Bài giảng : Phân tích công cụ part 8 ppt

128

8.3.2. Kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa (ETA – AAS)
Kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu không ngọn lửa của phép đo AAS ra đời sau kỹ
thuật nguyên tử hóa mẫu trong ngọn lửa. Nó mới được ứng dụng vào những năm 70
của thế kỷ này. Kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa có độ nhạy rất cao, thông
thường nhạy hơn kỹ thuật ngọn lửa từ 100 đến 1000 lần (bảng 8.3).
Nguyên tắc của kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu trong ngọn lửa là mẫu phân tích
được đặt trong cuvet graphit hay trong thuyền Ta và được nung nóng nhờ năng
lượng nhiệt điện để sấy khô mẫu, tro hóa luyện mẫu và sau đó nguyên tử hóa tức
khắc để đo tín hiệu hấp thụ của vạch phổ hấp thụ. Nguồn năng lượng để nguyên tử
hóa mẫu ở đây là năng lượng nhiệt được tạo ra bởi nguồn điện thế thấp (1 – 12V) và
dòng rất cao (50 – 800A) với công suất làm việc từ 0,5 – 8 kW. Vì thế nó có tên là
Electro – Thermal Atomization (ETA), nên phép đo dùng kỹ thuật nguyên tử hóa
này là ETA – AAS.
Kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu này có đặc điểm: cung cấp cho phép đo AAS có
độ nhạy khá cao (bảng 7.3); khả năng nguyên tử hóa được nhiều nguyên tố hơn kỹ
thuật ngọn lửa; tốn rất ít mẫu (khoảng 50 – 100 µl cho 1 lần đo); quá trình nguyên
tử hóa phải thực hiện trong môi trường khí trơ argon. Kỹ thuật ETA được thực hiện
trong môi trường khí trơ, tốt nhất là khí argon (Ar), sau đó đến nitơ (N
2
) và heli
(He). Quá trình nguyên tử hóa mẫu xảy ra theo 3 giai đoạn: sấy mẫu, tro hóa luyện
mẫu và nguyên tử hóa mẫu để đo tín hiệu hấp thụ AAS (hình 8.3).
Sấy
Tro hóa
N
g
u
y

ê
n
t
ử
h
ó
a

L
à
m

s
ạ
c
h

c
u
v
e
Làm
nguội
cuvet
T (
o
C)
2000
0

0

t
s
t
r
t
a
t
v

t (giây)
1000

Hình
8
.3
. S
ơ đồ quá trình nguyên tử hóa mẫu


129

8.3.2.1. Sấy mẫu
Đây là giai đoạn I (pha I) của quá trình nguyên tử hóa mẫu. Mục đích của giai
đoạn này là để làm bay hơi dung môi hòa tan mẫu, đưa mẫu về dạng bột mịn nhưng
không được làm bắn mất chất phân tích. Vì thế tùy theo dung môi và bản chất của
chất phân tích mà chọn thời gian và nhiệt độ sấy cho thích hợp. Nói chung với dung
môi là nước và các hợp chất vô cơ thì nhiệt độ sấy là từ 120 – 200
o

C trong thời gian
từ 20 – 45 giây. Với các mẫu có chứa chất hữu cơ, nhiệt độ sấy phải chọn thấp hơn
tùy theo chất hữu cơ đó. Song trong quá trình sấy ta phải tăng nhiệt độ chậm, từ
nhiệt độ phòng đến nhiệt độ mong muốn, và tùy theo chất phân tích tốc độ tăng
nhiệt độ nên chọn trong vùng từ 5 – 10 độ/ giây là phù hợp. Muốn thế với mỗi loại
mẫu phân tích chúng ta cần phải khảo sát để chọn thời gian và nhiệt độ thích hợp
nhất.
8.3.2.2. Tro hóa luyện mẫu
Đây là bước thứ hai (pha II) của quá trình thực hiện nguyên tử hóa mẫu. Trong
giai đoạn này các chất mùn, các chất hữu cơ có trong mẫu sẽ được đốt cháy, bột
mẫu sẽ được nung nóng và nóng chảy, luyện thành 1 thể đồng nhất. Do đó, phải
chọn nhiệt độ và thời gian sao cho các quá trình này xảy ra tốt, nhưng lại không bị
mất mẫu. Nghĩa là nhiệt độ sấy là yếu tố rất quan trọng, tùy theo mỗi loại mẫu và
chất phân tích ta cần phải khảo sát để chọn được nhiệt độ phù hợp. Nói chung, với
dung môi là nước và các chất vô cơ thì yếu tố này thường là: nhiệt độ tro hóa (400 -
1500
o
C), thời gian là 20 – 60 giây. Tốc độ tăng nhiệt độ từ nhiệt độ sấy đến nhiệt độ
tro hóa cũng là 1 điều cần phải chú ý khống chế cho phù hợp. Nếu không, khi tăng
nhiệt độ đột ngột thì mẫu sẽ bị bắn. Nói chung, nên chọn thời gian tăng nhiệt độ
nằm trong khoảng 1/3 tổng của thời gian sấy là vừa đủ.
Sấy mẫu, tro hóa luyện mẫu là 2 giai đoạn chuẩn bị mẫu để nguyên tử hóa. Vì
thế, nếu 2 giai đoạn này chuẩn bị không tốt thì đây là 1 nguồn gây sai số lớn cho
phép đo. (bảng 8.4).
Bảng 8.4. Vài ví dụ về điều kiện nguyên tử hóa
Sấy Tro hóa Nguyên tử hóa Nguyên tố phân
tích
t (gy) T (
o
C) t (gy) T (

o
C) t (gy) T (
o
C)
Al
Ca
Cd
Fe
Mn
Pb
Zn
Si
25
25
30
30
30
30
25
30
150
150
120
130
130
120
130
150
25
30

25
25
25
25
25
25
1100
1100
700
750
900
500
600
1250
3
3
3
3
3
3
3
3
2850
2800
2600
2650
2700
2550
2600
2850

130

8.3.2.3. Nguyên tử hóa mẫu
Đây là giai đoạn ba (pha III) của quá trình nguyên tử hóa mẫu. Là giai đoạn
nguyên tử hóa mẫu để đo cường độ của vạch phổ hấp thụ. Thời gian của giai đoạn
này là rất ngắn, nó chỉ trong vòng từ 2 đến 5 giây. Ở đây, nhiệt độ nguyên tử hóa
mẫu là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ vạch phổ. Nhìn chung, cường độ
vạch phổ là phụ thuộc vào nhiệt độ nguyên tử hóa mẫu. Khi tăng nhiệt độ thì cường
độ vạch phổ cũng tăng theo. Song đến 1 nhiệt độ nhất định thì cường độ vạch phổ
không tăng nữa, hoặc là tăng rất chậm và không ổn định. Nhiệt độ nguyên tử hóa
mẫu cao hay thấp là tùy thuộc bản chất của hợp chất mẫu. Các hợp chất bền nhiệt
thường phải nguyên tử hóa ở nhiệt độ cao (bảng 8.4).
Sau giai đoạn nguyên tử hóa mẫu là giai đoạn làm sạch cuvet và làm nguội
cuvet để chuẩn bị cho việc nguyên tử hóa mẫu tiếp theo. Đây là 2 giai đoạn phụ
nhưng rất cần cho việc đo mẫu tiếp theo để đảm bảo kết quả phân tích tốt cho tất cả
các mẫu (hình 8.3). Quá trình nguyên tử hóa trong cuvet graphit có 3 giai đoạn, cơ
chế của nó thường diễn biến như sau:
1. Sự bay hơi của dung môi hòa tan mẫu trong cuvet graphit. Quá trình này xảy ra
trong giai đoạn sấy mẫu và sau đó để lại bột mẫu còn lại trong cuvet. Đó là hỗn hợp
các chất mẫu, chất nền, chất phụ gia,
2. Tiếp đến là giai đoạn tro hóa luyện mẫu (pha II). Ở đây, tất cả các chất mẫu có
trong cuvet sẽ được nung nóng, các chất hữu cơ và tro mùn sẽ bị đốt cháy, mẫu
được luyện thành 1 thể đồng nhất. Đồng thời trong lúc này 1 số hợp chất kém bền
cũng bị phân hủy như các muối cacbonat của kim loại kiềm thổ và kim loại nặng, 1
số muối amoni. Ví dụ:
CaCO
3
→ CaO + CO
2

PbCO
3
→ PbO + CO
2

3. Sang giai đoạn ba (pha III), mẫu lập tức bị hóa lỏng toàn bộ và đến đây các hợp
chất sẽ xử sự theo tính chất của nó. Do đó đến đây cũng xảy ra theo 2 cơ chế như
trong ngọn lửa đèn khí. Cụ thể là:
- Nếu E
h
< E
n
thì hợp chất mẫu sẽ hóa hơi, nguyên tử hóa tạo ra các nguyên tử tự do
hấp thụ tia sáng để tạo ra phổ:
Me
n
X
m
(l) → Me
n
X
m
(k) → nMe (k) + mX
nMe (k) + n(h.
v
) → phổ AAS
- Nếu E
h
> E

n
thì các hợp chất mẫu sẽ bị phân ly trước thành nguyên tử, sau đó hóa
hơi thành các nguyên tử khí tự do và hấp thụ tia bức xạ để tạo ra phổ AAS:
Me
n
X
m
(l) → nMe (l) + mX

131

nMe (l) → nMe (k)
nMe (k) + n(h.
v
) → phổ AAS
Đó là những cơ chế chính trong quá trình nguyên tử hóa mẫu, tạo ra các
nguyên tử tự do cho phép đo AAS. Bên cạnh đó còn có những cơ chế phụ làm ảnh
hưởng đến sự hình thành các nguyên tử tự do. Đó là:
Sự hình thành các hợp chất bền nhiệt, loại monoxit của kim loại bền nhiệt, các hợp
chất cacbua kim loại, ví dụ như:
Al + O → AlO
Ba + O → BaO
Ca + C → CaC
2

Các hợp chất này khó hóa hơi, khó phân ly nên làm mất các nguyên tử tự do tạo ra
phổ AAS. Để loại trừ hay hạn chế sự tạo thành các hợp chất bền nhiệt loại này
người ta chuyển đổi mẫu sang nền mới, mà trong nền mới này chất phân tích không
thể hình thành hợp chất bền nhiệt được.
2. Sự ion hóa. Quá trình này chỉ xảy ra với các nguyên tố có thế ion hóa thấp như

