Lý thuyết, nguyên lý quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

Hướng dẫn đào tạo về lý thuyết, nguyên lý quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

Lịch sử quang phổ hấp thụ nguyên tử – Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) là gì?

Quang phổ sớm nhất được mô tả lần đầu tiên bởi Marcus Marci von Kronland vào năm 1648 bằng cách phân tích ánh sáng mặt trời khi đi qua các giọt nước và do đó tạo ra cầu vồng. Phân tích sâu hơn về ánh sáng mặt trời của William Hyde Wollaston
(Hình 1.4.1) đã dẫn đến việc phát hiện ra các vạch đen trong quang phổ, vào năm 1820, Ngài David Brewster (Hình 1.4.2) đã giải thích là sự hấp thụ ánh sáng trong bầu khí quyển mặt trời

 

Hình 1.4.1: Nhà hóa học và vật lý học người Anh William Hyde Wollaston (1659 – 1724). Hình 1.4.2: Nhà vật lý, nhà toán học, nhà thiên văn học, nhà phát minh, nhà văn và hiệu trưởng trường đại học Sir David Brewster (1781 – 1868).

 

Hình 1.4.3: Nhà hóa học người Đức Robert Bunsen (1811 – 1899). Hình 1.4.4: Nhà vật lý người Đức Gustav Robert Kirchhoff (1824 – 1887). Hình 1.4.5: Nhà vật lý người Anh Sir Alan Walsh (1916 – 1988).

Lý thuyết về quang phổ hấp thụ nguyên tử

Hình 1.4.6: Nhà hóa học, vật lý học và nhà khí tượng học người Anh John Dalton FRS (1766 – 1844). Hình 1.4.7: Nhà vật lý người Đan Mạch Niels Henrik David Bohr (1885 – 1962). Hình 1.4.8: Nhà vật lý người Pháp và người đoạt giải Nobel de Broglie (1892 – 1987). Hình ảnh được sử dụng với sự cho phép (phạm vi công cộng). Hình 1.4.9: Nhà vật lý người Áo Wolfgang Pauli (1900 – 1958).
Nguyên tử có electron hóa trị, là electron ngoài cùng của nguyên tử. Các nguyên tử có thể bị kích thích khi chiếu xạ, tạo ra phổ hấp thụ. Khi một nguyên tử bị kích thích, electron hóa trị sẽ di chuyển lên một mức năng lượng. Năng lượng của các trạng thái đứng yên khác nhau, hoặc quỹ đạo bị hạn chế, sau đó có thể được xác định bởi các đường phát xạ này. Đường cộng hưởng sau đó được định nghĩa là bức xạ cụ thể được hấp thụ để đạt đến trạng thái kích thích.
Phương trình Maxwell – Boltzmann đưa ra số lượng electron trong bất kỳ quỹ đạo nào. Nó liên quan đến sự phân phối đến nhiệt độ nhiệt của hệ thống (trái ngược với nhiệt độ điện tử, nhiệt độ rung hoặc nhiệt độ quay). Plank đề xuất bức xạ năng lượng phát ra trong các gói rời rạc (lượng tử),

có thể liên quan đến phương trình của Einstein

Bởi vì các mức năng lượng được lượng tử hóa, chỉ cho phép các bước sóng nhất định và mỗi nguyên tử có một phổ duy nhất. Có nhiều biến số có thể ảnh hưởng đến hệ thống. Ví dụ, nếu mẫu được thay đổi theo cách làm tăng dân số nguyên tử, sẽ có sự gia tăng cả về phát xạ và hấp thụ và ngược lại . Ngoài ra còn có các biến số ảnh hưởng đến tỷ lệ kích thích với các nguyên tử không được kích thích, chẳng hạn như sự gia tăng nhiệt độ của hơi nước.

Các ứng dụng của quang phổ hấp thụ nguyên tử

Có nhiều ứng dụng của quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) do tính đặc hiệu của nó. Chúng có thể được chia thành các loại phân tích sinh học, phân tích môi trường và biển và phân tích địa chất.

Phân tích sinh học

Các mẫu sinh học có thể bao gồm cả mẫu mô người và mẫu thực phẩm. Trong các mẫu mô người, AAS có thể được sử dụng để xác định lượng kim loại và các chất điện giải khác, trong các mẫu mô. Những mẫu mô này có thể có nhiều thứ bao gồm nhưng không giới hạn ở máu, tủy xương, nước tiểu, tóc và móng. Chuẩn bị mẫu phụ thuộc vào mẫu. Điều này cực kỳ quan trọng ở chỗ nhiều nguyên tố độc hại ở một số nồng độ nhất định trong cơ thể và AAS có thể phân tích nồng độ chúng hiện diện. Một số ví dụ về các nguyên tố vi lượng mà các mẫu được phân tích là asen, thủy ngân và chì. Trong ngành công nghiệp thực phẩm, AAS cung cấp phân tích về rau, sản phẩm động vật và thức ăn chăn nuôi. Những loại phân tích này là một số ứng dụng lâu đời nhất của AAS. Một xem xét quan trọng cần được tính đến trong phân tích thực phẩm là lấy mẫu. Mẫu phải là một đại diện chính xác của những gì đang được phân tích. Bởi vì điều này, nó phải đồng nhất và nhiều mẫu thường được chạy. Các mẫu thực phẩm thường được chạy nhất để xác định lượng khoáng chất và nguyên tố vi lượng để người tiêu dùng biết nếu họ đang tiêu thụ một lượng thích hợp. Các mẫu cũng được phân tích để xác định kim loại nặng có thể gây bất lợi cho người tiêu dùng.
Phân tích môi trường và biển

Phân tích môi trường và biển thường đề cập đến phân tích nước của các loại. Phân tích nước bao gồm nhiều thứ, từ nước uống, nước thải đến nước biển. Không giống như các mẫu sinh học, việc chuẩn bị các mẫu nước bị chi phối bởi luật hơn là chính mẫu đó. Các chất phân tích có thể được đo cũng rất khác nhau và thường có thể bao gồm chì, đồng, niken và thủy ngân.
Một ví dụ về phân tích nước là phân tích về việc lọc chì và kẽm từ chất hàn chì thiếc vào nước. Các mối hàn là những gì liên kết các khớp của ống đồng. Trong thí nghiệm đặc biệt này, nước mềm, nước axit và nước clo đã được phân tích. Việc chuẩn bị mẫu bao gồm phơi các mẫu nước khác nhau vào các tấm đồng có hàn trong các khoảng thời gian khác nhau. Các mẫu sau đó được phân tích cho đồng và kẽm bằng ngọn lửa không khí-axetylen AAS. Một đèn deuterium đã được sử dụng. Đối với các mẫu có mức đồng dưới 100 Pha / L, phương pháp đã được đổi thành AAS nhiệt điện lò than do độ nhạy cao hơn.

Phân tích địa chất

Phân tích địa chất bao gồm cả trữ lượng khoáng sản và nghiên cứu môi trường. Khi dự trữ khoáng sản, phương pháp AAS được sử dụng cần phải rẻ, nhanh và linh hoạt vì phần lớn các khách hàng tiềm năng cuối cùng không sử dụng kinh tế. Khi nghiên cứu đá, chuẩn bị có thể bao gồm tiêu hóa axit hoặc lọc. Nếu mẫu cần phải có hàm lượng silicon được phân tích, tiêu hóa axit không phải là phương pháp chuẩn bị phù hợp.
Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS (atomic absorption spectroscopy)

Nguyên tử hóa

Để mẫu được phân tích, trước tiên nó phải được nguyên tử hóa. Đây là một bước cực kỳ quan trọng trong AAS vì nó quyết định độ nhạy của việc đọc. Các nguyên tử hiệu quả nhất tạo ra một số lượng lớn các nguyên tử tự do đồng nhất. Có nhiều loại nguyên tử hóa, nhưng chỉ có hai loại được sử dụng phổ biến: nguyên tử ngọn lửa và nhiệt điện.

Ngọn lửa

Nguyên tử nhiệt điện

Mặc dù các nguyên tử nhiệt điện được phát triển trước các nguyên tử ngọn lửa, chúng không trở nên phổ biến cho đến gần đây do những cải tiến được thực hiện ở cấp độ phát hiện. Họ sử dụng các ống than chì làm tăng nhiệt độ theo cách từng bước. Nguyên tử điện nhiệt trước tiên làm khô mẫu và làm bay hơi phần lớn dung môi và tạp chất, sau đó nguyên tử hóa mẫu, sau đó tăng nhiệt độ lên rất cao để làm sạch ống than chì. Một số yêu cầu đối với hình thức nguyên tử hóa này là khả năng duy trì nhiệt độ không đổi trong quá trình nguyên tử hóa, có quá trình nguyên tử hóa nhanh, giữ một khối lượng lớn dung dịch và phát ra bức xạ tối thiểu. Nguyên tử hóa nhiệt điện ít khắc nghiệt hơn nhiều so với phương pháp nguyên tử hóa ngọn lửa.

Nguồn bức xạ

Nguồn bức xạ sau đó chiếu xạ mẫu nguyên tử. Mẫu hấp thụ một số bức xạ và phần còn lại đi qua máy quang phổ đến máy dò. Nguồn bức xạ có thể được tách thành hai loại lớn: nguồn đường và nguồn liên tục. Các nguồn dòng kích thích chất phân tích và do đó phát ra phổ vạch riêng của nó. Đèn catốt rỗng và đèn phóng điện vô cực là những ví dụ được sử dụng phổ biến nhất của các nguồn dòng. Mặt khác, các nguồn liên tục có bức xạ lan ra trên một phạm vi bước sóng rộng hơn. Những nguồn này thường chỉ được sử dụng để hiệu chỉnh nền. Đèn Deuterium và đèn halogen thường được sử dụng cho mục đích này.

Phổ kế

Thu thập dữ liệu đo của máy AAS

Chuẩn bị mẫu

Chuẩn bị mẫu là vô cùng đa dạng vì phạm vi của các mẫu có thể được phân tích. Bất kể loại mẫu nào, nên xem xét nhất định. Chúng bao gồm môi trường phòng thí nghiệm, tàu giữ mẫu, lưu trữ mẫu và tiền xử lý mẫu.
Chuẩn bị mẫu bắt đầu bằng việc có môi trường sạch để làm việc. AAS thường được sử dụng để đo các nguyên tố vi lượng, trong trường hợp ô nhiễm có thể dẫn đến lỗi nghiêm trọng. Thiết bị có thể bao gồm mũ trùm dòng chảy tầng, phòng sạch, và tàu kín, sạch để vận chuyển mẫu. Mẫu không chỉ phải được giữ sạch, mà còn cần được bảo tồn về độ pH, thành phần và bất kỳ tính chất nào khác có thể làm thay đổi nội dung.
Khi các nguyên tố vi lượng được lưu trữ, vật liệu của thành bình có thể hấp phụ một số chất phân tích dẫn đến kết quả kém. Để khắc phục điều này, polyme perfluoroalkoxy (PFA), silica, carbon thủy tinh và các vật liệu khác có bề mặt trơ thường được sử dụng làm vật liệu lưu trữ. Axit hóa dung dịch bằng axit clohydric hoặc axit nitric cũng có thể giúp ngăn các ion bám vào thành bình bằng cách cạnh tranh không gian. Các tàu cũng nên chứa diện tích bề mặt tối thiểu để giảm thiểu các vị trí hấp phụ có thể.

Mẫu vật	Ví dụ	Phương pháp tiền xử lý
Dung dịch nước	Nước, đồ uống, nước tiểu, máu	Tiêu hóa nếu có nhiễu gây ra các nhóm thế
Đình chỉ	Nước, đồ uống, nước tiểu, máu	Chất rắn phải được loại bỏ bằng cách lọc, ly tâm hoặc tiêu hóa, và sau đó các phương pháp cho dung dịch nước có thể được theo sau
Chất lỏng hữu cơ	Nhiên liệu, dầu	Đo trực tiếp bằng AAS hoặc pha loãng với vật liệu hữu cơ, sau đó đo bằng AAS, các tiêu chuẩn phải chứa chất phân tích ở dạng giống như mẫu
Chất rắn	Thực phẩm, đá	Tiêu hóa theo sau là AAS nhiệt điện

Đường cong hiệu chuẩn

Để xác định nồng độ chất phân tích trong dung dịch, đường cong hiệu chuẩn có thể được sử dụng. Sử dụng các tiêu chuẩn, một âm mưu của nồng độ so với độ hấp thụ có thể được tạo ra. Ba phương pháp phổ biến được sử dụng để tạo đường cong hiệu chuẩn là kỹ thuật hiệu chuẩn tiêu chuẩn, kỹ thuật đặt dấu ngoặc và kỹ thuật bổ sung chất phân tích.

Kỹ thuật hiệu chuẩn tiêu chuẩn

Kỹ thuật này là đơn giản nhất và được sử dụng phổ biến nhất. Nồng độ của mẫu được tìm thấy bằng cách so sánh độ hấp thụ hoặc độ hấp thụ tích hợp của nó với đường cong nồng độ của các tiêu chuẩn so với độ hấp thụ hoặc độ hấp thụ tích hợp của các tiêu chuẩn. Để phương pháp này được áp dụng, phải đáp ứng các điều kiện sau:

• Cả tiêu chuẩn và mẫu phải có hành vi giống nhau khi được nguyên tử hóa. Nếu không, ma trận của các tiêu chuẩn nên được thay đổi để phù hợp với mẫu của mẫu.
• Sai số trong đo độ hấp thụ phải nhỏ hơn so với việc chuẩn bị các tiêu chuẩn.
• Các mẫu phải đồng nhất.

Hình 1.4.13: Một ví dụ về đường cong hiệu chuẩn được thực hiện cho kỹ thuật hiệu chuẩn tiêu chuẩn.

Kỹ thuật khung

Kỹ thuật ngoặc là một biến thể của kỹ thuật hiệu chuẩn tiêu chuẩn. Trong phương pháp này, chỉ có hai tiêu chuẩn là cần thiết với nồng độ c1 và c2. Họ đóng khung giá trị gần đúng của nồng độ mẫu rất chặt chẽ. Áp dụng phương trình 1.4.4 để xác định giá trị cho mẫu, trong đó cx và Ax là nồng độ và độ hấp phụ của chất chưa biết, và A1 và A2 lần lượt là độ hấp phụ của c1 và c2.

Kỹ thuật phân tích bổ sung

Kỹ thuật bổ sung chất phân tích thường được sử dụng khi các chất đồng thời trong mẫu được dự kiến ​​sẽ tạo ra nhiều can nhiễu và thành phần của mẫu không được biết. Cả hai kỹ thuật trước đều yêu cầu các tiêu chuẩn có ma trận tương tự như mẫu, nhưng điều đó là không thể khi ma trận không xác định. Để bù cho điều này, kỹ thuật bổ sung chất phân tích sử dụng một phần mẫu của chính nó làm ma trận. Các phần mẫu sau đó được tăng vọt với các lượng khác nhau của chất phân tích. Kỹ thuật này phải được sử dụng chỉ trong phạm vi tuyến tính của độ hấp thụ.

Đo nhiễu

Sự can thiệp được gây ra bởi các chất gây ô nhiễm trong mẫu hấp thụ ở cùng bước sóng với chất phân tích, và do đó có thể gây ra các phép đo không chính xác. Việc hiệu chỉnh có thể được thực hiện thông qua nhiều phương pháp như hiệu chỉnh nền, bổ sung phụ gia hóa học hoặc bổ sung chất phân tích.

Kiểu giao thoa	Nguyên nhân gây nhiễu	Kết quả	Thí dụ	Biện pháp khắc phục
Dòng nguyên tử chồng chéo	Hồ sơ phổ của hai nguyên tố nằm trong phạm vi 0,01nm của nhau	Giá trị hấp thụ thí nghiệm cao hơn giá trị thực	Rất hiếm, với vấn đề chính đáng duy nhất là đồng (324.754nm) và europium (324.753nm)	Thông thường không xảy ra trong các tình huống thực tế, vì vậy không có phương pháp hiệu chỉnh nào được thiết lập
Dải phân tử và dòng trùng nhau	Hồ sơ phổ của một nguyên tố trùng với dải phân tử	Giá trị hấp thụ thí nghiệm cao hơn giá trị thực	Canxi hydroxit và bari ở 553,6nm trong ngọn lửa không khí-axetylen	Chỉnh sửa nền
Ion hóa (tăng cường pha hơi hoặc cation)	các nguyên tử bị ion hóa ở nhiệt độ của ngọn lửa / lò, làm giảm lượng nguyên tử tự do	Giá trị hấp thụ thí nghiệm thấp hơn giá trị thực	Các vấn đề thường xảy ra với Caesium, kali và natri	Thêm một bộ khử ion hóa (hoặc bộ đệm) cho cả mẫu và tiêu chuẩn
Tán xạ ánh sáng	Các hạt rắn tán xạ chùm ánh sáng làm giảm cường độ của chùm tia đi vào đơn sắc	Giá trị hấp thụ thí nghiệm cao hơn giá trị thực	Cao trong các mẫu có nhiều yếu tố chịu lửa, cao nhất ở bước sóng UV (thêm ví dụ cụ thể)	Điều chỉnh ma trận và / hoặc hiệu chỉnh nền
Hóa chất	Hóa chất được phân tích có chứa một hợp chất trong chất phân tích không được nguyên tử hóa	Giá trị hấp thụ thí nghiệm thấp hơn giá trị thực	Các ion canxi và photphat tạo thành canxi photphat sau đó được chuyển thành canxi pyrophosphate ổn định ở nhiệt độ cao	Tăng nhiệt độ của ngọn lửa nếu ngọn lửa AAS đang được sử dụng, sử dụng hóa chất giải phóng hoặc bổ sung tiêu chuẩn cho AAS nhiệt điện
Vật lý	Nếu tính chất vật lý của mẫu và các tiêu chuẩn khác nhau, nguyên tử hóa có thể bị ảnh hưởng do đó ảnh hưởng đến số lượng nguyên tử tự do	Có thể thay đổi theo một trong hai hướng tùy thuộc vào các điều kiện	Sự khác biệt độ nhớt, sự khác biệt sức căng bề mặt, vv	Thay đổi các tiêu chuẩn để có các tính chất vật lý tương tự như các mẫu
Tình nguyện	Trong nguyên tử điện nhiệt, nhiễu sẽ xảy ra nếu tốc độ bay hơi không giống với mẫu như đối với tiêu chuẩn, thường gây ra bởi ma trận nặng	Có thể thay đổi theo một trong hai hướng tùy thuộc vào các điều kiện	Clorua rất dễ bay hơi, vì vậy chúng cần được chuyển đổi thành dạng ít bay hơi hơn. Thường thì điều này được thực hiện bằng cách bổ sung nitrat hoặc slufate. Kẽm và chì cũng rất đáng kinh ngạc

 

Hướng dẫn sử dụng Quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS 280FS

Quang phổ thực địa hấp thụ hiện trường

Máy quang phổ độ phân giải siêu cao SR-6500 và SR-6500A