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
2.3.1. Kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu
2.3.1.1. Mục ủớch và nhiệm vụ:
Nguyờn tử húa mẫu phõn tớch là một cụng việc hết sức quan trọng của phộp ủo phổ hấp thu nguyên tử, bởi vì chỉ có các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi mới cho phổ hấp thu nguyờn tử, nghĩa là số nguyờn tử tự do trong trạng thỏi hơi là yếu tố quyết ủịnh cường ủộ vạch phổ hấp thu và quỏ trỡnh nguyờn tử húa mẫu thực hiện tốt hay khụng tốt ủều cú ảnh hưởng trực tiếp ủến kết quả phõn tớch một nguyờn tố. Chớnh vỡ thế người ta thường vớ quỏ trỡnh nguyờn tử húa mẫu là hoạt ủộng trỏi tim của phộp ủo phổ hấp thu nguyên tử.
Mục ủớch của quỏ trỡnh này là tạo ra ủược ủỏm hơi cỏc nguyờn tử tự do từ mẫu phõn tớch với hiệu suất cao và ổn ủịnh ủể phộp ủo ủạt kết quả chớnh xỏc và cú ủộ lặp lại cao. đáp ứng mục ựắch ựó, ựể nguyên tử hóa mẫu phân tắch, ngày nay người ta
thường dựng hai kĩ thuật. Thứ nhất là kĩ thuật nguyờn tử húa mẫu trong ngọn lửa ủốn khớ. Kĩ thuật này ra ủời ủầu tiờn cựng với sự ra ủời của phộp ủo phổ hấp thu nguyờn tử.
Nhưng kĩ thuật này cú ủộ nhạy khụng cao, thường là trongvựng 0.05 – 1 ppm (bảng 1).
Sau ủú là kỹ thuật nguyờn tử húa khụng ngọn lửa. Kĩ thuật này ra ủời sau, nhưng lại cú ủộ nhạy rất cao ủạt ủến 0.1ng (bảng 1) và hiện nay lại ủược ứng dụng nhiều hơn kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa. Chính vì có hai kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu khác nhau nên chúng ta cũng có hai phép ựo tương ứng. đó là phép ựo phổ hấp thu nguyên tử trong ngọn lửa (F-AAS: Flame Atomic Absorpt Ion Spectrophotometry) và phộp ủo phổ hấp thu nguyờn tử khụng ngọn lửa (Electro-Thermal Atomizat Ion Atomic Absorpt Ion Spectrophotometry: ETA- AAS).
Trong bài thí nghiệm này ta sử dụng kỹ thuật nguyên tử hóa ngọn lửa.
Theo kĩ thuật này người ta dựng năng lượng nhiệt của ngọn lửa ủốn khớ ủể húa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích. Vì thế mọi quá trình xảy ra trong khi nguyên tử hóa mẫu phụ thuộc vào cỏc ủặc trưng và tớnh chất của ngọn lửa ủốn khớ, nhưng chủ yếu là nhiệt ựộ của ngọn lửa. đó là yếu tố quyết ựịnh hiệu suất nguyên tử hóa mẫu phân tắch, và mọi yếu tố ảnh hưởng ủến nhiệt ủộ của ngọn lửa ủốn khớ ủều ảnh hưởng ủến kết quả.
2.3.1.2. Yêu cầu và nhiệm vụ của ngọn lửa:
Trong phộp ủo phổ hấp thu nguyờn tử, ngọn lửa là mụi trường hấp thu. Nú cú nhiệm vụ húa hơi và nguyờn tử húa mẫu phõn tớch, tạo ra ủỏm hơi của cỏc nguyờn tử tự do cú khả năng hấp thu bức xạ ủơn sắc ủể tạo ra phổ hấp thu nguyờn tử. Vỡ thế ngọn lửa ủốn khớ muốn dựng vào mục ủớch ủể húa hơi và nguyờn tử húa mẫu phõn tớch cần phải thoả món một số yờu cầu nhất ủịnh sau ủõy:
− Ngọn lửa ủốn khớ phải làm núng ủều ủược mẫu phõn tớch, húa hơi và nguyờn tử húa mẫu phõn tớch với hiệu suất cao, ủể bảo ủảm cho phộp phõn tớch ủạt ủộ chớnh xỏc và ủộ nhạy cao.
