1.4.2.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis)
Cơ sở của phƣơng pháp dựa trên việc đo độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch phức có màu tạo bởi ion cần xác định với một thuốc thử trong môi trƣờng thích hợp khi chiếu bởi chùm sáng. Độ hấp thụ quang tỷ lệ thuận với nồng độ chất phân tích, đây là cơ sở để định lƣợng chất phân tích: A = k.C [7].
Để xác định ion Cu2+ ngƣời ta dùng thuốc thử natridiethyldithiocacbamat
(NaDDC) ở pH = 4÷11, ion Cu2+
tạo phức vòng càng với NaDDC. Phức tạo thành có màu đỏ nâu, khó tan trong nƣớc nhƣng tan nhiều trong một số dung môi hữu cơ
nhƣ CCl4, CH3Cl… Đo độ hấp thụ quang của CuDDC tại = 440 nm. Trong
phƣơng pháp này có một số ion gây cản trở cho việc xác định Cu2+ là Fe3+, Ni2+,
Mn2+, Co2+,…do chúng cũng tạo phức màu với thuốc thử NaDDC. Tuy vậy, có thể
loại trừ ảnh hƣởng của các ion này bằng cách thêm vào một lƣợng chất che nhƣ amonixitrat, axit xitric, EDTA, kali natri tactrat…
Để xác định Pb các tác giả I. M. Kolthoff [27] đã tạo phức màu đỏ của Pb với dithizon trong môi trƣờng kiềm yếu pH = 8,5÷9,5. Phức này tan trong các dung
môi hữu cơ nhƣ CCl4, CHCl3 rồi đem đo độ hấp thụ quang của nó tại bƣớc sóng 510
nm trong CHCl3 và 520nm trong CCl4. Cƣờng độ màu pha hữu cơ sau khi chiết tỉ lệ
thuận với nồng độ Pb2+ và giới hạn phát hiện tới 0,05ppb.
Bằng phƣơng pháp trắc quang, các tác giả Trần Thúc Bình, Trần Tứ Hiếu, Phạm Luận đã xác định Cu, Ni, Mn, Zn…trong cùng một hỗn hợp theo phƣơng pháp Vierod cải tiến bằng pyridin-azo-naphtol (PAN) với sai số < 4% ở những bƣớc sóng khác nhau [2].
Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử là phƣơng pháp đơn giản, tiện lợi, độ nhạy tƣơng đối cao nên đƣợc dùng khá phổ biến để xác định các kim loại có hàm
lƣợng nhỏ. Tuy nhiên nhƣợc điểm của phƣơng pháp là không chọn lọc, khi đó phải thực hiện các công đoạn che tách phức tạp.
1.4.2.2. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử (AES)
Trong điều kiện đƣợc cung cấp năng lƣợng cho nguyên tử thì các nguyên tử sẽ chuyển lên trạng thái kích thích. Trạng thái này không bền, nguyên tử chỉ tồn tại
trong một thời gian cực ngắn 10-8s, chúng có xu hƣớng trở về trạng thái ban đầu bền
vững và giải phóng ra năng lƣợng mà nó hấp thụ dƣới dạng bức xạ quang học. Bức xạ này chính là phổ phát xạ nguyên tử [8].
Các tác giả M. D. Ioannidou, G. A. Zachariadis, A. N. Anthemidis và J. A. Stratis đã sử dụng phép đo ICP- AES để xác định lƣợng vết Pb, Cd, Cu…trong mật ong và đƣờng bằng phƣơng pháp đƣờng chuẩn. Độ nhạy khi xác định các ion kim loại trên đều đạt cỡ nồng độ ppb [31].
Nhìn chung, phƣơng pháp này có độ nhạy khá cao, tốn ít mẫu, có khả năng phân tích đồng thời nhiều nguyên tố trong cùng một mẫu, nên rất thuận lợi để phân tích lƣợng vết các kim loại trong các đối tƣợng khác nhau.
1.4.2.3. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
* Sự xuất hiện của phổ AAS:
Trong điều kiện thƣờng, nguyên tử ở trạng thái cơ bản không phát và cũng không thu năng lƣợng. Nhƣng khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, nếu ta kích thích nó bằng một năng lƣợng dƣới dạng một chùm tia sáng có bƣớc sóng xác định thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ năng lƣợng của các tia chiếu vào và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của nó, phổ này đƣợc gọi là phổ hấp thụ nguyên tử AAS [9].
