2.2.1. Nguyờn tắc của phƣơng phỏp AAS
Trong điều kiện thƣờng, nguyờn tử khụng thu cũng khụng phỏt ra năng lƣợng dƣới dạng cỏc bức xạ, lỳc này nguyờn tử ở trạng thỏi cơ bản. Nhƣng khi nguyờn tử ở trạng thỏi hơi tự do, nếu chỳng ta kớch thớch nú bằng một chựm tia sỏng đơn sắc cú
năng lƣợng phự hợp, cú độ dài súng trựng với cỏc vạch phổ phỏt xạ đặc trƣng của nguyờn tố đú thỡ chỳng sẽ hấp thụ cỏc tia sỏng đú và sinh ra phổ hấp thụ nguyờn tử.
Trờn cơ sở xuất hiện của phổ hấp thụ nguyờn tử, chỳng ta thấy phổ hấp thụ nguyờn tử chỉ đƣợc sinh ra khi nguyờn tử tồn tại ở trạng thỏi khớ tự do và ở mức năng lƣợng cơ bản. Vỡ vậy, muốn thực hiện đƣợc phộp đo phổ AAS cần phải thực hiện cỏc cụng việc sau đõy:
1. Chuyển mẫu phõn tớch từ trạng thỏi ban đầu (rắn, dung dịch) thành trạng thỏi hơi. Đú là quỏ trỡnh húa hơi mẫu.
2. Nguyờn tử húa đỏm hơi đú, phõn li cỏc phõn tử, tạo ra đỏm hơi nguyờn tử tự do của cỏc nguyờn tố cần phõn tớch trong mẫu để chỳng cú khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc. Đõy là giai đoạn quan trọng nhất và quyết định đến kết quả của phộp đo AAS.
3. Chọn nguồn phỏt tia sỏng cú bƣớc súng phự hợp với nguyờn tố phõn tớch và chiếu vào đỏm hơi nguyờn tử đú. Phổ hấp thụ sẽ xuất hiện.
4. Nhờ một hệ thống mỏy quang phổ, ngƣời ta thu toàn bộ chựm sỏng sau khi đi qua mụi trƣờng hấp thụ, phõn li chỳng thành phổ và chọn một vạch phổ cần đo của nguyờn tố phõn tớch hƣớng vào khe đo để đo cƣờng độ của nú. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ, giỏ trị cƣờng độ này phụ thuộc tuyến tớnh vào nồng độ của nguyờn tố cần phõn tớch theo phƣơng trỡnh:
Aλ = k.C.L Trong đú:
Aλ: Cƣờng độ vạch phổ hấp thụ. k: Hằng số thực nghiệm.
L: Chiều dài mụi trƣờng hấp thụ.
C: Nồng độ nguyờn tố cần xỏc định trong mẫu đo phổ. 5.Thu và ghi lại kết quả đo cƣờng độ vạch phổ hấp thụ.
2.2.2. Hệ thống, trang thiết bị của phộp đo AAS
Dựa vào nguyờn tắc của phộp đo, hệ thống trang thiết bị của mỏy phổ hấp thụ nguyờn tử gồm cỏc phần sau:
Phần I: Nguồn phỏt chựm bức xạ đơn sắc của cỏc nguyờn tố cần phõn tớch
- Đốn catot rỗng (Hollow Cathode lamp HCL).
- Đốn phũng điện khụng điện cực (Electrodeless Discharge lamp- EDL). -Đốn phỏt phổ liờn tục đó biến điệu (D2- lamp hay Xe-lamp)
Phần II: Hệ thống nguyờn tử húa mẫu phõn tớch theo hai kỹ thuật
Kỹ thuật nguyờn tử hỏo mẫu bằng ngọn lửa đốn khớ: kỹ thuật này ra đời đầu tiờn cựng với sự ra đời của phộp đo phổ hấp thụ nguyờn tử ngọn lửa (F-AAS), nhƣng kỹ thuật này cú độ nhạy khụng cao, thƣờng là trong vựng 0,05- 1ppm. Theo kỹ thuật này, ngƣời ta dựng năng lƣợng ngọn lửa đốn khớ để nguyờn tử húa mẫu. Do đú, mọi quỏ trỡnh xảy ra trong ngọn lửa khi nguyờn tử húa mẫu đều phụ thuộc vào đặc tớnh của ngọn lửa [11]. Nhiệt độ ngọn lửa chớnh là yếu tố quyết định hiệu suất nguyờn tử húa mẫu phõn tớch.
Kỹ thuật nguyờn tử húa khụng ngọn lửa: kỹ thuật này ra đời sau cựng với phộp đo phổ hấp thụ nguyờn tử khụng ngọn lửa (GF-AAS), nhƣng lại cú độ nhạy rất cao đạt đến 0,1ppb và hiện nay đang đƣợc ứng dụng rất phổ biến. Trong kỹ thuật này, ngƣời ta dựng một lũ nung bằng graphit (cuvet graphit) hay thuyền lantan để nguyờn tử húa mẫu. Kỹ thuật nguyờn tử húa mẫu khụng ngọn lửa là quỏ trỡnh nguyờn tử húa mẫu tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ nguồn năng lƣợng của dũng điện cú cƣờng độ dũng rất cao (từ 50 đến 600A) và thế thấp (dƣới 12V) trong mụi trƣờng khớ trơ. Quỏ trỡnh nguyờn tử húa xảy ra theo cỏc giai đoạn kế tiếp nhau: sấy khụ, tro húa luyện mẫu, nguyờn tử húa để đo phổ hấp thụ và cuối cựng là làm sạch cuvet. Trong đú hai giai đoạn đầu là chuẩn bị cho giai đoạn nguyờn tử húa đạt kết quả tốt. Ở giai đoạn nguyờn tử húa mẫu, dƣới tỏc dụng của nguồn năng lƣợng này, cuvet chứa mẫu phõn tớch sẽ đƣợc nung đỏ ngay tức khắc, mẫu sẽ đƣợc húa hơi và nguyờn tử húa để tạo ra cỏc nguyờn tử tự do ở trạng thỏi hơi cú khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc tạo ra phổ hấp thụ nguyờn tử của nú. Kỹ thuật này cú độ nhạy cao, gấp hàng trăm đến hàng nghỡn lần phộp đo trong ngọn lửa mà lƣợng mẫu tiờu tốn ớt (mỗi lần 20-50μl). Do đú khụng cần nhiều mẫu phõn tớch việc chuẩn bị mẫu cũng dễ dàng, khụng tốn nhiều húa chất cũng nhƣ cỏc dung mụi tinh khiết cao đắt tiền.
Phần III: Hệ quang học và detector dựng để thu, phõn ly toàn bộ phổ của mẫu và chọn vạch phổ hấp thụ cần đo hướng vào nhõn quang điện để phỏt tớn hiệu hấp thụ của vạch phổ.
Phần IV: Hệ thống chỉ thị kết quả đú cú nhiều cỏch khỏc nhau, từ đơn giản
đến phức tạp:
Trang bị đơn giản gồm: cỏc điện kế chỉ năng lƣợng hấp thụ của vạch phổ. Cỏc mỏy tự ghi lại cƣờng độ vạch phổ dƣới dạng cỏc pic trờn băng giấy.
Trang bị hiện đại gồm: hệ thống bơm mẫu tự động (Auto Sampler). mỏy tớnh và phần mềm chuyờn dụng điều khiển mọi quỏ trỡnh làm việc của phộp đo và xử lý, chỉ hiển thị kết quả đo ra màn hỡnh. Tuy nhiờn loại trang thiết bị này rất đắt tiền.
-Phƣơng phỏp phõn tớch quang phổ hấp thụ nguyờn tử đó và đang đƣợc sử dụng rộng rói trong nhiều ngành khoa học bởi nú cú nhiều tớnh năng ƣu việt.
-Độ nhạy và độ chọn lọc cao.
-Khụng cần làm giàu nguyờn tố cần xỏc định.
-Cỏc thao tỏc thực hiện đơn giản, dễ làm, cú thể xỏc định đồng thời hay liờn tiếp nhiều nguyờn tố trong một mẫu. Cỏc kết quả phõn tớch ổn định. sai số nhỏ (sai số khụng quỏ 15% ở mức ppb)..
2.3. Trang thiết bị. dụng cụ và húa chất 2.3.1. Hệ thống mỏy phổ 2.3.1. Hệ thống mỏy phổ
Để xỏc định lƣợng vết Pb, Cd bằng phƣơng phỏp quang phổ hấp thụ nguyờn tử khụng ngọn lửa (GF-AAS), chỳng tụi sử dụng hệ thống mỏy quang phổ hấp thụ và phỏt xạ nguyờn tử Model AA-6800. Đi kốm cũn cú bỡnh khớ Argon tinh khiết (99.99%). nguồn tạo tia đơn sắc là đốn catốt rỗng (HCL). Cuvet Graphit loại hoạt húa toàn phần, hệ thống làm mỏt bằng nƣớc, bộ lấy mẫu tự động, trang thiết bị phụ trợ khỏc.