− Năng lượng (nhiệt ủộ) của ngọn lửa phải ủủ lớn và cú thể ủiều chỉnh ủược tựy theo từng mục ủớch phõn tớch mỗi nguyờn tố. ðồng thời lại phải ổn ủịnh theo thời gian và cú thể lặp lại ủược trong cỏc lần phõn tớch khỏc nhau ủể ủảm bảo cho phộp phõn tớch ủạt kết quả ủỳng ủắn. Yờu cầu này cú lỳc khụng ủược thỏa món, vỡ nhiệt ủộ cao nhất của ngọn lửa cũng chỉ ủến 3300oC. Do ủú với những nguyờn tố tạo thành hợp chất bền nhiệt thì hiệu suất nguyên tử hóa của ngọn lửa là kém.
− Yêu cầu thứ ba là ngọn lửa phải thuần khiết, nghĩa là không sinh ra các vạch phổ phụ làm khú khăn cho phộp ủo hay tạo ra phổ nền quỏ lớn quấy rối phộp ủo. Quỏ trỡnh Ion húa và phỏt xạ phải khụng ủỏng kể vỡ quỏ trỡnh này làm mất cỏc nguyờn tử tự do tạo ra phổ hấp thu nguyên tử.
− Một yờu cầu nữa là ngọn lửa phải cú bề dày ủủ lớn ủể cú ủược lớp hấp thu ủủ dầy làm tăng ủộ nhạy của phộp ủo. ðồng thời bề dày của lớp hấp thu lại cú thể thay ủổi ủược khi cần thiết, ủể ủo ở nồng ủộ lớn. Trong cỏc mỏy hiện nay, bề dày này cú thể thay ủổi ủược từ 2 – 10 cm.
− Tiêu tốn ít mẫu phân tích.
ðể tạo ra ngọn lửa, người ta cú thể ủốt chỏy nhiều hỗn hợp khớ khỏc nhau, bao gồm một khớ oxy húa và một khớ chỏy, trong cỏc ủốn khớ thớch hợp. Nhưng với những yờu cầu ủó núi trờn thỡ chỉ cú một vài loại ủốn khớ là tạo ra ủược ngọn lửa tương ủối phự hợp cho phép ựo phổ hấp thu nguyên tử. đó là những môi trường nguyên tử hóa mẫu tương ủối bền vững và kinh tế (bảng 2). ðặc biệt ủược ứng dụng nhiều nhất trong phộp ủo AAS là ngọn lửa của ủốn khớ ủược ủốt bằng hỗn hợp khớ: (axetylen và khụng khớ nộn) hay ngọn lửa của ủốn khớ (N2O và axetylen), hay (hydro và axetylen).
Bảng 2a và 2b là một số vớ dụ về nhiệt ủộ của ngọn lửa một số ủốn khớ ủược dựng trong phộp ủo AAS (Ox: chất oxy húa; K.K: khụng khớ.).