* Nguyên tắc:
Phép đo dựa trên sự hấp thụ năng lƣợng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi của nguyên tố đó trong môi trƣờng hấp thụ. Để tiến hành đo thì phải qua các quá trình sau:
- Quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu
- Nguyên tử hóa đám hơi, tạo môi trƣờng hấp thụ chứa những nguyên tử tự do có khả năng hấp thụ sinh ra phổ hấp thụ.
M(l, r) + E → M (k)
- Chiếu chùm sáng λ đơn sắc đặc trƣng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi M(k) vừa điều chế ở trên. Khi đó, các nguyên tử trong đám hơi sẽ hấp thụ năng lƣợng E của tia λ và nhảy lên mức năng lƣợng cao hơn. Đây là va chạm đàn hồi, có sự trao đổi năng lƣợng E (cho - nhận):
n(hν) + M(k) → M(k)*
Đó là quá trình hấp thụ năng lƣợng tia sáng của nguyên tử tự do M(k), và nguyên tử này từ mức năng lƣợng cơ bản sẽ chuyển lên mức năng lƣợng cao. Quá trình này sinh ra một loại phổ của nguyên tử, gọi là phổ hấp thụ của nguyên tử AAS.
- Ghi lại kết quả đo Aλ.
Phƣơng trình định lƣợng của phƣơng pháp là: Aλ = a . Cxb
Trong đó:
+ Aλ : cƣờng độ vạch phổ
+ Cx : nồng độ nguyên tố phân tích.
Trong điều kiện xác định, trong một phạm vi xác định, sự phụ thuộc của cƣờng độ vạch phổ vào nồng độ nguyên tố phân tích có dạng tuyến tính và thông qua đó ta có thể định lƣợng chất phân tích một cách dễ dàng.
Trong phép đo phổ AAS có các kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu là: Kỹ thuật ngọn lửa (phép đo F - AAS), kỹ thuật không ngọn lửa (phép đo GF - AAS), kỹ thuật Hydrua hóa (hóa hơi lạnh) và kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu rắn và bột.
* Ƣu điểm của phép đo AAS:
Có độ nhạy và độ chọn lọc cao (gần 60 nguyên tố hóa học có thể xác định
bằng phƣơng pháp này với độ nhạy từ 1.10-4
- 1.10-5%. Đặc biệt nếu sử dụng kỹ
thuật không ngọn lửa thì có thể đạt đến n.10- 7%). Chính vì có độ nhạy cao nên
phƣơng pháp này đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong phân tích để xác định các kim loại nặng trong nhiều đối tƣợng khác nhau. Đồng thời do có độ nhạy
cao nên trong nhiều trƣờng hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác định trƣớc khi phân tích. Do đó tốn ít nguyên liệu, ít thời gian, không cần sử dụng hóa chất có độ tinh khiết cao, có thể xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu. Mặt khác, tránh đƣợc sự nhiễm bẩn mẫu khi sử lý qua các giai đoạn phức tạp. Kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ. Trong nhiều trƣờng hợp sai số không quá 15% ở vùng nồng độ cỡ 1- 2ppm. Ở nhiều nƣớc trên thế giới, phƣơng pháp AAS trở thành phƣơng pháp tiêu chuẩn để định lƣợng nhiều kim loại.
* Một số công trình nghiên cứu xác định kim loại nặng bằng phƣơng pháp AAS:
Tác giả Serife Tokalioglu và cộng sự [39] đã sử dụng phƣơng pháp AAS để xác định lƣợng vết các kim loại nặng trong nƣớc sau khi làm giàu với độ lệch chuẩn tƣơng đối nằm trong khoảng 0,8 - 2,9% và giới hạn phát hiện từ 0,006 - 0,277 ppm.
Các tác giả Secil Candir, Ibrahim Narin, Mustafa Soylak đã phân tích xác
định vết các ion Cr3+, Pb2+, Cu2+, Ni2+, Bi3+ và Cd2+ trong các mẫu môi trƣờng bằng
phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử với giới hạn phát hiện tƣơng ứng 2,8; 7,2; 0,4; 1,1; 0,8; 1,7; μg/l [38].
