2.2.1. Nguyên tắc của phƣơng pháp AAS
Trong điều kiện thường, nguyên tử không thu cũng không phát ra năng lượng dưới dạng các bức xạ, lúc này nguyên tử ở trạng thái cơ bản. Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, nếu chúng ta kích thích nó bằng một chùm tia sáng đơn sắc có năng lượng phù hợp, có độ dài sóng trùng với các vạch phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tố đó thì chúng sẽ hấp thụ các tia sáng đó và sinh ra phổ hấp thụ nguyên tử.
Trên cơ sở xuất hiện của phổ hấp thụ nguyên tử, chúng ta thấy phổ hấp thụ nguyên tử chỉ được sinh ra khi nguyên tử tồn tại ở trạng thái khí tự do và ở mức năng lượng cơ bản. Vì vậy, muốn thực hiện được phép đo phổ AAS cần phải thực hiện các công việc sau đây:
1. Chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn, dung dịch) thành trạng thái hơi. Đó là quá trình hóa hơi mẫu.
2. Nguyên tử hóa đám hơi đó, phân li các phân tử, tạo ra đám hơi nguyên tử tự do của các nguyên tố cần phân tích trong mẫu để chúng có khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc. Đây là giai đoạn quan trọng nhất và quyết định đến kết quả của phép đo AAS.
3. Chọn nguồn phát tia sáng có bước sóng phù hợp với nguyên tố phân tích và chiếu vào đám hơi nguyên tử đó. Phổ hấp thụ sẽ xuất hiện.
4. Nhờ một hệ thống máy quang phổ, người ta thu toàn bộ chùm sáng sau khi đi qua môi trường hấp thụ, phân li chúng thành phổ và chọn một vạch phổ cần đo của nguyên tố phân tích hướng vào khe đo để đo cường độ của nó. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ, giá trị cường độ này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ của nguyên tố cần phân tích theo phương trình:
Aλ = k.C.L trong đó:
Aλ: Cường độ vạch phổ hấp thụ, k: Hằng số điều kiện thực nghiệm, L: Chiều dài môi trường hấp thụ (cm),
C: Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ. 5. Thu và ghi lại kết quả đo cường độ vạch phổ hấp thụ.
2.2.2. Hệ thống, trang thiết bị của phép đo AAS
Dựa vào nguyên tắc của phép đo, hệ thống trang thiết bị của máy phổ hấp thụ nguyên tử gồm các phần sau:
Phần I: Nguồn phát chùm bức xạ đơn sắc của các nguyên tố cần phân tích
- Đèn catot rỗng (Hollow Cathode lamp HCL).
- Đèn phòng điện không điện cực (Electrodeless Discharge lamp- EDL). - Đèn phát phổ liên tục đã biến điệu (D2- lamp hay Xe-lamp)
Kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu bằng ngọn lửa đèn khí: kỹ thuật này ra đời đầu tiên cùng với sự ra đời của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS), nhưng kỹ thuật này có độ nhạy không cao, thường là trong vùng 0,05- 1ppm. Theo kỹ thuật này, người ta dùng năng lượng nhiệt ngọn lửa đèn khí để nguyên tử hóa mẫu. Do đó, mọi quá trình xảy ra trong ngọn lửa khi nguyên tử hóa mẫu đều phụ thuộc vào đặc tính của ngọn lửa [13]. Nhiệt độ ngọn lửa chính là yếu tố quyết định hiệu suất nguyên tử hóa mẫu phân tích. Kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa: kỹ thuật này ra đời sau cùng với phép đo phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (GF-AAS), nhưng lại có độ nhạy rất cao đạt đến 0,1ppb và hiện nay đang được ứng dụng rất phổ biến. Trong kỹ thuật này, người ta dùng một lò nung bằng