Bảng 2a: Quan hệ giữa nhiệt ủộ và loại khớ ủốt
Bảng 2b: Thành phần khớ và nhiệt ủộ ngọn lửa
2.3.1.3. ðặc ủiểm và cấu tạo của ngọn lửa ủốn khớ:
Nhiệt ủộ là một thụng số ủặc trưng của ngọn lửa ủốn khớ. Nhiệt ủộ ngọn lửa của một loại ủốn khớ phụ thuộc rất nhiều vào bản chất và thành phần của chất khớ ủược ủốt chỏy ủể tạo ra ngọn lửa, nghĩa là ứng với mỗi một hỗn hợp khớ chỏy, ngọn lửa sẽ cú một nhiệt ủộ xỏc ủịnh và khi thành phần khớ chỏy thay ủổi thỡ nhiệt ủộ ngọn lửa cũng bị thay ủổi (bảng 2a và 2b). Ngoài yếu tố trờn, tốc ủộ dẫn của hỗn hợp khớ vào ủốn ủể ủốt chỏy cũng ảnh hưởng ủến nhiệt ủộ của ngọn lửa và qua ủú mà ảnh hưởng ủến cường ủộ của vạch phổ.
Xột về cấu tạo, ngọn lửa ủốn khớ gồm ba phần chớnh (hỡnh 6):
− Phần a: Là phần tối của ngọn lửa. Trong phần này hỗn hợp khớ ủược trộn ủều và ủốt núng cựng với cỏc hạt sol khớ (thể aerosol) của mẫu phõn tớch. Phần này cú nhiệt ủộ thấp (700 – 1200oC). Dung mụi hũa tan mẫu sẽ bay hơi trong phần này và mẫu ủược sấy núng.
− Phần b: Là vựng trung tõm của ngọn lửa. Phần này cú nhiệt ủộ cao, nhất là ở ủỉnh b, và thường không có màu hoặc có màu xanh rất nhạt. Trong phần này hỗn hợp khí ủược ủốt chỏy tốt nhất và khụng cú phản ứng thứ cấp. Vỡ thế trong phộp ủo phổ hấp thu nguyờn tử người ta phải ủưa mẫu vào phần này ủể nguyờn tử húa và thực hiện phộp ủo, nghĩa là nguồn ủơn sắc phải chiếu qua phần này của ngọn lửa.
− Phần c: Là vỏ và ủuụi của ngọn lửa. Vựng này cú nhiệt ủộ thấp, ngọn lửa cú mầu vàng và thường xảy ra nhiều phản ứng thứ cấp khụng cú lợi cho phộp ủo phổ hấp thu nguyờn tử. Chớnh do cỏc ủặc ủiểm và cấu tạo ủú nờn trong mỗi phộp phõn tớch cần phải khảo sỏt ủể chọn ủược cỏc ủiều kiện phự hợp, như thành phần và tốc ủộ của hỗn hợp khí cháy tạo ra ngọn lửa, chiều cao của ngọn lửa, v.v...
Hỡnh 6: Cấu tạo của ngọn lửa ủốn khớ 2.3.1.4. Trang bị ủể nguyờn tử húa mẫu:
Muốn thực hiện phộp ủo phổ hấp thu nguyờn tử (F-AAS), trước hết phải chuẩn bị mẫu phõn tớch ở trạng thỏi dung dịch. Sau ủú dẫn dung dịch mẫu vào ngọn lửa ủốn khớ ủể húa hơi và nguyờn tử húa mẫu phõn tớch và thực hiện phộp ủo. Quỏ trỡnh nguyờn tử hóa trong ngọn lửa gồm hai bước kế tiếp nhau. Bước một là chuyển dung dịch mẫu phân tắch thành thể các hạt nhỏ như sương mù trộn ựều với khắ mang và khắ cháy. đó là cỏc hạt sol khớ (thể aerosol). Quỏ trỡnh này ủược gọi là quỏ trỡnh aerosol húa hay nebulize hóa. Kĩ thuật thực hiện quá trình này và hiệu suất của nó ảnh hưởng trực tiếp ủến kết quả của phộp ủo AAS.
