Chương 3 PHÂN TÍCH CÔNG CỤ 3.1 Phân tích đo điện thế
3.2.2. Phương pháp quang phổ hấp thu phân tử
Phương pháp quang phổ hấp thu phân tử UV –VIS (tử ngoại khả kiến) dựa trên nguyên lý phân tử của một chât hấp thu ánh sáng đặc trưng cho cấu trúc phân tử của nó.
3.2.2.1. Độ hấp thu
Khi bức xạ đơn sắc đi qua một môi trường có chứa chất hấp thu thì độ hấp thu của bức xạ tỷ lệ với nồng độ của chất hấp thu và chiều dày của môi trường hấp thu (dung dịch chất hấp thu). Mối quan hệ này được tuân theo định luật Lambert – Beer và được biểu diễn bằng phương trình sau:
A = lg(I0/I) = lg(1/T) = ε. L. C T: Độ truyền quang
Io: Cường độ ánh sáng đơn sắc tới
I: Cường độ ánh sáng sau khi truyền qua dung dịch K: Hệ số hấp thụ, phụ thuộc theo cách biểu thị nồng độ l: Chiều dày của lớp dung dịch (cm)
C: Nồng độ dung dịch (mol/l)
Khi C = 1 mol/l và l = 1cm thì A = ε (hệ số hấp thumol)
ε đặc trưng cho bản chất của chất tan trong dung dịch, nó chỉ phụ thuộc vào bước sóng, định luật Lambert - Beer chỉ đúng khi dùng bức xạ đơn sắc.
- Trường hợp nồng độ C tính bằng % (khối lượng/thể tích) và bằng 1%, l = 1cm thì: ε (1%, 1cm) là hệ số hấp thu riêng, nó đặc trưng cho mỗi chất. Trong phân tích kiểm nghiệm hay dùng ε (1% 1cm)
3.2.2.2. Điều kiện áp dụng định luật Lambert – Beer
− Ánh sáng phải đơn sắc: Khi bước sóng thay đổi thì hệ số hấp thu cũng thay đổi. Một chùm tia càng đơn sắc thì định luật càng đúng. Cùng một dung dịch nhưng đo trên máy khác nhau có thể thu được giá trị A khác nhau. Có nhiều nguyên nhân nhưng trước hết là tính đơn sắc của ánh sáng.
− Khoảng nồng độ phải thích hợp: Do nhiều nguyên nhân vật lý (sự phản xạ, sự khuếch tán ánh sáng...) hóa học (sự phân ly, ảnh hưởng của lực ion...) mà định luật chỉ đúng trong một giới hạn nồng độ nhất định. Vì vậy khi xây dựng phương pháp định lượngcần khảo sát kỹ để tìm khoảng nồng độ thích hợp. − Các yếu tố hóa học khác: Làm thế nào để chất hấp thu ánh sáng không bị biến
đổi bởi các phản ứng hóa học trong dung dịch. Vì vậy pH của dung dịch, sự có mặt của các chất lạ có khả năng phản ứng với chất cần đo hoặc gây nhiễu sự hấp thu ánh sáng của chất cần đo đều phải tính đến. Dung dịch chất cần đo phải trong suốt, chất thử phải bền dưới tác dụng của ánh sáng UV – VIS.
3.2.2.3. Ứng dụng phương pháp phổ hấp thu phân tử
Phương pháp phổ hấp thu phân tử được ứng dụng rộng rãi trong kiểm nghiệm thực phẩm, kiểm nghiệm dược, phân tích môi trường...Trong kiểm nghiệm thực phẩm, quang phổ hấp thu phân tử ứng dụng phân tích metanol, furfurol, Fe trong sữa...
− Định tính: Về nguyên tắc có thể dựa vào phổ chất cần nghiên cứu với phổ chất chuẩn để định tính xem chất đó có đúng là chất đang được dự kiến không. Nhưng với phổ UV – VIS có rất ít thông tin đặc trưng về cấu trúc, vì thế hay dùng phổ hồng ngoại (IR) để xác định cấu trúc các chất được chính xác hơn.Tuy nhiên trong một số trường hợp, việc định tính một số chất có thể dùng cách so sánh vị trí cực đại và cực tiểu hấp thụ và tỉ lệ mật độ quang giữa các bước sóng đó phải nằm trong một giới hạn cho phép.
Ví dụ: Định danh một số phẩm màu hữu cơ tan trong nước (E 102 bước sóng cực đại ở 426nm, E 110 bước sóng cực đại ở 481nm…); cloramphenicol bước sóng cực đại ở 268nm và 274nm; vitamin B12 có 4 cực đại hấp thu ở các bước sóng 223nm, 267nm, 375nm và 444nm.
− Định lượng: Việc định lượng chất tan trong dung dịch dựa vào định luật Lambert – Beer.
+ Lựa chọn bước sóng đạt hấp thu cực đại
+ Chọn khoảng nồng độ thích hợp nghĩa là khoảng nồng độ trong đó quan hệ giữa độ hấp thu và nồng độ là tuyến tính.
+ Chất kiểm nghiệm phải tách ra khỏi hợp chất. Thực hiện phản ứng tạo màu. + Chọn pH và dung môi thích hợp
Các phương pháp định lượng trong phổ hấp thu phân tử:
a. Phương pháp so sánh
So sánh cường độ màu của dung dịch cần xác định với cường độ màu của dung dịch chuẩn đã biết nồng độ.
Điều kiện: cả hai dung dịch trên phải có cường độ nằm trong khoảng tuân theo định luật Beer.
Cx --- Ax Ctc --- Atc Ta cần xác định Cx:
Khi sử dụng 2 dung dịch chuẩn:
Với A1, A2 và C1, C2: độ hấp thu của hai dung dịch chuẩn và nồng độ của các dung dịch chuẩn tương ứng, sao cho:A1< Ax< A2 cũng có nghĩa C1< Cx< C2
b. Phương pháp thêm chuẩn
Phạm vi ứng dụng là xác định các chất có hàm lượng vi lượng hoặc siêu vi lượng, loại bỏ ảnh hưởng của chất lạ. Có 2 phương pháp là phương pháp sử dụng công thức và phương pháp đồ thị.
Phương pháp sử dụng công thức:
Ax: độ hấp thu của dung dịch xác định tương ứng với thể tích Vx Ax+a: độ hấp thu của dung dịch có thêm chuẩn
Ca: nồng độ chất chuẩn thêm vào
Cx: nồng độ chất cần xác định trong thể tích Vx Công thức được thiết lập từ:
Ax = εlCx Ax+a = εl(Cx + Ca) Cx được biểu diễn theo đơn vị của Ca
Cách thực hiện: Lấy 3 thể tích như nhau của dung dịch cần xác định nồng độ cho vào 3 bình định mức có thể tích V (ml).
Bình 1: Thêm thuốc thử và các chất để tạo môi trường pH cho dung dịch, dung dịch gọi là dung dịch xác định nồng độ Cx, độ hấp thu tương ứng là Ax.
Bình 2: Thêm một lượng chính xác dung dịch tiêu chuẩn đã biết chính xác nồng độ Ca, tiến hành phản ứng tạo màu giống như bình 1. Dung dịch có độ hấp thu tương ứng là Ax+a
Bình 3: Chỉ thêm thuốc thử và các chất để tạo pH cho dung dịch, lấy dung dịch này làm dung dịch so sánh.
Áp dụng công thức:
Từ Cx có trong thể tích Vx (ml) có thể qui về thể tích ban đầu của mẫu Vo (ml):
Phương pháp sử dụng đồ thị:
Có ít nhất 3 dung dịch thêm chuẩn. Lấy ít nhất 4 lần thể tích như nhau của dung dịch cần xác định nồng độ cho vào 4 bình định mức V (ml). Sau đó thêm chính xác một lượng V1, V2, V3 ml dung dịch chuẩn có nồng độ tương ứng Ca1, Ca2, Ca3 vào 3 bình định mức trên. Tiến hành phản ứng tạo màu. Bình còn lại để làm dung dịch so sánh, cũng chuẩn bị giống như phương pháp công thức.
Độ hấp thu của các dung dịch thêm so với dung dịch so sánh.
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ và độ hấp thu trong phương pháp thêm chuẩn
Có thể đọc kết quả trên đồ thị hoặc sử dụng phương trình hồi quy có dạng: A= aC + b (hồi quy tuyến tính y = ax + b)
Ax = b Cx = b/a
c. Phương pháp đường chuẩn
Ưu điểm là chính xác, có thể sử dụng đường chuẩn nhiều lần để tiến hành xác định mẫu thử.
Thực hiện phản ứng màu với thuốc thử.
Đo độ hấp thu quang A của dung dịch ở λmax so với các dung dịch so sánh được chuẩn bị giống như dung dịch chuẩn nhưng không chứa các ion cần xác định.
Biểu diễn sự phụ thuộc A theo C trên đồ thị hoặc tính theo phương trình hồi quy A = aC + b (a và b là hệ số cần tìm của phương trình hồi quy – tương quan)
Dung dịch xác định: chuẩn bị và phản ứng tạo màu với thuốc thử giống như mẫu chuẩn.
Ví dụ: Sử dụng dung dịch chuẩn để xây dựng đường chuẩn như bảng 3.1
Bảng 3.1. Bảng số giá trị nồng độ dung dịch chuẩn và độ hấp thu đo được
Bình định mức C(mg/l) A 1 0 0,010 2 0,05 0,480 3 0,1 0,930 4 0,15 1,370 5 0,2 1,830 6 0,25 2,281
Sau khi đo được giá trị độ hấp thu quang của các dung dịch chuẩn, chúng ta có thể tiến hành xây dựng đường chuẩn và tìm ra phương trình hồi quy tương quan:
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ và độ hấp thu A
Sau khi thiết lập đường chuẩn, ta được dạng phương trinh y = ax + b với y là độ hấp thu quang , x là nồng độ. Đối với dung dịch xác định, ta tiến hành phản ứng và đo được hệ số hấp thu của mẫu (Amẫu = y), ta có thể tính được nồng độ của mẫu cần xác định theo phương trình: