1.3.1.1. Nguyên tắc củ phương pháp
Cơ sở lý thuyết của phép 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 nguyên tố ở trạng thái hơi, khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi nguyên tử của nguyên tố ấy. Môi trƣờng hấp thụ chính là đám hơi các nguyên tử tự do của mẫu phân tích. Do đó muốn thực hiện phép đo AAS cần phải có các quá trình sau:
1. Chuyển mẫu phân tích thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do (quá trình nguyên tử hoá mẫu). Đây là việc rất quan trọng của phép đo vì chỉ có các nguyên tử ở trạng thái tự do ở trạng thái hơi mới có khả năng cho phổ hấp thụ nguyên tử. Số nguyên tử tự do ở trạng thái hơi là yếu tố quyết định cƣờng độ vạch phổ. Quá trình nguyên tử hoá mẫu tốt hay không tốt đều ảnh hƣởng tới kết quả phân tích. Có hai kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu là kỹ thuật nguyên tử hoá trong ngọn lửa (F-AAS) và kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu không ngọn lửa (GF- AAS). Nguyên tắc chung là dùng nhiệt độ cao để hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích.
2. Sau đó chiếu chùm sáng phát xạ của nguyên tố cần phân tích từ nguồn bức xạ vào đám hơi nguyên tử đó để chúng hấp thụ những bức xạ đơn sắc nhạy hay bức xạ cộng hƣởng có bƣớc sóng nhất định ứng đúng với tia phát xạ nhạy của chúng. Nguồn phát xạ chùm tia đơn sắc có thể là đèn catot rỗng (HCL), các đèn phóng điện không điện cực (EDL) hay nguồn phát xạ liên tục đã đƣợc biến điệu.
3. Tiếp đó nhờ hệ thống máy quang phổ ngƣời ta thu đƣợc toàn bộ chum sáng, phân ly và chọn một vạch phổ hấp thụ nguyên tử cần phân tích để đo cƣờng độ của nó. Cƣờng độ đó chính là tín hiệu hấp thụ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử. Trong một giới hạn nồng độ xác định, tín hiệu này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ của nguyên tố cần xác định trong mẫu theo phƣơng trình:
Aλ = K. Cb (*) Trong đó: Aλ : cƣờng độ hấp thụ
K: hằng số thực nghiệm
C: nồng độ nguyên tố trong mẫu
b: hằng số bản chất, phụ thuộc vào nồng độ (0 < b ≤ 1)
Phƣơng trình (*) đƣợc coi là phƣơng trình cơ sở của phép định lƣợng các nguyên tố theo phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử.
Kĩ thuật đo F-AAS
Đây là kĩ thuật, ngƣời ta dùng năng lƣợng nhiệt của ngọn lửa đèn khí để hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích. Vì thế mọi quá trình xảy ra trong khi nguyên tử hoá mẫu phụ thuộc vào các đặc trƣng và tính chất của ngọn lửa đèn khí, nhƣng chủ yếu là nhiệt độ ngọn lửa. Đó là yếu tố quyết định hiệu suất nguyên tử hoá mẫu phân tích, và mọi yếu tố ảnh hƣởng đến nhiệt độ ngọn lửa đèn khí đều ảnh hƣởng đến kết quả của phƣơng pháp phân tích.
Kĩ thuật đo GF-AAS
Kĩ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa ra đời sau kĩ thuật nguyên tử hoá trong ngọn lửa. Nhƣng kĩ thuật này đƣợc phát triển rất nhanh và hiện nay đang đƣợc sử dụng rất phổ biến vì kĩ thuật này có độ nhạy rất cao (mức ppb). Do đó, khi phân tích lƣợng vết kim loại trong trƣờng hợp không cần thiết phải làm giàu sơ bộ các nguyên tố cần phân tích.
Về nguyên tắc, kĩ thuật nguyên tử hoá mẫu không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hoá tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lƣợng nhiệt của dòng điện có công suất lớn và trong môi trƣờng khí trơ. Quá trình nguyên tử hoá xảy ra theo 3 giai đoạn kế tiếp nhau: sấy khô, tro hoá luyện mẫu, nguyên tử hoá để đo phổ hấp thụ nguyên tử và cuối cùng là làm sạch cuvet. Nhiệt độ trong cuvet graphit là yếu tố chính quyết định mọi sự diễn biến của quá trình nguyên tử hoá mẫu.
1.3.1.2. Trang bị củ phép đo
Dựa vào nguyên tắc của phép đo, ta có thể mô tả hệ thống trang thiết bị đo AAS gồm các phần sau:
1. Nguồn phát tia bức xạ cộng hƣởng của nguyên tố cần phân tích. Đó có thể là đèn catot rỗng (HCl), đèn phóng điện không điện cực (EDL) hoặc nguồn bức xạ điện liên tục đã đƣợc biến điệu.
2. Hệ thống nguyên tử hóa mẫu. Hệ thống này đƣợc chế tạo theo hai kỹ thuật:
- Kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa đèn khí ( F-AAS). - Kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu không ngọn lửa ( GF-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 phần quang điện để đo tín hiệu AAS.
4. Bộ phận khuếch đại và chỉ thị tín hiệu AAS. Phần chỉ thị tín hiệu có thể là:
Điện kế chỉ tín hiệu AAS. Bộ tự ghi các peak hấp thụ. Bộ chỉ thị hiện số.
Máy tính ( computer ) với màn hình video, để hiện thị, lƣu trữ, xử lý số liệu và điều khiển toàn bộ hệ thống máy đo.
Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn cấu tạo máy đo AAS
1.3.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo AAS
Các yếu tố ảnh hƣởng đến kết quả phân tích trong phép đo AAS rất đa dạng và phức tạp tùy thuộc vào thành phần của mẫu và nền mẫu. Nhìn chung có thể chia thành 6 nhóm sau:
- Nhóm 1: Các thông số của hệ máy đo phổ.
- Nhóm 2: Các điều kiện nguyên tử hóa mẫu.
Quá trình nguyên tử hóa mẫu là một quá trình quan trọng cho phép đo quang phổ hấp thụ nguyên tử. Các chất nền sẵn có trong mẫu hay do thêm vào có thể dẫn đến các ảnh hƣởng sau:
+ Làm giảm cƣờng độ vạc phổ, do tạo thành các hợp chất khó bay hơi và khó nguyên tử hóa và giảm độ nhạy.
+ Làm tăng cƣờng độ vạch phổ, do sự tạo thành các hợp chất dễ bay hơi và dễ nguyên tử hóa và do sự hạn chế ảnh hƣởng của sự ion hóa và sự kích thích phát xạ của nguyên tố phân tích.
+ Sự tăng cƣờng độ vạch phổ khi nguyên tố cần phân tích còn tồn tại trong mẫu nền là các hợp chất dễ hóa hơi.
+ Sự giảm cƣờng độ vạch phổ khi nguyên tố cần phân tích tồn tại trong nền mẫu là các hợp chất khó bay hơi. Lúc này nguyên tố kìm hãm sự hóa hơi của nguyên tố cần phân tích. Các chất nền này thƣờng là các chất bền nhiệt.
- Nhóm 3: Các ảnh hƣởng về phổ nhƣ: Sự hấp thụ nền, sự chen lấn của vạch phổ và sự hấp thụ của các hạt rắn.
- Nhóm 4: Kỹ thuật và phƣơng pháp đƣợc chọn để xử lý mẫu.
- Nhóm 5: Các yếu tố vật lý nhƣ: độ nhớt, sức căng bề mặt của dung dịch mẫu có ảnh hƣởng nhiều đến phép đo nhất là mẫu phân tích có nồng độ lớn.
- Nhóm 6: Các yếu tố hóa học nhƣ: nồng độ axit và loại axit trong dung dịch mẫu, ảnh hƣởng của các cation và anion khác trong dung dịch, ảnh hƣởng của các thành phần nền và ảnh hƣởng của dung môi hữu cơ.
Vì vậy, để kết quả chính xác và tin cậy đòi hỏi ngƣời phân tích phải biết xử lý hóa học, tách loại, làm giàu, che tránh các yếu tố ảnh hƣởng về mặt hóa học cũng nhƣ về phổ hấp thụ trong mỗi trƣờng hợp.
1.3.1.4. Phương pháp định lượng trong phép đo AAS
Để xác định nồng độ (hàm lƣợng) của một nguyên tố trong mẫu phân tích theo phép đo phổ hấp thụ nguyên tử ngƣời ta thƣờng thực hiện theo các phƣơng pháp sau đây:
a. Phương pháp đường chuẩn:
Nguyên tắc: Phƣơng pháp này dựa vào phƣơng trình cơ bản của phép đo
A= K.C và một dãy mẫu đầu để dựng một đƣờng chuẩn và sau đó dựa vào đƣờng chuẩn này và giá trị Ax để xác định nồng độ Cx của nguyên tố cần phân tích trong mẫu đo phổ, rồi từ đó tính đƣợc nồng độ của nó trong mẫu phân tích.
b. Phương pháp thêm tiêu chuẩn:
Nguyên tắc: Phƣơng pháp này ngƣời ta dùng ngay mẫu phân tích làm nền
để chuẩn bị một dãy mẫu đầu, bằng cách lấy một lƣợng mẫu phân tích nhất định và thêm vào đó những lƣợng nhất định của nguyên tố cần xác định theo từng bậc nồng độ (theo cấp số cộng).
c. Phương pháp đồ thị không đổi:
Nguyên tắc: Muốn xác định một nguyên tố nào đó, trƣớc hết ngƣời ta dựng
một đƣờng chuẩn nhƣ phƣơng pháp đƣờng chuẩn, đƣờng chuẩn này đƣợc gọi là đƣờng chuẩn cố định và đƣờng này đƣợc dùng lâu dài. Nhƣ vậy muốn xác định nồng độ Cx chƣa biết, ta phải chuyển các giá trị ax1 tƣơng ứng về các giá trị Ax0 của đƣờng chuẩn cố định để xác định Cx.
c. Phương pháp một mẫu chuẩn:
Trong trƣờng hợp đơn giản, chúng ta không pha một dãy mẫu chuẩn để dựng đồ thị chuẩn. mà có thể tính ngay giá trị Cx nhờ một mẫu chuẩn C1 của chất phân tích. Nghĩa là chúng ta có:
Với mẫu phân tích: Ax = a.Cx (a)
Với mẫu đầu: A0 = a. C1 (b)
Do đó đem (a) chia cho (b) chúng ta có: Cx = (Ax/A0). C1
Nhƣ vậy khi đo đƣợc giá trị Ax và A0 ta có tỷ số của chúng, và chỉ việc nhân nó với giá trị C1 là chúng ta có giá trị Cx cần tìm.
Nhƣng cần nhớ rằng, giá trị nồng độ chuẩn C0 và cả nồng độ chất phân tích nằm trong vùng tuyến tính của phép đo xác định chất đó chúng ta đã biết rõ trƣớc, thì mới có kết quả đúng đắn.
1.3.1.5. Ưu nhược điểm củ phương pháp
Ưu điểm: Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc tƣơng
đối cao. Gần 60 nguyên tố có thể xác định bằng phƣơng pháp này với độ nhạy từ 1.10-4 ÷1.10-5 %. Đặc biệt nếu sử dụng kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu không ngọn lửa có thể đạt tới độ nhạy n.10-7 g/L. Vì vậy, đây là phƣơng pháp đƣợc dùng trong nhiều lĩnh vực để xác định lƣợng vết kim loại. Đặc biệt là trong phân tích các nguyên tố vi lƣợng, trong các đối tƣợng mẫu y học, sinh học, nông nghiệp, kiểm tra hoá chất có độ tinh khiết cao.
Đồng thời cũng do có độ nhạy cao nên trong nhiều trƣờng hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác định trƣớc khi phân tích nên tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian, không phải dùng nhiều hoá chất tinh khiết cao khi làm giàu mẫu. Mặt khác, phƣơng pháp gồm những động tác thực hiện nhẹ nhàng, các kết quả phân tích có thể lƣu giữ lại. Ngoài ra có thể xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu. Các kết quả rất ổn định sai số nhỏ (không quá 15%) với vùng nồng độ cỡ 1÷ 2 ppm. Hơn nữa với sự ghép nối với máy tính cá nhân và các phần mềm nên quá trình đo và xử lý kết quả nhanh dễ dàng và lƣu lại đƣợc đƣờng chuẩn cho các lần sau.
Nhược điểm:
Một số hạn chế và nhƣợc điểm của phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử có thể kể tới nhƣ:
Hệ thống máy AAS tƣơng đối đắt tiền, vì vậy nhiều cơ sở không đủ điều kiện để xây dựng phòng thí nghiệm và mua sắm máy móc.
Cũng do phép đo có độ nhạy cao nên sự nhiễm bẩn rất có ý nghĩa đối với kết quả phân tích hàm lƣợng vết. Đòi hỏi dụng cụ phải sạch sẽ, hoá chất có độ tinh khiết cao.
Mặt khác, trang thiết bị máy móc là khá tinh vi, phức tạp nên cần tới sự am hiểu, thành thạo vận hành cũng nhƣ bảo dƣỡng máy của cán bộ làm phân tích.
Một nhƣợc điểm chính của phƣơng pháp phân tích này là chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố mà không chỉ ra trạng thái liên kết của nguyên tố đó trong mẫu phân tích.
1.3.2. Một số phƣơng pháp xác định kim loại vết khác
1.3.2.1. Phương pháp cực phổ [10]
Nguyên tắc: Ngƣời tat hay đổi liên tục và tuyến tính điện áp đặt vào 2 cực
để khử các ion kim loại, do mỗi kim loại có thế khử khác nhau. Thông qua chiều cao của đƣờng cong Von-Ampe có thể định lƣợng đƣợc ion kim loại trong dung dịch ghi cực phổ. Vì dòng giới hạn Igh ở các điều kiện xác định tỉ lệ thuận với nồng độ ion trong dung dịch ghi cực phổ theo phƣơng trình:
I = k.C
Ưu điểm: Phƣơng pháp này cho phép xác định cả chất vô cơ và hữu cơ với
nồng độ 10-5 – 10-6
M tùy thuộc vào cƣờng độ và độ lặp lại của dòng dƣ. Sai số của phƣơng pháp này thƣờng là 2 ÷ 3% với nồng độ 10-4 ÷ 10-3.
Nhược điểm: Độ nhạy bị hạn chế bởi ảnh hƣởng của dòng tụ điện, dòng
cực đại, của oxi hòa tan, bề mặt điện cực….
1.3.2.2. Phương pháp Von- Ampe hòa tan[10]
Nguyên tắc: Về bản chất, phƣơng pháp Von-Ampe hòa tan cũng giống
nhƣ phƣơng pháp cực phổ là dựa trên việc đo cƣờng độ dòng để xác định nồng độ các chất trong dung dịch. phƣơng pháp Von-Ampe hòa tan gồm hai bƣớc:
Bước 1: Điện phân làm giàu chất cần phân tích trên bề mặt điện cực làm việc, trong khoảng thời gian xác định, tại thế điện cực xác định.
Bước 2: Hòa tan kết tủa đã đƣợc làm giàu bằng cách phân cực ngƣợc điện cực lầm việc, đo và ghi dòng hòa tan. Trên đƣờng Von- Ampe hòa tan cho peak của nguyên tố cần phân tích.
Ưu điểm: Xác định đƣợc cả những chất không bị khử trên điện cực với độ
nhạy khá cao 10-6 – 10-8 M.
Nhược điểm: độ nhạy bị hạn chế bởi dòng dƣ, nhiều yếu tố bị ảnh hƣởng
của điện cực chỉ thị, chất nền….
1.3.2.3. Phương pháp trắc quang
Nguyên tắc: Dựa trên việc đo độ hấp thụ ánh sáng của một dung dịch phức tạo thành giữa ion cần xác định với một thuốc thử hữu cơ hoặc vô cơ trong môi trƣờng thích hợp khi đƣợc chiếu bởi chùm sáng. Phƣơng pháp định lƣợng theo phƣơng trình cơ bản: A = ε.l.C
Trong đó: A: độ hấp thụ quang của chất ε: hệ số hấp thụ mol (l.mol-1
.cm-1) l: bề dày lớp dung dịch (cm) C: nồng độ dung dịch (mol/l)
Phƣơng pháp trắc quang đã đƣợc sử dụng lâu đời để phân tích các kim loại nặng trong các đối tƣợng thực phẩm và môi trƣờng. Có rất nhiều các thuốc thử vô cơ cũng nhƣ hữu cơ đƣợc sử dụng để xác định các ion kim loại nặng nhƣ PAR, MEDTA, Oxazolin v.v…[41], [38], [35], [31].
Ưu điểm: Phƣơng pháp trắc quang phân tử nói chung đặc biệt là chiết trắc
quang phức màu chelat đaligan có độ nhạy, độ ổn định, độ chính xác cao, xác định nồng độ của chất ở khoảng 10-5
Nhược điểm: Không chọn lọc, một thuốc thử có thể tạo nhiều phức với
nhiều ion.
1.3.2.4. Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử (AES) và huỳnh quang nguyên tử (AFS) [16]
Nguyên tắc: Ở điều kiện bình thƣờng, nguyên tử không thu hay phát xạ
năng lƣợng, nhƣng nếu bị kích thích thì các electron sẽ nhận năng lƣợng chuyển lên trạng thái có năng lƣợng cao hơn. Trạng thái này không bền, chúng có xu hƣớng giải phóng năng lƣợng để trở về trạng thái bền vững dƣới dạng các bức xạ. Các bức xạ này gọi là phổ phát xạ nguyên tử. Một số nguồn năng lƣợng thƣờng dùng để kích thích phổ AES nhƣ: ngọn lửa đèn khí, hồ quang điện, tia lửa điện.
Ưu điểm: Phƣơng pháp AES có độ nhạy thƣờng từ n.10-3 đến n.10-4%, ít tốn mẫu, có thể phân tích đồng thời nhiều nguyên tố trong cùng một mẫu, phân tích đƣợc lƣợng vết kim loại trong nƣớc, thực phẩm, lƣơng thực.
Nhược điểm: Phƣơng pháp này chỉ cho biết thành phần nguyên tố trong
mẫu mà không chỉ ra đƣợc trạng thái liên kết của nó trong mẫu.
Phƣơng pháp AFS: phƣơng pháp có độ nhạy cao nhƣng phạm vi ứng dụng bị hạn chế bởi số chất có tính chất phát huỳnh quang là rất ít. Đặc biệt các chất vô cơ ( các kim loại) phải chuyển thành hợp chất phức chelat đaligan mới hi vọng có tính chất phát huỳnh quang.
Kết luận: Mỗi phƣơng pháp phân tích đều có ƣu nhƣợc điểm riêng. Tuy
nhiên thực tế cho thấy phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS có nhiều ƣu việt nhƣ: có độ nhạy, độ chính xác cao, lƣợng mẫu tiêu thụ ít và có ƣu điểm nổi