Xác định Na, Ca, Fe trong thực phẩm trên máy quang phổ hấp thu nguyên tử AAS

hóa mẫu phân tích với hiệu suất cao, để bảo đảm cho phép phân tích đạt độ chính xác và độ nhạy cao. Năng lượng (nhiệt độ) của ngọn lửa phải đủ lớn và có thể điều chỉnh được tùy theo từng mục đích phân tích mỗi nguyên tố. Đồng thời lại phải ổn định theo thời gian và có thể lặp lại được trong các lần phân tích khác nhau để 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 đến 3300oC. Do đó với những nguyên tố tạo thành hợp chất bền nhiệt thì hiệu suất nguyên tử hóa của ngọn lửa là kém. Yêu cầu thứ ba là ngọn lửa phải thuần khiết, nghĩa là không sinh ra các vạch phổ phụ làm khó khăn cho phép đo hay tạo ra phổ nền quá lớn quấy rối phép đo. Quá trình Ion hóa và phát xạ phải không đáng kể vì quá trình này làm mất các nguyên tử tự do tạo ra phổ hấp thu nguyên tử. Một yêu cầu nữa là ngọn lửa phải có bề dày đủ lớn để có được lớp hấp thu đủ dầy làm tăng độ nhạy của phép đo. Đồng thời bề dày của lớp hấp thu lại có thể thay đổi được khi cần thiết, để đo ở nồng độ lớn. Trong các máy hiện nay, bề dày này có thể thay đổi được từ 2 – 10 cm. Tiêu tốn ít mẫu phân tích. Để tạo ra ngọn lửa, người ta có thể đốt cháy nhiều hỗn hợp khí khác nhau, bao gồm một khí oxy hóa và một khí cháy, trong các đèn khí thích hợp. Nhưng với những yêu cầu đã nói trên thì chỉ có một vài loại đèn khí là tạo ra được ngọn lửa tương đối phù hợp cho phép đo phổ hấp thu nguyên tử. Đó là những môi trường nguyên tử hóa mẫu tương đối bền vững và kinh tế (bảng 2). Đặc biệt được ứng dụng nhiều nhất trong phép đo AAS là ngọn lửa của đèn khí được đốt bằng hỗn hợp khí: (axetylen và không khí nén) hay ngọn lửa của đèn khí (N2O và axetylen), hay (hydro và axetylen). Bảng 2a và 2b là một số ví dụ về nhiệt độ của ngọn lửa một số đèn khí được dùng trong phép đo AAS (Ox: chất oxy hóa; K.K: không khí.). Bảng 2a: Quan hệ giữa nhiệt độ và loại khí đốt Bảng 2b: Thành phần khí và nhiệt độ ngọn lửa Đặc điểm và cấu tạo của ngọn lửa đèn khí: Nhiệt độ là một thông số đặc trưng của ngọn lửa đèn khí. Nhiệt độ ngọn lửa của một loại đèn khí phụ thuộc rất nhiều vào bản chất và thành phần của chất khí được đốt cháy để tạo ra ngọn lửa, nghĩa là ứng với mỗi một hỗn hợp khí cháy, ngọn lửa sẽ có một nhiệt độ xác định và khi thành phần khí cháy thay đổi thì nhiệt độ ngọn lửa cũng bị thay đổi (bảng 2a và 2b). Ngoài yếu tố trên, tốc độ dẫn của hỗn hợp khí vào đèn để đốt cháy cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ của ngọn lửa và qua đó mà ảnh hưởng đến cường độ của vạch phổ. Xét về cấu tạo, ngọn lửa đèn khí gồm ba phần chính (hình 6): 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 – 1200oC). Dung môi hòa tan mẫu 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 là ở đỉnh b, 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 hấp thu nguyên tử người ta phải đưa mẫu vào phần 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 mầu vàng và thường xảy ra nhiều phản ứng thứ cấp không có lợi cho phép đo phổ hấp thu nguyên tử. Chính do các đặc điểm và cấu tạo đó nên trong mỗi phép phân tích cần phải khảo sát để chọn được các điều kiện phù hợp, như thành phần và tốc độ của hỗn hợp khí cháy tạo ra ngọn lửa, chiều cao của ngọn lửa, v.v... Hình 6: Cấu tạo của ngọn lửa đèn khí Trang bị để nguyên tử hóa mẫu: Muốn thực hiện phép đo phổ hấp thu nguyên tử (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 hai bước kế tiếp nhau. Bước một 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 (thể aerosol). Quá trình này được gọi là quá trình aerosol hóa hay nebulize hóa. Kĩ thuật thực hiện quá trình này và hiệu suất của nó ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả của phép đo AAS. Sau đó dẫn hỗn hợp aerosol cùng hỗn hợp khí đốt vào đèn (burner head) để nguyên tử hóa. Khí mang là một trong hai khí để đốt cháy tạo ra ngọn lửa. Thông thường người ta hay dùng khí oxy hóa (không khí nén hay khí N2O). Hai giai đoạn trên được thực hiện bằng một hệ thống trang bị nguyên tử hóa mẫu (hình 4). Hệ thống này gọi là Nebulizer System, gồm hai phần chính: Đèn nguyên tử hóa mẫu (burner head). Các đèn này thường có hai dạng khác nhau, hoặc hình tròn có nhiều lỗ hay hình một khe hẹp có độ rộng từ 0.5 – 1.0 mm và chiều dài 5 cm hay 10 cm. Loại khe dài 10 cm cho hỗn hợp khí đốt axetylen và không khí nén; loại khe dài 5 cm là cho hỗn hợp khí đốt axetylen và khí N2O (hình 7). Còn loại miệng tròn chỉ thích hợp cho phép đo phổ phát xạ. Hình 7: Các loại đèn để nguyên tử hóa mẫu Phần hai là buồng aerosol hóa mẫu. Đó là buồng để điều chế các hạt sol khí của mẫu với khí mang. Để thực hiện công việc này người ta áp dụng hai kĩ thuật theo nguyên lí khác nhau. Đó là kĩ thuật pneumatic-mao dẫn (phun khí) và kĩ thuật ultrasonic (siêu âm). Do đó cũng có hai loại hệ trang bị khác nhau (hình 8) để điều chế sol khí của mẫu. Hình 8: Hệ thống tạo sol khí (nebulize) theo kĩ thuật pneumatic K: Khí mang (oxy hóa). S: Đường dẫn mẫu. F: Khí cháy. Q: Cánh quạt quay đều. G: Màng bảo hiểm. A: Đường dẫn thể aerosol lên đèn nguyên tử hóa. Aerosol hóa mẫu theo kĩ thuật pneumatic-mao dẫn: Theo cách này người ta dùng hệ thống nebulize và khí mang để tạo ra thể sợi khí của mẫu phân tích nhờ hiện tượng mao dẫn (hình 8). Trước hết nhờ ống mao dẫn S và dòng khí mang K mà dung dịch mẫu được dẫn vào buồng aerosol hóa. Trong buồng này, dung dịch mẫu được đánh tung thành thể bụi (các hạt rất nhỏ) nhờ quả bi E và cánh quạt Q, rồi được trộn đều với hỗn hợp khí đốt và được dẫn lên đèn nguyên tử hóa (burner head). Khi hỗn hợp khí đốt cháy ở burner head sẽ tạo ra ngọn lửa, dưới tác dụng của nhiệt của ngọn lửa các phần tử mẫu ở thể sợi khí sẽ bị hóa hơi và nguyên tử hóa tạo ra các nguyên tử tự do của các nguyên tố có trong mẫu phân tích. Đó là những phần tử hấp thu năng lượng và tạo phổ hấp thu nguyên tử của nguyên tố cần nghiên cứu. Nhưng cần chú ý rằng, ngoài ảnh hưởng của thành phần khí đốt và tốc độ dẫn hỗn hợp khí đến cường độ vạch phổ, thì tốc độ dẫn dung dịch mẫu vào buồng aerosol hóa cũng ảnh hưởng đáng kể đến cường độ vạch phổ (bảng 3). Tốc độ dẫn mẫu phụ thuộc vào nhiều yếu tố và được tính gần đúng theo công thức: Trong đó: r- bán kính của ống mao dẫn để dẫn mẫu; P- chênh lệch áp suất giữa hai đầu ống mao dẫn; L- chiều dài ống mao dẫn; η- Độ nhớt của dung dịch mẫu (g.cm.s). Nghĩa là tốc độ dẫn mẫu V phụ thuộc vào các tham số r, P, L và η. Nhưng trong một hệ thống máy thì r và L thường là cố định, P được giữ không đổi, cho nên V chỉ còn phụ thuộc chủ yếu vào độ nhớt η của dung dịch mẫu. Aerosol hóa mẫu bằng siêu âm: Theo kĩ thuật này, để aerosol hóa mẫu phân tích người ta dùng hệ thống siêu âm có tần số từ 1 – 4.5 MHz. Lực siêu âm có thể được truyền qua tướng rắn hay qua thể lỏng đến dung dịch mẫu để thực hiện việc aerosol hóa mẫu, nghĩa là dưới tác dụng của lực siêu âm, mẫu dung dịch cũng được phân tán (đánh tơi) thành những hạt rất nhỏ và trộn đều với hỗn hợp khí để dẫn lên đèn (burner head) nguyên tử hóa. Ở đây đường kính (d) của các hạt sol khí được tính theo công thức: (8.2) Trong đó: s: sức căng bề mặt của dung dịch mẫu. Di: tỉ trọng của dung dịch mẫu. F: tần số của máy phát siêu âm. Như vậy, muốn có các hạt aerosol nhỏ thì phải sử dụng tần số siêu âm cao. Tần số và công suất của máy phát siêu âm đều ảnh hưởng đến kích thước của hạt aerosol (hình 9) Trong hai kĩ thuật aerosol hóa, thì kỹ thuật pneumatic là đơn giản, trang bị rẻ tiền, không phức tạp như kĩ thuật siêu âm. Nhưng kĩ thuật siêu âm có ưu điểm cho độ nhạy cao hơn. Vì kích thước các hạt sol khí khá nhỏ, hiệu suất tạo sol khí cao và quá trình aerosol ít phụ thuộc vào khí mang và quá trình dẫn mẫu. Đặc biệt là việc aerosol hóa các dung dịch mẫu có nồng độ muối cao thì nó ưu việt hơn kĩ thuật pneumatic. Mặt khác, sự aerosol hóa bằng siêu âm thường cho độ lặp lại tốt hơn (bảng 3). Bảng 3: Độ nhạy theo hai kĩ thuật aerosol hóa mẫu Hình 9: Ảnh hưởng tần số và công suất máy siêu âm Những quá trình xảy ra trong ngọn lửa: Ngọn lửa là môi trường nguyên tử hóa mẫu của phép đo phổ hấp thu nguyên tử (F- AAS). Trong ngọn lửa có nhiều quá trình đồng thời xảy ra: có quá trình chính và cũng có quá trình phụ (thứ cấp). Trong đó nhiệt độ của ngọn lửa là yếu tố quyết định mọi diễn biễn của các quá trình đó. Trước hết, khi mẫu ở thể sợi 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 hoà tan mẫu và các chất hữu cơ (nếu có) trong thể sợi khí. Như vậy mẫu còn lại là các hạt bột mẫu rất nhỏ mịn (các muối của các chất) trong ngọn lửa, và nó được dẫn tiếp vào vùng trung tâm ngọn lửa. Tiếp đó sự nung nóng, nóng chảy, các quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa của các hạt mẫu bột khô đó. Ở đây các chất sẽ có các quá trình chính sinh ra phổ và quá trình phụ không sinh ra phổ diễn biến theo tính chất nhiệt hóa của chất mẫu. Các quá trình chính: Xảy ra thường theo hai cơ chế chính: Nếu năng lượng (nhiệt độ) hóa hơi (Eh) của các hợp phần có trong mẫu nhỏ hơn năng lượng nguyên tử hóa (Ea) của nó, tức là Eh<Ea, 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 (cơ chế I). Hoặc cũng có thể chúng không bị phân li thành các nguyên tử tự do, nếu đó là các hợp chất bền nhiệt. Cơ chế I: (Eh< Ea) MnAm (l) → MnAm (k) → n.M(k) + m.A(k) M(k) + n(hv) → Phổ AAS Nói chung, các muối halogen (trừ F), muối acetate, một số muối nitrate, một số muối sulfate của kim loại thường xảy ra theo cơ chế này. Ví dụ: Các hợp chất: CuCl2, ZnCl2, FeCl3, Cu(Ac)2, Zn(Ac)2. v.v... theo cơ chế 1 này. Cơ chế này cho phép đo AAS có độ nhạy cao và ổn định. Ngược lại, nếu năng lượng phân li Ea của các hợp phần của mẫu nhỏ hơn năng lượng hóa hơi Eh 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 (cơ chế II). Cơ chế II: (Eh> Ea) MnAm (l) → n.M(r,l) + mA(l.r) → n.M(k) M(k) + n(hv) →Phổ AAS Các loại hợp chất muối của kim loại với gốc sulfate, phosphate, silicate, flour, thường theo cơ chế II. Cơ chế này không ổn định, nên phép đo AAS kém ổn định, và độ nhạy kém hơn cơ chế I. Vì thế người ta thường thêm vào mẫu các muối halogen, hay acetate của kim loại kiềm làm nền mẫu để hướng các quá trình chính xẩy ra theo cơ chế I ưu việt và có lợi hơn. Đó là hai cơ chế của quá trình nguyên tử hóa mẫu phân tích (quá trình chính) trong ngọn lửa đèn khí. Nó là những quá trình chính để tạo ra các nguyên tử tự do quyết định cường độ của vạch phổ hấp thu nguyên tử của nguyên tố phân tích. Yếu tố quyết định các quá trình này là: Nhiệt độ của ngọn lửa Bản chất của chất mẫu và thành phần của mẫu Tác dụng ảnh hưởng của chất phụ gia thêm vào mẫu. Các quá trình phụ: Bên cạnh các 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, nó xảy ra như thế nào là tùy thuộc vào nhiệt độ của ngọn lửa và thành phần của mẫu, 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 bị ion hóa của một loại nguyên tử 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 (bảng 4). Bảng 4: Mức độ bị ion hóa của các nguyên tố theo nhiệt độ ngọn lửa và thế ion hóa của nó Như vậy, quá trình ion hóa là làm giảm số nguyên tử tự do trong ngọn lửa, có nghĩa là làm giảm cường độ của vạch phổ hấp thu. 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 mẫu anion của một nguyên tố kim loại 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. Nguyên tố nào có năng lượng kích thích phổ phát xạ càng nhỏ thì sẽ bị kích thích càng nhiều (bảng 5). Nhiệt độ của ngọn lửa càng cao thì cũng bị kích thích càng nhiều. Để loại trừ yếu tố ảnh hưởng này, người ta cũng thêm vào mẫu anion của các nguyên tố kim loại có thế kích thích phổ phát xạ thấp hơn nguyên tố phân tích, để quá trình này chỉ xảy ra với nguyên tố thêm vào đó. Bảng 5 cũng cho chúng ta thấy rằng, trong ngọn lửa có nhiệt độ dưới 30000C thì khả năng bị kích thích phổ phát xạ là không lớn và nếu có cũng chỉ giữ vai trò quan trọng đối với các kim loại kiềm mà thôi. Sự hấp thu của phân tử: Trong ngọn lửa, ngoài các nguyên tử tự do cũng còn có cả các ion và các phân tử ở trạng thái hơi. Các phần tử này tùy theo tính chất của nó và cũng tùy thuộc vào nhiệt độ của ngọn lửa, vùng phổ ta quan sát, mà còn có sự hấp thu năng lượng, sự ion hóa hay sự kích thích phổ của chính các phần tử đó. Những quá trình này, tuy là quá trình phụ nhưng cũng có trường hợp có ảnh hưởng đến cường độ vạch phổ của nguyên tố phân tích. Thêm vào đó là sự hấp thu của các hạt mẫu rắn chưa bị hóa hơi. Yếu tố này gọi là sự hấp thu giả. Bảng 5: Mức độ bị kích thích phổ phát xạ của các nguyên tố - ứng với nhiệt độ khác nhau Sự tạo thành hợp chất bền nhiệt. Trong ngọn lửa đèn khí, một số kim loại có thể hình thành các hợp chất bền nhiệt kiểu monoxide dạng MeO, như AlO, Bao, MgO, Beo, ZrO,... Loại hợp chất này rất bền, khi đã hình thành thì khó phân li thành các nguyên tử tự do trong ngọn lửa đèn khí. Vì thế làm giảm độ nhạy của phép đo. Các quá trình phụ tuy có mức độ khác nhau, nhưng trong một mối tương quan nhất định trong ngọn lửa, đặc biệt là nhiệt độ ngọn lửa, thì tất cả các quá trình đó đều có thể xảy ra cùng với các quá trình chính của phép đo F-AAS. Do đó điều quan trọng đối với chúng ta là phải chọn các điều kiện phù hợp để hạn chế đến mức nhỏ nhất các quá trình phụ và giữ cho nó không đổi suốt trong một phép đo xác định một nguyên tố. Đó là một phần của công việc tối ưu hóa các điều kiện cho phép đo phổ hấp thu nguyên tử trong ngọn lửa. Bảng 6: Tóm tắt các quá trình khi nguyên tử hóa mẫu STT Quá trình Phản ứng xảy ra 1 Dẫn mẫu vào buồng aerosol hóa. 2 Quá trình aerosol hóa mẫu tạo ra thể sol khí. 3 Hóa hơi, nguyên tử hóa. MeA(r) MeA(l) MeA(k) 4 Sự phân li, kích thích, hấp thu, Ion hóa, phát xạ. 5 Sự khử oxy của oxide bởi carbon. MeO + C → Me + CO 6 Các phản ứng hóa học phụ khác (hợp chất bền nhiệt monoxide) Me + O → Meo Me + C → MeCx Hình 10: Sơ đồ các quá trình trong ngọn lửa M1: Kim loại phân tích; M2: Các kim loại khác trong mẫu; A: Anion không oxy; AxOz: Anion có oxy; Mo: Kim loại tự do trạng thái hơi; x, y và z nhận giá trị 1, 2, 3, 4,... Nguồn phát bức xạ đơn sắc: Muốn thực hiện được phép đo phổ hấp thu 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 thu. Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc trong phép đo phổ hấp thu nguyên tử 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 được đơn sắc hóa). Nhưng dù là loại nào, nguồn phát tia bức xạ đơn sắc trong phép đo phổ 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 (các vạch phát xạ nhạy, đặc trưng) 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 lí và về phổ cho phép đo AAS. Chùm tia phát xạ đơn sắc do nguồn đó cung cấp phải có cường độ cao, nhưng lại phải bền vừng theo thời gian và phải không bị các yếu tố vật lí 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. Tất 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 tin tưởng. 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 nay trong phép đo phổ hấp thu nguyên tử, người ta thường dùng chủ yếu ba loại nguồn phát tia bức xạ đơn sắc. Đó là: Đèn cathode rỗng (HCL - Hollow Cathode Lamp) Đèn phóng điện không điện cực (EDL- Electrodeless Discharge Lamp), Đèn phát phổ liên tục đã được biến điệu (D2-lamp, W-lamp). Các loại nguồn đơn sắc khác. Trong ba loại đó, đèn HCL được dùng phổ biến nhất. Đèn phát phổ liên tục mới được phát triển và sử dụng trong vài năm nay, nhưng lại có nhiều ưu việt trong các máy nhiều kênh và quá trình phân tích tự động liên tiếp nhiều nguyên tố, tuy nhiên giá thành còn đắt và độ nhạy còn kém nên chưa được dùng phổ biến. Đèn cathode rỗng (HCL): Đèn phát tia bức xạ đơn sắc được dùng sớm nhất và phổ biến nhất trong phép đo ∆S là đèn cathode rỗng (HCL). Đèn này chỉ phát ra những tia phát xạ nhạy của nguyên tố kim loại làm cathode rỗng. Các vạch phát xạ nhạy của một nguyên tố thường là các vạch cộng hưởng. Vì thế đèn cathode rỗng cũng được gọi là nguồn phát tia bức xạ cộng hưởng. Nó là phổ phát xạ của các nguyên tố trong môi trường khí kém. Về cấu tạo, đèn cathode rỗng gồm có ba phần chính: Phần 1 là thân đèn và cửa sổ, Phần 2 là các điện cực cathode và anode, và Phần 3 là khí chứa trong đèn. Đó là khí trơ He, Ar hay N2. Thân và vỏ. Thân đèn gồm có vỏ đèn, cửa sổ và bệ đỡ các điện cực anode và cathode. Bệ đỡ bằng nhựa PVC. Thân và vỏ đèn bằng thuỷ tinh hay thạch anh. Vỏ đèn có hai dạng (hình 11). Cửa sổ S của đèn có thể là thuỷ tinh hay thạch 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. Nghĩa là vạch phát xạ cộng hưởng để đo phổ hấp thu ở vùng nào thì nguyên liệu làm cửa sổ S phải trong suốt ở vùng đó. Điện cực. Điện cực của đèn là cathode và anode. Anode được chế tạo bằng kim loại trơ và bền nhiệt như W hay Pt. Cathode được chế tạo có dạng hình xylanh hay hình ống rỗng có đường kình từ 3 – 5 mm, dài 5 – 6 mm và chính bằng kim loại cần phân tích với độ tinh khiết cao (ít nhất 99,9 %). Dây dẫn của cathode cũng là kim loại W hay Pt. Cả hai điện cực được gắn chặt trên bệ đỡ của thân đèn và cực cathode phải nằm đúng trục xuyên tâm của đèn (hình 11). Anode đặt bên cạnh cathode hay là một vòng bao quanh cathode. Hai đầu của hai điện cực được nối ra hai cực gắn chặt trên đế đèn, cắm vào nguồn điện nuôi cho đèn làm việc. Nguồn nuôi là nguồn 1 chiều có thế 220 – 240 V. Khí trong đèn. Trong đèn phải hút hết không khí và nạp thay vào đó là một khí trơ với áp suất từ 5 – 15mmHg. Khí trơ đó là argon, heli hay nitơ nhưng phải có độ sạch cao hơn 99.99 %. Khí nạp vào đèn không được phát ra phổ làm ảnh hưởng đến chùm tia phát xạ của đèn và khi làm việc trong một điều kiện nhất định thì tỉ số giữa các nguyên tử đã bị ion hóa và các nguyên tử trung hoà 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 nguồn điện một chiều ổn định. Thế làm việc của đèn HCL thường là từ 250 – 220V tùy thuộc vào từng loại đèn của từng hãng chế tạo và tùy thuộc vào từng nguyên tố kim loại làm cathode rỗng. Cường độ làm việc của các đèn cathode rỗng thường là từ 3 – 50 mA và cũng tùy thuộc vào mỗi loại đèn HCL của mỗi nguyên tố do mỗi hãng chế tạo ra nó. Thế và cường độ dòng điện làm việc của đèn HCL có liên quan chặt chẽ với công để tách kim loại ra khỏi bề mặt cathode rỗng để tạo ra hơi kim loại sinh ra chùm tia phát xạ của đèn HCL. Dòng điện qua đèn HCL của mỗi nguyên tố rất khác nhau. Mỗi đèn HCL đều có dòng điện giới hạn cực đại mà đèn có thể chịu đựng được và giá trị này được ghi trên vỏ đèn. Tất nhiên khi sử dụng không bao giờ được phép dùng đến dòng điện cực đại đó, mà thích hợp nhất là trong vùng từ 65 – 85 % giá trị cực đại, vì ở điều kiện dòng cực đại đèn làm việc không ổn định và rất chóng hỏng, đồng thời phép đo lại có độ nhạy và độ lặp lại kém. Theo lí thuyết và thực nghiệm của thực tế phân tích theo kĩ thuật đo phổ hấp thu nguyên tử, tốt nhất chỉ nên dùng cường độ dòng trong vùng từ 60 – 85 % dòng giới hạn cực đại đã ghi trên đèn HCL. Muốn có độ nhạy cao, nên sử dụng cường độ dòng ở gần giới hạn dưới. Muốn có độ ổn định cao, nên dùng cường độ dòng ở gần giới hạn trên. Nhưng nên nhớ rằng cường độ dòng làm việc của đèn HCL và cường độ của vạch phổ hấp thu có quan hệ chặt chẽ với nhau. Nói chung, nhiều trường hợp cường độ của vạch phổ hấp thu là tỷ lệ nghịch với cường độ dòng điện làm việc của đèn HCL (hình 12), tuy nhiên cũng có vài trường hợp không tuân theo quy luật đó. Hình 11: Cấu tạo đèn cathode rỗng Hình 12: Quan hệ giữa cường độ vạch phổ và cường độ dòng điện làm việc của đèn HCL (A) là trường hợp phổ biến (Cd – 228.8 nm), Cu, Ca, Fe. (B) là của Pb 283.3 nm. (C) là của Al 309.3 nm. Khi đèn làm việc, cathode được nung đỏ, giữa cathode và anode xảy ra sự phóng điện liên tục. Do sự phóng điện đó mà một số phân tử khí bị ion hóa. Các ion vừa được sinh ra sẽ tấn công vào cathode làm bề mặt cathode nóng đỏ và một số nguyên tử kim loại trên bề mặt cathode bị hóa hơi và nó trở thành những nguyên tử kim loại tự do. Khi đó dưới tác dụng của nhiệt độ trong đèn HCL đang được đốt nóng đỏ, các nguyên tử kim loại này bị kích thích và phát ra phổ phát xạ của nó. Đó chính là phổ vạch của chính kim loại làm cathode rỗng. Nhưng vì trong điều kiện đặc biệt của môi trường khí trơ có áp suất rất thấp, nên phổ phát xạ đó chỉ bao gồm các vạch nhạy của kim loại đó mà thôi. Đó chính là sự phát xạ của kim loại trong môi trường khí kém. Chùm tia phát xạ này là nguồn tia đơn sắc chiếu qua môi trường hấp thu để thực hiện phép đo AAS. Các đèn cathode rỗng có cấu tạo như đã mô tả ở trên là những đèn HCL đơn nguyên tố, nghĩa là mỗi đèn HCL đó chỉ phục vụ cho phân tích một nguyên tố. Ngày nay ngoài các đèn HCL đơn, người ta cũng đã chế tạo được một số đèn kép đôi, kép ba hay kép sáu nguyên tố. Ví dụ các đèn kép đôi là (Ca+Mg), (Cu+Mn), (Cu+Cr), (Co+Ni), (K+Na), (Cu+Pb); các đèn kép ba như (Cu+Pb+Zn) và đèn kép sáu là (Cu+Mn+Cr+Fe+Co+Ni). Để chế tạo các đèn kép này, cathode của đèn HCL phải là hợp kim của các nguyên tố đó. Hợp kim này phải có thành phần phù hợp, để sao cho cường độ phát xạ của các nguyên tố là gần tương đương nhau; nghĩa là sự phát xạ của kim loại này phải không được lấn át sự phát xạ của nguyên tố kia. Do đó phải chế tạo trong điều kiện dung hòa cho tất cả các nguyên tố. Ví dụ: Đèn HCL kép sáu của Cu, Mn, Cr, Fe, Co, và Ni thì hợp kim làm cathode rỗng phải chứa 25% Cu, các nguyên tố khác có thành phần là 15%. Xét về độ nhạy, nói chung các đèn kép thường có độ nhạy kém hơn các đèn đơn tương ứng, hay tốt nhất cũng chỉ gần bằng là cùng. Mặt khác, về chế tạo lại khó khăn hơn đèn đơn. Vì thế cũng chỉ có một số ít đèn kép và cũng chỉ được dùng trong một số trường hợp khi việc thay đổi đèn có ảnh hưởng đến quá trình phân tích và trong các máy nhiều kênh thì đèn HCL kép là ưu việt hơn đèn đơn. Đèn HCL làm việc tại mỗi chế độ dòng nhất định thì sẽ cho chùm sáng phát xạ có cường độ nhất định. Mỗi sự dao động về dòng điện làm việc của đèn đều làm ảnh hưởng đến cường độ của chùm tia sáng phát xạ (hình 12). Do đó trong mỗi phép đo cụ thể phải chọn một giá trị cường độ dòng điện phù hợp và giữ cố định trong suốt quá trình đo định lượng một nguyên tố. Hệ thống đơn sắc và máy quang phổ hấp thu nguyên tử Hệ thống đơn sắc chính là hệ thống để thu, phân li, chọn và phát hiện vạch phổ hấp thu cần phải đo. Trong phép đo phổ hấp thu nguyên tử hệ thống đơn sắc này là một máy quang phổ có độ phân giải tương đối cao có thể là hệ máy một chùm