Phƣơng pháp AAS đƣợc viết tắt từ phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometric). Các nguyên tử ở trạng thái bình thƣờng thì chúng không hấp thụ hay bức xạ năng lƣợng nhƣng khi chúng ở trạng thái tự do dƣới dạng những đám hơi nguyên tử thì chúng hấp thụ và bức xạ năng lƣợng. Mỗi nguyên tử chỉ hấp thu những bức xạ nhất định tƣơng ứng với những bức xạ mà chúng có thể phát ra trong quá trình phát xạ của chúng. Khi nguyên tử nhận năng lƣợng chúng chuyển lên mức năng lƣợng cao hơn gọi là trạng thái kích thích. Quá trình đó gọi là quá trình hấp thụ năng lƣợng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ của nguyên tử đó. Phổ sinh ra trong quá trình này gọi là phổ hấp thụ nguyên tử [9].
40
Phƣơng pháp phân tích dựa trên cơ sở đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố đƣợc gọi là phép đo phổ hấp thụ nguyên tử.
Hình 1.12. Sơ đồ máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS 1.5.3. Quy trình phép đo AAS
Để thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử cần thực hiện các quá trình sau đây:
- Quá trình nguyên tử hóa mẫu
Mục đích của quá trình này là tạo ra đƣợc đám hơi các nguyên tử tự do từ mẫu phân tích với hiệu suất cao và ổn định. Ta có thể nguyên tử hóa mẫu phân tích bằng kĩ thuật nguyên tử hóa dùng ngọn lửa hay không dùng ngọn lửa. Đây là giai đoạn quan trọng nhất và có ảnh hƣởng đến kết quả của phép đo AAS. Để thu đƣợc kết quả phân tích chính xác, phải nghiên cứu và chọn đƣợc các điều kiện tối ƣu cho quá trình nguyên tử hóa mẫu sao cho phù hợp với từng nguyên tố phân tích trong mỗi loại mẫu cụ thể, đó là:
+ Thành phần và tốc độ của hỗn hợp khí đốt ra tạo ngọn lửa. + Tốc độ dẫn dung dịch mẫu( thƣờng vào khoảng 3-5ml/phút) + Chiều cao của đèn nguyên tử hóa
+ Bề dày của môi trƣờng hấp thụ + Độ nhớt của dung dịch mẫu.
Dung dịch phân tích và dung dịch dùng để lập đƣờng chuẩn phải đƣợc chuẩn bị trong cùng một điều kiện, có cùng thành phần hóa học, vật lý đặc biệt là thành phần nền của mẫu, độ axit, loại axit dùng làm môi trƣờng [14].
Đầu dò (PMT) Hệ thống xử lý tín hiệu Bộ đơn sắc Hệ thống quang học Nguồn sáng
41 - Nguồn phát 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. Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc phải thõa mãn các yêu cầu sau:
+ Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc tạo ra phải là các tia phát xạ nhạy của nguyên tố phân tích. Chùm tia phát xạ phải có cƣờng độ (Io) ổn định, lặp lại trong nhiều lần đo khác trong cùng điều kiện và phải điều chỉnh đƣợc để có cƣờng độ cần thiết cho mỗi phép đo.
+ Nguồn phát bức xạ phải tạo ra đƣợc chumg tia phát xạ thuần khiết, chỉ bao gồm một số vạch nhạy của nguyên tố phân tích, phổ nền của nó phải không đáng kể.
+ Nguồn phát tia bức xạ phải tạo ra đƣợc chùm tia sáng có cƣờng độ cao, nhƣng bền theo thời gian và không bị các yếu tố vật lý khác gây nhiễu, không bị ảnh hƣởng bởi các dao động của điều kiện làm việc. Ngoài ra không quá đắt và không quá phức tạp khi sử dụng [14].
- Quá trình ghi đo
Gồm hệ thống phân ly ánh sáng sau khi bị hấp thụ, detector, bộ khuếch đại và ghi đo.
Nhờ một hệ thống máy quang phổ, ngƣời ta thu, phân ly và chọn vạch hấp thụ một nguyên tố cần nghiên cứu để đo cƣờng độ của nó. Cƣờng độ đó chính là tín hiệu hấp thụ của vạch phổ. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ, giá trị cƣờng độ này là phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích [13]. Cƣờng độ của các vạch phổ hấp thụ sau khi đƣợc detector ghi nhận và khuếch đại sẽ đƣợc đƣa sang hệ thống chỉ thị, ở đây nó đƣợc khuếch đại tiếp và đƣợc xử lý để có đƣợc cƣờng độ thực của vạch phổ hấp thụ.
