Nội dung Chương Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử 4.1 Nguyên tắc phương pháp phổ phát xạ nguyên tử (AAS) 4.2 Điều kiện tạo thành phổ hấp thụ nguyên tử 4.2.1 Q trình ngun tử hóa 4.2.2 Sự hấp thụ xạ cộng hưởng 4.3 Sơ đồ thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử 4.3.1 Nguồn phát xạ cộng hưởng 4.3.2 Điều biến nguồn gương xoay 10 4.3.3 Thiết bị nguyên tử hóa 10 4.4 Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử 11 4.5 Ứng dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử 11 4.6 Câu hỏi ôn tập 12 Chương Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Apsorption Spectroscopy) 4.1 Nguyên tắc phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) Phương pháp AAS dựa vào khả hấp thụ chọn lọc xạ cộng hưởng nguyên tử trạng thái tự (Đối với nguyên tử vạch cộng hưởng vạch quang phổ nhạy phổ phát xạ ngun tử ngun tố đó) Thơng thường hấp thụ xạ cộng hưởng, nguyên tử chuyển từ trạng thái ứng với mức lượng sang mức lượng cao mác gần mức lượng nhất, người ta gọi chuyển cộng hưởng (hình 4-1) NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ Ở TRẠNG NGUYÊN TỬ Ở THÁI CƠ BẢN TRẠNG THÁI KÍCH THÍCH Hình 4-1 Q trình hấp thụ nguyên tử Trong phương pháp này, nguyên tử tự (ở trạng thái hơi) tạo tác dụng nguồn nhiệt biến chất từ tập hợp thành trạng thái nguyên tử, q trình ngun tử hóa Q trình ngun tử hóa thực phương pháp lửa: cách phun mù dung dịch phân tích trạng thái sol khí vào đèn khí, phương pháp khơng lửa: nhờ tác dụng nhiệt lị graphit Aerosol (sol khí) trạng thái huyền phù hạt rắn hay lỏng (các hạt kích thước siêu hiển vi) phân chia tốt pha khí Trong lửa lò graphit chất nghiên cứu bị nhiệt phân tạo thành nguyên tử tự Trong điều kiện nhiệt độ khơng q cao (1500÷3000°C) đa số nguyên tử tạo thành trạng thái Bấy ta hướng vào luồng chùm xạ điện từ có tần số tần số cộng hưởng, phần xạ điện từ bị hấp thụ nguyên tử, vậy, I≤ Io Nghiên cứu phụ thuộc cường độ vạch phổ hấp thụ nguyên tố vào nồng độ C nguyên tố mẫu phân tích, lí thuyết thực nghiệm cho thấy rằng, vùng nồng độ C nhỏ chất phân tích, mối quan hệ cường độ vạch phổ hấp thụ nồng độ C nguyên tố đám tuân theo định luật LambertBeer, nghĩa chiếu chùm sáng cường độ ban đầu Io qua đám nguyên tử tự nguyên tố phân tích nồng độ C bề dầy L cm, có: A = log = KνLC (4-1) A: độ hấp thụ đại lượng không thứ nguyên Io, I: cường độ ánh sáng trước sau bị nguyên tử hấp thụ Kν: hệ số phụ thuộc vào bước sóng λ, M-1cm-1 L: độ dày lớp nguyên tử, cm C: nồng độ chất nghiên cứu lớp hơi, M Vậy, phương pháp phổ phát xạ nguyên tử, nồng độ chất nghiên cứu xác định dựa vào cường độ vạch phát xạ mà cường độ vạch lại tỉ lệ với nồng độ chất bị kích thích phương pháp AAS có sở khác hẳn Ở tín hiệu phân tích lại liên quan đến nguyên tử khơng bị kích thích Người ta chứng minh thông thường số nguyên tử trạng thái kích thích khơng q 1÷2% số ngun tử chung Đó lý để phương pháp AAS có độ nhạy cao (có thễ xác định nồng độ phạm vi ppm-ppb) với độ xác cao 4.2 Điều kiện tạo thành phổ hấp thụ nguyên tử 4.2.1 Quá trình nguyên tử hóa Để phân tích chất theo phương pháp AAS, người ta phải biến chất nghiên cứu từ trạng thái tập hợp thành trạng thái ngun tử tự do, q trình ngun tử hóa phương pháp AAS Q trình ngun tử hóa thường thực với tác dụng nguồn nhiệt theo phương pháp lửa hay không lửa Q trình ngun tử hóa q trình mà mẫu thường dạng dung dịch bị bay phân hủy thành nguyên tử Giả sử kim loại nghiên cứu Me dung dịch hợp chất MeX, dung dịch MeX phun vào lửa đèn khí dạng sol khí Trong lửa đèn khí xảy trình nhiệt phân phân tử MeX MeX = Me + X (4-2) Bên cạnh trình (4-2) có xảy q trình khác q trình tạo hợp chất MeO, MeOH, MeH làm giảm nồng độ nguyên tử Me Để giảm trình tạo hợp chất chứa oxy kim loại, người ta phải tạo điều kiện để bầu khí lửa có tính khử mạnh Trong lửa xảy trình ion hóa ngun tử làm giảm độ nhạy phép phân tích Để hạn chế ion hóa này, người ta phải đưa vào dung dịch phân tích chất dễ bị ion hóa để tăng “nền electron” bầu khí Có hai loại nhiễu kể đến phương pháp AAS Thứ nhất, nhiễu phổ (spectral interferences), xảy hạt vật chất từ trình ngun tử hóa tán xạ xạ tia tới, hay hạt (phân tử, ion, nguyên tử) hấp thụ bước sóng gần với bước sóng cộng hưởng chất phân tích gây nhiễu Sự nhiễu phổ xen phủ vạch (chồng vạch phổ) vạch phát xạ nguồn catot rỗng hẹp Tuy nhiên, nhiễu xảy khoảng cách hai vạch phổ 0,01 nm Ví dụ, vạch Vanadi 308,211 nm gây nhiễu phân tích Al vạch 308,215 nm Sự nhiễu biết tránh được, ví dụ ta chọn vạch Al khác, ví dụ, vạch 309,270 nm Sự nhiễu phổ có mặt sản phẩm cháy dạng phân tử, thể đảm phổ hấp thụ bị giãn nở hay sản phẩm dạng hạt gây tán xạ ánh sáng Trong loại nhiễu này, cường độ tia ló bị làm yếu cấu tử nền, cường độ tia tới giữ nguyên, việc đo A mắc sai số dương, ảnh hưởng tới kết xác định nồng độ C Ví dụ, xác định Ba hỗn hợp chứa kim loại kiềm Bước sóng vạch Ba sử dụng • phân tích AAS xuất đám phổ CaOH , Ca gây nhiễu phân tích Ba Ta loại trừ nhiễu cách thay KNO3 không khí chất oxy hóa, nhiệt độ lửa nhờ cao • để phân hủy loại trừ đám phổ CaOH hấp thụ Sự nhiễu phổ tán xạ sản phẩm nguyên tử hóa thường xảy dung dịch chứa nguyên tố Ti, Zr (Ziconium) Vonfram - dạng oxit bền – tạo lửa May thay, nhiễu phổ sản phẩm không phổ với q trình ngun tử hóa lửa thường tránh nhiều cách điều chỉnh tham số q trình phân tích nhiệt độ tỉ lệ nhiên liệu/chất oxy hóa Người ta thêm vào chất đệm xạ điện từ (radiation buffer) chất thêm vào với lượng lớn vào dung dịch chuẩn mẫu nghiên cứu mà có mặt chất ngăn cản nhiễu phổ Thứ hai, nhiễu hóa học (chemical interferences), kết nhiều q trình hóa học xảy q trình ngun tử hóa làm thay đổi tính chất hấp thụ chất phân tích Sự nhiễu hóa học giảm tới mức nhỏ việc lựa chọn điều kiện thích hợp Hầu hết loại nhiễu hóa học anion, anion tạo hợp chất có độ bay thấp với chất cần phân tích, làm giảm tốc độ nguyên tử hóa Kết thu mắc sai số âm Ví dụ, xác định Ca, độ hấp thụ 2- 3- giảm tăng nồng độ anion gây nhiễu SO4 , PO4 tạo hợp chất khó bay với ion canxi Sự nhiễu tạo hạt có độ bay thấp loại trừ giảm thiểu cách sử dụng nhiệt độ cao Các tác nhân giải phóng (releasing agents) cation mà ưu tiên phản ứng với chất gây nhiễu, ngăn cản chất gây nhiễu phản ứng với chất phân tích, đưa vào Ví dụ, thêm ion Sr (Strontium) hay La 3- làm giảm nhiễu ion PO4 xác định Ca Ở đây, ion Sr hay La thay chất phân tích tạo hợp chất khó bay Các tác nhân bảo vệ (protective agents) ngăn cản nhiễu cách ưu tiên tạo hợp chất ổn định dễ bay với chất phân tích Có ba thuốc thử phổ biến dùng cho mục đích EDTA, 8-hydroxyquinolin APDC 3- (muối amoni 1-pyrolidin-cacbodithioic axit) Ví dụ, có mặt EDTA loại trừ nhiễu Si, ion PO4 , 2- SO4 xác định Ca Hiệu ứng ion hóa: Quá trình ion hóa ngun tử phân tử thường khơng đáng kể hỗn hợp cháy mà khơng khí chất oxy hóa Tuy nhiên, oxy hay KNO3 chất oxy hóa, nhiệt độ lửa cao, ion hóa lửa đáng kể Ta có cân bằng: M ⇋ M + + e+ + Ở đây, M nguyên tử trung hòa, M ion Thơng thường phổ M hồn tồn khác phổ M, q trình ion hóa chất phân tích làm kết nhận thấp thực tế Nếu ta đưa thêm vào môi trường hạt B, bị ion hóa theo phương trình: B ⇋ B+ + eThì mức độ ion hóa ion M giảm hiệu ứng khối lượng hoạt động (mass action effect) electron dạng B Như vậy, sai lệch q trình ion hóa thường loại trừ cách thêm chất dễ bị ion hóa (ionization suppressor) với nồng độ đủ lớn Muối kali thường sử dụng ionization suppressor lượng ion hóa nguyên tố thấp 4.2.2 Sự hấp thụ xạ cộng hưởng Khi ta hướng vào lớp nguyên tử kim loại Me chùm xạ điện từ có tần số tần số cộng hưởng nguyên tố kim loại Me, xảy tượng hấp thụ cộng hưởng để chuyển lên mức lượng kích thích gần Me + hν → Me* (4-3) Quá trình hấp thụ (4-3) tuân theo định luật hấp thụ (4-1) Như đề cập phần trước, nguồn nhiệt không cao (T≤3000°C), nhiều nguyên tố, nồng độ nguyên tử bị kích thích khơng đáng kể (1-2% so với nồng độ chung nguyên tử) bị thay đổi theo nhiệt độ Do đó, phổ hấp thụ nguyên tử, số nguyên tử có khả hấp thụ xạ cộng hưởng thực tế số nguyên tử chung nguyên tố cần xác định bị ảnh hưởng nhiệt độ nguồn nhiệt Đó lý phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử thường cho kết phân tích xác độ nhạy cao phương pháp phổ phát xạ nguyên tử A λ, nm 200 300 400 500 600 E, eV 5p 4,0 4p 3,0 3p 2,0 1,0 0,0 285nm 330nm 590nm 3s Hình 4-2 (a) Phổ hấp thụ Na, (b) sơ đồ bước chuyển lượng Na Vạch cộng hưởng λ=590nm; λ=330nm; λ=285nm; Câu hỏi: Tại phương pháp AES lại có độ nhạy cao thay đổi nhiệt độ lửa so với phương pháp AAS? Trả lời: Trong AES, tín hiệu phân tích định số nguyên tử hay ion bị kích thích, trong AAS, tín hiệu phân tích lại liên quan đến số ngun tử khơng bị kích thích Thơng thường, số ngun tử khơng bị kích thích vượt số nguyên tử bị kích thích nhiều lần Tỉ số ngun tử khơng bị kích thích số ngun tử bị kích thích mơi trường nhiệt độ cao biến thiên theo hàm số mũ với nhiệt độ (Phân bố Boltzmann mô tả mối quan hệ số ngun tử bị kích thích N* khơng bị kích thích N° T nhiệt độ (K), k số Boltzmann (1,381×10-23J/K) g° trạng thái g° = 1, g* trạng thái bị kích thích, thường g* = 2) Bởi vậy, thay