Phan tich cong_cu_th_vung_

Bùi Xuân Vững Hóa Phân tích công cụ

1

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC

GIỚI THIỆU VỀ QUANG PHỔ

Về mặt lịch sử, “quang phổ (spectroscopy)” là một nhánh của khoa học trong đó ánh sáng được phân giải thành các bước sóng thành phần của nó để tạo ra phổ quang học, là một đồ thị của một vài hàm của cường độ bức xạ với bước sóng hoặc tần số. Hiện nay, nghĩa của quang phổ được mở rộng bao gồm những nghiên cứu không chỉ với các bức xạ khả kiến mà còn với những loại khác của bức xạ điện từ như tia X, tử ngoại, hồng ngoại, vi sóng và bức xạ tần số radio.

Quang phổ đóng một vai trò cốt yếu trong sự phát triển của thuyết nguyên tử hiện đại. Hơn nữa, các phương pháp đo phổ cung cấp những công cụ được sử dụng rộng rải trong việc so sánh cấu trúc của các loại phân tử cũng như phân tích định tính và định lượng của các hợp chất vô cơ và hữu cơ.

I. Tính chất chung của bức xạ điện từ Bức xạ điện từ là một dạng năng lượng mà dễ thấy nhất là ánh sáng khả kiến và bức xạ nhiêt. Những

loại khác gồm tia gamma, tia X, tia tử ngoại, vi sóng và sóng radio. Nhiều tính chất của bức xạ điện từ được mô tả một cách thuận tiện bởi kiểu sóng hình sin cổ điển sử dụng nhiều thông số như bước sóng, tần số, vận tốc và biên độ. Khác với nhiều hiện tượng sóng khác như âm thanh, bức xạ điện từ không đòi hỏi môi trường hỗ trợ cho sự lan truyền của nó và nhờ vậy nó có thể đi qua một môi trường chân không.

Mô hình sóng thất bại trong việc giải thích những hiện tượng gắn liền với sự hấp thụ và bức xạ của năng lượng bức xạ. Để hiểu những quá trình này cần thiết phải nhờ đến một mô hình kiểu hạt trong đó bức xạ điện từ được xem như là một dòng hạt rời rạc gọi là photon, với năng lượng của một photon tỉ lệ với tần số của bức xạ. Quan niệm về lưỡng tính sóng hạt này của ánh sáng không loại trừ lẫn nhau mà có tính chất bổ sung cho nhau. Thực vậy, lưỡng tính này được thấy trong những dòng electron và những hạt cơ bản khác như proton và được hoàn toàn lý giải bởi cơ học sóng.

1. Các tính chất của bức xạ điện từ Vì nhiều mục đích, bức xạ điện từ được biễu diễn một cách thuận lợi như những trường điện từ trải

qua các dao động pha hình sin (hình). Ở đây ta chỉ xem xét thành phần điện của bức xạ bởi vì điện trường chịu trách nhiệm cho hầu hết

những hiện tượng ta quan tâm như sự truyền qua, phản xạ, khúc xạ và hấp thụ. Tuy nhiên, điều đáng ghi nhớ là thành phần từ trường của bức xạ điện từ chịu trách nhiệm cho sự hấp thu các song tần số radio trong cộng hưởng từ hạt nhân.


2

2. Các thông số sóng

Biên độ A của sóng hình sin được xem như chiều dài của vectơ điện trường tại cực đại của sóng này. Thời gian (giây) được đòi hỏi cho một khoảng hai cực đại hoặc cực tiểu liên tiếp thông qua một điểm cố định trong không gian được gọi là chu kì p của bức xạ. Trong môi trường chứa vật chất thì sự lan truyền của bức xạ bị chậm hơn do sự tương tác giữa điện trường của bức xạ với điện tử ngoài cùng của nguyên tử hoặc phân tử.

Tính chất sóng của ánh sáng được mô tả bởi hai đại lượng tần số và bước sóng.

• Tần số ν là số dao động của điện trường trong một giây, đơn vị của nó là S-1 hay còn gọi là Hertz.

• Bước sóng λ là khoảng cách giữa hai điểm cực đại hoặc cực tiểu liên tiếp của sóng, thường được biểu diễn theo mét (m) hoặc nanomet (nm) cho những bước sóng rất ngắn (1nm = 10-9 m) hoặc Ao (angstrongs, đơn vị không thuộc hệ SI, 1 Ao = 10-10m) .

• Vận tốc của tất cả bức xạ điện từ trong chân không (trong không khí nhỏ hơn 0.03%) đều bằng tích của tần số và bước sóng của nó:

C = λν = 3.00 x 108 m/s

C còn gọi là vận tốc của ánh sáng.

• Ví dụ: Một đài phát thanh phát sóng có bước sóng bằng 325 cm. Hỏi tần số của bức xạ điện từ này.

Giải: ν = C/λ = 3.00 x 108 m/s/(325x10-2m) = 9.23 x 107 s-1

Số sóng ?? được định nghĩa như nghịch đảo của bước sóng (cm) là một cách khác để mô tả bức

xạ điện từ. Thứ nguyên của số sóng là cm-1. Số sóng tiện ích vì ngược với bước sóng, nó được sử dụng rộng rải trong phổ hồng ngoại. Nó là đại lượng rất tiện lợi vì trái với bước sóng nó tỉ lệ thuận với tần số tức với năng lượng của bức xạ.

Như vậy ta có thể biễu diễn:

?? = kν

Ở đây k là hằng số tỉ lệ phụ thuộc vào môi trường và bằng nghịch đảo của vận tốc. Ví dụ: tính số sóng của bức xạ hồng ngoại có bước sóng 5.00µm.


3

?? = 1/(5.00x10-4) = 2000 cm-1

3.Tính chất hạt của bức xạ

• Năm 1900, để giải thích bức xạ của vật đen (blackbody radiation) khi bị nung nóng Planck đã đề ra thuyết lượng tử. Theo thuyết này bức xạ được phát ra hay hấp thụ những lượng gián đoạn của năng lượng hay các lượng tử năng lượng.

• Trên cở sở thuyết lượng tử Planck, Einstein đã đề xuất thuyết photon của ánh sáng để giải thích hiệu ứng quang điện; theo đó ánh sáng được xem như chùm ‘hạt’ photon.

• Năng lượng của một photon phụ thuộc vào tần số và vào bước sóng của bức xạ:

ε = hν = hc/λ

với h là hằng số Planck = 6.626x10-34 J.s

• Ví dụ : tính năng lượng dưới dạng jun của một photon của bức xạ được tạo ra trong một lò vi sóng có bước sóng bằng 12.0 cm

ε = hc/λ = 6.626x10-34 x 3.00x108 / (12 x 10-2) = 1.66 x10-24 J

4. Biểu thức thống nhất lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng

Ánh sáng là một dạng của vật chất và như vậy theo thuyết tương đối của Einstein mỗi photon được xem như một ‘hạt’ có khối lượng m và phương trình biễu diễn mối quan hệ giữa vật chất (ở đây là photon) với năng lượng là: ε = mc2

Mặt khác ta có: ε = hν. Như vậy ε = hν = mc2

Theo tính chất sóng của ánh sáng thì: c =λ.ν

Với vài biến đổi đơn giản ta rút đươc biểu thức hay còn gọi là biểu thức thống nhất lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng: λ = h/mc

II. Phổ bức xạ điện từ Quang phổ của bức xạ điện từ bao gồm một dải rất lớn các bước sóng (và là năng lượng). Trong

đó phần của bức xạ khả kiến mà mắt người có thể thấy được là rất nhỏ khi so với những vùng phổ khác. Cũng cần phải chú ý là các phương pháp quang phổ sử dụng không chỉ ở vùng khả kiến mà còn


4

tử ngoại, hồng ngoại và thường được gọi là phương pháp đo quang mặc dầu mắt người không nhạy với hai loại sau.

Bảng liệt kê các dải bước sóng và tần số của những vùng phổ quan trọng trong mục đích phân tích và cũng kèm theo tên của những phương pháp phổ liên quan. Các cột cuối cùng liệt kê các loại chuyển dịch lượng tử của hạt nhân, nguyên tử và phân tử, là cơ sở cho các kỹ thuật quang phổ khác nhau.

Loại quang phổ Dải bước sóng Dải số sóng(cm-1) Kiểu dịch chuyển lượng tử

Phát xạ tia gamma Nhiểu xạ, huỳnh quang, phát xạ, hấp thu tia X Hấp thu tử ngoại chân không Hấp thu, phát xạ và huỳnh quang tử ngoại khả kiến Hấp thu hồng ngoại Hấp thu vi sóng Cộng hưởng từ spin Cộng hưởng từ nhân

0.005 – 1,4 Ao 0.1-100 Ao 10-180 nm 180-780 nm 0.78-300 µm 0.75-3.75 mm 3 cm 0.6-10 m

- - 1 x 10 6 đến 5 x 104 5 x 10 4 đến 1.3 x 104 1.3 x104 đến 3,3 x 101 13-27 0.33 1.7x 10-2 đến 1 x 103

Hạt nhân Electron bên trong Các electron liên kết Các electron liên kết Dao động điều hòa/quay của phân tử Dao động quay phân tử Spin của electron trong từ trường Spin của hạt nhân trong từ trường


5

Chương 1: PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ UV-VIS

1.1. Sự hấp thụ phân tử UV-VIS

? Các phân tử ở điều kiện bình thường tồn tại ở trạng thái cơ bản bền vững có năng lượng thấp. Khi chúng được cung cấp năng lượng, ví dụ như có nguồn sáng kích thích tần số thích hợp, thì các điện tử hóa trị (liên kết) trong phân tử sẽ hấp thụ năng lượng của nguồn sáng và chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn.

? Theo cơ học lượng tử, trong phân tử ở trạng thái cơ bản, các điện tử được xếp đầy vào các orbitan liên kết σ, π hoặc các cặp electron hóa trị chưa tham gia liên kết n có mức năng lượng thấp (ví dụ các nguyên tử N còn một cặp electron hóa trị chưa tham gia liên kết).

? Nếu chiếu vào chúng chùm sáng có bước sóng v thích hợp thì chúng sẽ chuyển lên các obitan phản liên kết có mức năng lượng cao hơn như σ→σ*, π→π* , n → σ*, n → π *. Trạng thái này gọi là trạng thái kích thích, nó không bền chỉ tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn (cỡ phần triệu giây).

? Năng lượng hν của photon đúng bằng hiệu của hai mức năng lượng của hai obitan. Sự dịch chuyển của một electron giữa hai obitan được gọi là sự dịch chuyển điện tử (electron transition) và quá trình hấp thu được gọi là sự hấp thụ điện tử.

? Cùng với sự chuyển dịch điện tử thì các phân tử thể hiện hai loại khác của sự dịch chuyển cảm ứng bức xạ là sự dao động và quay. Những dịch chuyển dao động tạo ra vì một phân tử có một số mức năng lượng được lượng tử hoá gắn với những liên kết giữa các phân tử.

? Hình 1 là sơ đồ mức năng lượng mô tả một vài quá trình xảy ra khi một phân tử hai nguyên tử khác nhau hấp thu bức xạ tử ngoại khả kiến, trong đó năng lượng trạng thái kích thích điện tử đầu tiên En của phân tử đó được biễu diễn tương đối so với năng lượng của trạng thái cơ bản Eo. Ngoài ra, các mức năng lượng tương đối của một vài trạng thái dao động và rất nhiều các trạng thái năng lượng của dao động quay nhỏ hơn cũng được thể hiện trên sơ đồ này (các chỉ số 0,1,2..., với giá trị 0 được biểu diễn cho mức năng lượng dao động hoặc quay nhỏ nhất).

? Năng lượng tổng cộng E với của một phân tử được viết như sau: E = Eđiện tử(e) + Edao động(d) + E quay(q)

Ở đây: Eđiện tử(e) là năng lượng của các electron trong các obitan ở lớp vỏ của phân tử, Edao động(d) là năng lượng các dao động giữa các nguyên tử trong toàn bộ phân tử,

Equay(q) là giải thích cho năng lượng liên quan với sự quay của phân tử quanh trọng tâm của chúng.

? Giả sử năng lượng của một phân tử ở trạng thái cơ bản được biễu diễn là Eo, còn ở trạng thái kích thích là En thì hiệu hai mức năng lượng của phân tử ở hai thạng thái này đúng bằng năng lượng hν của photon:

ΔE = En – Eo = ΔE(e) + ΔE(d) + ΔE(q) = hν =hc/λ Trong đó ΔE(e) > ΔE(d) > ΔE(q)

? Như đã chỉ ra trong hình 2, sự hấp thụ phân tử trong vùng tử ngoại khả kiến gồm những dải hấp thụ được tạo do rất nhiều vạch có khoảng cách rất gần nhau, dẫn đến phổ UV-VIS không phải là phổ vạch như phổ phát xạ hoặc hấp thụ nguyên tử mà là phổ đám.

? Như vậy phổ hấp thu phân tử UV-VIS là phổ xuất hiện do sự tương tác của các điện tử hóa trị trong phân tử hay nhóm phân tử với chùm sáng kích thích có bước sóng nằm trong vùng UV-VIS tạo ra.


6

Hình 1: Các mức năng lượng điện tử, dao động và quay (không theo tỉ lệ) của hai mức năng lượng điện tử đầu tiên của phân tử hai nguyên tử (ví dụ CO).

Hình 2: Phổ hấp thụ phân tử của một vài hợp chất hữu cơ (phổ đám) và phổ hấp thụ nguyên tử Na (phổ vạch). 1.2. Định luật Beer 1.2.1. Định luật

? Nếu ta chiếu một chùm sáng đơn sắc có cường độ Io vào một cuvet chứa dung dịch chất mẫu có độ dài là l thì một phần chùm sáng đi qua cuvet, một phần phản xạ và tán xạ ra các phương do va đập vào thành cuvet và một phần bị các phân tử trong cuvet hấp thu. Trong đó phần hấp thụ bởi các phân tử chất màu trong cuvet là chính.


