III.1.1 Đặc điểm chung của phương pháp:[7]
- Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử (AES - Atomic Emission Spectroscopy) được sử dụng để định lượng hầu hết các kim loại và nhiều phi kim như: P, Si, As, C, B với độ nhạy nhỏ hơn hoặc bằng 0,001%.
- Phương pháp AES có ưu điểm là một lần phân tích có thể xác định đồng thời được nhiều nguyên tố và phân tích được các đối tượng phân tích ở xa dựa vào ánh sáng phát xạ từ các đối tượng đó.
III.1.2 Sự tạo thành phổ AES:[7]
- Phương pháp AES dựa vào việc đo bước sóng, cường độ và các đặc trưng khác của các bức xạ điện từ do các nguyên tử hay ion ở trạng thái hơi phát ra. Việc phát ra các bức xạ điện từ trong miền ánh sáng quang học của các nguyên tử là do sự thay đổi trạng thái năng lượng của nguyên tử.
- Theo thuyết cấu tạo nguyên tử, các nguyên tử chỉ có thể có một số mức năng lượng gián đoạn E0, E1, E2 … mà không có các trạng thái năng lượng trung gian.
Trong điều kiện bình thường, các nguyên tử ở trạng thái năng lượng cơ bản. Khi ta cấp năng lượng cho nguyên tử một cách nào đó, các nguyên tử có thể chuyển sang mức năng lượng cao hơn. Khi đó nguyên tử đã bị kích thích.
Nó tồn tại ở trạng thái kích thích khoảng 10-8 giây. Sau đó nó luôn luôn có xu hướng trở về trạng thái cơ bản ban đầu bền vững. Nghĩa là giải phóng năng lượng mà chúng đã hấp thụ được trong quá trình trên dưới dạng của các bức xạ quang học. Bức xạ này chính là phổ phát xạ nguyên tử, nó có tần số được tính theo công thức:
E = (En – E0) = h hay E =
hc
Trong đó: En, E0 là năng lượng của nguyên tử ở trạng thái cơ bản (E0) và trạng thái kích thích (En)
h là hằng số Planck (6,626.10-27erk.s) hay h = 4,1.10-15eV.s c: tốc độ ánh sáng (3.108m/s); : tần số của bức xạ đó.
: bước sóng của bức xạ đó.
III.1.3 Bản chất của phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử:[11]
- Trong ngọn lửa nhiệt độ cao (hay lò graphit, tia lửa điện, điện hồ quang ...), từ các phân tử chất nghiên cứu tạo các nguyên tử tự do, các nguyên tử tự do này do hấp thụ năng lượng bên ngoài đã chuyển từ trạng thái cơ bản lên các mức năng lượng kích thích, lúc trở về kèm theo sự phát phổ phát xạ nguyên tử đặc trưng cho nguyên tố cần xác định.
- Phổ phát xạ nguyên tử được dùng để phân tích định tính, bán định lượng và định lượng.
Hình 3.1 Sơ đồ phổ kế phát xạ nguyên tử dùng ngọn lửa.
III.1.4 Sự kích thích, sự phát xạ và cường độ vạch phát xạ nguyên tử:[11]
* Để nhận được độ nhạy cao, trong phép đo phổ phát xạ nguyên tử cần cung cấp ngọn lửa có nhiệt độ cao. Phương trình Boltzman:
Nm* = Nm
) (T B
Gu . e-Eu/KT Trong đó:
Nm* là số nguyên tử bị kích thích trong ngọn lửa.
Nm là số các nguyên tử tự do trong ngọn lửa.
Gu là trọng lượng thống kê (tách ra) của trạng thái nguyên tử bị kích thích.
B(T) là hàm phân bố của các nguyên tử theo tất cả các trạng thái.
Eu là năng lượng của trạng thái kích thích.
K là hằng số Botlzman.
T là nhiệt độ tuyệt đối.
Từ phương trình Boltzman: khi tăng nhiệt độ (T) thì số các nguyên tử bị kích thích N* tăng, độ nhạy tăng.
Công suất của phổ phát xạ nguyên tử (PT) được tính theo công thức:
PT = (h0).(N*, AT) trong đó: h0là năng lượng E của mỗi lần chuyển.
h: hằng số Planck (6,624.10-34J.s)
0: tần số (giây-1) của pic quan sát được.
AT: hệ số Anhxtanh (số chuyển trong một giây mà nguyên tử bị kích thích phải có).
* Cường độ vạch phổ phát xạ:
+ Cường độ vạch quang phổ được đặc trưng bằng độ chói sáng của vạch quang phổ và cường độ vạch quang phổ, kí hiệu là I.
+ Cường độ I của vạch phát xạ nguyên tử phụ thuộc vào:
- Điều kiện kích thích phổ.
- Trạng thái vật lí của mẫu nghiên cứu.
- Phụ thuộc vào nồng độ của nguyên tố nghiên cứu trong mẫu.
+ Sự phụ thuộc của cường độ vạch phát xạ nguyên tử với nồng độ được biểu diễn bằng phương trình Lomakin: I = a.cb
Trong đó: a, b: hằng số phụ thuộc điều kiện kích thích và trạng thái vật lí của mẫu nghiên cứu.
Ta có: lgI = lga + blgc
lgI là hàm tuyến tính của lgc: lgI = f(lgc). Đây là biểu thức cơ sở cho phương pháp phân tích phổ định lượng.