Phân tích đặc trưng cơ bản của phổ hấp thụ nguyên tử và sử dụng phổ hấp thụ trong phân tích vật chất

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DỤNG CỤ

Đề tài: Phân tích đặc trưng cơ bản của phổ hấp
phổ hấp thụ trong phân

Giáo viên hướng dẫn:
T.S Tống Thị Thanh Hương

thụ nguyên tử và sử dụng
tích vật chất

Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Mạnh Nguyên
Dương Đức Lợi
Ngô Văn Lâm


Giới thiệu:
Trong khoa học kĩ thuật từ trước đến nay phân tích vật chất vốn là một trong những vấn đề mà luôn
được quan tâm và phát triển,… Cùng với sự phát triển của xã hội thì các phương pháp phân tích vật chất
cũng được mở rộng và toàn diện hơn. Bài viết này sẽ giới thiệu tới chúng ta một trong những phương
pháp phân tích được ứng dụng rất nhiều hiện nay, đó là phổ hấp thụ nguyên tử AAS, qua bài viết mọi
người sẽ được tìm hiểu về những vấn đề cơ bản của phổ hấp thụ nguyên tử, các đặc trưng, ứng dụng của
phổ này trong phân tích vật chất cũng như trong đời sống… để từ đó có cái nhìn tổng quan về phổ AAS nói
riêng và phần nào về phân tích vật chất nói chung.


Những nội dung chính:
I - Các đặc trưng cơ bản của phổ hấp thụ nguyên tử

I – Những đặc trưng cơ bản của phổ hấp thụ nguyên tử


1.

Cấu tạo nguyên tử

Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất còn giữ được tính chất hóa
học của nguyên tố. Nguyên tử bao gồm:
● Hạt nhân: gồm hạt proton và notron ( trừ hidro)
● Điện tử ( đám mây electron)

- Nguyên tử của mỗi nguyên tố có cấu tạo khác nhau nên chúng có tính chất khác nhau
- Lớp vỏ quyết định tính chất vật lí và hóa học, đặc biệt là các điện tử hóa trị


2. Sự hấp thụ của nguyên tử

Trong điều kiện bình thường, các điện tử chuyển động trên các quĩ đạo ứng với mức năng
lượng thấp nhất trang thái này gọi là trạng thái cơ bản bền vững (nguyên tử không phát hoặc
thu năng lượng)
Khi các nguyên tử ở dạng hơi và được cung cấp một năng lượng phù hợp dưới dạng bức xạ
thì các điện tử hóa trị của nguyên tử này sẽ hấp thu năng lượng đó và nhảy lên mức năng
lượng cao hơn, quá trình này được gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử tự do ở
trạng thái hơi.

Mỗi loại nguyên tử sẽ hấp thu tối đa và chọn lọc ở một năng lượng bức xạ đặc trưng (bức xạ cộng hưởng) tùy theo cấu tạo hóa học của
nguyên tử đó.

3.Đặc trưng của phổ hấp thụ nguyên tử
3.1: Nguyên tắc
● dựa trên nguyên lý hấp thụ của hơi nguyên tử, phổ hấp thụ nguyên tử sinh ra do quá trình hấp thụ năng lượng phù hợp
của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ nguyên tử của nguyên tố đó
● khi hấp thụ bức xạ cộng hưởng nguyên tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng mức cơ bản lên mức năng lượng gần trạng
thái cơ bản nhất
● Mỗi nguyên tử của nguyên tố khác nhau thì có phổ hấp thụ khác nhau.

⟐ Năng lượng của nguyên tử hấp thụ
∆E = (Cm – Eo) = hv
E = h.c/λ
Trong đó: Cm và Eo: năng lượng của nguyên tử ở trạng thái cơ bản và

h: hằng số plank
c: tốc độ ánh sáng trong chân không
λ: độ dài sóng của vạch phổ hấp thụ
● quá trình hấp thụ chỉ xảy ra với những vạch phổ nhạy
●các vach phổ đặc trưng và các vạch cuối cùng của nguyên tố

trạng thái kích thích


3.2 Điều kiện hình thành phổ hấp thụ nguyên tử
3.2.1: Quá trình nguyên tử hóa
Nguyên tử hóa là quá trình chuyển trạng thái tập hợp sang trạng thái nguyên tử tự do. Đây là điều kiện hết sức
quan trọng vì chỉ có các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi mới cho phổ hấp thụ nguyên tử
Nguyên tử hóa: MeX ↔ Me + X

Ngoài ra còn có: MeO, MeOH, MeH làm giảm nồng độ Me.
Hạn chế sự giảm nồng độ của nguyên tử nghiên cứu; tạo điều kiện cho bầu khí có tính khử mạnh. Thực hiện nguyên tử

hóa tốt hay không sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phân tích một nguyên tố


* Hiện nay người ta sử dụng các kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu sau
+ Nguyên tử hóa không ngọn lửa: kỹ thuật này bao gồm ba quá trình nối tiếp nhau là: sấy khô, tro hóa luyện mẫu, nguyên tử hóa
để đo độ hấp thụ; thời gian thực hiện nhanh, kết quả có đô nhạy cao lên đến 0.1ng

+ Nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa đèn khí: kĩ thuật này ra đời cùng với sự ra đời của phổ nguyên tử. ngày nay kỹ thuật này
được sử dụng ít vì độ nhạy của phép đo không cao, thường trong vùng 0.05-1ppm

Tùy thuộc vào kỹ thuật đo mà người ta chia thành phép đo phổ hấp thụ nguyên tử trong ngọn lửa và phép đo phổ hấp thụ
không ngọn lửa


3.2.2: Sự hấp thụ bức xạ cộng hưởng

- Khi chiếu chùm bức xạ điện từ có tần số đúng bằng tần số cộng hưởng nguyên tố Me sẽ chọn lọc và hấp thụ một năng lượng bức
xạ đặc trưng (bức xạ cộng hưởng) để chuyển lên mức năng lượng gần nhất
MeX + hv → Me

+

- Quá trình tuân theo định luật hấp thụ của nguyên tử

- Trong điều kiện hấp thụ thì nồng độ của các nguyên tử bị kích thích là không đáng kể và ít thay đổi theo nhiệt độ do vậy số
nguyên tử có khả năng bức xạ điện từ gần bằng số nguyên tử chung của nguyên tố cần xác định


3.3 thiết bị đo phổ hấp thụ nguyên tử

Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử PinAAcle 900F

Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS AAnalyst 200

3.3.1 Nguyên tắc:
- Quá trình hóa hơi: chọn các điều kiện và một 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.
- Chiếu chùm tia sáng bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử.
- Thu toàn bộ chùm sáng, phân li và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ. Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ của
vạch phổ hấp thụ nguyên tử.


3.3.2: Phân loại thiết bị
⟐Các thiết bị đều gồm 4 phần:
● Phần 1: nguồn phát tia phát xạ cộng hưởng của nguyên tố phân tích
Để chiếu vào môi trường hấp thụ chứa các nguyên tử tự do của nguyên tố
Nguồn phát thường là các đèn canh rỗng (HCL), các đèn phóng điện không điện cực (EDL) và các đèn phổ liên tục có
biến điệu ( đã đơn sắc hóa).

Đèn catot

Đèn EDL


● Phần 2: Hệ thống nguyên tử hóa mẫu phân tích
Để nguyên tử hóa mẫu, trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử người ta thường dùng hai kỹ thuật khác
nhau. Đó là kĩ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa của đèn khí và kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa.
Ứng với hai kĩ thuật nguyên tử hóa trên có hai loại dụng cụ để nguyên tử hóa mẫu.
+Kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa:
Bộ phận dẫn mẫu vào buồng aerosol hóa, thực hiện quá trình aerosol hóa mẫu, tạo thể sợi khí

mẫu.
Đèn nguyên tử hóa mẫu, đốt cháy hỗn hợp khí có chứa mẫu ở thể huyền phù sol khí.

