Các phương pháp phân tích điện hóa là những phương pháp dựa trên việc ứng dụng các hiện tượng, quy luật có liên quan tới các phản ứng điện hóa xảy ra trên ranh giới tiếp xúc giữa các điện cực nhúng trong dung dịch phân tích hoặc liên quan tới các tính chất điện hóa của dung dịch phân tích tạo nên môi trường giữa các điện cực. Các phương pháp này được chia làm hai nhóm:
- Nhóm các phương pháp ứng dụng các tính chất điện hóa của dung dịch phân tích như tính dẫn điện, độ trở kháng…Nhóm phương pháp này cổ điển, có độ nhạy thấp, tính chọn lọc kém.
- Nhóm thứ hai rất quan trọng, bao gồm các phương pháp dựa trên phản ứng điện hóa, trong đó phương pháp von-ampe hòa tan và cực phổ cổ điển được ứng dụng rộng rãi nhất.
a) Phương pháp cực phổ
Là phương pháp dựa trên sự khử các ion kim loại xảy ra trên điện cực ở cỏc thế khỏc nhau (catot Hg và trờn catot khỏc). Nhờ việc theo dừi sự biến đổi giữa cường độ dòng điện và thế trong quá trình điện phân khi chất phân tích chuyển đến điện cực chỉ bằng khuyếch tán, tín hiệu thu được (cường độ dòng điện phân) sẽ cho tín hiệu phân tích định lượng vì cường độ dòng có quan hệ với nồng độ chất phản ứng ở điện cực.
Dung môi có thể dùng là dung môi nước hoặc khác nước. Khoảng tối ưu của nồng độ cho phép đo cực phổ là 10-2 ÷10-4 M. Các dạng khác nhau của phép đo cực phổ có thể cho phép xác định các nồng độ ở mức 10-3μg/mL. Thể tích có thể tiến hành phân tích dung dịch là 12 mL, thậm chí trong một giọt dung dịch (ứng với sự xác định lượng chất từ một vài miligam tới vài nanogam). Sai số tương đối từ 2÷3% (so với các phương pháp khác). Nói chung đây là phương pháp có thể dùng rộng rãi để xác định định tính và định lượng nhiều chất với độ nhạy, độ chính xác, độ chọn lọc cao một cách nhanh chóng và kinh tế.
Khi tiến hành phương pháp cực phổ định lượng dùng điện cực giọt Hg ta cần rất chú ý tới các yếu tố: nền cực phổ (chất điện ly trơ), nhiệt độ của dung dịch, hằng số mao quản của điện cực (chiều cao và tiết diện), dùng khí trơ để đuổi oxi, dùng chất hoạt động bề mặt (gietalin)...
b) Phương pháp von-ampe hòa tan
Đây là phương pháp phân tích điện hoá dựa trên hai kỹ thuật phân tích chất điện phân ở thế giám sát và quét von-ampe hoà tan ngược chiều.
Ưu điểm nổi bật nhất của phương pháp này là có độ nhạy cao (10-8 ÷10-
6 M), xác định được nhiều kim loại. Với kỹ thuật hiện đại ngày nay, phương pháp này có khả năng phát hiện các nguyên tố đến 10-9M với sai số khoảng 5÷15%. Nhưng nhược điểm của phương pháp này là quy trình phân tích phức tạp đòi hỏi người thực hiện phải có kiến thức tương đối sâu về phân tích điện hoá mới xử lý được đúng từng loại mẫu, đối với từng nguyên tố khác nhau.
Nguyên tắc của phương pháp này gồm 3 giai đoạn:
+ Điện phân làm giàu chất phân tích lên bề mặt của điện cực hoạt động (có thể là cực giọt Hg tĩnh hoặc cực rắn đĩa quay).
+ Ngừng khuấy hoặc ngừng quay cực 15÷20 giây để đưa hệ từ trạng thái động đến trạng thái tĩnh.
