Máy AAS với hệ thống này cho phép đo AAS được ký hiệu là F- AAS ( viết tắt của Flame Atomic Absorption Spectrometry ). Theo kỹ thuật này người ta dùng năng lượng nhiệt của ngọn lửa đèn khí để hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích.
• Trang thiết bị để nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa: muốn thực hiện phép đo F - AAS, trước hết phải chuẩn bị mẫu phân tích ở trạng thái dung dịch, sau đó dẫn dung dịch mẫu vào ngọn lửa đèn khí để hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu và thực hiện phép đo. Quá trình nguyên tử hóa trong ngọn lửa gồm hai bước kế tiếp nhau: bước một là chuyển dung dịch mẫu thành thể các hạt nhỏ như sương mù ( dạng sol khí ) trộn đều với khí mang và khí cháy, quá trình này được
gọi là quá trình aerosol hóa hay nêbulize hóa; bước hai là dẫn hỗn hợp aerosol cùng hỗn hợp khí đốt vào đèn ( burner head ) để nguyên tử hóa. Cả hệ thống này gọi là Nebulizer System, bao gồm hai phần chính là đèn nguyên tử hóa mẫu ( burner head ) và buồng aerosol hóa mẫu.
Để tạo ra ngọn lửa, người ta đốt cháy hỗn hợp khí bao gồm một khí oxyhóa và một khí cháy, thường sử dụng hỗn hợp khí acetylen và không khí nén hay hỗn hợp khí acetylen và khí N2O. Khi hỗn hợp khí được đốt cháy, ở burner head sẽ tạo ra ngọn lửa, dưới tác dụng nhiệt của ngọn lửa các phần tử mẫu ở thể sol khí sẽ bị hóa hơi và nguyên tử hóa tạo ra các nguyên tử tự do của nguyên tố có trong mẫu phân tích. Đó là môi trường hấp thụ năng lượng và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của nguyên tố cần phân tích. Hình 3.4 và 3.5 dưới đây là một ví dụ về các loại đèn và hệ thống nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa
Hình 3.5. Hệ thống nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa
1- Đèn nguyên tử hóa mẫu; 2- Màng bảo hiểm; 3- Đường thải phần dung dịch mẫu thừa; 4- Đường dẫn khí oxyhóa; 5- Đường dẫn mẫu vào buồng aerôsol hóa;
6- Đường dẫn khí cháy; 7- Viên bi tạo aerôsol.
• Tối ưu hóa các điều kiện để nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa
Quá trình nguyên tử hóa mẫu là giai đoạn rất quan trọng trong phép đo F- AAS, quá trình này thực hiện không tốt sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo. Vì vậy, muốn đạt được kết quả chính xác và đúng đắn, chúng ta phải khảo sát chọn các điều kiện nguyên tử hóa mẫu tối ưu, phù hợp nhất cho từng nguyên tố
cần phân tích trong mỗi loại mẫu cụ thể. Sau đây chúng ta xem xét một số điều kiện cụ thể.
1- Thành phần và tốc độ của hỗn hợp khí đốt tạo ra ngọn lửa: việc thay đổi thành phần và tốc độ của hỗn hợp khí đốt cho phép chọn nhiệt độ phù hợp để hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu, tạo ra đám hơi các nguyên tử tự do có khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc để tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử. Ngọn lửa đèn khí phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Ngọn lửa đèn khí phải làm nóng đều được mẫu phân tích; hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu với hiệu suất cao.
- Nhiệt độ ( năng lượng ) của ngọn lửa phải đủ lớn và có thể điều chỉnh được tùy theo từng mục đích phân tích mỗi nguyên tố. Đồng thời phải ổn định theo thời gian và có thể lặp lại trong các lần phân tích khác nhau để đảm bảo cho phép phân tích đạt được kết quả đúng đắn. Yêu cầu này có lúc không được thỏa mãn vì nhiệt độ cao nhất của ngọn lửa cũng chỉ đạt được là 3300oC, do đó đối với những nguyên tố tạo thành hợp chất bền nhiệt thì hiệu suất nguyên tử hóa của ngọn lửa là kém.
- Ngọn lửa phải thuần khiết, để không sinh ra các vạch phổ phụ hay tạo ra phổ nền quá lớn làm khó khăn cho phép đo. Quá trình ion hóa và phát xạ phải không đáng kể vì quá trình này làm mất các nguyên tử tự do tạo ra phổ.
- Ngọn lửa phải có bề dày đủ lớn để có lớp hấp thụ đủ dày làm tăng độ nhạy của phép đo. Đồng thời bề dày của lớp hấp thụ lại có thể thay đổi được khi cần thiết, để đo ở các nồng độ khác nhau. Trong các máy hiện nay, bề dày này có thể thay đổi được từ 2cm đến 10cm.
- Tiêu tốn ít mẫu phân tích.
Ngọn lửa là môi trường nguyên tử hóa mẫu, trong ngọn lửa có nhiều quá trình đồng thời xảy ra, có quá trình chính và có các quá trình phụ ( gọi là quá trình thứ cấp ), trong đó nhiệt độ của ngọn lửa là yếu tố quyết định. Nhiệt độ của ngọn lửa phụ thuộc vào bản chất; thành phần ( tỉ lệ ) hỗn hợp khí và tốc độ dẫn hỗn hợp khí vào đèn để đốt cháy. Cấu trúc của ngọn lửa lại gồm ba phần có nhiệt độ khác nhau, được mô tả trong hình 3.6. Trong đó, phần (a) là phần tối
của ngọn lửa, có nhiệt độ thấp ở trong khoảng 700oC ÷ 1200oC, trong phần này hỗn hợp khí được trộn đều và đốt nóng cùng với các hạt sol khí của mẫu phân tích, dung môi hòa tan mẫu sẽ bay hơi và mẫu được sấy nóng. Phần (b) là vùng trung tâm của ngọn lửa, có nhiệt độ cao, nhất là ởđỉnh b, thường không có màu hoặc màu xanh rất nhạt. Trong phần này hỗn hợp khí được đốt cháy tốt nhất và không có phản ứng thứ cấp. Vì thế trong phép đo phải đưa mẫu vào phần này để nguyên tử hóa, nói cách khác là nguồn đơn sắc phải chiếu vào phần này. Phần (c) là vỏ và đuôi của ngọn lửa, vùng này có nhiệt độ thấp, ngọn lửa có màu vàng và thường xảy ra nhiều phản ứng thứ cấp không có lợi cho phép đo.
Hình 3.6. Cấu tạo của ngọn lửa đèn khí
Quá trình xảy ra trong ngọn lửa có thể mô tả như sau: mẫu ở thể sol khí được dẫn lên đèn nguyên tử hóa, ở miệng đèn xảy ra sự bay hơi của dung môi hòa tan mẫu và các chất hữu cơ (nếu có) trong thể sol khí. Khi này mẫu còn lại là những hạt rắn rất nhỏ mịn được dẫn tiếp vào vùng trung tâm ngọn lửa, ở đây sẽ xảy ra các quá trình chính là hóa hơi và nguyên tử hóa của các hạt mẫu khô, tuy nhiên quá trình này sẽ diễn biến theo tính chất nhiệt hóa của hạt mẫu: mẫu sẽ
hóa hơi ở dạng phân tử sau đó các phân tử khí này mới bị phân li ( nguyên tử hóa ) thành các nguyên tử tự do; hoặc ngược lại, các hạt mẫu phân li thành các nguyên tử tự do rồi mới hóa hơi. Đó là hai cơ chế của quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu trong ngọn lửa đèn khí. Thực nghiệm cho thấy rằng các loại hợp chất của kim loại dạng halogenua; kim loại axetat; kim loại clorat; kim loại nitrat thường theo cơ chế thứ nhất, cơ chế này cho phép đo có độ nhạy cao và ổn định hơn cơ chế thứ hai. Các loại hợp chất của kim loại sunphat; kim loại phôtphat; kim loại silicat thường theo cơ chế thứ hai, cơ chế này kém ổn định, cho phép đo có độ nhạy thấp. Vì vậy người ta thường thêm vào mẫu các muối halogen hay axetat của kim loại kiềm để hướng các quá trình theo cơ chế thứ nhất ưu việt hơn.
Bên cạnh các quá trình chính, trong ngọn lửa còn có một số quá trình phụ, các quá trình này thường ảnh hưởng đến cường độ vạch phổ trong những mức độ khác nhau, ví dụ như: Sự ion hóa của các nguyên tử của nguyên tố cần phân tích; Sự phát xạ của các nguyên tử tự do; Sự hấp thụ năng lượng của các ion và phân tử, kể cả các hạt mẫu rắn chưa bị hóa hơi; Cuối cùng là sự tạo thành các hợp chất bền nhiệt dạng oxyt dạng MeO, các loại hợp chất này rất bền, khi đã hình thành thì sẽ khó phân ly thành các nguyên tử tự do trong ngọn lửa đèn khí, làm ảnh hưởng đến kết quả đo.
2. Tốc độ dẫn dung dịch mẫu vào hệ thống nguyên tử hóa: Tốc độ phù hợp của một số máy hiện nay là trong khoảng 4 - 5ml/phút.
3. Chiều cao của đèn nguyên tử hóa: Yếu tố này cũng ảnh hưởng trong một mức độ nhất định. Tùy thuộc vào từng nguyên tố mà chọn chiều cao burner head sao cho có được cường độ vạch phổ lớn nhất và ổn định nhất.
4. Bề dày của môi trường hấp thụ L. Khi thay đổi bề dày của lớp hấp thụ (môi trường hấp thụ) chúng ta có thể tăng hay giảm độ nhạy của phép đo. Nghĩa là tùy theo nồng độ của nguyên tố cần phân tích mà chúng ta thay đổi góc nghiêng của đèn nguyên tử hóa mẫu để có được bề dày của lớp hấp thụ L phù hợp nhất. Khi L lớn nhất ta sẽ có độ nhạy cao nhất, nếu giảm L thì độ nhạy giảm theo, nói cách khác nếu khi đo nồng độ lớn ta phải quay đèn nguyên tử hóa đi
một góc cho phù hợp, mà không cần pha loãng, nhưng sau đó phải giữ không đổi trong suốt quá trình đo.
5. Tần số máy siêu âm tạo sol khí mẫu phân tích cũng cần chọn cho phù hợp kể cả tốc độ dẫn mẫu vào buồng siêu âm.
Trên đây là các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo F-AAS trong đó yếu tố thứ nhất là quan trọng nhất, quyết định hiệu suất của quá trình nguyên tử hóa mẫu, các yếu tố còn lại ảnh hưởng đến yếu tố thứ nhấtvà qua đó mà ảnh hưởng đến kết quả của phép đo.