1.3.4.1. Phƣơng pháp sắc ký lỏng cao áp và phƣơng pháp dòng chảy sử dụng detector điện hóa.
Cùng với sự phát triển các kỹ thuật phân tích khác, kỹ thuật phân tích điện hóa đã mở rộng phạm vi ứng dụng nó trong kỹ thuật phân tích sắc ký lỏng cao áp và kỹ thuật phân tích bơm mẫu trực tiếp vào dòng chảy. Các máy phân tích điện hóa sử dụng các detector cực chọn lọc đạt độ nhạy 5÷20 mg/ml để phát hiện định lượng các chất cần phân tích theo một tính chất điện hóa nào đó của nó.
Tại hội nghị Hóa học toàn quốc lần thứ hai, các tác giả Chu Xuân Anh, Nguyễn Văn Ri, Âu Tấn Đức, Lê Như Thanh đã báo cáo đề tài “Thăm dò khả năng tách phân tích các nguyên tố đất hiếm bằng phương pháp sắc ký lỏng cao áp với tác nhân rửa giải EDTA” và “Nghiên cứu khả năng thay thế các kim loại trong các complexonat để phân tích nguyên tố đất hiếm”.
Bằng phương pháp này nhiều chất vô cơ và hữu cơ có thể được phân tích với độ nhạy cỡ nanogam (ng), có độ chính xác và độ lặp lại cao. Tuy nhiên nhược điểm của nó là máy móc sử dụng đắt tiền, nhất là với HPLC lượng dung môi tiêu tốn rất lớn. Để khắc phục các nhược điểm trên người ta tìm ra một phương pháp phân tích mới là phương pháp sắc ký điện di mao quản.
1.3.4.2. Phƣơng pháp sắc ký điện di mao quản
Kỹ thuật sắc ký điện di mao quản là kỹ thuật tách các chất dựa trên cơ sở tính chất của sự điện di của các phần tử ống tan trong mao quản (30÷200 μm id) trên nền của dung dịch chất điện ly và chất đệm, dưới tác dụng của từ điện trường E xác định của thế cao (10÷50 KV). Phương pháp này có rất nhiều ưu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
điểm như: Tốn ít mẫu, dung môi dễ kiếm, số đĩa hiệu lực N cao, sự tách xảy ra nhanh.
Với dung dịch nền 11 mM lactic axit + 2,6 mM crown-6 + 7,5 mM methylbenzylamin + 8% MeOH, pH = 6, UV - dectector với bước sóng là 210 nm người ta đã tách được 16 kim loại khác nhau: NH4, K, Na, Ca, Mg, Sr, Mn, Ba, Cd, Fe, Li, Co, Ni, Zn, Pb, Cu.
Phương pháp sắc ký điện di mao quản có thể ứng dụng rộng rãi trong việc kiểm tra chất lượng của các chế phẩm thuốc. Ví dụ như định lượng đồng thời cloramphenicol, dexamethason natri phosphate và naphazolin nitrat trong thuốc nhỏ mắt bằng phương pháp sắc ký điện di mao quản của tác giả: Trịnh Văn Lẩu, Đặng Trần Phương Hồng, Đỗ Văn Trân, Trần Thị Bích Vân (trung tâm kiểm nghiệm thuốc).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chƣơng 2
THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. GIỚI THIỆU PHƢƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ
Chúng ta biết rằng vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử và nguyên tử là phần tử cơ bản nhỏ nhất còn giữ được tính chất của nguyên tố hóa học. Nguyên tử lại bao gồm hạt nhân nguyên tử nằm ở giữa và chiếm một thể tích rất nhỏ (khoảng 1/10000 thể tích của nguyên tử) và các điện tử (electron) chuyển động xung quanh hạt nhân trong phần không gian lớn của nguyên tử. Trong điều kiện bình thường nguyên tử không thu và cũng không phát ra năng lượng dưới dạng các bức xạ. Lúc này nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản. Đó là trạng thái bền vững và nghèo năng lượng nhất của nguyên tử. Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, nếu ta chiếu một chùm sáng có những bước sóng xác định vào đám hơi nguyên tử đó, thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng đúng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ của nó. Lúc này nguyên tử đã nhận năng lượng của các tia bức xạ chiếu vào nó và nó chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. Đó là tính chất đặc trưng của nguyên tử ở trạng thái hơi. Quá trình đó được gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ của nguyên tử của nguyên tố đó. Phổ sinh ra trong quá trình này được gọi là phổ hấp thụ nguyên tử [6].