Với kỹ thuật F-AAS tác giả [40] đã xây dựng một quy trình hoàn chỉnh để xác định các kim loại nặng: Cu, Fe, Pb, Cd, Co, Ni…trong các mẫu sữa và soda với hiệu suất ≥ 95%.
Ứng dụng phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa, các tác giả
[36] đã xác định trực tiếp Pb, Cd, Zn, Cu trong mật, sử dụng H2O2 làm chất cải biến
giảm tín hiệu đƣờng nền.
Trong nƣớc, nhiều tác giả cũng đã nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử để xác định một số kim loại nặng trong các đối tƣợng khác nhau:
Sử dụng phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử, tác giả Đỗ Thúy Nga [14] đã xác định một số kim loại nặng Cu, Pb trong nƣớc thải của Làng nghề làm vàng mã ở Thuận Thành, Bắc Ninh. Giới hạn phát hiện của Pb là 0,19ppm, của Cu là 0,08ppm với sai số nhỏ hơn 5%.
Bằng phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, tác giả Lê Lan Anh đã xác định hàm lƣợng Pb trong tóc, máu và nƣớc tiểu ở ngƣời với kết quả nhƣ sau: Hàm lƣợng Pb trung bình trong tóc ở ngƣời bình thƣờng là 15,15 ± 2,00μg/g, ở ngƣời thƣờng xuyên tiếp xúc với xăng dầu là 49,80 ± 7,90μg/g, còn ở những ngƣời bệnh nhân thấm nhiễm Pb là 86,01 ± 12,07μg/g [1].
Tác giả Đàm Thị Thanh Thủy [11] đã xây dựng quy trình hoàn chỉnh để xác định lƣợng vết các kim loại nặng : Pb và Cd trong một số đối tƣợng sau khi tách, chiết làm giàu các kim loại nặng bằng phƣơng pháp chiết pha rắn, sử dụng nhựa Amberlite XAD-70 với hiệu suất ≥ 98%.
Tác giả Lƣơng Thúy Quỳnh và cộng sự [20] đã xác định một số nguyên tố vi lƣợng nhƣ Cu, Zn trong huyết thanh ngƣời. Độ nhạy của phép đo đạt 0,03ppm, với sai số nhỏ hơn 12%.
Với những ƣu điểm nổi bật và ứng dụng rộng rãi của phép đo AAS (cụ thể là F-AAS), trong luận văn của mình chúng tôi quyết định sử dụng phép đo phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS) để xác định hàm lƣợng một số kim loại nhƣ: Pb, Cu, Zn trong nƣớc tại xã Thạch Sơn, huyện Lâm Thao, tỉnh Phú Thọ sau khi đã tách, chiết làm giàu bằng kỹ thuật chiết pha rắn sử dụng nhựa Chelex 100.
1.4.2.4. Phương pháp khối phổ Plasma cao tần cảm ứng ICP-MS
Phƣơng pháp ICP-MS là một trong những phƣơng pháp phân tích hiện đại. Với nhiều ƣu điểm nổi bật: Có độ nhạy và độ lặp lại cao (giới hạn phát hiện từ ppb- ppt đối với tất cả các nguyên tố), xác định đồng thời đƣợc hàng loạt các kim loại trong thời gian phân tích ngắn. Vì thế, phƣơng pháp ICP-MS đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ: quá trình sản xuất nhiên liệu hạt nhân, nghiên cứu địa chất và môi trƣờng, phân tích thực phẩm.
Tác giả Peter Heitlend và Helmut D.Koster [35] ứng dụng phƣơng pháp ICP- MS để xác định lƣợng vết 30 nguyên tố Pb, Cu, Zn…trong mẫu nƣớc tiểu của trẻ em và ngƣời lớn.
Giáo sƣ Kyue-Hyung Lee và đồng nghiệp tại trƣờng đại học Okay Ama, Nhật Bản đã nghiên cứu xác định kim loại nặng Cr, Mn, Cu, Cd, Pb…và đất hiếm
La, Ce, Pr, Nd, Sm…trong mẫu môi trƣờng bằng ICP-MS. Sau khi làm giàu bằng kỹ thuật chiết pha rắn với hiệu suất thu hồi cao [30].