graphit (cuvet graphit) hay thuyền lantan để nguyên tử hóa mẫu. Kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hóa mẫu tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ nguồn năng lượng của dòng điện có cường độ dòng rất cao (từ 50 đến 600A) và thế thấp (dưới 24V) trong môi trường khí trơ Ar. Quá trình nguyên tử hóa xảy ra theo các giai đoạn kế tiếp nhau: sấy khô, tro hóa luyện mẫu, nguyên tử hóa để đo phổ hấp thụ và cuối cùng là làm sạch cuvet. Trong đó hai giai đoạn đầu là chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hóa đạt kết quả tốt. Ở giai đoạn nguyên tử hóa mẫu, dưới tác dụng của nguồn năng lượng, cuvet chứa mẫu phân tích sẽ được nung đỏ ngay tức khắc, mẫu sẽ được hóa hơi và nguyên tử hóa để tạo ra các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi có khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử. Kỹ thuật này có độ nhạy cao, gấp hàng trăm đến hàng nghìn lần phép đo trong ngọn lửa mà lượng mẫu tiêu tốn ít (mỗi lần 20-50μl). Do đó, không cần nhiều mẫu phân tích việc chuẩn bị mẫu cũng dễ dàng, không tốn nhiều hóa chất cũng như các dung môi tinh khiết cao đắt tiền.
Phần III: Hệ quang học và detector dùng để thu, phân ly toàn bộ phổ của mẫu và chọn vạch phổ hấp thụ cần đo hướng vào nhân quang điện để phát tín hiệu hấp thụ của vạch phổ.
Phần IV: Hệ thống chỉ thị kết quả đó có nhiều cách khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp:
Các điện kế chỉ năng lượng hấp thụ của vạch phổ, các máy tự ghi lại cường độ vạch phổ dưới dạng các pic trên băng giấy.
Trang bị AAS hiện đại đầy đủ gồm: hệ thống bơm mẫu tự động (Auto Sampler), máy tính và phần mềm chuyên dụng điều khiển mọi quá trình làm việc của phép đo và xử lý, chỉ hiển thị kết quả đo ra màn hình.
-Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học bởi nó có nhiều tính năng ưu việt.
- Độ nhạy và độ chọn lọc cao.
- Không cần làm giàu nguyên tố cần xác định.
- Các thao tác thực hiện đơn giản, dễ làm, có thể xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu. Các kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ (sai số không quá 15% ở mức ppb)..
2.3. Trang thiết bị, dụng cụ và hóa chất 2.3.1. Hệ thống máy phổ 2.3.1. Hệ thống máy phổ
Để xác định lượng vết Pb, Cd bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (GF-AAS), chúng tôi sử dụng hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Model AA-6800 (hình 2.1). Đi kèm còn có bình khí Argon tinh khiết (99,99%), nguồn tạo tia đơn sắc là đèn catốt rỗng (HCL), Cuvet Graphit loại hoạt hóa toàn phần, hệ thống làm mát bằng nước, bộ lấy mẫu tự động, trang thiết bị phụ trợ khác.
Hình 2.1: Hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử model AA-6800 của hãng Shimadzu
2.3.2. Hóa chất và dụng cụ 2.3.2.1. Hóa chất 2.3.2.1. Hóa chất
- Axit đặc HNO3 65%, HCl 36%, H2SO4 98%, H2O2 30% Merck, loại pA.
- Các dung dịch nền: (NH4)H2PO4 pA 10%, Pd(NO3)2 pA 10%, Mg(NO3)2 pA 10%, Ni(NO3)2.. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Dung dịch chuẩn Cd, Pb loại 1000ppm, Merck.
2.3.2.2. Dụng cụ
- Bình định mức 10, 25, 50, 100, 250, 1000 (ml)… - Pipet 1, 2, 5, 10 (ml)…
- Cốc thủy tinh chịu nhiệt 100ml, 250ml..