Buồng aerosol hóa


+Kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa:
- Dùng lò nung nhỏ bằng graphit ( cuvet graphit) hay thuyền
tangtan (Ta) để nguyên tử hóa mẫu nhờ nguồn năng lượng điện
có thế thấp ( nhỏ hơn 12V) nhưng có dòng rất cao (50 – 800A).

Hình: Lò nung furnace và cuvet
grafit


● Phần 3: Hệ thống máy quang phổ hấp thụ
Hệ thống là bộ đơn sắc có nhiệm vụ thu, phân li và chọn tia sáng (vạch phổ) cần đo hướng vào nhân quang điện để phát tín hiệu
hấp thụ AAS của vạch phổ
Cấu tạo gồm 3 phần:

- Hệ chuẩn trực, để chuẩn trực tia sáng vào
- Hệ thống tán sắc (phân li ) để phân li chùm sáng đa sắc thành đơn sắc
- Hệ buồng tối (buồng ảnh) hội tụ, để hội tụ các tia sáng cùng bước sóng lại

Đặc trưng cho hệ quang của máy AAS là các thông số
- Độ tán sắc góc.
- Độ tán sắc dài.
- Độ phân giải (tán sắc).
- Vùng phổ làm việc của hệ.

● Phần 4: Hệ thống chỉ thị tín hiệu hấp thụ của vạch phổ

Hệ thống gồm:
- Điện kế chỉ năng lượng hấp thụ (E) của vạch phổ.
- Một máy tự ghi lực của vạch phổ.
- Bộ hiện số digital.
- Bộ máy tính và máy in.
- Máy phân tích (Intergrator).


3.3.2.1 Máy quang phổ hấp thụ một chùm tia

Nguồn sáng ( từ đèn Catot rỗng hoặc đèn EDL) phát bức xạ một phổ đăc trưng cho từng nguyên tố truyền qua buồng mẫu đi
vào máy đơn sắc.


3.2.2.2 Máy quang phổ hấp thụ hai chùm tia.

Nguồn sáng từ đèn được chia thành hai chùm, chùm mẫu được hội tụ chuyển qua buồng mẫu và chùm đối chứng được hội
tụ và được chuyền trực tiếp vòng qua buồng mẫu. Trong hệ máy hai chùm, tín hiệu ghi lại tiêu biểu chi tỉ lệ chùm mẫu và chùm
đối chứng. Do đó, sự thay đổi ở cường độ nguồn gây ra sự thay đổi ở thiết bị ghi tín hiệu, và vì vậy tăng tính ổn định


3.3.4: Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo AAS

Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo phổ hấp thụ phân tử rất đa dạng và phức tạp, trên thực tế người ta xét đến tất cả các yếu tố
đó và chia chúng thành 6 nhóm sau:

• Nhóm 1: các thông số của hệ máy ảo phổ ( cần được khảo sát và chọn cho từng trường hợp cụ thể)

• Nhóm 2: các điều kiện nguyên tử hóa mẫu( phụ thuộc vào kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu)
• Nhóm 3: kỹ thuật và phương pháp được chọn để xử lí mẫu, tùy từng loại mẫu mà cần chọn phương pháp xử lí hợp
lí

• Nhóm 4: các ảnh hưởng về phổ
• Nhóm 5: các yếu tố ảnh hưởng vật lí
• Nhóm 6: các yếu tố hóa học

Tùy vào từng phương pháp đo, cách đo, điều kiện kĩ thuật mà các yếu tố trên có thể xuất hiện hoặc không xuất hiện, ảnh hưởng
nhiều hay ít …


3.4: Ưu – nhược điểm của phổ hấp thụ nguyên tử

•Ưu điểm:
- Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc cao
- Tốn ít nguyên liệu, tốn ít thời gian không cần dùng nhiều hóa chất tinh khiết khi làm giàu mẫu do độ nhạy cao nên nhiều
trường hợp không cần làm giàu mẫu.
- Tránh được sự nhiễm bẩn mẫu khi qua các giai đoạn phức tạp
- Các kết quả có thể lưu được trên máy tính
- Có thể xác định đồng thời hoặc liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu, kết quả ổn định, sai số nhỏ.

