4. Máy đo AAS
4.2. Cấu tạo của các bộ phận trong máy AAS
Muốn thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử người ta cần phải có một nguồn phát tia bức xạ đơn sắc(tia phát xạ cộng hưởng) cuả nguyên tố cần phân tích để chiếu qua môi trường hấp thụ.
Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử thường là các đèn catôt rỗng(HCL),các đèn phóng điện cực(EDL), và các đèn phổ liên tục có biến điệu(đã được đơn sắc hoá).
Nhưng dù là loại nào, nguồn phát tia bức xạ đơn sắc trong phép đo phổ AAS cũng phải thỏa mãn những điều kiện sau đây.
- Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc phải tạo ra được các tia phát xạ nhạy(các vạch phát xạ nhạy, đặc trưng) cuả nguyên tố cần phân tích. Chùm tia phát xạ đó phải có cường độ ổn định, phải lập lại được trong nhiều lần đo khác nhau trong cùng điều kiện, phải điều chỉnh được với cường độ mong muốn cho mỗi phép đo.
- Nguồn phát tia bức xạ phải cung cấp được một chùm tia phát xạ thuần khiết chỉ bao gồm một số vạch nhạy đặc trưng của nguyên tố phân tích.
- Chùm tia phát xạ đơn sắc do nguồn đó cung cấp phải có cường độ cao. Nhưng lại phải bền vững theo thời gian, và phải không bị các yếu tố vật lý khác nhiễu loạn
Xuất phát từ những nhiệm vụ và yêu cầu phải thoả mãn, hiện nay trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, người ta thường dùng chủ yếu ba loại nguồn phát tia bức xạ đơn sắc. Đó là:
- Đèn Catot rỗng (HCL-Hollow Cathode Lamp)
- Đèn phóng không điện cực (EDL-Electrodeless Discharge Lamp) - Đèn phát phổ liên tục đã được biến điệu (D2-Lamp, W-Lamp). Trong ba loại đó, đèn catốt rỗng HCL được dùng phổ biến
4.2.1. Đèn Catot rỗng(HCL)
Đèn catot rỗng là kiểu đèn phóng điện có hình dạng và cấu tạo nguyên tắc như sau.
Hình 2.17: Đèn Catot rỗng (HCL)
Đèn phát tia bức xạ đơn sắc được dùng sớm nhất và phổ biến nhất trong phép đo AAS là đèn Catot rỗng (HCL).
Đèn này chỉ phát ra những tia bức xạ nhạy của nguyên tố kim loại làm catot rỗng. Các vạch phát xạ nhạy cuả một nguyên tố thường là các vạch cộng hưởng.
a. Thân và vỏ
Thân đèn gồm có vỏ đèn, cửa sổ và bệ đỡ các điện cực anot và catot. Bệ đỡ bằng nhựa PVC. Thân và vỏ đèn bằng thủy tinh hay thạch anh.
Cửa sổ của đèn có thể là pyrex hay thạch anh trong suốt trong vùng UV hay VIS là tùy thuộc vào loại đèn của từng nguyên tố phát ra chùm tia phát xạ nằm trong vùng phổ nào. Nghĩa là vạch phát xạ cộng hưởng để đo phổ hấp thụ ở vùng nào thì nguyên liệu làm cửa sổ S phải trong suốt ở vùng đó.
b. Điện cực
Điện cực của đèn là Catot và Anot.
Anot được chế tạo bằng kim loại trơ và bền nhiệt như W hay Pt. Catot được chế tạo có dạng hình xylanh hay hình ống rỗng có đường kính từ 3-5 mm, dài 5-6 mm và chính bằng kim loại cần phân tích với độ tinh khiết cao(ít nhất 99.9%).
Dây dẫn của catot cũng là kim loại W hay Pt. Cả hai điện cực được gắn chặt trên bệ đỡ của thân đèn và cực catot phải nằm đúng trục xuyên tâm của đèn. Anot đặt bên cạnh catot hay là một vòng bao quanh catot. Hai đầu của hai điện cực được nối ra hai cực gắn chặt trên đế đèn, để cắm vào nguồn điện nuôi cho đèn làm việc.
Nguồn nuôi là nguồn một chiều có thế 220-2405.
c. Khí trong đèn
Trong đèn phải hút hết không khí và nạp thay vào đó là một khí trơ với áp suất từ(1-5 torr) 5-15mmHg.
Khí trơ đó là Argon, Hêli hay Nitơ nhưng phải có độ sạch cao hơn 99.99%. Khí nạp vào đèn phải không phát ra phổ làm ảnh hưởng đến chùm tia phát xạ của đèn và khi làm việc trong một điều kiện nhất định thì tỷ số giữa các nguyên tử đã bị ion hóa và các nguyên tử trung hòa phải là không đổi.
d. Nguồn nuôi đèn
Đèn được đốt nóng đỏ để phát chùm tia phát xạ cộng hưởng nhờ một nguồn điện một chiều ổn định. Thế làm việc của đèn HCL thường là từ 250- 220 V tùy thuộc vào từng loại đèn của từng hãng chế tạo và tùy thuộc vào từng nguyên tố kim loại làm catot rỗng.
Cường độ làm việc của các đèn catot rỗng thường là 3-50mA và cũng tùy thuộc vào mỗi loại đèn HCL của mỗi nguyên tố do mỗi hãng chế tạo ra nó. Thế và cường độ dòng điện làm việc của đèn HCL có liên quan chặt chẽ với công để tách kim loại ra khỏi bề mặt catot rỗng để tạo ra hơi kim loại sinh ra chùm tia phát xạ của đèn HCL.
Dòng điện qua đèn HCL của mỗi nguyên tố là rất khác nhau. Mỗi đèn HCL đều có dòng điện giới hạn cực đại mà đèn có thể chịu đựng được và giá trị này được ghi trên vỏ đèn.
Theo lý thuyết và thực nghiệm của thực tế phân tích theo kỹ thuật đo phổ hấp thụ nguyên tử, chỉ nên dùng cường độ dòng trong vùng 60-85% dòng giới hạn cực đại đã ghi trên đèn HCL là tốt nhất.
Các đèn catot rỗng có cấu tạo như đã mô tả ở trên là những đèn HCL đơn một nguyên tố, nghĩa là mỗi đèn HCL đó chỉ phục vụ cho phân tích một nguyên tố..
Ngày nay ngoài các đèn HCL đơn, người ta cũng đã chế tạo được một số đèn kép đôi, kép ba hay kép sáu nguyên tố.
Ví dụ các đèn kép đôi là (Ca+Mg), (Cu+Mn), (Cu+Cr), (Co+Ni), (K+Na), (Cu+Pb); Các đèn kép ba như (Cu+Pb+Zn) và đèn kép sáu là (Cu+Mn+Cr+Fe+Co+Ni).
Để chế tạo các loại đèn kép này, catot của đèn HCL phải là hợp kim của các nguyên tố đó. Hợp kim này phải có thành phần phù hợp, để sao cho cường độ phát xạ của các nguyên tố này là gần tương đương nhau
Xét về độ nhạy, nói chung các đèn kép thường có độ nhạy kém hơn các đèn đơn tương ứng,
4.2.2. Đèn phóng điện không điện cực (EDL)
Nguồn phát tia bức xạ thứ hai được dùng trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử là đèn phóng điện không điện cực. Loại đèn này cũng như đèn HCL
đều có nhiệm vụ cung cấp chùm tia phát xạ đặc trưng của nguyên tố phân tích, đặc biệt là các á kim, thì đèn EDL cho độ nhạy cao hơn, ổn định hơn đèn HCL
Bảng 2.11. So sánh độ nhạy và giới hạn phát hiện của đèn HCL và EDL Nguyên tố Độ nhạy( g/ml) Giới hạn phát hiện( g/ml)
HCL EDL HCL EDL As-193,70 1,10 0,80 0,80 0,400 Cd- 228,80 0,03 0,02 0,01 0,008 Pb- 283,80 0,10 0,07 0,05 0,030 Hg- 253,60 6,00 4,50 0,50 0,200 Sn- 286,30 2,50 1,60 0,20 0,100 Zn- 213,90 0,03 0,02 0,02 0,018
Về cấu tạo, đèn EDL thực chất cũng là một ống phóng điện trong môi trường khí trơ có chứa nguyên tố cần phân tích với một nồng độ nhất định phù hợp để tạo ra chùm tia phát xạ chỉ bao gồm một số vạch phổ nhạy đặc trưng của nguyên tố phân tích. Đèn EDL cũng bao gồm các bộ phận như đèn catốt rỗng.
Hình 2.18: Đèn phóng điện không điện cực
a. Thân đèn
Là một ống thạch anh chịu nhiệt, dài 18-15cm, đường kính 6-5 cm. Một đầu của đèn EDL cũng có cửa sổ S. Cửa sổ cho chùm sáng đi qua cũng phải trong suốt với chùm sáng đó. Ngoài ống thạch anh là cuộn cảm bằng đồng. Cuộn cảm có công suất từ 800-400W tùy loại đèn của từng nguyên tố, và được nối với nguồn năng lượng cao tần HF phù hợp để nuôi cho đèn EDL làm việc.Ngoài cùng là vỏ chịu nhiệt.
Là vài miligam kim loại hay muối kim loại dễ bay hơi của nguyên tố phân tích, để làm sao khi toàn bộ chất hóa hơi bảo đảm cho áp suất hơi của kim loại đó trong đèn ở điều kiện nhiệt độ 800-5500C là khoảng 1-1,5mmHg.
Chất này thay cho catot trong đèn HCL, nó chính là nguồn cung cấp chùm tia phát xạ của nguyên tố phân tích, khi chúng bị kích thích, trong quá trình đèn EDL hoạt động.
c. Khí trong đèn
Trong đèn EDL cũng phải hút hết không khí và nạp thay vào đó là một khí trơ Ar, He hay Nitơ có áp suất thấp, vài mmHg, để khởi đầu cho sự làm việc của đèn EDL.
d. Nguồn nuôi đèn làm việc
Nguồn năng lượng cao tầng để nuôi đèn EDL làm việc được chế tạo theo hai tần số: Tần số sóng ngắn 450 MHz và tần số sóng radio 27,12 MHz có công suất dưới 1KW.
Do nguồn nuôi là năng lượng cảm ứng điện từ với hai tần số khác nhau, nên đèn EDL cũng được chia thành hai loại:
- Đèn EDL sóng ngắn, nguồn nuôi tần số 450 MHz và
- Đèn EDL sóng radio, nguồn nuôi tần số sóng radio 27,12 MHz.
Khi đèn làm việc, dưới tác dụng của năng lượng cao tần cảm ứng đèn được nung nóng đỏ, kim loại hay muối kim loại trong đèn được hóa hơi và bị nguyên tử hóa.
Các nguyên tử tự do được sinh ra đó sẽ bị kích thích và phát ra phổ phát xạ của nó dưới tác dụng nhiệt. Đó chính là phổ vạch của kim loại chứa trong đèn EDL.
Ngoài ưu điểm về độ nhạy và giới hạn phát hiện, đèn EDL của các á kim hay bán á kim thường có độ bền cao hơn đèn HCL. Đồng thời vùng tuyến tính của phép đo một nguyên tố khi dùng đèn EDL cũng thường rộng hơn so với việc dùng đèn HCL.
Tuy đã có nhiều lọai đèn kiểu EDL được sản xuất nhưng tốt và được dùng nhiều chỉ có 12 nguyên tố á kim và bán á kim là As, Bi, Cd, Hg, P, Pb, Se, Sn, Te, Tl và Zn.
Ngoài đèn Catot rỗng và đèn phóng điện không điện cực, người ta cũng đã chế tạo ra được nhiều lọai đèn phát tia bức xạ đơn sắc của các nguyên tố như đèn catot rỗng cường độ cao(High intensity emission lamp – HIEL), đèn gradient nhiệt độ(Controlled temperature-gradient lamp – CTGL).
Các lọai đèn này có ưu điểm hơn đen HCL về độ nhạy, về vùng tuyến tính, về giới hạn phát hiện. Nhưng các lọai đèn này khó chế tạo và đắt tiền Ngoài ưu điểm về độ nhạy và giới hạn phát hiện, đèn EDL của các á kim hay bán á kim thường có độ bền cao hơn đèn HCL.
4.2.3. Đèn phổ liên tục có biến điệu
Đó là các loại đèn phát phổ liên tục trong vùng tử ngoại và vùng khả kiến(UV-VIS).
Đèn này tuy phát ra phổ liên tục, nhưng nhờ hệ thống biến điệu và hệ lọc giao thoa, nên chùm sáng phát xạ đó đã bị biến điệu và lượng tử hóa thành chùm sáng không liên tục coi như là một tia đơn sắc.
Nguồn phát phổ liên tục có ưu điểm là dễ chế tạo, rẻ tiền và có độ bền tương đối cao.
Do đó nó rất ưu việt đối với các máy phổ hấp thụ nhiều kênh và xác định đồng thời hay liên tục nhiều nguyên tố trong cùng một mẫu phân tích mà không phải thay đèn HCL cho việc đo phổ của mỗi nguyên tố.