Sau ủú dẫn hỗn hợp aerosol cựng hỗn hợp khớ ủốt vào ủốn (burner head) ủể nguyờn tử húa. Khớ mang là một trong hai khớ ủể ủốt chỏy tạo ra ngọn lửa. Thụng thường
người ta hay dựng khớ oxy húa (khụng khớ nộn hay khớ N2O). Hai giai ủoạn trờn ủược thực hiện bằng một hệ thống trang bị nguyên tử hóa mẫu (hình 4). Hệ thống này gọi là Nebulizer System, gồm hai phần chính:
− đèn nguyên tử hóa mẫu (burner head). Các ựèn này thường có hai dạng khác nhau, hoặc hỡnh trũn cú nhiều lỗ hay hỡnh một khe hẹp cú ủộ rộng từ 0.5 – 1.0 mm và chiều dài 5 cm hay 10 cm.
Loại khe dài 10 cm cho hỗn hợp khớ ủốt axetylen và khụng khớ nộn; loại khe dài 5 cm là cho hỗn hợp khớ ủốt axetylen và khớ N2O (hỡnh 7). Cũn loại miệng trũn chỉ thớch hợp cho phộp ủo phổ phỏt xạ.
Hỡnh 7: Cỏc loại ủốn ủể nguyờn tử húa mẫu
− Phần hai là buồng aerosol hóa mẫu. đó là buồng ựể ựiều chế các hạt sol khắ của mẫu với khí mang. ðể thực hiện công việc này người ta áp dụng hai kĩ thuật theo nguyên lắ khác nhau. đó là kĩ thuật pneumatic-mao dẫn (phun khắ) và kĩ thuật ultrasonic (siờu õm). Do ủú cũng cú hai loại hệ trang bị khỏc nhau (hỡnh 8) ủể ủiều chế sol khí của mẫu.
Hình 8: Hệ thống tạo sol khí (nebulize) theo kĩ thuật pneumatic K: Khí mang (oxy hóa).
S: ðường dẫn mẫu.
F: Khí cháy.
Q: Cỏnh quạt quay ủều.
G: Màng bảo hiểm.
A: ðường dẫn thể aerosol lờn ủốn nguyờn tử húa.
Aerosol hóa mẫu theo kĩ thuật pneumatic-mao dẫn:
Theo cỏch này người ta dựng hệ thống nebulize và khớ mang ủể tạo ra thể sợi khớ của mẫu phân tích nhờ hiện tượng mao dẫn (hình 8).
Trước hết nhờ ống mao dẫn S và dũng khớ mang K mà dung dịch mẫu ủược dẫn vào buồng aerosol húa. Trong buồng này, dung dịch mẫu ủược ủỏnh tung thành thể bụi (cỏc hạt rất nhỏ) nhờ quả bi E và cỏnh quạt Q, rồi ủược trộn ủều với hỗn hợp khớ ủốt và ủược dẫn lờn ủốn nguyờn tử húa (burner head).
Khi hỗn hợp khớ ủốt chỏy ở burner head sẽ tạo ra ngọn lửa, dưới tỏc dụng của nhiệt của ngọn lửa các phần tử mẫu ở thể sợi khí sẽ bị hóa hơi và nguyên tử hóa tạo ra các nguyên tử tự do của các nguyên tố có trong mẫu phân tích.
đó là những phần tử hấp thu năng lượng và tạo phổ hấp thu nguyên tử của nguyên tố cần nghiên cứu.
Nhưng cần chỳ ý rằng, ngoài ảnh hưởng của thành phần khớ ủốt và tốc ủộ dẫn hỗn hợp khớ ủến cường ủộ vạch phổ, thỡ tốc ủộ dẫn dung dịch mẫu vào buồng aerosol húa cũng ảnh hưởng ủỏng kể ủến cường ủộ vạch phổ (bảng 3).
Tốc ủộ dẫn mẫu phụ thuộc vào nhiều yếu tố và ủược tớnh gần ủỳng theo cụng thức:
η π
. . 8
. ) . /
( L
P ph r
ml
V = (9)
Trong ủú:
r- bỏn kớnh của ống mao dẫn ủể dẫn mẫu;
P- chờnh lệch ỏp suất giữa hai ủầu ống mao dẫn;
L- chiều dài ống mao dẫn;
η- ðộ nhớt của dung dịch mẫu (g.cm.s).
Nghĩa là tốc ủộ dẫn mẫu V phụ thuộc vào cỏc tham số r, P, L và η. Nhưng trong một hệ thống mỏy thỡ r và L thường là cố ủịnh, P ủược giữ khụng ủổi, cho nờn V chỉ cũn phụ thuộc chủ yếu vào ủộ nhớt η của dung dịch mẫu.
Aerosol hóa mẫu bằng siêu âm:
Theo kĩ thuật này, ủể aerosol húa mẫu phõn tớch người ta dựng hệ thống siờu õm cú tần số từ 1 – 4.5 MHz. Lực siờu õm cú thể ủược truyền qua tướng rắn hay qua thể lỏng ủến dung dịch mẫu ủể thực hiện việc aerosol húa mẫu, nghĩa là dưới tỏc dụng của lực siờu õm, mẫu dung dịch cũng ủược phõn tỏn (ủỏnh tơi) thành những hạt rất nhỏ và trộn ủều với hỗn hợp khớ ủể dẫn lờn ủốn (burner head) nguyờn tử húa. Ở ủõy ủường kớnh (d) của cỏc hạt sol khớ ủược tớnh theo cụng thức:
. 2
. 4
. F Di d = π s
(10) Trong ủú:
s: sức căng bề mặt của dung dịch mẫu.
Di: tỉ trọng của dung dịch mẫu.
F: tần số của máy phát siêu âm.
Như vậy, muốn có các hạt aerosol nhỏ thì phải sử dụng tần số siêu âm cao.
Tần số và cụng suất của mỏy phỏt siờu õm ủều ảnh hưởng ủến kớch thước của hạt aerosol (hỡnh 9) Trong hai kĩ thuật aerosol húa, thỡ kỹ thuật pneumatic là ủơn giản, trang bị rẻ tiền, không phức tạp như kĩ thuật siêu âm. Nhưng kĩ thuật siêu âm có ưu ủiểm cho ủộ nhạy cao hơn. Vỡ kớch thước cỏc hạt sol khớ khỏ nhỏ, hiệu suất tạo sol khí cao và quá trình aerosol ít phụ thuộc vào khí mang và quá trình dẫn mẫu. ðặc biệt là việc aerosol húa cỏc dung dịch mẫu cú nồng ủộ muối cao thỡ nú ưu việt hơn kĩ thuật pneumatic. Mặt khỏc, sự aerosol húa bằng siờu õm thường cho ủộ lặp lại tốt hơn (bảng 3).
Bảng 3: ðộ nhạy theo hai kĩ thuật aerosol hóa mẫu
Hình 9: Ảnh hưởng tần số và công suất máy siêu âm 2.3.1.5. Những quá trình xảy ra trong ngọn lửa:
Ngọn lửa là mụi trường nguyờn tử húa mẫu của phộp ủo phổ hấp thu nguyờn tử (F- AAS). Trong ngọn lửa cú nhiều quỏ trỡnh ủồng thời xảy ra: cú quỏ trỡnh chớnh và cũng cú quỏ trỡnh phụ (thứ cấp). Trong ủú nhiệt ủộ của ngọn lửa là yếu tố quyết ủịnh mọi diễn biễn của cỏc quỏ trỡnh ủú.
Trước hết, khi mẫu ở thể sợi khớ ủược dẫn lờn ủốn nguyờn tử húa, dưới tỏc dụng nhiệt của ngọn lửa, ở miệng ủốn, là sự bay hơi của dung mụi hoà tan mẫu và cỏc chất hữu cơ (nếu có) trong thể sợi khí. Như vậy mẫu còn lại là các hạt bột mẫu rất nhỏ mịn
(cỏc muối của cỏc chất) trong ngọn lửa, và nú ủược dẫn tiếp vào vựng trung tõm ngọn lửa. Tiếp ủú sự nung núng, núng chảy, cỏc quỏ trỡnh húa hơi và nguyờn tử húa của cỏc hạt mẫu bột khụ ủú. Ở ủõy cỏc chất sẽ cú cỏc quỏ trỡnh chớnh sinh ra phổ và quỏ trỡnh phụ không sinh ra phổ diễn biến theo tính chất nhiệt hóa của chất mẫu.
Các quá trình chính:
Xảy ra thường theo hai cơ chế chính:
− Nếu năng lượng (nhiệt ủộ) húa hơi (Eh) của cỏc hợp phần cú trong mẫu nhỏ hơn năng lượng nguyên tử hóa (Ea) của nó, tức là Eh<Ea, thì trước hết các hợp phần này sẽ húa hơi ở dạng phõn tử. Sau ủú cỏc phõn tử khớ này mới bị phõn li (nguyờn tử húa) thành các nguyên tử tự do (cơ chế I). Hoặc cũng có thể chúng không bị phân li thành cỏc nguyờn tử tự do, nếu ủú là cỏc hợp chất bền nhiệt.
Cơ chế I: (Eh< Ea)
MnAm (l) → MnAm (k) → n.M(k) + m.A(k) M(k) + n(hv) → Phổ AAS
Nói chung, các muối halogen (trừ F), muối acetate, một số muối nitrate, một số muối sulfate của kim loại thường xảy ra theo cơ chế này. Ví dụ: Các hợp chất: CuCl2, ZnCl2, FeCl3, Cu(Ac)2, Zn(Ac)2. v.v... theo cơ chế 1 này. Cơ chế này cho phộp ủo AAS cú ủộ nhạy cao và ổn ủịnh.
− Ngược lại, nếu năng lượng phân li Ea của các hợp phần của mẫu nhỏ hơn năng lượng húa hơi Eh của chớnh nú, thỡ trước hết cỏc hợp phần ủú sẽ bị phõn li thành cỏc nguyờn tử tự do, rồi sau ủú mới húa hơi (cơ chế II).
Cơ chế II: (Eh> Ea)
MnAm (l) → n.M(r,l) + mA(l.r) → n.M(k) M(k) + n(hv) →Phổ AAS
Các loại hợp chất muối của kim loại với gốc sulfate, phosphate, silicate, flour, thường theo cơ chế II. Cơ chế này khụng ổn ủịnh, nờn phộp ủo AAS kộm ổn ủịnh, và ủộ nhạy kộm hơn cơ chế I. Vỡ thế người ta thường thờm vào mẫu cỏc muối halogen, hay acetate của kim loại kiềm làm nền mẫu ủể hướng cỏc quỏ trỡnh chớnh xẩy ra theo cơ chế I ưu việt và có lợi hơn.
đó là hai cơ chế của quá trình nguyên tử hóa mẫu phân tắch (quá trình chắnh) trong ngọn lửa ủốn khớ. Nú là những quỏ trỡnh chớnh ủể tạo ra cỏc nguyờn tử tự do quyết ủịnh cường ủộ của vạch phổ hấp thu nguyờn tử của nguyờn tố phõn tớch. Yếu tố quyết ủịnh các quá trình này là:
− Nhiệt ủộ của ngọn lửa
− Bản chất của chất mẫu và thành phần của mẫu
− Tác dụng ảnh hưởng của chất phụ gia thêm vào mẫu.
Các quá trình phụ:
Bờn cạnh cỏc quỏ trỡnh chớnh, trong ngọn lửa ủốn khớ thường cũn cú một số quỏ trỡnh phụ. Cỏc quỏ trỡnh phụ này thường ảnh hưởng ủến cường ủộ vạch phổ trong những mức ủộ khỏc nhau, như làm giảm cường ủộ của vạch phổ, nú xảy ra như thế nào là tựy thuộc vào nhiệt ủộ của ngọn lửa và thành phần của mẫu, vớ dụ như: