Để thực hiện đề tài “Xác định hàm lượng Cadimi và Chì trong chè
xanh” Chúng tôi chọn phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (GF-AAS) vì hàm
lượng Cd và Pb trong chè ở dạng vết và vì những ưu điểm của phương pháp này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu một cách có hệ thống các vấn đề sau:
- Khảo sát chọn các điều kiện phù hợp để đo phổ GF – AAS của Cd và Pb. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến phép xác định Cd và Pb trong phép đo.
- Khảo sát khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn phép đo. - Xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phép đo. - Đánh giá sai số và độ lặp lại của phương pháp.
- Ứng dụng phương pháp xác định hàm lượng Cd và Pb trong các mẫu chè tại Thái Nguyên.
- Từ việc nghiên cứu các vấn đề trên, chúng tôi sẽ lựa chọn các điều kiện đo phù hợp và xây dựng một phương pháp xác định lượng vết Cd và Pb trong chè bằng kỹ thuật GF-AAS.
2.2. Giới thiệu về phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử [13], [27], [29]
2.2.1. Nguyên tắc của phương phápphổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
Khi nguyên tử tồn tại tự do ở thể khí và ở trạng thái năng lượng cơ bản, thì nguyên tử không thu hay không phát ra năng lượng. Tức là nguyên tử ở trạng thái cơ bản. Song nếu nguyên tử đang tồn tại ở trạng thái này mà chúng ta kích thích nó bằng một chùm tia sáng đơn sắc có năng lượng phù hợp, có độ dài sóng trùng với các vạch phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tố đó, thì chúng sẽ hấp thụ các tia sáng đó sinh ra một loại phổ của nguyên tử. Phổ này được gọi là phổ hấp thụ của nguyên tử.
Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử dựa trên sự xuất hiện của phổ hấp thụ nguyên tử khi nguyên tử tồn tại ở trạng thái khí tự do và trong mức năng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
lượng cơ bản.Vì vậy, muốn thực hiện được phép đo phổ AAS cần phải thực hiện các công việc sau:
- Chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn, dung dịch) thành trạng thái hơi. Đó là quá trình hóa hơi mẫu.
- Nguyên tử hóa đám hơi đó, phân li các phân tử, tạo ra đám hơi nguyên tử tự do của các nguyên tố cần phân tích trong mẫu để chúng có khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc. Đây là giai đoạn quan trọng nhất và quyết định đến kết quả của phép đo AAS.
- Chọn nguồn phát tia sáng có bước sóng phù hợp với nguyên tố phân tích và chiếu vào đám hơi nguyên tử đó. Phổ hấp thụ sẽ xuất hiện.
- Nhờ một hệ thống máy quang phổ, người ta thu toàn bộ chùm sáng sau khi đi qua môi trường hấp thụ, phân li chúng thành phổ và chọn một vạch phổ cần đo của nguyên tố phân tích hướng vào khe đo để đo cường độ của nó. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ, giá trị cường độ này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ của nguyên tố cần phân tích theo phương trình:
Aλ = k.C.L Trong đó Aλ: Cường độ vạch phổ hấp thụ
k: Hằng số thực nghiệm
L: Chiều dài môi trường hấp thụ
C: Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ. - Thu và ghi lại kết quả đo cường độ vạch phổ hấp thụ.
Tác giả Nguyễn Ngọc Sơn [20] đã sử dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa GF-AAS để xác định lượng vết chì trong đất hiếm tinh khiết (≥ 99,5%) có so sánh với kỹ thuật ICP-MS và có đưa ra nhận xét: phương pháp GF-AAS có thể xác định tạp chất trong đất hiếm tinh khiết với độ nhạy và độ chính xác cao. Sự sai khác giữa hai phương pháp GF-AAS và ICP-MS là rất nhỏ, dưới 9% đối với Pb.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.2.2. Hệ trang bị của phép đo AAS
Dựa vào nguyên tắc của phép đo, ta có thể mô tả hệ thống trang thiết bị của máy phổ hấp thụ nguyên tử gồm các phần:
2.2.2.1. Nguồn phát trùm bức xạ đơn sắc của các nguyên tố cần phân tích
- Đèn catot rỗng (Hollow Cathode Lamp - HCL).
- Đèn phóng điện không điện cực (Electrodeless Discharge Lamp - EDL). - Đèn phát phổ liên tục đã biến điệu (Deuterium Hollow Cathode Lamp – D2).
Hình 2.1. Đèn catot rỗng Hình 2.2. Đèn D2
Hình 2.1. Đèn catot rỗng Hình 2.2. Đèn D2
2.2.2.2. Hệ thống nguyên tử hóa mẫu phân tích theo kĩ thuật GF - AAS
Trong kĩ thuật này, người ta dùng một lò nung bằng graphit (cuvet graphit) hay thuyền Tantan để nguyên tử hóa mẫu. Kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hóa mẫu tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng điện công suất lớn có thế thấp (nhỏ hơn 12V) nhưng dòng cao (50 – 800A) trong môi trường khí trơ. Quá trình nguyên tử hóa xảy ra theo các giai đoạn kế tiếp nhau: Sấy khô, tro hóa luyện mẫu, nguyên tử hóa để đo phổ hấp thụ và cuối cùng là làm sạch cuvet. Trong đó hai
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
giai đoạn đầu là chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hóa đạt kết quả tốt. Nhiệt độ trong cuvet graphit là yếu tố chính quyết định mọi diễn biến của quá trình nguyên tử hóa mẫu. Kĩ thuật này có độ nhạy rất cao, gấp hàng trăm có khi đến hàng nghìn lần phép đo trong ngọn lửa mà lượng mẫu tiêu tốn ít (mỗi lần 20- 50μL). Do đó, không cần nhiều mẫu phân tích, việc chuẩn bị mẫu cũng dễ dàng, không tốn nhiều hóa chất cũng như các dung môi tinh khiết cao.
Hình 2.3. Cuvet graphite Hình 2.4. Bộ phận nguyên tử hóa mẫu
2.2.2.3. Hệ quang học và detector dùng để thu, phân ly toàn bộ phổ của mẫu và chọn vạch phổ hấp thụ cần đo hướng vào nhân quang điện để phát tín hiệu hấp thụ của vạch phổ
2.2.2.4. Hệ thống hiển thị kết quả đo có nhiều cách khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp
Để tiến hành nghiên cứu xác định hàm lượng Cd và Pb trong chè chúng tôi xử dụng hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AA – 6300 của hãng Shimadzu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.3. Giới thiệu về phƣơng pháp xử lý ƣớt mẫu
2.3.1. Nguyên tắc và bản chất
Dùng một axit đặc có tính oxi hóa mạnh, hay hỗn hợp các axit có tính oxi hóa mạnh để phân huỷ hết chất hữu cơ trong bình kín, để chuyển các kim loại về dạng các ion trong dung dịch muối vô cơ dễ tan.
Sự phân huỷ mẫu ở đây là do các tác nhân xẩy ra đồng thời: + Năng lượng nhiệt (nhiệt độ)
+ Axit đặc
2.3.2. Cơ chế phân huỷ
Dưới tác dụng của axit các hạt (phân tử) mẫu bị phá huỷ và hòa tan, đồng thời tác nhân năng lượng nhiệt làm tan rã các hạt mẫu. Sự khuyếch tán đối lưu, chuyển động nhiệt và va chạm của các hạt mẫu với nhau cũng làm chúng hao mòn dần. Các tác nhân này tấn công và bào mòn dần các hạt mẫu từ ngoài vào, làm cho các hạt mẫu bị mòn dần dần, bé dần và rồi tan mất hết.
Các quá trình xảy ra khi phân huỷ mẫu, dưới tác dụng của axit đặc và năng lượng nhiệt (nhiệt độ), các quá trình vật lý và hóa học sau đây sẽ xảy ra:
+ Sự phá vỡ mạng lưới cấu trúc của hạt mẫu để giải phóng các chất phân tích và chuyển chúng vào dung dịch dưới dạng các muối tan.
+ Quá trình oxi hóa khử làm thay đổi hóa trị, chuyển đổi dạng, làm tan vỡ các hạt vật chất mẫu để giải phóng chất phân tích về dạng muối tan.
+ Tạo ra hợp chất dễ bay hơi, làm mất đi các anion trong phân tử chất mẫu… làm mẫu bị phân huỷ tạo ra các hợp chất tan trong dung dịch.
+ Sự tạo thành các hợp chất hay muối phức tan trong dung dịch.
Như vậy, trong quá trình xử lý mẫu có thể có các phản ứng hóa học xảy ra như phản ứng oxi hóa khử, phản ứng thuỷ phân, phản ứng tạo phức, phản ứng hòa tan, phản ứng kết tủa… của các phân tử chất mẫu với các axit dùng để phân hủy mẫu và các chất có trong mẫu với nhau. Trong đó, quá trình nào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
là chính hay phụ được quyết định bởi thành phần, chất nền, bản chất của chất mẫu và các loại axit dùng để phân hủy và hòa tan mẫu.
2.4. Hóa chất và dụng cụ
2.4.1. Hóa chất
- Dung dịch chuẩn Cd2+, Pb2+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Ba2+, Al3+, Sn2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cr3+, Mn2+, Cu2+, Zn2+…dùng cho AAS (1000ppm, Merrck )
- Axit đặc HCl 36%, HNO3 65%, H2O2 30% Merrck.
- Nước cất hai lần, các dung dịch nền và các muối: NH4Ac, NaAc, LaCl3, Mg(NO3)2, Pb(NO3)2, NH4H2PO4 tinh khiết loại PA.
- Dung dịch rửa sunfocromic (hỗn hợp H2SO4 đặc và K2Cr2O7 ).
2.4.2. Dụng cụ
- Máy xay, tủ xấy, máy quang phổ hấp thụ nguyên tử SHIMADZU – 6300 Nhật Bản.
- Cốc thủy tinh loại 50, 100, 150, 500 ml (Merck) - Bình định mức 10, 25, 50, 100, 250, 500, 1000 ml. - Pipet 1, 2, 5, 10 ml.
- Pipetman 100-5000 l.
- Bình kendal, lọ đựng mẫu 25ml.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chƣơng 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát điều kiện đo phổ GF- AAS của Cd và Pb
3.1.1. Khảo sát chọn vạch đo
Mỗi loại nguyên tử của một nguyên tố hóa học chỉ có thể hấp thụ những bức xạ có bước sóng mà chính nó có thể phát ra trong quá trình phát xạ. Nhưng thực tế không phải mỗi loại nguyên tử có thể hấp thụ được tất cả các bức xạ mà nó phát ra, quá trình hấp thụ chỉ tốt và nhạy chủ yếu đối với các vạch nhạy (vạch đặc trưng). Đối với một nguyên tố vạch phổ nào có khả năng hấp thụ càng mạnh thì phép đo vạch đó có độ nhạy càng cao. Chúng tôi tiến hành khảo sát vạch đo của dung dịch chuẩn Cd 1ppb và Pb 20ppb, trong HNO3 2%.
Đối với Cd: Chúng tôi tiến hành khảo sát ở 3 vạch phổ đặc trưng nhạy nhất là 228,8 nm; 226,5 nm và 326,1 nm.
Bảng 3.1. Khảo sát vạch đo của Cd
Vạch đo
(nm) Abs-Lần 1 Abs-Lần 2 Abs-Lần 3
Abs-Trung bình %RSD 228,8 0,1554 0,1553 0,1553 0,1553 0,053 226,5 0,1545 0,1558 0,1523 0,1542 1,622 326,1 0,1555 0,1567 0,1547 0,1556 0,915
Kết quả khảo sát cho thấy tại vạch đo 228,8 nm độ hấp thụ của Cd lớn và sai số nhỏ. Do đó chúng tôi chọn vạch đo của Cd là 228,8 nm.
Đối với Pb: Chúng tôi tiến hành khảo sát ở 2 vạch phổ đặc trưng nhạy nhất 217,0 nm và 283,3 nm.
Khảo sát đối với dung dịch chuẩn Pb 20ppb trong HNO3 2% và kết quả thu được thể hiện trong bảng 3.2.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bảng 3.2. Khảo sát vạch đo của Pb
Vạch đo
(nm) Abs-Lần 1 Abs-Lần 2 Abs-Lần 3
Abs-Trung
bình %RSD
217,0 0,2798 0,2792 0,2795 0,2795 0,665
283,3 0,2480 0,2465 0,2464 0,2470 2,513
Kết quả khảo sát cho thấy tại vạch đo 217,0 nm độ hấp thụ của Pb lớn hơn và sai số nhỏ hơn so với vạch đo 283,3 nm. Do đó chúng tôi chọn vạch đo của Pb là 217,0 nm.
3.1.2. Khảo sát khe đo của máy phổ hấp thụ nguyên tử
Theo nguyên tắc hoạt động của hệ thống đơn sắc trong máy phổ hấp thụ nguyên tử, chùm tia phát xạ cộng hưởng của nguyên tố cần nghiên cứu được phát ra từ đèn catot rỗng, sau khi đi qua môi trường hấp thụ, sẽ được hướng vào khe đo của máy, được chuẩn trực, được phân ly và sau đó chỉ một vạch phổ cần đo được chọn và hướng vào khe đo để tác dụng vào nhân quang điện để phát hiện và xác định cường độ của vạch phổ. Do vậy, khe đo của máy được phải chọn chính xác và phù hợp với từng vạch phổ, có độ lặp lại cao trong mỗi phép đo và lấy được hết độ rộng của vạch phổ.
Đối với vạch phổ hấp thụ của Cd và Pb, khe đo phù hợp đối với Cd và Pb là 0,5 nm. Ở điều kiện này, 100% diện tích pic của vạch phổ sẽ nằm trong khe đo.
3.1.3. Khảo sát cường độ dòng đèn catot rỗng (HCL)
Đèn Catot rỗng (HCL) là nguồn phát bức xạ cộng hưởng, nó chỉ phát ra những tia phát xạ nhạy của nguyên tố kim loại được dùng làm catot rỗng. Đèn HCL làm việc tại mỗi chế độ dòng nhất định sẽ cho chùm phát xạ có cường độ nhất định. Cường độ làm việc của đèn catot rỗng (HCL) có liên quan chặt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
chẽ tới cường độ hấp thụ của vạch phổ. Dòng điện làm việc đèn HCL của mỗi nguyên tố là rất khác nhau. Mỗi đèn HCL đều có dòng giới hạn cực đại (Imax) được ghi trên vỏ đèn. Theo lý thuyết và thực nghiệm phân tích phổ hấp thụ nguyên tử, chỉ nên dùng cường độ trong giới hạn từ 60 80% dòng cực đại.
Vì nếu ở điều kiện dòng cực đại thì đèn làm việc không ổn định và rất chóng hỏng, đồng thời phép đo có độ nhạy và độ lặp lại rất kém.
Tiến hành khảo sát cường độ dòng đèn HCL của dung dịch Cd 1ppb, 2ppb và dung dịch Pb 20ppb, 40ppb trong nền HNO3 2% để xét xem mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ với cường độ dòng đèn, đồng thời chọn ra cường độ dòng đèn thích hợp nhất. Kết quả khảo sát cường độ dòng đèn catốt rỗng được trình bày trong bảng 3.3 và 3.4 dưới đây.
Bảng 3.3. Khảo sát cƣờng độ dòng đèn đối với Cd
I(%Imax)
Mẫu
60%Imax 65%Imax 70%Imax 75%Imax 80%Imax
1ppb lần 1 0,1630 0,1594 0,1567 0,1497 0,1354 lần 2 0,1626 0,1598 0,1553 0,1490 0,1341 lần 3 0,1637 0,1606 0,1557 0,1506 0,1350 Tb 0,1631 0,1600 0,1559 0,1497 0,1348 %RSD 0,4828 0,5402 0,6541 0,7573 0,5774 2ppb lần 1 0,2772 0,2731 0,2692 0,2655 0,2602 lần 2 0,2788 0,2736 0,2686 0,2662 0,2615 lần 3 0,2781 0,2740 0,2698 0,2667 0,2621 Tb 0,2780 0,2735 0,2692 0,2661 0,2612 %RSD 0,4080 0,2331 0,3152 0,3203 0,5257
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bảng 3.4. Khảo sát cƣờng độ dòng đèn đối với Pb
Qua kết quả khảo sát ta thấy khi cường độ dòng đèn giảm thì cường độ hấp thụ của vạch phổ tăng hay sai số tăng, vì vậy ta phải chọn được cường độ dòng đèn sao cho cường độ của vạch phổ vừa cao vừa ổn định tức sai số nhỏ, do đó chúng tôi chọn cường độ dòng đèn của Cd là 8mA (65% Imax), cường độ dòng đèn của Pb 10mA (75% Imax).
3.1.4. Khảo sát các điều kiện nguyên tử hoá mẫu
Kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hoá tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng điện có công suất lớn và trong môi trường khí trơ. Quá trình nguyên tử hoá mẫu sảy ra theo bốn giai đoạn kế tiếp nhau:
Giai đoạn sấy khô
Giai đoạn tro hoá luyện mẫu Giai đoạn nguyên tử hoá mẫu Giai đoạn làm sạch cuvet.
I(%Imax)
Mẫu 60%Imax 65%Imax 70%Imax 75%Imax 80%Imax
20ppb lần 1 0,2843 0,2832 0,2820 0,2815 0,2786 lần 2 0,2845 0,2841 0,2832 0,2821 0,2794 lần 3 0,2852 0,2838 0,2838 0,2820 0,2777 Tb 0,2847 0,2837 0,2830 0,2818 0,2786 %RSD 0,2348 0,2284 0,4580 0,1612 0,4317 40ppb lần 1 0,5661 0,5656 0,5658 0,5652 0,5648 lần 2 0,5665 0,5663 0,5655 0,5656 0,5641 lần 3 0,5672 0,5666 0,5664 0,5657 0,5640 Tb 0,5632 0,5661 0,5659 0,5655 0,5643 %RSD 1,4778 0,1281 0,1145 0,0662 0,1092
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn