Việc nguyờn tử hoỏ mẫu là một cụng việc hết sức quan trọng, vỡ với nguồn bức xạ trong vựng tử ngoại khả kiến thỡ chỉ cú cỏc nguyờn tử ở trạng thỏi tự do mới cho phổ hấp thụ nguyờn tử, và số nguyờn tử tự do được tạo ra cú ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phõn tớch.
Mục đớch của quỏ trỡnh này là tạo ra được đỏm hơi cỏc nguyờn tử tự do từ mẫu phõn tớch với hiệu suất cao và ổn định để phộp đo đạt kết quả chớnh xỏc và cú độ lặp lại cao. Đỏp ứng mục đớch đú, để nguyờn tử húa mẫu phõn tớch, ngày nay người ta thường dựng hai kĩ thuật. Thứ nhất là kĩ thuật nguyờn tử húa mẫu trong ngọn lửa đốn khớ. Sau đú là kỹ thuật nguyờn tử húa khụng ngọn lửa. Chớnh vỡ cú hai kĩ thuật nguyờn tử húa mẫu khỏc nhau nờn chỳng ta cũng cú hai phộp đo tương ứng. Đú là phộp đo phổ hấp thụ nguyờn tử trong ngọn lửa (F-AAS: Flame Atomic Absorpt Ion Spectrophotometry) và phộp đo phổ hấp thụ nguyờn tử khụng ngọn lửa (Electro-Thermal Atomizat Ion Atomic Absorpt Ion Spectrophotometry: ETA- AAS).
1.5.3.1. Kĩ thuật nguyờn tử húa mẫu dựng ngọn lửa.
* Yờu cầu và nhiệm vụ của ngọn lửa :
Theo kĩ thuật này người ta dựng năng lượng nhiệt của ngọn lửa đốn khớ để húa hơi và nguyờn tử húa mẫu phõn tớch. Vỡ thế ngọn lửa đốn khớ muốn dựng vào mục đớch để húa hơi và nguyờn tử húa mẫu phõn tớch cần phải thoả món một số yờu cầu nhất định sau đõy:
1. Ngọn lửa đốn khớ phải làm núng đều được mẫu phõn tớch, húa hơi và nguyờn tử húa mẫu phõn tớch với hiệu suất cao, để bảo đảm cho phộp phõn tớch đạt độ chớnh xỏc và độ nhạy cao.
2. Năng lượng (nhiệt độ) của ngọn lửa phải đủ lớn và cú thể điều chỉnh được tựy theo từng mục đớch phõn tớch mỗi nguyờn tố. Đồng thời lại phải ổn định theo thời gian và cú thể lặp lại được trong cỏc lần phõn tớch khỏc nhau để đảm bảo cho phộp phõn tớch đạt kết quả đỳng đắn. Yờu cầu này cú lỳc khụng được thỏa món, vỡ nhiệt độ cao nhất của ngọn lửa cũng chỉ đến 3300oC. Do đú với những nguyờn tố tạo thành hợp chất bền nhiệt thỡ hiệu suất nguyờn tử húa của ngọn lửa là kộm.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
30
3. Yờu cầu thứ ba là ngọn lửa phải thuần khiết, nghĩa là khụng sinh ra cỏc vạch phổ phụ làm khú khăn cho phộp đo hay tạo ra phổ nền quỏ lớn quấy rối phộp đo. Quỏ trỡnh Ion húa và phỏt xạ phải khụng đỏng kể vỡ quỏ trỡnh này làm mất cỏc nguyờn tử tự do tạo ra phổ hấp thụ nguyờn tử.
4. Một yờu cầu nữa là ngọn lửa phải cú bề dày đủ lớn để cú được lớp hấp thụ đủ dầy làm tăng độ nhạy của phộp đo. Đồng thời bề dày của lớp hấp thụ lại cú thể thay đổi được khi cần thiết, để đo ở nồng độ lớn. Trong cỏc mỏy hiện nay, bề dày này cú thể thay đổi được từ 2 cỏi đến 10 cm.