các kim loại kiềm và kiềm thổ là chính. Để hạn chế quá trình này phải đưa vào mẫu
nguyên tố có thế ion hóa thấp hơn nguyên tố phân tích, như thế nguyên tố phân tích
sẽ không bị ion hóa. Ví dụ, để bảo vệ Ca hay Ba, người ta thêm vào muối KCl với
nồng độ lớn.
3. Sự phát xạ. Quá trình phát xạ cũng chỉ xảy ra chủ yếu đối với các nguyên tố có
thế kích thích phổ phát xạ thấp như kim loại kiềm và kiềm thổ. Để loại trừ ảnh
hưởng này người ta cũng thêm vào mẫu các nguyên tố có thế kích thích phổ phát xạ
thấp.
Ba quá trình phụ này có thể xảy ra trong cuvet graphit, song trong mức độ rất
khác nhau, và tùy từng trường hợp cụ thể của mẫu mà sử dụng biện pháp loại trừ
cho phù hợp. Ở đây, khó khăn nhất là loại trừ sự hình thành các hợp chất monoxit
bền nhiệt. Vì thế, phải chọn điều kiện để ngăn ngừa sự hình thành của nó, còn để nó
hình thành rồi thì thường là khó phân hủy để trả lại các nguyên tử tự do.
8.4. Trang bị của phép đo AAS
Để thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, chúng ta cần phải có 1 hệ
thống máy đo phổ AAS. Về nguyên tắc 1 hệ thống máy đo này tối thiểu phải gồm 4
phần chính sau đây: nguồn phát chùm tia sáng đơn sắc của nguyên tố phân tích; hệ
thống nguyên tử hóa mẫu; bộ đơn sắc và detector; các trang bị chỉ thị kết quả đo.


132

8.4.1. Nguồn phát chùm sáng đơn sắc
Nguồn tạo ra chùm tia đơn sắc của nguyên tố phân tích, ngày nay người ta
thường dùng chủ yếu 2 loại là: đèn catot rỗng (HCL) và đèn phóng điện không điện
cực (EDL). Trong đó hầu hết là dùng đèn HCL để phân tích các kim loại. Các đèn
EDL chỉ thích hợp đối với các á kim hay bán kim loại. Bản chất hoạt động của các
loại đèn này là sự phát xạ của các nguyên tố trong môi trường khí kém (P: 5 – 10
tor), cho nên phổ của nó là các vạch phổ phát xạ đặc trưng của các nguyên tố.
Các đèn HCL có cấu tạo gồm 3 phần (hình 8.4): thân đèn và cửa sổ; hệ điện

cực (catot và anot), catot làm bằng kim loại của nguyên tố phân tích có hình xylanh,
còn anot là kim loại trơ Pt; khí trơ (Ar, He, N
2
, ) nạp trong đèn có áp suất khoảng 5
– 10 tor. Đèn hoạt động nhờ nguồn nuôi thế 1 chiều từ 220 – 260V, và dòng điện
làm việc biến thiên từ 1 – 50 mA. Dòng điện làm việc của đèn HCL là yếu tố quyết
định cường độ của chùm sáng phát xạ của đèn. Mỗi đèn HCL khi sản xuất đều có
dòng I
max
ghi trên đèn. Trong phân tích, tốt nhất chỉ nên sử dụng dòng từ 60 – 85%
giá trị cực đại đó.
Khác với các đèn HCL, đèn phóng điện không điện cực (EDL) có cấu tạo: thân
đèn, cửa sổ và cuộn cảm cao tần 400 – 600W quấn ngoài vỏ đèn; khí trơ nạp trong
đèn; đèn EDL không có điện cực, thay vào đó chất phát xạ ở đây là các kim loại hay
các muối dễ hóa hơi của nguyên tố phân tích, được cho vào trong đèn với 1 lượng
nhỏ vừa đủ để sao cho khi hóa hơi toàn bộ thì đạt được áp suất trong khoảng 10 tor.
Đèn hoạt động nhờ nguồn nuôi cao tần HF công suất khoảng 1 KW. Khi đèn EDL
hoạt động, các chất trong đèn hóa hơi, bị nguyên tử hóa và bị kích thích phát ra phổ
phát xạ đặc trưng của nó như trong đèn HCL. Ở đây, công suất làm việc của nguồn
HF là yếu tố quyết định cường độ của chùm tia sáng phát xạ của đèn EDL. Song
trong thực tế chỉ nên cho đèn làm việc trong vùng công suất từ 60 – 85% theo công
suất tối đa của đèn.
8.4.2. Hệ thống nguyên tử hóa mẫu
Đây là bộ phận quan trọng nhất và quyết định độ nhạy của phép đo. Bộ phận
này bao gồm 2 phần: đèn nguyên tử hóa mẫu (burner) và bộ phận tạo thể sol khí của
mẫu, bộ phận này được thực hiện theo 2 nguyên tắc: nguyên tắc nhũ hóa mẫu bằng
K
A
S
Hình

8
.4. C
ấ
u t
ạ
o c
ủ
a đèn HCL


133

khí và phương pháp siêu âm. Chi tiết về vấn đề này đã được nghiên cứu kỹ trong
phần kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu.
8.4.3. Hệ quang học và detector
Phần này có nhiệm vụ thu, phân ly toàn bộ phổ của mẫu và chọn vạch phổ hấp
thụ cần đo để hướng vào nhân quang điện (detector) để đo cường độ của vạch phổ,
khuếch đại và đưa ra bộ phận chỉ thị kết quả. Như vậy, phần này có 2 bộ phận: hệ
quang (hệ quang của các máy đo AAS có thể là hệ 1 chùm tia hay hệ 2 chùm tia), hệ
điện tử (electric modul).
8.4.4. Trang bị chỉ thị kết quả đo
Để chỉ thị kết quả đo cường độ vạch phổ hấp thụ có nhiều cách khác nhau từ
đơn giản đến phức tạp.
- Đầu tiên là các điện kế chỉ năng lượng hấp thụ của vạch phổ.
- Tiếp đó là các máy tự ghi để ghi lại cường độ của vạch phổ dưới dạng các pic trên
băng giấy. Đây là loại trang bị đơn giản và lưu lại được kết quả.
- Sau đó là các máy hiện số digital chỉ giá trị năng lượng hấp thụ của vạch phổ. Với
cách này chúng ta phải đọc và ghi lại cường độ vạch phổ.
- Máy printer in trực tiếp cường độ vạch phổ lên băng giấy.
- Máy tích phân kế (intrgrator) thu, xử lý và in các kết quả phân tích ra băng giấy,

