2.5.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy IR).
Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR) dựa trên sự tƣơng tác của các tia sáng trong vùng hồng ngoại (400 – 4000cm-1) với các liên kết trong phân tử chất nghiên cứu. Các tia sáng với bƣớc sóng nhất định sẽ làm dao động các liên kết nhất định. Do vậy, sự hấp thụ năng lƣợng đó có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc phân tử nên phổ hồng ngoại cũng là một phƣơng pháp hữu hiệu dùng để nghiên cứu cấu trúc các chất.
Có 2 loại dao động chính là: dao động hoá trị hay dao động liên kết (Stretching Vibrations) và dao động biến dạng (Bending Vibrations). Khi chiếu các bức xạ hồng ngoại vào phân tử, những photon có năng lƣợng đúng bằng năng lƣợng chênh lệch giữa các mức năng lƣợng dao động trong phân tử sẽ đƣợc hấp thụ và thu đƣợc phổ hồng ngoại:
E = E* - E = h
Trong đó : E : Năng lƣợng ở trạng thái cơ bản.
E* : Năng lƣợng ở trạng thái kích thích.
E : Hiệu năng lƣợng. h : Hằng số Planck.
Ngƣời ta sử dụng quang phổ hồng ngoại vào cả hai mục đích: phân tích định tính và phân tích định lƣợng. Phƣơng pháp phân tích định lƣợng dựa trên định luật Lambert-Beer:
A= lgI0/ I =lC Trong đó: A: mật độ quang.
Io: Năng lƣợng bức xạ đi vào. I: Năng lƣợng bức xạ đi ra. T = I0/I: độ truyền qua.
: Hệ số hấp phụ, cm2 /mmol. l: Chiều dày cuvet, cm. C: Nồng độ chất, mol/l.
Định luật Lambert-Beer đƣa ra phƣơng trình cơ bản cho các phƣơng pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử cũng nhƣ phân tử. Đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc giữa độ hấp thụ A vào chiều dài bƣớc sóng kích thích gọi là phổ. Mỗi đỉnh cực đại trong phổ IR đặc trƣng cho một dao động của một liên kết trong phân tử. Phổ IR đƣợc ứng dụng rộng rãi để phân tích một số cấu trúc đặc trƣng của vật liệu.
Một số phân tử khi dao động có gây ra sự thay đổi moment lƣỡng cực điện, có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại để cho hiệu ứng phổ hồng ngoại hay (phổ dao động). Theo quy tắc này, các phân tử có hai nguyên tử giống nhau không cho hiệu ứng phổ hồng ngoại.
Khi tần số dao động của nhóm nguyên tử nào đó trong phân tử ít phụ thuộc vào các thành phần còn lại của phân tử thì tần số dao động đó đựơc gọi là tần số đặc trƣng cho nhóm đó. Các tần số đặc trƣng cho nhóm (hay còn gọi là tần số nhóm) thƣờng đƣợc dùng để phát hiện các nhóm chức trong phân tử.
Dựa vào tần số đặc trƣng, cƣờng độ pic trong phổ hồng ngoại, ngƣời ta có thể phán đoán trực tiếp về sự có mặt của các nhóm chức, các liên kết xác định trong phân tử nghiên cứu, từ đó xác định đƣợc cấu trúc của chất nghiên cứu.
- Thực nghiệm: Mẫu đƣợc chụp phổ hồng ngoại ghi trên máy FT-IR - GX (Perkin Elmer) tại Khoa Hóa - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội. Mẫu đƣợc đo bằng kĩ thuật chụp phản xạ khuyếch tán, bột mẫu phân tích đƣợc trộn với chất nền KBr với tỉ lệ 2-5% mẫu/KBr, đo trong vùng 400 - 4000 cm-1.
2.5.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (Powder X-ray Diffraction - XRD).
XRD là một phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi trong khoa học vật liệu để xác định tinh thể và tính chất cấu trúc và phát hiện ra sự khiếm khuyết tinh thể, thậm chí vật liệu mao quản trung bình trật tự và vật liệu vô định hình , nhƣng do cấu trúc mao quản đồng đều có độ trật tự cao nên vẫn có thể sử dụng nhiễu xạ tia X . Do có đƣờng kính mao quản rộng nên góc quét ở vùng góc hẹp 00< 2 < 50.