5. Tiờu tốn ớt mẫu phõn tớch.
* Tối ƣu húa cỏc điều kiện nguyờn tử húa mẫu :
Để cú được quỏ trỡnh nguyờn tử hoỏ mẫu trong ngọn lửa với hiệu suất cao ta cần khảo sỏt, phỏt hiện và chọn cỏc điều kiện nguyờn tử húa mẫu phự hợp nhất cho từng nguyờn tố cần phõn tớch trong mỗi loại mẫu cụ thể. Cỏc điều kiện đú cụ thể là:
- Thành phần và tốc độ của hỗn hợp khớ đốt tạo ra ngọn lửa. Đõy là yếu tố quyết định nhiệt độ của ngọn lửa, mức độ thuần khiết của ngọn lửa mà quan đú ảnh hưởng tới hiệu suất của quỏ trỡnh nguyờn tử hoỏ cũng như mức độ xảy ra của cỏc quỏ trỡnh phụ vỡ thế mà ảnh hưởng tới độ nhạy, độ chớnh xỏc của phộp phõn tớch.
- Tốc độ dẫn dung dịch mẫu vào hệ thống nguyờn tử húa. Tốc độ này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bỏn kớnh của ống mao dẫn, ỏp suất giữa hai đầu ống chiều dài ống mao dẫn, độ nhớt của dung dịch...Núi chung, trong nhiều trường hợp tốc độ dẫn mẫu phự hợp nằm trong khoảng từ 4-5 ml/phỳt với phộp đo của nhiều nguyờn tố.
- Chiều cao của đốn nguyờn tử húa. Yếu tố này cũng ảnh hưởng trong một mức độ nhất định và tựy thuộc vào từng nguyờn tố, nờn chọn chiều cao của burner head sao cho cú được cường độ vạch phổ lớn nhất và ổn định nhất …
- Bề dày của mụi trường hấp thụ L: Khi thay đổi bề dày của lớp hấp thụ (mụi
trường hấp thụ) chỳng ta cú thể tăng hay giảm độ nhạy của phộp đo. Nghĩa là tựy theo nồng độ lớn hay nhỏ của nguyờn tố phõn tớch mà chỳng ta thay đổi gúc nghiờng của đốn nguyờn tử húa mẫu (burner head), để cú được bề dày L của lớp hấp thụ phự hợp
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
31
nhất. Khi L lớn nhất ta sẽ cú độ nhạy cao nhất, làm giảm L thỡ độ nhạy giảm theo, nghĩa là khi đo nồng độ lớn thỡ ta phải quay đốn nguyờn tử húa một gúc cho phự hợp mà khụng cần pha loóng, nhưng sau đú cần phải giữ khụng đổi suốt trong quỏ trỡnh đo.
Việc nghiờn cứu để phỏt hiện và chọn cỏc thụng số cho phự hợp nhất đối với mục đớch phõn tớch định lượng một nguyờn tố vi lượng trong mỗi đối tượng mẫu là một cụng việc hết sức cần thiết và quan trọng cho kĩ thuật phõn tớch F-AAS, để chọn và xõy dựng một quy trỡnh chuẩn.
Mặt khỏc, nếu chọn được cỏc điều kiện nguyờn tử húa mẫu phự hợp, thỡ trong nhiều trường hợp lại loại trừ được một số yếu tố ảnh hưởng nhất định, như ảnh hưởng của phổ nền, sự ion húa, sự phỏt xạ hay cỏc quỏ trỡnh thứ cấp trong ngọn lửa khụng cú lợi cho phộp đo. Thực hiện cỏc cụng việc trờn chớnh là tiờu chuẩn húa xõy dựng một quy trỡnh phõn tớch một nguyờn tố bằng phộp đo phổ hấp thụ nguyờn tử của nú.
1.5.3.2.Kĩ thuật nguyờn tử húa mẫu khụng dựng ngọn lửa
Kĩ thuật nguyờn tử hoỏ mẫu khụng ngọn lửa ra đời sau kĩ thuật nguyờn tử hoỏ mẫu trong ngọn lửa. Nhưng kĩ thuật này phỏt triển rất nhanh và hiện nay đang được sử dụng phổ biến vỡ phương phỏp này cú độ nhạy rất cao (mức nano gam ppb). Do đú, khi phõn tớch lượng vết cỏc kim loại trong mẫu thỡ khụng cần phải làm giàu sơ bộ cỏc nguyờn tố cần phõn tớch.
Về nguyờn tắc, kĩ thuật nguyờn tử húa khụng ngọn lửa là quỏ trỡnh nguyờn tử húa tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dũng điện cụng suất lớn và trong mụi trường khớ trơ. Quỏ trỡnh nguyờn tử húa xảy ra theo ba giai đoạn kế tiếp nhau: sấy khụ, tro húa luyện mẫu, nguyờn tử húa để đo phổ hấp thụ và cuối cựng là làm sạch cuvet. Trong đú hai giai đoạn đầu là chuẩn bị cho giai đoạn nguyờn tử húa để đạt kết quả tốt. Nhiệt độ trong cuvet graphit là yếu tố chớnh quyết định mọi sự diễn biến của quỏ trỡnh nguyờn tử húa mẫu.
1.5.4. Sơ lƣợc về trang bị của phộp đo phổ hấp thụ nguyờn tử (AAS)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
32
Trang bị của phép đo AAS
Thiết bị nguyên tử hoá mẫu
Hệ thống đơn sắc và máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Trang bị phát hiện, detector, Photomultivlier
Nguồn phát bức xạ đơn sắc
Nguồn phỏt tia bức xạ đơn sắc trong phộp đo phổ hấp thụ nguyờn tử thường là cỏc đốn catot rỗng (HCL), cỏc đốn phúng điện khụng điện cực (EDL) và cỏc đốn phổ liờn tục cú biến điệu (đó được đơn sắc húa).
Thiết bị nguyờn tử hoỏ mẫu: Tuỳ theo kĩ thuật nguyờn tử hoỏ mẫu dựng ngọn lửa hay khụng dựng ngọn lửa mà sử dụng cỏc thiết bị khỏc nhau :
- Kĩ thuật dựng ngọn lửa. Hệ thống nguyờn tử húa mẫu gồm hai phần chớnh:
+ Buồng aerosol húa (Nebulizer system), tạo thể sợi khớ mẫu. + Đốn nguyờn tử húa mẫu (burner head).
- Hệ thống nguyờn tử húa khụng ngọn lửa. Hệ thống này gồm ba phần chớnh là:
+ Cuvet graphit hay thuyền Ta để chứa mẫu, để nguyờn tử húa. + Nguồn năng lượng để nung cuvet hay thuyền Ta.
+ Bộ điều khiển để thực hiện việc nguyờn tử húa mẫu theo cỏc giai đoạn của một chương trỡnh phự hợp.
Hệ thống đơn sắc và mỏy quang phổ hấp thụ nguyờn tử: Đõy chớnh là hệ thống để thu, phõn li, chọn và phỏt hiện vạch phổ hấp thụ cần phải đo.
Trang bị phỏt hiện, Detector, Photomultivlier: Detector là một loại dụng cụ quang học dựng để thu nhận và phỏt hiện tớn hiệu quang học theo hiệu ứng quang điện của nú. Với sự phỏt triển của khoa học và kĩ thuật, ngày nay người ta đó chế tạo ra được nhiều loại detector quang học kiểu ống cú thể khuyếch đại tớn hiệu đo lờn được đến cỡ triệu lần. Đú là cỏc ống nhõn quang điện (photomultivler tube).
1.5.5. Cỏc kĩ thuật phõn tớch cụ thể trong phộp đo phổ hấp thụ nguyờn tử (AAS) 1.5.5.1. Phƣơng phỏp đồ thị chuẩn (đƣờng chuẩn) 1.5.5.1. Phƣơng phỏp đồ thị chuẩn (đƣờng chuẩn)
Ta đó biết rằng nguyờn tắc của phương phỏp đo phổ hấp thụ nguyờn tử là dựa trờn sự phụ thuộc của mật độ quang A vào nồng độ C của nguyờn tố phõn tớch trong
Với phương phỏp này người ta chuẩn bị một dóy cỏc mẫu đầu (ớt nhất là 3 mẫu)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
33
dung dịch mẫu. Sự phụ thuộc này tuõn theo phương trỡnh cơ bản b
AK.C và ta chỉ khảo sỏt sự phụ thuộc này trong vựng A và C phụ thuộc tuyến tớnh (khi b=1).
Từ đú xõy dựng đường chuẩn A-C theo cỏc điểm cú hệ toạ độ (A1,C1); (A2,C2); (A3,C3);...Tiếp đú nhờ đường chuẩn này và cỏc giỏ trị Ax ta xỏc định được nồng độ Cx
bằng cỏch đem cỏc giỏ trị Ax đặt lờn trục tung A của hệ tọa độ, từ đú kẻ đường song song với trục hoành C, đường này sẽ cắt đường chuẩn tại điểm M, từ điểm M ta hạ đường vuụng gúc với trục hoành và nú cắt trục hoành tại điểm Cx, Cx đõy chớnh là nồng độ phải tỡm.
Phương phỏp này đơn giản, dễ thực hiện và rất thớch hợp với. mục đớch phõn tớch hàng loạt mẫu của cựng một nguyờn tố và ta cần chỳ ý rằng cỏc dung dịch mẫu và dung dịch của chất cần xỏc định nồng độ phải được chuẩn bị trong cựng điều kiện (gồm cả điều kiện vật lớ và hoỏ học) thỡ phộp xỏc định mới cú ý nghĩa. Nhưng rừ ràng trong nhiều trường hợp ta khụng thể biết chớnh xỏc được thành phần định tớnh của nhiều loại mẫu phức tạp, hơn nữa xỏc định cỏc thụng số vật lớ của dung dịch là một việc làm phức tạp, nờn đõy trở thành nhước điểm của phương phỏp này. Trong những trường hợp như thế, tốt nhất là dựng phương phỏp thờm tiờu chuẩn để xỏc định nồng độ của nguyờn tố phõn tớch trong mẫu, hay biến đổi của mẫu sang nền tự tạo phự hợp cho cả mẫu đầu và cỏc mẫu phõn tớch.
1.5.5.2. Phƣơng phỏp thờm tiờu chuẩn
Trong thực tế phõn tớch, đặc biệt là xỏc định lượng vết cỏc kim loại, khi gặp phải cỏc đối tượng phõn tớch cú thành phần phức tạp và khụng thể chuẩn bị được một dẫy mẫu đầu (mẫu chuẩn) phự hợp về thành phần với mẫu phõn tớch, thỡ tốt nhất là dựng
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
34
phương phỏp thờm tiờu chuẩn. Chỉ như thế mới loại trừ được yếu tố ảnh hưởng về thành phần của mẫu.
Nguyờn tắc của phương phỏp này là người ta dựng ngay mẫu phõn tớch làm nền để chuẩn bị một dẫy mẫu đầu, bằng cỏch lấy một lượng mẫu phõn tớch nhất định và gia thờm vào đú những lượng nhất định của nguyờn tố cần xỏc định theo từng bậc nồng độ (theo cấp số cộng). Vớ dụ lượng thờm vào là ΔC1, ΔC2, ΔC3, ΔC4, như thế chỳng ta sẽ cú một dẫy mẫu chuẩn cú thành phần hoỏ học của cỏc tạp chất là như nhau, cỏc đặc tớnh vật lớ cũng như nhau. Nồng độ của dung dịch cần xỏc định là Cx thỡ ta sẽ được cỏc dung dịch chuẩn cú nồng độ lần lượt là (Cx+ΔC1); (Cx+ΔC2); (Cx+ΔC3); ...
Tiếp đú cũng chọn cỏc điều kiện thớ nghiệm phự hợp và một vạch phổ của nguyờn tố phõn tớch, tiến hành ghi cường độ hấp thụ của vạch phổ đú theo tất cả dẫy mẫu đầu. Vớ dụ chỳng ta thu được cỏc giỏ trị tương ứng là Al, A2, A3, A4.. Bõy giờ từ cỏc giỏ trị cường độ này và ứng với cỏc nồng độ thờm vào của nguyờn tố phõn tớch chỳng ta dựng một đường chuẩn theo hệ tọa độ A - ΔC. Đú chớnh là đường chuẩn của phương phỏp thờm chuẩn.