7

? Nếu sau khi đi qua cuvet cường độ ánh sáng còn là I thì ta có sự hấp thụ ánh sáng đơn sắc của các phân tử trong cuvet được biễu diễn bởi:

Đại lượng mật độ quang D = log(Io/I) hay

Độ truyền qua T = (%)100xII

o

? Theo định luật Beer: D = εLC Ở đây: ε là hệ số hấp thu phân tử (L.mol-1.cm-1) L là chiều dài của dung dịch ánh sáng đi qua (cm) C là nồng độ của chất hấp thu (mol/L)

1.2.2. Áp dụng định luật Beer trong dung dịch hỗn hợp

? Định luật Beer cũng được áp dụng cho dung dịch chứa hơn một loại chất có thể hấp thụ được ánh sáng chiếu qua. Nếu không có sự tương tác giữa các chất, mật độ quang của dung dịch được cho như sau:

D tổng = D1 + D2 + …. + Dn = ε1LC1 + ε2LC2 + … + εnLCn Ở đây các chỉ số 1,2,…,n chỉ các chất thứ 1,2,…, n.

? Hệ quả: D dung dịch mẫu = Dchất màu + D so sánh Dso sánh là mật độ quang của dung dịch trống (blank). Dung dịch này được chuẩn bị sao cho có thành phần như dung dịch mẫu đo nhưng không

chứa chất màu. 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến định luật Beer a. Ảnh hưởng nồng độ:

? Định luật Beer chỉ đúng trong trường hợp nồng độ chất phân tích tương đối thấp. ? Tại những nồng độ cao (thường lớn hơn 0.01M) khoảng cách trung bình giữa các phân tử chất tan

hấp thụ ánh sáng bị thu hẹp tới mức tác động đến sự phân bố điện tích của các phân tử xung quanh. Điều này làm thay đổi khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc, dẫn đến làm sai lệch mối quan hệ tuyến tính giữa A và nồng độ C của chất hấp thu bức xạ đó.

? Ảnh hưởng tương tự cũng thỉnh thoảng xảy ra khi trong dung dịch mẫu đo có chứa nồng độ chất cần đo thấp nhưng chứa nồng độ rất cao các loại khác, đặc biệt là các chất điện ly. Sự tiếp cận của các ion đến chất hấp thu làm thay đổi hệ số hấp thu phân tử do tương tác tĩnh điện. Ảnh hưởng này có thể giảm thiểu bởi sự pha loãng.

? Độ lệch của Định luật Beer cũng nảy sinh do ε phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ của dung dịch đo bị thay đổi khi thay đổi nồng độ, Tuy nhiên, ảnh hưởng này là không đáng kể khi nồng độ dung dịch loãng hơn 0,01M.

b. Độ lêch của Định luật Beer do các quá trình hóa học

? Độ lêch từ định luật Beer cũng nảy sinh khi chất phân tích bị phân ly, kết hợp hoặc tương tác hóa học với dung môi để tạo sản phẩm có một phổ hấp thu khác với chất phân tích ban đầu.

? Một ví dụ điển hình cho vấn đề này là khi pha loãng các chất chỉ thị màu axit- bazơ thì cân bằng bị dịch chuyển :


8

HInd H+ + Ind- Vì vậy nếu pha loãng gấp đôi thì nồng độ chất màu Hind không tương ứng giảm đi một nửa. Điều này dẫn đến sai lệch so với đinh luật Beer

c. Sai lệch do bức xạ đa sắc

? Giới hạn nghiêm ngặt của đinh luật Beer là chỉ đúng cho ánh sáng truyền qua thực sự đơn sắc. Tuy nhiên trong thực tế thì rất khó tạo được ánh sáng đơn sắc λ mà chỉ tạo ra một dải bước sóng quanh giá trị mong ước mà thôi, tức là λ + Δλ.

? Thiết bị có bộ đơn sắc hóa càng tốt thì Δλ càng nhỏ lại. Điều này dẫn đến sự sai lệch nhỏ so với định luật. Sự sai lệch này được hạn chế đến mức không đáng kể nếu ta chọn dải sóng hấp thụ cực đại để đo mẫu.

? Hình 3 minh họa ảnh hưởng của bức xạ không đơn sắc đến định luật Beer. Dải 1 được chọn để đo thì độ sai lệch so với định luật Beer là nhỏ (trên hình cho thấy mối quan hệ giữa và nồng độ C vẫn tuyến tính) vì giá trị hệ số tắt phân tử ε không thay đổi lớn trong toàn dải đo. Trong khi đó dải 2 có độ sai lệch lớn do ε thay đổi đáng kể trong vùng này (mối quan hệ giữa D và C không còn tuyến tính).

Hình 3: Ảnh hưởng của bức xạ không đơn sắc đến định luật Beer.

d. Sai lệch do sự hiện diện của bức xạ nhiểu tạp (stray)

? Các bức xạ sử dụng cho những phép đo quang thường bị nhiểm bẩn bởi một lượng nhỏ bức xạ nhiểu tạp do sự khiếm khuyết của thiết bị. Những bức xạ này là kết quả của hiện tượng phát tán từ bề mặt của lăng kính, bộ lọc ánh sáng hoặc các cửa sổ.

Nồng độ C

Bước sóng

Dải 1

D

D

Dải 1

Dải 2

Dải 2


9

? Nó thường có bước sóng rất khác so với bức xạ cơ bản đang dùng, thêm vào đó có thể không đi qua dung dịch mẫu mà đi vào trực tiếp detector dẫn đến sai lệch từ sự tuyến tính giữa mật độ quang và nồng độ chất phân tích.

1.3. Nguyên tắc và trang thiết bị của phép đo phổ UV-VIS

1.3.1. Nguyên tắc:

? Phổ hấp thụ UV-VIS là phổ hấp thụ của chất phân tích ở trạng thái dung dịch đồng thể với một trong các dung môi như nước, methanol, benzen, aceton, CCl4… Như vậy các bước đo có thể như sau: Hòa tan chất phân tích trong một dung môi phù hợp nếu chất đó có phổ hấp thụ nhạy trong

vùng tử ngoại khả kiến (ví dụ các chất hữu cơ); hoặc cho chất đó, thường là kim loại, tác dụng với một thuốc thử trong một dung môi thích hợp để tạo ra một hợp chất có phổ hấp thụ UV-VIS nhậy.

Chiếu vào dung dịch mẫu chứa hợp chất cần phân tích 1 chùm sáng có bước sóng phù hợp để cho chất phân tích hay sản phẩm của nó hấp thu bức xạ để tạo ra phổ hấp thu UV-VIS của nó. Vì thế chất phân tích cùng dung môi cần được chứa trong ống đo (cuvet) có chiều dày xác định.

Thu, phân ly phổ đó và chọn sóng cần đo rồi ghi lại giá trị mật độ quang A của phổ, nghĩa là đo cường độ chùm sáng sau khi đi qua dung dịch mẫu nghiên cứu.

Dựa trên nguyên tắc như vậy, một máy đo UV-VIS cần những bộ phân cơ bản như sau. 1.3.2. Các bộ phận cơ bản

a. Nguồn sáng ? Nguồn sáng cho hấp thụ phân tử cần có năng lượng đủ lớn trong vùng bước sóng hấp thụ của chất

phân tích để cho phép sẵn sàng dò tìm và đo. Ngoài ra nó còn phải ổn định trong suốt thời gian đo. Có như vậy thì các phép đo mật độ quang mới cho kết quả lặp lại.

? Nguồn sáng phổ biến nhất để tạo ra bức xạ khả kiến và cận hồng ngoại là đèn dây tóc vonfram W từ 380 nm đến 2500 nm. Đèn vonfram-halogen chứa một lượng nhỏ iot trong vỏ bọc bằng thủy tinh thạch anh chứa dây tóc W, cho phép nó hoạt động ở nhiệt độ khoảng 3500 K. Điều này cho phép đèn hoạt động có cường độ cao hơn và mở rộng khoảng bước sóng phát ra vào một phần vùng tử ngoại. Đèn loại này cũng có tuổi thọ cao hơn do giảm sự bay hơi của W khi hoạt động. Các hơi W sẽ tác dụng tạo WI2 khuếch tán quay lại dây tóc ở đó nó phân hủy tạo lại W.

? Đèn hydro nặng deuterium D2

Đèn này còn gọi là đèn hồ quang D2 do sự phóng điện làm phân hủy D2 và phát ra phổ liên tục trong vùng tử ngoại từ 200 đến 400 nm.

b. Hệ quang học ? Với những máy đơn giản thì các bộ kính lọc màu cho một vùng phổ nhất định hoặc dùng lăng

kính để tách các chùm tia đơn sắc. ? Trong các máy có độ phân giải cao và có độ nhạy cao, các bộ đơn sắc hóa là các bộ cách tử phản

xạ (reflection grating) (hình 5) Bộ cách tử phản xạ là một bệ thủy tinh được phủ lên trên bề mặt của nó một lớp nhôm mỏng

và khắc các vạch có khoảng cách đều nhau.


10

Số lượng vạch trên một đơn vị chiều dài (mm) càng lớn thì độ phân giải càng cao và các tia tách ra càng đơn sắc. Các máy UV-VIS hiện nay có bộ cách tử có só vạch khoảng từ 1200- 1800 vạch/mm, có khi lên đến 2400 vạch/mm đối với những máy có độ phân giải rất cao.

Trên bề mặt của lớp nhôm lại được phủ một lớp mỏng SiO2 để bề mặt kim loại này tránh bị oxi hóa làm giảm sự phản xạ của nó.

Nguyên tắc đơn sắc hóa các chùm tia đa sắc là dựa vào hiện tượng nhiễu xạ. Khi ánh sáng đa sắc đâp vào khe hẹp của các vạch thì bị nhiễu xạ và mỗi khe trở thành một nguồn sáng phản chiếu ở những góc khác nhau những tia đơn sắc (hình 4).

Hình 4: Nguyên lí đơn sắc hóa chùm sáng đa sắc bằng bộ cách tử phản xạ

Hình 5: (a) Đơn sắc hóa chùm đa sắc bằng cách tử phản xạ (b) bằng lăng kính


11

Hệ quang học của những máy đơn giản thường là những hệ một chùm tia còn trong những máy hiện đại là hệ hai chùm tia (hình 6)

Hình 6a: Máy UV- VIS có hệ quang học một chùm tia

Hình 6b: Sơ đồ cấu tạo của hệ quang học hai chùm tia.


12

c. Detetor ? Detector là bộ phận thu nhận chùm sáng và chuyển chúng thành tín hiệu điện để đo lượng cường

độ của chùm sáng đó. ? Trong các máy đơn giản người ta dùng tế bào quang điện còn trong các máy hiện đại có độ nhạy

cao thì người ta dùng các ống nhân quang điện (photomultiflier tube) như trong hình 7. ? Cấu tạo của cả hai loại này tương tự nhau nhưng electron phát ra từ catot trong ống nhân quang

điện được gia tốc hướng về một dynode được duy trì một thế cao hơn 90 V so với catot. Electron này khi đập vào bề mặt của dynode thì tạo ra những electron thứ cấp và sau đó được gia tốc để hướng về dynode thứ hai có thế dương hơn 90 V so với dynode thứ nhất. Một lần nữa sự khuếch đại số electron xảy ra và khi qua hàng loạt dynode liên tiếp số electron tạo thành tăng lên đến 106 đến 107 cho mỗi photon đập vào catot. Như vậy dòng điện được khuếch đại và được đo.

Hình 7: Sơ đồ cấu tạo của một tế bào quang điện và một photomultiplier

Hình 8: Cuvet chứa dung dịch mẫu đo trong máy UV-VIS

1.4. Phân tích định lượng

? Phổ hấp thụ phân tử dựa trên bức xạ UV-VIS là một trong những công cụ hữu hiệu để phân tích định lượng. Những đặc trưng cơ bản của phương pháp phân tích đo quang là:


13

Khả năng áp dụng rộng: Một số rất lớn các chất hữu cơ, vô cơ, hóa sinh hấp thu được chùm sáng trong vùng tử ngoại khả kiến và như vậy có thể phân tích định lượng trực tiếp chúng. Nhiều hợp chất không có khả năng hấp thụ trực tiếp cũng có thể áp dụng phương pháp này sau khi chuyển chúng bằng phương pháp hóa học thành những dẫn xuất có thể hấp thụ được. Người ta ước lượng rằng khoảng 90% các phân tích trong phòng thí nghiệm ở bệnh viện đều dựa trên phổ UV-VIS.

Độ nhậy cao: giới hạn dò tìm của phổ hấp thụ phân tử trong khoảng 10-4 đến 10-5M. Khoảng này có thể được mở rộng đến 10-6 thậm chí 10-7 M với những thủ tục bổ sung.

Độ chọn lọc từ trung bình đến cao: Nếu một bước sóng được tìm thấy mà chất phân tích chỉ hấp thụ một mình thì không cần phải thực hiện phép tách chúng ra khỏi dung dịch hỗn hợp

Độ chính xác cao: sai số tương đối về nồng độ trong phổ UV-VIS tiêu biểu nằm trong khoảng từ 1% đến 5%

Dễ thao tác và thực hiện nhanh chóng với các máy hiện đại. ? Áp dụng với những chất hấp thụ trực tiếp: Bảng liệt kê những nhóm chức mang màu hữu cơ.

Việc xác định các hợp chất hữu cơ chứa một trong những nhóm chức này là khả thi và có thể tra cứu trong các tài liệu chuyên môn. Một số chất vô cơ cũng hấp thu trực tiếp như những ion kim loại chuyển tiếp mang màu trong dung dịch như Cu2+ , Ni2+ … hoặc các ion MnO4

-, Cr2O72- …

? Áp dụng đối với những chất không hấp thụ trực tiếp: Đối với nhiều chất hay ion ví dụ ion kim loại không hấp thụ trực tiếp hoặc hấp thu với cường độ yếu, người ta thường thêm các thuốc thử vô cơ như SCN- cho trường hợp Fe3+ hoặc thuốc thử hữu cơ với lượng dư, thiết lập môi trường thích hợp để chuyển toàn bộ chất hoặc ion phân tích về dạng phức có thể hấp thụ trực tiếp chùm sáng khả kiến.

1.4.1. Phương pháp lập đường chuẩn

? Chuẩn bị một dãy mẫu chuẩn với 5 hay 7 nồng độ có nồng độ chính xác của nguyên tố hay chất phân tích cùng trong điều kiện với mẫu phân tích như chất nền, môi trường pH…

? Nghiên cứu chọn điều kiện phù hợp nhất để đo phổ UV-VIS của tất cả mẫu chuẩn và mẫu phân tích.

