Các phương pháp phân tích công cụ - Phần 1 - TS. Nguyễn Đình Lâm

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÔNG CỤ

PHẦN 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC

PHẦN 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỆN HÓA

PHẦN 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH

PHẦN 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC

CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ UV-VIS

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ

1.ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC

Sóng điện từ chính là các hạt foton di chuyển và dao động trong không gian với vận tốc lớn.

Độ dài sóng 10- 190 nm 190 -370 nm 370-800 800 - 2500 nm Miền phổ Tử ngoại xa Tử ngoại gần Khả kiến Hồng ngoại gần Tác dụng

với vật chất Kích thích các electron làm cho chúng chuyển

lên mức năng lượng cao hơn Kích thích dao

động của phân tử

1.1 PHỔ ĐIỆN TỪ VÀ NĂNG LƯỢNG CÁC VÙNG PHỔ KHÁC NHAU

1.1 PHỔ ĐIỆN TỪ VÀ NĂNG LƯỢNG CÁC VÙNG PHỔ KHÁC NHAU

Năng lượng của sóng điện từ : E = h ; = C/;vậy λC.hE , h là hằng số Plank

6,62.10-27 erg.giây; là tần số dao động điện từ; C là tốc độ ánh sáng 3.1010 cm/giây. Sóng điện từ có năng lượng cao khi tần số cao hay bước sóng ngắn 0,005 -10 nm là vùng tia X, năng lượng rất cao 10- 200 nm là vùng tử ngoại xa bị oxi, hơi nước, polime, thuỷ tinh hấp thụ. 200-800 nm phương pháp quang phổ nguyên tử và phân tử. 400 800 nm gọi là vùng khả kiến vì mắt người ta cảm nhận được. 800 2500 nm được gọi là vùng hồng ngoại gần, ít được dùng trong phân

tích định lượng nhưng được dùng nhiều để phân tích cấu trúc. Trong quang phổ hấp thụ dùng số sóng (cm 1), nó là số bước sóng trong 1

cm. Như vậy = 1(cm) hay (nm) = 107.

Suy ra: (cm 1) = )nm(107

(nm) =

107

( )cm 1


1.2 SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG KHI SÓNG ĐIỆN TỪ TÁC DỤNG VỚI VẬT CHẤT

1.2.1 Các kiểu biến đổi năng lượng Khi photon của tia sáng đi qua hạt nguyên tố có khả năng hấp thụ (phù hợp về năng lượng), năng lượng của photon truyền cho hạt cơ bản làm cho chúng trở thành trạng thái kích thích. Tuy nhiên trạng thái này không bền, khoảng 10-6 - 10-9 giây, nó nhanh chóng trở về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn hoặc mức cơ bản và giải toả năng lượng dưới 3 dạng chủ yếu sau: 1. Biến đổi hóa học của chất ( thí dụ chuyển hoá Fe3+ thành Fe2+). 2. Giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (huỳnh quang) 3. Biến đổi năng lượng thành chuyển động quay, dao động của nguyên tử, chuyển

dịch electron lên mức năng lượng mới và cuối cùng là giải phóng nhiệt. Các biến đổi trên tuỳ thuộc chất hấp thụ và năng lượng ánh sáng kích thích, tuy

nhiên hai dạng biến đổi sau được sử dụng nhiều trong phân tích.



Trường hợp thứ nhất, sự biến đổi hoá học xảy ra có thể làm tăng hoặc giảm số oxi hoá của chất bị tác động. Trường hợp thứ hai khi bị kích thích, electron nhảy lên mức năng lượng cao hơn và ở trạng thái này với thời gian rất ngắn, khi trở lại trạng thái mức năng lượng thấp hơn, năng lượng giải toả dưới dạng ánh sáng, còn gọi là ánh áng thứ cấp. Do năng lượng đã bị mất một phần do biến thành nhiệt nên ánh sáng thứ cấp có bước sóng dài hơn so với ánh sáng kích thích.



Năng lượng biến đổi thành nhiệt năng Khi các phân tử nhận năng lượng từ sóng điện từ, phân tử chuyển lên mức năng

lượng mới, trạng thái này không bền, năng lượng được chuyển hóa với ba dạng năng: Phân tử quay xung quanh các trục khác nhau. Nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong phân tử dao động tương đối với nhau. Các electron trong hệ chuyển dịch lên các orbital không liên kết.

Cả ba trường hợp này năng lượng nhận được nhỏ chủ yếu là các sóng UV-VIS. Các electron trong phân tử được chia làm 4 loại:

- Electron ở các quỹ đạo bền, không tham gia liên kết, không hấp thụ UV. - Các electron hóa trị tham gia liên kết, loại này cần năng lượng cao mới kích thích

được, thường là vùng tử ngoại nên có khả năng hấp thụ UV. - Các electron tự do không tham gia liên kết, thí dụ các cặp e của N, O, S. các

electron này rất dễ kích thích. Loại cuối cùng là các electron tham gia liên kết , loại này cũng rất dễ bị kích thích đến *.Các thí dụ về chuyển dịch electron trong phân tử foocmadehit: HCHO: = C = O = C+ O- đây là kiểu chuyển dịch * và e- tự do *.


Sự biến đổi năng lượng tạo phổ hấp thụ phân tử UV-VIS.Khi chùm sáng (photon) có năng lượng thích hợp nằm trong vùng sóng 190 - 800 nm

chiếu vào, phân tử nhận năng lượng, trở thành trạng thái kích thích. Năng lượng tổng E(ts) của chùm sáng mà phân tử đã nhận được đó cuối cùng biến thành nhiệt năng nhưng có 3 dạng chuyển hóa:

E(ts) = E(e) + E(d) + E(q) E(e) là dạng chuyển mức các electron: Trong phân tử, các điện tử tham gia vào liên kết

trong các liên kết , , ngoài ra còn có các đôi điện tử không liên kết (n), sẽ hấp thụ năng lượng của chùm sáng và nó chuyển lên trạng thái năng lượng cao Em. Khi phân tử chất bị kích thích như thế, nó có sự chuyển mức năng lượng: * ; * ; n * hay n *

Ed và Eq: là năng lượng quay và dao động của nguyên tử trong phân tử. Nó được hình thành khi phân tử của chất nhận năng lượng bởi chùm sáng kích thích, tuy nhiên do năng lượng thấp nên tác động của nó chỉ làm quay hoặc dao động các nguyên tử quanh vụ trí cân bằng. Sau khi chất hấp thụ, ta đo phần còn lại của chùm sáng chiếu vào ban đầu đó tạo ra phổ hấp thụ quang phân tử của chất. Vì thế phổ loại này đợc gọi là quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS.

1.ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC1.2 SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG KHI SÓNG ĐIỆN TỪ TÁC DỤNG VỚI VẬT

CHẤT

Để đưa nguyên tử sang trạng thái kích thích, một yêu cầu bắt buộc là nó phải ở dạng khí hay thể khí.

Mẫu ban đầu có thể rắn hay lỏng, tuy nhiên sau khi chuẩn bị mẫu, chúng ở dạng lỏng. Quá trình hóa hơi làm nó chuyển sang rắn rồi khí, do đó: M(r) + E M(k).

Khi kích thích M(k) bằng nguồn năng lượng Em, có hai khả năng: 1. Năng lượng Em không phù hợp, nguyên tử không hấp thụ Em, tương tác đàn hồi và không sinh phổ. 2. Năng lượng Em phù hợp, nguyên tử sẽ hấp thụ năng lượng Em và nhảy lên mức năng lượng cao, va chạm không đàn hồi. Có sự trao đổi năng lượng (cho- nhận), nguyên tử bị kích thích lên trạng thái M(k)* và sau đó phát ra các tia phát xạ, dưới dạng h, đó là phổ phát xạ của nguyên tử. Mẫu (M) M(k) Em + M(k) M(k)*

M(k)* M(k)o + E(h)→ Phổ AES của M


Sự biến đổi năng lượng tạo phổ phát xạ nguyên tử.


Đưa nguyên tử từ trạng thái cơ bản thể rắn về thể khí, M(r) + E M(k) rồi chiếu vào đám hơi đó 1 chùm sáng kích thích có xác định, có hai trường hợp: 1. Năng lượng E của chùm sáng không phù hợp, nguyên tử không hấp thụ E, tương tác đàn hồi, không có phổ. 2. Năng lượng E của chùm sáng phù hợp, nguyên tử hấp thụ năng lượng E của tia và nhảy lên mức năng lượng cao. Va chạm không đàn hồi xảy ra và có sự trao đổi năng lượng, E(h) + Mo(k) M(k)*. Đó là quá trình hấp thụ năng lượng E của nguyên tử, và nó từ mức Ecb Em. Khi đo phần còn lại của chùm sáng kích thích, thu được phổ gọi là Phổ hấp thụ nguyên tử. Phổ hấp thụ nguyên tử có tính chất sau: + Sự tương tác của năng lượng của chùm sáng đơn sắc nhất định với vật chất ở thể khí, là các nguyên tử tự do của kim loại ở mức năng lượng cơ bản Eo. + Xẩy ra đối với các vạch phổ đặc trưng và nhạy của các nguyên tố.

1.ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC1.2 SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG KHI SÓNG ĐIỆN TỪ TÁC DỤNG VỚI VẬT

CHẤTSự biến đổi năng lượng tạo phổ hấp thụ nguyên tử.

Các phương pháp phân tích quang học

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ PHÂN TỬ

PP HẤP THỤ PHÂNNTỬ

UV-VIS

PP HUỲNH QUANG

CÁC PP KHÁC (HỒNG NGOẠI,

PHÂN CỰC, KHÚC XẠ, ĐỘ ĐỤC,

PP QUANG PHỔ PHÁT XẠ NT

PP QUANG PHỔ HẤP THỤ NT


Các phương pháp khác1. Phương pháp khúc xạ, dựa trên phép đo chiết xuất của chất nghiên cứu; 2. Phương pháp phân cực, dựa trên sự nghiên cứu góc quay của mặt phẳng ánh sáng

phân cực; 3. Phương pháp phổ hồng ngoại, nghiên cứu sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của chất

phân tích để định lượng và định tính. 4. Phương pháp phổ tia X, nghiên cứu sự nhiễu xạ (chủ yếu) của tia X khi chiếu vào

mẫu nhằm định tính và định lượng. 5. Phương pháp phổ Raman, nghiên cứu phổ tán xạ của chùm sáng tới có bước sóng

xác định trong vùng nhìn thấy khi chiếu vào chất phân tích dung dịch, thường ở góc 90o so với tia tới sau khi đã loại chùm sáng huỳnh quang ...

Những phương pháp này được sử dụng không những định tính và định lượng mà còn nghiên cứu cấu trúc của chất.


1.4 ĐẠI CƯƠNG VỀ CÁC THIẾT BỊ PHÂN TÍCH QUANG HỌC

Nhóm các thiết bị quang phân tử, là các thiết bị phân tích chất ở trạng thái phân tử. Nhóm này gồm các máy đo: + Máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS; + Máy đo huỳnh quang phân tử; + Máy hồng ngoại; + Máy đo khúc xạ …

Đặc điểm chung của các thiết bị này là sử dụng sóng điện từ nghiên cứu mẫu ở trạng thái phân tử dạng lỏng hoặc rắn. Các máy đo có ba phần chức năng cơ bản: Nguồn phát sóng điện từ; Phân giải phổ; Xử lý tín hiệu

Nhóm các thiết bị quang nguyên tử, là các thiết bị nghiên cứu các chất phân tích ở trạng thái nguyên tử. Nhóm này gồm các máy đo: + Máy quang phổ phát xạ nguyên tử + Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử + Máy huỳnh quang nguyên tử hay có thể gọi phát xạ huỳnh quang nguyên tử.


Thiết bị phân giải phổ trong các máy đo quang

a) Phân giải phổ bằng lăng kính

Hình 2.9 Phân giải phổ bằng lăng kính Lăng kính ABC có chiết suất n, khác với chiết suất của môi trường. Khi chiếu chùm sáng có bước sóng và góc tới vào lăng kính có chiết suất n, tia ló có góc lệch đi qua lăng kính. D là góc lệch giữa tia tới và tia ló ra khỏi lăng kính.

Công thức đặc trưng cho lăng kính là:

2An.sin

2DASin

và

(A/2)sinn1

2sin(A/2).dλdn

dλdD

22

Nếu góc A là 60o thì độ tán sắc góc có thể tính theo công thức:

)n(1

2.dλdn

dλdD

2

1.ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC1.4 ĐẠI CƯƠNG VỀ CÁC THIẾT BỊ PHÂN TÍCH QUANG

HỌC

b) Phân giải phổ bằng cách tử. Cách tử có hai loại là phản xạ và truyền qua. Cách tử phản xạ được chế tạo bằng

tấm nhôm phẳng hoặc lõm, khắc rất nhiều các rãnh nhỏ song song (650-3600 vạch trên 1mm). Để bảo vệ cách tử sau khi tạo rãnh, người ta phủ một lớp mỏng SiO2.

Hình 2.10 Cách tử phân giải phổ

Cách tử được điều chế như vậy giống những khe hẹp cỡ nm. Khi chiếu chùm sóng điện từ vào cách tử, gặp những khe hẹp cỡ nm xảy ra hiện tượng nhiễu xạ. Tùy thuộc vào độ rộng của khe hẹp và tùy thuộc vào bước sóng của tia tới, góc phản xạ r có giá trị khác nhau theo biểu thức:

dmλSinr trong đó r là góc phản xạ, d là độ

rộng khe hẹp trên cách tử, là bước sóng tới (cm), m là bậc nhiễu xạ, là các số nguyên.

Thiết bị phân giải phổ


Thiết bị khuếch đại, nhân quang điện (photomultiplier tube)

Thiết bị dạng ống, có chức năng chuyển tín hiệu quang (hν) thành tín hiệu

điện, đồng thời khuếch đại tín hiệu lên có thể đạt hàng triệu lần.

Tín hiệu quang học là những photon đi vào nhân quang điện được chuyển thành electron. Các cực 2,3,4,5,6 thường là các kim loại kiềm, có thế ở cực sau cao hơn cực trước để tăng tốc cho e. Những thiết bị hiện nay có thể nhân 107 electron cho mỗi photon Hình 2.11 Thiết bị nhân quang điện


2.1 ĐỊNH LUẬT BOUGHE - LAMBE – BEER (Định luật Beer) Chiếu một chùm sáng có bước sóng xác định đi qua b lớp dung dịch. Do hấp thụ, sau mỗi lớp dung dịch, ánh sáng giảm đi n lần. Gọi cường độ ánh sáng ban đầu là

Io, sau khi đi qua lớp thứ nhất là I1 ta có: nI

I o1 . Khi đi qua lớp thứ hai, ánh sáng

giảm đi n2 lần, ta có 2o

2 nI

I , tiếp tục với b lớp ta có InI

I bo

n hay bo nI

I

Lấy logarit hai vế, ta có: log I

Io = b.log n = k b. Đại lượng log I

Io ta gọi là độ hấp thụ

quang A, k là hệ số, ta có: A= k.b (2.1)

Hình 2.1 a)Cuvet chứa dung dịch hấp thụ quang b) Hai cuvet cùng chứa một lượng chất màu được quan sát từ trên xuống

2.PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ UV-VIS

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ UV-VIS

Lấy hai lượng chất màu bằng nhau, cùng loại, hòa tan trong cuvet, có thể quan sát dung dịch từ trên xuống. cùng loại, dung dịch một có chiều cao h1, dung dịch 2 có chiều cao h2; h1>h2. Như vậy, nồng độ dung dịch 1 nhỏ hơn dung dịch 2, ta có: K C1b1 = K C2 b2

Tiến hành với nồng độ dung dịch C1 nhỏ hơn C2n lần, tuy nhiên số lớp chất màu lại tăng n lần nên tích số K.C.b không đổi.

Khi thay dung dịch thứ hai bằng chất màu khác, sao cho hai dung dịch 1 và 2 có cùng nồng độ, và số lớp chất màu, C1= C2 và b1= b2. Tuy nhiên, lúc này K1 khác K2 cho nên độ hấp thụ quang khác nhau, ta có phương trình:

K1C b K2 C b (2.2) Như vậy độ hấp thụ quang của một chất màu phụ thuộc vào: Bản chất của chất màu với hệ số K tương ứng Nồng độ chất màu, C Chiều dày lớp hấp thụ, b

Kết hợp cả (2.1) và (2.2), hệ số k trong 2.1 là hằng số phụ thuộc cả hai yếu tố: nồng độ và bản chất

của chất, ta có phương trình: A=εbC


2.2 TÍNH CHẤT CỦA HỆ SỐ HẤP THỤ PHÂN TỬ,

Trong biểu thức A = bC, nếu C được biểu diễn bằng mol/l và b tính bằng cm thì là hệ số hấp thụ phân tử gam. Biểu thức trên cho thấy có giá trị bằng A khi dung dịch có nồng độ bằng 1M đo với cuvét có bề dày b = 1cm. Hệ số hấp thụ phân tử gam đặc trưng cho bản chất hấp thụ ánh sáng và không phụ thuộc vào thể tích dung dịch, bề dày lớp dung dịch và chỉ phụ thuộc vào của dòng sáng tới (I0). Do đó đại lượng thường được coi là tiêu chuẩn khách quan quan trọng nhất để đánh giá độ nhạy của phép định lượng trắc quang, =f(). Thứ nguyên của :

Ta có: = AbC

(2.4)

= l)b(cm).C(M/

A = l /cm-1M 1


2.3 TÍNH CHẤT CỦA ĐỘ HẤP THỤ QUNG A VÀ HỆ QUẢ

2.3.1 Các tính chất a) Phổ hấp thụ quang A phụ thuộc bước sóng của ánh sáng tới.

Chiếu chùm sáng có bước sóng khác nhau đi qua dung dịch hấp thụ, độ hấp thụ của dung dịch phụ thuộc nhiều vào bước sóng (thay đổi bước sóng). Chiếu các chùm sáng có bước sóng thay đổi một cách liên tục từ bước sóng dài đến bước sóng ngắn hơn (hoặc ngược lại), còn gọi là quét phổ, ta thu được phổ hấp thụ là những dải liên tục, có những cực đại hấp thụ, ở các vị trí max khác nhau tuỳ thuộc chất phân tích (hình 2.1).

Hình 2.1

Phổ hấp thụ quang phụ thuộc bước sóng

e

l (nm) l max

e max


b) Độ hấp thụ quang A phụ thuộc nồng độ chất Lập dãy chuẩn chất hấp thụ quang có nồng độ khác nhau trong điều kiện

phù hợp và chiếu chùm sáng có bước sóng cố định ứng với cực đại của phổ hấp thụ chất màu qua dung dịch, ta thu được một dãy số liệu về độ hấp thụ quang của các dung dịch, vẽ vào đồ thị, ta thu được đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ chất, A=f(C).

Hìinh2.2. Đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc A vào nồng độ C. CCx

Ax

A


2.3 TÍNH CHẤT CỦA ĐỘ HẤP THỤ QUNG A VÀ HỆ QUẢ

d) Độ hấp thụ quang A có tính chất cộng tính Nếu dung dịch có nhiều chất hấp thụ, độ hấp thụ quang của dung dịch ở một

bước sóng nhất định là tổng các độ hấp thụ quang thành phần (hình 2.3): A= 1C1b + 2 C2 b +…+ nCnb

2.3.2 Biết và Amax riêng có thể xác định đồng thời nồng độ hai chất trong dd

Hai chất P và Q có hai cực đại hấp thụ tại hai bước sóng 1max và 2max Đo độ hấp thụ quang tại hai bước sóng trên, thu được hai đại lượng hấp thụ A1 và A2, trong đó A1 và A2 đều là tổng của các đại lượng hấp thụ thành phần tại mỗi bước sóng


2.3 TÍNH CHẤT CỦA ĐỘ HẤP THỤ QUANG A VÀ HỆ QUẢ

Thí dụ 1.2: P và Q tạo phức với thuốc thử X, tạo thành PX và QX có hai cực đại hấp thụ ở 400nm và 500 nm, tương ứng với mỗi nguyên tố như sau: 400 nm 500 nm của phức PX 1.104 l /cm-1M 1 1.103 l /cm-1M 1

của phức QX 1.103 l /cm-1M 1 1.104 l /cm-1M 1 Hoà tan hoàn toàn 0,10g mẫu, thêm chất che và thuốc thử rồi định mức đến 100 ml. Đo độ hấp thụ quang (A) ở hai bước sóng 400 nm và 500 nm, được các số liệu sau: A400 = 1.104 CP + 1.103 CQ = 0,500 (2.5) A500 = 1.103 CP + 1.104 CQ = 0,300 (2.6) Tính hàm lượng P, Q trong mẫu biết MP = 65, MQ = 60. Giải: Nhân hai vế của phương trình (2.6) với 10 ta có 1.104 CP + 1.103 CQ = 0,500

1.104 CP + 10.104 CQ = 3,00 Lấy 2 trừ 1 ta có 9,9.104CQ = 2.50

Tính được CQ = 410.9,950,2 =2,525.10-5M %Q = %00152,0

1,01000.100.60.10.525,2 5

x

CP = 4,75.10-5M/l %P = %00308,01,01000

.100.65.10.75,4 5

x


MỐI LIÊN HỆ

GIỮA ĐỘ TRUYỀN QUA T VÀ ĐỘ HẤP THỤ A

Độ truyền qua được định nghĩa, oIIT ;

T1logA

-logT = 0Ilog ε.C.b

I hay εCb10T


2.3.3 Mối liên hệ giữa độ hấp thụ quang (A) và độ truyền qua (T) Thí dụ 1.4 Một mẫu dung dịch chứa trong cuvet 1cm đo độ truyền qua đạt 80% ánh sáng ở một bước sóng nhất định. Nếu độ hấp thụ quang của chất này cũng ở bước sóng đó là 2,0 thì nồng độ chất là bao nhiêu. Giải: Độ truyền qua là 0,8 hay phần trăm truyền qua đạt 80% nên T=0,8. Theo định nghĩa: log T = - ε.b.C hay log 1/T = ε.b.C, vậy theo đầu bài ta có Log 1/T = 2,0 cm-1mol-1 .l .1 cm.C Log 1/0,8 = log 1,25 = 2 mol-1 l.C C = 0,10/2,0 = 0,05M/l


2.4 NHỮNG SAI LỆCH CỦA ĐỊNH LUẬT BEER2.4.1 Những dấu hiệu Độ hấp thụ quang A là hàm bậc nhất của bước sóng, nồng độ C và chiều dày lớp dung dịch đo b: A = f(, C, b). Khi cố định điều kiện đo về bước sóng, và chiều dày lớp dung dịch (thường đo với cuvet 1cm) thì A=f(C), đây là sự phụ thuộc tuyến tính (hình 2.2). Khi sự phụ thuộc này không tuyến tính điều đó có nghĩa là có sự sai lệch. Đây là dấu hiệu thứ nhất về sự sai lệch khỏi định luật Beer. Dấu hiệu thứ hai là phổ hấp thụ của dung dịch chất hấp thụ quang ở những nồng độ khác nhau phải có cực đại ở cùng một bước sóng (các điều kiện khác như pH, thành phần dung giống nhau). Các dung dịch có thành phần giống nhau trừ chất hấp thụ quang có thành phần khác nhau nhưng cực đại hấp thụ lệch nhau thì đây cũng là dấu hiệu của sự không tuân theo định luật Beer.


a) Do ánh sáng không đơn sắc Khi ánh sáng không đơn sắc chiếu qua chất hấp thụ quang, có nghĩa dòng sáng tới có nhiều tia sáng với các bước sóng khác nhau, chất phân tích chỉ hấp thụ một số tia sáng nhất định, tỷ lệ hấp thụ không đồng đều. Khi tăng nồng độ chất phân tích, một số tia sáng đó có thể bị hấp thụ hoàn toàn trong khi một số tia sáng vẫn bị hấp thụ ít, thậm chí không hấp thụ. Kết quả là thu được đường biểu diễn không tăng tuyến tính về độ hấp thụ quang theo nồng độ (do các tia sáng không bị hấp thụ có cường độ đi ra (I) không giảm khi tăng nồng độ)

2.PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ UV-VIS2.4.2 NHỮNG NGUYÊN NHÂN SAI LỆCH CỦA ĐỊNH LUẬT

BEER

2.4.2 NHỮNG NGUYÊN NHÂN SAI LỆCH CỦA ĐỊNH LUẬT BEER

b) Chất hấp thụ quang có thành phần thay đổi 1. Chất hấp thụ quang không bền, thành phần thay đổi khi pha loãng dung dịch Gọi là độ phân ly của phức màu MX, phương trình phân ly như sau: MX M + X (1-)C C C Hằng số phân ly K là

K =[MX]

[M][X] = 2C 1

1 K = 2C = CK (chưa pha loãng) (2.7)

Pha loãng n lần n = n/C

K =C

nK ; S = n 1 = 1)n.(CK

CK

Độ sai lệch S tỷ lệ thuận với K và n , tỷ lệ nghịch với C .(hình 2.4). Để tránh sự phân ly của phức MX, nồng độ thuốc thử X cao, n = 1, S =0.

SHình2.4

Sự phụ thuộc của độ sai lệch S

vào tỷ lệ CK


Ảnh hưởng của ion H+ (pH) tới sự hình thành phức màu. Đa số các thuốc thử dùng trong phân tích phổ hấp thụ phân tử là những muối của axit hay bazơ: M + HX MX + H+ Khi tăng hoặc giảm nồng độ H+, đều làm cân bằng tạo MX thay đổi. Trường hợp pH cao, kim loại M có thể bị thuỷ phân và kết tủa, mặt khác X ở trạng thái X-, như vậy, phức có thể ở trang thái đa phối tử (thí dụ phức Fe(III)- salixilic ở pH 1-3 hình thành phức 1:1 FeSal+ có màu tím, khi tăng pH lên 4, một nửa phức có 2 phối tử, FeSal2

- có màu đỏ; Đến pH 9, phức chuyển sang dạng 3 phối tử, FeSal3 có màu vàng). Trường hợp nồng độ H+ cao, pH thấp, HX tồn tại nhiều, MX cũng hình thành ít. Người phân tích cần chọn ra pH phù hợp cho việc hình thành phức màu vừa đảm bảo phức MX hình thành tốt, độ chính xác và độ lặp lại cao.


BEER

3 Ảnh hưởng của các cấu tử lạ a) Các cấu tử lạ là cation

Kí hiệu cấu tử lạ là ion kim loại M’, nó cũng tác dụng với thuốc thử X tạo hợp chất màu M’X tương tự MX. Như vậy, hợp chất này cũng hấp thụ quang, làm sai lệch kết quả đo về phía dương. Để tránh hiện tượng này, phải chọn thuốc thử X có hằng số bền với M cao hơn với M’ (hằng số bền lớn hơn 104 lần thì không ảnh hưởng). Trường hợp thuốc thử là anion của axit yếu, cần sử dụng nồng độ H+ làm phương tiện để che.


BEER

Thí dụ 1.6 Tính pH cần thiết để xác định Fe3+ bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS với thuốc thử axit salixilic (H2Sal) 10-2M khi có mặt Cu2+. Cho hằng số phân ly H2Sal là 10-16, hẳng số phân ly của Fe(Sal)2+ là 10-16, của Cu(Sal) là 1.10-12.

Giải: Phân ly của Fe(Sal)2+ là Fe(Sal)+ =Fe3+ +Sal2-; KPL=][Fe(Sal)]][Sal[Fe

2

23

=10-16

Cu(Sal)=Cu2+ +Sal2-; K’PL=[Cu(Sal)]

]][Sal[Cu 22

=10-12 Khi 99% Fe3+ tạo phức tức là

1001

][Fe(Sal)][Fe3

= ][Sal

K2

Pl [Sal2-] = 100KPL Khi Cu2+ tạo phức 1% tức là

1100

[Cu(Sal)]][Cu 2

= ][SalK'

2PL

[Sal2-] = 100K'PL Từ đây rút ra KPL

= 10-4K’PL hay nói

cách khác là 2 hằng số phân ly phải hơn nhau 104 lần và [Sal2-] = PLPL .K'K = 10-14 .

Mặt khác: H2Sal = 2H+ + Sal2- ; K”PL = 16

2

22

10Sal][H

][Sal][H

[H+]2 = 10-16 414

216

22 10

101010

][SalSal][H

pH = 2


b) Cấu tử lạ là anion, Khi có các anion (A) phản ứng với kim loại M cần phân tích, nó

làm cho phức màu MX hình thành không hoàn toàn, đôi khi nếu nồng độ anion lạ lớn, bền thì phức MX không hình thành. Để loại trừ ảnh hưởng của các anion có 3 khả năng chính:

+ Chọn thuốc thử X tạo phức tốt với M (có thể áp dụng cả kỹ thuật che, pH…) để phức MA không hình thành.

+ Thêm vào dung dịch chất chuẩn một lượng anion lạ tương đương. Trường hợp này ảnh hưởng của cấu tử lạ đến chất phân tích và chất chuẩn là như nhau, kết quả đo được so sánh với nồng độ chất có trong mẫu chuẩn, từ đó tính ra nồng độ của nó.

+ Tách loại các anion trước khi cho thuốc thử X vào mẫu.


BEER

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH LƯỢNG

xst

stx

st

st

x

x .AACC

AC

AC

x

st

stx .A

ACC

tgαhC

.tgαCA

xx

xx

Cx

xx

x

C

A .ΔΔAAC

CA

ΔΔ

CHUẨN 1 ĐIỂM CHUẨN NHIỀU ĐIỂM (Đ CHUẨN) THÊM CHUẨN


2.5 THIÊT BỊ QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ UV-VIS

2.5.1 Sơ đồ máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS

Hình 2.8 Sơ đồ máy UV-VIS

1. Nguồn sáng 5. Cuvet mẫu 2. Bộ phận đơn sắc 6 Dung dịch so sánh 3, Bán gương 7,8 Tế bào Quang- Điện 4 Gương 9 Xử lý tín hiệu


3.1 ĐỊNH LUẬT VỀ QUANG PHỔ PHÁT XẠ NT, NGUYÊN NHÂN XUẤT HIỆN QUANG PHỔ

3. PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ

Bình thường, NT ở trạng thái cơ bản. Có năng lượng kích thích đám hơi nguyên tử thì chúng chuyển lên trạng thái kích thích.

Trạng thái kích thích rất ngắn cỡ 10 8 giây chúng trở về trạng thái ban đầu, giải toả ra năng lượng dạng bức xạ gọi là phổ phát xạ nguyên tử.

Cường độ vạch phổ, I và số nguyên tử N trong plasma liên hệ =ptr Schaibe Lomakin: I = KN. Trong đó N là số nguyên tử trong plasma liên hệ với nồng độ C của chất phân tích bằng biểu thức sau: N = KaCb trong đó, Ka là hằng số thực nghiệm. C < Co là nồng độ ngưỡng thì b =1. Ta có Schaibe Lomakin I = aCb trong đó: a hằng số thực nghiệm, phụ thuộc vào các điều kiện nguyên

tử hoá mẫu. C nồng độ chất phân tích. b hằng số thực nghiệm.

3.2 QUÁ TRÌNH TẠO PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ



3.2.1 Sơ đồ máy quang phổ phát xạ nguyên tử

Hình 3.1 Sơ đồ máy quang phổ phát xạ nguyên tử

1 Ngọn lửa kích thích phổ 2- Thấu kính 3- Khe đo 4- Cách tử tạo tia đơn sắc 5- Xử lý tín hiệu

Nguồn kích thích quang phổ

Nguyên tử hoá và kích thích quang phổ

Hoá hơi mẫu

Phân giải phổ

Khuếch đại và ghi phổ

3.3 THIẾT BỊ QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ

ĐÈN NGUYÊN TỬ HÓA NGỌN LỬA (Burner-Perkin-Elmer)



NGUỒN

KÍCH

THÍCH

QUANG

PHỔ

PHÁT

XẠ - ICP


CÁC THIẾT BỊ KHÁC

Hệ quang họcBộ phận cách tử để chọn tia đơn sắc đặc trưng cho nguyên tố phân tích có cấu tạo và tính chất hoàn toàn tương tự các cách tử trong các máy quang khác (UV-VIS, AAS)

Hệ điện tửHệ điều khiển, Nhân Quang - Điện, hệ tích phân, xử lý số liệu, nạp mẫu ... là các bộ phận không thể thiếu đối với các máy đo



3.4 CÁC NGUỒN KHÍCH THÍCH QUANG PHỔ PX NT


3.3.1 Ngọn lửa đèn khí TT Hỗn hợp khí cháy Nhiệt độ tối đa Tính chất 1 2 3 4

Hỗn hợp khí H2 + O2 Hỗn hợp khí C2H2 + không khí Hỗn hợp khí C2H2 + O2 Hỗn hợp khí dixianogen + O2

2500oC 2300oC 2900oC 3000oC

ổn định ổn định ổn định ổn định

Dùng nguồn kích thích là ngọn lửa đèn khí có ưu điểm là cho phép ta chọn được nhiệt độ kích thích tuỳ ý và nhiệt độ khá ổn định; song có nhược điểm là cường độ vạch phổ thay đổi rất nhiều khi thay đổi thành phần hỗn hợp mẫu phân tích và ảnh hưởng của nền (matrix).


3.3.2 Hồ quang điện Hiện tượng phóng điện giữa hai cực gần nhau (4mm), thế 220V Nhiệt độ tại vùng hồ quang lên rất cao (4000-6000oC). Tại đây, mẫu phân

tích thường chứa trong một phía điện cực, sẽ chuyển thành hơi rồi bị kích thích quang phổ. Vùng này người ta gọi là plasma gồm các nguyên tử, các ion, các electron và cả phân tử, đây là môi trường phát xạ.

Hồ quang điện một chiều dùng điện áp phân cực, một chiều và Hồ quang điện xoay chiều dùng điện áp xoay chiều. Hồ quang điện một chiều đảm bảo độ nhạy tốt; nhưng do nhiệt độ cao nên cực làm bằng than sẽ bị ăn mòn nhanh.

Hồ quang điện xoay chiều có vạch phổ tạo ra chủ yếu là các vạch phổ nguyên tử độ lặp lại tốt, luôn được dùng trong phân tích định lượng.



3.3.3 Tia lửa điện Tia lửa điện là sự phóng điện gián đoạn (50-300 chu kỳ trong một giây),

giữa hai điện cực có thế rất cao, 10000-20000KV nhưng dòng nhỏ (<1A). Nhiệt độ ở tâm plasma đến 4000 - 7000oC nên phổ phát xạ ion là chủ yếu Tia lửa điện là nguồn kích thích tương đối ổn định và có độ lặp lại cao,

song có độ nhạy kém hồ quang điện, cho nên thời gian ghi phổ phải dài hơn hồ quang.

Khi phân tích các mẫu kim loại, hợp kim và dung dịch, tia lửa điện là nguồn kích thích rất tốt. Nhưng khi phân tích các mẫu quặng, đất, đá thì nguồn kích thích này không phù hợp vì hoá hơi kém và không ổn định.

Nhược điểm của nguồn này là nhiệt độ của plasma cao tạo thành các hợp chất kém bền nhiệt ít gặp hơn trong hồ quang điện.



3.3.4 Plasma cao tần cảm ứng (ICP- Inductively Coupled Plasma) Năng lượng cao tần sinh ra từ nguồn phát cao tần cung cấp cho cuộn cảm cao

tần ở đầu miệng đèn nguyên tử hoá mẫu, tạo ra plasma. Nhiệt độ ở tâm plasma khi dùng nguồn cao tần tới 5000-10000 oC để hoá hơi

mẫu, nguyên tử hoá và kích thích phổ Plasma cao tần cảm ứng nguyên tử hoá được hầu hết các mẫu phân tích ở mọi

trạng thái với hiệu suất cao, phổ phát xạ ion là chủ yếu. Dùng nguồn kích thích ICP thì phép phân tích có độ nhạy rất cao (10 -4- 10-6

%) và độ ổn định tốt, nên sai số của phép phân tích nhỏ Dùng nguồn này để định lượng nhiều nguyên tố cùng một lúc với tốc độ phân

tích nhanh, hơn nữa vùng tuyến tính khá rộng, không có ảnh hưởng của nền nên phương pháp được dùng để phân tích các mẫu quặng đặc biệt chứa dãy các nguyên tố có tính chất giống nhau như dãy các nguyên tố đất hiếm rất thích hợp.


3.5 ĐỊNH TÍNH VÀ ĐỊNH LƯỢNG


3.4.1 Nguyên tắc phân tích định tính Để định tính sử dụng những vạch phổ đặc trưng của nguyên tố., với 2 kỹ

thuật là quan sát trực tiếp và dùng bảng so sánh chuẩn gọi là Atlat. Phương pháp quan sát trực tiếp phổ bằng mắt với một vài nguyên tố có vạch

phổ đặc trưng trong vùng khả kiến. Thí dụ Li - 670,8 nm (đỏ) và 610,3 nm (da cam), Na - 589,3 nm (vàng), K - 768,2 nm (đỏ) và 704,4 nm (tím).

Phương pháp dùng bảng chuẩn (Atlat), bốn bước: + Chụp ảnh của sắt, đánh dấu các vạch đặc trưng của nguyên tố khác. + Chụp phổ của nguyên tố phân tích lên cùng một tấm bìa với sắt. + Ghép trùng các vạch của phổ sắt của hai bìa + Tìm nguyên tố trùng vạch đặc trưng để nhận ra nguyên tố trong mẫu

phân tích.

3.4.2 Phân tích định lượng a) Phương pháp đường chuẩn Các mẫu đầu có trạng thái vật lí và thành phần như mẫu phân tích. Mẫu đầu và mẫu phân tích phải được xử lí trong cùng một điều kiện. Các mẫu đầu phải bền vững theo thời gian, Nồng độ mẫu phân tích nằm trong khoảng tuyến tính nồng độ dãy chuẩn

trong cùng điều kiện. b) Phương pháp thêm chuẩn

C A

x 1

Δ Δ=C A

C 1x

A

Δ .AC =Δ

Hình 3.2. Đồ thị chuẩn xác định bằng phương pháp thêm


3.5 ĐỊNH TÍNH VÀ ĐỊNH LƯỢNG

4.1 SỰ XUẤT HIỆN PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN

4. PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ

Bình thường, nguyên tử ở trạng thái cơ bản, bền vững ở mức năng lượng thấp

Khi các nguyên tử ở trạng thái tự do trong một đám hơi, Nếu chiếu chùm bức xạ có bước sóng xác định đúng với

bước sóng mà chúng có thể phát ra khi ở trạng thái kích thích vào đám hơi nguyên tử tự do đó,

Nguyên tử hấp thụ bức xạ chiếu vào . Đó là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi để tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của nguyên tố.

A phụ thuộc vào số nguyên tử N trong môi trường hấp thụ: A = k.N trong đó k là hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào bản chất nguyên tử, nhiệt độ của môi trường hấp thụ và bề dày của lớp hấp thụ.

Giữa số nguyên tử N với nồng độ C của nguyên tố trong mẫu phân tích được biểu thị bằng biểu thức: N = kiCb trong đó ki, là hằng số thực nghiệm, b được gọi là hằng số bản chất, nó phụ thuộc vào nguyên tố và bước sóng của dòng sáng, b có gía trị 1; b = 1 khi nồng độ C nhỏ.

Kết hợp các biểu thức trên ta có: A = aCb trong đó a là hằng số thực nghiệm. Ứng với mỗi bước sóng, mỗi nguyên tố có một gía trị C = C0 là giới hạn, khi nồng độ C nhỏ hơn nồng độ ngưỡng C0 thì b = 1

Phương trình biểu diễn mối liên quan giữa độ hấp thụ A và nồng độ C là định luật cơ bản của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử:

A = aC

4. PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ4.1 SỰ XUẤT HIỆN PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ

BẢN

4.1 SỰ XUẤT HIỆN PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN

HAI PHƯƠNG PHÁP NGUYÊN TỬ HÓA PHỔ BIẾN

SƠ ĐỒ MÁY

QUANG

PHỔ HẤP

THỤ

NGUYÊN

TỬ MỘT

CHÙM TIA

VÀ HAI

CHÙM TIA

NGUỒN PHÁT BỨC XẠ ĐƠN SẮC TRONG AAS

4.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGUYÊN TỬ HÓA MẪU PHÂN TÍCH

4.2.1 Nguyên tử hóa mẫu theo phương pháp ngọn lửa Năng lượng nhiệt của ngọn lửa đèn khí để hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích. Ngọn lửa cần có 5 yêu cầu cơ bản sau: 1. Ngọn lửa làm khô mẫu phân tích, hóa hơi và nguyên tử hóa với hiệu suất cao. 2. Năng lượng nhiệt ngọn lửa phải lớn và điều chỉnh được theo từng nguyên tố. 3. Ngọn lửa tinh khiết, không gây ra các áng sáng phụ ảnh hưởng tới phép đo. 4. Bề dày ngọn lửa lớn để tạo ra môi trường hấp thụ có tiết diện lớn (2-10cm) 5. Tiêu tốn it mẫu phân tích. Bảng sau đưa ra một vài loại ngọn lửa đèn khí

Loại khí Tỉ lệ l/phút Nhiệt độ KK Propan 6/1,4 2200 KK Acetylen 4,2/1,2 2450 KK Hydro 4/3 2050 O2 Acetylen 1/1 3000 N2O Acetylen 2/1,8 2900


4.2.2 Nguyên tử hóa mẫu theo phương pháp không ngọn lửa Kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa xảy ra nhờ năng lượng của dòng điện

có công suất lớn, điện áp 12V, cường độ 50 500A trong môi trường khí trơ. Quá trình nguyên tử hóa xảy ra trong cuvet grafit theo bốn giai đoạn kế tiếp

nhau: sấy khô, tro hóa, nguyên tử hóa mẫu và cuối cùng là làm sạch cuvet. Các giai đoạn của quá trình xảy ra nhanh, từ vài giây đến vài chục giây. Nhiệt độ của các quá trình sấy, tro hoá và nguyên tử hoá tăng dần, cuối cùng

đạt khoảng 3000- 5000oC. Mỗi nguyên tố có một nhiệt độ sấy, tro hoá và nguyên tử hoá riêng. Thí dụ

nhiệt độ nguyên tử hóa của Al: 2850oC, Ca: 2800oC, Mn 2750oC …

Môi trường thuận lợi cho hóa hơi mẫu, nguyên tử hóa chất phân tích là các axit dễ bay hơi: HCl và HNO3 1-5%. Ngoài ra các yếu tố cản trở là các nguyên tố khác, anion … cần được xét đến để loại trừ sao cho phép đo chính xác.

4. PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ4.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGUYÊN TỬ HÓA MẪU PHÂN

TÍCH

4.3 CÁC ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHÉP ĐO PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ

4.3.1 Các ưu điểm Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc cao. Trên 60

nguyên tố hóa học có thể xác định được bằng phương pháp này với độ nhạy từ 10 4 10 5. có thể đạt tới n.10 7%. với kỹ thuật không ngọn lửa, độ nhạy

Điều kiện thực nghiệm tương đối dễ, có thể cho tất cả các phòng thí nghiệm nhỏ và vừa.

Có thể xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong cùng một mẫu.

Kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ. 4.3.2 Nhược điểm

Chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố của chất phân tích có trong mẫu phân tích, mà không chỉ ra được trạng thái liên kết, cấu trúc của nguyên tố.


4.4 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ

Phương pháp quang phổ phổ hấp thụ nguyên tử dung để phân tích vết các kim loại trong các loại mẫu khác nhau của các chất vô cơ và hữu cơ (khoảng trên 60 nguyên tố đó là các kim loại trong quặng, đất đá, nước khoáng, các mẫu y học, sinh học, các sản phẩm nông nghiệp, rau quả, thực phẩm, nước uống, các nguyên tố vi lượng trong phân bón, trong thức ăn gia súc).

Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử cũng được dùng để xác định một số phi kim như Si, P, As, Te, Se. Một số phi kim có thể phân tích gián tiếp qua kim loại.


Documents

Các phương pháp phân tích công cụ - Phần 1 - TS. Nguyễn Đình Lâm