Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) là dựa trên sự hấp thụ năng lƣợng (bức xạ đơn sắc) của nguyên tử tự do của một nguyên tố ở trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ đơn sắc qua đám mây hơi nguyên tử tự do của nguyên tố ấy trong môi trƣờng hấp thụ. Môi trƣờng hấp thụ chính là đám hơi nguyên tử tự do của mẫu phân tích. Do đó muốn thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố cần phải thực hiện các quá trình sau:
1. Chọn các điều kiện và một loại trang bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do. Đó chính là quá trình hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu.
2. Chiếu chùm tia bức xạ đặc trƣng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử tự do vừa điều chế đƣợc ở trên. Các nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong đám hơi sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó.
3. Tiếp đó, nhờ một hệ thống máy quang phổ ngƣời ta thu toàn bộ chùm sáng, phân ly và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần phân tích để đo cƣờng độ của nó. Cƣờng độ đó chính là tín hiệu hấp thụ. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ C, giá trị cƣờng độ này phụ thuộc vào nồng độ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích theo phƣơng trình:
Aλ = k. Cb (I)
Trong đó: Aλ : Cƣờng độ của vạch phổ hấp thụ. k: Hằng số thực nghiệm
C: Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
b: Hằng số bản chất (0<b≤1)
Hằng số thực nghiệm k phụ thuộc vào tất cả các điều kiện hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu nhất định đối với mỗi hệ thống máy AAS và với các điều kiện đã chọn cho mỗi phép đo; b là hằng số bản chất phụ vào từng vạch phổ của từng nguyên tố. Giá trị b = 1 khi nồng độ C nhỏ, khi C tăng thìi b nhỏ xa dần giá trị 1.
Nhƣ vậy mối quan hệ giữa Aλ và C là tuyến tính trong một khoảng nồng
độ nhất định. Khoảng nồng độ này đƣợc gọi là khoảng tuyến tính của phép đo. Trong phép đo AAS, phƣơng trình (I) ở trên chính là phƣơng trình cơ sở để định lƣợng một nguyên tố.
1.3.1.2. Trang bị của phép đo:
Dựa vào nguyên tắc của phép đo, ta có thể mô tả hệ thống trang bị của thiết bị đo ph ổ AAS theo sơ đồ sau:
(1) (2) (3) (4)
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử
(1)- Nguồn phát chùm tia bức xạ cộng hƣởng của nguyên tố cần phân tích. Đó có thể là đèn catot rỗng (Hollow Cathode Lamp-HCL), hay đèn phóng điện không điện cực (Electrodeless Discharg Lamp - EDL), hoặc nguồn phát bức xạ liên tục đã đƣợc biến điệu.
(2) - Hệ thống nguyên tử hoá mẫu. Hệ thống này đƣợc chế tạo theo ba loại kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu. Đó là:
- Nguyên tử hoá mẫu bằng ngọn lửa đèn khí (F-AAS) - Nguyên tử hoá mẫu không dùng ngọn lửa(ETA-AAS)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Hoá hơi lạnh (CV-AAS).
(3) Bộ phận đơn sắc (hệ quang học) có nhiệm vụ thu, phân ly và chọn tia sáng (vạch phổ) cần đo hƣớng vào nhân quang điện để phát hiện và đo tín hiệu hấp thụ AAS của vạch phổ.
(4) Bộ phận khuyếch đại và chỉ thị tín hiệu AAS. Phần chỉ thị tín hiệu có thể là:
- Điện kế chỉ thị tín hiệu AAS. - Bộ tự ghi để ghi các pic hấp thụ - Bộ chỉ thị hiện số
- Bộ máy in
- Máy tính với màn hình hiển thị dữ liệu, phần mềm xử lý số liệu và điều khiển toàn bộ máy đo.
Hình 1.5 : Sơ đồ nguyên tắc cấu tạo của máy quang phổ hấp thụ nguyên tử
Trong ba kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu thì kỹ thuật F-AAS ra đời sớm hơn. Theo kỹ thuật này, ngƣời ta dùng nhiệt ngọn lửa đèn khí để nguyên tử hoá mẫu. Do đó mọi quá trình xảy ra trong khi nguyên tử hoá mẫu đều phụ thuộc vào đặc tính của ngọn lửa và nhiệt độ là yếu tố quyết định hiệu suất nguyên tử hoá mẫu phân tích.
Trong kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa (ETA - AAS), ngƣời ta dùng năng lƣợng nhiệt của một nguồn năng lƣợng phù hợp để nung nóng, hoá
Nguồn sáng (HCL) Hệ thống nguyên tử hoá mẫu Detector Bộ đơn sắc Hệ điện tử Bộ phận hiển thị kết quả Mẫu O2 C2H2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
hơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích trong ống cuvet graphit hay thuyền tantan (Ta). Nguồn năng lƣợng thƣờng đƣợc dùng hiện nay là dòng điện có cƣờng độ cao, từ 50-600A và thế thấp khoảng 12V. Dƣới tác dụng của nguồn năng lƣợng này, cuvet chứa mẫu phân tích sẽ đƣợc nung đỏ tức khắc và mẫu sẽ đƣợc hoá hơi và nguyên tử hoá. Kỹ thuật này có độ nhạy cao, gấp hàng nghìn lần kỹ thuật F-AAS, hơn nữa lƣợng mẫu tiêu tốn ít, không tốn nhiều hoá chất. Tuy nhiên, do độ nhạy rất cao nên đòi hỏi trong quá trình chuẩn bị mẫu phải rất cẩn thận để tránh nhiễm bẩn mẫu.
Với kỹ thuật hoá hơi lạnh ngƣời ta thƣờng dùng chất khử để chuyển nguyên tố cần phân tích về dạng nguyên tử tự do hoặc hyđrua sau đó đƣợc dẫn tới cuvet thạch anh bằng khí trơ argon và dùng nhiệt của ngọn lửa để phân huỷ hợp chất đó thành hyđro và nguyên tử tự do.
1.3.1.3. Nguyên lý của kỹ thuật hoá hơi lạnh
Hai kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu bằng ngọn lửa và không dùng ngọn lửa đều dùng năng lƣợng nhiệt để nguyên tử hoá mẫu. Tuy nhiên có một số nguyên tố có nhiệt độ nguyên tử hoá cao, nghĩa là nhiệt độ chuyển từ dạng ion về dạng nguyên tử tự do nhƣng nhiệt độ bay hơi của chúng lại rất thấp.
VD: Hg2+ → Hg0 (hơi)
As3+ → As0 (hơi)
Do vậy các nguyên tử tự do sẽ mất trong quá trình đó nếu sử dụng hai kỹ thuật kể trên. Chính vì thế ngƣời ta phải sử dụng kỹ thuật hoá hơi lạnh cho các nguyên tố loại này.
Kỹ thuật hoá hơi lạnh dựa trên việc chuyển các nguyên tố cần xác định về dạng hợp chất hyđrua hoặc nguyên tử tự do dễ bay hơi. Kỹ thuật này đƣợc áp dụng cho các nguyên tố: Hg, As, Se, Te, Sb, Sn, Bi… là những nguyên tố dễ chuyển về dạng nguyên tử tự do hoặc hợp chất hyđrua dễ bay hơi nhờ phản
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ứng với các chất khử mạnh nào đó. Các chất khử đƣợc dùng là: Zn bột, Mg bột, NaBH4, SnCl2, …
Phản ứng của NaBH4 với các nguyên tố trong mẫu xảy ra nhƣ sau:
2NaBH4 + Hg2+ → Hg0 + B2H6↑ + H2↑ + 2Na+
6NaBH4 + As3+ → AsH30↑ + 3B2H6↑ + 3/2H2↑ + Na+
Đối với nguyên tố thuỷ ngân, trong dung dịch nó là cation, sau khi đƣợc khử thành thuỷ ngân trung hoà sẽ bay hơi thành các nguyên tử tự do ngay ở
nhiệt độ phòng. Ngƣời ta dùng hai chất khử là NaBH4 và SnCl2, phản ứng xảy
ra nhƣ sau:
2NaBH4 + Hg2+ → Hg + B2H6 + H2 + 2Na+
SnCl2 + Hg2+ → Sn4+ + Hg0 + 2Cl-
Các phản ứng đƣợc diễn ra trong một thiết bị kín, sau đó hơi thuỷ ngân đƣợc khí mang dẫn tới cuvet thạch anh nằm trên chùm sáng của đèn catot rỗng.
Phƣơng pháp này có độ chính xác và độ nhạy rất cao, thao tác dễ dàng nên sử dụng rộng rãi trên thế giới [11, 12, 16].
Hàm lƣợng tổng thuỷ ngân, thuỷ ngân vô cơ, thuỷ ngân hữu cơ trong trầm tích đƣợc xác định bằng phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh.
1.3.1.4. Một số phương pháp xử lý mẫu trước khi phân tích
Đối tƣợng chính của phƣơng pháp phân tích theo AAS là phân tích vi lƣợng các nguyên tố trong các loại mẫu vô cơ hoặc hữu cơ. Nguyên tắc chung khi phân tích các loại mẫu này gồm hai giai đoạn:
- Giai đoạn 1: xử lý mẫu để đƣa nguyên tố cần xác định về trạng thái dung dịch theo một kỹ thuật phù hợp để chuyển đƣợc hoàn toàn nguyên tố đó vào dung dịch.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Giai đoạn 2: Phân tích các nguyên tố dựa trên phổ hấp thụ nguyên tử của nó, trong những điều kiện thích hợp đã đƣợc nghiên cứu và lựa chọn.
Trong đó giai đoạn 1 cực kỳ quan trọng không những đối với phƣơng pháp AAS mà còn đối với các phƣơng pháp khác khi phân tích kim loại. Nếu xử lý mẫu không tốt có thể dẫn đến mất nguyên tố phân tích (gây sai số âm) hoặc nhiễm bẩn mẫu (sai số dƣơng), làm ảnh hƣởng đến kết quả phân tích, đặc biệt khi phân tích vi lƣợng.
Tuỳ thuộc vào bản chất của chất phân tích, đối tƣợng mẫu, điều kiện trang bị kỹ thuật…có các phƣơng pháp sau đây để xử lý mẫu
Xử lý mẫu vô cơ
Phân tích dạng trao đổi (còn gọi là dạng dễ tiêu): kim loại ở thể này có thể tan đƣợc trong nƣớc, dung dịch muối hoặc axit loãng.
Phân tích tổng số: để phân tích tổng số ngƣời ta phá huỷ cấu trúc của mẫu để chuyển kim loại về dạng muối tan. Có thể phá huỷ mẫu bằng các loại axit có tính oxi hoá mạnh nhƣ axit nitric, sunfuric, pecloric hoặc hỗn hợp các axit.
Xử lý mẫu hữu cơ
Các chất hữu cơ rất phong phú, đa dạng. Trong các mẫu này kim loại ít khi ở dạng dễ tiêu, do đó để phân tích kim loại trong mẫu hữu cơ, thƣờng phải tiến hành phân tích tổng số. Trong khi phân tích, mẫu thƣờng đƣợc xử lý bằng một trong các phƣơng pháp sau: vô cơ hoá khô, vô cơ hoá ƣớt, xử lý ƣớt bằng lò vi sóng, xử lý mẫu bằng kỹ thuật lên men.
a. Phƣơng pháp vô cơ hoá khô
Nguyên tắc: Đốt cháy hợp chất hữu cơ có trong mẫu phân tích để giải
phóng kim loại ra dƣới dạng oxit, muối hoặc kim loại, sau đó hoà tan tro mẫu bằng các axit thích hợp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phƣơng pháp vô cơ hoá khô đơn giản, triệt để, yêu cầu tối thiểu sự chú ý của ngƣời phân tích, nhƣng có nhƣợc điểm là làm mất nguyên tố dễ bay hơi
nhƣ Hg, As, Pb ... khi nhiệt độ ở trên 5000
C.
Để khắc phục nhƣợc điểm này ngƣời ta thƣờng cho thêm các chất bảo vệ
nhƣ MgO, Mg(NO3)2 hay KNO3 và chọn nhiệt độ thích hợp.
b. Phƣơng pháp vô cơ hoá ƣớt
Nguyên tắc: Oxi hoá chất hữu cơ bằng một axit hoặc hỗn hợp axit có tính oxi hoá mạnh thích hợp.
Phƣơng pháp vô cơ hoá ƣớt rút ngắn thời gian so với phƣơng pháp vô cơ hoá khô, bảo toàn đƣợc chất phân tích, nhƣng phải dùng một lƣợng axit khá nhiều, vì vậy yêu cầu các axit phải có độ tinh khiết rất cao.
c. Phƣơng pháp vô cơ hoá bằng lò vi sóng
Thực chất là vô cơ hoá ƣớt đƣợc thực hiện trong lò vi sóng.
Nguyên tắc: Dùng năng lƣợng của lò vi sóng để đun nóng dung môi và
mẫu đƣợc đựng trong bình kín. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất có thể dễ dàng hoà tan đƣợc mẫu.
Đây là phƣơng pháp xử lý mẫu hiện đại, làm giảm đáng kể thời gian xử lý mẫu, không bị mất mẫu và vô cơ hoá đƣợc triệt để. Có thể cùng một lúc vô cơ hóa đƣợc nhiều mẫu. Tuy nhiên phƣơng pháp này đòi hỏi thiết bị đắt tiền mà nhiều cơ sở không đủ điều kiện trang bị.
d. Phƣơng pháp lên men
Nguyên tắc: Hoà tan mẫu thành dung dịch hay huyền phù. Thêm men xúc
tác và lên men ở nhiệt độ 37 – 40 0C trong thời gian từ 7 – 10 ngày. Trong
quá trình lên men, các chất hữu cơ bị phân huỷ thành CO2, axit, nƣớc và giải
phóng các kim loại trong hợp chất hữu cơ dƣới dạng cation trong dung dịch. Phƣơng pháp lên men là phƣơng pháp êm dịu nhất, không cần hoá chất, không làm mất các nguyên tố phân tích, rất thích hợp với việc phân tích các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
mẫu đƣờng, sữa, nƣớc ngọt, tinh bột. Nhƣng thời gian xử lý mẫu rất lâu và phải chọn đƣợc các loại men thích hợp. Trong các đối tƣợng phức tạp, khi các nguyên tố đi kèm có nồng độ rất cao trong mẫu ảnh hƣởng tới việc xác định nguyên tố cần phân tích bằng AAS thì ngƣời ta phải dùng thêm kỹ thuật chiết, kỹ thuật này không những tách đƣợc các nguyên tố đi kèm mà còn làm giàu đƣợc nguyên tố cần phân tích.
Tác nhân vô cơ hoá
Khi xử lý mẫu bằng phƣơng pháp vô cơ hoá ƣớt và lò vi sóng, việc lựa chọn tác nhân oxi hoá phải căn cứ vào khả năng, đặc tính oxi hoá của thuốc thử và đối tƣợng mẫu.
- Axit nitric (HNO3)
Axit nitric là một chất đƣợc sử dụng rộng rãi nhất để vô cơ hoá mẫu. Đây là tác nhân vô cơ hoá dùng để giải phóng nhanh vết nguyên tố từ các cốt sinh học và thực vật dƣới dạng muối nitrat dễ tan. Điểm sôi của axit nitric ở áp
suất khí quyển là 1200C, lúc đó chúng sẽ oxi hoá toàn bộ các chất hữu cơ
trong mẫu và giải phóng kim loại dƣới dạng ion.
Loại mẫu đƣợc áp dụng: Chủ yếu là các mẫu hữu cơ nhƣ nƣớc giải khát, protein, chất béo, nguyên liệu thực vật, nƣớc thải, một số sắc tố polyme và các mẫu trầm tích.
- Axit sunfuric (H2SO4)
Axit sunfuric là chất có tính oxi hoá mạnh có nhiệt độ sôi cao 3390C. Khi
kết hợp với axit nitric có khả năng phá huỷ hoàn toàn hầu hết các hợp chất hữu cơ. Nếu sử dụng lò vi sóng thì phải vô cơ hoá trƣớc trong cốc thuỷ tinh hay thạch anh và giám sát quá trình tăng nhiệt độ của lò.
Loại mẫu đƣợc áp dụng: mẫu hữu cơ, oxit vô cơ, hiđroxit, hợp kim, kim loại, quặng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Axit pecloric có tính oxi hoá mạnh, có thể ăn mòn các kim loại không phản ứng với các axit khác, phá huỷ các hợp chất hữu cơ. Do HClO4 có thể gây nổ mạnh khi tiếp xúc với nguyên liệu hữu cơ và các chất vô cơ dễ bị oxi hoá nên phải oxi hoá mẫu bằng HNO3 trƣớc sau đó mới sử dụng HClO4.
Trong trƣờng hợp phá mẫu bằng lò vi sóng cần phải rất thận trọng, vì trong bình kín, ở áp suất và nhiệt độ cao HClO4 rất dễ gây nổ.
Loại mẫu đƣợc áp dụng: Các mẫu vô cơ và hữu cơ. Trong nhiều trƣờng hợp ta phải sử dụng hỗn hợp các axit mới có thể vô cơ hoá đƣợc hoàn toàn mẫu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG II. THỰC NGHIỆM 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Các mẫu trầm tích thuộc hệ thống sông Nhuệ, sông Tô Lịch và sông Đáy thuộc địa bàn Hà Nội và khu vực lân cận.
2.2. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu xây dựng phƣơng pháp phân tích thuỷ ngân tổng số, thuỷ ngân vô cơ, thuỷ ngân hữu cơ trong trầm tích với các nội dung sau:
Phân tích tổng thuỷ ngân, thuỷ ngân vô cơ, thuỷ ngân hữu cơ.
2.2.1. Nghiên cứu các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của thuỷ ngân
- Nghiên cứu các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của thủy ngân. - Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ chất khử SnCl2.
- Sử dụng thiết bị cải tiến nâng cao độ nhạy để xác định thuỷ ngân bằng phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh (CV- AAS).
- Xây dựng đƣờng chuẩn để xác định thuỷ ngân.
2.2.2. Xây dựng quy trình phân tích cho các đối tƣợng mẫu nghiên cứu
Nghiên cứu, khảo sát và lựa chọn phƣơng pháp xử lý mẫu thích hợp để