1.6. Phương pháp đo quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis
1.6.1. Giới thiệu phương pháp
Phƣơng pháp đo quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis là phƣơng pháp phân tích dựa trên sự so sánh độ hấp thụ bức xạ đơn sắc (mật độ quang) của dung dịch nghiên cứu với độ hấp thụ bức xạ đơn sắc (mật độ quang) của dung dịch tiêu chuẩn có
42
nồng độ xác định [9]. Chủ yếu để xác định lƣợng nhỏ các chất , tốn ít thời gian so với phƣơng pháp khác. Phƣơng pháp này còn có thể áp dụng để phân tích định tính vì mối dung dịch màu chỉ hấp thụ những tia sáng có bƣớc sóng nhất định (λmax).
1.6.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp
Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử là định luật Lambert- Beer:
Khi bức xạ đơn sắc đi qua dung dịch chứa chất hấp thụ thì cƣờng độ bức xạ ló ra khỏi dung dịch giảm càng mạnh nếu càng nhiều phân tử hấp thụ năng lƣợng bức xạ. Sự giảm cƣờng độ phụ thuộc vào nồng độ chất hấp thụ và độ dài đoạn đƣờng mà bức xạ đơn sắc đi qua.
Định luật Lambert – Beer có thể biểu diễn bởi phƣơng trình sau: D = lg
I
I0 = ε.C.l Trong đó:
I0: Cƣờng độ ánh sáng tới
Il : Cƣờng độ ánh sáng sau khi đi qua dung dịch C: Nồng độ dung dịch (mol/l)
l: Bề dày lớp dung dịch (cm)
ε: Hệ số tắt phân tử, ε phụ thuộc vào bản chất của dung dịch màu, bƣớc sóng của bức xạ đi qua và nhiệt độ (ε ≤ 105
)
D: Mật độ quang (hay độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch)
Đối với dung dịch nhất định chứa trong một loại cuvet nhất định thì ε, l là cố định. Do vậy D = KC cho biết sự phụ thuộc tuyến tính giữa mật độ quang và nồng độ của dung dịch, đây chính là cơ sở của phƣơng pháp phân tích định lƣợng.
1.6.3. Các điều kiện tối ưu của phương pháp phân tích
Sự chính xác của định luật Lambert- Beer phụ thuộc vào các điều kiện sau:
1.6.3.1. Ánh sáng đơn sắc
Do tính chất đặc trƣng của các chất màu chỉ hấp thụ những bức xạ đơn sắc có bƣớc sóng thích hợp nên định luật Lambert- Beer chỉ đúng khi dùng ánh sáng đơn
43
sắc để nghiên cứu. Các máy đo quang cần có thiết bị để cung cấp đƣợc dải sóng tập trung quang một bƣớc sóng xác định để cho bức xạ tạo ra là đơn sắc.
1.6.3.2. Phổ hấp thụ
Phổ hấp thụ là đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc giữa mật độ quang và bƣớc sóng λ. Mỗi dung dịch màu đều hấp thụ ánh sáng ở những bƣớc sóng khác nhau. Tuy nhiên trong số đó có một giá trị λ mà sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu là cực đại, ta gọi đó là λmax. Ứng với giá trị bƣớc sóng λmax là mật độ quang cực đại Dmax. Với mỗi dung dịch nghiên cứu ta phải xác định bƣớc sóng λmax trƣớc khi tiến hành phân tích định lƣợng.
1.6.3.3 Ảnh hưởng của nồng độ
Thực nghiệm đã chứng minh rằng mật độ quang D và nồng độ dung dịch C chỉ tuyến tính trong một khoảng giá trị nồng độ nhất định gọi là khoảng tuyến tính của định luật Lambert- Beer (hình 1.13).
Hình 1.13. Sự phụ thuộc của D vào nồng độ chất phân tích
Khoảng tuyến tính là khác nhau đối với các máy đo khác nhau và với các đối tƣợng phân tích khác nhau. Do đó phải xác định khoảng tuyến tính cho từng phép phân tích cụ thể.
1.6.3.4. Ảnh hưởng của pH môi trường
Thuốc thử đƣa chất phân tích về phức màu thƣờng là những axit bay bazơ. Nếu thuốc thử là axit hay bazơ mạnh thì pH của môi trƣờng không ảnh hƣởng đến độ bền của phức. Nhƣng chú ý chỉ nên dùng một lƣợng vừa đủ để tránh lãng phí hóa chất và có thể đƣa tạp chất từ ngoài vào.
44
Nếu thuốc thử là những axit yếu, thƣờng là những phẩm màu hữu cơ có đặc điểm là thay đổi màu sắc theo giá trị pH của dung dịch, do đó ta nên chọn thuốc thử có giá trị pH tạo phức màu khác xa giá trị pH mà tại đó nó đổi màu. Khi đó ta phải đi tìm điều kiện môi trƣờng pH tối ƣu cho quá trình xác định.
