Bài giảng Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

MỤC LỤC CHƯƠNG I QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ (AAS) 1.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG CỦA AAS 1.1.1 Sự xuất hiện phổ hấp thụ nguyên tử Như chúng ta đã biết, vật chất được cấu tạo bởi nguyên tử và nguyên tử là phần cơ bản nhỏ nhất còn giữ lại được tính chất của nguyên tố hóa học. Trong điều kiện bình thường, nguyên tử không thu cũng không phát năng lượng, lúc này nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản. Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, nếu ta chiếu một chùm tia sáng có những bước sóng xác định vào đám hơi nguyên tử đó thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định ứng đúng với những tia mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ của nó. Lúc này nguyên tử đã nhận bức xạ vào nó và nó chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. Đó là tính chất đặc trưng của nguyên tử ở trạng thái hơi. Quá trình đó được gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ nguyên tử của nguyên tố đó. Phổ sinh ra trong quá trình này được gọi là phổ hấp thụ nguyên tử. Nếu gọi năng lượng của tia sáng đã bị nguyên tử hấp thụ là , thì chúng ta có: Trong đó E0 và Em là năng lượng của nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích, h là hằng số Plank, C là tốc độ ánh sáng, (nm) là bước sóng ánh sáng. Như vậy ứng với mọi năng lượng mà nguyên tử đã hấp thụ, ta sẽ có một vạch phổ hấp thụ của nguyên tử cũng là phổ vạch. Nhưng nguyên tử không hấp thụ tất cả các bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ. Quá trình hấp thụ chỉ xảy ra đối với các phổ vạch nhạy, các vạch đặc trưng của nguyên tố. Cho nên đối với các vạch phổ quá trình hấp thụ và phát xạ là ngược nhau. 1.1.2 Cường độ của vạch phổ hấp thụ Nghiên cứu sự phụ thuộc của cường độ một vạch phổ hấp thụ của một nguyên tố vào nồng độ C của nguyên tố đó trong mẫu phân tích. Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng trong một vùng nồng độ C nhỏ của chất phân tích, mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ hấp thụ và nồng độ N của nguyên tố đó trong đám hơi cũng tuân theo định luật Lambert-Beer. Nghĩa là nếu chiếu một chùm sáng cường độ ban đầu là I0 qua đám hơi nguyên tử tự do của nguyên tố phân tích nồng độ là N và bề dày Lcm, thì chúng ta có: Trong đó, là hệ số hấp thụ nguyên tử của vạch phổ tần số , và là đặc trưng riêng cho từng vạch phổ hấp thụ của mỗi nguyên tố và nó được tính theo công thức: K0 là hệ số hấp thụ tại tâm của vạch phổ ứng với tần số . A là nguyên tử lượng của nguyên tố hấp thụ bức xạ. R là hằng số khí. T là nhiệt độ của môi trường hấp thụ. Nếu gọi D là cường độ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử, công thức tính D: D = Ở đây D chính là độ tắt nguyên tử của chùm tia sáng cường độ I0 sau khi qua môi trường hấp thụ. D phụ thuộc vào nồng độ N trong môi trường hấp thụ và phụ thuộc vào bề dày L của lớp hấp thụ. Nhưng trong máy đo AAS thì chiều dài của đèn nguyên tử hóa hay cuvet graphit là không đổi, nghĩa là L là không đổi. Nên giá trị D chỉ còn phụ thuộc vào số nguyên tử N có trong môi trường hấp thụ. Như vậy cường độ của vạch hấp thụ sẽ là: D = K.N Trong đó K là hệ số thực nghiệm, nó phụ thuộc vào các yếu tố: -Hệ số hấp thụ nguyên tử Kv. -Nhiệt độ của môi trường hấp thụ. -Bề dày của môi trường hấp thụ. Song công thức trên chưa cho ta mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ và nồng độ C của nguyên tố phân tích trong mẫu. Tức là quan hệ giữa N và C. Đây chính là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích. Nghiên cứu quá trình này, lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng, mối quan hệ giữa nồng độ C và N trong mẫu phân tích được tính theo biểu thức sau : N =Ka.Cb Trong đó Ka là hằng số thực nghiệm, nó phụ thuộc vào tất cả các điều kiện hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu. Còn b được gọi là hằng số bản chất, nó phụ thuộc vào từng vạch phổ của từng nguyên tố. Đến đây, ta nhận thấy : =a.Cb a là hằng số Quan hệ giữa D và C được biểu diễn qua đồ thị sau : Hình 1.1 : Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa D và C 1.1.3 Nguyên tắc và trang bị của phép đo AAS Hình 1.2 : Máy AAS Muốn thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố cần phải thực hiện các quá trình sau đây: 1.Chọn các điều kiện và loại trang bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do. Đó là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu. 2. Chiếu chùm tia sáng bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử vừa sinh ra. Các nguyên tử ở trạng thái hơi sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó. Ở đây phần cường độ của chùm tia sáng đã bị một loại nguyên tử hấp thụ là phụ thuộc vào nồng độ của nó trong môi trường hấp thụ. Nguồn cung cấp chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần nghiên cứu được gọi là nguồn bức xạ đơn sắc hay bức xạ cộng hưởng. 3. Tiếp đó, nhờ một hệ thống máy quang phổ, người ta thu toàn bộ chùm sáng, phân ly và chọn 1 vạch hấp thụ của nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ của nó. Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử. Trong một thời gian nhất định của nồng độ C, giá trị cường độ này là phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nguyên tố trong mẫu phân tích. Ba quá trình trên chính là nguyên tắc của phép đo AAS. Vì vậy, muốn thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử hệ thống máy đo phổ hấp thụ phải bao gồm các phần cơ bản sau : Phần 1 : Nguồn phát tia cộng hưởng. Đó chính là các đèn catôt rỗng (HCL), các đèn phóng điện không điện cực hay nguồn phát bức xạ liên tục đã được biến điện. Phần 2 : Hệ thống nguyên tử hóa mẫu. Hệ thống này được chế tạo theo 2 loại kỹ thuật, đó là kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa đèn khí và kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa. Phần 3 : Là máy quang phổ, nó là bộ phận đơn sắc, có nhiệm vụ thu, phân ly và chọn tia sáng (vạch phổ) cần đo hướng vào nhân quang điện để phát hiện tín hiệu hấp thụ AAS của vạch phổ. 1 2 3 4 5 Máy vi tính Phần 4 : Là hệ thống chỉ thị tín hiệu hấp thụ của vạch phổ (tức là cường độ của vạch phổ hấp thụ hay nồng độ nguyên tố phân tích. Hình 1.3 : Sơ đồ khối thiết bị AAS Trong đó : (1) là nguồn phát tia bức xạ đơn sắc, (2) hệ thống nguyên tử hóa, (3) hệ thống đơn sắc, (4) đetector, (5) bộ khuếch đại tín hiệu. 1.1.4 Những ưu, nhược điểm của phép đo AAS Cũng như các phương pháp phân tích khác, phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử cũng có những ưu, nhược điểm nhất định. Đó là : -Phép đo AAS có độ nhạy và độ chọn lọc tương đối cao. Khoảng 65 nguyên tố hóa học có thể được xác định bằng phương pháp này với độ nhạy từ 1.10-4 đến 1.10-5%. Đặc biệt, nếu sử dụng kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa thì độ nhạy đạt 10-7%. Chính vì có độ nhạy cao, nên phương pháp phân tích này đã được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để xác định lượng vết các kim loại. Nhất là trong phân tích các nguyên tố vi lượng trong các đối tượng mẫu y học, sinh học, nông nghiệp, kiểm tra hóa chất có độ tinh khiết cao. - Đồng thời cũng do độ nhạy cao nên trong nhiều trường hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác định trước khi phân tích. Do đó tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian không cần phải dùng nhiều hóa chất tinh khiết cao khi làm giàu mẫu. Mặt khác cũng tránh được sự nhiễm bẩn mẫu khi xử lý qua các giai đoạn phức tạp. Đó cũng là một ưu điểm lớn của phép đo AAS. Bảng 1.1 : Độ nhạy của các nguyên tố theo phép đo AAS STT Nguyên tố F-AAS ETA-AAS Ngọn lửa Độ nhạy () Độ nhạy () 1 Ag-328,10 AA 0.05 0.10 2 Al-309.30 NA 0.10 0.50 3 Au-242.80 AA 0.05 0.05 4 Ba-553.50 NA 0.10 0.50 5 Be-234.90 NA 0.10 0.30 6 Bi-223.10 AA 0.10 1.00 7 Ca-422.70 AA 0.05 0.05 8 Cd-228.80 AA 0.03 0.04 9 Co-240.70 AA 0.10 1.00 10 Cr-357.50 AA 0.10 0.80 11 Cu-324.70 AA 0.04 0.05 12 Fe-248.30 AA 0.08 0.10 13 K-766.50 AA 0.05 0.10 14 Mg-285.20 AA 0.03 0.10 15 Mn-279.50 AA 0.05 0.06 16 Na-589.60 AA 0.03 0.05 17 Ni-232.00 AA 0.10 0.10 18 Pb-283.30 AA 0.10 0.20 19 Sr-466.70 AA 0.08 0.20 20 Si-251.60 NA 0.30 1.00 21 Zn-213.90 AA 0.03 0.10 Ghi chú : AA ngọn lửa (không khí +acetilen) NA ngọn lửa (khí N2O + acetilen) -Ưu điểm thứ 3 của phương pháp này là các động tác thực hiện nhẹ nhàng. Các kết quả phân tích lại có thể ghi lại trên băng giấy hay giản đồ để lưu trữ lại sau này. Đồng thời với các trang bị hiện nay, người ta có thể xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu. Các kết quả phân tích lại rất ổn định, sai số nhỏ. Trong nhiều trường hợp sai số không quá 15% với vùng nồng độ cỡ 1-2 ppm. Hơn nữa bằng sự ghép với máy tính cá nhân và các phần mềm thích hợp quá trình đo và xử lý kết quả sẽ nhanh và dễ dàng, lưu lại đường chuẩn cho các lần sau. Bên cạnh những ưu điểm đã nêu, phép đo AAS cũng có một số hạn chế nhất định. Điều hạn chế trước hết là muốn thực hiện phép đo này cần phải có một hệ thống máy AAS tương đối đắt tiền. Do đó nhiều cơ sở nhỏ không đủ điều kiện để xây dựng phòng thí nghiệm và mua sắm máy móc. -Mặt khác cũng chính do phép đo có độ nhạy cao, cho nên sự nhiễm bẩn có ý nghĩa đối với kết quả phân tích hàm lượng vết. Vì thế môi trường không khí phòng thí nghiệm phải không có bụi. Các dụng cụ, hóa chất dùng trong phép đo có độ tinh khiết cao. Đó cũng là một khó khăn khi ứng dụng phân tích này. Mặt khác cũng vì phép đo có độ nhạy cao nên các thiết bị máy móc là khá tinh vi và phức tạp. Do đó cần phải có kỹ sư trình độ cao để bảo dưỡng và chăm sóc. Cần cán bộ làm phân tích công cụ thành thạo để vận hành máy. Những yếu tố này có thể khắc phục được qua công tác chuẩn bị và đào tạo cán bộ. Nhược điểm chính của phương pháp phân tích này là chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố của chất ở trong mẫu phân tích, mà không chỉ ra trạng thái liên kết của nguyên tố trong mẫu. Vì thế, nó chỉ là phương pháp phân tích thành phần hóa học của nguyên tố mà thôi. 1.1.5 Đối tượng và phạm vi ứng dụng của AAS Đối tượng chính của phương pháp phân tích theo phổ hấp thụ nguyên tử là phân tích lượng nhỏ (lượng vết) các kim loại trong các loại mẫu khác nhau của các chất vô cơ và hữu cơ. Với các trang bị kỹ thuật hiện nay, bằng phương pháp phân tích này người ta có thể định lượng được hầu hết các kim loại (khoảng 65 nguyên tố) và một số á kim đến giới hạn nồng độ cỡ ppm bằng kỹ thuật F-AAS, và đến nồng độ cỡ ppb bằng kỹ thuật ETA-AAS với sai số không lớn hơn 15%. Trong khoảng 10 năm nay, phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử đã được sử dụng khá phổ biến để xác định các kim loại trong mẫu quặng, đất , đá,... Bên cạnh các kim loại, một số á kim như Si, P, S, Se, Te cũng được xác định bằng phương pháp phân tích này. Các á kim C, Cl, O, N không xác định trực tiếp được bằng phương pháp này. Vì các vạch phân tích của các á kim này thường nằm ngoài vùng phổ của các máy hấp thụ nguyên tử thông dụng. Do đó muốn phân tích các á kim này cần phải có các bộ đơn sắc đặc biệt. 1.2 KỸ THUẬT NGUYÊN TỬ HÓA MẪU 1.2.1 Mục đích của giai đoạn nguyên tử hóa mẫu Nguyên tử hóa mẫu phân tích là một công việc hết sức quan trọng của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử. Bởi vì chỉ có các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi mới cho phổ hấp thụ nguyên tử. Nghĩa là số nguyên tử tự do trong trạng thái hơi là yếu tố quyết định cường độ vạch hấp thụ và quá trình nguyên tử hóa mẫu thực hiện tốt hay không tốt đều có ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phân tích. Chính vì thế người ta thường ví quá trình nguyên tử hóa mẫu là hoạt động trái tim của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử. Mục đích của quá trình này là tạo ra được đám hơi các nguyên tử tự do từ mẫu phân tích với hiệu suất cao và ổn định, để phép đo đạt kết quả chính xác và có độ đúng cao. 1.2.2 Kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa Theo kỹ thuật này, người ta dùng năng lượng nhiệt của ngọn lửa đèn khí để hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích. Vì thế mọi quá trình xảy ra trong khi nguyên tử hóa mẫu là phụ thuộc vào các đặc trưng và tính chất của ngọn lửa đèn khí. Nhưng chủ yếu là nhiệt độ của ngọn lửa. Nó là yếu tố quyết định hiệu suất nguyên tử hóa mẫu phân tích và mọi yếu tố khác ảnh hưởng đến kết quả của phương pháp phân tích. 1.2.2.1 Yêu cầu của ngọn lửa -Ngọn lửa đèn khí phải làm nóng được mẫu phân tích. Hóa hơi nguyên tử hóa mẫu phân tích với hiệu suất cao để bảo đảm cho phép phân tích có độ đúng, độ nhạy, độ chính xác cao. - Nhiệt độ của ngọn lửa phải đủ lớn và có thể điều chỉnh tùy theo mục đích phân tích mỗi nguyên tố. Đồng thời lại phải ổn định theo thời gian và có độ lặp lại được trong các lần phân tích khác nhau đảm bảo cho phép phân tích đạt kết quả đúng đắn. Yêu cầu này có lúc không được thỏa mãn. Vì nhiệt độ cao nhất của ngọn lửa cũng chỉ là 33000C. Do đó với những nguyên tố tạo thành hợp chất bền nhiệt thì hiệu suất nguyên tử hóa mẫu là kém. -Ngọn lửa phải thuần khiết. -Ngọn lửa phải có bề dày đủ lớn để có được lớp hấp thụ đủ dày làm tăng độ nhạy của phép đo. Đồng thời bề dày của lớp hấp thụ lại có thể thay đổi được khi cần thiết, để đo nồng độ lớn. Trong các máy hiện nay, bề dày này có thể thay đổi được từ 2cm đến 10cm. -Tiêu tốn ít mẫu phân tích. 1.2.2.2 Đặc điểm của ngọn lửa đèn khí Xét về cấu tạo ngọn lửa đèn khí gồm 3 phần: -Phần a: là phần tối của ngọn lửa. Trong phần này hỗn hợp khí được trộn đều và đốt nóng cùng với các hạt sol khí (thể aerosol) của mẫu phân tích. Phần này có nhiệt độ thấp (700-12000C). Dung môi hòa tan sẽ bay hơi trong phần này và mẫu được sấy nóng. -Phần b: Là vùng trung tâm của ngọn lửa. Phần này có nhiệt độ cao nhất và thường không có màu hoặc có màu xanh rất nhạt. Trong phần này hỗn hợp khí được đốt cháy tốt nhất và không có phản ứng thứ cấp. Vì thế trong phép đo phổ AAS người ta phải đưa mẫu vào phân này để nguyên tử hóa và thực hiện phép đo. Nghĩa là nguồn đơn sắc phải chiếu qua phần này của ngọn lửa. -Phần c: Là vỏ và đuôi của ngọn lửa. Vùng này có nhiệt độ thấp, ngọn lửa có màu vàng và thường xảy ra nhiều phản ứng thứ cấp không có lợi cho phép đo phổ hấp thụ nguyên tử. 1.2.2.3 Trang bị để nguyên tử hóa mẫu Muốn thực hiện phép đo phổ hấp thụ F-AAS, trước hết phải chuẩn bị mẫu phân tích ở trạng thái dung dịch. Sau đó dẫn dung dịch mẫu vào ngọn lửa đèn khí để hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích và thực hiện phép đo. Quá trình nguyên tử hóa trong ngọn lửa gồm 2 bước kế tiếp nhau. Bước 1 là chuyển dung dịch mẫu phân tích thành thể các hạt nhỏ như sương mù trộn đều với khí mang và khí cháy. Đó là các hạt sol khí . Quá trình này được gọi là quá trình aerosol hóa hay nêbulize hóa. Kỹ thuật thực hiện quá trình này và hiệu suất của nó là ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả của phép đo AAS. Sau đó dẫn hỗn hợp aerosol cùng hỗn hợp khí đốt vào đèn để nguyên tử hóa. Khí mang là một trong 2 khí để đốt cháy tạo ra ngọn lửa. Thông thường người ta hay dùng khí oxy hóa (không khí nén hay N2O). Hai giai đoạn trên được thực hiện bằng một hệ thống trang bị nguyên tử hóa mẫu. Hệ thống này gọi là Nebulizer system, nó gồm hai phần chính : - Đèn nguyên tử hóa mẫu. -Buồng aerosol hóa. 1.2.2.4 Những quá trình xảy ra trong ngọn lửa Ngọn lửa là môi trường nguyên tử hóa mẫu của phép đo phổ AAS (F-AAS). Trong ngọn lửa có nhiều quá trình đồng thời xảy ra: Có quá trình chính và có quá trình phụ. Trong đó nhiệt độ của ngọn lửa là yếu tố quyết định mọi diễn biến của quá trình đó. Trước hết, khi mẫu ở thể sol khí được dẫn lên đèn nguyên tử hóa, dưới tác dụng nhiệt của ngọn lửa. Ở miệng đèn là sự bay hơi của dung môi hòa tan mẫu và các chất hữu cơ (nếu có) trong thể sol khí. Như vậy mẫu còn lại là các hạt rắn rất nhỏ mịn (các muối) trong ngọn lửa và nó được dẫn tiếp vào vùng trung tâm ngọn lửa. Tiếp đó là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa các mẫu hạt khô đó. Ở đây các chất sẽ có các quá trình diễn biến theo theo tính chất nhiệt hóa của nó. Các quá trình này thường xảy ra theo 2 cơ chế chính : Cơ chế 1: Nếu Eh <Ea tức là năng lượng hóa hơi của các hợp phần có trong mẫu nhỏ hơn năng lượng nguyên tử hóa của nó, thì trước hết các hợp phần này sẽ hóa hơi ở dạng phân tử. Sau đó các phân tử khí này mới bị phân li (nguyên tử hóa) thành các nguyên tử tự do. Hoặc cũng có thể chúng khong bị phân li thành các nguyên tử tự do, nếu đó là các hợp chất bền nhiệt. Cơ chế 2: Nếu Eh>Ea, tức là năng lượng phân li của các hợp phần của mẫu là nhỏ hơn năng lượng hóa hơi của chính nó thì trước hết các hợp phần đó sẽ bị phân li thành các nguyên tử tự do, rồi sau đó mới hóa hơi. Đó là 2 cơ chế của quá trình nguyên tử hóa mẫu phân tích (quá trình chính) trong ngọn lửa đèn khí. Nó là những quá trình để tạo ra các nguyên tử tự do quyết định cường độ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử của nguyên tố phân tích. Các loại hợp chất kim loại-halogen, acetat, clorat, nitrat thường theo cơ chế 1. Cơ chế này cung cấp cho phép đo có độ nhạy cao và ổn định hơn cơ chế 2. Các loại hợp chất của kim loại-sunfat, photphat, silicat thường theo cơ chế 2. Cơ chế này kém ổn định, cho độ nhạy thấp. Vì thế người ta thường thêm vào mẫu các muối halogen, hay acetat của kim loại kiềm để hướng các quá trình theo cơ chế 1 ưu việt hơn. Bên cạnh quá trình chính, trong ngọn lửa đèn khí thường còn có một số quá trình phụ. Các quá trình phụ này thường ảnh hưởng đến cường độ vạch phổ trong những mức độ khác nhau, như làm giảm cường độ của vạch phổ, ví dụ như : - Sự ion hóa của nguyên tố phân tích : quá trình này xảy ra dễ dàng đối với các nguyên tố có thế ion hóa thấp và mức độ ion hóa của một loại nguyên tố là tùy thuộc vào nhiệt độ của ngọn lửa và thế ion hóa của nguyên tố đó. Nếu thế ion hóa càng nhỏ thì nó bị ion hóa càng nhiều. Vì thế quá trình này có ý nghĩa rất lớn đối với các kim loại kiềm và sau đó là các kiềm thổ. Như vậy quá trình nguyên tử hóa là giảm số nguyên tử tự do trong ngọn lửa. Có nghĩa là làm giảm cường độ của vạch phổ hấp thụ. Vì thế cần phải hạn chế ảnh hưởng này, bằng cách chọn các điều kiện phù hợp giữ cho nhiệt độ của ngọn lửa ổn định và không quá lớn để xảy ra sự ion hóa nguyên tố phân tích. Hoặc thêm vào các muối của một nguyên tố có thế ion hóa thấp hơn thế ion hóa của nguyên tố phân tích để hạn chế quá trình ion hóa của nguyên tố phân tích. -Sự phát xạ: đồng thời với quá trình ion hóa, còn có sự kích thích phổ phát xạ của các nguyên tử tự do của nguyên tố phân tích dưới tác dụng nhiệt của ngọn lửa. Số nguyên tử bị kích thích và mức độ bị kích thích phổ phát xạ cũng phụ thuộc vào năng lượng kích thích phổ phát xạ của từng nguyên tố và từng vạch phổ. Để loại trừ yếu tó ảnh hưởng này, người ta cũng thêm vào mẫu muối của các nguyên tố có thể kích thích phổ phát xạ thấp hơn nguyên tố phân tích, để quá trình này chỉ xảy ra với nguyên tố thêm vào đó. -Sự hấp thụ của phân tử :Trong ngọn lửa, ngoài các nguyên tử tự do, cũng có cả các ion và các phân tử ở trạng thái hơi. Các phân tử này tùy theo tính chất của nó và cũng tùy thuộc vào nhiệt độ của ngọn lửa và vùng phổ ta quan sát, mà còn có sự hấp thụ năng lượng, sự ion hóa hay sự kích thích phổ của chính các phân tử đó. Những quá trình này, tuy là quá trình phụ nhưng cũng có trường hợp ảnh hưởng đến cường độ vạch phổ của nguyên tố phân tích. Thêm vào đó sự hấp thụ của các hạt mẫu rắn chưa bị hóa hơi. Yếu tố này gọi là sự hấp thụ giả. - Sự tạo thành các hợp chất bền nhiệt : Trong ngọn lửa đèn khí, một số kim loại có thể hình thành các hợp chất bền nhiệt kiểu mônxit dạng MeO, như AlO, BaO,...Loại hợp chất này rất bền, khi đã hình thành khi khó phân li thành các nguyên tử tự do trong ngọn lửa đèn khí. Vì thế làm giảm độ nhạy của phép phân tích. 1.2.2.5 Tối ưu hóa các điều kiện nguyên tử hóa mẫu Như trên chúng ta đã xãc định được rằng, nguyên tử hóa mẫu là công việc quan trọng nhất của phép đo F-AAS. Quá trình này thực hiện không tốt đều có ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả của phép đo. Do đó muốn đạt được kết quả chính xác và đúng đắn, chúng ta phải khảo sát, phát hiện và chọn các điều kiện nguyên tử hóa mẫu phù hợp nhất cho từng nguyên tố cần phân tích trong mỗi mẫu cụ thể. Các điều kiện cụ thể là : -Thành phần và tốc độ của hỗn hợp khí đốt tạo ra ngọn lửa. -Tốc độ dẫn dung dịch mẫu vào hệ thống nguyên tử hóa. -Bề dày của môi trường hấp thụ. -Tần số máy siêu âm -Độ nhớt của dung dịch mẫu. Trên đây là các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nguyên tử hóa mẫu. Nghĩa là ảnh hưởng đến kết quả của phép đo F-AAS. Tất nhiên mỗi yếu tố có ảnh hưởng trong mức độ khác nhau. Có trường hợp xuất hiện song song cũng có những trường hợp không xuất hiện rõ rệt. Trong đó yếu tố đầu tiên, nhiệt độ ngọn lửa là quan trọng nhất, nó quyết định hiệu suất của quá trình nguyên tử hóa mẫu. Các yếu tố khác còn lại là ảnh hưởng đến yếu tố thứ nhất và qua đó gây ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Do đó việc nghiên cứu để phát hiện và chọn các thông số cho phù hợp nhất đối với mục đích phân tích định lượng một nguyên tố vi lượng trong mỗi đối tượng mẫu là một công việc hết sức cần thiết và quan trọng cho kỹ thuật phân tích F-AAS, để chọn và xây dựng một quy trình chuẩn. Mặt khác, nếu chọn được các điều jiện nguyên tử hóa mẫu phù hợp, thì trong nhiều trường hợp lại loại trừ được một só ảnh hưởng nhất định, như ảnh hưởng của phổ nền, sự ion hóa, sự phát xạ hay các quá trình thứ cấp trong ngọn lửa mà nó không có lợi cho phép đo. Thực hiện các công việc trên chính là tiêu chuẩn hóa xây dựng một quy trình phân tích một nguyên tắc bằng phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của nó. 1.2.3 Kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu không ngọn lửa 1.2.3.1 Đặc điểm Kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa ra đời sau kỹ thuật nguyên tử hóa trong ngọn lửa. Nhưng kỹ thuật này được phát triển rất nhanh và hiện nay đang được ứng dụng rất phổ biến. Vì kỹ thuật này cung cấp cho phép đo AAS có độ nhạy rất cao (cỡ ppb), có khi gấp hàng trăm đến hàng ngàn lần phép đo trong ngọm lửa. Đây là ưu điểm chính của kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa. Do đó, khi phân tích lượng vết các kim loại trong nhiều trường hợp không cần thiết phải làm giàu mẫu. Đặc biệt là khi xác định các nguyên tố vi lượng trong các loại mẫu y học, sinh học,... Tuy có độ nhạy cao, nhưng trong một số trường hợp độ ổn định của phép đo không ngọn lửa thường kém phép đo trong ngọn lửa. Ảnh hưởng hưởng của phổ nền thường rất lớn. Đó là đặc điểm và cũng là nhược điểm của phép đo này. Song với sự phát triển vật lý và các kỹ thuật đo hiện đại, ngày nay người ta có thể khác phục được nhược điểm này không khó khăn lắm. Vì thế các hệ thống máy đo phổ hấp thụ theo kỹ thuật không ngọn lửa của những năm 1980 luôn luôn có kèm theo hệ thống bổ chính nền và độ ổn định của nó cũng không kém các hệ thống của phép đo trong ngọn lửa và đảm bảo độ nhạy vào cỡ ppb. Đặc điểm nữa của phép đo không ngọn lửa là đòi hởi một lượng mẫu tương đối nhỏ. Thông thường mỗi lần đo chỉ cần từ 20-50microlit. Do đó không cần lượng nhiều mẫu phân tích. Việc chuẩn bị mẫu cũng dễ dàng và không tốn nhiều hóa chất, cũng như các dung môi tinh khiết đắt tiền. Về nguyên tắc, kỹ thuâth nguyên tử hóa không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hóa tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng điện công suất lớn và trong môi trường khí trơ. Quá trình nguyên tử hóa xảy ra theo 3 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 2 giai đoạn đầu là chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hóa để đạt kết quả tốt. Nhiệt độ trong cuvet graphic là yếu tố chính quyết định mọi sự diễn biến của quá trình nguyên tử hóa mẫu. 1.2.3.2 Yêu cầu hệ thống nguyên tử hóa mẫu -Hệ thống nguyên tử hóa phải hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích với hiệu suất cao và ổn định để đảm bảo cho phép đo có độ nhạy cao và độ lặp lại tốt. -Phải cung cấp được năng lượng (nhiệt độ cao) đủ lớn và có thể điều chỉnh được dễ dàng theo yêu cầu, để có thể nguyên tử hóa được nhiều loại mẫu và phân tích được nhiều nguyên tố. -Cuvet chứa mẫu để nguyên tử hóa mẫu phải có độ tinh khiết cao. Không làm nhiễm bẩn, không có phổ phụ gây khó khăn cho phép đo của nguyên tố cần phân tích. -Hạn chế : có ít hay không có các quá trình phụ trong quá trình nguyên tử hóa mẫu thực hiện phép đo. -Tiêu tốn ít mẫu phân tích. Đó là các yêu cầu tối thiểu cần thết đối với một hệ thống trang bị nguyên tử hóa mẫu trong phép đo không ngọn lửa. Trên cơ sở các yêu cầu này, mỗi hãng chế tạo máy AAS đều có những trang bị riêng cho các máy của họ. Song về nguyên tắc và các bước của quá trình nguyên tử hóa thì đều như nhau. 1.2.3.3 Nguyên tắc và các giai đoạn của quá trình nguyên tử hóa -Sấy khô mẫu : đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình nguyên tử hóa mẫu. Nó là rất cần thiết để đảm bảo cho dung môi hòa tan mẫu bay hơi nhẹ nhàng và hoàn toàn nhưng không làm bẩn mẫu, mất mẫu. Vì nếu không thực hiện sấy tốt mẫu sẽ bị bẩn sẽ làm sai lệch kết quả phân tích. Để thực hiện quá trình sấy tốt, đối với mỗi loại mẫu cần phải tiến hành nghiên cứu, phát hiện và chọn nhiệt độ và thời gian sấy cho phù hợp. Nhiệt độ và thời gian sấy khô của mỗi loại mẫu là phụ thuộc vào bản chất của các chất ở trong mẫu và dung môi hòa tan nó. Thực nghiệm cho thấy rằng, không nên sấy mẫu ở nhiệt độ cao và sấy khô nhanh. Nói chung, nhiệt độ sấy khô phù hợp đối với đa số các mẫu vô cơ trong dung môi nước nằm trong khoảng từ 100-1500C trong thời gian từ 25 -40 giây với lượng mẫu được bơm vào cuvet nhỏ hơn 100 microlit. Tất nhiên quá trình sấy khô chậm ở nhiệt độ thấp bao giờ cũng cho kết quả ổn định. Việc tăng nhiệt độ khi sấy, từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ sấy mong muốn cũng cần được thực hiện từ từ, với tốc độ tăng nhiệt độ từ 50 đến 80C trong 1 giây là phù hợp. Đối với các mẫu có chứa các chất hữu cơ hay hòa tan trong dung môi hữu cơ, thường phải sấy ở nhiệt độ thấp hơn và tốc độ tăng nhiệt độ phải chậm hơn dung môi nước. Với loại mẫu này, nhiệt độ sấy thường là dưới 1000C. - Tro hóa luyện mẫu : Đây là giai đoạn thứ 2 của quá trình nguyên tử hóa mẫu. Mục đích là để tro hóa (đốt cháy) các hợp chất hữu cơ và mùn có trong mẫu sau khi đã sấy khô. Đồng thời cũng là để nung luyện ở một nhiệt độ thuận lợi cho giai đoạn nguyên tử hóa tiếp theo đạt hiệu suất cao và ổn định. Giai đoạn này có ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả phân tích, nếu chọn nhiệt độ tro hóa phù hợp. Giai đoạn này có ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả phân tích, nếu chọn nhiệt độ tro hóa không phù hợp. Vì một số hợp chất có thể phân hủy mất trong giai đoạn này, nếu nhiệt độ tro hóa là quá cao. Lý thuyết và các kết quả thực nghiệm xác nhận rằng, tro hóa mẫu từ từ và ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ giới hạn thì phép đo luôn luôn cho kết quả ổn định, và mỗi nguyên tố đều có một nhiệt độ tro hóa luyện mẫu giới hạn cho nó trong phép đo ETA – AAS. Nhiệt độ tro hóa giới hạn là nhiệt độ mà sự tro hóa mẫu ở nhiệt độ đó và nhỏ hơn nó thì cường độ vạch phổ hấp thụ là không đổi. Nguyên tử hóa : đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình nguyên tử hóa mẫu nhưng lại là giai đoạn quyết định cường độ của vạch phổ. Song nó lại bị ảnh hưởng bởi hai giai đoạn trên. Giai đoạn này được thực hiện trong thời gian rất ngắn thông thường từ 3 – 6 giây rất ít khi đến 8 -10 giây. Nhưng tốc độ tăng nhiệt độ lại rất lớn để đạt ngay tức khắc đến nhiệt độ nguyên tử hóa và thực hiện phép đo cường độ vạch phổ. Tốc độ tăng nhiệt độ thường từ 1800 – 2500 0C/giây, thường người ta sử dụng tốc độ tối đa mà máy có thể cho phép. Nghiên cứu chi tiết giai đoạn này chúng ta nhận thấy rằng, nhiệt độ nguyên tử hóa của mỗi nguyên tố là rất khác nhau. Đồng thời mỗi nguyên tố cũng có một nhiệt độ nguyên tử hóa giới hạn của nó. Nhiệt độ này là phụ thuộc vào bản chất của mỗi nguyên tố và cũng phụ thuộc trong mức độ nhất định vào trạng thái và thành phần mẫu mà nó tồn tại, nhất là chất nền của mẫu (yếu tố matrix). 1.2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng Cùng với các điều kiện sấy, tro hóa và nguyên tử hóa mẫu như đã trình bày ở trên, quá trình nguyên tử hóa theo kỹ thuật không ngọn lửa còn bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố khác nữa. Các yếu tố này ảnh hưởng khác nhau đối với mỗi nguyên tố và cũng có khi không gây ảnh hưởng. -Yếu tố thứ nhất là môi trường khí trơ thực hiện quá trình nguyên tử hóa. Khí trơ hay dùng là Ar, N, He. Nghĩa là quá trình nguyên tử hóa thực hiện trong môi trường không có ôxy. Do đó không xuất hiện hợp chất bền nhiệt MeO, MeOX. Nhưng bản chất, thành phần và tốc độ dẫn khí trơ vào trong cuvet graphit đều ảnh hưởng tới cường độ vạch phổ và nhiệt độ trong cuvet graphit. Trong ba loại khí trơ trên thì Ar là tốt nhất sau đó đến Nitơ. Đồng thời khi tăng tốc độ dẫn khí vào trong cuvet graphit thì cường độ vạch phổ luôn luôn giảm và mức giảm cũng khác nhau đối với mỗi nguyên tố. Do đó trong phân tích, khi đo cường độ vạch phổ bắt buộc phải giữ cho tốc độ dẫn khí là không đổi hoặc có thể tắt khí môi trường trong giai đoạn nguyên tử hóa để đo cường độ vạch phổ. - Yếu tố thứ hai là công suất đốt nóng cuvet graphit : nhìn chung khi tăng công suất đốt nóng thì cường độ vạch phổ tăng theo nhưng sự phụ thuộc này cũng chỉ trong một giới hạn nhất định. Khi công suất đốt nóng cuvet graphit 6KW. Còn khi đốt nóng cuvet graphit ở công suất lớn hơn 7KW thì hầu như cường độ vạch phổ không tăng nữa. -Yếu tố thứ ba là tốc độ đốt nóng cuvet graphit : tốc độ đốt nóng cuvet graphit và thời gian nguyên tử hóa là tỷ lệ nghịch với nhau. Nếu đo diện tích của pic thì yếu tố này hầu như không ảnh hưởng, nhưng nếu đo chiều cao của píc thì lại rất khác nhau. Yếu tố thứ tư là loại cuvet graphit dùng để nguyên tử hóa mẫu : nghĩa là các loại nguyên liệu graphit khác nhau cũng ảnh hưởng đến cường độ vạch phổ và thời gian nguyên tử hóa mẫu. Các quá trình trong cuvet graphit  Sự bay hơi của dung môi : đây là quá trình vật lý đơn giản, nó xảy ra trong giai đoạn sấy mẫu của quá trình nguyên tử hóa mẫu và nhiệt độ là yếu tố quyết định sự diễn biến của quá trình này. Nhưng thành phần của mẫu, các chất hữu cơ có mặt trong mẫu cũng ảnh hưởng đến quá trình này. Sau khi dung môi bay hơi sẽ để lại các hạt mẫu là bột mịn của các muối khô trong cuvet. Sự tro hóa (đốt cháy) các chất hữu cơ và mùn. Quá trình này xảy ra trong giai đoạn thứ hai của quá trình nguyên tử hóa. Khi các chất hữu cơ bị tro hóa sẽ tạo ra các chất khí (CO, CO2, H2O) bay đi và để lại phần bã vô cơ của mẫu. Đó là các muối hay các ôxit của các chất mẫu. Tiếp đó bã này được nung nóng, nóng chảy hay bị phân hủy là tùy theo nhiệt độ tro hóa và tùy thuộc vào bản chất của hợp chất mẫu tồn tại trong cuvet sau khi đã sấy khô. Lúc này mẫu được nóng luyện thành thể nóng chảy đồng nhất. Đồng thời ở đây cũng có sự phân hủy của một số muối không bền thành ôxit. Sự hóa hơi của các hợp phần mẫu ở dạng phân tử : nếu nhiệt hóa hơi của các hợp phần trong mẫu nhỏ hơn nhiệt phân ly của chúng thì các hợp phần mẫu này sẽ hóa hơi ở dạng phân tử, sau đó chúng bị phân ly thành các nguyên tử tự do. Đó là cơ chế của sự hóa hơi của các phân tử có áp suất hóa hơi cao và nhiệt độ hóa hơi thấp hơn nhiệt phân ly (Eh<Ea). Tiêu biểu cho các hợp chất thuộc loại này là các oxit Sb2O3, Ga2O3, các muối halogen của các kim loại như SbCl5, SnCl4, ..các muối acetat, clorat của kim loại,.. Cơ chế diễn biến của các hợp chất này có thể minh họa theo 2 kiểu sơ đồ sau đây : a. MxXy (r, l)MxXy (k)xM (k) + y/2X2 b. MxOy (r, l)MxOy (k)xM (k) + y/2O2 c. M (k) + n (hv) phổ AAS Quá trình a xảy ra đối với các muối halogen kim loại và quá trình b là đối với các oxit kim loại dễ bay hơi. Còn quá trình c là sự hấp thụ bức xạ của nguyên tử tạo ra phổ. Riêng đối với AlCl3 ngoài quá trình chính theo cơ chế a thì còn có quá trình phụ sinh ra dạng AlO bền nhiệt như sau: d. AlCl3(r,l)----à AlO (k) + 3/2Cl2 e. AlO (k)----à Al (k) + 1/2O2 Quá trình phụ này là phụ thuộc vào sự có mặt của oxy và nhiệt độ của cuvet. Ở nhiệt độ nhỏ hơn 25000C thì quá trình (e) hầu như không xảy ra. Vì thế nó làm mất nguyên tử tự do Al, qua đó làm giảm cường độ vạch phổ. Do đó phải tìm cách ngăn cản không cho hình thành AlO, tức là phải hạn chế quá trình (d) xảy ra khi nguyên tử hóa mẫu. Để khử bỏ quá trình (d), người ta phải nguyên tử hóa mẫu trong môi trường khí trơ, hay thêm vào mẫu những chất phụ gia phù hợp. - Sự phân ly của các phân tử chất mẫu trước khi hóa hơi: khuynh hướng này thường xảy ra đối với các phân tử có áp suất hóa hơi thấp và nhiệt phân ly nhỏ hơn nhiệt hóa hơi phân tử của chính nó (Eh>Ea). Các phân tử thuộc loại này, dưới tác dụng của nhiệt độ trong cuvet graphit, trước hết chúng bị phân ly thành các monoxit hoặc thành các nguyên ở trạng thái rắn hay lỏng, rồi sau đó mới được chuyển thành thể hơi theo các tính chất riêng của sản phẩnm vừa được hình thành. - Sự tạo thành hợp chất cacbua kim loại. - Sự khử oxit kim loại bởi cacbon. Hình 1.4: Các giai đoạn xảy ra trong lò Graphit 1.2.3.6 Trang bị để nguyên tử hóa mẫu Hệ thống trang bị để nguyên tử hóa mẫu theo kỹ thuật không ngọn lửa bao gồm 2 phần chính: -Bộ phận đựng mẫu để nguyên tử hóa: Đó chính là các loại cuvet graphit, cốc graphit hay thuyền Ta hay là các loại filamen chứa mẫu. Trong các loại này cuvet graphit được dùng phổ biến nhất và tốt nhất là cuvet graphit đã được hoạt hóa nhiệt luyện toàn phần. Về loại này thì mỗi hãng chế tạo máy đo phổ AAS cũng có những loại có hình dáng và kích thước riêng cho máy của họ. -Phần thứ 2 là nguồn năng lượng để nung nóng đỏ cuvet và giá đỡ cuvet. Phần này bao gồm bộ chương trình điều khiển theo bốn giai đoạn (bốn phase): sấy, tro hóa, nguyên tử hóa và làm sạch cuvet theo nguyên lý của phép đo và nguồn năng lượng có công suất cực đại là cỡ 3,5-7,5KVA để cung cấp cho quá trình nguyên tử hóa mẫu. Nó thường là nguồn năng lượng điện có dòng rất cao (thay đổi được từ 50-600A). Nhưng thế lại rất thấp (dưới 12V). 1.3 CÁC TRANG BỊ CỦA PHÉP ĐO AAS 1.3.1 Nguồn phát bức xạ đơn sắc Muốn thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử người ta cần phải có một nguồn phát tia bức xạ đơn sắc (tia phát xạ cộng hưởng) của nguyên tố cần phân tích để chiếu qua môi trường hấp thụ. Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc trong phép đo AAS thường là các đèn catot rỗng (HCL), các đèn phóng điện không điện cực (EDL), và các đèn phổ liên tục có biến điện (đã được đơn sắc hóa). Nhưng dù là loại nào, nguồn phát tia bức xạ đơn sắc trong phép đo AAS cũng phải thỏa mãn được những yêu cầu tối thiểu sau đây mới có thể chấp nhận được : -Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc phải tạo ra được các tia phát xạ nhạy của nguyên tố cần phân tích. Chùm tia phát xạ đó phải có cường độ ổn định, phải lặp lại được trong nhiều lần đo khác nhau trong cùng điều kiện, phải điều chỉnh được với cường độ mong muốn cho mỗi phép đo. -Nguồn phát tia bức xạ phải cung cấp được một chùm tia phát xạ thuần khiết chỉ bao gồm một số vạch nhạy đặc trưng của nguyên tố phân tích. Phổ nền của nó phải không đáng kể. Có như thế mới hạn chế được những ảnh hưởng về vật lý và về phổ cho phép đa AAS. -Chùm tia phát xạ đơn sắc do nguồn đó cung cấp phải có cường độ cao. Nhưng lại phải bền vững theo thời gian và không bị các yếu tố vật lý khác nhiễu loạn, ít bị ảnh hưởng bởi các dao động của điều kiện làm việc. -Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc phải bền lâu, không quá đắt tiền và không quá phức tạp cho người sử dụng. Tuy nhiên trong 4 yêu cầu trên, thì 3 yêu cầu đầu tiên là quan trọng nhất, và bắt buộc phải thỏa mãn, để cho phép đo đạt kết quả chính xác, ổn định và có độ tin cậy cao. Riêng yêu cầu thứ 4 thì có thể châm chước được trong những trường hợp cụ thể nhất định. xuất phát từ những nhiệm vụ và yêu cầu phải thỏa mãn, hiện nảytong phép đo AAS người ta thường dùng chủ yếu 3 loại nguồn phát tia bức xạ đơn sắc là : 1.3.1.1 Đèn catot rỗng (HCL) Đèn phát tia bức xạ đơn sắc được dùng sớm nhất và phổ biến nhất trong phép đo AAS là đèn catot rỗng. Đèn này chỉ phát ra những tia phát xạ nhạy của nguyên tố kim loại làm catot rỗng. Các vạch phát xạ nhạy của một nguyên tố thường là các vạch cộng hưởng. Nó là phổ phát xạ của các nguyên tố trong môi trường khí kém. Về cấu tạo, đèn catot rỗng gồm có ba phần chính : -Phần 1 : là thân đèn và cửa sổ. -Phần 2 : là các điện cực catot và anot -Phần 3 : là khí chứa trong đèn. Đó là các khí He, Ar, N2 -Thân và vỏ : Thân đèn gồm có vỏ đèn, cửa số và bệ đỡ các điện cực anot, catot. Bệ đỡ bằng PVC. Thân và vỏ đèn bằng thủy tinh hay thạch anh. Vỏ đèn có 2 dạng. Cửa sổ S của đèn có thể là thủy tinh hay thach anh trong suốt trong vùng UV hay VIS là tùy thuộc vào loại đèn của từng nguyên tố phát ra chùm tia phát xạ nằm trong vùng phổ nào đó. Nghĩa là vạch phát xạ cộng hưởng để đo phổ hấp thụ ở vùng nào thì nguyên liệu làm cửa sổ S phải trong suốt ở vùng đó. -Điện cực : Điện cực của đèn là anot và catot. Anot được chế tạo bằng kim loại trơ và bền nhiệt như W, Pt. Catot được chế tạo có dạng xylanh hay hình ống rỗng có đường kính từ 3-5mm, dài 5-6mm và chính bằng kim loại cần phân tích với độ tinh khiết cao (ít nhất 99,9%). Dây dẫn của catot cũng là kim loại W, Pt. Cả 2 điện cực được gắn chặt trên bệ đỡ của thân đèn và cực catot phải nằm đúng trục xuyên tâm của đèn. Anot đặt bên cạnh catot hay là một vòng bao quanh catot. Hai đầu của 2 điện cực được nối ra 2 cực gắn chặt trên đế đèn, để cắm vào nguồn điện nuôi cho đèn làm việc. Nguồn nuôi là nguồn 1 chiều có thế 220-240V. -Khí trong đèn : Trong đèn phải hút hết không khí và nạp thay vào đó là một khí trơ với áp suất 5-15mmHg. Khí trơ đó là Ar, He, N2. Nhưng phải có độ sạch cao hơn 99,99%. Khí nạp vào đèn phải không phát ra phổ làm ảnh hưởng đến chùm tia phát xạ của đèn và khi làm việc trong một điều kiện nhất định thì tỷ số giữa các nguyên tử đã bị ion hóa và các nguyên tử trung hòa phải là không đổi. Có như thế đèn làm việc mới ổn định. -Nguồn nuôi đèn : đèn được đốt nóng đỏ để phát ra chùm tia phát xạ cộng hưởng nhờ một nguồn điện một chiều ổn định. Thế làm việc của đèn HCL thường là 220-250V tùy thuộc vào từng loại đèn của từng hãng chế tạo và tùy thuộc từng nguyên tố kim loại làm catot rỗng. Cường độ làm việc của các đèn thường 3-50mA và cũng tùy thuộc vào mỗi loại đèn của mỗi nguyên tố do mỗi hãng chế tạo ra nó. Thế và cường độ dòng điện làm việc của HCL là có liên quan chặt chẽ với công để tách kim loại ra khỏi bề mặt catot để tạo ra hơi kim loại sinh ra chùm tia phát xạ của đèn HCL. Hình 1.6 : Đèn catot rỗng 1.3.1.2 Đèn phóng điện không điện cực Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc thứ 2 được dùng trong phép đo AAS là đèn phóng điện không điện cực. Loại đèn này cũng như đèn HCL đều có nhiệm vụ cung cấp chùm tia phát xạ đặc trưng của nguyên tố phân tích, đặc biệt là các á kim, thì đèn EDL cho độ nhạy cao hơn, ổn định hơn đèn HCL. Về cấu tạo, đèn EDL thực chất cũng là một ống phóng điện trong môi trường khí kém có chứa nguyên tố cần phân tích với một nồng độ nhất định phù hợp để tạo ra được chùm tia phát xạ chỉ bao gồm một số vạch phổ nhạy, đặc trưng của nguyên tố phân tích. Đèn EDL cũng gồm các bộ phận : -Thân đèn : Là một ống thạch anh chịu nhiệt, dài 15-18cm, đường kính 5-6cm. Một đầu của đèn cũng có cửa sổ S. Cửa sổ cho chùm sáng đi qua cũng phải trong suốt với chùm sáng đó. Ngoài ống thạch anh là một cuộn cảm bằng đồng. Cuộn cảm có công suất 400-800W tùy loại đèn của từng nguyên tố và được nối với nguồn cao tần HF phù hợp để nuôi cho đèn EDL làm việc. Ngoài cùng là vỏ chịu nhiệt. -Chất trong đèn là vài miligam kim loại hay muối kim loại để bay hơi của nguyên tố phân tích, để làm sao khi toàn bộ chất hóa hơi bảo đảm cho áp suất hơi của kim loại trong đèn ở điều kiện nhiệt độ 550-8000C là khoảng từ 1-1,5mmHg. Chất này thay cho catot trong HCL, nó chính là nguồn cung cấp chùm tia phát xạ của nguyên tố phân tích, khi chúng bị kích thích trong quá trình đèn EDL hoạt động. -Khí trong đèn : Trong đèn cũng phải hút hết không khí và nạp thay vào đó là một khí trơ Ar, He hay N có áp suất thấp vài mmHg. - Nguồn nuôi đèn làm việc :Nguồn năng lượng cao tần để nuôi đèn được chế tạo theo 2 tần số : tần số sóng ngắn 450MHz và tần số sóng radio 27,12MHz có công suất dưới 1kW. Do nguồn nuôi là năng lượng cảm ứng điện từ với 2 tần số khác nhau nên đèn EDL cũng được chia thành 2 loại : đèn EDL sóng ngắn, nguồn nuôi 450MHz và đèn sóng rađio, nguồn nuôi tần số sóng rađio 27,12MHz. 1.3.1.3 Đèn phổ liên tục có biến điệu Trong khoảng vài năm trở lại đây, một loại nguồn phát xạ phổ liên tục cũng được dùng làm nguồn phát bức xạ cộng hưởng cho phép đo AAS. Đó là đèn H nặng (D2-lamp), các đèn xenon áp suất cao (Xe-Lamp), các đèn halit của kim loại W. Nguồn phát phổ liên tục có ưu điểm là dễ chế tạo, rẻ tiền và có độ bền tương đối cao. Vì chỉ cần có một đèn đã có thể thực hiện được phép đo AAS đối với nhiều nguyên tố trong vùng phổ UV hay VIS. Do đó, nó rất ưu việt đối với các máy phổ hấp thụ nhiều kênh và xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong cùng một mẫu phân tích mà không phải thay đèn HCL cho việc đo phổ của mỗi nguyên tố. Với đèn này có vùng tuyến tính rộng lại không có hiện tượng tự hấp thụ riêng. Song về độ đơn sắc và độ chọn lọc hay độ nhạy thì nói chung trong nhiều trường hợp còn kém các đèn HCL và EDL. Nhưng lại ưu việt là dễ dàng đối với quá trình phân tích tự động hàng loạt trong các máy đo hấp thụ nhiều kênh. Hình 1.7: Đèn hiđro (D2-Lamp) 1.3.1.4 Các loại nguồn đơn sắc khác Ngoài 3 loại nguồn phát bức xạ đơn sắc chủ yếu đã được trình bày ở trên, trong phép đo AAS người ta còn sử dụng một vài loại nguồn phát xạ đơn sắc khác nữa như đèn catot rỗng có độ dọi cao, ống phát xạ đặc biệt, tia lazer. Nhưng những loại này chủ yếu dùng trong nghiên cứu lý thuyết vật lý. 1.3.2 Trang bị nguyên tử hóa mẫu Để nguyên tử hóa mẫu, trong phép do AAS người ta thường dùng 2 kỹ thuật khác nhau. - Kỹ thuật ngọn lửa : hệ thống nguyên tử hóa mẫu gồm 2 phần chính +Buồng Aerosol hóa +Đèn nguyên tử hóa -Hệ thống nguyên tử hóa không ngọn lửa : Hệ thống này gồm 3 phần chính : + Cuvet graphit hay thuyền Ta để chứa mẫu, để nguyên tử hóa mẫu. +Nguồn năng lượng để nung cuvet hay thuyền Ta +Bộ điều khiển để thực hiện việc nguyên tử hóa mẫu theo 2 giai đoạn của một chương trình phù hợp. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo đã được trình bày trong chương 2 ở trên về kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu. 1.3.3 Hệ thống đơn sắc Hệ thống đơn sắc chính là hệ thống thu, phân li, chọn và phát hiện vạch phổ hấp thụ cần đo. Trong phép đo phổ AAS hệ thống đơn sắc này là một máy quang phổ có độ phân giải tương đối cao. Nó có cấu tạo gồm 3 phần chính : -Hệ chuẩn trực, để chuẩn trực chùm tia vào. -Hệ thống tán sắc (phân ly) để phân ly chùm sáng đa sắc thành đơn sắc. -Hệ buồng tối (buồng ảnh) để hội tụ các tia sáng. Muốn cho hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử cho kết quả tốt, thì hệ thống tán sắc phải bảo đảm được một số yêu cầu sau đây : -Nó phải có độ tán sắc đủ lớn để có thể tách và cô lập được tốt các vạch phổ cần đo, tránh sự quấy rối, sự chen lấn của các vạch phổ khác ở bên cạnh. Trong các máy hiện nay, bộ phận này thường là một hệ cách tử có hằng số từ 1200 đến 2400 vạch /mm. -Phải không gây ra bất kỳ một hiện tượng sai lệch nào làm mất năng lượng của chùm tia sáng trong máy, như sự hấp thụ, sự tán xạ, sự khuyếch tán của các bộ phận cấu thành máy. Đặc biệt là các hệ thống gương, các thấu kính, khe vào, khe ra của chùm sáng. Các thấu kính phải trong suốt trong vùng phổ làm việc của máy. -Khe vào và khe ra của máy phải có độ mở chính xác và điều chỉnh được cho phù hợp với từng vạch phổ và có độ lặp lại cao trong mỗi phép đo. -Đetector để phát hiện cường độ vạch phổ phải có độ nhạy cao. Có như thế mới có thể phát hiện được sự thay đổi nhỏ trong quá trình hấp thụ của vạch phổ của mỗi nguyên tố. Đó là điều kiện tối thiểu của hệ quang học trong máy phổ hấp thụ nguyên tử. Với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, ngày nay người ta có thể thỏa mãn các yêu cầu đó. Chính vì thế hiện nay đã có rất nhiều máy đo AAS có chất lượng cao đã được bán trên thị trường quốc tế. Đó là các máy đo phổ hấp thụ nguyên tử của hãng Perkin, Shimazu,.... 1.3.4 Detector Detetor là một loại dụng cụ quang học dùng để thu nhận và phát hiện tín hiệu quang học theo hiệu ứng quang điện của nó. Trước đây để thu nhận cường độ của chùm sáng người ta thường dùng kính ảnh hay phim ảnh, sau đó là tế bào quang điện. Đó là các dụng cụ cổ điển có độ nhạy kém, nhất là kính ảnh. Vì kính ảnh có nhiều nhược điểm như khó bảo quản, dễ bị ảnh hưởng của độ ẩm, nhiệt độ, thời tiết. Mặt khác nó lại là một dụng cụ trung gian để thu nhận chùm sáng và sau đó xử lý tiếp mới có được cường độ vach phổ. Tức là do độ đen của kính ảnh đã bị chùm sáng tác dụng vào. Với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật ngày nay người ta đã chế tạo ra được nhiều loại đetector quang học kiểu ống có thể khuếch đại tín hiệu đo lên được cỡ ppb. Đó là các ống nhân quang điện. Nhân quang điện kiểu ống là một loại dụng cụ để thu nhận tín hiệu quang học có tính chất vạn năng, nó có độ nhạy cao và độ chọn lọc cao. ỐNG NHÂN QUANG ĐIỆN : Là loại đèn điện tử dùng để khuếch đại dòng photon yếu. Cấu trúc gồm bóng chân không, photocatôt C1, các cực trung gian C2, C3... (còn gọi là các đinôt) và anôt A. Dòng photon yếu đập vào photocatôt làm phát xạ dòng electron, giữa các đôi điện cực C1C2, C2C3... có đặt hiệu thế gia tốc tăng dần, dựa vào hiệu ứng phát xạ thứ cấp của các đinôt, dòng điện tử đến anôt có thể tăng lên 105 ¸ 109 lần. Hiện nay có nhiều loại ÔNQĐ khác nhau về cấu tạo catôt quang, phương pháp chiếu sáng, hệ thống các cực phát xạ thứ cấp, hệ thống hội tụ điện tử thứ cấp. ÔNQĐ dùng để khuếch đại những tia sáng yếu, biến thiên nhanh. Được sử dụng trong các hệ truyền hình, truyền ảnh và các ống đếm nhấp nháy. Hình 1.8: Ống nhân quang điện O - ỐNG CHÂN KHÔNG; V1 < V2 < V7; 1,2,3,4,5,6 – CHÙM ĐIỆN TỬ; I - BỨC XẠ, TIA PHÓNG XẠ; C1 C6 – CATÔT. A – ANÔT. I – DÒNG ANÔT; CẶP (C1, C2) GỌI LÀ ĐINÔT, TƯƠNG TỰ NHƯ VẬY LÀ (C2, C3), (C3, C4) 1.4 PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG 1.4.1 Những vấn đề chung 1.4.1.1 Phương trình cơ bản của phép đo Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, mối quan hệ giữa cường độ của một vạch phổ và nồng độ của nó trong môi trường hấp thụ cũng tuân theo định luật hấp thụ quang Lambert-Beer. Nghĩa là nếu chiếu chùm tia sáng đơn sắc có cường độ I0 đi qua một môi trường chứa một loại nguyên tử tự do nồng độ N và có bề dày L cm thì mối quan hệ giữa Io và phân cường độ ánh sáng I đi qua môi trường đó được tính theo công thức : Ở đây đại lượng lg(I0/I) chính là năng lượng của tia sáng đã bị mất đi do sự hấp thụ của các nguyên tử tự do trong môi trường đó. Như vậy nó chính là cường độ của vạch phổ hấp thụ và chúng ta có : Công thức này cho chúng ta biết mối quan hệ giữa cường độ của một vạch phổ hấp thụ và nồng độ của nguyên tố ở trạng thái hơi trong môi trường hấp thụ. Nhưng nó chưa cho biết mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ và nồng độ của nguyên tố trong mẫu phân tích. Như vậy, nếu gọi nồng độ của nguyên tố ở trong mẫu phân tích là C thì chúng ta cần phải tìm mối quan hệ giữa C và N và rồi từ đó sẽ suy ra được mối quan hệ giữa C và D. Mà từ nồng độ C trong dung dịch chuyển thành nồng độ N ở trạng thái khí, là có được bởi quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích. Nghiên cứu vấn đề này, nhiều kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, mối quan hệ của sự chuyển hóa giữa C và N là rất phức tạp và nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : -Bản chất của nguyên tố phân tích, trạng thái liên kết. -Tính chất của hợp chất mà các nguyên tố đó tồn tại. -Thành phần vật lý và hóa học của mẫu phân tích, đặc biệt là chất nền. -Các điều kiện để thực hiện quá trình nguyên tử hóa mẫu. Tuy phức tạp nhưng từ những kết quả thực nghiệm và trong một phạm vi nhất định của nồng độ C của nguyên tố cần nghiên cứu ở trong mẫu phân tích một cách tổng quát, thì mối quan hệ giữa C và N được xác định theo công thức : N=k.Cb Trong đó k là một hằng số thực nghiệm. Còn b là một hằng số, được gọi là hằng số bản chất, nó phụ thuộc vào nồng độ C, tính chất hấp thụ phổ của mỗi nguyên tố và từng vạch phổ của nguyên tố đó. Hằng số b có giá trị bằng hoặc nhỏ hơn 1. Khi nồng độ C của nguyên tố phân tích là nhỏ thì b luôn luôn bằng 1. Khi C tăng thì b nhỏ dần theo giá trị 1 và tiến tới 0, tất nhiên không bao giờ bằng 0. Như thế với mỗi vạch phổ của một nguyên tố phân tích, chúng ta luôn luôn có một giá trị nồng độ C0 mà với mọi giá trị : Cx<C0 thì b luôn luôn bằng 1, lúc này D phụ thuộc tuyến tính vào C. Cx>C0 thì b luôn luôn nhỏ hơn 1, lúc này D không phụ thuộc tuyến tính vào C. Tổng quát : Đây chính là phương trình cơ sở của phương pháp phân tích định lượng dựa theo việc đo AAS của một nguyên tố để xác định nồng độ (hàm lượng) của nó và mối quan hệ này được minh họa trong hình sau : (a) D C (b) D C (c) Hình 1.9 : Dạng (a) bình thường, Dạng (b) lý tưởng, Dạng (c) đặc biệt Nếu b=1 thì mối quan hệ giữa D và C tuyến tính theo phương trình có dạng y=ax. Khi đó đường biểu mối quan hệ này là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ. Nhưng thực nghiệm cho thấy rằng trường hợp này chỉ xảy ra trong vùng nồng độ nhỏ. Đây là trường hợp lý tưởng, nó chỉ có được đối với một số vạch phổ không nhạy của một vài nguyên tố như Fe, Ni, Si. Phổ biến nhất là trường hợp (b). Trường hợp (c) là một dạng phức tạp, trong trường hợp này quan hệ giữa D và C không tuyến tính trong bất kỳ vùng nồng độ nào. Song chỉ rất ít vạch phổ, đặc biệt là các vạch phổ nhạy và có khả năng tự đảo lớn mới tuân theo quy luật này. Trong phân tích nếu gặp trường hợp này cần phải hết sức chú ý khi lập đường chuẩn. Nghĩa là phải dùng nhiều mẫu đầu có nồng độ gần nhau để dựng đường chuẩn và chỉ có như thế chúng ta mới xác định chính xác vị trí của đường chuẩn, vạch phổ Na-589nm là đại diện cho trường hợp này. 1.4.1.2 Mẫu đầu để dựng đường chuẩn Trong phương pháp phân tích định lượng theo AAS, mẫu đầu (mẫu chuẩn) để dựng đường chuẩn cũng bắt buộc phải thỏa mãn một số điều kiện nhất định sau : -Các mẫu chuẩn phải có trạng thái vật lý và hóa học như mẫu phân tích. Nghĩa là mẫu phân tích tồn tại ở trạng thái, dung môi, môi trường và dạng liên kết nào thì mẫu chuẩn cũng phải có tính chất giống như thế. Có như thế mới loại trừ được ảnh hưởng của thành phần mẫu đến kết quả phân tích. -Các mẫu chuẩn và mẫu phân tích phải được chế luyện, xử lý cùng một điều kiện giống nhau. -Các mẫu chuẩn phải bền vững theo thời gian. Nghĩa là không bị thay đổi thành phần sau khi chế luyện và bảo quản để sử dụng lâu dài. Không bị sa lắng, không bị phân hủy để tạo thành các chất khác làm thay đổi thành phần của mẫu chuẩn. Có như thế mới bảo đảm được thành phần của nó đúng như tính toán pha chế và sử dụng lâu dài. -Nồng độ của các nguyên tố cần phân tích trong các mẫu chuẩn phải rất chính xác theo yêu cầu của phương pháp phân tích. Đồng thời khoảng nồng độ của một dãy mẫu chuẩn phải phân bố đều trong vùng tuyến tính hay trong toàn bộ đường chuẩn của phép đo và bao trùm nồng độ của các mẫu phân tích. 1.4.2 Các phương pháp phân tích cụ thể Để xác định nồng độ (hàm lượng) của một nguyên tố trong mẫu phân tích theo phép đo phổ hấp thụ nguyên tử người ta thường thực hiện theo các phương pháp sau đây : dựa theo phương trình định lượng cơ bản của phép đo này qua việc đo cường độ của vạch phổ hấp thụ của nguyên tố phân tích và xác định (hay phát hiện) nồng độ của chất phân tích trong mẫu đo phổ theo một trong hai phương pháp chuẩn hóa sau: Phương pháp đường chuẩn Phương pháp thêm tiêu chuẩn 1.4.2.1. Phương pháp đồ thị chuẩn Phương pháp này còn được gọi là phương pháp ba mẫu đầu. Vì nguyên tắc của phương pháp này là người ta dựa vào phương trình cơ bản của phép đo là D = K.C và một dãy mẫu đầu (ít nhất là ba mẫu đầu) để dựng một đường chuẩn và sau đó nhờ đường chuẩn này và giá trị Dl để xác định nồng độ CX của nguyên tố cần phân tích trong mẫu đo phổ, rồi từ đó tính được nồng độ của nó trong mẫu phân tích. Do đó trước hết người ta phải chuẩn bị một dãy mẫu đầu, dãy mẫu chuẩn (thông thường là 5 mẫu đầu) và các mẫu phân tích trong cùng một điều kiện. Ví dụ : các mẫu đầu có nồng độ của nguyên tố X cần xác định là : C1, C2, C3, C4, C5, và mẫu phân tích là CX1, CX2, ... Sau đó chọn các điều kiện phù hợp và đo cường độ của một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố phân tích trong tất cả các mẫu đầu và mẫu phân tích đã được chuẩn bị ở trên. Ví dụ ta thu được các giá trị cường độ tương ứng với các nồng độ đó là D1, D2, D3, D4, D5 và DX1, DX2, ... Bây giờ trên hệ tọa độ D – C theo các điểm có tọa độ (C1D1), (C2D2), (C3D3), ... ta sẽ dựng được một đường biểu thị mới quan hệ D – C. Đó chính là đường chuẩn của phương pháp này. Tiếp đó nhờ đường chuẩn này và các giá trị Dl chúng ta dễ dàng xác định được nồng độ CX. Công việc cụ thể là đem các giá trị DX đặt lên trục tung D của hệ tọa độ, từ đó kể đường song song với trục hoành C, đường này sẽ cắt đường chuẩn tại điểm M, từ điểm M ta hạ đường vuông góc với trục hoành và nó cắt trục hoành tại điểm CX. CX đây chính là nồng độ phải tìm . C Cx D Dx Hình 1.10 : Đồ thị chuẩn của phương pháp đường chuẩn. Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện và rất thích hợp với mục đích phân tích hàng loạt mẫu của cùng một nguyên tố, như trong kiểm tra chất lượng thành phẩm, kiểm tra nguyên liệu sản xuất. Vì mỗi khi dựng một đường chuẩn chúng ta có thể xác định được nồng độ của một nguyên tố trong hàng trăm mẫu phân tích. Đó là ưu điểm của phương pháp này. Song trong nhiều trường hợp chúng ta không thể chuẩn bị được một dãy mẫu đầu thỏa mãn các điều kiện đã quy định cho phương pháp này (đã trình bày trong mục 1.4.1.2) nên không xác định được đúng đắn vị trí của đường chuẩn và như thế tất nhiên kết quả phân tích sẽ mắc sai số lớn. Nghĩa là khi mẫu phân tích có thành phần phức tạp và chúng ta chưa biết chính xác thì không thể chuẩn bị được một dãy mẫu đầu đúng đắn. Nên sẽ bị ảnh hưởng của nền, của thành phần của mẫu. Đó chính là nhược điểm của phương pháp này. Trong những trường hợp như thế, tốt nhất là dùng phương pháp thêm tiêu chuẩn để xác định nồng độ của nguyên tố phân tích trong mẫu. 1.4.2.2. Phương pháp thêm tiêu chuẩn Trong thực tế phân tích, đặc biệt là xác định lượng vết các kim loại, khi gặp phải các đối tượng phân tích có thành phần phức tạp và không thể chuẩn bị được một dãy mẫu đầu (mẫu chuẩn) phù hợp về thành phần với mẫu phân tích thì tốt nhất là dùng phương pháp thêm tiêu chuẩn. Chỉ như thế mới loại trừ được yếu tố ảnh hưởng về thành phần của mẫu (Matrix effect). Nguyên tắc của phương pháp này là người ta dùng ngay mẫu phân tích làm nền để chuẩn bị một dãy mẫu đầu bằng cách lấy một lượng mẫu phân tích nhất định và gia thêm vào đó những lượng nhất định của nguyên tố cần xác định theo từng bậc nồng độ (theo cấp số cộng). Ví dụ lượng thêm vào là DC1, DC2, ... như thế chúng ta sẽ có một dãy mẫu chuẩn là : Co = CX C1 = (Cx - DC1) C2 = (Cx - DC2) C3 = (Cx - DC3) C4 = (Cx - DC4) Trong đó CX là nồng độ (hàm lượng) của nguyên tố cần xác định trong mẫu phân tích. Tiếp đó cũng chọn các điều kiện thí nghiệm phù hợp và một vạch phổ của nguyên tố phân tích, tiến hành ghi cường độ hấp thụ của vạch phổ đó theo tất cả dãy mẫu đầu. Ví dụ chúng ta thu được các giá trị tương ứng là Do, D1, D2, D3 và D4. Bây giờ từ các giá trị cường độ này và ứng với các nồng độ thêm vào của nguyên tố phân tích chúng ta dựng một đường chuẩn theo hệ tọa độ D - DC. Đó chính là đường chuẩn của phương pháp thêm. Đường chuẩn này cắt trục tung D tại điểm có tọa độ (Do, 0). Sau đó để xác định nồng độ CX chưa biết chúng ta làm như sau : Cách I : Kéo dài đường chuẩn về phía trái, nó cắt trục hoành tại điểm Co. Đoạn OCo chính bằng giá trị nồng độ CX cần tìm. Cách II : Cũng có thể xác định CX bằng cách từ gốc tọa độ kẻ một đường song song với đường chuẩn và từ điểm Do kẻ đường song song với trục hoành, hai đường này cắt nhau tại điểm M, từ điểm M hạ đường vuông góc với trục hoành, đường này cắt trục hoành tại điểm DCo. Chính đoạn ODCo là bằng giá trị CX phải tìm (hình 5.3). Phương pháp này có ưu điểm là quá trình chuẩn bị mẫu dễ dàng, không cần nhiều hóa chất tinh khiết cao để chuẩn bị dãy mẫu đầu nhân tạo. Một khác lại loại trừ được hoàn toàn ảnh hưởng về thành phần của mẫu cũng như cấu trúc vật lý của các chất tạo thành mẫu. Nhưng phải chú ý rằng, nồng độ thêm vào của nguyên tố phân tích phải theo từng bậc và khoảng cách của các bậc đó phải xấp xỉ bằng nồng độ CX phải tìm. Có như thế thì phần nội suy tuyến tính mới có ý nghĩa chính xác. Phương pháp này được sử dụng rất nhiều trong phân tích lượng vết và lượng cực nhỏ các nguyên tố kim loại trong các loại mẫu khác nhau, đặc biệt là các loại mẫu có thành phần vật lý và hóa học phức tạp, các mẫu quặng đa kim. Đồng thời đây cũng là một phương pháp để xác định độ phát hiện của một phương pháp phân tích. C Cx+C1(x) D DCx+C1(x) Cx+C2(x) DCx+C2(x) Cx Hình 1.11: Đồ thị chuẩn của phương pháp thêm. 14.2.3 Các phương pháp xác định trực tiếp Về nguyên tắc thì tất cả các nguyên tố và các chất có phổ hấp thụ nguyên tử chúng ta đều có thể xác định nó một cách trực tiếp theo phổ hấp thụ nguyên tử của nó từ dung dịch mẫu phân tích. Nghĩa là các phương pháp xác định trực tiếp chỉ phù hợp cho việc xác định các kim loại có vạch phổ hấp thụ nguyên tử. Vì các kim loại đều có phổ hấp thụ nguyên tử của nó trong những điều kiện nhất định. Theo cách này, nói chung trong nhiều trường hợp, mẫu phân tích trước hết được xử lý theo một cách phù hợp để được dung dịch mẫu có chứa các ion kim loại cần phân tích. Tiếp đó tiến hành định lượng nó theo một trong các cách chuẩn hóa đã biết (như theo phương pháp đường chuẩn, phương pháp thêm, hay phương pháp một mẫu đầu, ... đã được trình bày trong mục ở trên). Đây là các phương pháp phân tích thông thường, đã và đang được dùng rất phổ biến, để xác định lượng vết các kim loại trong các đối tượng mẫu hữu cơ và vô cơ khác nhau theo phổ hấp thụ nguyên tử của nó. Vì thế người ta gọi đối tượng của các phương pháp phân tích này là phân tích kim loại trong các loại mẫu vô cơ và hữu cơ. Ví dụ các mẫu vô cơ là quặng, đất, đá, khoáng liệu, muối, oxit, kim loại, hợp kim, xi măng, nước, không khí và các mẫu hữu cơ là các mẫu thực phẩm, đường, sữa, đồ hộp, rau quả, đồ uống, giải khát, máu, serum, nước tiểu, các mẫu cây và sinh học. Khi phân tích các loại mẫu này thì nguyên tắc chung là gồm hai giai đoạn. Giai đoạn I : Xử lý mẫu để đưa nguyên tố kim loại cần xác định có trong mẫu về trạng thái dung dịch của các cation theo một kỹ thuật phù hợp để chuyển được hòan toàn nguyên tố cần xác định vào dung dịch đo phổ. Giai đoạn II : Phân tích nguyên tố cần thiết theo phổ hấp thụ nguyên tử của nó theo những điều kiện phù hợp (một quy trình) đã được nghiên cứu và chọn ra. Tất nhiên, ở đây giai đoạn I là cực kỳ quan trọng. Vì nếu xử lý mẫu không tốt thì có thể làm mất nguyên tố cần phân tích hay làm nhiễm bẩn thêm vào. Nghĩa là việc xử lý mẫu không đúng sẽ là một nguồn sai số rất lớn cho kết quả phân tích, mặc dầu phương pháp phân tích đã được chọn là phù hợp nhất. Vấn đề này đặc biệt có ý nghĩa lớn trong phân tích lượng vết các nguyên tố. Các phương pháp phân tích trực tiếp này là thích hợp để xác định các kim loại, mà bản thân chúng có phổ hấp thụ nguyên tử. Nhưng trong khoảng năm năm lại đây nhiều phương pháp phân tích gián tiếp đã xuất hiện để phân tích các chất không có phổ hấp thụ nguyên tử, ví dụ như xác định các anion, các nhóm phân tử, các hợp chất hữu cơ, các dược phẩm. 1.4.2.4 Các phương pháp xác định gián tiếp Đây là một phạm vi ứng dụng mới của phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử để phân tích các chất không có phổ hấp thụ nguyên tử hay phổ hấp thụ nguyển tử của nó kém nhạy. Các phương pháp này hiện nay đang được phát triển và ứng dụng để phân tích các anion và các chất hữu cơ. Nguyên tắc của các phương pháp phân tích gián tiếp này là nhờ một phản ứng hóa học trung gian có tính chất định lượng của chất ta cần nghiên cứu (xác định) với một thuốc thử thích hợp trong một điều kiện nhất định. Sau đây là một vài phương pháp cụ thể. -Các phương pháp theo các phản ứng gián tiếp. Theo cách xác định gián tiếp này, người ta có các phương pháp phân tích cụ thể dựa theo một số phản ứng hóa học đã biết : Ví dụ : Phản ứng của chất phân tích với một ion kim loại tạo ra kết tủa. Nói chung các chất nào khi tác dụng với một ion kim loại trong dung dịch tạo ra được một kết tủa ít tan, có tính chất định lượng và có thể tách ra được khỏi dung dịch mẫu thì phản ứng đó có thể dùng được cho phép đo này. Theo nguyên tắc này người ta đã xây dựng phương pháp phân tích các ion , Cl-, , , . Ví dụ để xác định người ta cho ion này tác dụng với dung dịch BaCl2 hay Pb(NO3)2 có nồng độ xác định trong điều kiện phù hợp để tạo ra kết tủa BaSO4 hay PbSO4, lọc tách kết tủa khỏi dung dịch. Sau đó xác định Ba2+ hay Pb2+ theo hai cách hoặc là trong kết tủa sau khi hòa tan chúng, hoặc là xác định lượng Ba2+ hay Pb2+ còn dư có trong dung dịch sau khi đã phản ứng với ion sunphat. Như vậy từ lượng Ba2+ hay Pb2+ đã tiêu tốn để kết tủa ion chúng ta dễ dàng tính được hàm lượng của ion sunphat có trong mẫu phân tích. Cũng bằng cách này người ta đã tiến hành xác định penicillin theo phép đo AAS bằng cách cho mẫu penicillin tác dụng với một lượng xác định NaPbO2 trong KOH nóng chảy ở 280oC. Vì trong điều kiện này, cứ một phân tử penicillin bao giờ cũng tạo ra một phân tử PbS. Sau đó tách lấy kết tủa PbS, rửa sạch và hòa tan nó trong axit nitric 6M và xác định Pb2+. Rồi từ hàm lượng Pb ta tính được hàm lượng của penicillin trong mẫu phân tích. CHƯƠNG 2 SẮC KÝ KHÍ (GC) 2.1 MỞ ĐẦU Sắc ký khí là một trong những phương pháp phân tích cho độ nhạy, độ tin cậy và độ chính xác cao. Ngày nay sắc ký khí đã trở thành một trong những phương pháp sắc ký quan trọng để tách và xác định cấu trúc; nghiên cứu các thông số hóa lý như hệ số hoạt độ, entanpi, nhiệt hóa hơi, hệ số khuếch tán phân tử, động học xúc tác, v.v Nó được coi là phương tiện đầu tay của các nhà hóa học, đặc biệt là các nhà hóa học hữu cơ. Sắc ký khí cột nhồi hiện nay dần dần được thay thế bằng kỹ thuật sắc ký khí sử dụng cột mao quản. Người ta còn gá nối thành công sắc ký khí với các thiết bị xác định cấu trúc như khối phổ kế GC – MS, quang phổ hồng ngoại chuyển hóa GC/FT-IR. Tuy nhiên vẫn phải nhấn mạnh rằng trong một thiết bị sắc ký khí, phần quan trọng nhất vẫn là cột tách và detector. Các thiết bị được gá vào được coi như là một loại detector đặc biệt. Năm 1952 máy sắc ký khí đầu tiên ra đời. Từ đó kỹ thuật GC được hoàn chỉnh và phát triển mạnh. Ở nước ta, phương pháp sắc ký khí được sử dụng từ cuối những năm 70 của thế kỷ trước. Tuy nhiên phương pháp này chỉ được sử dụng mạnh mẽ vào những năm 90 cho đến nay. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi như axeton, rượu, andehid, các hidrocacbon mạch thẳng, mạch vòng; các sản phẩm dầu mỏ, thuốc bảo vệ thực vật, các hóa chất độc như đioxin đều dễ dàng được xác định bằng phương pháp này. Ngoài ra với những loại detector khác nhau, người ta còn xác định được hàm lượng một số nguyên tố vô cơ trong thành phần các hợp chất hữu cơ (Cl, N, P, ). Chương trình đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống, trong đó có việc kiểm tra chất lượng, đánh giá dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong các loại rau, củ, quả phục vụ cho mục đích tiêu dùng và xuất khẩu được quan tâm hơn bao giờ hết và do vậy, phương pháp sắc ký khí cũng đang được sử dụng và đang phát huy những ưu việt của nó. Để hiểu rõ tính năng và nguyên lý hoạt động của thiết bị này, trước hết cần hiểu sơ đồ cấu tạo của nó. Hình 2.1 : Máy GC 2010 của hãng shimazu Hình 2.2 Sơ đồ khối thu gọn của thiết bị GC . Hình 2.3 : Sơ đồ injetor (bộ phận nạp mẫu) của GC Hai thiết bị quan trọng nhất của hệ thống GC và hệ thống cột tách và detector. Nhờ có khí mang trong bom khí, mẫu từ buồng bay hơi (Injector) được dẫn vào cột tách nằm trong buồng điều nhiệt. Quá trình sắc ký khsi xảy ra tại đây. Sau khi các cấu tử rời bỏ cột tác tại các thời điểm khác nhau, các cấu tử lần lượt đi vào detector. Từ đó chúng được biến thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện được khuếch đại, chuyển sang bộ ghi đo và xử lý; sau đó chuyển sang bộ phận lưu trữ và in ấn kết quả. Trên sắc đồ nhận được ở bộ ghi, ta có các tín hiệu tương ứng với các cấu tử được tách gọi là peak. Thời gian lưu của peak là đại lượng đặc trưng (định tính) cho chất cần tách; còn diện tích của peak là thước đo định lượng cho từng chất trong hỗn hợp cần nghiên cứu. Những khái niệm và phương trình cơ bản của phương pháp sắc ký khí 2.2.1 Sự lưu trữ Tư liệu của một quá trình sắc ký khí chính là sắc đồ. Mỗi peak của sắc đồ ứng với một hoặc một nhóm cấu tử của hỗn hợp cần tách. Thời gian từ khi bơm mẫu đến điểm cực đại của peak được gọi là thời gian lưu toàn phần tR; nó bao gồm cả thời gian chết to (chính là thời gian lưu của một cấu tử trơ như không khí, mêtan, đối với pha tĩnh) và thời gian lưu thật (còn được gọi là thời gian lưu hiệu chỉnh) t’R. t’R = tR - to (1) Sắc đồ là giản đồ được trình bày theo không gian hai chiều. Người ta có thể đánh giá sắc đồ trên hệ tọa độ [x, y]. Khoảng cách giữa điểm bơm mẫu và đỉnh peak (tính theo đơn vị thời gian) được gọi là thời gian lưu tR. Nếu gọi F là lưu động dòng khí mang thì người ta có thể xác định thể tích lưu như sau: VR = F.tR (2) Tương tự ta có: V’R = F.t’R = F(tR - to) (3) V’R = F.tR – F.to (4) V’R = VR – Vo (5) Trong đó: Vo được gọi là thể tích chết. Do trở kháng của cột tách nên áp suất đầu cột bao giờ cũng cao hơn áp suất cuối cột và trên suốt chiều dài cột tách đều có sự giảm áp suất. Giả sử khí mang không mang đặc tính dễ bị nén, thì ta có mối quan hệ tuyến tính giữa lưu lượng dòng khí và độ giảm áp suất trên suốt chiều dài cột tách. Tuy nhiên, do khả năng dễ bị nén của chất khí, lưu lượng của khí mang tăng nhanh hơn so với mức độ tăng lên của độ giảm áp suất. Vì vậy, để loại trừ sự phụ thuộc này của lưu lượng dòng F (cũng như của thể tích lưu VR, V’R) vào độ chênh lệch áp suất đầu cột, người ta sử dụng hệ số hiệu chỉnh: (6) Trong đó: pi là áp suất đầu cột. pA là áp suất cuối cột. Mặt khác, để có thể so sánh các đại lượng lưu giữ được đo ở các điều kiện phòng thí nghiệm khác nhau (nhiệt độ, áp suất), người ta cần phải hiệu chỉnh lưu lượng dòng theo công thức sau: (7) Trong đó: FC: lưu lượng dòng hiệu chỉnh FA: lưu lượng dòng đo ở cuối cột tách TC: nhiệt độ cột tách TA: nhiệt độ phòng pA: áp suất phòng : áp suất hơi nước tại nhiệt độ phòng Từ đó người ta thu được thể tích lưu hiệu chỉnh VN theo công thức sau: (8) Đối với các phép đo hóa lý, người ta còn sử dụng khái niệm thể tích lưu riêng. Đó chính là giá trị VN tính cho 1 gam pha tĩnh và quy về 0oC (273oK). (9) Trong đó: WL là khối lượng pha tĩnh (lỏng). Áp dụng định luật Rault và Henry cho trường hợp sắc ký khí - lỏng (pha tĩnh là một lớp phim mỏng bao quanh chất mang rắn) ta có mối tương quan giữa Vg và γ (Hệ số hoạt độ của chất tan trong dung môi là pha tĩnh ở nồng độ vô cùng loãng). (10) Trong đó: R: là hằng số khí lý tưởng Po: là áp suất hơi bão hòa của chất tan tinh khiết tại nhiệt độ đã cho ML: là khối lượng phân tử của chất lỏng làm pha tĩnh. Trên cơ sở của phương trình (10), người ta có thể áp dụng có hiệu quả cao phương pháp sắc ký khí – lỏng để xác định hệ số hoạt độ, đóng góp vào việc nghiên cứu các hệ chiết lỏng – lỏng cũng như hiệu ứng muối. Khi mẫu đi vào cột sắc ký, chúng nhanh chóng phân bố giữa hai pha lỏng (tĩnh) và pha khí (động). Quá trình đó được mô ta bằng hệ số phân bố K: (11) = Nồng độ của chất tan trong pha tĩnh/Nồng độ của chất tan trong pha động = (Khối lượng chất tan trong pha tĩnh/Khối lượng chất tan trong pha động)/(Thể tích của pha động/Thể tích của pha tĩnh) (12) Trong đó: n: là số mol của chất tan V: là thể tích toàn phần của pha tĩnh trong cột tách K: là hằng số phân bộ, chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất tan, pha tĩnh và nhiệt độ mà không phụ thuộc vào kiểu cột tách k: là hệ số dung lượng (k = nL/nG = t’R/to) là đại lượng biểu diễn mối tương quan giữa thời gian của chất tan lưu lại trong pha tĩnh so với thời gian chất tan lưu lại trong pha động. : là tỷ số pha (VG/VL) Mối liên hệ giữa thể tích lưu VR và hằng số phân bố K được biểu thị bằng phương trình: VR = VG + K.VL (13) Trong đó: VG: là thể tích của pha khí VL: là thể tích của pha tĩnh Tương tự như vậy người ta có thể nhận được mối tương quan giữa thời gian lưu tR và hằng số phân bố K như sau: K = t’R/to = (14) (15) Với: L là chiều dài cột : là tốc độ trung bình của khí mang (16) Từ phương trình (13) và (16) dễ dàng nhận thấy rằng người ta có thể xác định được hằng số phân bố K từ các giá trị lưu trữ tR và VR, nếu biết các giá trị thể tích của pha động VG và pha tĩnh VL. 2.2.2Năng suất của cột tách: Năng suất tách của một cột sắc ký được thể hiện qua số đĩa lý thuyết n và được xác định như sau: (17) Trong đó: tR: là thời gian lưu của chất tan : là độ lệch chuẩn của peak sắc ký Nếu tại điểm uốn Wi = 2 (18) Tại một nửa chiều cao của peak: Wh = 2(2ln2)1/2 = 2,355. Tại đáy peak: Wb = 4. (19) Do vậy có thể thiết lập mối quan hệ giữa số đĩa lý thuyết n với các đại lượng trên như sau: (20) Nếu gọi chiều cao của một đĩa lý thuyết là h và chiều dài toàn thể của cột tách là L thì ta có: (đo bằng mm) (21) Giá trị h còn được gọi là HETP, viết tắt của Height Equipvalent to a Theoretical Plate (tương đương chiều cao của một đĩa lý thuyết). Nếu năng suất cột tách càng lớn, thì n càng lớn và h càng nhỏ. Trên thực tế người ta thường tính số đĩa lý thuyết hiệu dụng, khi đó tR được thay bằng t’R: (22) Từ đó suy ra độ cao hiệu dụng của một đĩa lý thuyết H: (23) 2.2.3Phương trình Van Deemter Từ đĩa lý thuyết, người ta có thể xác định được các đại lượng đặc trưng quan trọng là n (số đĩa lý thuyết) và h (độ cao của một đĩa lý thuyết). Tuy nhiên, nếu chỉ căn cứ vào hai đại lượng trên, chúng ta sẽ không biết ảnh hưởng của các điều kiện làm việc (nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng, ) đến các đại lượng nói trên. Phương trình Van Deemter làm sáng tỏ điều này. Phương trình Van Deemter được viết như sau: (24) Trong đó: : là tốc độ trung bình dòng khí mang : là độ không đồng nhất của chất nhồi cột dp: là đường kính trung bình của hạt chất mang : hệ số Labyrinth về đường đi của khí trong cột DG: là hệ số khuếch tán phân tử trong pha khí ki: là hệ số dung lượng df: là độ dày của lớp phim pha tĩnh trên chất mang Phương trình Van Deemter được viết gọn như sau: (25) Trong đó A đại diện cho sự khuếch tán tán xạ (còn gọi là khuếch tán Eddy) cho ta những thông tin về đường đi khác nhau của khí do chất nhồi cột quyết định. Còn B cho ta những chỉ dẫn về sự khuếch tán phân tử trong pha khí. Đại lượng C biểu thị trở kháng của cột trong quá trình chuyển khối trong pha động cũng như trong pha tĩnh. 2.3 KỸ THUẬT VÀ PHƯƠNG THỨC LÀM VIỆC CỦA SẮC KÝ KHÍ Bộ phận quan trọng nhất của sắc ký khí là cột tách và detector. Do khuôn khổ về thời lượng của bài giảng, chúng tôi chỉ tập trung giới thiệu hai phần chủ yếu này. Những phần có liên quan tới quá trình sắc ký khí đề nghị học viên tự tra cứu trong các tài liệu tham khảo. 2.3.1Các loại khí mang sử dụng trong sắc ký khí: Theo phương trình ta thấy độ giảm áp suất qua cột tách tỷ lệ với độ nhớt của khí mang. Đối với cột dài nhồi chặt hoặc cột mao quản dài người ta phải lựa chọn khí mang có độ nhớt thấp. Để phân tích nhanh người ta cũng cần phải chú ý đến độ nhớt của khí mang. Thời gian phân tích trên cột tách mao quản – phim mỏng nếu dùng H2 làm khí mang sẽ ngắn bằng 1/9 thời gian khi dùng N2. Khi lựa chọn khí mang cần để ý đến detector sử dụng, độ tinh khiết và yêu cầu tách; sử dụng phối hợp với các phương thức khác. Khí mang được dùng phải không được thay đổi trạng thái lý hóa học khi đi qua máy sắc ký khí. Các loại khí dùng cho từng detector riêng cần chú ý các điểm sau: Detector độ dẫn TCD cần phải sử dụng khí mang có độ dẫn cao như Hidro, Heli. Khí heli có ưu điểm là không nguy hiểm. Trong sắc ký điều chế cần phải dùng lượng khí lớn; vì vậy thích hợp nhất là khí N2 với giá rẻ; nhưng phải chú ý đến độ nhạy và khoảng tuyến tính của nó. Detetor ion hóa ngọn lửa FID có thể vận hành với tất cả các khí vô cơ làm khí mang trừ O2. Do giá thành rẻ, không nguy hiểm nên người ta thường sử dụng nitơ. Trong trường hợp kết hợp với các thiết bị khác; ví dụ kết hợp sắc ký khí với khối phổ (GC – MS) người ta phải dùng Heli làm khí mang. Khác với detector đo độ dẫn TCD, detector FID khi vận hành cần phải dùng thêm H2 và không khí để đốt cháy ngọn lửa. Detector cộng kết ngọn lửa ECD (hay còn gọi là detector bắt điện tử) có thể vận hành với các khí khác nhau làm khí mang khi làm việc theo kiểu dòng một chiều có thể dùng nitơ; vận hành theo kiểu xung có thể dùng Argon bổ sung 5% khí mêtan sẽ cho kết quả tốt hơn. Đặc điểm của một số khí mang thường sử dụng trong sắc ký khí: Khí hidro thương mại thường đạt đủ tiêu chuẩn cho sắc ký. Trong phân tích lượng vết, khi sử dụng pha tĩnh dễ bị hỏng; trong sắc ký khí điều chế cần thiết phải làm sạch và khô khí. Khi sử dụng H2 làm khí mang cần dùng N2 làm khí bảo vệ thổi qua cột trước. Các ống dẫn khí N2 phải đủ dày, tốt hơn hết là dùng ống kim loại nhỏ vừa kín vừa tiết kiệm khí. H2 dùng cho các cột tách làm việc dưới 200oC vẫn tỏ ra trơ. Khi sử dụng H2 trong phòng sắc ký phải có máy dò hở H2 và cấm lửa. Khí heli là khí trơ hóa học rất thích hợp cho sắc ký khí nhiệt độ cao. Khi sử dụng detector ion hóa bằng tia phóng xạ phải có heli tinh khiết. Khí Argon cũng như các khí trơ khác, Ar trên cơ sở không có hoạt tính hóa học được dùng cho sắc ký khí ở nhiệt độ cao. Do độ nhớt của Ar cao khi sử dụng nó không gặp khó khăn lắm trong yêu cầu về dây dẫn. Khí Ar ngày càng được sử dụng nhiều làm khí mang. Khí N2: Do không nguy hiểm, giá rẻ và dễ dàng làm tinh khiết nên N2 được sử dụng rất nhiều trong sắc ký khí. Nhưng cần chú ý rằng với detector TCD, giá trị dẫn nhiệt của N2 rất gần với độ dẫn của nhiều khí hoặc hơi chất hữu cơ cho nên có trường hợp peak sắc ký có thể ngược. Trong phân tích định lượng, hệ số hiệu chỉnh đặc trưng sẽ xê dịch rất mạnh khỏi 1 khi dùng khí mang có độ dẫn cao. Không khí và oxy: Độ tinh khiết của Oxy thương mại cũng đạt yêu cầu cho Sắc ký khí, nhưng cần phải sấy khô vì trong bom đựng khí thế nào cũng có nước. Không khí nén có thể lấy từ bom hoặc bơm nén kiểu dầu, trường hợp thứ hai cần làm cho hơi dầu không vào thiết bị sắc ký khí. Cột tách sắc ký khí Trong thực tế có nhiều dạng cột tách khác nhau nhằm thỏa mãn các mục đích nghiên cứu. Nhìn chung, cột tách sắc ký cần đạt những yêu cầu sau: Đảm bảo trao đổi chất tốt giữa pha động và pha tĩnh nhờ việc tối ưu hóa các thông số của phương trình Van Deemter. Độ thấm cao, tức là độ giảm áp suất nhỏ với một tốc độ khí mang nhất định. Khả năng tải trọng cao của cột (các cấu tử cần tách – pha tĩnh) phụ thuộc vào kiểu cột tách, khả năng hòa tan của cấu tử trong pha tĩnh được chọn (chính là hệ số phân bố của cấu tử đó trong pha tĩnh đã cho). Hình dạng của đường phân bố đẳng nhiệt (trong trường hợp lý tưởng là đường thẳng qua gốc tọa độ) cũng đóng vai trò quan trọng đến khả năng tải trọng. Phải có khoảng nhiệt độ sử dụng lớn, làm việc được ở nhiệt độ cao. Giai đoạn đầu của sắc ký khí, cột nhồi được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên, càng về sau cột mao quản được thay dần cột nhồi và hiện nay hầu như ở các nước khoa học phát triển, cột nhồi hầu như không còn được sử dụng. Lý giải cho nguyên nhân tại sao cột mao quản được sử dụng phổ biến hiện nay, chúng ta hãy nghiên cứu chi tiết về các loại cột này. Bảng 2.1: Các tính chất đặc trưng của các loại cột tách dùng trong sắc ký khí. Kiểu cột tách Cột mao quản phim mỏng WCOT Cột mao quản lớp mỏng PLOT Cột mao quản nhồi Cột nhồi thông thường Đường kính trong 0,25 – 0,50 mm 0,50 mm 1 mm 2 – 4 mm Chiều dài 10 – 100 mm 10 – 100 mm 1 – 6 mm 1 – 4 mm Hiệu quả cột tách 1000 – 3000 đĩa/m 600 – 1200 đĩa/m 1000 – 3000 đĩa/m 500 – 1000 đĩa/m Tốc độ dòng tối ưu 20 – 30 m/s H2, He 10 – 15 cm/s N2, Ar 20 – 30 m/s H2, He 10 – 15 cm/s N2, Ar 8 - 15 m/s H2, He 3 - 10 cm/s N2, Ar 4 – 6 m/s H2, He 2 – 5 cm/s N2, Ar Tốc độ thể tích dòng tối ưu 1 – 5 ml/ph H2, He 0,5 – 4 ml/ph N2, Ar 2 – 8 ml/ph H2, He 1 – 4 ml/ph N2, Ar 2 – 6 ml/ph H2, He 1 – 3 ml/ph N2, Ar 2 – 60 ml/ph H2, He 15 – 50 ml/ph N2, Ar Lượng mẫu 10 – 100 ng 10 ng – 1 μg 10ng – 10 μg 10ng – 1 mg Áp suất đòi hỏi Thấp Thấp Rất cao Cao Khí bổ trợ cho detector Đòi hỏi thông thường Đòi hỏi thông thường Đòi hỏi thông thường Đòi hỏi thông thường Tốc độ phân tích Nhanh Nhanh Trung bình Chậm Tính thấm Cao Cao Thấp Thấp WCOT: Wall Coated Open Tubular Column (Cột mao quản phim mỏng) PLOT: Porous Layer Open Tubular Column (Cột mao quản lớp mỏng) Do lượng pha tĩnh trong các cột mao quản rất nhỏ nên dung lượng của các cột đó cũng rất giới hạn; vì vậy mà lượng mẫu bơm vào cột cũng rất hạn chế chỉ cỡ 10-6 – 10-7g. Cột nhồi thông thường: Loại cột này thường có đường kính trong 3 – 6 mm. Loại cột này thường dùng cho mục đích điều chế khi đường kính trong của cột lên tới 12mm. Chất mang cho sắc ký cột nhồi thường được sử dụng là diatomit. Sau khi nung với CaCO3 ở 900oC ta thu được chất bột có diện tích bề mặt khoảng 1 – 4 m2/g; thành phần chủ yếu là SiO2 và Al2O3. Từ vật liệu cơ bản này, bằng kỹ thuật xử lý khác nhau mà người ta thu được các loại chất mang khác nhau. Chất mang này sau khi đã xử lý được tẩm một lượng chất lên; khi đó chất mang + dung dịch tẩm lên được gọi là pha tĩnh. Pha tĩnh sau đó được nhồi chặt vào cột có kích thước từ 1 – 6 mét, đường kính 2 – 6 mm như trên. Như vậy, trong quá trình sắc ký sẽ có sự chênh lệch giữa áp suất đầu cột và cuối cột và vì vậy không thể tùy tiện tăng chiều dài cột. Hàm lượng pha tĩnh được quyết định bởi các yếu tố sau: Toàn bộ khối lượng pha tĩnh cần cho một cột tách có chiều dài đã biết. Mức độ tải trọng cần thiết của cột: Các cột tách có độ tải trọng lớn; trong trường hợp bơm mẫu nhiều cũng cho những peak cân đối và độ phân giải tốt ngay cả đối với cấu tử chính. Mức độ bao phủ cần thiết của bề mặt chất mang: Với độ bao phủ lớn, sự hấp thụ trên bề mặt chất mang sẽ bị giảm đi; trong khi đó nếu bao phủ thấp tức là lớp phim pha tĩnh trên hạt chất mang rất mỏng thì sự trao đổi chất giữa pha tĩnh và pha động sẽ đạt được mức độ tối ưu. Tỷ lệ giữa diện tích bề mặt và tỷ trọng chất mang: Người ta có thể đặt mua được các loại chất mang tẩm sẵn cho mục đích nghiên cứu của mình. Tuy vậy, để chủ động và đỡ tốn kém nên tự tiếnhành tẩm lấy các chất nhồi cột mong muốn. Cột mao quản: Sắc ký khí cột mao quản là một hình thái đặc biệt của phương pháp sắc ký khí; được đặc trưng bởi năng suất cột tách và hiệu suất phân giải rất cao. Trong sắc ký khí cột nhồi, độ dài của cột tách thông thường là dưới 5 mét; trường hợp đặc biệt người ta đã chế được cột dài tới 20 mét. Người ta không thể tùy ý kéo dài cột nhồi vì độ chênh lệch giữa áp suất đầu cột và áp suất cuối cột tăng tỷ lệ thuận (sự giảm áp suất sẽ tăng) với chiều dài cột. Ngược lại với cột nhồi, cột mao quản là loại cột tách với đường kínhnhỏ hơn 1 mm; trên thành trong của cột được tẩm pha tĩnh. Nhờ cấu trúc đặc biệt này của cột mao quản, khí mang sẽ đưa mẫu đi qua cột tách rất dài (do vậy năng suất tách rất cao) mà không gặp trở kháng gì lớn (không có độ chênh lệch về áp suất đáng kể). Các cấu tử sẽ tương tác với pha tĩnh bám trên thành cột, sẽ được pha tĩnh lưu giữ lại với mức độ khác nhau. Chính nhờ các đặc tính trên mà người ta có thể chế và sử dụng những cột tách rất dài (tới vài trăm mét). Cột sắc ký khí mao quản do N.J.E.Golay phát minh nên trong một số trường hợp người ta thường gọi là cột Golay. So với cột nhồi, cột mao quản có những ưu điểm sau: Các hỗn hợp phức tạp được tách với hiệu suất cao hơn hẳn Tách được cả các chất có cấu trúc hóa học rất gần nhau. Độ tin cậy cao hơn trong việc nhận biết các cấu tử. Độ nhạy phát hiện lớn hơn. Giảm thời gian phân tích. Cho phép ghép nối trực tiếp với khối phổ kế mà không cần separator. Có hai loại cột mao quản chủ yếu: Cột mao quản phim mỏng (Wall Coated Open Tubular Column – WCOT column) Cột mao quản lớp mỏng (Porous Layer Open Tubular Column – PLOT column) Bởi vì lượng pha tĩnh trong các cột mao quản rất nhỏ, nên dung lượng các cột đó cũng rất giới hạn. Do vậy, lượng mẫu được bơm vào cột mao quản cũng rất hạn chế. Ví dụ đối với các cột mao quản phim mỏng (WCOT), lượng mẫu được đưa vào cột chỉ vào khoảng 10-7g. Chính vì đặc điểm này cho nên so với phương pháp SKK cột nhồi, SKK cột mao quản đòi hỏi những yêu cầu hết sức đặc biệt với quá trình bơm mẫu cũng như đối với quá trình phát hiện. Việc chế tạo các loại cột tách như vậy (bao gồm cả quá trình xử lý cột và tẩm cột, ) cũng như việc lắp ráp các cột kiểu này vào máy sắc ký khí cũng là những vấn đề được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và hoàn chỉnh. Hình 2.4: 1. Cột nhồi; 2. Cột mao quản WCOT; 3. Cột mao quản PLOT Sơ đồ biểu diễn thiết diện cắt ngang của cột nhồi, cột mao quản WCOT; PLOT Hình 2.5: Cột mao quản Cơ sở lý thuyết của sắc ký khí cột mao quản Về cơ bản không có sự khác biệt có tính nguyên tắc giữa sắc ký khí cột mao quản và sắc ký khí cột nhồi. Tuy nhiên, do việc không sử dụng chất nhồi cột (dưới dạng chất mang có tẩm pha tĩnh) nên đường đi của dòng khí mang tự do hơn (không có sự chênh lệch lớn giữa áp suất đầu cột với áp suất cuối cột). Chính vì vậy có sự thay đổi trong các phương trình cơ bản để đánh giá cột tách so với trường hợp sắc ký cột nhồi. Phương trình Van Deemter với sắc ký khí cột mao quản sẽ được viết như sau: Phương trình Golay Trong đó: C1 và CS đặc trưng cho sự cản trở đối với quá trình vận chuyển chất từ pha động sang pha tĩnh cũng như theo chiều ngược lại. So sánh phương trình Van Deemter với phương trình Golay dễ dàng nhận thấy đại lượng A trong sắc ký mao quản không còn tồn tại nữa. Lý do là vị đại lượng A đại diện cho sự khuếch tán tán xạ do quá trình nhồi cột và chất mang quyết định; còn đại lượng B đặc trưng cho sự khuếch tán phân tử trong pha khí. Từ phương trình Golay, dễ thấy rằng độ cao của một đĩa lý thuyết sẽ giảm (cùng đồng nghĩa với việc tăng năng suất cột tách) khi: Giảm độ dày của lớp phim pha tĩnh. Giảm nhiệt độ cột tách Giảm đường kính cột tách Sử dụng khí mang với độ nhớt thấp Tốc độ khí mang trung bình đạt giá trị tối ưu. Trong thực tế, không thể đồng thời cùng đạt một lúc giá trị tối ưu đối với tất cả các thông số thực nghiệm mà phải chọn một sự dung hòa nào đó vì cột sắc ký mao quản là do hãng sản xuất cung ứng, độ dày của lớp phim pha tĩnh là cố định. Vì vậy phải khảo sát các thông số khác theo chiều dày lớp phim này mà không thay đổi độ dày của lớp phim được. 2.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC LOẠI DETECTOR Detector có nhiệm vụ chuyển hóa một đại lượng không điện (trong trường hợp này là nồng độ của các chất được tách khỏi cột sắc ký) thành đại lượng điện. Ngày nay có gần 30 loại detector khác nhau. Trong phần này, chỉ giới thiệu 4 loại detector thông dụng nhất hiện đang được sử dụng rộng rãi hiện nay. Detector dẫn nhiệt TCD (Thermal Conductivity Detector) Detector dẫn nhiệt dựa trên nguyên tắc đo liên tục độ dẫn nhiệt của khí mang (khí mang tinh khiết và khí mang có chứa các cấu tử mẫu cần tách) giữa buồng đo và buồng so sánh. Độ nhạy của detector TCD phụ thuộc vào hai yếu tố sau: Khả năng dẫn nhiệt của khí mang (các khí mang có độ dẫn nhiệt tốt như hidro, heli thường được ưu tiên sử dụng). Độ nhạy tỉ lệ với dòng nuôi cầu. Cần chú ý rằng dòng điện này được điều chỉnh tùy thuộc vào loại, lưu lượng khí mang, nhiệt độ detector và nhiệt độ cột tách. Diện tích của các peak với detector này không phải chỉ phụ thuộc vào hàm lượng thể tích mà còn phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa độ dẫn nhiệt của cấu tử và của khí mang. Hình 2.6 : Đetector TCD Detector ion hóa ngọn lửa (FID – Flame Ionization Detector) Detector FID là một trong những detector có độ nhạy cao. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên sự biến đổi độ dẫn nhiệt của ngọn lửa hydro đặt trong một điện trường khi có chất hữu cơ cần tách chuyển qua. Nhờ nhiệt độ cao của ngọn lửa hydro, các chất hữu cơ từ cột tách đi vào detector bị bẻ gãy mạch, bị ion hóa nhờ có oxy của không khí để tạo thành các ion trái dấu tương ứng. Cơ chế tạo thành ion trong trường hợp benzen như sau: C6H6 → 6CH 6CH + O2 → 6CHO+ + 6e Các ion tạo thành được chuyển về các bản cực trái dấu nằm ở hai phía của ngọn lửa (thế hiệu ở giữa hai bản điện cực khoảng 250 – 300 V). Dòng ion đó được giảm áp trên một điện trở có trị số rất cao 108 đến 1012 Ω và độ giảm hiệu điện thế này được khuếch đại ghi lại trên máy tự ghi. Số lượng của ion tạo thành (chính là độ nhạy của detector) phụ thuộc vào các yếu tố sau: Cấu trúc hình học của detector Tỷ lệ thành phần H2/không khí Nhiệt độ của ngọn lửa Cấu trúc của các phân tử mẫu cần xác định Độ nhạy của detector FID cao hơn rất nhiều so với độ nhạy của detector đo độ dẫn TCD (từ 100 – 1000 lần). Tuy vậy, detector này chỉ thích hợp nhất với các hợp chất chứa cacbon. Có một số chất không thể phát hiện đựoc bằng detector FID, cụ thể là: CO, CO2, axit formic, formandehit, các khí nitơ oxit, SO2, NH3, hợp chất halogen, H2S, H2O và bản thân các khí cần thiết dùng trong quá trình hoạt động của detector này, như H2, không khí, nitơ, heli. Hình 2.7: Đetector FID Detector cộng kết điện tử (hay còn gọi là detector bắt điện tử) ECD – Electron Capture Detector Detector loại này hoạt động dựa trên đặc tính của các chất có khả năng cộng kết các điện tử tự do trong pha khí (trừ trường hợp ngoại lệ của các khí trơ). Khả năng cộng kết điện tử lớn hay nhỏ là phụ thuộc vào cấu trúc của các hợp chất cần được phát hiện. Khả năng đó là tương đối nhỏ đối với các hợp chất hydro cacbon no. Ngược lại, đối với các hợp chất chứa các nhóm chức hoặc các đa liên kết (nối đôi hoặc nối ba) thì khả năng bắt giữa các điện tử sẽ tăng hẳn lên, đặc biệt là nếu trong phân tử của các hợp chất này có chứa các nguyên tử halogen (Cl, Br, ...). Bởi vậy, độ nhạy phát hiện khi sử dụng detector ECD rất đặc thù cho các nhóm chất và có thể dao động tới phạm vi khá rộng. Bộ phận chính của detector ECD là một buồng ion; tại đây diễn ra quá trình ion hóa, bắt giữ điện tử và tái liên hợp. Quá trình ion hóa: Từ một nguồn tia phóng xạ được lắp sẵn trong detector phát ra một chùm tia bêta với tốc độ 108 đến 109 hạt/giây. Các hạt này sẽ ion hóa phân tử khí mang tạo ra các ion dương của phân tử khí mang và điện tử tự do sơ cấp: N2 + β → N2+ + e So với các điện tử của chùm tia bêta, các điện tử tự do này chậm hơn hẳn. Chúng được gia tốc nhờ một điện trường và được chuyển dịch về anod. Tại đây chúng bị lấy mất điện tích và qua đó cho ta dòng điện nền của detector. Quá trình cộng kết điện tử: Các nguyên tử hoặc phân tử các chất sau khi rời bỏ cột tách được đưa thẳng vào buồng của detector ECD cùng với khí mang. Tùy theo ái lực điện tử của các phân tử này, các điện tử tự do sơ cấp nói trên bị các phân tử đó bắt giữ và do vậy tạo ra các ion âm. Quá trình tái liên hợp: Các ion âm được tạo ra như vậy sẽ kết hợp với các ion dương của phân tử khí mang để tạo thành các phân tử trung hòa. Như vậy do khả năng cộng kết điện tử của các chất cần phân tích, điện tử bị lấy mất khỏi hệ và do vậy dòng điện nền bị giảm đi so với lúc chỉ có khí mang tinh khiết đi qua detector. Mức độ suy giảm của dòng điện nền trong thời điểm có chất đi qua được thể hiện bằng peak sắc ký của chất đó. Như vậy độ nhạy của detector ECD phụ thuộc vào: Độ lớn của dòng điện nền Mức năng lượng ái lực điện tử của chất cần phát hiện Bản chất của khí mang Điện thế được đặt vào detector Rõ ràng những chất có ái lực điện tử cao sẽ cho các tínhiệu mạnh. Để tạo ra điện thế cần thiết cho quá trình vận chuyển ion người ta có thể đặt vào detector thế một chiều không đổi hoặc là thế một chiều dưới dạng xung. Hình 2.8: Detector ECD Detector FTD (NPD) – Flame Thermionic Detector Detector nhiệt hóa ion bằng ngọn lửa cho độ nhạy cao khi phân tích các hợp chất hữu cơ chứa nitơ và phốt pho, phụ thuộc vào điều kiện phân tích. Detector loại này đã chứng tỏ khả năng trong phân tích các loại được chất trao đổi, dư lượng hóa chất sử dụng trong nông nghiệp như cacbamat và phốt phát, lượng vết các hợp chất chứa nitơ và phốt pho như nitrosamine, trimethylamine, acrylonitril trong nhựa. Mặc dù cơ chế phản ứng chính xác của detector này chưa được hiểu một cách đầy đủ; một cơ chế phản ứng được đề nghị cho các hợp chất chứa nitơ và phốt pho được mô tả như sau: Hợp chất nitơ hữu cơ được tách ra khỏi cột dưới dạng các cyanoradicals (CN*) và diphosphoric radicals (PO2*) sau khi bị phân ly nhiệt trên bề mặt của một hạt kim loại kiềm được nung nóng (nguồn kim loại kiềm). Các radicals này được cung cấp những electrons được phóng từ bề mặt của miếng kim loại kiềm được nung nóng (miếng kim loại kiềm ở đây là Rb) và trở thành các ion CN- và diphosphoric ions (PO2-). Các ion này kết hợp với các nguyên tử hidrogen trong khi kim loại Rb trở thành các cation sau khi phóng thích các electron vì thế phát ra một dòng điện collector được detector phát hiện một tín hiệu. Trong detector FTD của GC – 2010 nguồn ion là một miếng kim loại kiềm được quấn bởi một dây platin. Dòng điện AC sẽ đốt nóng dây platin để rồi sau đó đốt nóng miếng kim loại kiềm. Cấu tử mẫu đưa ra khỏi cột được phóng thích ở cuối cột sau đó được trộn với một lượng nhỏ khí hydrogen. Các cấu tử sau đó va chạm với miếng kim loại kiềm được nung đỏ ở trên. Các phản ứng khác nhau xảy ra ở bề mặt và ở môi trường xung quanh và ác cấu tử mẫu sau đó được phóng ra phía ngoài của buồng phản ứng qua trung tâm của collector. Hình 2.9: Đetector NPD Điều khiển nhiệt độ của cột tách Một yêu cầu cực kỳ quan trọng trong SKK là các hợp chất cần xác định phải bay hơi. Muốn bay hơi được phải cần nhiệt độ. Tuy nhiên trong quá trình bay hơi nếu có chương trình nhiệt độ tối ưu sẽ dễ dàng tách các cấu tử ra khỏi nhau và vì vậy độ nhạy và độ chính xác sẽ cao hơn. Nhiệt độ trong buồn bơm mẫu phải đảm bảo cho hỗn hợp các chất bay hơi hoàn toàn trước khi đi vào cột. Nếu nhiệt độ thấp thì một số chất sẽ sót lại trong buồng bơm mẫu dẫn đến kết quả phân tích sẽ không chính xác, đồng thời gây nhiễm bẩn cho lần phân tích tiếp theo. Nhiệt độ cột có tác dụng làm tăng khả năng phân bố giữa hai pha tĩnh và động; có nghĩa là khả năng tách các chất trong hỗn hợp ra khỏi nhau; đồng thời rút ngắn thời gian phân tích. Chính vì vậy trong quá trình chạy sắc ký, người ta thường chạy chương trình nhiệt độ (gradient nhiệt độ). Hình 2.10: Sơ đồ GC Liên hợp phương pháp SKK với các phương pháp vật lý xác định cấu trúc Các phương pháp vật lý để giải thích cấu trúc, ví dụ như các phương pháp phổ về nguyên tắc không thể áp dụng cho các hỗn hợp đa cấu tử. Các phổ đồ (của các phương pháp phổ hồng ngoại, phổ cộng hưởng từ hạt nhân, phổ khối lượng, ) chỉ có sức thuyết phục lớn nếu như trước khi đo phổ, mẫu ban đầu đã được tách thành các cấu tử riêng biệt. Trong số các phương pháp tách thông dụng (chưng cất, chiết, sắc ký, ) thì phương pháp sắc ký khí điều chế có nhiều ưu điểm. Phương pháp này cho phép thu nhận được các cấu tử với lượng tinh khiết khá cao trong một thời gian ngắn và lượng mẫu đủ lớn để đo phổ. Bằng cách đó người ta phối hợp được giữa một phương pháp tách và một phương pháp xác định cấu trúc. Vào những năm đầu của thập kỷ 70, kỹ thuật liên hợp kín (on-line combination) giữa phương pháp SKK và quang phổ khối lượng ra đời. Trong trường hợp này, người ta không cần phải thu nhận các cấu tử riêng biệt từ cột sắc ký điều chế nữa. Các cấu tử được tách khỏi cột sắc ký sẽ lần lượt được đưa vào nguồn ion của máy khối phổ. Tại đó chúng được phân mảnh và được tách khỏi nhau nhờ một từ trường rồi đi vào bộ nhân quang để chuyển hóa thành tín hiệu điện. Ứng với mỗi một peak trên sắc ký đồ, người ta nhận được một khối phổ đồ riêng biệt. Hiện nay có hai loại ghép nối tương đối hiệu quả trong việc nghiên cứu, xác định cấu trúc; đó là: 2.4.6.1. Liên hợp sắc ký khí - Khối phổ ký (GC – MS) Sở dĩ người ta có thể thực hiện khá thuận lợi liên hợp sắc ký khí - khối phổ ký là vì cả hai phương pháp này cùng có những đặc tính chung như sau: Mẫu được nghiên cứu trong trạng thái khí. Cả hai phương pháp đều có độ nhạy phát hiện cao. Tốc độ phân tích của cả hai phương pháp tương tự nhau. Độ khác biệt đáng kể giữa hai phương pháp là: trong cột sắc ký luôn tồn tại một áp suất lớn hơn áp suất môi trường (do độ chênh lệch áp suất đầu và cuối cột), trong khi đó nguồn ion của máy khối phổ chỉ hoạt động với một chân không cao (khoảng 10-6mmHg). Để có thể gá nối giữa cột tách sắc ký với nguồn ion, giải pháp duy nhất là phải chiết khí mang ra khỏi mẫu, trước khi đưa mẫu vào buồng ion. Có như vậy độ chân không của nguồn ion mới không bị ảnh hưởng. Các separator này hoạt động như những bộ lọc phân tử và được nối với bơm chân không cao tốc với công suất 10ml/phút. Lẽ đương nhiên trong quá trình chiết khí mang, một phần các phân tử mẫu cũng bị mất mát. Trong liên hợp GC – MS, separator đóng vai trò là bộ phận tiếp giáp (interface). Tùy theo loại separator mà hệ số hiệu dụng có thể dao động từ 10 – 70%. Thể tích chết của separator cần phải nhỏ đến mức tối thiểu để không ảnh hưởng đến năng suất tách của cột sắc ký. Tại bề mặt của separator cũng không được phép xảy ra các quá trình hấp phụ hoặc phân hủy do xúc tác gây ra. Trong trường hợp cột mao quản, người ta có thể đưa trực tiếp mẫu từ cột mao quản vào thẳng nguồn ion mà không cần dùng separator. Sở dĩ như vậy là vì với cột mao quản lưu lượng dòng khí mang rất nhỏ (1 – 2 ml/phút) nên không gây ảnh hưởng đáng kể đến chân không trong nguồn ion của máy khối phổ. Với việc sử dụng khối phổ kế làm detector đặc thù cho thiết bị sắc ký khí, người ta thu được những thông tin rất quý giá trong việc xác định cấu trúc của các chất mới lạ, đặc biệt là khi không có chất chuẩn. Phương pháp này thu được những thành công đáng kể trong lĩnh vực nghiên cứu hóa dầu, hóa học các hợp chất tự nhiên, hóa sinh và hóa học lâm sàng. Trong hơn 30 năm trở lại đây, liên hợp GC – MS là công cụ không thể thiếu được tại các đại hội olympic để phân tích hàm lượng các chất kích thích dopping trong nước tiểu của các vận động viên thể thao. Nhìn chung liên hợp GC – MS có những ưu điểm sau: Lượng mẫu nhỏ (ít hơn 1μg) Nghiên cứu được các hợp chất không bền Tiến hành tốt việc tách và nhận biết đồng thời hỗn hợp nhiều cấu tử Hình 2.11: Máy sắc ký khí ghép khối phổ 2.4.6.2. Liên hợp sắc ký khí - phổ hồng ngoại (GC – IR) Trong phương pháp GC – MS, người ta nhận được chính xác công thức tổng quát của các cấu tử tách ra từ cột sắc ký và một số thông tin quan trọng về mặt cấu trúc dựa trên cơ sở các phân mảnh và cơ chế phân mảnh suy ra từ khối phổ đồ. Để có thể xác định chính xác cấu trúc hóa học của các cấu tử được tách từ cột sắc ký, trong nhiều trường hợp người ta phải có thêm những thông tin khác như nhóm chức, các nối đôi liên hợp, độ chuyển dịch hóa học của hạt nhân 1H và 13C, Với sự ra đời của kỹ thuật liên hợp sắc ký khí – Quang phổ hồng ngoại (GC – IR) người ta có thể biết thêm những thông tin khác, nhất là về các nhóm chức (liên kết đôi, liên kết ba, vòng thơm, CO, CN, ête, ) lý do là vì các băng của phổ hồng ngoại phản ánh sự tồn tại của các dao động và quay phân tử của các nhóm chức tương ứng. Điểm khó khăn duy nhất trong phương pháp ghép nối này là ở chỗ mẫu trong SKK ở trạng thái khí còn mẫu trong phổ hồng ngoại nằm ở dạng lỏng hoặc rắn. Để khắc phục khó khăn trên, các cấu tử sau khi rời cột tách (cột sắc ký) được lần lượt ngưng tụ trên một đĩa kim loại (thường là bằng vàng) và được hạ nhiệt độ tới 4oK (nhiệt độ của heli lỏng). Quá trình này được gọi trong thuật ngữ chuyên môn là phân lập matrix (matrix insolation). Ánh sáng hồng ngoại được gửi qua những cửa sổ nhỏ nằm trên thành đĩa kim loại này. Ở phía bên kia đĩa, đối diện với nguồn sáng, được lắp bộ nhân quang làm detector. Như vậy, ứng với mỗi cửa sổ trên đĩa kim loại, người ta nhận được một phổ đồ hồng ngoại tương ứng. Với máy đo hiện đại, thời gian đo một mẫu là 5 giây và lượng chất cần thiết khoảng 10-5 – 10-6g. Ngày nay người ta đã chế được những thiết bị hồng ngoại chuyển hóa Fourier; thời gian đo một mẫu chỉ còn là 1s với hiệu suất phân giải khoảng 4cm-1. Với loại thiết bị này, ánh sáng hồng ngoại không cần phải tuần tự quét từ 4000cm-1 đến 400cm-1 nữa. Người ta chỉ cần gửi một xung (bao gồm tất cả các bước sóng trong dải hồng ngoại) qua mẫu; đo lấy ánh sáng đáp ứng sau khi qua mẫu, chuyển hóa Fourier tín hiệu đáp ứng (theo đơn vị thời gian) thành tín hiệu tương ứng thông thường (theo đơn vị sóng hoặc tần số). Bằng cách này, người ta còn nhận được nhiều phổ đồ hồng ngoại tương ứng với một peak trên sắc ký đồ. Thông qua việc so sánh các phổ đồ đó, người ta còn có thể kiểm nghiệm chất lượng của quá trình tách sắc ký. Ví dụ nếu hai cấu tử có chúng một peak trên sắc ký đồ, thì ứng với mỗi nhánh của peak sắc ký, người ta có thể nhận được phổ đồ hồng ngoại khác hẳn nhau. Kỹ thuật liên hợp sắc ký khí với quang phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier được ký hiệu tắt là GC – FT – IR (Gas Chromatography – Fourier Technology – Infrared). Hình 2.12: GC-IR 2.5 PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH VÀ ĐỊNH LƯỢNG Trước khi phân tích định tính hoặc định lượng, phải khảo sát các thông số kỹ thuật của hệ thống sắc ký. Khảo sát chương trình nhiệt độ Trong sắc ký khí, nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc làm bay hơi và tách các cấu tử ra khỏi nhau. Việc chương trình hóa nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố của các cấu tử trong hai pha [lỏng (tĩnh) – khí (động)]; đồng thời thay đổi hệ số tách peak. Cách tiến hành: Dùng 16 hoạt chất chuẩn đã biết nồng độ; khống chế tốc độ bơm mẫu; tốc độ dòng khí mang không thay đổi trong suốt quá trình (kể cả áp suất cột cũng như nhiệt độ của detector). Chạy sắc ký và ghi đo phổ theo các chương trình nhiệt độ khác nhau. So sánh độ phân giải, khả năng tách peak để chọn chương trình cho phù hợp. Khảo sát tốc độ dòng Để nâng cao hiệu quả của cột tách, bên cạnh yếu tố nhiệt độ thì tốc độ dòng cũng ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất cột tách. Do vậy, việc khảo sát để lựa chọn tốc độ dòng tối ưu sẽ góp phần đảm bảo cho phép phân tích đạt độ chính xác cao. Cách tiến hành: Bước 1: Giữ nguyên các thông số của chương trình nhiệt độ đã chọn ở trên; cố định lượng bơm mẫu vào cột là 1 μl. Tốc độ dòng được sử dụng ở các mức sau: 26 cm/s; 31 cm/s; 36 cm/s; 46 cm/s. Bước 2: Chạy sắc ký trên mẫu chuẩn hỗn hợp chứa 16 hoạt chất đã pha sẵn theo các tốc độ dòng khác nhau. Ghi các phổ thu nhận được. Bước 3: Xử lý số liệu về độ phân giải trên phổ đồ; trên cơ sở đó chọn tốc độ dòng thích hợp. Đánh giá độ nhạy của detector theo dòng khí bổ trợ Thực nghiệm cho thấy dòng khí bổ trợ có ảnh hưởng đến độ nhạy của detector. Để chọn dòng khí bổ trợ phù hợp với độ nhạy cực đại của detector, cần tiến hành khảo sát theo các bước sau: Bước 1: Chọn DDT để khảo sát. Pha dung dịch chuẩn của DDT có hàm lượng 12 ppm (12 μg/ml); hút 0,2 ml cho vào bình định mức 10ml; dùng hexan để định mức tới vạch. Bước 2: Giữ nguyên các thông số tối ưu về chương trình nhiệt độ, tốc độ dòng và các thông số khác. Tiến hành khảo sát dòng khí bổ trợ theo các mức 20, 25, 30, 35, 40, 45 ml/phút. Bước 3: Điều chỉnh dòng khí bổ trợ về mức thấp nhất rồi tiến hành khảo sát tốc độ dòng từ thấp đến cao. Bước 4: Sau mọi lần chạy sắc ký ở các tốc độ dòng khí bổ trở khác nhau, ghi nhận kết quả. Bước 5: Dựa trên kết quả thu nhận được để chọn tốc độ dòng khí bổ trợ thích hợp (tối ưu) [peak cao, gọn, cân đối; số đếm lớn nhất]. Khảo sát thời gian lưu Để đáp ứng yêu cầu phân tích định tính hoặc định lượng trong sắc ký khí, cần phải xác định thời gian lưu của từng hợp chất riêng biệt trong nhóm 16 hoạt chất đã đề cập ở trên. Quá trình xác định thời gian lưu được thực hiện 3 lần để tính giá trị trung bình và sai số trung bình. Bước 1: Điều chỉnh các thông số kỹ thuật đã khảo sát ở trên về các mức đã chọn. Bước 2: Chuẩn bị dung dịch chuẩn của từng hoạt chất có nồng độ xác định. Bước 3: Tiến hành chạy sắc ký theo thứ tự dung dịch của từng hoạt chất. Bước 4: Ghi thời gian xuất hiện peak ở điểm cực đại TR cho từng hoạt chất. Hiện nay, người ta đã sản xuất và sử dụng hàng trăm loại hóa chất bảo vệ thực vật khác nhau. Vì vậy khi xác định hàm lượng các dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật cần phải có chuẩn của loại hóa chất bảo vệ thực vật đó để xác định thời gian lưu; có như vậy mới xác định chính xác hàm lượng của nó. Những thiết bị sắc ký khí hiện đại có chương trình phần mềm có khả năng lặp lại phép đo với độ chính xác cực kỳ cao; ví dụ: với một hoạt chất chuẩn, máy có thể ghi đo 3 lần và đưa ra kết quả 03 sắc độ hoàn toàn trùng nhau. Trong trường hợp phát hiện chất lạ mà không có chuẩn thì cần phải có sự phối hợp sắc ký khí và khối phổ GC – MS hoặc phổ hồng ngoại GC – FT – IR để xác định cấu trúc phân tử, từ đó mới có khả năng định tên của nó