•Nhược điểm:
- Phương pháp này chỉ cho biết thành phần nguyên tố của chất trong mẫu phân tích mà không chỉ ra trạng thái liên kết của
nguyên tố trong mẫu.


3.5: Đối tượng của phương pháp.

- Đối tượng chính của phương pháp là phân tích lượng nhỏ các kim loại trong nhiều đối tượng mẫu khác nhau của các chất vô cơ và hữu

- Với các trang thiết bị hiện nay, bằng phương pháp phân tích này người ta có thể đinh lượng hầu hết các kim loại và một số á kim đến giới hạn nồng độ
cỡ ppm bằng ki thuật F-AAS và đến nồng độ ppb bằng kĩ thuật ETA-AAS với sai số phân tích dao động trong khoảng 3 – 10%.
- Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử được sử dụng khá phổ biến để xác định các kim loại trong mẫu quặng, đất, đám nước khoáng,dầu mỏ, các mẫu y
học, sinh học, các sản phẩm nông nghiệp, rau quả, thực phẩm, nược uống, các nguyên tố vi lượng trong phân bón, thức ăn gia súc …..
- Phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử đang được phát triển rất nhanh, không những để phân tích các kim loại, mà phương hướng đang phát triển
nhất hiện nay là nghiên cứu xác định các chất hữu cơ, như các hợp chất halogen, lưu huỳnh, photpho. Nó cũng đã và đang sử dụng như một công cụ phân
tích cho nhiều nghành khoa học và kinh tế.


II - sử dụng phổ hấp thụ nguyên tử trong phân tích vật chất


Nhờ những ưu điểm của phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử mà phương pháp này được ứng dụng
nhiều trong phân tích vật chất

Trong phân tích định tính phương pháp không được sử dụng mà ứng dụng chủ yếu của AAS là để
phân tích định lượng vật chất do phương pháp này có độ nhay cao, khả năng phân tích tốt,… vì thế ở
đây chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu về việc sử dụng phổ hấp thụ nguyên tử trong phân tích định lượng


1. Khái quát phương pháp
1.1. Nguyên tắc của phương pháp
Định lượng vật chất dựa trên phổ hấp thụ nguyên tử là phương pháp xác định nồng độ hay hàm lượng của một hay nhiều
nguyên tố trong mẫu phân tích bằng cách đo độ hấp thu bức xạ bởi nguyên tử tự do của nguyên tố được hóa hơi từ mẫu
phân tích

Phương trình cơ sở của phép định lượng các nguyên tố theo phổ hấp thụ nguyên tử của nó là:
A = a.C

b

trong đó:
A là cường độ hấp thụ của vạch phổ.
b gọi là hằng số bản chất, nó phụ thuộc vào nồng độ C, tính chất hấp thụ nguyên tử của nguyên tố đó.
a= k.ka gọi là hằng số thực nghiệm phụ thuộc vào tất cả các điều kiện thực nghiệm để hóa hơi và
nguyên tử hóa mẫu.

Đối với mỗi nguyên tử khác nhau thì chúng có một khoảng xác định khác nhau


1.2 Độ nhạy của phương pháp AAS

Độ nhạy là một đại lượng chỉ ra khả năng của một phương pháp phân tích theo một kĩ thuật đo nào đó được áp dụng cho phương
pháp phân tích đó. Phương pháp phân tích có độ nhạy cao tức là nồng độ giới hạn dưới có thể phân tích được là nhỏ.

Độ nhạy của phương pháp định lượng theo aas cũng phụ thuộc vào các yếu tố:

● Đặc trưng kỹ thuật của hệ thống máy đo
● Các điều kiện và kỹ thuật thực hiện nguyên tử hóa mẫu
● Khả năng và tính chất hấp thụ bức xạ của mỗi vạch phổ, của mỗi nguyên tố, sự hấp thụ càng tố thì phép
đo càng nhạy