- Nguyên tắc: Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể đƣợc xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian. Mỗi mặt mạng nhƣ một lớp phản xạ các tia X khi chúng chiếu vào các mặt này. Chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lƣới thì mạng lƣới đóng vai trò nhƣ một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ.
Hình 2.2. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể.
Các nguyên tử, ion này đƣợc phân bố trên các mặt song song, hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau đƣợc tính theo công thức:
= 2.dhkl.sinhkl
Trong đó: : Hiệu quang trình của hai tia phản xạ.
θhkl: Góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ. dhkl: Khoảng cách giữa hai mặt phản xạ.
h,k,l: Chỉ số Miller.
n: Các số nguyên 0, 1, 2… chỉ các bậc phản xạ.
Khi các tia này giao thoa với nhau ta sẽ thu đƣợc các cực đại nhiễu xạ, lúc đó bƣớc sóng của tia X phải thoả mãn:
= 2.dhkl.sinθhkl = n
Đây chính là hệ thức Vulf-Bragg, là phƣơng trình cơ bản dùng để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Từ hệ thức Vulf-Bragg, khi biết các giá trị góc quét , ta có thể xác định đƣợc d. So sánh giá trị của d với d chuẩn, sẽ xác định đƣợc thành
phần, cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu (vì mỗi chất có các giá trị d đặc trƣng riêng). Vì thế phƣơng pháp nhiễu xạ tia X đƣợc sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu.
- Thực nghiệm: Phổ XRD đƣợc ghi trên máy VNU - SIMENS - 5005, với ống phát tia X bằng đồng với bƣớc sóng Kα = 1,5406 Å, góc quét 2θ tƣơng ứng với mỗi chất, tốc độ quét 0,20/s tại Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội.
2.5.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scaning Electron Microscopy - SEM).
Ngày nay, kính hiển vi điện tử quét đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu hình thái bề mặt mẫu, nhất là với nghiên cứu mẫu màng mỏng.
- Nguyên tắc của phƣơng pháp SEM là sử dụng tia điện tử để tạo ảnh mẫu nghiên cứu. Ảnh đó khi đến màn ảnh quang có thể đạt độ phóng đại yêu cầu. Chùm tia điện tử đƣợc tạo ra từ catot qua hai tụ quay sẽ đƣợc hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm tia điện tử đập vào bề mặt của mẫu sẽ phát ra các điện tử phát xạ thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng. Chúng đƣợc khuếch đại, đƣa vào mạng lƣới điều khiển tạo độ sáng trên màn ảnh. Độ sáng, tối trên màn ảnh phụ thuộc vào số điện tử thứ cấp phát ra từ mẫu nghiên cứu và phụ thuộc vào hình dạng bề mặt mẫu nghiên cứu.
Phƣơng pháp SEM cho phép xác định đƣợc kích thƣớc trung bình và hình dạng tinh thể của các zeolit và các vật liệu có cấu trúc tinh thể khác.
Trong kính hiển vi điện tử quét, các thấu kính dùng để tập trung chùm điện tử thành điểm nhỏ chiếu lên mẫu chứ không dùng để phóng đại. Cho tia điện tử quét trên mẫu với biên độ nhỏ d (cỡ micromet) còn tia điện tử quét trên màn hình với biên độ lớn D (tuỳ theo kích thƣớc màn hình), ảnh có độ phóng đại D/d. Ảnh đƣợc phóng đại theo phƣơng pháp này thì mẫu không cần phải cắt lát mỏng và phẳng, cho phép quan sát đƣợc mẫu kể cả khi bề mặt mấp mô.
Độ phóng đại của kính hiển vi điện tử quét thông thƣờng từ vài chục ngàn đến vài trăm ngàn lần, năng suất phân giải phụ thuộc vào đƣờng kính của chùm tia chiếu hội tụ trên mẫu. Với sóng điện tử thông thƣờng (dây sợi đốt hình chữ V), năng suất phân giải là 10nm đối với ảnh bề mặt bằng cách thu điện tử thứ cấp, do đó có thể qua sát thấy hình dạng và kích thƣớc của các hạt vật liệu lớn >20nm.
- Thực nghiệm: Mẫu đƣợc chụp ảnh qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) trên máy SEM-JEOL-JSM 5410LV (Nhật) tại Bộ môn Vật lý chất rắn, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội.
2.5.4. Phương phá p tán xạ năng lượng t ia X (Energy Dispersive analysis of X-
rays - EDX).
Phổ tán xạ năng lƣợng tia X, hay phổ tán xạ năng lƣợng là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tƣơng tác với các bức xạ (chủ yếu là chùm điện tử có năng lƣợng cao trong các kính hiển vi điện tử). Trong các tài liệu khoa học, kỹ thuật này thƣờng đƣợc viết tắt là EDX hay EDS xuất phát từ tên gọi tiếng Anh Energy - dispersive X-ray spectroscopy.
- Nguyên tắc:
Hình 2.3. Nguyên lý của phép phân tích EDX.
Ảnh vi cấu trúc vật rắn đƣợc ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng lƣợng cao tƣơng tác với vật rắn. Khi chùm điện tử có năng lƣợng lớn đƣợc
chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tƣơng tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử. Tƣơng tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bƣớc sóng đặc trƣng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley:
Nghĩa là, tần số tia X phát ra là đặc trƣng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này.
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của hệ ghi nhận tín hiệu phổ EDX.
Tia X phát ra từ vật rắn (do tƣơng tác với chùm điện tử) sẽ có năng lƣợng biến thiên trong dải rộng, sẽ đƣợc đƣa đến hệ tán xạ và ghi nhận (năng lƣợng) nhờ detector dịch chuyển (thƣờng là Si, Ge, Li...) đƣợc làm lạnh bằng nitơ lỏng, là một con chip nhỏ tạo ra điện tử thứ cấp do tƣơng tác với tia X, rồi đƣợc lái vào một anốt nhỏ. Cƣờng độ tia X tỉ lệ với tỉ phần nguyên tố có mặt trong mẫu. Độ phân giải của phép phân tích phụ thuộc vào kích cỡ chùm điện tử và độ nhạy của detector (vùng hoạt động tích cực của detector).
Độ chính xác của EDX ở cấp độ một vài phần trăm (thông thƣờng ghi nhận đƣợc sự có mặt của các nguyên tố có tỉ phần cỡ 3-5% trở lên). Tuy nhiên, EDX tỏ ra không hiệu quả với các nguyên tố nhẹ (ví dụ B, C...) và thƣờng xuất hiện hiệu ứng chồng chập các đỉnh tia X của các nguyên tố khác nhau (một nguyên tố thƣờng phát ra nhiều đỉnh đặc trƣng Kα, Kβ..., và các đỉnh của các nguyên tố khác nhau có thể chồng chập lên nhau gây khó khăn cho phân tích).
- Thực nghiệm: Phổ tán xạ năng lƣợng tia X đƣợc đo trên máy Varian Vista Ax tại bộ môn Vật lí chất rắn , Khoa Vật lí, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội.
2.5.5. Phương pháp phân tích nhiệt (Thermogravimetry Analysis - TGA).
- Nguyên tắc: Phƣơng pháp phân tích nhiệt đƣợc sử dụng để xác định sự thay đổi tính chất vật lí và hoá học của vật liệu theo nhiệt độ. Phân tích nhiệt là một trong những phƣơng pháp vật lý đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu các hệ thống cao phân tử và các kỹ thuật liên quan đến việc theo dõi giảm trọng lƣợng của mẫu trong điều kiện có kiểm soát (thƣờng là trong môi trƣờng nitơ hoặc không khí) là một hàm của nhiệt độ với một phạm vi nhiệt độ làm việc từ môi trƣờng xung quanh đến 10000
C.
Một máy phổ khối (MS) có thể đƣợc kết hợp với thiết bị TGA để phân tích liên tục trên hệ thống và xác định các loại khí sinh ra trong quá trình đốt nóng các mẫu trong TGA. Các khí đƣợc chuyển đến các MS thông qua một mao mạch, có thể đƣợc làm nóng lên tới 1500C để giữ cho phát triển khí từ ngƣng tụ.
Có hai phƣơng pháp phân tích nhiệt đó là phƣơng pháp phân tích nhiệt quét vi sai DSC (differential scanning calorimetry) và phân tích nhiệt trọng lƣợng TGA (thermogravimetric analysis). Các phƣơng pháp này thƣờng đƣợc dùng để xác định nhiệt độ chuyển pha, khối lƣợng mất đi, năng lƣợng chuyển pha, thay đổi về kích thƣớc, ứng suất, độ đàn hồi… của vật liệu. Ngoài ra, phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai DTA (differential thermal analysis) giống với phƣơng pháp DSC, nhƣng thực hiện ở nhiệt độ cao hơn, mẫu có thể là kim loại, vật liệu gốm và thuỷ tinh. Thông tin thu đƣợc từ các phép phân tích trên cũng có thể suy ra đƣợc thành phần hoá học của mẫu.
* Phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai.
Đo lƣợng nhiệt (toả ra hay thu vào) từ mẫu theo nhiệt độ và thời gian. Một lƣợng mẫu nhỏ đặt lên trên một đế nhôm và ra nhiệt bằng chƣơng trình điều khiển. Vật liệu chuẩn đƣợc thực hiện đồng thời cùng thời gian, điều kiện và cùng tốc độ nâng nhiệt độ. Phép đo nhiệt lƣợng đƣợc thực hiện trong quá trình gia nhiệt. Phép
phân tích nhiệt này đƣợc dùng nhiều để nghiên cứu mẫu có chứa chất hữu cơ, các loại chất dẻo và polime.
* Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): là phép đo định lƣợng
nhằm xác định khối lƣợng mẫu bị mất trong quá trình gia nhiệt theo nhiệt độ và thời gian. Sự thay đổi khối lƣợng là kết quả của quá trình đứt gãy hoặc sự hình thành các mối liên kết vật lí và hoá học khi gia nhiệt, dẫn đến sự bay hơi của các chất trong mẫu (dung môi, nƣớc) hoặc là sự đốt cháy các chất hữu cơ.
TGA là một kỹ thuật phổ biến cho việc đánh giá động học phân hủy nhiệt của vật liệu nhƣ polime, cao su và do đó cung cấp thông tin về sự ổn định nhiệt và độ bền nhiệt. Phƣơng pháp phân tích nhiệt đƣợc dùng nhiều để cung cấp thông tin về thành phần các hợp chất, quá trình oxi hóa, khả năng chịu nhiệt, lƣợng nƣớc, phân tích về thành phần và đo độ tro trong một mẫu. Xác định nhiệt độ và thay đổi trọng lƣợng của các phản ứng phân hủy, phân tích thành phần định lƣợng. Phân tích các phản ứng với không khí, oxi, hoặc các loại khí phản ứng khác. Đƣợc sử dụng để đo trọng lƣợng của sợi thủy tinh và vật liệu vô cơ trong chất dẻo, cán mỏng, sơn, sơn lót và các vật liệu composite bằng cách đốt ra khỏi nhựa polime, TiO2, CaCO3, MgCO3, Al2O3, Al(OH)3, Mg(OH)2, talc, đất sét, cao lanh, hay silica, xác định độ tinh khiết của một khoáng chất, hợp chất vô cơ, hoặc chất hữu cơ. Trọng lƣợng mẫu thƣờng dùng 1-150mg.
- Thực nghiệm: Các mẫu phân tích đo trên máy 4.000 Mettler TA TGA trong khoảng nhiệt độ của 0-10000C với tốc độ gia nhiệt 100C/phút, tại Khoa Hóa học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội.
2.5.6. Phương pháp phân tích hàm lượng axit amin trên máy axit amin tự động HP-AMINOQUANT SERIES II.
Thực nghiệm: Thủy phân mẫu bằng HCl 6N có chứa 0,5% phenol ở điều kiện 1100C, 24 giờ. Sau khi thủy phân, Làm sạch dung dịch bằng cách ly tâm hoặc lọc bỏ tủa. Sau đó lấy một lƣợng dung dịch mẫu đem cô bằng máy Speed vac đến khô. Cặn khô đƣợc hòa tan bằng HCl 0,1N để chuẩn bị cho lên cột sắc ký [100].
Hệ máy phân tích axit amin: Sử dụng máy phân tích axit amin tự động HP – amino Quant Series II do hãng Hewlett Packard – Đức cung cấp gồm: RP-1090 WIN HPLC với Diode – Array Detector với 2 hệ bƣớc sóng: 338nm cho các axit amin bậc 1 và 262nm cho các axit amin bậc 2. Phần mềm HP-chemstation để điều khiển và phân tích số liệu.
2.5.7. Xác định hàm lượng natri oxit và silic dioxit bằng phương pháp thể tích.
Cân khoảng 3 - 5gam mẫu bằng cốc cân sứ, dùng 100ml nƣớc nóng, hoà tan mẫu rồi chuyển hết sang bình định mức 250ml, rửa sạch mẫu trong cốc cân bằng nƣớc ít nhất ba lần. Thêm nƣớc đến vạch mức, lắc đều. Hút 50ml mẫu vừa chuẩn bị