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
1. Phương pháp so màu quang điện
Phương pháp so màu quang điện là phương pháp phân tích dựa trên sự so sánh cường độ màu của dung dịch nghiên cứu với cường độ màu của dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ xác định.
Phương pháp này được dùng chủ yếu để xác định lượng nhỏ các chất, tốn ít thời gian so với các phương pháp hoá học khác.
a/ Định luật cơ bản của phương pháp so màu
Nếu chiếu một dòng sáng (cường độ Io) vào một cuvet đựng dung dịch thì một phần của nó (cường độ Ir) bị phản xạ từ mặt cuvet, một phần khác (cường độ Ia) bị dung dịch hấp thụ, phần còn lại (cường độ It) đi qua cuvet. Ta có:
Io= Ia + Ir + It
Khi sử dụng một loại cuvet có thể xem cường độ dòng ánh sáng phản xạ là không đổi, và thường không lớn nên có thể bỏ qua. Khi đó phương trình trên có dạng:
Io= Ia + It
Io và It có thể đo trực tiếp còn Ia tìm được theo công thức Ia = Io – It. Dựa trên nghiên cứu thực nghiệm của Bougueur và Lambert đã thiết lập định luật và phát biểu như sau:
Những lớp chất có chiều dày đồng nhất trong điều kiện khác nhau, luôn hấp thụ một tỷ lệ bằng nhau của chùm sáng chiều vào lớp chất đó.
Biều thức toán học của định luật là:
It = Io e-kl
trong đó: l: Chiều dày lớp hấp thụ
k: hệ số tắt, hệ số này chỉ phụ thuộc vào bản chất chất tan và bước sóng ánh sánh chiếu vào dung dịch. Do đó định luạt hấp thụ ánh sáng Bougueur và Lambert chỉ đúng cho tia sáng đơn sắc.
Khi nghiên cứu sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch, Beer đã thiết lập được mối tương quan giữa hệ số k với nồng độ chất hấp thụ theo phương trình:
k = ε.C
Kết hợp những nghiên cứu của Bougueur, Lambert và Beer ta có:
It = Io.10-εCl
Nếu nồng độ C được tính theo mol/l; chiều dày lớp dung dịch (l) đo bằng cm thì ε được gọi là hệ số tắt phân tử hay hệ số hấp thụ phân tử; ε là một đại lượng không đổi phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bản chất chất tan, nhiệt độ dung dịch.
b/ Các đại lượng thường dùng trong phương pháp so màu
Phương pháp dựa trên phương trình hấp thụ ánh sáng sau khi chuyển qua một hệ màu có dạng:
I Cl D I
t o =ε
=lg
Giá trị mật độ quang đo trên máy là D, giá trị này là hàm số của εCl. Nếu ta cố định chiều dài lớp màu hấp thụ bằng một cuvét có độ dày xác định, đồng thời cố định chất màu nghiên cứu (tức là giá trị ε= const tại một to, điều kiện dung môi thì D=f(c).
Biểu thức D=f(c) thực sự có nghĩa trong một khoảng giá trị nồng độ C nào đó mà từ đấy ta có khả năng tạo lập một đường tuyến tính bậc nhất C-D. Để tạo lập đường tuyến tính này về mặt thủ tục không có gì phức tạp, có thể tham khảo các giáo trình về phân tích đất hoặc đã được đề cập ở trên trong phần kiểm soát chất lượng nền. Như vậy, muốn hình thành một phương pháp phân tích cần thiết phải lưu ý đến các yêu cầu sau:
• Chất cần phân tích (ví dụ cation A+) nhất thiết phải có màu hoặc tạo thành màu với thuốc thử khác.
• Hợp chất màu phải tuân theo đúng định luật Lambert-Beer.
• Chất màu phải là một dung dịch thật, không thể là một hệ phân tán dị thể (tức là hệ keo, huyền phù, nhũ tương...) Nguyên tắc này phải chú ý vì so màu dựa trên ánh sáng truyền qua còn một hệ dị thể luôn luôn tạo ra thêm một dòng ánh sáng khuếch tán.
• Phải đồng nhất khi tạo màu của dãy tiêu chuẩn và chất nghiên cứu. Tức là mọi điều kiện (to, dung môi, thuốc thử, pH...) phải như nhau.
• Đường chuẩn khi thiết lập phải thẳng. Nồng độ dung dịch chuẩn và dung dịch nghiên cứu phải giữ sao cho giá trị mật độ quang học D nằm trong khoảng 0.2-0.8.
Để đảm bảo phân tích giá trị nồng độ đúng, phép phân tích phải có sai số thấp, độ lặp lại cao, cần phải:
• Thứ nhất: khảo sát lại khoảng hấp thụ cực đại của chất màu bằng cách lấy khoảng 3 dung dịch có nồng độ thấp, trung bình và cao. Đo giá trị mật độ quang học D của chất màu đó trên máy của các bước sóng. Từ đó lập các giá trị D tương ứng.
Một chất màu luôn được khẳng định là phân tích tốt hơn, ổn định hơn khi đó nó ở giá trị λmax tương ứng với mật độ quang Dmax.
• Thứ hai: Sau khi biết giá trịn λmax, ta lặp lại thí nghiệm trên cùng một mẫu rồi khảo sát D- theo thời gian tại λmax đã biết... Để thực hiện điều này, ta đo sau 10, 20, 30 phút hoặc 1 giời, 2 giời. Biều diễn giá trị D1, D2... theo thời gian t tao thu được đường cong Dt. Từ đường cong Dt ta xác định được khoảng thời gian ổn định và thời điểm màu bắt đầu thay đổi.
• Thứ ba: muốn cho phương pháp bảo đảm thường người ta phải xem lại đủ mọi mặt. Các yếu tố thường khảo sát đó là: pH, lượng thuốc thử hữu cơ hoặc vô cơ ảnh hưởng của lượng thuốc thử dư, ảnh hưởng của các ion phụ trong mẫu (đặc biệt là các ion có khả năng tạo phức với chất thử).
Dưới đây xin giới thiệu một thiết bị hiện đại dùng đo màu:
Máy UV-Vis Spectrophometer, Model UV-1201.
Đặc tính của máy:
• Hệ thống quang học: Hai chùm sáng đơn sắc có kiểm tra.
• Khoảng đo từ 200 đến 1100 nm, thay đổi 0,1 nm
• Độ chính xác của sóng ± 1nm.
• Đo được trong khoảng 0.3-3.0
• Ánh sáng phân tán ở 220 nm và 340 nm chỉ là 0.05%.