Cỏch 2: Cũng cú thể xỏc định Cx bằng cỏch từ gốc tọa độ kẻ một đường song song với đường chuẩn và từ điểm A0 kẻ đường song song với trục hoành, hai đường này cắt
CX
A0
C0 Sau đú để xỏc định nồng độ Cx chưa
biết chỳng ta làm như sau:
Cỏch 1: Kộo dài đường chuẩn về phớa trỏi, nú cắt trục hoành tại điểm Cx. Đoạn OCX chớnh bằng giỏ trị nồng độ Cx cần tỡm.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
35
nhau tại điểm M, từ điểm M hạ đường vuụng gúc với trục hoành, đường này cắt trục hoành tại điểm C0, Chớnh đoạn OC0 là bằng giỏ trị Cx phải tỡm.
Phương phỏp này cú ưu điểm là quỏ trỡnh chuẩn bị mẫu dễ dàng, khụng cần nhiều húa chất tinh khiết cao để chuẩn bị dẫy mẫu đầu nhõn tạo. Mặt khỏc lại loại trừ được hoàn toàn ảnh hưởng về thành phần của mẫu cũng như cấu trỳc vật lớ của cỏc chất tạo thành mẫu. Nhưng phải chỳ ý rằng, nồng độ thờm vào của nguyờn tố phõn tớch phải theo từng bậc và khoảng cỏch của cỏc bậc đú phải xấp xỉ bằng nồng độ Cx phải tỡm. Cú như vậy thỡ sự nội suy tuyến tớnh mới cú ý nghĩa chớnh xỏc.
1.5.6. Phƣơng phỏp xử lớ mẫu phõn tớch xỏc định Mn và Zn [4;5]
Để xỏc định nồng độ Mn và Zn trong rau trước hết ta phải tiến hành xử lớ mẫu nhằm chuyển hết cỏc nguyờn tố cần xỏc định cú trong mẫu từ trạng thỏi ban đầu (dạng rắn) về dạng dung dịch. Đõy là cụng việc rất quan trọng vỡ nú cú thể dẫn đến những sai lệch trong kết quả phõn tớch do sự nhiễm bẩn mẫu hay làm mất chất phõn tớch nếu thực hiện khụng tốt. Hiện nay cú rất nhiều kĩ thuật xử lớ mẫu phõn tớch, đối với rau xanh thỡ hai kĩ thuật chớnh dựng để phỏ mẫu gồm kĩ thuật tro hoỏ ướt bằng axit đặc cú tớnh oxi hoỏ mạnh (phương phỏp xử lớ ướt) , kĩ thuật tro hoỏ khụ (phương phỏp xử lớ khụ) và phương phỏp xử lớ khụ-ướt kết hợp.
1.5.6.1. Phƣơng phỏp xử lớ ƣớt
Nguyờn tắc chung: Dựng axit đặc cú tớnh oxi hoỏ mạnh (HNO3, HClO4,...) hay hỗn hợp cỏc axit và một chất oxi hoỏ mạnh (HNO3+HClO4) hoặc hỗn hợp một axit mạnh và một chất cú tớnh oxi hoỏ mạnh (HNO3+H2O2)...để phõn huỷ hết cỏc chất hữu cơ và chuyển hết cỏc kim loại ở dạng hữu cơ về thành cỏc ion trong dung dịch muối vụ cơ. Việc phõn huỷ hết cú thể thực hiện trong hệ đúng kớn (ỏp suất cao), hay trong hệ mở (ỏp suất thường). Lượng axit phải dựng khoảng từ 10-15 lần lượng mẫu, tuỳ thuộc mỗi loại mẫu và cấu trỳc vật lớ, hoỏ học của nú. Thời gian phõn huỷ trong cỏc hệ hở, bỡnh Kendan, ống nghiệm, cốc....thường từ vài giờ đến vài chục giờ, cũng tuỳ vào loại mẫu và bản chất của cỏc chất, cũn nếu trong lũ vi súng hệ kớn thỡ chỉ mất vài chục phỳt. Thường khi phõn huỷ xong phải tiến hành đuổi hết cỏc axit dư trước khi định mức và tiến hành đo phổ.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
36 Ƣu nhƣợc điểm của kĩ thuật này là:
- Khụng bị mất cỏc chất phõn tớch, nhất là trong lũ vi súng. - Thời gian phõn huỷ mẫu lõu, thường là từ 10-18 giờ.