Phân tích nhóm là kỳ thuật phân tích đa biến nhằm phân loại những số liệu có đặc tính giống nhau thành các nhóm hay còn gọi là các cụm.
Hai loại phân tích nhóm thường được sử dụng là: phân tích nhóm theo bậc và phân tích nhóm k - trưng bình.
Phân tích nhóm theo bậc là cách để tìm ra các nhóm trong tập số liệu bằng cách tạo ra cây phân nhóm. Cây phân nhóm gồm nhiều bậc trong đó nhóm ở một mức được nối với với nhóm bên cạch ở mức cao hơn. Điều đó cho phép quyết định mức hoặc thang chia nào của nhóm là phù hợp hơn.
Nhóm theo bậc nhằm tìm ra các nhóm trong tập số liệu bằng cách tạo ra cây phân nhóm. Theo phương pháp này, tập số liệu lớn được chia thành các tập số liệu nhở hơn nữa cho đến khi mỗi tập số liệu nhỏ chỉ còn một phần tử. Cây phân nhóm gồm nhiều bậc trong đó nhóm ở một
mức được nối với với nhóm bên cạch ở mức cao hơn. Điều đó cho phép quyết định mức hoặc thang chia nào của nhóm là phù hợp hơn.
Nhóm theo k - trung bình: các phần tử trong tập số liệu được tách vào k nhóm, các phần tử cùng nhóm được kết hợp với nhau và các nhóm khác nhau được tách ra khỏi nhau.
2.7.3. Phần mềm máy tính
Các số liệu phân tích lặp lại, phân tích hồi qui, xử lý thống kê đa biến (multivariate analysis), hoặc đồ thị biêu diễn qui luật phân bố các đại lượng được xử lý bằng phần mềm MINITAB 15.
CHƯƠNG 3: KÉT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tối ưu hoá điều kiện phân tích bằng ICP-MS 3.1.1. Chọn đồng vị phân tích
Trong tự nhiên, các nguyên tố hóa học thường có một số đồng vị. Trong phép phân tích ICP-MS người ta thường chọn đồng vị dựa trên ba tiêu chí:
+ Phải là một trong những đồng vị phô biến nhất trong tự nhiên + Ánh hưởng bởi sự chèn khối phải không có hoặc bé nhất
+ Sự hiệu chỉnh ảnh hưởng của các mảnh ion oxít phải đơn giản và càng ít bước càng tốt. Tuỳ theo sự phức tạp của nền mẫu mà có thê chọn các đồng vị phân tích khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết các tác giả đều thống nhất trong việc lựa chọn số khối phân tích như trong bảng dưới đây (bảng 7), chúng tôi cũng chọn các số khối phân tích này.
Bảng 7: Tỷ số khối ỉượng/điện tích (M/Z) của các kim loại cần phân tích
STT Nguyên tố Ký hiệu M/Z STT Nguyên tố Ký hiệu M/Z 1 Crôm Cr 52 7 Kẽm Zn 66 2 Mangan Mn 55 8 Cadmi Cd 111 3 Sắt Fe 57 9 Chì Pb 208 4 Coban Co 59 10 Asen As 75
5 Niken Ni 60 11 Thủy ngân Hg 202
Khi phân tích, máy chỉ thu tín hiệu của các đồng vị đã chọn theo nguyên tắc phân giải khối bằng bộ phân chia tứ cực.
3.1.2. Độ sâu mẫu (Sample Depth - SDe):
SDe là khoảng cách giữa đỉnh cone giao diện đến bên phải vòng dây tạo plasma (hình 9).
SDe có ảnh hưởng đến nhiều đại lượng trong đó có cường độ vạch phố. Khi tăng giá trị SDe cường độ vạch phổ giảm dần. Ket quả cho thấy khi công suất cao tan RF lớn hr 1200W trở lên thì cường độ vạch phô giảm nhanh hơn. Trong phép phân tích chúng tôi chọn độ sâu mẫu là 3 mm.
3.1.3. Công suất cao tan (Radio Frequency Power - RFP):
RFP là công suất điện tan so radio cung cấp cho cuộn dây tạo plasma. Công suất càng lớn nhiệt độ ngọn lửa plasma càng lớn và ngược lại. Khi tăng dần công suất RF cường độ vạch phổ tăng dần nhưng đến một giá trị RFP nào đó cường độ vạch phổ lại giảm và sau đó không thay đôi. Trong phép phân tích chúng tôi chọn cường độ cao tần là
1000 w.
3.1.4. Lưu lượng khí mang (Carier Gas Flow Rate - CGFR):
CRFG có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhạy của phương pháp ICP-MS. CGFR lớn lượng mẫu được đưa vào vùng plasma lớn và ngược lại. Điều này dẫn đến tỷ lệ tín hiệu trên một đơn vị nồng độ tăng hoặc giảm, dẫn đến ảnh hưởng độ nhạy của phép phân tích. Tuy nhiên không phải khi tăng CGFR là cường độ vạch phổ tăng, hoặc khi giảm CGFR là cường độ vạch phổ giảm. Sự tăng hay giảm chỉ nằm trong một phạm vi nhất định và còn tnỳ thuộc vào nhiều thông số khác. Ket quả thực nghiệm thu được tốt nhất khi lưu lượng khí mang là 2,0 1/phút.
3.1.5. Tóm tắt các thông số tối ưu của thiết bị phân tích
Bảng 8 là các thông số tối ưu của máy đo ICP-MS đã khảo sát và lựa chọn
Bảng8: Các thông sổ tối ưu cho mảy đo ICP-MS
Tốc độ khí Nebulizer 0,85 L/phút
Tốc độ khí phụ trợ 2,0 L/phút
Lưu lượng khí tạo plasma 15,0 L/phút (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Áp suất chân không (khi đo mẫu) 1,0-1,2. 10’5 Torr Áp suất chân không (khi đê máy Standby) 2,0-3,0. 10'6 Torr
Tốc độ bom rửa 48 vòng/phút
Tốc độ bom mẫu 26 vòng/phút
Nhiệt độ nước làm mát 20°c
Công suất nước làm mát 1750W
Công suất máy phát cao tan RF 1000W
Thế của các lăng kính 5,75V
Thế xung cấp 1000V
Số lần quét khối 10 lần
Thời gian đo cho 1 lần 5,8 giây
Độ sâu mẫu 3 mm
Thời gian bơm làm sạch 120 (giây)
Tốc dộ bơm ổn định 0,1 (vòng/giây)
Thời gian bơm ốn định 30 (s)
Nước làm mát 2,4 (lít/phút)
3.2. Đánh giá phương pháp phân tích 3.2.1. Khoáng tuvến tính
Trong phép đo ICP-MS, việc định lượng một nguyên tố dựa vào phương trình cơ bản:
Ims = K.Cb
Trong đó: Ims: Cường độ (số đếm/giây, CPS) của vạch phô K: Hằng số thực nghiệm
C: Nồng độ của nguyên tố trong dung dịch mầu phân tích b: Hằng số (0 <b <1)
Trong một khoảng nồng độ nào đó thì b có giá trị bằng 1. Khi đó, mối quan hệ giữa Ims và c là tuyến tính:
Ims = K.c
Khoảng nồng độ này gọi là khoảng tuyến tính của nồng độ nguyên tố phân tích. Khoảng tuyến tính của mồi nguyên tố ở mồi số khối (m/z) khác nhau là khác nhau, số khối phân tích nào có cường độ (CPS) càng lớn thì khoảng tuyến tính càng hẹp. Do đó, đê xác định các nguyên tô kim loại nặng ta phải xây dựng đường chuân đê xác định khoảng tuyến tính của phép đo.
Tuy nhiên, trong phương pháp ICP-MS, tín hiệu của phép đo (CPS) có thê thay đối trong khoảng giá trị rất lớn (từ vài CPS đến bão hoà, 4.109 CPS) nên khoảng tuyến tính của phép đo rất rộng (từ vài ppt đến vài chục hay vài trăm ppm). Do đó, đối với phép đo ICP-MS người ta thường không chú ý nhiều đến khoảng tuyến tính. Vì vậy trong đề tài luận văn này chúng tôi không nghiên cứu đến khoảng tuyến tính mà chỉ xây dựng đường chuẩn của các nguyên tố và sử dụng đường chuẩn để phân tích nếu hệ số tương quan R> 0,993.
3.2.2. Đường chuẩn
Đường chuẩn của các kim loại Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb, As được xây dựng với 3 diêm có nồng độ lần lượt là: 20 ppb, 100 ppb, 200 ppb.
Đường chuẩn Fe được xây dựng bởi 3 điểm có nồng độ lần lượt là: 40ppb, 200ppb, 400 ppb.
Đường chuẩn Hg được xây dựng bởi 3 diêm có nồng độ lần lượt là: lppb, 5ppb, 10 ppb. Các thông số máy đo được chọn như điều kiện tối ưu, tiến hành đo với các mẫu chuân thu được đường chuấn của các kim loại nặng, kết quả được trình bày bảng 9.
Các đường chuẩn trên đều có hệ số tương quan R lớn gần bằng 1 và cắt qua gốc tọa độ chứng tỏ phương pháp không mắc sai số hệ thống, các đường chuẩn có khoảng tuyến tính rộng. LOD = 3S.CSTD ^ std ^ blank (1) LOQ = 10 S.CSTD ^ std ^blank (2)
3.2.3. Giói hạn phát hiện và giới hạn định lượng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giới hạn phát hiện (LOD) hay giới hạn định tính được định nghĩa là nồng độ nhỏ nhất của chất phân tích mà thiết bị phân tích còn cho tín hiệu phân tích khác với tín hiệu của mẫu trắng hay tín hiệu nền.
Giới hạn định lượng (LOQ) là nồng độ nhở nhất mà thiết bị đo cho phép định lượng được với độ chính xác trên 95%.
Đổi với hệ thống ICP-MS, LOD và LOQ có thê được tính theo các công thức: [51 ]
Trong đó
S: độ lệch chuẩn mẫu trắng CS T D: Nồng độ mầu chuẩn Istd: Tín hiệu của mẫu chuẩn (số đếm / giây, CPS)
Như vậy đê xác định LOD và LOQ của phép đo, ta tiến hành đo lặp lại mẫu trắng 10 lần rồi tính độ lệch chuân theo công thức:
g2 _ ~ IbUink)
n — \
Trong đó:
I,: Tín hiệu mẫu trắng đo được ở lần thứ i
Ibiank- Giá trị trung bình tín hiệu mẫu trắng của n lần đo lặp n: Số lần đo lặp
Sau đó tiến hành đo lặp 10 lần mẫu trắng và mẫu chuẩn các dung dịch Fe3 có nồng độ 200 ppb, các ion kim loại còn lại có nồng độ 100 ppb, tính sổ đếm trung bình rồi thay số liệu vào các công thức (1), (2), (3) ta tính được các giá trị LOD và LOỌ. Ket quả được chỉ ra ở bảng 10:
Bủng 10: Giả trị LOD và LOQ của 1 so nguyên tổ dùng phép đo ICP-MS
Nguyên tố Nồng độ chuân (ppb) Tín hiệu mẫu trắng Iblank Tín hiệu mẫu chuấn Istand s LOD (ppt) LOQ (ppt) Cr 100 1128,60 8722500,15 53,70 1,8 6,2 Mn 100 1017,82 1034065,20 39,25 11,4 38,0 Fe 200 73,41 51020,89 1,71 20,1 67,1 Co 100 28,85 889932,47 10,68 3,6 12,0 Ni 100 19,25 184115,68 10,27 16,7 55,8 Cu 100 6,88 370038,23 18,44 15,0 49,8 Zn 100 317,73 106828,41 4,04 11,4 37,9
3.2.4. Đánh giá độ đúng của phép đo
Đê kiêm tra tính ôn định và chính xác của thiết bị đo, sử dụng 3 dung dịch chuẩn kiếm tra có chứa đồng thời các kim loại với các nồng độ ở khoảng đầu, giữa và cuối của đường chuẩn để kiểm tra độ đúng của các phép đo.
+ Dung dịch 1: Fe có nồng độ 40 ppb, các ion kim loại còn lại có nồng độ 20 ppb. + Dung dịch 2: Fe có nồng độ 200 ppb, các ion kim loại còn lại có nồng độ 100 ppb. + Dung dịch 3: Fe có nồng độ 400 ppb, các ion kim loại còn lại có nồng độ 200 ppb. Sử dụng các đường chuẩn được thiết lập đê tìm nồng độ các dung dịch chuẩn kiêm tra, kết quả thu được ở bảng 11.
Cd 100 20,48 142534,64 5,84 12,3 41,0
Pb 100 12,39 1016070,51 14,20 4,2 14,0
As 100 9,19 1144,09 12,35 3,3 10,9
Hg 100 4,29 445,24 15,23 1,1 3,5
Kết quả tính toán cho thấy giới hạn phát hiện, giói hạn định lượng của phép đo ICP- MS đối với một số nguyên tố rất nhỏ (cỡ 10'12g/ml). Như vậy phương pháp này hoàn toàn phù hợp với phân tích lượng vết và siêu vết.
Bảng 11: Nông độ các ion kim loại trong dung dịch chu ân kiêm tra
Nguyên tố Nồng độ Chuân (ppb) Nồng độ xác định đươc (ppb) Sai số tương đối (%) Nguyên tố Nồng độ Chuẩn (ppb) Nồng độ xác định đươc (ppb) Sai số tương đối (%) Mn 20,00 21,04 5,20 Cu 20,00 21,51 7,55 100,00 112,70 12,7 100,00 99,56 -0,44 200,00 211,47 5,74 200,00 210,38 5,19 Fe 40,00 41,10 2,75 Zn 20,00 19,93 -0,35 200,00 199,58 -0,21 100,00 99,48 -0,52
Kết luận: Các kết quả khảo sát chỉ ra rằng, phép đo ICP-MS có giới hạn phát hiện và giới hạn định luợng thấp, khoảng tuyến tính rộng và độ chính xác cao. Vì thế ICP-MS là một phương pháp rất tốt đê phân tích lượng vết các kim loại nặng trong mẫu môi trường.