỳnh quang Europi (III) trong vật liệu nano đa chức năng nano đa chức năng
2.5.1. Phương phỏp xõy dựng đường chuẩn
Tiến hành chuẩn bị dung dịch phức chất Eu(NTA)3 để tạo dung dịch gốc: Cõn 0,2198 gam, 0,4792 gam NTA và 0,5800 gam TOPO; hũa tan hỗn hợp trong 20 ml etanol thu đƣợc dung dịch gốc 30 mM. Từ dung dịch này sẽ tiến hành pha thành cỏc dung dịch cú nồng độ nhỏhơn khỏc nhau để đo phổ hấp thụ UV-Vis. Dựa vào nồng
27
độ phức chất đó chuẩn bị và giỏ trị độ hấp thụ để xõy dựng đƣờng chuẩn xỏc định hàm lƣợng phức chất huỳnh quang Eu(NTA)3 bằng phƣơng phỏp UV-Vis.
Tƣơng tự Eu(NTA)3, vật liệu nano đa chức năng Fe3O4/Eu(NTA)3 sau khi chế tạo đƣợc pha với cỏc nồng độ khỏc nhau và tiến hành đo phổ hấp thụ UV-Vis nhằm biểu thị mối quan hệ tuyến tớnh giữa nồng độ và độ hấp thụ quang.
2.5.2. Xỏc định giới hạn phỏt hiện – Giới hạn định lượng
* Giới hạn phỏt hiện (LOD)
Giới hạn phỏt hiện là nồng độ thấp nhất (xL) của chất phõn tớch mà hệ thống cho tớn hiệu phõn tớch (yL) khỏc cú nghĩa với tớn hiệu mẫu trắng hay tớn hiệu nền [9]. Tức là: yLOD = + k.Sb Trong đú là tớn hiệu trung bỡnh của mẫu trắng sau nb thớ nghiệm; Sb là độ lệch chuẩn tớn hiệu nền; k là đại lƣợng số học đƣợc chọn theo độ tin cậy mong muốn.
Với độ tin cậy là 95% thỡ k = 3. Khi đú nồng độ nhỏ nhất mà thiết bị phõn tớch cú thể phỏt hiện đƣợc theo phƣơng trỡnh hồi quy y = a+b.x trong phƣơng phỏp đƣờng chuẩn là: xLOD =
Trong trƣờng hợp khụng phõn tớch mẫu trắng thỡ cú thể sử dụng độ lệch chuẩn của phƣơng trỡnh hồi quy thay cho độ lệch chuẩn đƣờng nền (Sb = Sy) và tớn hiệu khi phõn tớch mẫu nền yb = a. Khi đú tớn hiệu thu đƣợc ứng với nồng độ phỏt hiện yLOD = a + 3.Sy. Cuối cựng ta đƣợc giỏ trị xLOD = (2.3)
* Giới hạn định lượng (LOQ)
Giới hạn định lƣợng là nồng độ thấp nhất (xQ) của chất phõn tớch mà hệ thống phõn tớch định lƣợng đƣợc với tớn hiệu phõn tớch (yQ) khỏc cú ý nghĩa định lƣợng với tớn hiệu của mẫu trắng hay tớn hiệu nền [9].
YQ = = + K.Sb
28
2.6. Đỏnh giỏ phƣơng phỏp phõn tớch
2.6.1. Độ lặp lại
Một phƣơng phỏp phõn tớch gọi là tối ƣu thỡ phải cú độ lặp tốt. Tiến hành tớnh độ lặp lại dựa trờn việc xỏc định độ lệch chuẩn theo cụng thức [9]:
RSDr = (2.5)
Với là giỏ trị trung bỡnh của n lần đo và Sr đƣợc tớnh là độ lệch chuẩn của n lần đo theo cụng thức sau:
Sr = √∑
Ta chuẩn bị một lƣợng mẫu đủ để phõn tớch lặp lại tối thiểu 7 đến 10 lần, mẫu phải đảm bảo độ bền, khụng biến tớnh trong suốt khoảng thời gian phõn tớch. Thực hiện cỏc phộp đo trong thời gian 1 ngày và lặp lại 7 - 10 lần. Mỗi lần thực hiện đều trải qua cỏc bƣớc lấy mẫu, xử lý mẫu, đo đạc và tớnh toỏn kết quả độc lập nhau.
2.6.2. Độ tỏi lặp
Chuẩn bị một lƣợng mẫu đủ lớn cho quỏ trỡnh phõn tớch kộo dài. Tiến hành với k kỹ thuật viờn (KTV) luõn phiờn nhau thực hiện phộp đo. Xỏc định độ lệch chuẩn tỏi lặp nhƣ sau:
Trƣớc tiờn cần tớnh phƣơng sai trung bỡnh đặc trƣng cho tổng bỡnh phƣơng sự sai khỏc của k kĩ thuật viờn đú chớnh là trung bỡnh của k giỏ trị phƣơng sai riờng rẽ (ký hiệu là ) =∑ … = ∑ => = ∑ = ∑ ∑
Khi lấy k giỏ trị trung bỡnh của k KTV thỡ cỏc giỏ trị trung bỡnh này sẽ khỏc với giỏ trị trung bỡnh chung hay cũn gọi là trung bỡnh tập hợp nờn phƣơng sai giữa cỏc mẫu thống kờ (ký hiệu là ) đƣợc tớnh nhƣ sau:
Trung bỡnh tập hợp là: = ∑ => = ∑
29
Khi đú phƣơng sai tỏi lặp là tổng phƣơng sai của hai thành phần phƣơng sai giữa cỏc nhúm và trung bỡnh phƣơng sai trong một nhúm. Từ giỏ trị này, lấy căn bậc hai của phƣơng sai sẽ thu đƣợc độ lệch chuẩn tỏi lặp và độ lệch chuẩn tỏi lặp tƣơng đối (%RSDR) [9].
= + => %RSDR = (%) (2.6)
2.6.3. Độđỳng của phương phỏp
Độ đỳng đƣợc xỏc định là mức độ gần nhau giữa giỏ trị trung bỡnh của một dóy lớn cỏc kết quả thớ nghiệm và cỏc giỏ trị quy chiếu đƣợc chấp nhận [9]. Để đỏnh giỏ độ đỳng của phƣơng phỏp, hiệu suất thu hồi của cỏc mức nồng độ ở cỏc khoảng nồng độ nhỏ, trung bỡnh và cao của khoảng tuyến tớnh đƣợc thực hiện (n lần). Hiệu suất thu hồi đƣợc tớnh theo cụng thức:
X% = x 100% (2.7)
Trong đú: Ct: là nồng độ thực tế của chất phõn tớch thu đƣợc (dựa theo đƣờng chuẩn).
30
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đỏnh giỏ phƣơng phỏp phõn tớch
Trờn cơ sở tham khảo tài liệu [24, 25] phƣơng phỏp quang phổ hấp thụ phõn tử UV-Vis đƣợc lựa chọn để nghiờn cứu xỏc định hàm lƣợng phức chất huỳnh quang Eu(NTA)3 trong quỏ trỡnh chế tạo vật liệu nano đa chức năng.
Để khảo sỏt phổ hấp thụ tại bƣớc súng mà Eu(NTA)3 cho độ hấp thụ cực đại, dung dịch chất phõn tớch đƣợc pha với nồng độ 1,0.10-5 M trong dung mụi etanol. Kết quả đƣợc biểu thị trong hỡnh 3.1.
Hỡnh 3.1. Phổ hấp thụ UV-Vis của Eu(NTA)3 1,0.10-5 M
Từ hỡnh 3.1 cho thấy, phức chất huỳnh quang Eu(NTA)3 cho độ hấp thụ quang lớn nhất tại bƣớc súng λ = 337 nm. Do vậy, cỏc giỏ trị độ hấp thụ quang tại bƣớc súng này đƣợc lựa chọn trong quỏ trỡnh phõn tớch.
3.1.1. Khảo sỏt độ tuyến tớnh
Để khảo sỏt mối quan hệ tuyến tớnh giữa nồng độ và độ hấp thụ quang, phổ UV-Vis của dung dịch Eu(NTA)3 trong dung mụi etanol đƣợc tiến hành đo trong
31
khoảng nồng độ 3,0.10-6 M đến 4,5.10-5 M. Kết quả đƣợc trỡnh bày trong bảng 3.1 và hỡnh 3.2.
Bảng 3.1. Mối tƣơng quan giữa nồng độ Eu(NTA)3 và độ hấp thụ quang Nồng độ Eu(NTA)3 (10-5 M) Độ hấp thụ Nồng độ Eu(NTA)3 (10-5 M) Độ hấp thụ 0,3 0,259 2,0 1,703 0,4 0,353 2,5 2,139 0,6 0,546 3,0 2,511 0,8 0,668 3,5 2,568 1,0 0,863 4,0 2,671 1,5 1,251 4,5 2,710
32
Từ đồ thị hỡnh 3.2 cho thấy, nồng độ phức chất Eu(NTA)3 và tớn hiệu đo tuyến tớnh trong khoảng nồng độ 3,0.10-6 M đến 3,0.10-5 M.
3.1.2. Xõy dựng đường chuẩn
Trờn cơ sở kết quả khảo sỏt khoảng tuyến tớnh trong mục 3.1.1, đƣờng chuẩn của chất phõn tớch Eu(NTA)3 đƣợc xõy dựng trong khoảng nồng độ 3,0.10-6 M đến 3,0.10-5 M và đƣợc thể hiện trong hỡnh 3.3.
Hỡnh 3.3. Đƣờng chuẩn Eu(NTA)3
Kết quả tớnh theo phần mềm Origin 8.5 thu đƣợc phƣơng trỡnh hồi quy đầy đủ của đƣờng chuẩn: y = (0,01730 0,02895) + (0,8378 0,01781).x ; với hệ số tƣơng quan R = 0,9994.
3.1.3. Kiểm tra sai số hệ thống của phương phỏp
Để kiểm tra sai số hệ thống của phƣơng phỏp cần tiến hành so sỏnh hằng số a của phƣơng trỡnh hồi quy với giỏ trị 0. Nếu a 0 thỡ phƣơng phỏp phõn tớch mắc sai
33
số hệ thống. Nếu coi a = 0 thỡ phƣơng trỡnh trở thành y = b’x. Khi đú, kết quả kiểm tra sai số hệ thống của chất phõn tớch trong dung mụi đƣợc thể hiện trong bảng 3.4.
Bảng 3.2. Kết quả so sỏnh giỏ trị a và 0 của phƣơng trỡnh đƣờng chuẩn Eu(NTA)3 X (10-5 M) yi b’ = a + b.xi = b’tb.x 0,3 0,259 0,863 0,269 0,258 0,4 0,353 0,883 0,352 0,344 0,6 0,546 0,911 0,520 0,515 0,8 0,668 0,835 0,688 0,687 1,0 0,863 0,863 0,855 0,859 1,5 1,251 0,834 1,274 1,289 2,0 1,703 0,851 1,693 1,718 2,5 2,139 0,856 2,112 2,148 3,0 2,511 0,837 2,531 2,577 Giỏ trị trung bỡnh 0,859 ∑ 0,0029 ∑ 0,0075
Phƣơng sai của hai phƣơng trỡnh đƣợc tớnh nhƣ sau: S2y = ∑
= = 4,143.10-4
= ∑
34
Khi đú: Ftớnh = =
= 2,955 ; Tra bảng F(P;f1;f2) với P=0,95; f1=n-3; f2=n-2, ta đƣợc F(0,95;6;7) = 3,866 => Ftớnh < F(0,95;6;7). Nhƣ vậy sự sai khỏc giữa giỏ trị a và 0 khụng cú ý nghĩa thống kờ hay phƣơng phỏp phõn tớch khụng mắc sai số hệ