2.1.1. Nguyên tắc của phép đo AAS [6]
Cơ sở của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử là sự hấp thụ năng lượng của nguyên tử ở trạng thái hơi khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ. Vì vậy muốn thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố cần phải thực hiện các quá trình sau đây:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1 – Quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu: Chọn các điều kiện và một loại trang bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hoặc lỏng) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do của nguyên tố cần phân tích, có khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc.
2 – Chiếu chùm tia sáng bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử đó sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó.
3 – Thu toàn bộ chùm sáng, phân ly và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ của nó. Cường độ đó chính là tín hiệu của vạch phổ hấp thụ nguyên tử.
Trong một giới hạn nồng độ nhất định tín hiệu này phụ thuộc tuyến tính nồng độ nguyên tố cần nghiên cứu theo phương trình:
Aλ = K.Cb
Trong đó: Aλ: Độ hấp thụ quang của vạch phổ K: Hằng số thực nghiệm
b: Hằng số cơ bản của nguyên tố (0 ≤ b ≤ 1) C: Nồng độ nguyên tố cần xác định.
2.1.2. Trang bị của phép đo AAS
Để thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử thì hệ thống phép đo phổ hấp thụ phải gồm các phân cơ bản sau:
Phần 1: Nguồn tia phát tia phát xạ cộng hưởng (vạch phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích) để chiếu qua môi trường hấp thụ. Nguồn tia bức xạ đơn sắc trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử thường là các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
đèn catot rỗng (HCL), các đèn phóng không điện cực (EDL) và các đèn phổ liên tục biến điệu.
Phần 2: Hệ thống nguyên tử hóa mẫu: Để nguyên tử hóa mẫu, trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử người ta thường dùng hai kỹ thuật khác nhau. Đó là nguyên tử hóa bằng ngọn lửa đèn khí và kỹ thuật hóa không ngọn lửa. Trong hai kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu thì kỹ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa ra đời sớm hơn. Giới hạn phát hiện của kỹ thuật này khoảng 0,1 mg/l. Kỹ thuật không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hóa mẫu phân tích ngay tức khắc trong thời gian rất ngắn, nhờ năng lượng của dòng điện công suất lớn trong môi trường khí trơ. Kỹ thuật này có độ nhạy gấp trăm lần F- AAS, cỡ vài ppb và lượng mẫu tiêu tốn ít.
Phần 3: Hệ thống đơn sắc dùng để thu, phân ly, chọn và phát hiện vạch phổ hấp thụ cần phải đo.
Phần 4: Bộ phận ghi kết quả.
Phương pháp này có độ nhạy và độ chọn lọc cao nên nhiều trường hợp không cần làm giầu chất cần phân tích. Thao tác thực hiện đơn giản, dễ làm. Vì vậy phương pháp này được sử dụng rộng rãi, phổ biến trong nhiều phòng thí nghiệm.
2.1.3. Ƣu, nhƣợc điểm của phƣơng pháp
Ƣu điểm: Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhậy và độ chọn lọc tương đối cao. Gần 60 nguyên tố hóa học có thể được xác định bằng phương pháp này với độ nhạy từ 1.10-4
đến 1.10-5 %. Đặc biệt nếu sử dụng kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa thì có thể đạt tới độ nhạy n.10-7
%. Chính vì có độ nhạy cao nên phương pháp phân tích này đã được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để định lượng vết các kim loại. Đặc biệt là trong phân
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
tích các nguyên tố vi lượng trong các đối tượng mẫu y học, sinh học, nông nghiệp, kiểm tra các loại hóa chất có độ tinh khiết cao.