1.6.3.5. Ảnh hưởng của ion lạ
Cation lạ: Nó có thể tác dụng với thuốc thử. Nếu tạo màu thì phải loại trừ còn nếu không tạo màu thì có thể chấp nhận đƣợc với điều kiện là hằng số bền của phức tạo thành bởi cation chất phân tích với thuốc thử phải lớn hơn hằng số bền của phức tạo thành bởi cation lạ với thuốc thử, βMR > βAR (trong đó M là cation cần xác định, R là thuốc thử và A là cation lạ), hoặc có thể thêm chất phụ X vào sao cho: βAR < βXR < βMR.
Anion lạ: Nếu nó không tác dụng với cation cần xác định thì không ảnh hƣởng nhƣng ngƣợc lại thì phải loại bỏ bằng phƣơng pháp che hoặc chiết bằng dung môi hữu cơ.
1.6.3.6. Ảnh hưởng của thời gian
Thời gian ổn định màu của phức giữa chất cần phân tích với thuốc thử phải đƣợc kiểm tra vì cƣờng độ màu của dung dịch chỉ bền trong một thời gian nhất định. Ảnh hƣởng của thời gian là tƣơng đối phức tạp. Khi nhiệt độ tăng thì phần lớn màu của phức đều nhạt đi song có một số phức thì lại có màu đậm lên. Nhƣng trong khoảng nhiệt độ từ 2 ÷ 5 0C thì có thể chấp nhận đƣợc.
1.6.4. Máy đo quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis
Không phụ thuộc vào vùng phổ, các máy đo độ truyền quang và độ hấp thụ (mật độ quang) của dung dịch bao gồm năm bộ phận cơ bản sau:
- Nguồn bức xạ có năng lƣợng ổn định.
- Một bộ lọc sóng cho phép tạo ra bức xạ đơn sắc có bƣớc sóng thích hợp với chất nghiên cứu.
- Ngăn đựng mẫu gồm các cuvet chứa dung dịch đo.
- Đetector là loại thiết bị có khả năng thu những thông tin: cơ, điện, quang thành những tín hiệu, thƣờng là tín hiệu điện.
45 - Bộ phận chỉ thị của kết quả đo.
Tùy theo cấu tạo của các loại thiết bị mà ngƣời ta chia ra làm hai loại máy đo quang là máy một chùm tia và máy hai chùm tia.
Sơ đồ của máy phổ trắc quang đƣợc biểu diễn trên hình 1.14.
Hình 1.14. Sơ đồ máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis
Trong đó: (1) – Nguồn phát bức xạ (4) – Dung dịch chất nghiên cứu (2) – Bộ tạo tia đơn sắc (5) – Dung môi
(3) – Bộ chia chùm sáng (6) – Detector (7) – Bộ tự ghi
Các thế hệ máy phổ hiện nay thƣờng đƣợc nối với máy vi tính, do đó việc ghi phổ hết sức thuận lợi nhờ có những chƣơng trình đo tự động theo các chế độ khác nhau. Ngoài ra, còn có thể lƣu giữ phổ đối chiếu và so sánh khi cần thiết.
Để phát bức xạ tử ngoại ta dùng đèn đơteri (D2) còn để phát bức xạ khả kiến ngƣời ta dùng đèn W/I2. Bộ tạo đơn sắc (thƣờng dùng lăng kính thạch anh hoặc cách tử) có nhiệm vụ tách riêng từng dải sóng hẹp (đơn sắc). Bộ phận chia chùm sáng sẽ hƣớng chùm tia đơn sắc luân phiên đi tới cuvet đựng dung dịch mẫu và cuvet đựng dung môi. Bộ phận phân tích (detector) sẽ so sánh cƣờng độ chùm sáng đi qua dung dịch (I) và đi qua dung môi (Io). Tín hiệu quang đƣợc chuyển thành tín hiệu điện. Sau khi đƣợc phóng đại, tín hiệu sẽ đƣợc chuyển sang bộ phận tự ghi để vẽ đƣờng cong sự phụ thuộc của lgIo/I vào bƣớc sóng.
Dung môi dùng để đo UV-Vis không đƣợc hấp thụ ở vùng phổ cần đo. Ngƣời ta thƣờng dùng các loại dung môi nhƣ: metanol, etanol, nƣớc…Ngoài ra ngƣời ta còn sử dụng các loại dung môi không màu nhƣ clorofom, dioxan, benzen…Trong khi đo UV-Vis thì dung môi đóng vai trò quan trọng nên dung môi phải đƣợc tinh
(1) (2) (7) quy trìn h đã chọ n (5) (3) (4) (6)
46
chế một cách cẩn thận. Nếu dung môi có lẫn tạp chất chỉ một lƣợng nhỏ thì cũng làm sai lệch kết quả đo.
Để đo đƣợc chính xác trong một số trƣờng hợp ta phải chạy Baseline lại nhƣ: - Đo các mẫu với các dung môi khác nhau. Ví dụ nhƣ mẫu tan trong dung môi là metanol nhƣng mẫu khác lại dùng dung môi là etanol.
- Để một thời gian lâu ta không sử dụng thì ta phải chạy Baseline lại. Khi ta tiến hành đo UV-Vis thì ta sẽ thu đƣợc độ hấp thụ mol và cƣờng độ hấp thụ của chất.
Chỉ có các máy phổ đặc biệt mới đo đƣợc ở vùng tử ngoại xa (λ < 200nm). Các máy phổ UV-Vis thông thƣờng đều ghi phổ trong vùng tử ngoại gần và vùng khả kiến (λ từ 200 đến 800nm), một số máy có thể đo ở vùng hồng ngoại gần (λ = 1000nm).
47
CHƯ NG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯ NG PH P NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên liệu, dụng cụ, hoá chất
2.1.1. Thu gom nguyên liệu
Nguyên liệu đƣợc thu mua ngẫu nhiên tại chợ Hòa Khánh, Thành phố Đà Nẵng, có nguồn gốc chủ yếu ở Quảng Nam, thƣờng đƣợc gọi là hạt cari.
Hạt điều nhuộm thu mua thƣờng là loại hạt già, khô, có màu đỏ sẫm, (xem hình 2.1).
Hình 2.1. Hạt điều nhuộm khô 2.1.2. Xử lí nguyên liệu
Nguyên liệu đƣợc thu mua ngẫu nhiên cần loại bỏ các hạt lép, rác sau đó rửa sạch, sấy khô 400C. Bảo quản hạt điều sạch trong lọ kín.
2.1.3. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất
2.1.3.1.Thiết bị - dụng cụ
Bộ dụng cụ chƣng ninh, máy đo quang UV-Vis, máy đo pH (phòng thí nghiệm khoa Hoá, trƣờng Đại học Sƣ phạm – Đại học Đà Nẵng), máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS100 Perkin Elmer (Trung tâm kỹ thuật đo lƣờng chất lƣợng II, số 2, Ngô Quyền, Đà Nẵng).
Tủ sấy, lò nung, cân phân tích, cốc thuỷ tinh, bình tam giác, ống nghiệm, bếp đun bình cầu, bếp cách thuỷ, cốc sứ, các loại pipet, bình định mức, bình hút ẩm, giấy lọc, …
2.1.3.2. Hóa chất:
48 KOH, n-hexan, etanol, etyl axetat, nƣớc cất.
2.2. Sơ đồ quy trình nghiên cứu
S ĐỒ NGHIÊN CỨU
Cao Màu 1 Cao màu 2
Định tính Cảm quan, hàm lƣợng Định lƣợng các kim loại nặng Đánh giá chất lƣợng phẩm màu CAO MÀU 1 Chiết bằng kiềm
loãng Chiết bằng dung môi nƣớc
Hạt Điều Nhuộm
Khảo sát các quy trình chiết tách phẩm màu annatto
Xử lý nguyên liệu * Làm sạch * Sấy khô Kiểm tra một số chỉ tiêu của nguyên liệu: độ ẩm, thành phần hữu cơ, vô cơ…
Thời gian đun Nồng độ tối ƣu
49
2.3. Các phương pháp xác định chỉ tiêu hóa lí [3], [10]
2.3.1. Xác định độ ẩm
Để xác định độ ẩm tiến hành sấy mẫu trong tủ sấy ở nhiệt độ trong khoảng 950-1100C. Tiến hành thí nghiệm với 5 mẫu hạt điều và lấy kết quả trung bình.
- Chuẩn bị các chén sứ có kí hiệu sẵn, các chén sứ đƣợc rửa sạch và đƣợc sấy khô trong tủ sấy, làm nguội đến nhiệt độ phòng, đem cân lại đến khối lƣợng không đổi m1.
- Mẫu hạt điều để xác định độ ẩm là các mẫu thu mua tại chợ Cồn – Đà Nẵng, lấy ngẫu nhiên. Cân lấy lƣợng hạt chính xác m2 trên cân phân tích, cho vào các chén sứ đã đƣợc chuẩn bị sẵn và sấy ở nhiệt độ trên. Cứ sau 5h lại lấy ra để trong bình hút ẩm cho nguội đến nhiệt độ phòng rồi cân, đến khi khối lƣợng mẫu và cốc không đổi m3.
- Khối lƣợng ẩm của mỗi mẫu là hiệu số giữa khối lƣợng mẫu trƣớc và sau khi sấy m = (m1 + m2) – m3. Độ ẩm trung bình của các mẫu tính ra % theo khối lƣợng hạt ban đầu.
Công thức:
* Độ ẩm của mỗi mẫu
W(%) = ( ) 100% 2 3 2 1 m m m m ( 2.1)