PHầN 2: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI 1: XÁC ðỊNH NA, CA, FE TRONG THỰC PHẨM TRÊN MÁY QUANG PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ AAS
II. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THU VÀ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ – AAS VÀ AES
2.3. Nguyờn tắc và trang bị của phộp ủo
2.3.2. Nguồn phỏt bức xạ ủơn sắc
Muốn thực hiện ủược phộp ủo phổ hấp thu nguyờn tử người ta cần phải cú một nguồn phỏt tia bức xạ ủơn sắc (tia phỏt xạ cộng hưởng) của nguyờn tố cần phõn tớch ủể chiếu qua mụi trường hấp thu. Nguồn phỏt tia bức xạ ủơn sắc trong phộp ủo phổ hấp
thu nguyờn tử thường là cỏc ủốn canh rỗng (HCL), cỏc ủốn phúng ủiện khụng ủiện cực (EDL) và cỏc ủốn phổ liờn tục cú biến ủiệu (ủó ủược ủơn sắc húa). Nhưng dự là loại nào, nguồn phỏt tia bức xạ ủơn sắc trong phộp ủo phổ AAS cũng phải thỏa món ủược những yờu cầu tối thiểu sau ủõy mới cú thể chấp nhận ủược:
− Nguồn phỏt tia bức xạ ủơn sắc phải tạo ra ủược cỏc tia phỏt xạ nhạy (cỏc vạch phỏt xạ nhạy, ủặc trưng) của nguyờn tố cần phõn tớch. Chựm tia phỏt xạ ủú phải cú cường ủộ ổn ủịnh, phải lặp lại ủược trong nhiều lần ủo khỏc nhau trong cựng ủiều kiện, phải ủiều chỉnh ủược với cường ủộ mong muốn cho mỗi phộp ủo.
− Nguồn phỏt tia bức xạ phải cung cấp ủược một chựm tia phỏt xạ thuần khiết chỉ bao gồm một số vạch nhạy ủặc trưng của nguyờn tố phõn tớch. Phổ nền của nú phải khụng ủỏng kể. Cú như thế mới hạn chế ủược những ảnh hưởng về vật lớ và về phổ cho phộp ủo AAS.
− Chựm tia phỏt xạ ủơn sắc do nguồn ủú cung cấp phải cú cường ủộ cao, nhưng lại phải bền vừng theo thời gian và phải không bị các yếu tố vật lí khác nhiễu loạn, ít bị ảnh hưởng bởi cỏc dao ủộng của ủiều kiện làm việc.
− Nguồn phỏt tia bức xạ ủơn sắc phải bền lõu, khụng quỏ ủắt tiền và khụng quỏ phức tạp cho người sử dụng.
Tất nhiờn trong 4 yờu cầu trờn thỡ 3 yờu cầu ủầu tiờn là quan trọng nhất và bắt buộc phải thỏa món, ủể cho phộp ủo ủạt kết quả chớnh xỏc, ổn ủịnh và tin tưởng. Riờng yờu cầu thứ 4 thỡ cú thể chõm chước ủược trong những trường hợp cụ thể nhất ủịnh.
Xuất phỏt từ những nhiệm vụ và yờu cầu phải thỏa món, hiện nay trong phộp ủo phổ hấp thu nguyên tử, người ta thường dùng chủ yếu ba loại nguồn phát tia bức xạ ựơn sắc. đó là:
− đèn cathode rỗng (HCL - Hollow Cathode Lamp)
− đèn phóng ựiện không ựiện cực (EDL- Electrodeless Discharge Lamp),
− đèn phát phổ liên tục ựã ựược biến ựiệu (D2-lamp, W-lamp).
− Cỏc loại nguồn ủơn sắc khỏc.
Trong ba loại ựó, ựèn HCL ựược dùng phổ biến nhất. đèn phát phổ liên tục mới ủược phỏt triển và sử dụng trong vài năm nay, nhưng lại cú nhiều ưu việt trong cỏc mỏy nhiều kờnh và quỏ trỡnh phõn tớch tự ủộng liờn tiếp nhiều nguyờn tố, tuy nhiờn giỏ thành cũn ủắt và ủộ nhạy cũn kộm nờn chưa ủược dựng phổ biến.
đèn cathode rỗng (HCL):
đèn phát tia bức xạ ựơn sắc ựược dùng sớm nhất và phổ biến nhất trong phép ựo
S là ựèn cathode rỗng (HCL). đèn này chỉ phát ra những tia phát xạ nhạy của nguyên tố kim loại làm cathode rỗng. Các vạch phát xạ nhạy của một nguyên tố thường là các vạch cộng hưởng. Vỡ thế ủốn cathode rỗng cũng ủược gọi là nguồn phỏt tia bức xạ cộng hưởng. Nó là phổ phát xạ của các nguyên tố trong môi trường khí kém.
Về cấu tạo, ủốn cathode rỗng gồm cú ba phần chớnh:
− Phần 1 là thõn ủốn và cửa sổ,
− Phần 2 là cỏc ủiện cực cathode và anode, và
− Phần 3 là khắ chứa trong ựèn. đó là khắ trơ He, Ar hay N2.
− Thõn và vỏ. Thõn ủốn gồm cú vỏ ủốn, cửa sổ và bệ ủỡ cỏc ủiện cực anode và cathode. Bệ ủỡ bằng nhựa PVC. Thõn và vỏ ủốn bằng thuỷ tinh hay thạch anh. Vỏ ủốn có hai dạng (hình 11).
Cửa sổ S của ủốn cú thể là thuỷ tinh hay thạch anh trong suốt trong vựng UV hay VIS là tựy thuộc vào loại ủốn của từng nguyờn tố phỏt ra chựm tia phỏt xạ nằm trong vựng phổ nào. Nghĩa là vạch phỏt xạ cộng hưởng ủể ủo phổ hấp thu ở vựng nào thỡ nguyờn liệu làm cửa sổ S phải trong suốt ở vựng ủú.
− ðiện cực. ðiện cực của ủốn là cathode và anode. Anode ủược chế tạo bằng kim loại trơ và bền nhiệt như W hay Pt. Cathode ủược chế tạo cú dạng hỡnh xylanh hay hỡnh ống rỗng cú ủường kỡnh từ 3 – 5 mm, dài 5 – 6 mm và chớnh bằng kim loại cần phõn tớch với ủộ tinh khiết cao (ớt nhất 99.9 %).
Dõy dẫn của cathode cũng là kim loại W hay Pt. Cả hai ủiện cực ủược gắn chặt trờn bệ ủỡ của thõn ủốn và cực cathode phải nằm ủỳng trục xuyờn tõm của ủốn (hỡnh 11).
Anode ủặt bờn cạnh cathode hay là một vũng bao quanh cathode. Hai ủầu của hai ủiện cực ủược nối ra hai cực gắn chặt trờn ủế ủốn, cắm vào nguồn ủiện nuụi cho ủốn làm việc. Nguồn nuôi là nguồn 1 chiều có thế 220 – 240 V.
− Khớ trong ủốn. Trong ủốn phải hỳt hết khụng khớ và nạp thay vào ủú là một khớ trơ với ỏp suất từ 5 – 15mmHg. Khớ trơ ủú là argon, heli hay nitơ nhưng phải cú ủộ sạch cao hơn 99.99 %. Khớ nạp vào ủốn khụng ủược phỏt ra phổ làm ảnh hưởng ủến chựm tia phỏt xạ của ủốn và khi làm việc trong một ủiều kiện nhất ủịnh thỡ tỉ số giữa cỏc nguyờn tử ủó bị ion húa và cỏc nguyờn tử trung hoà phải là khụng ủổi. Cú như thế ủốn làm việc mới ổn ủịnh.
− Nguồn nuôi ựèn. đèn ựược ựốt nóng ựỏ ựể phát ra chùm tia phát xạ cộng hưởng nhờ nguồn ủiện một chiều ổn ủịnh. Thế làm việc của ủốn HCL thường là từ 250 – 220V tựy thuộc vào từng loại ủốn của từng hóng chế tạo và tựy thuộc vào từng nguyờn tố kim loại làm cathode rỗng.
Cường ủộ làm việc của cỏc ủốn cathode rỗng thường là từ 3 – 50 mA và cũng tựy thuộc vào mỗi loại ủốn HCL của mỗi nguyờn tố do mỗi hóng chế tạo ra nú.
Thế và cường ủộ dũng ủiện làm việc của ủốn HCL cú liờn quan chặt chẽ với cụng ủể tỏch kim loại ra khỏi bề mặt cathode rỗng ủể tạo ra hơi kim loại sinh ra chựm tia phỏt xạ của ủốn HCL.
Dũng ủiện qua ủốn HCL của mỗi nguyờn tố rất khỏc nhau. Mỗi ủốn HCL ủều cú dũng ủiện giới hạn cực ủại mà ủốn cú thể chịu ủựng ủược và giỏ trị này ủược ghi trờn vỏ ủốn. Tất nhiờn khi sử dụng khụng bao giờ ủược phộp dựng ủến dũng ủiện cực ủại ủú, mà thớch hợp nhất là trong vựng từ 65 – 85 % giỏ trị cực ủại, vỡ ở ủiều kiện dũng cực ủại ủốn làm việc khụng ổn ủịnh và rất chúng hỏng, ủồng thời phộp ủo lại cú ủộ nhạy và ủộ lặp lại kộm.
Theo lớ thuyết và thực nghiệm của thực tế phõn tớch theo kĩ thuật ủo phổ hấp thu nguyờn tử, tốt nhất chỉ nờn dựng cường ủộ dũng trong vựng từ 60 – 85 % dũng giới hạn cực ủại ủó ghi trờn ủốn HCL.
Muốn cú ủộ nhạy cao, nờn sử dụng cường ủộ dũng ở gần giới hạn dưới. Muốn cú ủộ ổn ủịnh cao, nờn dựng cường ủộ dũng ở gần giới hạn trờn. Nhưng nờn nhớ rằng cường ủộ dũng làm việc của ủốn HCL và cường ủộ của vạch phổ hấp thu cú quan hệ chặt chẽ với nhau.
Núi chung, nhiều trường hợp cường ủộ của vạch phổ hấp thu là tỷ lệ nghịch với cường ủộ dũng ủiện làm việc của ủốn HCL (hỡnh 12), tuy nhiờn cũng cú vài trường hợp khụng tuõn theo quy luật ủú.
Hỡnh 11: Cấu tạo ủốn cathode rỗng
Hỡnh 12: Quan hệ giữa cường ủộ vạch phổ và cường ủộ dũng ủiện làm việc của ủốn HCL
(A) là trường hợp phổ biến (Cd – 228.8 nm), Cu, Ca, Fe.
(B) là của Pb 283.3 nm.
(C) là của Al 309.3 nm.
Khi ủốn làm việc, cathode ủược nung ủỏ, giữa cathode và anode xảy ra sự phúng ủiện liờn tục. Do sự phúng ủiện ủú mà một số phõn tử khớ bị ion húa. Cỏc ion vừa ủược sinh ra sẽ tấn cụng vào cathode làm bề mặt cathode núng ủỏ và một số nguyờn tử kim loại trên bề mặt cathode bị hóa hơi và nó trở thành những nguyên tử kim loại tự do.
Khi ủú dưới tỏc dụng của nhiệt ủộ trong ủốn HCL ủang ủược ủốt núng ủỏ, cỏc nguyờn tử kim loại này bị kắch thắch và phát ra phổ phát xạ của nó. đó chắnh là phổ vạch của chớnh kim loại làm cathode rỗng. Nhưng vỡ trong ủiều kiện ủặc biệt của mụi trường khớ trơ cú ỏp suất rất thấp, nờn phổ phỏt xạ ủú chỉ bao gồm cỏc vạch nhạy của kim loại ủú mà thôi. đó chắnh là sự phát xạ của kim loại trong môi trường khắ kém. Chùm tia phát xạ này là nguồn tia ủơn sắc chiếu qua mụi trường hấp thu ủể thực hiện phộp ủo AAS.
Cỏc ủốn cathode rỗng cú cấu tạo như ủó mụ tả ở trờn là những ủốn HCL ủơn nguyờn tố, nghĩa là mỗi ủốn HCL ủú chỉ phục vụ cho phõn tớch một nguyờn tố. Ngày nay ngoài cỏc ủốn HCL ủơn, người ta cũng ủó chế tạo ủược một số ủốn kộp ủụi, kộp ba
hay kộp sỏu nguyờn tố. Vớ dụ cỏc ủốn kộp ủụi là (Ca+Mg), (Cu+Mn), (Cu+Cr), (Co+Ni), (K+Na), (Cu+Pb); cỏc ủốn kộp ba như (Cu+Pb+Zn) và ủốn kộp sỏu là (Cu+Mn+Cr+Fe+Co+Ni).
ðể chế tạo cỏc ủốn kộp này, cathode của ủốn HCL phải là hợp kim của cỏc nguyờn tố ủú. Hợp kim này phải cú thành phần phự hợp, ủể sao cho cường ủộ phỏt xạ của cỏc nguyờn tố là gần tương ủương nhau; nghĩa là sự phỏt xạ của kim loại này phải khụng ủược lấn ỏt sự phỏt xạ của nguyờn tố kia. Do ủú phải chế tạo trong ủiều kiện dung hũa cho tất cả các nguyên tố. Vắ dụ: đèn HCL kép sáu của Cu, Mn, Cr, Fe, Co, và Ni thì hợp kim làm cathode rỗng phải chứa 25% Cu, các nguyên tố khác có thành phần là 15%.
Xột về ủộ nhạy, núi chung cỏc ủốn kộp thường cú ủộ nhạy kộm hơn cỏc ủốn ủơn tương ứng, hay tốt nhất cũng chỉ gần bằng là cùng. Mặt khác, về chế tạo lại khó khăn hơn ủốn ủơn. Vỡ thế cũng chỉ cú một số ớt ủốn kộp và cũng chỉ ủược dựng trong một số trường hợp khi việc thay ủổi ủốn cú ảnh hưởng ủến quỏ trỡnh phõn tớch và trong cỏc mỏy nhiều kờnh thỡ ủốn HCL kộp là ưu việt hơn ủốn ủơn.
đèn HCL làm việc tại mỗi chế ựộ dòng nhất ựịnh thì sẽ cho chùm sáng phát xạ có cường ủộ nhất ủịnh.
Mỗi sự dao ủộng về dũng ủiện làm việc của ủốn ủều làm ảnh hưởng ủến cường ủộ của chựm tia sỏng phỏt xạ (hỡnh 12). Do ủú trong mỗi phộp ủo cụ thể phải chọn một giỏ trị cường ủộ dũng ủiện phự hợp và giữ cố ủịnh trong suốt quỏ trỡnh ủo ủịnh lượng một nguyên tố.