đổi nhỏ nhiệt độ đưa tới thay đổi lớn số nguyên tử bị kích thích Số ngun tử khơng bị kích thích thay đổi nhỏ chúng có mặt với lượng lớn Như vậy, phương pháp AES có độ nhạy lớn theo thay đổi nhiệt độ so với AAS 4.3 Sơ đồ thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử gương xoay Nguồn Mẫu Ngọn lửa Bộ tán sắc Detector Hình 4-3 Sơ đồ phổ hấp thụ nguyên tử Hình 4-4 Thiết bị phổ hấp thụ nguyên tử Máy tính 4.3.1 Nguồn phát xạ cộng hưởng Có hai loại đèn sử dụng AAS: đèn catot rỗng (HCL-hollow cathode lamp) đèn phóng điện khơng cực cao tần (EDL-electrodeless discharge lamp) HCL dùng phổ biến, loại đèn phát xạ tốt, có độ chói sáng cao, vạch phổ hẹp cường độ ổn định Cấu tạo: gồm anot vonfram, catot chế tạo kim loại cần phân tích có dạng hình trụ hay cốc nhỏ, người ta sử dụng loại vật liệu bền làm chất mạng phủ lớp kim loại cần phân tích Anot catot bịt kín bóng thủy tinh hình trụ (hình 4-5) chứa khí trơ Ar Nr với áp suất 1-5 at Hình 4-5 Sơ đồ đèn catot rỗng Sự bứt xạ (sputtering): Khi đặt điện áp khoảng 300V hai điện cực xảy ion hóa Ar, cation Ar điện tử di chuyển đến hai cực (dịng điện phóng khoảng 5-10 mA) Nếu điện áp đủ lớn, cation Ar công catot với lượng đủ để đánh bật số nguyên tử kim loại tạo đám mây nguyên tử Như vậy, bứt xạ trình mà nguyên tử hay ion phát từ bề mặt kim loại chùm tia hạt tích điện Ar+ (-) M* (-) M° M* M° Ar+ Sự bứt xạ Sự kích thích (-) M° λ Sự phát xạ Hình 4-6 Quá trình đèn catot rỗng Một số nguyên tử kim loại bị bứt xạ chuyển lên trạng thái kích thích phát xạ bước sóng đặc trưng (bước sóng cộng hưởng) trở trạng thái Các nguyên tử kim loại bứt xạ đèn tích điện khuếch tán bề mặt catot lắng kết HCL ứng dụng cho khoảng 62 nguyên tố khía cạnh thương mại Một vài loại HCL chứa đa nguyên tố (có thể lên tới 17 nguyên tố) Những nghiên cứu HCL quan tâm rộng rãi gắn liền với phát triển phương pháp AAS Đèn phóng điện cao tần – EDL: Đơi EDL cung cấp nguồn xạ cộng hưởng có cường độ lớn thời gian sống dài so với HCL Sử dụng EDL nâng cao độ nhạy xác định số nguyên tố so với HCL, ví dụ As, Se, P EDL ứng dụng cho 18 nguyên tố khía cạnh thương mại Cấu tạo: lượng nhỏ nguyên tố cần phân tích hay muối bịt kín bóng đèn thạch anh với lượng nhỏ khí trơ (một vài at) Bóng đèn đặt xylanh gốm, hộp cộng hưởng có dạng hình xốy ốc Trong trường tần số radio hay vi sóng, Ar bị ion hóa ion gia tốc dòng cao tần đến đạt lượng đủ để kích thích nguyên tử kim loại để phát xạ xạ cộng hưởng 4.3.2 Điều biến nguồn gương xoay Quá trình điều biến định nghĩa thay đổi vài tính chất tín hiệu tần số, độ khuếch đại, hay bước sóng AAS, tần số nguồn điều biến từ liên tục đến gián đoạn Giữa nguồn lửa người ta đặt gương xoay (quay mơ tơ) (hình 4-3) Phần kim loại gương chuyển động để xạ qua nửa gương, nửa phản xạ Gương quay với tốc độ không đổi làm cho tia tới lửa biến đổi định kỳ từ cường độ đến cực đại sau quay trở lại 4.3.3 Thiết bị nguyên tử hóa Trong phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử người ta hay dùng lửa làm phương tiện nguyên tử hóa Ngọn lửa dùng phương pháp giống với lửa phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử Ngoài ra, phương pháp dùng loại lò graphit làm thiết bị ngun tử hóa Một kiểu lị trình bày hình 4-7 Hình 4-7 Lị graphit Đây loại lị ống graphit có thành mỏng dài từ 9÷30 mm, đường kính 4÷5 mm Hai đầu lò kẹp chặt vào hai tiếp điểm graphit dày, Để lò khỏi bị cháy người ta ln thổi qua lị dịng argon, dịng khí ngăn bớt thất thoát lượng mẫu bay khỏi buồng ngun tử hóa Tồn lị đặt bao lạnh, làm lạnh nước Dung dịch mẫu đưa vào lò pipet với lượng 50÷100 μl 10 qua lỗ mở lị Sau sấy mẫu, lị đốt nóng đến nhiệt độ khơng cao q 3000°C Khi bã khơ mẫu bay hơi, mẫu chiếm đầy toàn ống lò Nhiệt độ lò graphit điều khiển thiết bị điện tử theo chương trình chọn trước Thường nhiệt độ lị điều khiển theo thời gian chia làm giai đoạn: - Giai đoạn sấy mẫu (để làm bay dung môi); - Giai đoạn tro hóa (tro hóa phân tử hợp chất hữu cwo đuổi bớt nguyên tố nền); - Giai đoạn nguyên tử hóa (cho bay riêng nguyên tố cần xác định chuyển nguyên tố xác định trạng thái nguyên tử); 4.4 Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử Việc giảm cường độ xạ cộng hưởng tượng hấp thụ cộng hưởng nguyên tử nguyên tố tuân theo định luật Lambert-Beer (phương trình 4-1) Đối với bước sóng tia tới đơn sắc với chất nghiên cứu cụ thể Kν = const, với điều kiện thực nghiệm cụ thể chiều dài lửa L = const Như phương trình (4-1) viết dạng: A = log = KC (4-4) Dựa vào phụ thuộc tuyến tính độ hấp thụ A nồng độ nguyên tố nghiên cứu người ta xây dựng phương pháp xác định nồng độ theo thủ tục phương pháp đường chuẩn, thông thường người ta thực theo phương pháp thêm tiêu chuẩn Nội dung thủ tục tương tự trình bày chương 4.5 Ứng dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử Phương pháp AAS ứng dụng để phân tích chất nhiều đối tượng phân tích khác nhau, đặc biệt với mẫu có nồng độ chất nghiên cứu thấp Với phương pháp phổ AAS, người ta xác định 70 nguyên tố (Mg, Zn, Cu, Ca, Pb, Fe, Ag, Ni, Hg, Cd, Au, As ) đối tượng thực tế khác 11 4.6 Câu hỏi ôn tập Trình bày phương trình Lambert-Beer phát biều cường độ vạch phổ hấp thụ nguyên tử phụ thuộc vào nồng độ chất phân tích Trình bày cấu tạo chế hoạt động đèn catot rỗng HCL đóng vai trị xạ đơn sắc phổ hấp thụ nguyên tử Tại phương pháp AES lại có độ nhạy cao thay đổi nhiệt độ lửa so với phương pháp AAS? 12 ... trở lại 4.3 .3 Thiết bị nguyên tử hóa Trong phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử người ta hay dùng lửa làm phương tiện nguyên tử hóa Ngọn lửa dùng phương pháp giống với lửa phương pháp quang phổ phát... đồ thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử gương xoay Nguồn Mẫu Ngọn lửa Bộ tán sắc Detector Hình 4-3 Sơ đồ phổ hấp thụ nguyên tử Hình 4-4 Thiết bị phổ hấp thụ nguyên tử Máy tính 4.3 .1 Nguồn phát... đuổi bớt nguyên tố nền); - Giai đoạn nguyên tử hóa (cho bay riêng nguyên tố cần xác định chuyển nguyên tố xác định trạng thái nguyên tử) ; 4.4 Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử Việc giảm