Hỡnh 1: Hệ thống mỏy quang phổ hấp thụ nguyờn tử AA-6800 2.3.2. Húa chất và dụng cụ
2.3.2.1. Húa chất
Acid đặc HNO3 65%; HCl 36%; H2SO4 98%; H2O2 30% Merk.
Cỏc dung dịch nền: (NH4)H2PO4 PA 10%. Pd(NO3)2 PA 10%. Mg(NO3)2 PA 10%
Dung dịch chuẩn Cd. Pb 1000ppm Merk.
Dung dịch gốc cỏc cation kim loại để nghiờn cứu ảnh hƣởng…
2.3.2.2. Dụng cụ
Bỡnh định mức 10, 25, 50, 100, 250, 1000 (ml)…
Pipet 1. 2. 5. 10 (ml)…
Cốc thủy tinh chịu nhiệt 100ml, 250ml..
Bỡnh keldal dung tớch 100ml, chộn sứ, phễu lọc, đũa thủy tinh.
2.3. Giới thiệu về phƣơng phỏp xử lý ƣớt mẫu trong lũ vi súng 2.3.1. Nguyờn tắc và bản chất
Đõy cũng là kỹ thuật xử lý ƣớt. Nờn cũng phải dựng một acid đặc cú tớnh oxy húa mạnh hay hỗn hợp cỏc acid cú tớnh oxy húa mạnh để phõn hủy hết chất hữu cơ
trong bỡnh kớn. Trong lũ vi súng, để chuyển cỏc kim loại về dạng cỏc ion trong dung dịch muối vụ cơ dễ tan, dƣới tỏc dụng của năng lƣợng vi song, sự phõn hủy nhanh và triệt để. Cú thể phõn hủy mẫu trong bỡnh hở hay trong bỡnh kớn (cú ỏp suất cao). Nhất là trong hệ kớn, lƣợng acid cần dựng ớt và lại đảm bảo hoàn toàn khụng mất chất phõn tớch.
Sự phõn hủy mẫu ở đõy là do ba tỏc nhõn xảy ra đồng thời là: - Năng lƣợng nhiệt (nhiệt độ)
- Năng lƣợng vi súng (cao tần) - Acid đặc
2.3.2. Cơ chế phõn hủy
Dƣới tỏc dụng của acid cỏc hạt (phần tử) mẫu bị phỏ hủy và hũa tan. đồng thời tỏc nhõn năng nhiệt làm tan ró cỏc hạt mẫu. Sự khuếch tỏn đối lƣu. chuyển động nhiệt và va chạm của cỏc hạt mẫu với nhau cũng làm chỳng bị bào mũn dần. Cỏc tỏc nhõn này tấn cụng và bào mũn dần cỏc hạt mẫu từ ngoài vào, làm cho cỏc hạt mẫu bị mũn dần dần, bộ dần và rồi tan mất hết.
Song song với cỏc tỏc nhõn trờn, trong lũ vi súng cũn cú sự phỏ vỡ từ trong lũng hạt mẫu ra ngoài, do cỏc phõn tử nƣớc hấp thụ (> 90%) năng lƣợng vi súng nờn cú động năng rất lớn. Vỡ vậy chỳng chuyển động nhiệt rất mạnh làm căng và xộ cỏc hạt mẫu từ trong ra ngoài. Thờm vào đú lại là hệ kớn nờn cú ỏp suất cao làm cho nhiệt độ sụi lại càng cao hơn và đõy là tỏc nhõn phõn hủy mạnh nhất. thỳc đẩy quỏ trỡnh phõn hủy mẫu diễn ra nhanh. Vỡ thế nờn việc xử lý mẫu trong lũ vi súng chỉ cần thời gian ngắn (vài chục phỳt) mà lại triệt để.
Cỏc quỏ trỡnh xảy ra khi phõn hủy mẫu: Dƣới tỏc dụng của acid đặc và năng lƣợng nhiệt (nhiệt độ). cả năng lƣợng vi súng. cỏc quỏ trỡnh vật lý và húa học sau đõy sẽ xảy ra:
-Sự phỏ vỡ mạnh lƣới cấu trỳc của hạt mẫu để giải phúng cỏc chất phõn tớch và chuyển chỳng vào dung dịch dƣới dạng cỏc muối tan.
- Quỏ trỡnh oxy húa khử làm thay đổi húa trị, chuyển đổi dạng làm tan vỡ cỏc hạt vật chất mẫu để giải phúng chất phõn tớch về dạng muối tan.
- Đối với mẫu hữu cơ phõn tớch kim loại thỡ cú sự đốt chỏy, phỏ hủy cỏc hợp chất hữu cơ.
- Tạo ra hợp chất dễ bay hơi, làm mất đi cỏc anion trong phõn tử chất mẫu.…làm mẫu bị phõn hủy tạo ra cỏc hợp chất tan trong dung dịch.
- Sự tạo thành cỏc hợp chất hay muối phức tan trong dung dịch.
Nhƣ vậy trong quỏ trỡnh xử lý mẫu cú thể cú cỏc phản ứng húa học xảy ra: nhƣ phản ứng oxy húa khử, phản ứng thủy phõn, phản ứng tạo phức, phản ứng hũa tan, phản ứng kết tủa.…của cỏc phần tử chất mẫu với cỏc acid dựng để phõn hủy mẫu và cỏc chất cú trong mẫu với nhau. Trong đú quỏ trỡnh nào là chớnh hay phụ đƣợc quyết định bởi thành phần, chất nền, bản chất của chất mẫu và cỏc loại acid dựng để phõn hủy và hũa tan mẫu.
Chƣơng 3: THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ 3.1. Khảo sỏt điều kiện đo phổ GF-AAS của Cd và Pb
3.1.1. Khảo sỏt chọn vạch đo phổ
Mỗi nguyờn tử của một nguyờn tố húa học chỉ cú thể hấp thụ những bức xạ đặc trƣng cú bƣớc súng mà chớnh nú phỏt ra trong quỏ trỡnh phỏt xạ. Thực tế khụng phải mỗi loại nguyờn tố cú thể hấp thụ đƣợc tất cả cỏc bức xạ mà nú phỏt ra. Quỏ trỡnh hấp thụ chỉ tốt, nhạy chủ yếu với cỏc vạch (vạch đặc trƣng). Đối với một nguyờn tố vạch phổ nào cú khả năng hấp thụ càng mạnh thỡ phộp đo vạch cú độ nhạy càng cao. Nhƣ vậy đối với một nguyờn tố cỏc vạch phổ khỏc nhau sẽ cú độ nhạy khỏc nhau, đồng thời với mỗi vạch này cú thể cú rất nhiều cỏc nguyờn tố khỏc trong mẫu cú những vạch phổ gần với vạch phổ này. Nú cú thể chen lấn hay gõy nhiễu tới vạch phổ của nguyờn tố phõn tớch làm cho việc đo cƣờng độ vạch phõn tớch là rất khú khăn và thiếu chớnh xỏc. Vỡ mục đớch xỏc định hàm lƣợng Cd. Pb trong mỹ phẩm thƣờng cú nồng độ rất nhỏ (lƣợng vết) nờn chỳng tụi tiến hành khảo sỏt để tỡm ra vạch phổ cú độ nhạy cao.
Đối với Cd: Chỉ cú một vạch phổ nhạy là vạch 228,8nm. Vỡ vậy. chỳng tụi chọn vạch phổ 228,8nm để đo phổ hấp thụ của Cd. Chỳng tụi tiến hành khảo sỏt với dung dịch Cd 1ppb trong nền HNO3 2% và kết quả chỉ ra ở bảng 1:
Bảng 1: Khảo sỏt 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
Qua kết quả khảo sỏt ta thấy tại vạch đo 228.8 nm độ hấp thụ của Cd khỏ lặp và sai số nhỏ. Do đú chỳng tụi chọn vạch đo của Cd là 228,8 nm.
Đối với Pb: Cú vạch phổ nhạy là vạch 217nm và vạch 283,3nm. Vỡ vậy chỳng tụi chọn vạch phổ 217nm và 283,3nm để đo phổ hấp thụ của Pb. Khảo sỏtđối vớidung dịchchuẩn Pb 20ppb trong HNO3 2% và kết quả thu đƣợc ở bảng 2:
Bảng 2: Khảo sỏt chọn vạch đo phổ của Pb
Vạch phổ (nm) Abs-lần 1 Abs-lần 2 Abs-lần 3 Abs-TB %RSD 217,0 0,2478 0,2240 0,2283 0,2334 7,4344 283,3 0,0995 0,1153 0,1059 0,1069 5,4349
Qua kết quả khảo sỏt 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 đú chỳng tụi chọn vạch đo của Pb là 217 nm.
3.1.2. Khảo sỏt khe đo của mỏy phổ hấp thụ nguyờn tử
Theo nguyờn tắc hoạt động của hệ thống đơn sắc trong mỏy phổ hấp thụ nguyờn tử, chựm tia phỏt xạ cộng hƣởng của nguyờn tố cần nghiờn cứu đƣợc phỏt ra từ đốn catot rỗng, sau khi đi qua mụi trƣờng hấp thụ, sẽ hƣớng vào khe đo của mỏy đƣợc chuẩn trực, đƣợc phõn ly và sau đú chỉ một vạch phổ cần đo đƣợc chọn và hƣớng vào khe đo để tỏc dụng vào nhõn quang điện để phỏt hiện và xỏc định cƣờng độ của vạch phổ. Do vậy khe đo của mỏy phải đƣợc chọn chớnh xỏc phự hợp với từng vạch phổ, cú độ lặp lại cao trong mỗi phộp đo và lấy đƣợc hết độ rộng vạch phổ.
Đối với Cd: chỳng tụi khảo sỏt với dung dịch Cd chuẩn 1,00ppb ở cỏc giỏ trị khe đo là 0,2nm; 0,5nm; 1nm; 2nm. Kết quả đƣợc chỉ ra ở bảng 3:
Bảng 3: Khảo sỏt khe đo của mỏy phổ hấp thụ nguyờn 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: chỳng tụi khảo sỏt với dung dịch Pb chuẩn 20 ppb ở cỏc giỏ trị khe đo là 0,2nm; 0,5nm; 1nm. Kết quả đƣợc chỉ ra ở bảng 4:
Bảng 4: Khảo sỏt khe đo của mỏy phổ hấp thụ nguyờn tử đối với Pb
Khe đo
(nm) Abs-lần 1 Abs-lần 2 Abs-lần 3 Abs-TB %RSD 0,5 0,2952 0,2779 0,2710 0,2814 4,4308 0,2 0,2967 0,2713 0,2598 0,2759 6,8427 1 0,2398 0,2720 0,2819 0,2646 8,3201
Qua kết quả khảo sỏt ta thấy tại khe đo 0,5nm độ hấp thụ của Cd, Pb là lớn nhất và sai số là nhỏ nhất (100% diện tớch vạch phổ nằm trong khe đo).
3.1.3. Khảo sỏt cƣờng độ dũng đốn catot rỗng (HCL)
Đốn catot rỗng (HCL) là nguồn phỏt bức xạ cộng hƣởng, nú chỉ phỏt ra những tia sỏng nhạy của nguyờn tố đƣợc dựng làm catot rỗng. Đốn HCL làm việc tại mỗi chế độ dũng nhất định sẽ cho chựm phỏt xạ cú cƣờng độ nhất định. Cƣờng độ làm việc của đốn HCL cú liờn quan chặt chẽ tới cƣờng độ hấp thụ của vạch phổ. Dũng điện làm việc của đốn HCL của mỗi nguyờn tố là rất khỏc nhau. Mỗi đốn HCL đều cú giới hạn cực đại (Imax) đƣợc ghi trờn vỏ đốn. Theo lý thuyết và thực nghiệm phõn tớch phổ hấp thụ nguyờn tử thỡ chỉ nờn dựng cƣờng độ trong vựng giới hạn từ 60 ữ 85% dũng cực đại. Nếu dựng dũng cực đại đốn sẽ rất chúng hỏng, đốn làm việc khụng ổn định, độ nhạy và độ lặp lại kộm.
Khảo sỏt cƣờng độ dũng đốn HCL của Cd và Pb để xem xột mối quan hệ giữa cƣờng độ vạch phổ với cƣờng độ dũng đốn, đồng thời chọn ra cƣờng độ dũng đốn thớch hợp nhất cho hai nguyờn tố Cd và Pb.
Với đốn đơn Cd cú Imax = 10mA, Pb cú Imax = 15mA. Tiến hành khảo sỏt cƣờng độ đốn HCL trong vựng 50 – 90% Imax.
Đối với Cd: Chuẩn bị một dung dịch chuẩn Cd cú nồng độ 1ppb. tiến hành đo phổ GF-AAS của Cd ở cỏc cƣờng độ đốn khỏc nhau. kết quả thu đƣợc ở