CHƯƠNG III CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DÙNG TRONG QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG
III.2. Các phương pháp phân tích thường được sử dụng trong phân tích môi trường
III.2.1. Phương pháp trắc quang
3. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
Vật thể được cấu tạo bởi các phân tử chất. Các phân tử luôn tồn tại các dạng chuyển động: chuyển động quay của các phân tử, chuyển động của các electron liên kết, electron trong nguyên tử... ứng với mỗi dạng chuyển động sẽ có một năng lượng tương ứng xác định các đặc trưng cho phân tử. Trong các dạng chuyển động, nếu so sánh độ lớn năng lượng sẽ tương ứng với biến thiên sau:
Ví dụ: Na hấp thụ năng lượng để tồn tại ở trạng thái I là 2.2 eV nến ở trạng thái II là 3.60 eV. Thường năng lượng này ở dạng năng lượng ánh sáng. Với Na ở trên trạng thái II sẽ ứng với sóng ánh sáng 3303Ao , trạng thái I ứng với 5890 Ao . Nếu không hấp thụ hai năng lượng trên thì nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích để đặc trưng cho từng nguyên tố. Do đó, độ dài sóng của tia sáng sẽ bị hấp thụ được quyết định bởi nguyên tố hoá học.
a/ Nguyên lý và thiết bị của phép đo quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
Cơ sở lý thuyết của phép đo AAS là sự hấp phụ năng lượng (bức xạ đơn sắc) của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ. Vì vậy, muốn thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử cần phải có các quá trình sau:
• Chọn các điều kiện và một loại thiết bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của nguyên tử tự do. Đó là quá trình nguyên tử hoá mẫu. Những thiết bị để thực hiện quá trình này gọi là hệ thống nguyên tử hoá mẫu.
• Chiếu chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử vừa điều chế được ở trên. Các nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong đám hơi sẽ hấp thụ những bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó. Ở đây, một phần cường độ của chùm sáng đã bị một loại nguyên tử hấp thụ và phụ thuộc vào nồng độ của nguyên tố cần xác định gọi là nguồn bức xạ đơn sắc.
• Dựa trên nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử nên dụng cụ dùng trong phương pháp này gồm những bộ phận chính như hình vẽ dưới đây.
Nguồn sáng chính dùng trong phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử là đèn catot rỗng. Đèn này là bình hay ống trụ bằng thủy tinh có các điện cực dùng để đốt nóng. Bình được nạp đầy một khí trơ nào đó cáo áp suất thấp (agon, neon, heli, xenon...).
Để có vùng bức xạ tử ngoại, cửa ra của đèn được chế tạo bằng thạch anh hoặc thuỷ tinh đặc biệt.
Catot rỗng của đèn được chế tạo bằng một kim loại tinh kiết (hoặc bằng vật liệu khác) dưới dạng ống trụ mà mặt phía trong của nó được phủ bằng một chất có chứa nguyên tố cần xác định. Tính ổn định của đèn khi làm việc là yếu tố rất quan trọng, nó ảnh hưởng đến độ chính xác và độ nhạy của phương pháp phân tích.
Độ nhạy và bước sóng tương ứng với loại đèn catot rỗng sử dụng và nhiên liệu dùng cho nguyên tử hoá mẫu có thể tham khảo trong một số sách liên quan đến kỹ thuật quang phổ hấp thụ nguyên tử hoặc hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất.
Kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa
Kỹ thuật này phát triển mạnh được ứng dụng rất phổ biến do độ nhạy cao gấp hàng trăm đến nghìn lần phép đo trong ngọn lửa.
Phép đo không ngọn lửa đòi hỏi một lượng mẫu tương đối nhỏ. Thông thường môi lần đo chỉ cần từ 20 – 50μl. Quá trình nguyên tử hoá tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng điện công suất lớn và trong môi trường khí trơ.
Dụng cụ để nguyên tử hoá theo kỹ thuật này gồm các nhóm chính sau:
• Các loại cuvet graphit;
• Các loại cốc graphit;
• Các loại ống bằng kim loại chịu nhiệt như tali.
Qúa trình nguyên tử hoá không ngọn lửa thường gồm 3 giai đoạn:
Sấy khô mẫu: thường ở nhiệt độ 100 – 150oC trong thời gian 20 – 40 giây với lượng mẫu nhở hơn 100μl - nhiệt độ và thời gian sấy phụ thuộc vào bản chất của các chất trong mẫu và dung môi hoà tan.
Tro hoá: Đốt cháy các vật chất hữu cơ và nung luyện mẫu ở nhiệt độ thuận lợi cho giai đoạn nguyên tử hoá - nhiệt độ tro hoá phụ thuộc và bản chất từng nguyên tố và dạng hợp chất mà nguyên tố đó tồn tại - nhiệt độ tro hoá thường thấp hơn nhiệt độ tro hoá giới hạn của nguyên tố từ 30 – 50oC; thời gian tro hoá từ 20 – 60 giây với lượng mẫu đưa vào cuvet nhỏ hơn 100μl.
Nguyên tử hoá: là giai đoạn quyết định cường độ của vạch phổ, thời gian rất ngắn, từ 3 – 6 giây, đôi khi có thể lên đến 10 giây. Tốc độ tăng nhiệt độ rất lớn (1500 – 2000oC/
giây) để đạt ngay tức khắc nhiệt độ nguyên tử hoá.
Thiết bị quang học: Thiết bị này bao gồm, dụng cụ quang học (máy đơn sắc hay kính lọc) dùng để tách các vạch phân tích của nguồn, các thấu kính, các màng chắn và các gương phụ để đưa các chùm sáng từ nguồn qua bộ phận hấp phụ.
Thiết bị thu và ghi: Thiết bị này gồm bộ ghi ánh sáng bao gồm bộ nhận quang và thiết bị điện để nuôi bộ khuếch đại dòng quang điện.
Sơ đồ bộ phận chứa mẫu Một số dạng cuvet thông dụng