tia hay hệ máy 2 chùm tia. Cấu tạo của nó gồm ba phần chính: Hệ chuẩn trực, để chuẩn trực chùm 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 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. Bốn thông số này cũng là các yếu tố để xem xét chất lượng của một máy quang phổ AAS. Trước hệ chuẩn trực là khe vào của chùm sáng đa sắc và sau hệ buồng ảnh là khe ra của chùm tia đơn sắc cần đo. Hình 13 là sơ đồ quang học, nguyên tắc của hệ thống máy quang phổ hấp thu nguyên tử. Theo sơ đồ này, chùm tia phát xạ cộng hưởng của nguyên tố cần nghiên cứu được phát ra từ đèn cathode rỗng sau khi qua môi trường hấp thu, sẽ được hướng vào khe máy và vào hệ chuẩn trực, rồi vào bộ phận tán sắc, vào hệ hội tụ để chọn một tia cần đo. Như vậy chùm sáng đa sắc được chuẩn trực, được phân li và sau đó chỉ một vạch phổ cần đo được chọn và hướng vào khe đo để tác dụng vào nhân quang điện (detector-photomultiveler) để phát hiện và xác định cường độ của vạch phổ hấp thu đó. Muốn hệ thống máy quang phổ hấp thu nguyên tử cho được kết quả tốt thì hệ thống tán sắc phải bảo đảm được một số yêu cầu bắt buộc 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 kì một hiện tượng sai lệch nào làm mất năng lượng của chùm sáng ở trong máy, như sự hấp thu, sự tán xạ, sự khuyếch tán của các bộ phận cấu tạo 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 phải điều chỉnh được cho phù hợp với từng vạch phổ và có độ lặp lại cao trong mỗi phép đo. Detector 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 thu của vạch phổ của mỗi nguyên tố.Đó là các điều kiện tối thiểu của hệ quang học trong máy phổ hấp thu nguyên tử. Với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật, ngày nay người ta có thể thỏa mãn được tất cả các yêu cầu đó. Chính vì thế hiện nay đã có rất nhiều máy đo phổ hấp thu nguyên tử có chất lượng cao đã được bán trên thị trường quốc tế. Đó là các máy đo phổ hấp thu nguyên tử của hãng Perkin Elmer, Varian, Becman, Philips Pye Unicam, Wet Zeiss, Shimadu, Instr, Lad, Alpha,... Hình 13: Sơ đồ quang học của hệ thống máy AAS (Perrkin Elmer) (1)- Loại 1 chùm tia. (2)- Loại 2 chùm tia. Trang bị phát hiện, Detector, Photomultivlier: Detector 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 bởi độ ẩm, nhiệt độ, thời tiết. Mặt khác, nó lại là một dụng cụ trung gian để thu nhận chùm sáng và sau đó phải xử lí tiếp mới có được cường độ vạch phổ. Tức là đo độ đen của kính ảnh đã bị chùm sáng tác dụng vào. Với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật, ngày nay người ta đã chế tạo ra được nhiều loại detector quang học kiểu ống có thể khuyếch đại tín hiệu đo lên được đến cỡ triệu lần. Đó là các ống nhân quang điện (photomultipler tube). Hình 14 là sơ đồ của một nhân quang điện kiểu ống đó. 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 và độ chọn lọc cao. Nhiều hãng đã chế tạo được các detector loại này. Vùng phổ hoạt động của các detector kiểu ống loại này thường là từ 190 – 900 nm, có khi đến 1100 nm. Tất nhiên là thông số này phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu để chế tạo bản cathode của nó. Hình 14: Nguyên tắc cấu tạo của nhân quang điện kiểu ống Hệ số khuếch đại của loại detector này thường đến 106, đôi khi có loại đến 107. Nguyên liệu chế tạo bản cathode của các detector kiểu ông là các hợp kim của các kim loại kiềm với Sb, Ga hay As, ví dụ hợp kim Cs-Sb; Ga-As; Na-K-Cs-S. 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 thu 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 thu của nguyên tố phân tích và xác định (hay phát hiện) nồng độ của chất phân tích trong mẫu đo phổ theo một trong các phương pháp chuẩn hóa sau: Phương pháp đường chuẩn Phương pháp thêm tiêu chuẩn Phương pháp đồ thị không đổi Phương pháp dùng 1 mẫu chuẩn. Trong thí nghiệm này ta sử dụng phương pháp dựng đường chuẩn. Phương pháp đồ thị chuẩn (đường 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 A - K.C và một dẫy mẫu đầu (ít nhất là ba mẫu đầu) để dựng một đường chuẩn và sau đó nhờ đường chuẩn này và giá trị Ax 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, dẫy 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 thu của nguyên tố phân tích trong tất cả các mẫu đầu và mẫu phân tích đã được chuẩn bị ở trên. Hình 15: Đồ thị chuẩn của phương pháp đường chuẩn Ví dụ ta thu được các giá trị cường độ tương ứng với các nồng độ đó là A1, A2, A3, A4, A5 và Ax1, Ax2 v.v... Bây giờ trên hệ tọa độ A - C theo các điểm có tọa độ (C1A1), (C2A2), (C3A3), (C4A4), (C5A5) ta sẽ dùng được một đường biểu thị mối quan hệ A - C. Đó chính là đường chuẩn của phương pháp này (hình 15). Tiếp đó nhờ đường chuẩn này và các giá trị Ax chúng ta dễ dàng xác định được nồng độ Cx. Công việc cụ thể là đem các giá trị Ax đặt lên trục tung A của hệ tọa độ, từ đó kẻ 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 (hình 15). 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 xácđịnh 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 nên không xác định được chính xác 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, hay biến đổi của mẫu sang nền tự tạo phù hợp cho cả mẫu đầu và các mẫu phân tích. Trong bài thí nghiệm này ta sử dụng máy hấp thu nguyên tử sử dụng ngọn lửa cho cả hai trường hợp hấp thu và phát xạ, trong trường hợp phát xạ thì không cần sử dụng đèn. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM: Hình 16: Sơ đồ tiến hành thí nghiệm Nguyên tắc chung: Mẫu thực phẩm được tro hóa ở 525oC, hóa tan tro với acid nitric loãng, đo độ hấp thu hay phát xạ trên AAS. Dụng cụ và thiết bị: Chén sứ 100 ml Becher 250ml, 500ml Bình định mức 25ml, 50ml, 100ml Pipet bầu 1ml, 2ml, 3ml, 5ml, 10ml Pipet vạch 5ml, 10ml Ống đong 100ml Bếp điện, lò nung, máy AAS Tất cả dụng cụ thủy tinh được rửa sạch và ngâm với HNO3 20% qua đêm, rửa sạch lại (3 lần) với nước cất. Hóa chất và thuốc thử: Acid HNO3  65% (d=1.39): loại tinh khiết phân tích. Acid HCl 35% (d=1.16): loại tinh khiết phân tích Dung dịch HNO3  1N: đong 70 ml HNO3  65% cho vào becher 500ml đã có sẵn 300ml nước cất, định mức vào bình định mức 1000ml bằng nước cất. Oxide Lantan, La2O3  99.99%: loại tinh khiết phân tích Dung dịch Chlorua Lantan 1%: Cân 11,7g (±100mg) La2O3  vào becher 250ml, thấm ướt bằng một ít nước và cho từ từ 50 ml acid HCl 35%, khuấy cho tan, định mức 1000ml bằng nước cất. Bảo quản nơi thoáng mát trong vòng 6 tháng. Muối Clorua Cesi, CsCl 99.99%: loại tinh khiết phân tích Dung dịch Cesi 10%: cân 127g (±100mg) CsCl vào becher 250ml, hòa tan bằng nước cất, định mức 1000ml bằng nước cất. Bảo quản nơi thoáng mát trong vòng 6 tháng. Dung dịch chuẩn gốc 1000ppm của nguyên tố Na, Ca, Fe (mua của hãng Merck). Dung dịch chuẩn 100ppm: hút 100 ml dung dịch chuẩn gốc vào bình định mức 100ml, thêm 1ml HNO3  65%, định mức bằng nước cất. Dung dịch chuẩn Fe 20ppm: hút 10ml dd chuẩn Fe 100ppm vào bình định mức 50ml, thêm 0,5ml HNO3  65%, định mức bằng nước cất. Dung dịch chuẩn làm việc: Chuẩn Na (pha trong nền CsCl 0,5%) Nồng độ (ppm) 1 2 3 5 Dd Na 100ppm(ml) 1 2 3 5 Dd Cs 10% (ml) 5 5 5 5 Định mức (ml) bằng HNO3 1N 100 100 100 100 Chuẩn Ca (pha trong nền LaCl3 0,1%) Nồng độ (ppm) 2 4 6 10 Dd Ca 100ppm(ml) 1 2 3 5 Dd LaCl3 1%(ml) 5 5 5 5 Định mức (ml) bằng HNO3 1N 50 50 50 50 Chuẩn Fe Nồng độ (ppm) 0,4 0,6 1,0 2,0 Dd Fe 20ppm(ml) 2 3 5 5 Định mức (ml) bằng HNO3 1N 100 100 100 50 Tiến hành thí nghiệm: Lấy mẫu và đồng nhất mẫu: Lấy mẫu ở nhiều vị trí sao cho đại diện được tính chất của toàn bộ lô mẫu. Cắt nhỏ mẫu, cho vào máy xay đều, đem phân tích liền. Phần còn lại cất giữ nơi khô ráo và thoáng mát Xử lý mẫu bằng phương pháp vô cơ hóa khô: Mẫu phân tích gồm 2 loại bánh được ký hiệu là mẫu 1 và mẫu 2. Cân mẫu vào chén sứ 1.000g – 5.000g (tùy thuộc vào dạng mẫu). Than hóa mẫu từ từ trên bếp điện đến khi mẫu hóa than hoàn toàn. Cho mẫu vào lò nung và nâng nhiệt độ từ từ lên 5250C. Tro hóa mẫu đến tro trắng, khoảng từ 3 – 5h (không được quá 8h). Nếu tro màu xám, thấm ướt tro bằng nước cất, thêm 0,5-3ml HNO3  65% đun nhẹ trên bếp đến cạn, cho vào lò tiếp tục nung ở 5250C trong 1 – 2h để tro trắng. Hòa tan tro với 10ml HNO3 1N, đun nhẹ trên bếp để hòa tan. Định mức 50ml bằng dung dịch HNO3 1N, ta có dung dịch A . Làm mẫu trắng song song với lượng thuốc thử giống hệt nhưng không có sự hiện diện của mẫu phân tích. Than hóa: Đặt chén lên bếp điện gia nhiệt từ từ cho đến mẫu bốc hết khói, khói bốc ra chính là CO2. Nếu không than hóa trước khi tro hóa mà tro hóa ngay từ đầu, khi cho vào lò nung có nhiệt độ cao, trong mì ăn liền khi đó vẫn còn một lượng ẩm và các chất bay hơi ở khoảng nhiệt độ 1000C, và tại nhiệt độ cao các chất này bay hơi tạo sự chênh lệch áp suất giữa phần bên trong và trên bề mặt mẫu làm văng mẫu ra ngoài. Để hạn chế sự văng mẫu ra ngoài, trong suốt quá trình nung, dùng nắp đậy khoảng 2/3 diện tích miệng chén. Khi lấy mẫu bằng dụng cụ gắp phải không cho đầu gắp chạm vào mẫu vì có thể làm mất mẫu hay nhiễm vào mẫu. Chú ý: bếp điện có 4 nấc: khi cho mẫu lên bếp, bật số 1 một chút để tăng nhiệt từ từ (khoảng 5 phút) sau đó mới bật nút số 2 nếu không do nhiệt độ tăng đột ngột có thể gây vỡ chén nung. Và sau khi mẫu bốc hết khói thì chuyển sang số 3 và sau khi hết khói nữa thì chuyển sang số 4. Nếu chúng ta cho nhiệt độ quá lớn ngay từ đầu có thể sẽ dẫn đến mẫu không được than hóa hoàn toàn trong khi đó có một phần mẫu đã bị tro hóa. Chú ý khi than hóa một lượt 4 mẫu nên thường xuyên thay đổi vị trí các mẫu trên bếp để cho các mẫu đều được than hóa với mức độ như nhau. Sau khi than hóa, nếu quá trình than hóa diễn ra tốt thì mẫu có màu đen và chỉ chứa C và khoáng. Tro hóa: Chuyển mẫu vào lò nung, nung ở 525oC trong thời gian từ 3 – 5h (không quá 8h, vì lâu quá kim loại sẽ bị bay ra theo). Chú ý trước khi cho mẫu vào lò nung cần bật lò nung trước đó để ổn định nhiệt độ. Sau khi nung xong, nếu mẫu đã được tro hóa hoàn toàn sẽ có màu trắng xám và chỉ chứa các hợp chất khoáng. Làm nguội: Sau khi lấy mẫu ra khỏi lò nung cần làm nguội mẫu đến nhiệt độ phòng để tránh làm bay tro trong mẫu và giúp cho các quá trình sau đó thực hiện được đơn giản (vì nhiệt độ thấp thì dễ xử lý). Hòa tan tro và định mức: Hoà tan tro với 5 ml HNO3 1N, đun nhẹ trên bếp điện 5 – 10 phút cho phản ứng diễn ra nhanh hơn để mẫu tan hoàn toàn. Sử dụng HNO3 hoà tan tro để đảm bảo tro tan hoàn toàn vì trong mẫu có những oxide kim loại không tan trong nước. Sau khi mẫu tan hoàn toàn chuyển vào bình định mức 50 ml, dùng HNO3 1N tráng chén hai lần, sau đó định mức lên 50 ml bằng HNO3 1N, ta có dung dịch A. Khi chuyển vào bình định mức phải lọc qua giấy lọc vì: Ống hút mẫu để phân tích quang phổ có đường kính rất nhỏ, các cặn bẩn còn lại có thể làm nghẹt lọc. Khi đo quang phổ hấp thu hay phát xạ, các cặn bẩn sẽ hấp thu ánh sáng làm sai lệch kết quả do điều kiện đo của mẫu và chuẩn không giống nhau. Đối với những mẫu tro còn xám hoặc đen (còn C), ta lấy ra và thấm ướt tro bằng 0.5 – 3 ml HNO3, sau đó đặt lên bếp điện cho khô và hết khói, chuyển vào lò nung ở 525oC từ 1 – 2 h (bước này nên hạn chế vì K dễ bị mất). Pha loãng mẫu trong nền để đo trên máy AAS: Đo Na: pha loãng mẫu (125 lần đối với cả 2 mẫu). Đo Ca: pha loãng mẫu (25 lần đối với mẫu 1 và 12.5 lần đối với mẫu 2). Đo Fe: không pha loãng. Bảng hướng dẫn pha loãng mẫu: Pha loãng Mẫu 1 Dd A/B (ml) Cs 10% (ml) LaCl3 1% (ml) Định mức bằng HNO3 1N lên (ml) Dd tạo thành Bước sóng đoλ (nm) Fe Dd A 248.3 Ca 2 (dd A) 0 5 50 B 422.7 Na 10 (dd B) 2.5 0 50 C 589.0 Pha loãng Mẫu 2 Dd A/B (ml) Cs 10% (ml) LaCl3 1% (ml) Định mức bằng HNO3 1N lên (ml) Dd tạo thành Bước sóng đoλ (nm) Fe Dd A 248.3 Ca 4 (dd A) 0 5 50 B 422.7 Na 5 (dd B) 2.5 0 50 C 589.0 Tiến hành đo trên máy: Kiểm tra máy Chọn đèn nguyên tố. Đèn nằm ở vị trí nào. Phương pháp đo là phát xạ hay hấp thu. Kiểm tra đèn: Dò bước sóng. Dò chiều cao đầu đốt. (đo bước sóng của phát xạ phải cho chuẩn vô đo) Đo chuẩn. Đo mẫu Hình 17: Sơ đồ tiến hành đo trên máy Lắp đèn, ghi nhớ vị trí đèn. Tiến hành đo Fe: Chọn khí đốt sử dụng: C2H2 + không khí. Chọn phương pháp phân tích là quang phổ hấp thu. Dò bước sóng tối ưu Dò chiều cao tối ưu của đầu đốt, để tìm vị trí tốt nhất của đầu đốt cho nguyên tố có độ hấp thu cao nhất. Đo độ hấp thu của các dung dịch chuẩn, tiến hành xây dựng đường chuẩn từ kết quả thu được. Đo độ hấp thu của mẫu, dựa vào đường chuẩn tính ra được nồng độ của Fe có trong mẫu. Tiến hành đo Ca: tương tự Fe. Tiến hành đo Na: tương tự Fe, chỉ khác là chọn phương pháp phân tích là quang phổ phát xạ. SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM: Khối lượng mẫu cân ban đầu: Mẫu 1 Mẫu 2 Ký hiệu 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 4-6 4-7 4-8 Khối lượng (g) 3.166 3.134 3.197 3.133 3.154 3.180 3.146 3.145 Hệ số pha loãng: Hệ số pha loãng Mẫu 1 Mẫu 2 Fe 1 1 Ca 25 12.5 Na 125 125 Số liệu phân tích Na: Đường chuẩn của Na: Sample ID True value Concentration (ppm) Mean Abs STARDARD 1 5.000 5.0230 0.3240 STARDARD 2 3.000 2.9601 0.2327 STARDARD 3 1.000 1.0410 0.0955 Hình 18: Đường chuẩn của Na Số liệu đo các mẫu: Mẫu Nồng độ (ppm) Abs %RSD Mẫu trắng 1.1808 0.1072 0.35 4-2 3.9416 0.2834 0.02 4-3 3.8107 0.2774 0.40 4-4 3.8473 0.2791 0.13 4-5 3.7471 0.2744 1.05 4-6 2.4969 0.2024 0.19 4-7 3.0571 0.2383 0.67 4-8 3.5410 0.2643 0.57 Số liệu phân tích Ca: Đường chuẩn của Ca: Sample ID True value Concentration (mg/L) Mean Abs STARDARD 1 10.000 10.0115 0.1117 STARDARD 2 6.000 5.9665 0.0707 STARDARD 3 2.000 2.0446 0.0256 Hình 19: Đường chuẩn của Ca Số liệu đo các mẫu: Mẫu Nồng độ (ppm) Abs %RSD Mẫu trắng 0.1089 0.0014 7.14 4-2 2.7333 0.0339 0.78 4-3 2.6078 0.0324 0.99 4-4 2.6412 0.0328 0.63 4-5 2.5661 0.0319 4.62 4-6 0.8567 0.0109 2.11 4-7 1.0480 0.0133 2.60 4-8 0.7852 0.0100 1.00 Số liệu phân tích Fe: Đường chuẩn của Fe: Sample ID True value Concentration (mg/L) Mean Abs CAL ZERO 0.000 0.001 0.0000 STARDARD 1 0.500 0.516 0.0326 STARDARD 2 1.000 0.975 0.0597 STARDARD 3 2.500 2.507 0.1421 Hình 20: Đường chuẩn của Fe Số liệu đo các mẫu: Mẫu Nồng độ (ppm) Abs %RSD Mẫu trắng 0.095 0.0062 15.9 4-2 0.696 0.0434 1.8 4-3 0.695 0.0434 2.1 4-4 0.642 0.0402 1.2 4-5 0.692 0.0432 0.4 4-6 0.378 0.0242 1.2 4-7 0.713 0.0444 0.5 4-8 0.687 0.0429 3.3 Trong bảng số liệu trên, ta thấy giá trị đo hàm lượng Na trong mẫu có ký hiệu 4-6, hàm lượng Ca trong mẫu có ký hiệu 4-5 và hàm lượng Fe trong mẫu có ký hiệu 4-6 sai lệch rất lớn so với các giá trị khác nên trong quá trình tính toán ta sẽ bỏ qua số liệu này. TÍNH TOÁN KẾT QUẢ: Công thức tính: Trong đó: Cppm: nồng độ dung dịch mẫu hiển thị trên máy. Vđm: thể tích dung dịch mẫu định mức (ml). f: hệ số pha loãng. m: lượng cân mẫu (g). Xử lý kết quả: Để xử lý kết quả, ta tính dựa vào các công thức sau: Hàm lượng trung bình: Với N: là số lần đo trên các dung dịch chứa mẫu phân tích. Độ lệch chuẩn của hàm lượng: Độ biến động của hàm lượng: Độ biến động của hàm lượng phải nhỏ hơn 5%:RSDHL< 5 % Với phân tích vết (HL<ppm), có thể chấp nhận:RSDHL< 10 % Kết quả tính toán cho Na: Tính toán hàm lượng Na trong mẫu Lượng mẫu (g) Vđm (ml) f C (ppm) KQ (mg/kg) Mẫu 1 4-2 3.134 50 125 3.9416 7860.5616 4-3 3.197 50 125 3.8107 7449.7576 4-4 3.133 50 125 3.8473 7674.9521 Mẫu 2 4-5 3.154 50 125 3.7471 7425.2933 4-7 3.146 50 125 3.0571 6073.3868 4-8 3.145 50 125 3.5410 7036.9634 Xác định độ tin cậy của kết quả KQ (mg/kg) KQtb (mg/kg) (KQ-KQtb)2 Độ lệch chuẩn s Độ biến động RSD (%) Kết luận Mẫu 1 4-2 7860.5616 7661.757 39523.2236 205.7196 2.685 Đáng tin cậy 4-3 7449.7576 44943.7929 4-4 7674.9521 174.1087 ∑(KQ-KQtb)2 84641.1252 Mẫu 2 4-5 7425.2933 6845.215 336491.3687 568.3241 8.3025 Không đáng tin cậy 4-7 6073.3868 595717.9633 4-8 7036.9634 36767.647 ∑(KQ-KQtb)2 968976.9789 Kết quả tính toán cho Ca: Tính toán hàm lượng Ca trong mẫu Lượng mẫu (g) Vđm (ml) f C (ppm) KQ (mg/kg) Mẫu 1 4-2 3.134 50 25 2.7333 1090.1803 4-3 3.197 50 25 2.6078 1019.6278 4-4 3.133 50 25 2.6412 1053.7823 Mẫu 2 4-6 3.180 50 12.5 0.8567 168.3766 4-7 3.146 50 12.5 1.048 208.2009 4-8 3.145 50 12.5 0.7852 156.0413 Xác định độ tin cậy của kết quả KQ (mg/kg) KQtb (mg/kg) (KQ-KQtb)2 Độ lệch chuẩn s Độ biến động RSD (%) Kết luận Mẫu 1 4-2 1090.1803 1054.53 1270.9336 35.2822 3.3458 Đáng tin cậy 4-3 1019.6278 1218.1739 4-4 1053.7823 0.5592 ∑(KQ-KQtb)2 2489.666787 Mẫu 2 4-6 168.3766 177.5396 83.9611 22.258 12.5369 Không đáng tin cậy 4-7 208.2009 940.1148 4-8 156.0413 462.1753 ∑(KQ-KQtb)2 1486.2512 Kết quả tính toán cho Fe: Tính toán hàm lượng Fe trong mẫu Lượng mẫu (g) Vđm (ml) f C (ppm) KQ (mg/kg) Mẫu 1 4-2 3.134 50 1 0.696 11.1040 4-3 3.197 50 1 0.695 10.8696 4-4 3.133 50 1 0.642 10.2458 Mẫu 2 4-5 3.154 50 1 0.692 10.9702 4-7 3.146 50 1 0.713 11.3318 4-8 3.145 50 1 0.687 10.9221 Xác định độ tin cậy của kết quả KQ (mg/kg) KQtb (mg/kg) (KQ-KQtb)2 Độ lệch chuẩn s Độ biến động RSD (%) Kết luận Mẫu 1 4-2 11.1040 10.7398 0.1327 0.4436 4.1304 Đáng tin cậy 4-3 10.8696 0.0168 4-4 10.2458 0.2441 ∑(KQ-KQtb)2 0.3936 Mẫu 2 4-5 10.9702 11.0747 0.0109 0.1829 1.6513 Đáng tin cậy 4-7 11.3318 0.0662 4-8 10.9221 0.0233 ∑(KQ-KQtb)2 0.1003 NHẬN XÉT: Ta thấy, kết quả tính toán cho các nguyên tố của mẫu 1 rất chính xác, tất cả các giá trị RSD<5% nên hoàn toàn có thể chấp nhận được. Còn đối với mẫu 2, chỉ có giá trị hàm lượng Fe là chính xác do RSD = 1.65%. Hai giá trị của Na và Ca tuy chưa đáng tin cây lắm, nhất là hàm lượng Ca nhưng vẫn có thể chấp nhận được. Nếu thí nghiệm được tiến hành nhiều lần nữa thì có thể khắc phục được sự không chính xác này do trong quá trình tính toán kết quả thí nghiệm ta đã loại bỏ một vài giá trị khác biệt lớn so với những giá trị còn lại để tránh độ lệch thô bạo. Một số nguyên nhân gây sai số khác: Thao tác thí nghiệm không chính xác làm mất mẫu hay nhiễm vào mẫu. Khi vận hành hệ thống đo AAS và AES không chính xác. Mẫu chuẩn bị nhiễm, ngọn lửa chưa ổn định đã tiến hành đo. Vậy ta có thể kết luận hàm lượng các nguyên tố trong mãu như sau: Hàm lượng của Mẫu 1 Mẫu 2 Na(ppm) 7661.757 ± 205.7196 6845.215 ± 568.3241 Ca(ppm) 1054.53 ± 35.2822 177.5396 ± 22.258 Fe(ppm) 10.7398 ± 0.4436 11.07472 ± 0.1829 BÀN LUẬN: Mục đích của xử lí mẫu: Xử lý mẫu là một thao tác cực kì quan trọng không thể thiếu khi tiến hành phân tích định tính cũng như định lượng kim loại bằng phương pháp AAS nói riêng và trong kỹ thuật phân tích nói chung. Việc xử lý mẫu sai, kết quả thu được sẽ không có giá trị, không đáng tin cậy. Mục đích của việc xử lý mẫu là nhằm tách các tạp chất, làm giàu mẫu (nếu cần), đưa mẫu về trạng thái thuận lợi nhất cho việc phân tích. Để phân tích một nguyên tố kim loại có mặt trong mẫu bằng AAS, trước hết kim loại đó phải ở dưới dạng ion tan. Mặt khác, kim loại tồn tại trong mẫu thực phẩm dưới dạng phức của các chất hữu cơ. Do đó mục đích của việc xử lý mẫu ở đây là giải phóng kim loại ra khỏi phức chất và đưa nó về trạng thái ion tan trong dung dịch. Hầu hết các nguyên tố kim loại phân tích bằng phương pháp AAS đều phải tồn tại dưới dạng muối acid. Có 2 phương pháp xử lý mẫu: Phương pháp khô: Phá mẫu bằng phương pháp khô là dùng nhiệt độ cao để phá mẫu. Quá trình này gồm 2 giai đoạn: Than hóa: mục đích của quá trình than hóa là làm bốc hơi nước và một số chất bay hơi ở nhiệt độ khoảng 1000C, không làm cho mẫu văng ra ngoài, chuyển các chất hữu cơ thành dạng C và CO2. Ngoài ra quá trình than hóa không hoàn toàn còn có thể còn các chất hữu cơ chưa bị phân hủy hết hay tạo ra các hợp chất hữu cơ có dạng: Do đó khi cho HNO3 vào hòa tan chỉ hòa tan được một phần khoáng. Vì vậy để tách được triệt để kim loại ra khỏi mẫu và đưa về dạng ion tan, chúng ta phải tiến hành giai đoạn 2 là giai đoạn tro hóa. Tro hóa: mục đích của quá trình tro hóa là phân hủy toàn bộ chất hữu cơ có trong mẫu, giải phóng kim loại dưới dạng tự do hay muối kim loại. Đối với chất khó cháy phải sử dụng chất trợ cháy Mg(NO3)2. Phương pháp ướt: Dùng acid để phá mẫu, đồng thời chuyển kim loại thành dạng ion tan. Các loại acid sử dụng trong phương pháp ướt: H2SO4: đóng vai trò phân hủy các hợp chất hữu cơ do acid này có khả năng đốt cháy chất hữu cơ. HCl, HNO3, HClO4, H2O2: các acid này có vai trò xúc tiến cho phản ứng nhanh hơn vì nó có khả năng cắt mạch phân tử. Phương pháp kiềm chảy: Dùng kiềm và nhiệt độ cao để vô cơ hóa. Việc chọn phương pháp nào để vô cơ hóa mẫu phải tùy thuộc vào đặc tính của vật liệu. Trong bài này, ta dùng phương pháp pháp xử lí mẫu là phương pháp khô. Mục đích dùng LaCl3 và CsCl: Đối với các nguyên tố nhóm 1(Na): sử dụng phương pháp phát xạ nên cần các nguyên tố ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái cơ bản để phát xạ. Khi mẫu được nguyên tử hoá, nguyên tử Na chuyển lên trạng thái kích thích nhưng cũng có thể bị ion hoá thành ion không thể về trạng thái cơ bản. Để hạn chế điều này và giữ Na ở mức kích thích ta dùng Cs, đây là nguyên tố dễ bị ion hoá hơn so với Na nên nó sẽ bị ion hoá trước và tạo ra các electron. Các electron này sẽ làm cân bằng phản ứng ion hóa Na chuyển dịch theo chiều nghịch (theo định luật Le Chatelier) và do đó hạn chế ion hoá Na. Đối với các nguyên tố nhóm 2 (Ca): sử dụng phương pháp quang phổ hấp thu nên cần các nguyên tố ở trạng thái cơ bản. Nhưng trong mẫu thường có P tạo phức phosphate với Ca làm cho nhiệt độ nguyên tử hoá lên cao. Ta dùng La để nó tạo phức với nhóm phosphate, từ đó Ca có thể được nguyên tử hoá dễ dàng. Phân tích Na đo phát xạ, còn Ca và Fe đo hấp thu: Na đo phát xạ: do nguyên tố Na thuộc vào phân nhóm chính nhóm 1, lớp vỏ nguyên tử có 1e ở lớp ngoài cùng rất dễ bị kích thích và bứt ra khỏi quĩ đạo của nó. Do đó nó rất dễ bị kích thích khi có năng lượng tác động vào. Khi ta chiếu nguồn năng lượng vào các phân tử Na sẽ hấp thu năng lượng, chuyển lên mức năng lượng cao, ở trạng thái kích thích, không bền, có xu hướng trở lại mức năng lượng thấp, bền hơn và khi đó nó phát ra bức xạ gọi là sự phát xạ. Do đó ta sẽ đo phát xạ với nguyên tử Na. Ca và Fe đo độ hấp thu: do nguyên tố Ca thuộc phân nhóm 2, Fe thuộc phân nhóm 6 nên lớp vỏ nguyên tử khá bền vững nên khi ta chiếu bức xạ thì nguyên tử Ca và Fe sẽ giữ lại một cách chọn lọc năng lượng của một số bức xạ, nguyên tử sẽ từ trạng thái cơ bản sẽ chuyển sang trạng thái kích thích đó là sự hấp thu. Do đó đối với Ca và Fe thì đo độ hấp thu.