+ Hoà tan kết tủa đã được làm giàu trên điện cực hoạt động bằng cách phân cực ngược và ghi dòng von-ampe hoà tan. Trong những điều kiện thích hợp, nồng độ của chất cần xác định sẽ tỷ lệ với chiều cao của pic thu được.
Dựa vào pic chuẩn và pic thu được sẽ xác định được nồng độ các chất.
1.3.2.2. Phương pháp quang học a) Phương pháp trắc quang
Phương pháp này dựa vào việc đo độ hấp thụ năng lượng ánh sáng của một chất xác định ở một vùng phổ nhất định. Trong phương pháp này, các chất cần phân tích được chuyển thành các hợp chất có khả năng hấp thụ các năng lượng ánh sáng (các phức màu).
b) Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử
Đây là kỹ thuật phân tích được ứng dụng rộng rãi và là một trong những phương pháp quan trọng nhất của phép phân tích. Phương pháp này cho phép xác định định tính và định lượng hàm lượng đa lượng hoặc vi lượng của rất nhiều nguyên tố (khoảng gần nửa số nguyên tố của bảng HTTH).
Ưu điểm của phương pháp này là phân tích nhanh, hàng loạt, tốn ít mẫu, phân tích được nhiều nguyên tố trong cùng một mẫu, cho độ nhạy và độ chính xác cao. Phân tích được cả những đối tượng rất xa dựa vào ánh sáng phát xạ của chúng. Độ nhạy cỡ 0,001%.
Để có thể hạn chế các yếu tố ảnh hưởng (như độ nhớt dung dịch, sự phát xạ của nền, sự chen lấn vạch phổ, sự ion hóa các nguyên tố lạ), làm giảm sai số, người ta thêm vào dung dịch các chất có thế kích thích phát xạ nhỏ hơn thế phát xạ của nguyên tố phân tích, hoặc thêm vào dung dịch các phụ gia có thế ion hóa nhỏ hơn thế ion hóa của nguyên tố phân tích.
c) Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrocopy- AAS)
AAS là một trong những phương pháp hiện đại, được áp dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm phân tích trên thế giới. Phương pháp này xác định được hầu hết các kim loại trong mọi loại mẫu sau khi đã chuyển chúng về dạng dung dịch.
Mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ hấp thụ A và nồng độ chất phân tích Cx được thể hiện qua phương trình:
Aλ=a.Cx
Sự phụ thuộc giữa A và Cx là tuyến tính. Vì thế khi mẫu có cường độ A nằm trong đường chuẩn, người ta sẽ tìm được nồng độ Cx của nó.
AAS là một phương pháp phân tích lượng vết chính xác tới hàm lượng cỡ ppm. Phép đo AAS có ưu điểm lớn là rất nhạy, nhanh, ổn định và chính xác.
Tuy nhiên, hệ thống máy móc rất đắt tiền và sự nhiễm bẩn ảnh hưởng tới kết quả phân tích. Nhược điểm của phương pháp này là chỉ cho biết thành phần của nguyên tố mà không thấy được trạng thái cấu trúc của nó trong mẫu.
Thêm nữa, phương pháp này vẫn chưa thể được sử dụng để xác định một số
phi kim hoặc các hợp chất còn lại trong thuốc trừ sâu…Để phân tích hàm lượng đồng, chì, kẽm, cadimi trong các đối tượng nghiên cứu, người ta vẫn phải làm giàu hàm lượng của nguyên tố này lên nhiều lần. Vì quá trình làm giàu rất dễ bị nhiễm bẩn nên để hạn chế nhược điểm này, kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa ra đời cho phép xác định tới hàm lượng ppb. Do đó có thể bỏ qua giai đoạn làm giàu mẫu.
1.3.2.3. Phương pháp chiết và sắc ký a) Chiết
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) 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.
*Phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao
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) trờn cột chiết pha rắn Xterra TMRP18 (cột 5àm, 3,9x20mm).
Sau đó phân tích lượng vết các phức chất tạo thành trên cột phân tích
TMRP18 (cột 5àm, 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 cú đường kớnh nhỏ trong vựng 30-50 àm, vỡ 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].