nhưng loại trang bị này đắt tiền.
Đây là các loại trang bị đã và đang được dùng để chỉ thị kết quả đo. Hiện nay, các
máy đo AAS hiện đại có thêm máy tính chuyên dụng để làm cả việc xử lý và chỉ thị
kết quả đo in lên băng giấy và điều khiển mọi quá trình làm việc của phép đo, để
tăng tốc độ phân tích và tự động hóa phép đo. Đồng thời còn có thêm các trang bị tự
động bơm mẫu theo chương trình đặt ra.
8.5. Các phương pháp phân tích định lượng trực tiếp theo phổ AAS
8.5.1. Phương pháp đường chuẩn
Như trên chúng ta đã biết, cơ sở của phân tích định lượng theo phổ hấp thụ
nguyên tử là dựa vào mối quan hệ giữa cường độ của vạch phổ hấp thụ và nồng độ
của nguyên tố phân tích trong mẫu theo biểu thức:
D
λ
= k.L.C
b
(8.1)
Đây là phương trình định lượng cơ sở của phép đo AAS. Đối với 1 vạch phổ λ nhất
định của nguyên tố phân tích và trong những điều kiện đo đã được chọn thì trong
công thức (8.1) k = const, L = const và trong vùng nồng độ C là nhỏ thì b = 1. Do
đó ta có: D
λ
= a.C (8.2)

134

Phương trình này có dạng y = a.x + b, nó là phương trình của dạng đường
thẳng. Vì thế, để phân tích định lượng 1 nguyên tố, chúng ta cần có 1 dãy mẫu đầu
(mẫu chuẩn) để dựng 1 đường chuẩn của nguyên tố phân tích. Như vậy nguyên tắc
hay quy trình phân tích sẽ là:
- Chuẩn bị dãy mẫu chuẩn.

- Chuẩn bị các mẫu phân tích cùng điều kiện với mẫu chuẩn.
- Chọn các điều kiện phù hợp cho quá trình đo phổ AAS của tất cả các mẫu đó.
- Đo cường độ của vạch phổ λ đã chọn, như thế chúng ta được các giá trị D tương
ứng như sau:
Mẫu : C
o
C
1
C
2
C
3
C
4
C
5
C
x

Cường độ λ : D
o
D
1
D
2
D
3
D
4
D

5
D
x

Rồi từ các giá trị (C, D) tương ứng ta dựng đường chuẩn theo hệ tọa độ D – C.
Đây chính là đường chuẩn của phép phân tích để tìm các giá trị C
x
chưa biết từ D
x

đã đo được (hình 8.5).
Dùng phương pháp này có ưu điểm là rất thích hợp cho quá trình xác định 1
loạt các mẫu của cùng 1 nguyên tố. Vì chỉ cần 1 đường chuẩn ta có thể xác định
hàng trăm mẫu. Nó rất tiện lợi cho phân tích sản xuất. Song trong 1 số trường hợp,
với các mẫu phân tích có thành phần phức tạp, nếu chúng ta không thể chuẩn bị
được dãy mẫu chuẩn phù hợp về thành phần thì sẽ mắc phải sai số lớn. Những
trường hợp này, chúng ta phải áp dụng phương pháp thêm tiêu chuẩn.

D
λ


B
C
A
05

01

02

03

C (
µ
g/ml)
Hình
8
.5.
Đ
ường chuẩn của phép đo AAS


135

8.5.2. Phương pháp thêm

Phương pháp thêm được dùng khi lượng chất phân tích trong mẫu nhỏ. Dùng
phương pháp này có thể loại trừ được ảnh hưởng của các chất lạ, đồng thời cũng để
kiểm tra độ chính xác của phép phân tích
Nội dung của phương pháp thêm tiêu chuẩn là dùng ngay mẫu phân tích làm
chất nền để pha mẫu chuẩn bằng cách lấy 1 lượng nhất định mẫu phân tích và gia
vào đó những lượng chính xác của chất phân tích. Người ta có thể dùng 2 phương
pháp thêm: thêm 1 mẫu chuẩn và thêm 1 dãy chuẩn
8.5.2.1. Phương pháp thêm 1 mẫu chuẩn
Lấy một lượng dung dịch phân tích (C
x
) vào 2 bình định mức 1 và 2. Thêm
vào bình 2 một lượng dung dịch chuẩn của chất phân tích (C
a

) . Chọn các điều kiện
thí nghiệm thích hợp và 1 vạch phổ của nguyên tố cần phân tích, tiến hành ghi
cường độ hấp thụ của vạch phổ cho cả 2 dung dịch, ta được A
x
và A
a
, ta có:
C
x
= C
a
D
x
/ (D
a
- D
x
)
8.5.2.1. Phương pháp thêm dãy chuẩn
D
ùng ngay mẫu phân tích làm chất nền để pha mẫu chuẩn bằng cách lấy 1
lượng nhất định mẫu phân tích (C
x
) và thêm vào đó những lượng chính xác của chất
phân tích theo từng bậc nồng độ C
1
, C
2
, ( tăng theo cấp số cộng).
Ví dụ nếu mẫu phân tích có nồng độ là C

x
thì dãy chuẩn sẽ là:
Mẫu C
x
= C
x
+ 0 đo được D
o

C
1
= C
x
+ C
1
đo được D
1

C
2
= C
x
+ C
2
đo được D
2

C
3
= C

x
+ C
3
đo được D
3

C
4
= C
x
+ C
4
đo được D
4

C
5
= C
x
+ C
5
đo được D
5

Sau khi có dãy mẫu chuẩn rồi chúng ta cũng làm tiếp như trong phương pháp đường
chuẩn ở trên, dựng đường chuẩn theo hệ tọa độ D – C. Đây cũng là 1 đường thẳng
cắt trục tung tại điểm có tọa độ D
o
. Từ đây, nhờ phương pháp nội suy hợăc ngoại
suy chúng ta sẽ tìm được giá trị nồng độ C

x
(hình 8.6).





136


Các ưu điểm của phương pháp thêm :
-

Quá trình chuẩn bị mẫu rất dễ dàng, không cần phải dùng hóa chất tinh khiết
cao để chuẩn bị dãy mẫu nhân tạo
-

Loại trừ được hoàn toàn ảnh hưởng về thành phần cũng như cấu trúc vật lý
của các chất tạo thành mẫu( matrix effect)
-

Phương pháp này được dùng để phân tích các lượng vết và cũng để kiểm tra
độ lặp lại và độ chính xác của phương pháp
8.6. Các phương pháp phân tích định lượng gián tiếp
Trong mục 8.5 chúng ta đã nghiên cứu phương pháp xác định trực tiếp các
nguyên tố có phổ AAS như chủ yếu là các kim loại. Nhưng hiện nay nhiều phương
pháp xác định gián tiếp đã được phát triển để phân tích các chất không có phổ hấp
thụ nguyên tử như các chất hữu cơ, các anion, Lĩnh vực này vô cùng phong phú,
để phân tích các kim loại phương pháp AAS chỉ có thể phân tích được từ 60 – 65
nguyên tố. Nhưng bằng phương pháp gián tiếp hiện nay người ta ứng dụng phép đo

AAS để phân tích được đến gần 200 các hợp chất hữu cơ và anion.
Nguyên tắc của các phương pháp phân tích gián tiếp theo phép đo AAS là dựa
trên 2 nguyên lý cơ sở:
1. Xác định 1 chất không có phổ hấp thụ nguyên tử thông qua việc đo phổ hấp thụ
nguyên tử của 1 kim loại có phổ nhạy, mà kim loại này có khả năng tương tác với
chất phân tích theo 1 phản ứng có tính chất hoàn toàn định lượng. Ví dụ như: phản
ứng tạo ra 1 muối kết tủa không tan, phản ứng tạo hợp chất sunphua không tan,
phản ứng tạo phức bền, phản ứng giải phóng kim loại đó, phản ứng hòa tan kim
loại, phản ứng tạo hợp chất dị đa,
C
2

C
C
3

C
1
C
4

C
x

(ngoại suy)
0

D
λ

C
x
(nội suy)
Hình
8
.6.

Cách xác định nồng độ Cx trong phương pháp thêm dãy chuẩn


137

Ví dụ, để xác định ion Cl
-
, ta lấy 1 lượng mẫu nhất định V ml, thêm vào đó 1 lượng
chính xác muối AgNO
3
để kết tủa hoàn toàn ion Cl
-
dưới dạng AgCl theo phản ứng:
AgNO
3
+ Cl
-
= AgCl + NO
3
-

Sau đó ly tâm tách kết tủa AgCl và xác định Ag theo 1 trong 2 cách sau: a) lấy phần
dung dịch và xác định AgNO

3
dư trong dung dịch này thông qua việc đo phổ hấp
thụ nguyên tử của Ag. Như thế chúng ta sẽ biết được lượng Ag đã tác dụng với ion
Cl
-
và theo phản ứng trên chúng ta dễ dàng tính được hàm lượng của ion Cl
-
trong
mẫu V ml đã lấy. b) lấy kết tủa rửa sạch, hòa tan kết tủa AgCl trong dung dịch
NH
4
OH và xác định Ag trong dung dịch này, từ hàm lượng Ag trong kết tủa ta cũng
suy ra được hàm lượng Cl
-
theo phản ứng trên.
Bằng cách gián tiếp này người ta có thể xác định được các loại chất sau đây
theo phép đo phổ AAS.
- Các anion: Cl
-
, Br
-
, S
2-
, SO
4
2-
, PO
4
3-
, CN

-
,…
- Xác định các chất thuộc họ andehit.
- Các chất thuộc họ penicilill.
- Các chất thuộc họ vitamin B1, hợp chất cơ lưu huỳnh.
- Các chất nhóm axit hữu cơ mạnh.
- Các chất thuộc nhóm amin, aminoaxit, hợp chất nitrơ.
- Các chất thuộc nhóm hữu cơ halogen,…
2. Dựa theo hiệu ứng tăng hay giảm cường độ vạch phổ AAS của 1 nguyên tố kim
loại khi cho kim loại này tác dụng với chất phân tích trong điều kiện phù hợp. Ví dụ
xác định ion F
-
qua đo phổ AAS của Mg. Ở đây trong vùng nồng độ của ion F
-
từ 2
– 25 ppm, thì nó làm giảm cường độ vạch phổ hấp thụ của Mg – 285,2 nm một cách
tuyến tính khi ta nguyên tử hóa mẫu trong ngọn lửa đèn khí axetylen và không khí
(hình 7.7).









138

8.7. Các yếu tố ảnh hưởng trong phép đo AAS

Phép đo AAS cũng có 1 số yếu tố ảnh hưởng đến kết quả phân tích, các ảnh
hưởng về vật lý, hóa học, song các ảnh hưởng này không phải lúc nào cũng xuất
hiện. Nhưng để tìm hiểu 1 cách toàn diện, chúng ta có thể khái quát bao gồm các
loại như sau:
1. Việc chọn các thông số máy đo không phù hợp.
2. Các ảnh hưởng về phổ như sự trùng vạch, sự chen lấn của các vạch phổ gần nhau,
sự hấp thụ nền, Với những máy có độ tán sắc nhỏ thì các hiện tượng này dễ xuất
hiện nhưng với những máy có độ tán sắc cao thì ảnh hưởng này dễ dàng được loại
trừ. Còn ảnh hưởng về hấp thụ nền, bằng các phương pháp bổ chính phù hợp thì các
máy đo AAS hiện nay đều có thể loại trừ được.
3. Các yếu tố vật lý như độ nhớt của dung dịch mẫu, hiện tượng ion hóa, sự phát
xạ, Bằng cách chọn các chất phụ gia phù hợp chúng ta có thể loại trừ được các
hiện tượng ion hóa, sự phát xạ.
4. Các ảnh hưởng về hóa học. Yếu tố này rất đa dạng và phức tạp. Có trường hợp
xuất hiện, có trường hợp lại không là tùy thuộc vào thành phần của mẫu phân tích
và nguyên tố phân tích. Các ảnh hưởng này bao gồm: môi trường pH của dung dịch
mẫu đo phổ; ảnh hưởng của chất nền của mẫu (matrix effect); ảnh hưởng của các
nguyên tố khác (nguyên tố thứ 3) có trong mẫu; ảnh hưởng của 1 số anion của các
axit khó bay hơi như SO
4
2-
, PO
4
3-
, SiO
3
2-
.
Vì thế với mỗi 1 loại mẫu phân tích, chúng ta phải nghiên cứu để tìm những
điều kiện đo phù hợp nhất. Đó là quá trình tiêu chuẩn hóa xây dựng 1 quy trình

phân tích.
5

C1
C2
C3
C4
C5
Cx
0 10 15 20
C (
µ
g/ml)
D (Mg – 285,2 nm)
Hình
8
.7.
Ứng dụng hiệu ứng giảm cường độ vạch phổ Mg để xác định F

139

8.8. Ứng dụng của phép đo AAS
Hiện nay phép đo phổ hấp thụ nguyên tử đã và đang được ứng dụng rất rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, để phân tích không những các kim loại có phổ
hấp thụ nguyên tử mà cả để phân tích những hợp chất hữu cơ hay các anion không
có phổ hấp thụ nguyên tử. Nó là 1 công cụ phân tích rất quan trọng trong các ngành
địa chất, công nghiệp hóa học, hóa dầu khí, y học, sinh hóa, công nghiệp dược
phẩm, nông nghiệp và thực phẩm,…

140

CHƯƠNG 9
PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SẮC KÝ

9.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG CỦA SẮC KÝ
9.1.1.Mở đầu
Sắc kí là một kĩ thuật vật lí và hóa lí để tách và phân tích các chất trong một
hỗn hợp. Cơ sở của sự tách sắc ký là các quá trình xảy ra ở trong cột tách khi mẫu

được nạp vào. Ở đây, có sự tương tác của chất phân tích với chất nhồi ở trong cột
tách (pha tĩnh) theo các tính chất hòa lý nhất định như: Sự hấp phụ (Adsorption), Sự
trao đổi (Ionexchange), Sự phân bố giữa hai tướng (extraction), Sự rây phân tử,
v.v…
Vì thế ứng với mỗi loại bản chất của sự tương tác đó người ta có một loại sắc
kí riêng. Qúa trình sắc ký được thực hiện (xảy ra) ở trong cột tách là giữa hai pha:
pha tĩnh và pha động. Pha tĩnh nằm cố định ở trong cột tách. Pha động luôn chạy
qua cột tách với một tốc độ nhất định và mang theo chất mẫu ra khỏi cột tách.
Trong sắc ký khí, pha động là các chất khí, như không khí, oxy, hiđro, argon, heli.
Chọn loại khí nào là do chất phân tích và loại detector quyết định. Trong sắc ký
lỏng, pha động là các chất lỏng nguyên chất hay hỗn hợp của hai hoặc ba chất theeo
một tỉ lệ phù hợp; hoặc là dung dịc của một axit, muối có thêm chất đệm pH, chất
tạo phức. Ví dụ như axetonitril, metanol, n-hexan, hỗn hợp của methanol và nước,
acetonitril và nước, dung dịch nước của các muối kim loại tan trong nước (dung
dịch KCl, NH
4
CH
3
COO, …).
Căn cứ theo pha động, người ta chia thành hai nhóm sắc ký, tức là hai loại kỹ
thuật sắc ký ứng với hai loại chất mang khí và lỏng.
Chất mang (pha động) là khí ta có sắc ký khí
Chất mang (pha động) là chất lỏng, ta có sắc ký lỏng. Trong sắc ký lỏng lại
có sắc ký lỏng thường và áp suất cao.
Trong sắc ký khí chủ yếu có hai loại là sắc ký pha thường vá pha ngược. Hai
loại này được dùng nhiều để phân tích các chất hữu cơ, hợp chất tự nhiên, các hợp
chất cơ kim, …
Trong sắc ký lỏng cao áp có đủ 4 loại theo 4 bản chất của sự tương tác ở
trong cột tách, như: Sắc ký hấp phụ, Sắc ký trao đổi ion, Sắc ký phân bố, Sắc ký rây
phân tủ (Gel.)

Trong đó loại 4 là để tách các phân tử lượng lớn hơn 2000. Nhưng trong sắc
ký hấp phụ lại có hai có chế ngược nhau do bản chất của pha tĩnh quyết định. Vì thế

141

nó lại chia thành sắc ký hấp phụ pha thường (NP-HPLC), hấp phụ pha ngược (RP-
HPLC).
Bên cạnh sắc ký khí và sắc ký lỏng còn có sắc ký lớp mỏng, sắc ký giấy và
sắc ký điện đi.
Khái quát chung là như thế, song giáo trình này, chúng ta chỉ đề cập đến 2
loại sắc ký đang được sử dụng nhiều và có nhiều ưu viêt, đó là: Sắc ký lỏng áp suất
cao (High Pressure Liquid Chromatography-HPLC) và Sắc ký khí (Gas
Chromatography-GC)
9.2 Nguyên tắc sự tách trong cột săc ký
Qúa trình tách ở trong cột sắc ký là sự tương tác của các chất mẫu (chất phân
tích) với pha tĩnh đứng yên trong cột tách và pha động luôn chuyển động qua cột
tách với một tốc độ nhất định. Như vậy sẽ có 3 sự tương tác đồng thời xảy ra:
- Tương tác giữa chất phân tích với pha tĩnh.
- Tương tác giữa chất phân tích với pha động.
- Tương tác của pha động và pha tĩnh.
Nếu gọi Fa, Fb và Fc là lực ứng với từng tương tác đó thì ở đây Fa và Fb là
ngược nhau. Fa giữ chất phân tích lại trên cột sắc ký; Fb lại kéo chất phân tích ra
khỏi cột sắc ký. Khi đó Fc là sự tương tác giữa pha tĩnh và pha động trong cột. Do
đó quá trình tách sắc ký một hỗn hợp chất mẫu là được quyết định bởi tổng đại số
của ba loại liên kết này, nghĩa là ta có:
F
t
=F
a
+ F

b
+ F
c
(9.1)
trong đó F
t
là lực rửa giải chất phân tích ra khỏi cột tách.
Sự tương tác tay ba này có thể minh họa một cách tương tự như hình 9.1.
Trong hình 9.1: SP : pha tĩnh (stationary phase)
MP : pha động (mobile phase)
X : chất phân tích (analyte)
X
SP
MP
Fa
Fc
Fb

Hình 9.1
.
Sự tương tác giữa pha tĩnh, pha động và chất phân tích

142

Nhưng trong một hệ sắc ký nhất định thì gồm một pha tĩnh và một pha động
nên lực F
c
là không đổi (F
c
= const). Do đó F

t
chỉ còn phụ thuộc vào tổng của hai
lực (F
a
+ F
b
), mà F
a
và F
b
của mỗi chất phân tích là khác nhau, nó phụ thuộc vào
bản chất và cấu trúc của pha tĩnh, pha động và cả chính nó (chất phân tích nữa). Vì
thế lực F
t
của mỗi chất phân tích là khác nhau đối với một hệ sắc ký.Nếu F
t
càng
nhỏ, thì chất phân tích bị giữ yếu trong cột tách, nghĩa là chất nào có lực F
t
nhỏ nhất
sẽ rời khỏi cột tách đầu tiên, chất phân tích nào có F
t
lớn nhất sẽ ra sau cùng. Những
chất nào có F
t
bằng nhau hay gần nhau thì sẽ ra khỏi cột tách cùng nhau. Do đó, khi
ra khỏi cột tách, có những chất tách ra khỏi nhau, có nhưng chất còn nằm chung với
nhau trong một phân đoạn (hinh 9.2). Trong ví dụ này, các chất X
1
, X

2
, X
5
, X
6
là đã
được tách ra khỏi nhau, nhưng chất X
3
, X
4
thì chưa, chúng còn chập vào nhau trong
cùng một pic. Ở đây ta có:
F
1
< F
2
< F
3
≈ F
4
< F
5
< F
6

Do đó trong hệ sắc ký này 2 chất X
3
và X
4
không có hiệu quả tách, muốn

tách được ta phải thay đổi các điều kiện sắc ký. Ví dụ thành phần pha động, tốc độ
pha động, pH của sự tách, nhiệt độ cột tách, …
Vì thế các quá trình xảy ra ở trong cột tách là nội dung chính của sắc ký.
Tiếp đó là các detector để phát hiện chính xác sự tách đó xảy ra như thế nào, tách
được hay không có sự tách tốt. Hai bộ phận này hay hai công việc này có quan hệ
chặt chẽ với nhau. Mọi yếu tố làm ảnh hưởng đến hai hoạt động này đều làm sai
lệch kết quả sắc ký.
t (sec)
X
1
X
2
X
3
X
4
X
5
X
6

Hình 9.2

Ví dụ về sự tách sắc ký của các chất X
1
, X
2
, X
3
, …X

6.

9.3. Cơ sở lý thuyết của phương pháp sắc ký
Qúa trình sắc ký xảy ra ở trong cột tách. Vì thế cơ sở lý thuyết sắc ký chính
là lý thuyết động học của các quá trình ở trong cột sắc ký. Đó là các vấn đề phân bố
của chất, sự lưu giữ của chất ở trong cột tách, sự phân giải của hai chất sau khi qua
cột v.v… Cho nên muốn hiểu sắc ký, trước hết chúng ta phải làm quen với nhưng
cơ sở lý thuyết và các khái niệm về những vấn đề đó.

143

9.3.1. Sự phân bố
Sắc ký là quá trình phân bố chất tan (chất mẫu) giữa hai pha không hòa tan
vào nhau: pha tĩnh và pha động, khi pha động chảy liên tục, vào ở đầu cột và ra ở
cuối cột. Đó là những cân bằng phân bố động và ở đây chúng ta luôn có:
K
i
=C
i
(S)/C
i
(M)
với C
i
(M) và C
i
(S) là nồng độ chất tan i ở mỗi pha lỏng M và pha rắn S.
Đơn vị của C
i
là mol/l. K

i
là hệ số phân bố, nó đặc trưng cho quá trình phân bố đó
và K
i
phụ thuộc vào bản chất của chất tan i, bản chất của hai pha S và M, đồng thời
phụ thuộc cả vào nhiệt độ của hệ. Sự phân bố của chất tan i vào hai pha cũng xảy ra
theo 3 trường hợp (hình 9.3):
+ Phân bố tuyến tính (Laugmua) (a),
+ Phân bố lồi (không tuyến tính) (b),
+ Phân bố lõm (không tuyên tính) (c).

(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)

Hình 9.3.

Sự phân bố của các chất
Khi nông độ C
i
nhỏ, sự phân bố của chất tuyến tính, khi nồng độ C
i
lớn ta
không có sự phân bố tuyến tính. Nói chung, sự phân bố theo 3 kiểu nói trên đều ảnh
hưởng khác nhau đến dạng của pic sắc ký, tức là quá trình tách sắc ký (hình 1.3).
Chỉ có dạng phân bố tuyến tính là cho pic cân đối và đẹp. Tất nhiên trong điều kiện
này hiệu suất tách của cột cao. Vì thế trong phân tích không nên nạp lượng mẫu lớn

vào cột tách.


144

9.3.2 Sự lưu giữ
Trong quá trình sắc ký, có chất sẽ ra khỏi cột trước, có chất ra sau, và trong
một hệ sắc ký xác định đã chọn, mỗi chất đều được lưu lại trong cột tách trong một
thời gian nhất định, đặc trưng cho chất đó và được gọi là thời gian lưu của chất (t
Ri
).
Thời gian lưu là thời gian chất phân tích được đưa vào cột tách, ở van bơm mẫu cho
đến lúc chất ra khỏi cột ở điểm có nồng độ cực đại (hình 9.4).

tRi
t'Ri
Hmax
Wi
tRi t(sec)
0
tM

Hình 9.4.

Thời gian lưu của chất tan

Trong đó: t
M
là thời gian lưu của pha động (không lưu giữ chất tan i:dead
time), t

Ri
là thời gian lưu toàn phần của chất tan i. Nhưng cũng có lúc chất phân tích
I nằm trong pha động và nó không bị pha tĩnh giữ, nên thời gian lưu thực của nó là:
MRiRi
ttt −=
'
(9.3b)
Cũng tương tự, ta có thể tích lưu của chất I là:
MRiRi
VVV −=
'
(9.3c)
ở đây V
M
: thể tích lưu của pha động.
Nhử vậy, nếu 2 chất A và B có thời gian lưu t
A
và t
B
khác nhau nhiều, thì
chúng ta được tách riêng biệt sau khi qua cột sắc ký. Nếu tốc độ pha động qua cột là
F
m
(ml/ph) thì ta có thể tích lưu V
R
là:
mRR
FtV
.
=

(9.3d)
9.3.3 Tốc độ pha động
Trong sắc ký lỏng, tốc độ pha động qua cột được đặt trưng bởi hai khái niệm:

145

Tốc độ thể tích, biểu diễn (chỉ rõ) số ml của pha động chảy qua cột trong một
phút, và được ký hiệu là F
m
. Ví dụ F
m
=1,2 ml/ph. Tốc độ này có liên quan đến diện
tích ngang (thiết diện) của cột tách và tốc độ thể tích được tính theo công thức sau:
Ri
Ri
m
t
V
F =
(9.4a)
Tốc độ tuyến tính (là tốc độ dài): nó cho ta biết trong một đơn vi thời gian
(phút hay giây), một lớp chất mẫu (một đĩa sắc ký) chuyển động được bao nhiêu cm
ở trong cột. Tốc độ này không phụ thuộc vào tiết diện ngang của cột. Nó là một đại
lượng đặc trưng của quá trình sắc ký. Như vậy ta có tốc độ tuyến tính trung bình của
chất tan:
Ri
t
L
u =
(9.4b)

và của pha động tự do (của phân tử của pha động).
M
t
L
u =
0
(9.4c)
Ở đây L là chiều dài của cột sắc ký.
Như vậy, giữa tốc độ thể tích (F
m
) và tốc độ tuyến tính u có quan hệ với nhau
theo công thức:
Ri
m
V
FL
u
.
=
(9.4d)
Nhưng trong một hệ sắc ký đã chọn thì L=const, nếu u phụ thuộc chỉ vào tỷ
số của đại lượng (F
m
/V
Ri
).

9.3.4. Hệ số dung tích (Capacity Factor)
Hệ số dung tích là một thông số rất quan trọng được dùng để mô tả khả năng
hấp phụ của chất tan (chất phân tích) ở trên một loại cột, được ký hiệu là

'
i
k
, nếu
pha tĩnh càng có khả năng hấp phụ mạnh thì
'
i
k
càng lớn. Hệ số dung tích được định
nghĩa như sau:
M
MRi
M
Ri
i
t
tt
t
t
k
)(
'
'
−
==
(9.5a)
Tương tự như thế ta cũng có:
M
Ri
i

V
V
k =
'
(9.5b)
Hay là t
Ri
=k
i
.t
M
(9.5c)
V
Ri
=k
i
.V
M
(9.5d)