- Bình keldal dung tích 100ml, chén sứ, phễu lọc, đũa thủy tinh
2.4. Các cách tính toán và xử lý số liệu phân tích
- Độ lệch chuẩn
- Sai số và độ dao động - Độ lặp lại
- Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn xác định (LOQ) - Phương trình hồi quy
- Hiệu suất thu hồi
- So sánh từng cặp dùng chuẩn 2-t
Chƣơng 3: THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN KẾT QUẢ
3.1. Khảo sát điều kiện đo phổ GF-AAS của Cd và Pb để xây dựng quy trình đo phổ 3.1.1. Khảo sát chọn vạch đo phổ 3.1.1. Khảo sát chọn vạch đo phổ
Mỗi nguyên tử của một nguyên tố hóa học chỉ có thể hấp thụ những bức xạ đặc trưng có bước sóng mà chính nó phát ra trong quá trình phát xạ. Thực tế không phải mỗi loại nguyên tố có thể hấp thụ được tất cả các bức xạ mà nó phát ra, quá trình hấp thụ chỉ tốt, nhạy chủ yếu với các vạch đặc trưng. Đối với một nguyên tố vạch phổ nào có khả
nguyên tố các vạch phổ khác nhau sẽ có độ nhạy khác nhau, đồng thời với mỗi vạch này có thể có rất nhiều các nguyên tố khác trong mẫu có những vạch phổ gần với vạch phổ này, nó có thể chen lấn hay gây nhiễu tới vạch phổ của nguyên tố phân tích làm cho việc đo cường độ vach phân tích là rất khó khăn và thiếu chính xác. Vì mục đích xác định hàm lượng Cd, Pb trong thuốc đông y thường có nồng độ rất nhỏ (lượng vết) nên chúng tôi tiến hành khảo sát để tìm ra vạch phổ có độ nhạy cao.
Đối với Cd: Chỉ có một vạch phổ nhạy là vạch 228,8nm. Vì vậy, chúng tôi chọn vạch
phổ 228,8nm để đo phổ hấp thụ của Cd. Chúng tôi tiến hành khảo sát với dung dịch Cd 1ppb trong nền HNO3 2% và kết quả chỉ ra ở bảng 3.1.
Bảng 3.1. Khảo sát chọn vạch đo phổ của Cd
Vạch phổ (nm) Abs-lần 1 Abs-lần 2 Abs-lần 3 Abs-TB %RSD
228,8 0,1780 0,1782 0,1782 0,1781 0,07
Đối với Pb: Chỉ có một vạch phổ nhạy là vạch 217 nm. Vì vậy, chúng tôi chọn vạch
phổ 217nm để đo phổ hấp thụ của Pb. Khảo sát đối với dung dịch chuẩn Pb trong HNO3 2% và kết quả thu được ở bảng 3.2.
Bảng 3.2. Khảo sát chọn vạch đo phổ của Pb
Vạch phổ (nm) Abs-lần 1 Abs-lần 2 Abs-lần 3 Abs-TB %RSD
217,0 0,2279 0,2340 0,2383 0,2334 0,52
283,3 0,0995 0,1153 0,1059 0,1069 0,79
Qua kết quả khảo sát ta thấy tại vạch đo 217,0 nm độ hấp thụ của Pb lớn hơn và sai số nhỏ hơn ở vạch đo 283,3 nm. Do đó, chúng tôi chọn vạch đo của Pb là 217,0 nm.
3.1.2. Khảo sát khe đo của máy phổ hấp thụ nguyên tử
Theo nguyên tắc hoạt động của hệ thống đơn sắc trong máy phổ hấp thụ nguyên tử, chùm tia phát xạ cộng hưởng của nguyên tố cần nghiên cứu được phát ra từ đèn catot
rỗng, sau khi đi qua môi trường hấp thụ, sẽ hướng vào khe đo của máy, được chuẩn trực, được phân ly và sau đó chỉ một vạch phổ cần đo được chọn và hướng vào khe đo để tác dụng vào nhân quang điện để phát hiện và xác định cường độ của vạch phổ. Do vậy khe đo của máy phải được chọn chính xác phù hợp với từng vạch phổ, có độ lặp lại cao trong mỗi phép đo và lấy được hết độ rộng vạch phổ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đối với Cd: Chúng tôi khảo sát với dung dịch Cd chuẩn 1,00ppb ở các giá trị khe đo
là 0,2nm; 0,5nm; 1nm; 2nm. Kết quả được chỉ ra ở bảng 3.3.