Đồng thời cũng do có độ nhạy cao nên trong nhiều trường hợp không phải làm giầu nguyên tố cần xác định trước khi phân tích. Do đó tốn ít mẫu, tốn ít thời gian và không phải dùng nhiều hóa chất tinh khiết cao khi làm giầu mẫu. Đồng thời cũng tránh được sự nhiễm bẩn khi xử lý qua các giai đoạn phức tạp.
Ngoài ra, các thao tác thực hiện nhẹ nhàng. Các kết quả lưu g iữ lại được. Đồng thời với trang thiết bị hiện nay người ta có thể xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu. Các kết quả phân tích lại rất ổn định, sai số nhỏ.
Nhƣợc điểm: Trang bị hệ thống máy AAS tương đối đắt tiền. Mặt khác cũng chính do phép đo có độ nhạy cao nên sự nhiễm bẩn rất có ý nghĩa đối với kết quả phân tích hàm lượng vết, đòi hỏi dụng cụ phải sạch sẽ và hóa chất phải có độ tinh khiết cao.
Mặt khác cũng vì phép đo có độ nhạy cao nên các trang bị máy móc là khá tinh vi và phức tạp. Do vậy cần phải có đội ngũ kỹ sư có trình độ cao để bảo dưỡng và chăm sóc.
Tuy nhiên nhược điểm chính của phương pháp là chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố của chất ở trong mẫu phân tích mà không chỉ ra trạng thái liên kết của các nguyên tố ở trong mẫu. Vì thế nó chỉ là phương pháp phân tích thành phần hóa học của nguyên tố mà thôi.
2.2. HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 2.2.1. Trang thiết bị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Tủ lạnh, bếp điện.
- Máy cất nước hai lần Aquatron A4000D - Cân phân tích
2.2.2. Dụng cụ
- Bình định mức 10, 25, 50, 100, 250 ml. - Pipet man 20μl - 200 μl, 200 μl - 1000μl - Pipet bầu 1, 2, 5, 10 ml.
- Cốc thủy tinh, ống đong, phễu.
2.2.3. Hóa chất
- Các dung dịch Fe, Mn được pha từ dung dịch chuẩn có nồng độ 1000mg/l của hãng Fluka (Thụy Sỹ) sản xuất.
- Dung dịch HCl, H2SO4, HNO3 (Merck)
- Dung dịch nền HNO3 0,13%, NH4Cl 10%. (Merk)
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Với phương pháp F-AAS đối với loại máy đo của các hãng sản xuất khác nhau khi sử dụng để phân tích đều cho kết quả tốt ở những điều kiện thí nghiệm khác nhau. Chúng tôi dùng máy Shimadzu AA – 6300 của Nhật Bản và áp dụng nguyên tắc thay đổi một số yếu tố và cố định các yếu tố còn lại. Chúng tôi tiến hành khảo sát từng yếu tố một để chọn ra điều kiện phù hợp nhất cho phép phân tích (các thông số tối ưu của máy). Sau đó tiến hành đo trên mẫu chuẩn rồi phân tích mẫu thật theo phương pháp đường chuẩn và kiểm tra lại bằng phương pháp thêm chuẩn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào phương trình cơ bản của phép đo AKCvà một dãy mẫu đầu để dựng một đường chuẩn, sau đó nhờ đường chuẩn này và giá trị A để xác định nồng độ CX của nguyên tố cần phân tích trong mẫu đo phổ, rồi từ đó tính được nồng độ của nó trong mẫu phân tích.
Trước hết phải chuẩn bị một dãy mẫu đầu, dãy mẫu chuẩn (thông thường là 5 mẫu) và các các phân tích trong cùng điều kiện. Ví dụ các mẫu đầu có nồng độ của nguyên tố X cần xác định C1,C2,C3,C4,C5 và các mẫu phân tích là , ....
2 1 X X C
C Rồi sau đó chọn một quá trình phân tích phù hợp để rồi đo phổ. Đo các mẫu chuẩn và các mẫu phân tích theo một vạch λ đã chọn. Ví dụ thu được các giá trị cường độ tương ứng với các nồng độ là A1,A2,A3,A4,A5
và , ....
2 1 X X A
A Sau đó dựng đường chuẩn theo hệ tọa độ A CX.
Nhờ đường chuẩn này và các giá trị AX ta dễ dàng xác định được nồng độ CX. Công việc cụ thể là đem các giá trị AX đặt lên trục tung A của hệ tọa độ, từ đó kẻ đường song song với trục hoành CX. Đường này sẽ cắt đường chuẩn tại điểm M. Từ điểm M hạ đường vuông góc với trục hoành cắt trục hoành tại CX. CX là nồng độ cần tìm.
Hình 2.1: Đồ thị của phƣơng pháp đƣờng chuẩn
♦ ♦ ♦ C1 ♦ ♦ C2 C3 C4 C5 C (mg/l) Ax Cx Aλ C6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.3.2. Phƣơng pháp thêm chuẩn
Nguyên tắc của phương pháp này là người ta dùng ngay một mẫu phân tích làm nền để chuẩn bị một dãy mẫu đầu bằng cách lấy một lượng mẫu phân tích nhất định và thêm vào đó những lượng nhất định của nguyên tố cần xác định theo từng bậc nồng độ (theo cấp số cộng). Ví dụ lượng thêm vào là ∆C1, ∆C2, ∆C3, ∆C4 và như thế chúng ta sẽ có một dãy mẫu chuẩn là:
C0 = Cx C1 = (Cx+∆C1) C2 = (Cx+∆C2) C3 = (Cx+∆C3) C4 = (Cx+∆C4) Trong đó:
Cx là nồng độ (hàm lượng) của nguyên tố cần xác định trong mẫu phân tích đã chọn. Các mẫu phân tích còn lại giả sử kí hiệu Cx1, Cx2, Cx3…
Tiếp đó cũng chọn các điều kiện thí nghiệm phù hợp và một vạch phổ của nguyên tố phân tích, tiến hành ghi cường độ hấp thụ của vạch phổ đó theo tất cả dãy mẫu đầu. Ví dụ chúng ta thu được các giá trị tương ứng là A0, A1, A2, A3… Bây giờ từ các giá trị cường độ này và ứng với các nồng độ thêm vào của nguyên tố phân tích chúng ta dựng một đường chuẩn theo hệ tọa độ A - ∆C. Đó chính là đường chuẩn của phương pháp này (hình 2.2). Đường chuẩn này cắt trục tung A tại điểm có tọa độ (A0, 0). Sau đó để xác định nồng độ Cx chưa biết chúng ta làm như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Cách I:
Kéo dài đường chuẩn về phía trái, nó cắt trục hoành tại điểm C0. Đoạn OC0 chính bằng giá trị nồng độ Cx cần tìm.
Cách II:
Cũng có thể xác định Cx bằng cách từ gốc tọa độ kẻ một đường song song với đường chuẩn và từ điểm A0 kẻ đường song song với trục hoành, hai đường này cắt nhau tại điểm M, từ điểm M hạ đường vuông góc với trục hoành, đường này cắt trục hoành tại điểm ∆C0. Chính đoạn O∆C0 là bằng giá trị Cx phải tìm.
Phương pháp này có ưu điểm là quá trình chuẩn bị mẫu dễ dàng, không cần nhiều hóa chất tinh khiết cao để chuẩn bị dãy mẫu đầu nhân tạo. Mặt khác loại trừ được hoàn toàn ảnh hưởng về thành phần của mẫu cũng như cấu trúc vật lý của các chất tạo thành mẫu. Nhưng phải chú ý rằng, nồng độ thêm vào của nguyên tố phân tích phải theo từng bậc và khoảng cách của các bậc đó phải xấp xỉ bằng nồng độ Cx phải tìm. Có như thế thì phần nội suy tuyến tính mới có ý nghĩa chính xác.
Phương pháp này được sử dụng rất nhiều trong phân tích lượng vết và lượng cực nhỏ các nguyên tố kim loại trong các loại mẫu khác nhau, đặc biệt là các loại mẫu có thành phần vật lý và hóa học phức tạp, các mẫu quặng đa kim. Đồng thời đây cũng là một phương pháp để xác định độ phát hiện của một phương pháp phân tích.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn