CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2 Phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Phương pháp phổ hồng ngoại IR
Quang phổ hồng ngoại (gọi tắt là quang phổ IR) là quang phổ được thực hiện ở vùng hồng ngoại của phổ bức xạ điện từ, ánh sáng vùng này có bước sóng dài hơn và tần số thấp hơn so với vùng ánh sáng nhìn thấy.
Quang phổ hồng ngoại được sử dụng trong công tác xác định và nghiên cứu các cấu trúc phân tử của chất nghiên cứu từ các tần số của vân phổ thu được.
Nguyên tắc: phương pháp phổ hồng ngoại IR dựa trên sự tương tác của các bức xạ điện từ từ miền hồng ngoại (400-4000 cm-1) với các phân tử cần nghiên cứu. Kết quả là có sự hấp phụ năng lượng liên quan chặt chẽ đến cấu trúc của các phân tử [3,4].
2.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM được dùng để xác định hình thái và cấu trúc bề mặt của vật liệu nghiên cứu [9,19].
Nguyên lý của SEM: kính hiển vi điện tử quét (SEM) quét bề mặt mẫu bằng một chùm điện tử hội tụ cao trong chân không, thu thập thông tin từ mẫu phát ra, tái tạo thành một hình ảnh lớn hơn của bề mặt mẫu và hiển thị lên màn hình.
Ảnh SEM của các vật liệu hấp phụ trong đề tài được thực hiện trên máy PE - SEM Hitachi S - 4800 (Nhật) tại Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.2.3 Phương pháp đo phổ hấp thụ AAS
Hiện nay phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau để phân tích hàm lượng vết các kim loại nặng trong các mẫu địa chất, khoáng sản, sinh học và nhất là trong các đối tượng về môi trường. Không chỉ phân tích các kim loại có phổ hấp thụ nguyên tử mà cả để phân tích gián tiếp các anion và hợp chất hữu cơ không có phổ hấp thụ nguyên tử [11].
2.2.3.1 Nguyên tắc của phương pháp
Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử dựa trên cơ sở nguyên tử ở trạng thái hơi có khả năng hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định mà nó có thể phát ra trong quá trình phát xạ khi chiếu một chùm tia sáng có bước sóng nhất định vào đám hơi nguyên tử đó.
Muốn thực hiện các phép đo phổ ta cần thực hiện các quá trình sau [6]:
Chọn các điều kiện và trang thiết bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do. Đó là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu.
Chiếu chùm tia sáng có bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử vừa điều chế được ở trên. Các nguyên tử sau khi hấp thụ các tia bức xạ sẽ tạo ra phổ hấp thụ của nó.
Nhờ một hệ thống máy quang phổ người ta thu toàn bộ chùm sáng, phân li và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ của nó.
Để đo phổ hấp thụ nguyên tử hệ thống máy đo phải bao gồm các phần cơ bản sau:
Hệ thống nguyên tử hóa mẫu phân tích. Nguyên tắc chung là dùng nhiệt độ cao để hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích.
Nguồn phát ra tia phát xạ cộng hưởng của nguyên tố phân tích, để chiếu vào môi trường hấp thụ chứa các nguyên tử tự do của nguyên tố. Đó là các đèn catot rỗng (HCL), các đèn phóng điện không điện cực (EDL) hay nguồn phát bức xạ liên tục đã được biến điệu.
Hệ thống máy quang phổ hấp thụ , nó là bộ đơn sắc có nhiệm vụ thu phân ly và chọn tia sáng cần đo hướng vào nhân quang điện để phát hiện tín hiệu hấp thụ AAS của vạch phổ
Hệ thống chỉ thị tín hiệu hấp thụ của vạch phổ
Ngoài ra một số máy hiện đại còn có thêm microcomputer hay microprocessor và hệ thống phần mềm để điều khiển quá trình đo và xử lý các kết quả đo đạc, vẽ đồ thị, tính nồng độ của mẫu phân tích…
2.2.3.2. Phương trình cơ bản của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử
Theo định luật Buge - Lampe - Beer, chiếu một chùm sáng cường độ I0 qua đám hơi nguyên tử tự do của nguyên tố phân tích nồng độ là N, bề dày là L (cm) thì ta có
I I0 .e K .N
.L (2.2)
Trong đó
I0: cường độ của chùm sáng đơn sắc và đi vào môi trường hấp thụ, I: cường độ của chùm sáng đơn sắc và đi ra khỏi môi trường hấp thụ, N: tổng số nguyên tử tự do có trong môi trường hấp thụ (trong một đơn vị thể tích )
K : hệ số hấp thụ đặc trưng cho từng loại nguyên tử, L: chiều dài của môi trường hấp thụ,
Nếu gọi A là cường độ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử, ta có:
A lg(I0 / I ) 2,303.K .N.L
(2.3)
Phương pháp phổ hấp thụ nguyên được sử dụng để xác định hàm lượng các kim loại trước và sau khi hấp phụ. Hàm lượng các kim loại trước và sau
khi hấp phụ được thực hiện trên máy đo phổ hấp phụ nguyên tử AAS (Thermo - Anh) tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên và máy AAS - 6800 (Shimadzu - Nhật bản) tại Viện Công nghệ môi trường - Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.2.3.3 Ưu, nhược điểm của phương pháp
* Ưu điểm
Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc tương đối cao. Gần 60 nguyên tố có thể được xác định bằng phương pháp này với độ nhạy từ 1.10-4 ÷ 1.10-5%. Đặc biệt nếu sử dụng kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu không ngọn lửa có thể đạt tới độ nhạy n10-7%. Vì vậy, đây là phương pháp được dùng nhiều trong nhiều lĩnh vực để xác định lượng vết kim loại. Đặc biệt là trong phân tích các nguyên tố vi lượng trong các đối tượng mẫu y học, sinh học, nông nghiệp, kiểm tra hóa chất có độ tinh khiết cao [10,13].
Đồng thời cũng do có độ nhạy cao nên trong nhiều trường hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác định trước khi phân tích. Do đó tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian, không phải dùng nhiều hóa chất tinh khiết cao khi làm giàu mẫu. Mặt khác cũng tránh được sự nhiễm bẩn mẫu khi xử lý qua các giai đoạn phức tạp.
Phương pháp gồm các động tác thực hiện nhẹ nhàng, các kết quả phân tích có thể lưu giữ lại. Ngoài ra có thể xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu. Các kết quả phân tích rất ổn định, sai số nhỏ (không quá 15%) với vùng nồng độ cỡ 1÷2 ppm. Hơn nữa với sự ghép nối với máy tính cá nhân và các phần mềm nên quá trình đo và xử lý kết quả nhanh dễ dàng và lưu lại được đường chuẩn cho các lần sau.
* Nhược điểm
Một số hạn chế và nhược điểm của phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử có thể kể tới như:
Hệ thống máy AAS tương đối đắt tiền, vì vậy nhiều cơ sở không đủ điều kiện để xây dựng phòng thí nghiệm và mua sắp máy móc.
Do phép đo có độ nhạy cao, cho nên sự nhiễm bẩn rất có ý nghĩa đối với kết quả phân tích hàm lượng vết. Đòi hỏi dụng cụ phải sạch sẽ, hóa chất có độ tinh khiết cao.
Mặt khác, trang thiết bi máy móc là khá tinh vi, phức tạp nên cần tới sự am hiểu, thành thạo vận hành cũng như bảo dưỡng máy của cán bộ làm phân tích.
Một nhược điểm chính của phương pháp phân tích này chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố mà không chỉ ra trạng thái liên kết của nguyên tố đó trong mẫu phân tích.