Bảng 3.3. Khảo sát khe đo của máy phổ hấp thụ nguyên tử đối với Cd
Khe đo
(nm) Abs-lần 1 Abs-lần 2 Abs-lần 3 Abs-TB %RSD
0,2 0,1645 0,1638 0,1650 0,1644 0,37
0,5 0,1781 0,1783 0,1780 0,1781 0,08
1 0,1764 0,1759 0,1768 0,1764 0,26
2 0,1634 0,1623 0,1641 0,1633 0,56
Đối với Pb: Chúng tôi khảo sát với dung dịch Pb chuẩn 4,00 ppb ở các giá trị khe đo
là 0,2nm; 0,5nm; 1nm. Kết quả được chỉ ra ở bảng 3.4.
Bảng 3.4. Khảo sát khe đo của máy phổ hấp thụ nguyên tử đối với Pb
Khe đo
(nm) Abs-lần 1 Abs-lần 2 Abs-lần 3 Abs-TB %RSD
0,2 0,2452 0,2579 0,2610 0,2547 0,83
0,5 0,2767 0,2713 0,2798 0,2759 0,43
1 0,2398 0,2720 0,2819 0,2646 2,20
Qua kết quả khảo sát ta thấy tại khe đo 0,5nm độ hấp thụ của Pb, Cd là lớn nhất và sai số là nhỏ nhất (100% diện tích vạch phổ nằm trong khe đo).
3.1.3. Khảo sát cƣờng độ dòng đèn catot rỗng (HCL)
Đèn catot rỗng (HCL) là nguồn phát bức xạ cộng hưởng, nó chỉ phát ra những tia sáng nhạy của nguyên tố được dùng làm catot rỗng. Đèn HCL làm việc tại mỗi chế độ dòng nhất định sẽ cho chùm phát xạ có cường độ nhất định. Cường độ làm việc của đèn HCL có liên quan chặt chẽ tới cường độ hấp thụ của vạch phổ. Dòng điện làm việc của đèn HCL của mỗi nguyên tố là rất khác nhau. Mỗi đèn HCL đều có dòng giới hạn cực đại (Imax) được ghi trên vỏ đèn. Theo lý thuyết và thực nghiệm phân tích phổ hấp thụ nguyên tử, chỉ nên dùng cường độ trong vùng giới hạn từ 60 ÷ 85% dòng cực đại. Nếu dùng dòng cực đại đèn sẽ rất chóng hỏng, đèn làm việc không ổn định, độ nhạy và độ lặp lại kém.
Khảo sát cường độ dòng đèn HCL của Cd và Pb để xem xét mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ với cường độ dòng đèn, đồng thời chọn ra cường độ dòng đèn thích hợp nhất cho hai nguyên tố Cd và Pb.
Với đèn đơn Cd có Imax = 10mA, Pb có Imax = 15mA, tiến hành khảo sát cường độ đèn HCL trong vùng 50 – 93% Imax.
Đối với Cd: Chuẩn bị một dung dịch chuẩn Cd có nồng độ 1ppb, tiến hành đo phổ
GF-AAS của Cd ở các cường độ đèn khác nhau, kết quả thu được ở bảng 3.5:
Bảng 3.5. Khảo sát cƣờng độ dòng đèn đến kết quả đo phổ đối với Cd
IHCL(mA) 5(50% Imax) 6(60% Imax) 7(70% Imax) 8(80% Imax) 8,5(85% Imax) 9(90% Imax) Abs 0,1659 0,1685 0,1736 0,1785 0,1789 0,1812 %RSD 1,53 2,04 1,45 0,16 1,94 2,35
Từ kết quả thu được ta thấy, khi cường độ đèn đặt ở 80% so với giá trị cường độ đèn cực đại thì kết quả ổn định và lặp lại tốt. Khi cường độ đèn đặt ở 85% hay 90% so với giá trị cường độ đèn cực đại thì độ hấp thụ có tăng ít nhưng độ lặp lại kém. Vậy chọn
cường độ làm việc của đèn là 80% so với giá trị cường độ đèn cực đại (tương đương với I = 8mA) cho tất cả các thí nghiệm sau.
Đối với Pb: Chuẩn bị một dung dịch chuẩn Pb có nồng độ 4,00 ppb, tiến hành đo phổ
GF-AAS của Pb ở các cường độ đèn khác nhau, kết quả thu được ở bảng 3.6: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 3.6. Ảnh hƣởng cƣờng độ dòng đèn đến kết quả đo phổ đối với Pb
IHCL(mA) 8(67% Imax) 9(75% Imax) 10 (67% Imax) 11(73 % Imax) 12(80% Imax) 13(87% Imax) 14(90% Imax) Abs 0,2377 0,2349 0,2364 0,2617 0,2544 0,2684 0,2538 %RSD 1,7675 1,6098 1,7048 0,2462 1,0163 1,3167 1,6257
Qua kết quả khảo sát ta thấy khi cường độ dòng đèn tăng thì độ hấp thụ của vạch phổ tăng nhưng hệ số biến động tăng hay sai số tăng. Vì vậy ta phải chọn được cường độ dòng đèn sao cho cường độ vạch phổ vừa cao vừa ổn định tức sai số nhỏ, do đó chúng tôi chọn cường độ dòng đèn Pb là 11mA (73%Imax).
3.2. Khảo sát các điều kiện nguyên tử hóa mẫu
Quá trình nguyên tử hóa mẫu của kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa xảy ra theo các giai đoạn sau: sấy mẫu, tro hóa luyện mẫu, nguyên tử hóa để đo độ hấp thụ, ngoài ra sau các giai đoạn này là giai đoạn làm sạch cuvet. Hai giai đoạn đầu là chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hóa đạt kết quả tốt.
3.2.1. Khảo sát nhiệt độ sấy
Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình nguyên tử hóa mẫu. Nó rất cần thiết để đảm bảo cho dung môi hòa tan mẫu bay hơi nhẹ nhàng và hoàn toàn, nhưng không làm bắn, mất mẫu. Nhiệt độ và thời gian sấy khô của mỗi loại mẫu phụ thuộc vào bản chất của các chất ở trong mẫu và dung môi hòa tan nó. Nói chung nhiệt độ sấy khô phù hợp đối với đa số các mẫu vô cơ trong dung môi nước từ khoảng 1000C đến 1250C, trong thời gian 25 đến 40 giây, với lượng mẫu bơm vào nhỏ hơn 100μl. Việc tăng nhiệt độ sấy ở
nhiệt độ phòng đến nhiệt độ sấy mong muốn cần thực hiện từ từ, với tốc độ gia nhiệt từ 50C/giây đến 80C/giây là phù hợp. Chúng tôi thực hiện quá trình sấy qua 3 bước sau: * Bước 1: Nhiệt độ 900C trong thời gian 20 giây, tốc độ tăng nhiệt: 50C/giây. * Bước 2: Nhiệt độ 1050C trong thời gian 20 giây, tốc độ tăng nhiệt: 30C/giây. * Bước 3: Nhiệt độ 1100C trong thời gian 10 giây, tốc độ tăng nhiệt: 20C/giây.
3.2.2. Khảo sát nhiệt độ tro hóa luyện mẫu
Đây là giai đoạn 2 của quá trình nguyên tử hóa mẫu. Mục đích là tro hóa (đốt