? Đo phổ UV-VIS của tất cả mẫu chuẩn và mẫu phân tích theo các điều kiện đã chọn.

? Từ các cặp giá trị D-C tương ứng của các mẫu chuẩn dựng đường chuẩn trong hệ tọa độ D-C; từ giá trị Dx của mẫu phân tích suy ra giá trị nồng độ Cx trong mẫu.

1.4.2. Phương pháp thêm chuẩn ? Chuẩn bị một dãy 5 mẫu phân tích nồng độ chưa biết Cx với thể tích Vx của nguyên tố hay chất

phân tích cùng trong điều kiện như chất nền, môi trường pH… ? Thêm lần lượt vào mỗi mẫu phân tích một thể tích thay đổi Vs của chất chuẩn phân tích có nồng

độ Cs. ? Thêm nước (dung môi) đến vạch mức thể tích Vt

? Đo phổ UV-VIS của tất cả mẫu phân tích trên theo các điều kiện đã chọn, ta có mỗi mẫu có giá trị mật độ quang Dx của mỗi mẫu

Dx = εlVsCs/Vt

+ εlVxCx/Vt = kVsCs + kVxCx

= mVs + b với m =kCs và b = kVxCx

? Từ các cặp giá trị Dx-Vs tương ứng của các mẫu dựng đường chuẩn trong hệ tọa độ Dx-Cs suy ra giá trị nồng độ Cx trong mẫu như sau:


14

m/b = kCs/kVxCx

Cx = bCs/mVx

Ví dụ: ? Dùng pipet lấy lần lượt 10,0 ml mẫu nước cho vào 5 bình định mức 50.00 ml. Thêm chính xác

vào mỗi bình dung dịch chuẩn 11.1 ppm Fe3+

có giá trị thể tích lần lượt là 0.00; 5.00; 10.00; 15.00 và 20.00 ml.

? Thêm dung dịch thiocyanat SCN-

vào để tạo phức màu đỏ và định mức mỗi bình lên đến vạch. Đo mật độ quang 5 dung dịch trên thì giá trị Dx lần lượt là 0.240; 0.437; 0.621; 0.809 và 1.009.

Xác định nồng độ của Fe3+

trong mẫu nước.

Đs: D = 0.03820 Vs + 0.2412 ? C

Fe3+ = 7.01ppm

1.4.3. Phương pháp thêm với 2 mẫu đo

? Chuẩn bị một dãy 2 mẫu phân tích nồng độ chưa biết Cx với thể tích Vx của nguyên tố hay chất

phân tích cùng trong điều kiện như chất nền, môi trường pH… ? Thêm vào một mẫu phân tích một thể tích Vs

của chất chuẩn phân tích (dung dịch thêm chuẩn này có nồng độ Cs). Mẫu kia không thêm.

? Thêm nước (dung môi) đến vạch mức thể tích Vt

? Đo phổ UV-VIS của 2 mẫu phân tích trên theo các điều kiện đã chọn

D1 = εlVxCx/Vt

D2 = εlVsCs/Vt + εlVxCx/Vt

Suy ra Cx = D1CsVs/(D2-D1)Vx

Ví dụ: 2.00 ml một mẫu nước tiểu được xử lý với thuốc thử để tạo phức màu với photphat (không thêm) và mẫu được pha loãng đến 100 ml. 2.00 ml mẫu thứ hai có thêm 5.00 ml dung dịch photphat chứa 0.0300 mg/ml. D của dung dịch lần lượt là 0.428 và 0.538. Xác định nồng độ photphat trong mẫu nước tiểu (mg/ml). Đs : 0,292


15

PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ (AES)

2.1. Sự xuất hiện của phổ AES:

Để hiểu về sự xuất hiện của phổ phát xạ nguyên tử, trước tiên chúng ta hãy xem lại về cấu tạo của nguyên tử. Vì phổ phát xạ là phổ của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi, khi nó bị kích thích và chính cấu tạo của nguyên tử là một yếu tố quyết định sự xuất hiện của phổ.

Nguyên tử có cấu tạo gồm hai phần cơ bản là:

- Hạt nhân nguyên tử: nó quyết định điện tích dương của nguyên tử, và khối lượng của nguyên tử. Hạt nhân nằm giữa nguyên tử, nhưng chiếm một thể tích rất nhỏ (1/1000) so với thể tích toàn bộ của nguyên tử (hình 2.1).

Hình 2.1: Sơ đồ đơn giản của các lớp electron và năng lượng của chúng

- Các điện tử được xếp thành từng lớp và chuyển động trên những quỹ đạo (orbital) khác nhau bao xung quanh hạt nhân. Các điện tử chuyển động trên các orbital càng gần hạt nhân thì có năng lượng càng thấp và năng lượng của chúng theo thứ tự tăng dần từ trong ra ngoài trong lớp vỏ electron được xác đinh bởi qui tắc Klechkowski như hình 1.2. Các điện tử chiếm một không gian rất lớn của nguyên tử. Các điện tử hoá trị ở lớp ngoài cùng của nguyên tử là yếu tố (nhân tố) tạo ra phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử.


16

Hình 2.2: Giản đồ năng lượng của các phân lớp

Trong điều kiện bình thường, nguyên tử ở trạng thái bền vững, nó có năng lượng nhỏ nhất và được gọi là trạng thái cơ bản. Trong điều kiện này nguyên tử không phát và cũng không thu năng lượng. Đó là trạng thái tồn tại của nguyên tử ở trong vật chất. Nhưng nếu chúng ta hoá hơi vật chất, để đưa các nguyên tử đến trạng thái hơi tự do và cung cấp cho đám hơi đó một năng lượng phù hợp, thì các nguyên tử tự do này sẽ nhận năng lượng, nó bị kích thích, các điện tử hoá trị của nó sẽ chuyến lên mức năng lượng cao hơn theo sơ đồ:

Ao + ΔE → A*

(Cơ bản) (Bị kích thích)

(Tất nhiên giá trị E? phải nhỏ hơn năng lượng ion hoá): Lúc này nguyên tử đang ở trạng thái kích thích. Nhưng trạng thái này không bền, nguyên tử chỉ tồn tại lâu nhất là t = 10-8giây. Sau đó nó có xu hướng giải phóng năng lượng đã nhận vào để quay về trạng thái cơ bản ban đầu bền vững. Đó là quá trình phát xạ của nguyên tử đã bị kích thích. Các tia phát xạ (bức xạ) của quá trình này chính là phổ phát xạ của nguyên tử (hình 2.3). Đó là phổ của các điện tử hoá trị của nguyên tử, khi chuyển mức năng lượng tạo ra.

* 0A A n (h )? ?? ? ?

Chùm phát xạ này có n tia có độ dài sóng khác nhau (chủ yếu ở trong vùng UV-VIS), và số n là số nguyên, nó có thể là từ 1 đến hàng ngàn. Những nguyên tố nào có số điện tử nhiều, có nhiều năng lượng và nhiều lớp điện tử, số điện tử hoá trị càng nhiều,... thì số n càng lớn, tức là số vạch phổ phát xạ nhiều. Ví dụ như Fe, Mn, Ni, Nđ, Ce,...


17

Hình 2.3: Sơ đồ năng lượng của lớp vỏ hóa trị và phổ phát xạ của Na

Theo định luật Anh-stanh, ở đây chúng ta có:

h E?? ?

Hay là:

h.cE? ??

Trong đó:

c : là vận tốc ánh sáng trong chân không.

h : là hằng số plank

? : là độ dài sóng của vạch phổ phát xạ

Nếu thu và phân ly chùm sáng phát xạ đó ra thành từng tia có bước sóng ? , thì ta sẽ có được toàn bộ các vạch phổ phát xạ của các nguyên tố đã bị kích thích. Như vậy phổ AES là sản phẩm của sự tương tác của vật chất (nguyên tử tự do) với nguồn năng lượng phù hợp, như điện năng, nhiệt năng. Đó là nguồn năng lượng kích thích phổ. Bây giờ, nếu gọi cường độ phát xạ của một vạch phổ (1 tia) là I

? thì trong những điều kiện nhất định, chúng ta luôn có biểu thức:

I? = k.Cb (2.1)

Trong đó:

k là hằng số thực nghiệm, nó phụ thuộc tất cả các điều kiện hoá hơi mẫu, kích thích phổ của đám hơi nguyên tử. Nếu các điều kiện này cố định thì k là hằng số.

b cũng là một hằng số, được gọi là hằng số bản chất, nó do bản chất của mỗi nguyên tử, của mỗi vạch phổ, và nồng độ của mỗi nguyên tố xác định. Giá trị của b luôn luôn nằm trong vùng:


18

0 < b ≤ 1

Ở đây, với mọi vạch phổ, chúng ta luôn luôn có một giá trị của nồng độ C0 của chất ở trong mẫu, mà b = 1, và luôn có:

- Nếu Cx < C0: thì luôn luôn có b = 1.

- Nếu Cx > C0: giá trị b tiến dần xa 1 về 0, khi nồng độ Cx tăng dần lên.

Công thức (2.1) là phương trình cơ sở của phương pháp phân tích định lượng theo phổ phát xạ

nguyên tử, và quan hệ giữ I? và C ta có dạng như trong hình 2.4.

Iλ

C

B

A

0 Ca Co C

Hình 2.4 : Mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ Iλ và nồng độ C

Đường biểu diễn này có hai đoạn. Đoạn AB ứng với vùng nồng độ Ca-C0 là một đoạn thẳng. Ở

đây quan hệ giữa I? và C là tuyến tính (có dạng của phương trình y=ax). Còn đoạn BC là đoạn không

tuyến tính. Nồng độ C0 được gọi là nồng độ giới hạn của vùng tuyến tính. Các vạch phổ càng nhậy thì C0 càng nhỏ và ngược lại (bảng 1.2). Trong thực tế phân tích người ta chỉ sử dụng đoạn AB. Vì việc xây dựng đường chuẩn dễ và thu được độ chính xác cao.

Bên cạnh việc phân tích định lượng, phổ phát xạ nguyên tử là một phương pháp rất ưu việt để phân tích định tính (phát hiện) các nguyên tố, đặc biệt là kim loại trong mọi đối tượng mẫu khác nhau. Vì mỗi nguyên tố, trong quá trình phát xạ đều phát ra một số vạch đặc trưng riêng cho nó, mà không có ở nguyên tố khác. Đó là cơ sở để phát hiện các nguyên tố.


19

Bảng 2.1. Giới hạn của vùng tuyến tính C0 (*).

Nguyên tố vạch phổ (nm)

Bộ nhậy (?)

Co (

Ce 424,870 0,03 1,5

Ca 423,838 0,01 0,8

Pr 422,298 0,02 1,5

Nd 425,244 0,03 1,3

Sm 443,432 0,01 1,0

Fu 420,505 0,01 0,7

Gd 418,050 0,02 1,0

(*) Phổ hồ quang điện cực than, mẫu bột.

2.2 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến phổ nguyên tử

2.2.1 Định luật phân bố Boltzmann

Giả sử nguyên tử ở trạng thái cơ bản có năng lượng Eo. Khi nhận năng lượng từ bên ngoài nó chuyển lên mức năng lượng lớn hơn E*. Nói chung một nguyên tử có nhiều hơn một trạng thái cho mỗi mức năng lượng đã cho. Số trạng thái có sẵn cho mỗi mức năng lượng được gọi là độ suy biến (degeneracy) của mức năng lượng đó. Ta kí hiệu độ suy biến tương ứng với các mức năng lượng Eo và E* là go và g*.

Ở một nhiệt độ xác định, khi cân bằng nhiệt được thiết lập thì định luật phân bố Boltzomann mô tả tỉ lượng tương đối (N*/No) của hai trạng thái là:

kTE

o

egg

NN

o

/** ???

ở đây: T là nhiệt độ (K)

k là hằng số Boltzmann (1.381x10-23 J/K)

2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến số trạng thái kích thích

Trạng thái kích thích thấp nhất nằm trên trạng thái cơ bản của nguyên tử Na có mức năng lượng 3.371x10-19 J/nguyên tử. Độ suy biến của trạng thái này là 2, trong khi đó độ suy biến của trạng thái cơ bản là 1. Ta thử tính tỉ lệ số nguyên tử Na ở trạng thái kích thích trên trong ngọn lửa đèn khí C2H2-không khí ở 2600 K. Sử dụng định luật trên:

4)2600()/10381.1/10371.3( 1067.112* 2319 ????? ???

?? KKJJ

o

eNN

Nghĩa là có ít hơn 0.02% số nguyên tử Na nằm ở trạng thái kích thích.


20

Ở nhiệt độ 2610 K thì tính toán tương tự cho N*/No = 1.74x 10-4. Như vậy số nguyên tử Na ở trạng thái kích thích ở nhiệt độ 2610 K đã tăng hơn được 4%.

2.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát xạ và hấp thụ

Như đã thấy ở nhiệt độ 2600 K thì có hơn 99.98% số nguyên tử Na nằm ở thái thái cơ bản. Việc tăng nhiệt độ lên 10 K không làm thay đổi đáng kể số trạng thái cơ bản của nguyên tử, nghĩa là không làm thay đổi đáng kể tín hiệu của sự hấp thụ nguyên tử. Nhưng vì tín hiệu của sự phát xạ nguyên tử phát sinh từ số nguyên tử ở trạng thái kích thích nên khi tăng lên 10 K thì số trạng thái kích thích tăng lên 4% nên cường độ tín hiệu phát xạ tăng lên được 4%. Hiện nay hầu hết sự phát xạ nguyên tử thực hiện nhờ sử dụng nhiệt độ rất cao của một plasma cao tần cảm ứng và nhiệt độ này ổn định hơn nhiệt độ ngọn lửa nhiều.

2.3 Nguyên tắc và các bộ phận cơ bản của phép đo phổ phát xạ:

2.3.1. Nguyên tắc:

Trên cơ sở của sự xuất hiện phổ phát xạ như đã nêu ở trên, chúng ta thấy, muốn ứng dụng phổ phát xạ để phân tích các nguyên tố chúng ta phải thực hiện các nguyên tắc sau đây:

1. Tìm điều kiện phù hợp để hoá hơi mẫu phân tích hoàn toàn và tốt nhất, biến tất cả mẫu thành trạng thái hơi (thể khí).

2. Nguyên tử hoá đám hơi của mẫu để tạo ra đám hơi của các nguyên tử tự do của các nguyên tố phân tích một cách hoàn toàn và ổn định.

3. Kích thích các nguyên tử của nguyên tố cần phân tích trong đám hơi đó, để chúng phát ra phổ phát xạ của nó, sao cho có hiệu suất cao, ổn định và lặp lại được.

4. Thu toàn bộ chùm sáng phát xạ của mẫu, phân ly thành phố và ghi phổ đó lại. Như vậy ta có phổ phát xạ của mẫu phân tích.

5. Đánh giá định tính và định lượng phổ thu được theo yêu cầu đặt ra.

Đó là năm công việc phải thực hiện của một quy trình phân tích. Đó cũng là nguyên tắc của phép đo AES. Xây dựng một quy trình phân tích để xác định một nguyên tố chính là tiêu chuẩn hoá và chọn các điều kiện phù hợp nhất cho từng công việc đó.

2.3.2. Các bộ phận cơ bản:

Theo nguyên tắc chung thì một hệ thống máy đo phổ phát xạ phải gồm tối thiếu ba bộ phận chính như sau:

1. Nguồn năng lượng: là dụng cụ hay bộ phận trang bị để thực hiện ba nhiệm vụ đầu (từ 1-3). Tức là hoá hơi, nguyên tử hoá và kích thích phổ.

2. Máy quang phổ (bộ đơn sắc hay detector): Là một bộ phận có nhiệm vụ thu nhận, phân ly chùm tia phát xạ thành từng vạch phổ của mỗi nguyên tố và chọn để ghi nhận lại cường độ của các vạch phổ phát xạ đó.

3. Hệ thống chỉ thị (biểu thị) các kết quả phân tích định tính và định lượng.

Đó là các bộ phận cơ sở tối thiểu của một hệ máy đo phổ phát xạ nguyên tử. Song ngày nay, để chương trình hoá các quá trình đo, tăng tốc độ đo, hay lưu trữ, in ấn, so sánh các kết quả các hệ thống


21

máy phổ phát xạ còn thêm bộ phận tự đưa mẫu, một máy tính chuyên dụng cho nó và màn hình video. Máy tính có nhiệm vụ điều khiển tất cả.

2.4 Trang bị của phép đo phổ phát xạ.

2.4.1. Nguồn năng lượng:

Là bộ phận rất quan trọng, nó quyết định độ nhạy của phép đo. Bởi vì có hoá hơi và nguyên tử được mẫu có kích thích được các nguyên tử thì mới có được phổ phát xạ của chúng. Do đó yêu cầu của nguồn năng lượng là:

- Có năng lượng đủ lớn để hóa hơi được mẫu, nguyên tử hóa được các phân tử và kích thích được các nguyên tử đạt hiệu suất cao. Có như thế phép phân tích mới có độ nhạy cao.

- Phải ổn định và lặp lại được tốt,

- Điều chỉnh được độ lớn của năng lượng phù hợp cho từng phép phân tích mỗi nguyên tó trong mỗi loại mẫu.

- Không tạo ra phổ phụ làm ảnh hưởng hay gây khó khăn cho việc phân tích,

- Tiêu tốn ít mẫu.

Trong các yêu cầu này, yêu cầu thứ 5, trong một số trường hợp không cần chú ý nếu có nhiều mẫu, như phân tích quặng. Song trong phân tích máu, serum phân tích chất tinh khiết cao thì không thể bỏ qua được.

Do phải đạt được những yêu cầu trên, nên nguồn năng lượng thì có rất nhiều, nhưng cho mục đích phân tích phổ phát xạ thì chỉ vài loại là đã được dùng như ngọn lửa đèn khí, hồ quang điện, tia lửa điện, sự bắn phá catốt, tia lade, cảm ứng cao tần, sóng ngắn,... đồng thời trên cơ sở đó chúng ta có các kỹ thuật phân tích AES khác nhau. Sau đây chúng ta sẽ lần lượt xem xét đến đặc điểm của một số loại đã và đang được dùng phổ biến.

Ngọn lửa đèn khí: Là ngọn lửa được tạo thành khi đốt một chất oxy hóa (như oxy, không khí, N2O) với một chất cháy (như C2H2, propan,...) để tạo ra nhiệt độ của ngọn lửa. Nhiệt độ của ngọn lửa là yếu tố quyết định quá trình hóa hơi, nguyên tử hóa và kích thích phổ của vật chất mẫu. Nói chung, ngọn lửa đèn khí thường chỉ cho nhiệt độ từ 1700 - 33000C.

Bảng 1.2. Quan hệ giữa nhiệt độ và thành phần khí.

Khí oxy hóa

(1/ph)

Khí cháy

(1/ph) Tỷ lệ Nhiệt độ

Không khí Acetylene 4,2/0,9 2100



Khí N2O Acetylene 4,0/4,5 2800

Không khí Propan 4,2/1,5 2050


22

Oxy Acetylene 1,2/1,5 2700

Nhiệt độ ngọn lửa đèn khí phụ thuộc vào:

- Cấu tạo của đèn đốt hỗn hợp khí tạo ra ngọn lửa.

- Bản chất của các khí cháy tạo ra ngọn lửa

- Tỷ lệ của thành phần của các khí.

Vì thế mỗi một hỗn hợp của hai chất khí (1 oxy hóa, 1 chất cháy) luôn cho những nhiệt độ khác nhau.

Như vậy ngọn lửa có nhiệt độ thấp. Nó chỉ phù hợp cho việc kích thích các kim loại kiềm và kiềm thổ. Vì các nguyên tố này có thể kích thích phổ phát xạ thấp (2 - 3,5 eV).

Hình 2.5: Cấu tạo ngọn lửa đèn khí

Về mặt cấu tạo ngọn lửa đèn khí gồm ba phần. Phần tối (a) ở sát miệng đèn, có nhiệt độ thấp. Phần lõi (tâm b) là phần chính của ngọn lửa, phần này hầu như không có màu, nhiệt độ cao nhất và hầu như không có các quá trình thứ cấp, nhiệt độ lại ổn định. Vì thế mẫu phân tích phải được được đặt ở phần này là tốt nhất. Phần thứ ba (c) là vỏ và đuôi ngọn lửa. Phần này nhiệt độ thấp, có màu hơi vàng, và có nhiều quá trình phụ. Vì thế trong chế tạo máy, người ta phải cấu tạo các đèn nguyên tử hóa mẫu sao cho phần này nhỏ nhất, để loại trừ ảnh hưởng của nó. Do đặc điểm như thế, nên ngọn lửa đèn khí chỉ được dùng làm nguồn kích thích để phân tích chủ yếu là các kim loại kiềm (Li, Na, K, Rb, Cs) và một vài kim loại kiềm thổ (Ca, Mg) với độ nhạy từ 1 - 10 ?g/ml. Với nguồn năng lượng này người ta có một hệ phép đo phổ phát xạ các kim loại kiềm và kiềm thổ, được gọi là phổ ngọn lửa hay “quang kế ngọn lửa” (Flame Spectrphotometry). Nhưng về bản chất, thì nó vẫn là phổ phát xạ của nguyên tử. Ở đây một điều nên chú ý là sự kích thích phổ trong ngọn lửa lửa đèn khí thì ảnh hưởng của thành phần nền, matrix của mẫu là rất lớn.


23

Hình2.6: Sơ đồ của thiết bị xác định các kim loại kiềm sử dụng phát xạ ngọn lửa

Hồ quang điện: Là nguồn năng lượng nhiệt, được tạo ra do sự phóng điện giữa hai điện cực (chủ yếu là điện cực than) có dòng cao (10 - 20A) và thế trung bình (220 - 250V). Nhiệt độ của hồ quang điện là từ 3000 - 60000C, nên hồ quang điện là nguồn năng lượng trung bình. Nhiệt độ trung bình của nó phụ thuộc vào:

- Chất và bản chất của vật liệu làm điện cực.

- Cường độ dòng điện của mạch hồ quang.

- Thành phần matrix của mẫu.

Nói chung, nguyên liệu làm điện cực là bền nhiệt, có thể ion hóa và kích thích cao, thì cho hồ quang có nhiệt độ cao và cường độ dòng trong mạch hồ quang càng lớn thì nhiệt độ càng cao.

Do đặc điểm này, nên hồ quang là nguồn kích thích phổ phù hợp cho khoảng 45 nguyên tố. Nó cũng là một nguồn năng lượng cho độ nhạy tương đối cao (từ 10 - 0,1 ?g) của?phép đo phổ phát xạ. Hồ quang điện có hồ quang dòng xoay chiều và hồ quang dòng một chiều. trong hai loại này, hồ quang dòng xoay chiều cho độ ổn định cao hơn nên thường được sử dụng nhiều hơn. Nó thích hợp cho cả mẫu bột dẫn điện và không dẫn điện. Nhưng sự kích thích phổ phát xạ bằng hồ quang điện bị ảnh hưởng của matrix rất lớn, nhất là các nền (matrix) bền nhiệt, như silicat, quặng Zircomat, Wolfamat...

Bảng 2.3. Nhiệt độ và nguyên liệu làm điện cực.

Điện cực Dòng (A) Nhiệt độ (0C) Thể ion hóa (eV)

1. Graphit ép 10 5800 (1) 11,25

2. Fe kim loại 10 4400 (2) 7,86

3. Zn kim loại 10 5200 (3) 9,40

4. Al kim loại 10 3800 (4) 5,90

5. Cr kim loại 10 4000 (5) 6,76


24

Tia lửa điện: Là nguồn năng lượng nhiệt được tạo thành do sự phóng điện giữa hai cực có dòng nhỏ (100 - 1000 mA) nhưng có thế rất cao (20 - 30 kV) nó là sự phóng điện gián đoạn giữa hai điện cực thường là từ 50 - 500 chu kỳ trong 1 giây. Tia lửa điện có nhiệt độ tương đối cao khoảng 4000 - 7000 0C. Nhưng tia lửa điện không làm nóng điện cực, nên sự bay hơi của mẫu thường là khó và chậm. Vì thế tia lửa điện có độ nhạy không cao (10 - 100 ?g) nhưng có độ ổn định tốt hơn hồ quang, vì thế, khi dùng tia lửa điện thời gian kích thích và ghi phổ phải dài.??

Nhiệt độ của tia lửa điện là phụ thuộc chủ yếu vào mật độ của dòng điện và bị ảnh hưởng của cấu trúc nguyên liệu làm điện cực. Các nguyên liệu có độ bền nhiệt cao thì ít ảnh hưởng đến nhiệt độ của tia điện. Vì tia lửa điện không làm nóng điện cực, nên nó rất phù hợp để phân tích các vật mẫu kim loại hay hợp kim, cũng như các mẫu dung dịch. Song lại không thích hợp với vật mẫu là quặng, đất, đá, muối, oxit, siliccat,...

Plasma cao tần cảm ứng - ICP:

Plasma là một hỗn hợp khí dẫn điện chứa nồng độ lớn các cation và electron. Trong plasma argon được dùng trong phân tích phổ phát xạ, ion argon và các electron là các chất dẫn điện chính, mặc dầu các ion tạo ra từ mẫu cũng có góp phần. Các ion argon và các electron khi tạo thành trong plasma thì có khả năng hấp thụ năng lượng từ một nguồn bên ngoài để duy trì nhiệt độ cao lên đến 10000K.

ICP là môi trường kích thích phổ có nhiệt độ cao (4000 - 10000 oc) được tạo ra bởi năng lượng cảm ứng cao tần của dòng điện được cấp từ máy phát cao tần có tần số 27,12 MHz hay 450 MHz.

Hình 2.7: Cấu tạo của đèn nguyên tử hóa mẫu trong ICP


25

Thực chất của plasma ICP là nguồn năng lượng nhiệt điện của ngọn lửa được duy trì bởi cuộn cảm ứng cao tần. Hình 2.7 là hệ thống nguyên tử hóa mẫu và kích thích phổ phát xạ của các nguyên tử. Bộ phận này chính là đèn nguyên tử hóa và kích thích phổ phát xạ của nguyên tử (plasma torch).

Nó gồm 3 ống tube hình trụ lồng vào nhau, làm bằng thủy tinh thạch anh (quartz) mà argon chảy qua với tốc độ từ 11 đến 17 L/min. Đường kính của ống lớn nhất khoảng 2.5 cm. Quanh đỉnh của ống này có quấn cuộn dây cảm ứng tần số radio, được làm lạnh bằng nước, tạo ra năng lượng 2 kW với tần số 27 MHz. Sự ion hóa ban đầu của khí argon nhờ tia lửa điện từ cuộn Tesla. Các ion Ar và electron tạo thành tương tác với từ trường H được tạo ra bởi cuộn dây cảm I. Sự tương tác này làm cho các ion và các electron trong vòng cuộn dây chảy theo những đường hình vòng khuyên kín như được mô tả trong hình vẽ. Các electron được gia tốc va chạm với các nguyên tử và chuyển năng lượng của chúng cho chúng. Một khi quá trình này bắt đầu thì các electron sẽ hấp thụ đủ năng lượng từ cuộn cảm để duy trì nhiệt độ từ 6000 K đến 10000 K trong plasma này. Đèn nguyên tử hóa mẫu rất nóng (đặc biệt ở vùng gần cuộn cảm) nên cần phải được bảo vệ bằng dòng khí làm lạnh Ar chảy quanh ống bên ngoài của đèn này.

Hình 2.8: Hình ảnh của ngọn lửa plasma và sơ đồ nhiệt độ của một plasma cảm ứng cao tần tiêu biểu

Sự tạo sol khí của mẫu có thể thực hiện bằng 2 cách: hóa hơi mẫu bằng dòng khí Ar và hóa hơi mẫu bằng tần số siêu âm (hiện được sử dụng phổ biến).


26

Trong phương pháp hóa hơi mẫu bằng tần số siêu âm, dung dịch mẫu được đưa trực tiếp lên trên tinh thể piezoelectric dao động với tần số 1 MHz. Sự dao động này tạo nên các sol khí và được mang bởi một dòng khí Ar đã được nung nóng. Nhờ vậy dung môi bị hóa hơi. Dòng khí này được cho đi qua một vùng làm lạnh để dung môi ngưng tụ và bị tách khỏi. Chất phân tích dưới dạng sol khí rắn và khô được dẫn vào đèn nguyên tử hóa mẫu. Ở đây năng lượng của ngọn lửa plasma không cần dùng để hóa hơi mẫu nhờ vậy có nhiều năng lượng hơn cho sự nguyên tử hóa mẫu. Ngoài ra cũng có nhiều hơn lượng mẫu được đi vào ngọn lửa plasma so với dùng phương pháp hóa hơi mẫu truyền thống. Kết quả là độ nhạy cũng được tăng lên hành chục lần.

Hình 2.9: Bộ hóa hơi mẫu dùng khí mang Ar


27

Hình 2.10: Bộ hóa hơi mẫu dùng dao động tần số siêu âm của tinh thể trong máy ICP

Plasma ICP hiện nay được sử dụng phổ biến vì nó có nhiều ưu việt như:

- Độ nhạy khá cao, từ 10 - 0,1 ng.

- Phân tích được tất cả các nguyên tố bền nhiệt, các matrix bền nhiệt.

- Độ ổn định cao, sai số nhỏ, lặp lại tốt.

- Vùng tuyến tính rộng (từ 1 đến 103 lần).

- Tốc độ phân tích lớn (50 - 120 mẫu/h).

- Ảnh hưởng của matrix mẫu hầu như không có hoặc là rất ít thấy và rất nhỏ.

Do có những ưu việt đó, mà hiện nay nguồn plasma ICP lấn át tất cả các nguồn năng lượng khác trong phép đo phổ phát xạ nguyên tử. Đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm, thì ICP là nguồn năng lượng rất phù hợp. Trên thế giới hiện nay ở các nước phát triển, hay đang phát triển, nơi nào nghiên cứu đất hiếm, các viện nghiên cứu phân tích địa chất, nghiên cứu vật liệu mới của các đất hiếm,... thì đều có phòng phổ xạ nguyên tử ICP (ICP - AES).

2.4.2. Máy quang phổ (Bộ đơn sắc).

Máy quang phổ thu nhận chùm tia phát xạ của mẫu để phân ly thành phổ và ghi lại phổ đó. Về nguyên tắc, một bộ đơn sắc của máy phổ xạ phải gồm có hai phần: phần hệ quang học và phần điện tử. Hệ điện tử làm nhiệm vụ khuyếch đại tín hiều do và điều khiển. Hệ quang học gồm có:

- Bộ chuẩn trực và khe vào.

- Bộ phân ly (tán sắc) chùm sáng đa sắc thành phổ đơn sắc.

- Bộ chuẩn trực để hội tụ những tia cùng bước sóng lên mặt phẳng tiêu.

Trong các máy quang phổ cổ điển bộ tán sắc thường là hệ lăng kính. Nhưng những máy quang phổ hiện đại có độ phân giải cao, thì nó là các cách tử phản xạ, có hằng số k từ 1800 - 3600 V/mm. Máy quang phổ có loại một kênh và loại đa kênh. Các máy cách tử có thể có một kênh và nhiều kênh.

Với các máy thế hệ cũ, toàn bộ vùng phổ là được ghi trên kính ảnh hay phim ảnh. Sau đó việc định tính và định lượng phải quan sát qua kính ảnh đã ghi phổ đó. Các máy quang phổ hiện đại (ICP - AES) phổ thường ghi trên băng giấy hoặc ghép nối với máy tính để phục vụ định tính và đo trực tiếp

I? nhờ các nhân quang thu nhận, sau đó hệ điện tử khuyếch đại, bổ sung chính nền, tính và chỉ thị

kết quả định lượng nhờ máy in. Vì thế các máy này có độ nhạy cao, tốc độ phân tích lớn. Với máy đa kênh thì mỗi kện phản có một nhân quang điện kiểu ống, có độ khuyếch đại 104 - 107 lần.

Ngoài ba bộ phận chính đã ở trên, để thu được tốt chùm sáng phát xạ của mẫu (ở plasma), trước khe máy còn có hệ thống lọc, hệ thống gương chiếu sáng khe máy phù hợp cho mỗi vùng phổ, hệ thống đưa mẫu tự động...

2.4.3. Các trang bị chỉ thị kết quả định lượng.

Các trang bị để chỉ thị kết quả phân tích cũng đã được phát triển liên tục. Đầu tiên là các điện kế đọc cường độ vạch phổ qua độ lệch của kim. Tiếp đến là các máy tự ghi để ghi lại cường độ vạch phổ dưới dạng chiều cao của píc. Sau đó là hệ chỉ thị số digital. Máy printer in luôn kết quả đo. Ngày nay các máy quang phổ đều ghép với máy tính, cho nên việc nghiên cứu đo đạc được chương trình hóa;


28

các kết quả cũng như điều kiện đo đều được thể hiện trên màn hình vidio. Sau đó có thể in ra giấy nhờ máy printer khi cần thiết.

2.6. Phân tích định tính bằng AES.

Nguyên tắc của phân tích định tính theo phổ phát xạ là dựa trên cơ sở khi bị kích thích trong những điều kiện nhất định, mỗi nguyên tử của một nguyên tố thường phát ra một số vạch phổ phát xạ đặc trưng riêng cho nó mà không có ở nguyên tố khác. Vì vậy khi quan sát được các vạch phổ đặc trưng của nó trong phổ thu được của mẫu phân trên kính ảnh hay trên băng giấy, thì ta có thể kết luận nguyên tố đó có mặt trong mẫu. Tất nhiên, để đảm bảo độ tin cậy cao, thì chúng ta phải tìm thấy ít nhất là hai vạch đặc trưng của nó trong phổ của mẫu. Với các máy có độ phân giải cao thì việc đánh giá định tính là dễ và khó nhầm lẫn. Bảng 1.4 là một số vạch phổ phát xạ đặc trưng của một nguyên tố trong phổ hồ quang và phổ ICP.

Bảng 2.4. Một số vạch phát xạ đặc trưng của các nguyên tố đó.

Vạch phổ (nm)

Nguyên tố Cường độ

Thể kích thích

(eV)

Ag 328,068

338,289

520,907

5500R

2800R

100R

3,78

3,66

6,04

Al 308,216

309,271

396,153

320R

650R

900R

4,02

4,10

3,14

Ba 455,404

493,409

553,555

6500R

2000R

650R

7,93

7,72

3,24

Cu 324,754

327,396

521,820

5000R

2500R

100

3,82

3,79

6,19

Fe 248,328

358,120

371,994

373,487

280R

600R

600R

700

4,99

4,32

3,32’

4,18

Mg 285,213

383,231

383,826

6000R

300

500

4,34

5,94

5,90


29

Mn 279,482

279,827

280,106

403,076

800R

650R

400R

2000R

5,89

6,10

5,90

3,10

Hình 2.11: Một phổ phát xạ thu được từ thư viện phổ.

2.7. Phân tích định lượng bằng AES (tương tự trong phương pháp UV-VIS)

2.8. Ứng dụng của AES

Phương pháp AES được sử dụng để phân tích:

- Nguyên tố vi lượng, độc hại trong nước, đất, không khí môi trường.

- Nguyên tố vi lượng trong y học, dược phẩm, thực phẩm,...

- Nguyên tố vi lượng trong nông nghiệp, như phân bón, thức ăn gia súc.

- Kiểm tra chất lượng trong công nghiệp hóa học.

- V.v...

Ngày nay, phổ phát xạ ICP còn là một loại công cụ phục vụ đắc lực cho công việc nghiên cứu và sản xuất vật liệu khoa học, như vật liệu từ, ván dẫn, vật liệu công nghiệp điện tử cao cấp. Nó rất phù hợp để xác định các nguyên tố đất hiếm, cả định tính và định lượng, từ lượng lớn đến lượng nhỏ trong các loại mẫu khác nhau.


30

CHƯƠNG 3: PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ (PHỔ AAS)

3.1. Sự xuất hiện phổ hấp thụ nguyên tử:

Như chúng ta đã biết, vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử và nguyên tử là phần tử nhỏ nhất còn giữ được tính chất của nguyên tố. Nguyên tử lại bao gồm hạt nhân nguyên tử và các điện tử chuyển động xung quanh không gian của hạt nhân. Trong điều kiện bình thường, nguyên tử không thu hay phát ra năng lượng dưới dạng các bức xạ. Lúc này nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản. Đó là trạng thái bền vững và nghèo năng lượng nhất của nguyên tử. Nhưng khi ở trạng thái hơi nguyên tử tự do, nếu ta chiếu một chùm tia sáng có những bước sóng (tần số) xác định vào đám hơi nguyên tử đó, thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định ứng đúng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ. Lúc đó nguyên tử đã nhận năng lượng dưới dạng các tia bức xạ và nó chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. Đó là tính chất đặc trưng của nguyên tử ở trạng thái hơi, Quá trình đó được gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử. Phổ sinh ra trong quá trình này được gọi là phổ hấp thụ nguyên tử.

Nếu gọi năng lượng của tia sáng đã bị nguyên tử hấp thụ là E? thì chúng ta có:

ΔE = (Em – Eo) = hγ (3.1)

Hay là:

∆퐸 = ℎ. 푐/? (3.2)

Trong đó:

0E và mE là năng lượng của nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích m;

h là hằng số plank; γ là tần số của chùm tia sáng; và ? là độ dài sóng của vạch phổ hấp thụ.

Như vậy ứng với mỗi giá trị năng lượng E? , mà nguyên tử đã hấp thụ ta sẽ có một vạch phổ hấp thụ với độ dài sóng i? . Nghĩa là phổ hấp thụ của nguyên tử cũng là phổ vạch.

Nhưng nguyên tử không hấp thụ tất cả các bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ. Quá trình hấp thụ chỉ xảy ra đối với các vạch phổ nhậy, các vạch đặc trưng của các nguyên tố. Cho nên đối với các vạch phổ đó quá trình hấp thụ và phát xạ là hai quá trình ngược nhau (hình 1). Theo phương trình (3.1) nếu giá trị năng lượng E? là dương ta có quá trình phát xạ; ngược lại giá trị E? là âm ta có quá trình hấp thụ. Chính vì thế mà theo từng điều kiện cụ thể của nguồn năng lượng dùng để nguyên tử hoá mẫu mà quá trình nào xảy ra là chính.

Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử trước hết phải tạo ra được đám hơi nguyên tử tự do, và sau đó chiếu vào nó một chùm tia sáng có những bước sóng xác định ứng đúng với các tia phát xạ của nguyên tố cần nghiên cứu. Khi đó các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ năng lượng và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của nó.


31

Hình 3.1: Một phần Phổ AAS của nguyên tử Na và các bước dịch chuyển

2. Cường độ của vạch phổ hấp thụ:

Nghiên cứu sự phụ thuộc của cường độ một vạch phổ hấp thụ của một nguyên tố và nồng độ C của nguyên tố đó trong mẫu phân tích, lý thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng, trong một vùng nồng độ C nhỏ, mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ hấp dẫn và nồng độ của nguyên tố đó trong đám hơi cũng tuân theo định luật Lambe Bia. Nghĩa là nếu có một chùm sáng cường độ là IO qua đám hơi nguyên tử tự do nồng độ là N và bề dày là l thì chúng ta có:

I = Io.e –Kγ.N.l (3.3)

Trong đó Kγ là hệ số hấp thụ nguyên tử của vạch phổ tần số γ

Kγ là đặc trưng riêng cho từng vạch phổ hấp thụ của mỗi nguyên tố.

Nếu gọi D là cường độ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử, từ công thức (3.3) chúng ta có:

D = log(Io/I) = 2,303.Kγ.N.l (3.4)

Ở đây D chính là độ tắt nguyên tử của chùm tia sáng cường độ I0 sau khi qua môi trường hấp thụ. D là phụ thuộc vào nồng độ nguyên tử N trong môi trường hấp thụ và vào bề dày l của lớp hấp thụ. Nhưng trong máy đo phổ hấp thụ nguyên tử, thì chiều dài của đèn nguyên tử hoá hay cuvet graphit là không đổi, nghĩa là l là không đổi, nên giá trị D chỉ còn phụ thuộc vào số nguyên tử N trong môi trường hấp thụ. Như vậy cường độ của vạch phổ hấp thụ sẽ là:

D = K.N (3.5)


32

Trong đó K là hệ số thực nghiệm. Nó phụ thuộc vào:

- Hệ số hấp thụ nguyên tử Kγ của vạch phổ

- Nhiệt độ của môi trường hấp thụ, và

- Bề dày của lớp hấp thụ

Còn nồng độ N được tính theo công thức:

? ?0R21

T

F.w.s.nN 3.10 . C 1.7

Q.T.n?

Đây là công thức tổng quát tính giá trị N trong ngọn lửa nguyên tử hoá mẫu theo Winefordner và Vicker. Trong đó:

F là tốc độ dẫn mẫu vào hệ thống nguyên tử hoá (ml/phút),

w là hiệu suất aerôsol hoá,

s là hiệu suất nguyên tử hoá,

0Rn là số phần tử khí ở nhiệt độ môi trường R0,

nT là số phần tử khí ở nhiệt độ T (K) của ngọn lửa nguyên tử hoá,

Q là tốc độ của dòng khí mang mẫu vào buồng nguyên tử hóa mẫu (lít/phút),

C là nồng độ của nguyên tố hấp thụ bức xạ trong dung dịch mẫu.

Phương trình (3.5) cho ta biết mối quan hệ giữa D và N, phương trình (3.6) cho ta biết mối quan hệ giữa N và C. Mối quan hệ này là rất phức tạp, nó phụ thuộc vào vào tất cả các điều kiện nguyên tử hoá mẫu, phụ thuộc vào thành phần vật lý, hoá học của nguyên tố ở trong mẫu. Nhưng nhiều kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, trong một giới hạn nhất định của nồng độ C, thì mối quan hệ giữa N và C có thể đựơc biểu thị theo công thức sau:

N = Ka.Cb (3.7)

Trong đó Ka là hằng số thực nghiệm, nó phụ thuộc vào tất cả các điều kiện hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu, còn b được gọi là nguyên tố, b có giá trị bằng 1 và nhỏ hơn 1, b bằng 1 khi nồng độ C là nhỏ và ứng với mỗi một vạch phổ đều có một giá trị C = C0 để b bắt đầu nhỏ hơn 1. Nghĩa là ứng với các nồng độ C lớn hơn C0 thì b luôn luôn nhỏ hơn 1.

Kết hợp phương trình (3.5) và (3.7) ta có:

D = a.Cb (3.8)

3.4. Nguyên tắc và các bộ phận cơ bản của phép đo AAS.

Phương pháp phân tích dựa trên cơ sở đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố được gọi là phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (phép đo AAS: Atomic Absorption Spectrometry). Như trong mục 3.1 đã đề cập, cơ sở lý thuyết của phép đo này là sự hấp thụ năng lượng (dưới dạng bức xạ đơn sắc đặc trưng) của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ. Vì thế nguyên tắc của phương pháp này dựa trên ba bước chính như sau:

1. Quá trình nguyên tử hoá mẫu:

(3.6)


33

Trong bước này cần 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. Những trang bị để thực hiện quá trình này được gọi là hệ thống nguyên tử hoá mẫu. Nhờ đó ta có được đám hơi của các nguyên tử tự do của mẫu phân tích. Đám hơi này chính là môi trường hấp thụ bức xạ và sinh ra phổ hấp thụ nguyên tử.

2. Quá trình tạo phổ hấp thu nguyên tử AAS: Chiếu chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tố cần xác định trong đám hơi nguyên tử vừa điều chế ở trên. Các nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong đám hơi sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó. Ở đây, phần cường độ của chùm tia sáng đã bị một loại nguyên tử hấp thụ là phụ thuộc vào nồng độ của nó trong môi trường hấp thụ. Nguồn cung cấp chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần nghiên cứu được gọi là nguồn phát bức xạ đơn sắc hay bức xạ cộng hưởng.

3. Quá trình thu phân li và chọn vạch phổ hấp thụ đặc trưng của nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ của nó. Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ của vạch phổ hấp thụ. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ giá trị cường độ này là phụ thuộc tính vào nồng độ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích theo phương trình (3.8).

Ba quá trình trên chính là nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử. Vì vậy muốn thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử hệ thống máy đo phổ hấp thụ nguyên tử phải bao gồm các bộ phận cơ bản sau đây:

Phần 1: Nguồn phát xạ cộng hưởng của nguyên tố cần phân tích, để chiếu vào môi trường hấp thụ chứa các nguyên tử tự do của nguyên tố đó. Đó là các đèn catốt rỗng (HCL), các đèn phóng điện không điện cực (EDL), hay nguồn phát bức xạ liên tục đã được biến điệu.

Hình 3.2: Sơ đồ của một đèn catốt rỗng (HCL)

Phần 2: Hệ thống nguyên tử hoá mẫu phân tích. Hệ thống này được chế tạo theo hai loại kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu. Đó là kỹ thuật nguyên tử hoá bằng ngọn lửa (F-AAS) và kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa (ETA-AAS). Trong kỹ thuật nguyên tử hoá bằng ngọn lửa, hệ thống này bao gồm:

- Bộ phận dẫn mẫu vào buồng aerôsol hoá và thực hiện quá trình aerôsol hóa mẫu.

- Đèn để nguyên tử hoá mẫu khi đốt cháy hỗn hợp khí có chứa mẫu ở thể huyền phù khí


34

Hình : Sơ đồ của hệ thống AAS dùng kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa

Hình: Buồng Aerosol hóa và đèn nguyên tử hóa mẫu

Ngược lại, khi nguyên tử hoá mẫu bằng kỹ thuật không ngọn lửa người ta thường dùng một lò nung nhỏ bằng graphit (cuvet graphit) để nguyên tử hoá mẫu nhờ nguồn năng lượng điện có thế thấp (nhỏ hơn 12V) nhưng có dòng rất cao (50 - 500A)


35

Hình: Lò nung furnace và cuvet grafit

Phần 3: Là máy quang phổ, nó là bộ đơn sắc, có nhiệm vụ thu, phân li và chọn tia sáng cần đo hướng vào nhân quang điện để phát hiện tín hiệu hấp thụ AAS.

Phần 4: Là hệ thống chỉ thị tín hiệu hấp thụ của vạch phổ (tức là cường độ của vạch phổ hấp thụ). Hệ thống này có thể là một điện kế, hay một máy tự ghi pic của vạch phổ, hoặc bộ hiện số digital, hay bộ printer. Với các máy hiện đại còn có thêm một microcomputer hay microprocessor. Máy này có nhiệm vụ xử lý các kết quả đo và lập chương trình điều khiển tất cả bốn phần trên. Một cách tóm tắt, chúng ta có thể minh hoạ một hệ thống đo phổ hấp thụ nguyên tử như trong hình 1.6.

1.5. Những ưu điểm và nhược điểm của phép đo AAS.

Cũng như các phương pháp phân tích khác, phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử cũng có những ưu điểm và nhược điểm nhất định. Các ưu điểm đó là:


36

- Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc cao. Gần 60 nguyên tố hoá học có thể được xác định bằng phương pháp này với độ nhạy từ 1.10-4 đến 1.10-5. Đặc biệt, nếu sử dụng kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa thì có thể đạt đến độ nhạy n.10-7 (Bảng 1.3)

Đồng thời cũng do độ nhạy cao nên trong nhiều trường hợp không phải làm giầu nguyên tố cần xác định trước khi phân tích. Do đó tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian và không cần phải dùng nhiều hoá chất tinh khiết cao khi làm giầu mẫu. Mặt khác cũng tránh được sự nhiễm bẩn mẫu khi xử lí qua các giai đoạn phức tạp. Đó cũng là một ưu điểm lớn của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử.

Ưu điểm thứ ba của phương pháp này là có thể xác định đồng thời với liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu. Các kết quả phân tích lại rất ổn định, sai số nhỏ. Trong nhiều trường hợp sai số không quá 15% với vùng nồng độ cỡ ppm.

Bên cạnh những ưu điểm, phép đo phổ hấp thụ nguyên tử cũng có một số hạn chế và nhược điểm nhất định. Điều hạn chế trước hết là muốn thực hiện phép đo này cần phải có một hệ thống máy tương đối đắt tiền. Do đó nhiều cơ sở nhỏ không đỏ để xây dựngphòng thí nghiệm về mua sắm máy móc.

Mặt khác cũng chính do phép đo có độ nhậy cao, cho nên sự nhiễm bẩn rất có ý nghĩa đối với kết quả phân tích hàm lượng vết. Vì thế môi trường không khí phòng thí nghiệm phải không có bụi. Các dụng cụ, hoá chất dùng trong phép đo phải có độ tinh khiết cao. Đó cũng là một khó khăn khi ứng dụng phương pháp phân tích này.

Nhược chính của phương pháp phân tích này là chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố của chất ở trong mẫu phân tích, mà không chỉ ra trạng thái liên kết của nguyên tố ở trong mẫu. Vì thế nó chỉ là phương pháp phân tích thành phân nguyên tố mà thôi.

1.6. Đối tượng và phạm vi ứng dụng của phép đo AAS.

Đối tượng chính của phương pháp phân tích theo phổ hấp thụ nguyên tử là phan tích lượng nhỏ (lượng vết) các kim loại trong các loại mẫu khác nhau của các chất vô cơ và hữu cơ. Với các trang bị và kĩ thuật hiện nay, bằng phương pháp phân tích này người ta có thể định lượng được hầu hết các kim loại (khoảng 65 nguyên tố) và một số á kim đến giớ hạn nồng độ cỡ ppb (một phần tỉ), với sai số không lớn hơn 15%. Phương pháp phân tích này đã được sử dụng để xác định các kim loại trong quặng, đất đá, nước khoáng, các mẫu của y học, sinh học, các sản phẩm nông nghiệp, rau quả, thực phẩm, nước uống, các nguyên tố vi lượng trong phân bón, trong thức ăn gia súc.

Bên cạnh các kim loại, một vài á kim như Si, P, As, Se, Te, cũng được xác định bằng phương pháp phân tích này. Các á kim khác như C, Cl, O, N không xác định được bằng phương pháp này. Vì các vạch phân tích của các á kim này thường nằm ngòai vùng phổ của các máy hấp thụ nguyên tử thông dụng. (190 - 900nm). Ví dụ C-165,70; N-134,70; O-130,20; Cl-134,78; S-180,70nm. Do đó, muốn phân tích các á kim này cần phải có các bộ đơn sắc đặc biệt. Cho nên đến nay đối tượng chính của phương pháp phân tích theo phổ hấp thụ nguyên tử vẫn là phân tích lượng nhỏ và lượng vết các kim loại.


37

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỆN HOÁ

Mở đầu

Các phương pháp phân tích điện hoá học dựa trên cơ sở ứng dụng: - Các tính chất, quy luật và các hiện tượng điện hoá có liên quan đến các phản ứng điện

hoá học xảy ra trên bề mặt hay trên ranh giới tiếp xúc giữa các cực (điện cực) và dung dịch phân tích.

- Các tính chất điện hoá của dung dịch điện hoá giữa các cực trong bình phản ứng (bình điện hoá).

Các phương pháp phân tích điện hoá đã được phát triển từ lâu và phát triển mạnh trong khoảng vài thập niên trở lại đây. Đó là những phương pháp phân tích công cụ không những dùng định tính và định lượng mà còn là phương tiện để nghiên cứu lý thuyết các quá trình điện hoá và các phản ứng hoá học của các chất vô cơ (ion kim loại, muối) và các chất hữu cơ.

Các phương pháp phân tích điện hoá có nguyên tắc và sơ đồ chung là: chất phân tích được hoà tan thành dung dịch (thường là trong dung môi nước) rồi cho vào bình đo có cấu tạo phù hợp với từng phương pháp cụ thể. Trong bình đo có 2 (hay 3) điện cực là:

- Điện cực chỉ thị - Điện cực so sánh - Điện cực phù trợ (có thể không có) Các điện cực này được nối với máy đo để đo một đại lượng điện hoá đặc trưng cho bản

chất của quá trình điện hoá của chất nghiên cứu. Đại lượng đo đó tỉ lệ tuyến tính với nồng độ chất nghiên cứu.

Như vậy, các phương pháp phân tích điện hoá luôn có các trang bị cơ sở sau: - Bình chứa dung dịch chất nghiên cứu và chất điện ly (bình đo điện hoá) - Các điện cực - Máy đo (có thể đo thế hay đo dòng hay điện trở) Vì thế tất cả các phương pháp phân tích điện hoá đều có cơ sở lý thuyết chung về điện

hoá học như cân bằng điện hoá, điện cực và thế điện cực,... Phân loại các phương pháp phân tích điện hoá


38

Hiện nay các phương pháp phân tích điện hoá có rất nhiều, nhưng chủ yếu được chia thành 2 nhóm: 1. Nhóm dựa trên quá trình điện cực. 2. Nhóm các phương pháp điện hoá không có phản ứng điện cực như đo độ dẫn, điện trở,... Trong 2 nhóm này, nhóm 1 là có nhiều phương pháp, đa dạng và phong phú. Nhóm này được chia thành 2 phân nhóm: + Phân nhóm 1: là phân nhóm các phương pháp điện hoá có phản ứng điện hoá ở điện cực trong điều kiện dòng không đổi (thường là bằng 0) + Phân nhóm 2: Là phân nhóm của các phương pháp điện hoá có phản ứng điện hoá ở điện cực trong điều kiện dòng khác 0. Đây là phân nhóm của phương pháp có sự điện phân. Phân nhóm này có nhiều phương pháp điện hoá có độ nhạy cao và được ứng dụng nhiều. Một cách tóm tắt về sự phân loại này, chúng ta có thể thấy trong bảng 1.1 sau đây là một số ví dụ về sự phân loại đó.

Bảng 1.1: Phân loại các phương pháp điện hoá

Tên phương pháp Các đại lượng quan hệ

Đại lượng

kiểm soát Đại lượng đo

Phương pháp dòng bằng o và có phản ứng điện cực

Đo thế

chuẩn độ đo thế

f (E, C)

f (E, C)

C

C

E = f(C)

E = f(C)

Phương pháp dòng khác o và có phản ứng điện cực

- Von - Ampe

- Chuẩn độ Von-Ampe

- Điện lượng (I = Const)

- Điện lượng ( E = Const)

- Chuẩn độ điện thế (I = const)

- Dòng thời gian

(chronoamperometry)

- Cực phổ cổ điển

f (E, I, C)

f (E, I, C)

f (E, I, Q)

f (E, I, m)

f (E, I, C)

f (E, I, C, t)

f (E, I, C, t)

f (E, I, C, t)

C

E

I

E

I

C, E

C, E

C, E và xung

I = f(E)

I = f(C)

Q

m

E = f(C)

I = f(t)

I = f(E, t)

I = f(sin, cotg)


39

- Cực phổ dòng xoay chiều

- Cực phổ sóng vuông

- Von - Ampe hoà tan

- Điện thế - thời gian hoà tan

f (E, I, C, t)

f (E, I, C, t)

f (E, I, C, t)

hình sin

C, xung thế

Eap, E

Eap, Int

I

I = f(E, t)

I = f(t)

Phương pháp không phản ứng điện cực

- Đo độ dẫn và chuẩn độ đo độ dẫn

- Đo độ dẫn cao tần và chuẩn độ cao tan

f(X, C)

f(x, E, C)

C

C

x

x + e


40

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐO THẾ (Potentiometric Methods)

4.1. Nguyên tắc

Các phương pháp đo thế là một họ của phương pháp phân tích điện hoá. Quá trình đo thế được thực hiện trong 1 bình đo (cell) có chứa dung dịch mẫu và hai điện cực, trong đó có:

- 1 điện cực so sánh có thể cố định (Ess = const)

- 1 điện cực chỉ thị biểu thị thế của dung dịch.

Hệ điện cực này được nối với một máy đo thế (potentiometer). Như vậy đo thế là quá trình theo dõi sự biến thiên nồng độ của 1 chất (ion) trong dung dịch nhờ điện cực chỉ thị mà trên đó xảy ra các quá trình điện hoá, được chỉ thị bằng sự thay đổi (biến thiên) của thế điện cực. Thế đo được của dung dịch là hiệu số của thế ở điện cực chỉ thị (Eind) và điện cực so sánh (Ess), nghĩa là:

? ?dd ind ssE E E? ?

Nhưng vì Ess = const, nên sự thay đổi của thế Eind cũng là sự thay đổi thế Edd của dung dịch nghiên cứu.

Trong phương pháp đo thế, điện cực so sánh thường dùng là:

+ Điện cực calomel

+ Điện cực clorua bạc.

Còn điện cực chỉ thị có 3 loại khác nhau:

a. Điện cực đo pH: đó là các điện cực thuỷ tinh màng

b. Điện cực chọn lọc ion: đó là điện cực chế tạo đo riêng từng ion kim loại (ví dụ: K, Cd, Pb,....), đo các anion (ví dụ: Cl-

, F-, I-, CN-).

Hai loại điện cực này là các điện cực màng. Nó có thể là màng rắn hay màng lỏng. Các quá trình điện hoá là xảy ra trên bề mặt tiếp xúc của màng này.

c. Điện cực kim loại trơ: loại điện cực này phục vụ cho quá trình chuẩn độ đo thế. Ví dụ điện cực Pt, Ag, Pd.... Các quá trình điện hoá xảy ra trên bề mặt điện cực. Các chất phân tích có thể:

- Nhận điện tử ở điện cực (sự oxy hoá)

- Nhường điện từ cho các điện cực (sự khử)

Do đặc điểm trên, nên bề mặt của các điện cực chỉ thị có ảnh hưởng đến thế của điện cực. Vì thế phải giữ cho điện cực sạch và có bề mặt đồng nhất.

Các quá trình điện hoá ở trong kỷ thuật đo thế là có dòng bằng 0 hay là không đổi (I = 0, hay = const ). Hình 4.1 sau đây là mô tả sơ đồ của một hệ thống máy đo thế.


41

Hình 4.1: Sơ đồ một hệ máy đo thế

4.2. Phương trình thế điện cực.

Trong quá trình đo thế, các quá trình điện hoá là xảy ra ở trên điện cực chỉ thị (Indicator electrode). Các quá trình đó có thể là:

- Sự oxy hoá khử của chất trên bề mặt điện cực.

- Sự trao đổi điện tích.

Chính các quá trình này làm cho thế của điện cực bị thay đổi khi nồng độ của chất thay đổi. Trong một phạm vi nhất định, và ở những điều kiện nhất định thì sự thay đổi thế của điện cực chỉ thị là phụ thuộc tuyến tính theo nồng độ của chất trong dung dịch.

Nếu trên bề mặt điện cực có quá trình oxy hoá khử của chất:

Ox1 + ne- ? Kh1 (a)

Kh2 - ne- ? Ox2 (b)

theo phương trình Nernst thế điện cực của dung dịch sẽ là:

Ea = Eoa + ? ?

? ?1

1

Ox0, 0592 logn Kh

Hay Eb = Eob +

? ?? ?

2

2

Ox0,0592 logn Kh

Ở đây:

[ox1], [ox2]: là nồng độ dạng oxy hoá của chất;


42

[Kh1], [Kh2] là nồng độ dạng khử;

Eoa, Eo

b là thế oxy hoá khử tiêu chuẩn của cặp đó;

n là số elacton trao đổi trong phản ứng điện hoá dó.

Nếu dạng khử là rắn, thì ta có:

E = Eo + ? ?0 , 0 5 9 2 lo g O xn

Ví dụ như điện cực Cu: Cu2++ 2e- ? Cuo có: Eocu = + 0,34V, n=2

Nên ta có:

E = 0,34 + 20 , 0 5 9 2 lo g C u2

?? ?? ?

Với điện cực Hydro: H2 ? 2H+ + 2e-

Và EH = EoH2 +

2

2

H

H0, 0 5 9 2 lo g2 p

?? ?? ?

Nhưng vì [H+] = 1M; áp suất pH2 = 1atm, nên ta có:

EH = EoH = 0

Ở đây người ta qui ước thế của điện cực Hydro chuẩn = 0, còn thế của các loại điện cực khác điều so với điện cực Hydro chuẩn.

Như vậy thế của điện cực chỉ thị của dung dịch sẽ là:

Edd = (Eind - Ess) = ΔE

Giá trị ΔE này là phụ thuộc vào nồng độ của chất phân tích và trong một phạm vi nhất định ta có:

ΔE = k.Cx

Đây là phương trình định lượng của phương pháp đo thế để xác định nồng độ của chất trong dung dịch.

4.3. Trang bị của kỹ thuật đo thế.

Cơ sở của phép đo điện hoá là các quá trình xảy ra trong nguyên tố điện hoá (electro - chemical cell hay ganvanic cell). Vì thế trang bị cơ sở của hệ thống máy đo thế bao gồm ba phần tối thiểu cơ bản sau đây:

a. Nguyên tố điện hoá, bao gồm:

- Bình điện hoá chứa dung dịch đo

- Điện cực chỉ thị

- Điện cực so sánh


43

- Điện cực phụ trợ (có thể không có)

- Bộ phận khuấy dung dịch đo

b. Máy đo thế.

c. Bộ phận chỉ thị kết quả đo thế.

Ngày nay những hệ thống máy hoàn chỉnh, còn có thêm máy tính chuyên dụng, bộ phận tự động bơm mẫu vào bình điện hoá, v.v....để tự động hoá các quá trình đo theo những chương trình nhất định.

4.4. Các loại điện cực:

4.4.1. Các điện cực so sánh:

Có hai loại điện cực so sánh được dùng trong phương pháp đo thế là điện cực calomel và điện cực bạc clorua.

a) Điện cực calomel:

Về cấu tạo điện cực này bao gồm Hg kim loại trong dung dịch Hg2Cl2(r) hoà vào dung dịch điện ly KCl, ta có thể viết (hình 4.2):

Hg/Hg2cl2(r) / Hg2Cl2(bh). KCl (xM)

Thế của điện cực này được quyết định bởi cân bằng:

Hg2Cl2 + 2e- ? 2Hgo + 2Cl-

Ở điều kiện tiêu chuẩn điện cực loại này có thế Eo = 0.2444V/ 250C, p = 1atm, x = bão hòa

Hình 4.2: Sơ đồ cấu tạo của một điện cực calomen


44

b. Điện cực bạc clorua:

Điện cực so sánh loại này có cấu tạo bao gồm kim loại Ag trong dung dịch AgCl bảo hoà và chất điện ly KCl và ta có thể viết (hình 4.3).

Ag/ AgCl(dd bh),KCl (dd bh)

Thế điện cực của cực loại này được quyết định bởi cân bằng:

AgCl(r) + 1e- ? Ago + 2Cl-

Ở điều kiện tiêu chuẩn (250C, p = 1atm, x = bão hòa) cực này có thế E = 0.199 V

Hình 2.3: Sơ đồ của điện cực bạc

Bảng 4.1. Thế của các điện cực so sánh:

Nhiệt độ (0C) E (V) cực calomel với x=

Bão hoà 3.5 M 0.1M

15 0.2510 0.256 0.3370

20 0.2480 0.255 0.3359

25 0.2444 0.250 0.3356

30 0.2410 0.248 0.3351

35 0.2376 0.245 0.3344


45

Nhiệt độ (0C) E (V) cực bạc clorua với x =

Bão hoà 3.5 M 0.1M

15 0.2090 0.212 0.225

20 0.2040 0.208 0.221

25 0.1990 0.205 0.217

30 0.1940 0.201 0.212

35 0.1890 0.197 0.208

Từ bảng 4.1 ta thấy nồng độ của dung dịch điện ly KCl có ảnh hưởng đến thế của điện cực. Nói chung ở nồng độ bão hoà thế điện cực là nhỏ nhất, và thế là giảm khi nhiệt độ tăng.

4.4.2. Điện cực chỉ thị:

Điện cực chỉ thị (indicator electrode) là điện cực có hoạt động điện hoá. Nghĩa là trên bề mặt điện cực nó xảy ra các quá trình điện hoá, như sự oxy hoá, sự khử, sự trao đổi điện tích, sự kết tủa của chất,... Nó cho ta biết quá trình điện hoá trong dung dịch diễn biến thế nào.

Điện cực chỉ thị có 2 loại:

- Điện cực kim loại rắn

- Điện cực màng (màng rắn và màng lỏng)

Các điện cực kim loại lại được chia thành 4 nhóm là:

+ Điện cực loại 1




a) Điện cực kim loại:

* Điện cực kim loại loại 1:

Điện cực loại này là các cực kim loại có khả năng cho hay nhận điện tử, ví dụ điện cực Cu, Zn, Fe,... Điện cực này dùng để theo dõi hay xác định nồng độ của các ion kim loại trong dung dịch. Ví dụ với điện cực Cu ta có cân bằng:

Cu2+(dd) + 2e- ? Cuo(r)

Cân bằng này xác định thế của điện cực và phương trình thế điện cực là:


46

2o

ind C u C u0.0 592E E log a

2 ?? ?


Điện cực này là cực kim loại trong muối khó tan của nó. Ví dụ Ag/AgCl, Hg/Hg2Cl2. Nó được sử dụng để nghiên cứu xác định các anion. Thế của cực được xác định bởi cân bằng:

AgCl (r) + 1e- ? Ago(r) + Cl- có Eo = 0.199V

HgCl2(dd) + 2e- ? 2Hgo (r) + 2Cl- có Eo = 0.244V

Quá trình điện hoá trên bề mặt điện cực có liên quan chặt chẽ đến các cân bằng điện hoá này.

Phương trình thế điện cực của điện cực bạc ở đây là:

? ?oin d C l

0 .0 5 9 2E E lo g a1 ?? ?

a là hoạt độ


Điện cực này là điện cực của các kim loại như Hg trong dung dịch chất tạo phức. Ví dụ khi một lượng nhỏ của HgY2- thêm vào dung dịch chứa Y4- (dung dịch EDTA) thì nửa phản ứng xảy ra trên điện cực catot thủy ngân như sau:

HgY2 + 2e- ? 2Hgo + Y4- có Eo = 0.21V

Và thế của điện cực chỉ thị loại này là:

4

2

Yind

HgY

a0.0592E 0.21 log2 a

?

?? ?

Vì phức HgY2- có hằng số tạo thành rất lớn (6.3x1023) nên nồng độ của nó không đổi với một khoảng rộng của nồng độ Y4- sử dụng nên:

4ind Y0.0592E K log a

2 ?? ?

với 2HgY

0.0592 1K 0.21 log2 a ?

? ?

Điện cực Hg là điện cực được sử dụng cho chuẩn độ EDTA.

* Điện cực oxy hoá khử:

Điện cực loại này là các kim loại trơ, ví dụ như Pt, Ag, Pd,...Các quá trình điện hoá oxy hoá - khử là xảy ra trên bề mặt liên tục. Điện cực là chất cho hay nhận electron của phản ứng điện hoá trên bề mặt điện cực. Ví dụ điện cực Pt trong dung dịch oxy hoá khử của Ce4+ /Ce3+ ta có

Ce4+ + 1e- ? Ce3+ có Eo = 1.32V


47

Và thế điện cực là:

4

3

o C eind

C e

a0 .059E E logn a

?

?? ?

Điện cực loại này được ứng dụng trong các phản ứng oxy hoá khử, ví dụ chuẩn độ Fe (II) bằng Ce(IV) hay ngược lại theo phản ứng:

? ? ? ? ? ? ? ?Fe II C e IV Fe III C e III? ? ?

Điện cực màng

Là loại điện cực chỉ thị pH (đo pH) và các điện cực chọn lọc ion (ion selective electrodes). Ở đây quá trình điện hoá là xảy ra ở trên màng của điện cực, màng điện cực có thể là màng rắn hay màng lỏng. Trong hai loại này, hiện nay màng rắn được chế tạo và sử dụng là chính.

* Điện cực đo pH:

Điện cực đo pH trong vùng pH từ 0 - 9 có nhiều dạng cấu tạo. Một trong số đó là dạng cấu tạo kết hợp cả điện cực thủy tinh và hai điện cực so sánh Ag vào trong cùng một thân ống (hình 4.5) và ở phần đáy của nó là một màng thủy tinh mỏng nhạy pH. Có hai điện cực Ag so sánh: một điện cực so sánh ngoài (sample reference) được dùng để đo thế tạo ra giữa mặt bên ngoài của màng thủy tinh và lớp dung dịch mẫu đo (E1); và một điện cực Ag so sánh trong (internal reference) để đo thế xuất hiện giữa bề mặt bên trong của màng thủy tinh và lớp dung dịch trong bầu thủy tinh (E2). Một cầu muối ở gần phần cuối thân ống.

Hoạt động của điện cực có thể mô tả như sau:

Điện cực thủy tinh

Dung dịch đo H+ trong H2O/điện cực Ag(bên

ngoài)

Lớp màng thuỷ

tinh

Bầu trong màng (AgCl bão hòa/ HCl

1M

Điện cực so sánh Ag (bên trong)

E1 E2

Tính chất và sự hoạt động của màng thuỷ tinh là yếu tố quyết định tính chất của điện cực. Màng thủy tinh có thành phần tùy thuộc vào nơi sản xuất. Một trong số đó được sử dụng rộng rải có thành phần xấp xỉ 22% Na2O, 6% CaO và 72% SiO2. Loại màng này đáp ứng tốt cho các phép đo pH đến 9. Hiện nay một số loại màng thủy tinh sử dụng Ba và Li ở những mức độ khác nhau thay thế cho các ion canxi và natri. Loại màng này có độ chọn lọc và tuổi thọ cao.

Trong màng thủy tinh, các cation như Li+ , Na+ có thể di chuyển trong và qua mạng lưới và chịu trách nhiệm về tính dẫn diện của màng. Cả hai lớp bề mặt cuả màng thủy tinh phải được hydrat hóa trước khi đo pH vì vậy điện cực sau khi đo pH xong nên bảo quản trong nước cất. Phản ứng trao đổi ion có thể viết như sau:


48

H+(dd) + Na+(bề mặt màng tt) Na+ (dd) + H+(bề mặt màng tt)

Nguyên nhân điện cực thủy tinh trong máy đo pH đáp ứng chọn lọc với ion H+ mà không với các ion khác là do ion H+ là ion duy nhất liên kết được lên lớp gel bị hydrat hóa. Những nghiên cứu với đồng vị tritium 3H cho thấy rằng ion H+ không đi qua lớp màng thủy tinh của điện cực pH. Còn ion Na+ thì có thể đi qua.

Khi cân bằng trao đổi ion trên được thiết lập thì hai bứơc nhảy thế xuất hiện ở hai ranh giới tiếp xúc giữa màng thủy tinh và lớp dung dịch tiếp xúc. Giá trị thế này phụ thuộc vào pH của dung dịch tiếp xúc tức phụ thuộc vào nồng độ H+ trong dung dịch 2 bên lớp màng. Sự khác nhau về thế do sự tích điện ở 2 bên lớp màng tạo nên giá trị thế Eb = (E1 – E2) = 0.059log(a1/a2)

Với a1 và a2 là hoạt độ của ion H+ trong dung dịch đo và trong dung dịch trong bầu thủy tinh. Vì hoạt độ của ion H+ trong bầu thủy tinh được giữ không đổi nên ta có mối liên hệ giữa điện thế Eb với pH dung dịch mẫu đo là:

Eb = L’ + 0.0592loga1 = L’ – 0.0592pH.

Quá trình trao đổi ion có thể được mô tả trong hình như sau:

Hình 4.4: Trao đổi ion ở lớp màng và lớp dung dịch sát bề mặt


49

Hình 4.5: Sơ đồ điện cực đo pH

- Chuẩn hóa một điện cực thủy tinh trong máy đo pH

Một điện cực thủy tinh pH nên được chuẩn hóa bằng hai (hoặc hơn) dung dịch đệm chuẩn được chọn thích hợp sao cho pH của dung dịch đem đo nằm trong khoảng pH của câc dung dịch chuẩn đó. Các dung dịch chuẩn này được pha để có các giá trị pH ở một nhiệt độ xác định được cho trong bảng 2.2 với độ chính xác đến ±0.01 đơn vị pH.

Trước khi sử dụng máy đo pH cần kiểm tra xem lỗ dẫn không khí (air inlet) nằm ở phía đầu ống điện cực đã được mở nắp ( lỗ này được đậy nắp kín trong suốt thời gian bảo quản để ngăn sự hóa hới của dung dịch đổ trong điện cực so sánh). Rửa điện cực thủy tinh bằng nước cất và nhẹ nhàng thấm khô nó bằng giấy thấm. Không được lau nó vì điều này dẫn đến sự tích điện trên bề mặt của điện cực thủy tinh. Nhúng điện cực trong một dung dịch chuẩn có pH gần 7 và để cho điện cực được cân bằng trong vài phút. Theo tài liệu hướng dẫn sử dụng của mỗi máy, điều chỉnh thang đo pH (thường với núm “ CALIBRATION’’) để đạt được giá trị pH của dung dịch đệm chuẩn.

Sau đó rửa điện cực thủy tinh với nước cất, thấm khô và nhúng nó vào trong dung dịch đệm chuẩn thứ hai có giá trị pH lớn hơn 7. Nếu điện cực hoạt động tốt tức đáp ứng đúng với phương trình Nenst thì giá trị thế sẽ thay đổi 0.05916 V trên một đơn vị pH ở 25 oC. Sự thay đổi thực tế có thể sai lệch nhẹ. Nhập giá trị pH hiển thị trên máy đo của dung dịch chuẩn thứ hai bằng núm có thể là “slop” hoặc “TEMPERATURE”. Có thể lặp lại sự chuẩn hóa này bằng hai dung dịch trên để thu được kết quả chính xác hơn.


50

Cuối cùng nhúng điện cực vào dung dịch cần đo pH, khuấy nhẹ dung dịch, để giá trị hiển thị được ổn định rồi đọc giá trị pH đo được.

Sau khi đo nhúng điện cực đo vào nước cất để ngăn sự mất nước của lớp thủy tinh điên cực. Nếu điện cực vừa đo dung dịch có pH > 9 thì nhúng điện cực trong dung dịch đệm pH cao.

Nếu đáp ứng của điện cực không còn nhạy hoặc nếu điện cực không thể chuẩn hóa thích hợp thì thử nhúng nó trong dung dịch HCl 6M, rồi sau đó nhúng trong nước cất. Cuối cùng nhúng điện cực trong dung dịch NH4HF2 (ammonium bifluoride) trong 1 phút chứa trong bình bằng nhựa. Chất này sẽ hòa tan ít thủy tinh và làm mới bề mặt điện cực. Rửa lại bằng nước cất và thử chuẩn hóa lại lần nữa. Cần tránh để dính NH4HF2 vào da.

Bảng 2.2: Các giá trị pH và dung dịch đệm theo NIS ( National institute of Standards)

4.5. Chuẩn độ đo thế.

Chuẩn độ đo thế là một phương pháp để xác định điểm tương đương (điềm kết thúc) của quá trình chuẩn độ. Hệ điện cực ở đây một là điện cực chỉ thị, nó là kim loại trơ (Pt, Ag, Pd) hay than thuỷ tinh (glassy carbon) hoặc điện cực thủy tinh và một điện cực so sánh.

Ở đây, trong quá trình chuẩn độ, các chất phân tích tác dụng với thuốc thử, làm nồng độ của nó thay đổi. Sự thay đổi này làm thay đổi thế của điện cực chỉ thị và tại điểm tương đương của quá trình chuẩn độ, thế của hệ đều có sự biến thiên đột ngột khác thường. Sự biến thiên của thế thường có một số dạng như trong hình 4.6


51

Hình 4.6: Sơ đồ hệ thống chuẩn độ đo thế xác định Fe2+ bằng dung dịch chuẩn Ce4+ và đường cong chuẩn độ 100.0 ml dung dịch Fe2+ 0.050M bằng dung dịch Ce4+ 0.100M trong dung dịch HClO4 1M.

Phép chuẩn độ đo thế được sử dụng cho các phép chuẩn độ.

- Axit bazơ: + Axit mạnh bằng bazơ mạnh

+ Axit yếu bằng bazơ mạnh

+ Bazơ yếu bằng axit mạnh

- Chuẩn độ oxy hoá khử

- Chuẩn độ kết tủa

- Chuẩn độ tạo phức (complexon)

Có thể nói kỹ thuật chuẩn độ đo thế là một phương tiện tốt để phát hiện điểm tương đương trong quá trình chuẩn độ. Nó cho kết quả tốt và chính xác hơn phương pháp dùng chỉ thị màu. Mặt khác chuẩn độ được cả ở nồng độ nhỏ (xem lại phần các phương pháp phân tích hoá học). Theo cách này hiện nay đã có hàng loạt các loại hệ thống máy chuẩn độ đã được nhiều hãng sản xuất và bán ra thị trường từ đơn giản đến phức tạp và hoàn toàn tự động. Trong đó Mettler và Tecator là hai hãng đã sản xuất nhiều về các loại thiết bị này.


52

CHƯƠNG 5: CÁC PHƯƠNG PHÁP VON - AMPE

(Volt - Amepemetry methods)

5.1. Mở đầu

Các phương pháp von-ampe được chia thành 2 nhóm. Đó là các phương pháp cực phổ (các phương pháp von - ampe) và các phương pháp chuẩn độ von - ampe. Các phương pháp cực phổ có cực phổ dòng một chiều (cực phổ cổ điển) ra đời từ những năm 20 của thế kỷ này. Nó đã được phát triển và ứng dụng nhiều. Giới hạn xác định nằm trong vùng 10-3 - 10-5 Mol/l.

Song do tồn tại dòng tụ điện nên không thể xác định được ở nồng độ nhỏ hơn 10-5 Mol/l mà các phương pháp cực phổ sóng vuông, cực phổ xung vi phân đã ra đời. Các phương pháp này do loại được đáng kể dòng tụ điện khi đo dòng điện phân của chất phân tích nên đã cho được độ nhạy cao hơn. Nhưng cũng chỉ đạt được đến 10-6 Mol/l đối với đa số các chất: chỉ vài chất mới có thể đạt độ nhạy n.10-7 Mol/l.

Cùng với sự phát triển của các phương pháp phân tích khác, phương pháp cực phổ von - ampe hoà tan ra đời (Electrochemical Stripping method). Đây là sự kết hợp của sự điện phân làm giàu và cực phổ để tăng độ nhạy. Vẫn với máy cực phổ, điện cực giọt Hg hay điện cực than ta có thể xác định được gần 30 kim loại bằng kỹ thuật von - ampe hoà tan này đến độ nhạy 10-5 - 10-8 Mol/l. Một số trường hơp đến 10-9 Mol/l.

5.2. Nguyên tắc của phép đo cực phổ.

Hình 5.1: Sơ đồ mạch của một máy cực phổ

Để thực hiện phép đo cực phổ để phân tích các chất chúng ta phải:

- Hòa tan chuyển chất phân tích vào một dung môi phù hợp để được dung dịch mẫu, thêm vào mẫu này chất nền phù hợp. Đó là các chất điện ly trơ, ví dụ KCl, LiCl,... Như vậy ta có dung dịch mẫu để đo.

- Mẫu đo được đặt vào bình điện hoá. Bình điện hoá có các cực làm việc, cực so sánh, và cực phụ trợ. Cực làm việc là cực ở đó phản ứng điện hoá xảy ra ra cần nghiên cứu, ví dụ cực làm việc có thể là


53

than thủy tinh, cực Pt, cực Au,... Cực so sánh hoặc là cực calomel hoặc là cực bạc clorua. Các cực này nối với máy đo.

- Bộ phận cấp và phân thế cho điện cực phù hợp theo mỗi loại cực phổ.

- Bộ phận đo ghi dòng điện sinh ra. Đó là đường cong von-ampe của quá trình phản ứng điện hoá xảy ra ở cực chỉ thị.

Theo nguyên tắc này, hệ thống trang bị của phép đo von-ampe phải bao gồm tối thiểu ba bộ phận.

1. Bình điện phân có các cực và que khuấy.

2. Bộ phận cấp thế và phân thế cho điện cực.

3. Máy đo để ghi đường cong von-ampe.

Tất nhiên, với các hệ thống máy hiện đại và hoàn chỉnh còn có thêm bộ phận tự động lấy mẫu: máy tính để chương trình hoá và điều khiển mọi quá trình ghi đo cũng như xử lý kết quả đo.

Theo nguyên tắc trên, để định lượng 1 chất theo phương pháp này, chúng ta có thể sử dụng phương pháp đường chuẩn hay phương pháp thêm và cơ sở của phép đo định lượng là dựa vào phương trình:

Ii = k.Cx

trong đó k là một hằng số và k = (n.F.S.Dx/?). Như vậy, nhờ một dãy mẫu đầu (mẫu chuẩn) có nồng độ C0, C1, C2,... C5 chính xác, sau đó ghi cường độ Ii tương ứng, chúng ta sẽ dựng được đường chuẩn Ii-C. Rồi từ đường chuẩn này chúng ta sẽ phát hiện được nồng độ Cx cần tìm.

Khi mẫu phân tích có thành phần phức tạp và chất phân tích có hàm lượng vết (rất nhỏ, sát giới hạn phát hiện) thì người ta thường sử dụng phương pháp thêm và theo cách này chúng ta loại trừ được các yếu tố ảnh hưởng thành phần nền của mẫu và thu được kết quả tốt. Về nguyên tắc, phương pháp này dùng ngay mẫu phân tích làm nền để pha 1 dây chuẩn. Sau đó cũng chọn điều kiện phù hợp ghi đo sóng cực phổ. Sau đó dựng đường chuẩn theo hệ toạ độ I - c? , trong đó c? đó là hàm lượng chất phân tích thêm vào mẫu chuẩn.

5.3. Cực phổ cổ điển.

Cực phổ cổ điển là phương pháp cực phổ dòng một chiều, nó được kích thích nhờ thế một chiều biến thiên tuyến tính liên tục. Heyrovsky và các cộng sự đã nghiên cứu và phát triển phương pháp cực phổ nay từ 1920 và đặc biệt được phát triển và dùng nhiều từ sau chiến tranh thế giới lần thứ 2.

Trong phương pháp cực phổ cổ điển, điện cực chỉ thị là cực giọt Hg treo và rơi theo chu kỳ τ tự do tuỳ thuộc vào độ cao của cột Hg. Các phản ứng điện hóa xảy ra trên bề mặt của giọt thuỷ ngân (Hg). Cực so sánh là cực calomel hay bạc cloua.


54

Hình 5.2: Sơ đồ cấu tạo của một máy cực phổ dùng điện cực giọt thủy ngân

Việc phân tích định lượng bằng phương pháp cực phổ cổ điển là dựa theo phương trình Inkovic:

1 /2 2 /3 1 / 6i xI = 605 n . D . m . . C?

trong đó:

Ii là dòng khuyếch tán giới hạn,

n là số electron tham gia phản ứng điện cực,

D là hệ số khuyếch tán của chất phân tích,

τ là chu kì giọt Hg,

Cx là nồng độ chất phân tích (mol/l).

Với một loại dung dịch mẫu và trong những điều kiện đã chọn ta có: 1/2 2 / 3 1/ 6k = (605.n.D . m . )? là một giá trị không đổi (const). Do đó:


55

Ii = k . Cx

nghĩa là trong điều kiện như thế, dòng giới hạn chỉ phụ thuộc vào nồng độ của chất phân tích mà thôi.

Hg của cực giọt Hg phải rơi đều đặn theo chu kỳ τ. Vì thế nếu giọt Hg không tròn đều như quả cầu, chu kỳ rơi τ của giọt Hg không hằng định thì đều là những yếu tố làm kết quả đo không lặp lại được. Vì trong phương trình ta có hằng số k = 605.n.D1/2. M 2/3 . t1/6 mà khi các yếu tố này không ổn định thì m . D . τ sẽ không ổn định nên k không phải là hằng số. Lúc này dòng Ii sẽ bị ảnh hưởng bởi k chứ không phải chỉ phụ thuộc vào nồng độ chất phân tích Cx.

Khi thay đổi thế áp vào điện cực thủy ngân và tiến hành ghi dòng tương ứng với thế đó rồi biểu diễn mối quan hệ dòng thế này sẽ thu được đường cong Von-Ampe hay còn gọi là sóng cực phổ (hình 5.3). Trong đồ thị này có giá trị thế tương ứng với giá trị dòng bằng ½ giá trị dòng giới hạn được gọi là thế bán sóng E1/2 của một chất điện hoạt. Đây là một giá trị đặc trưng cho chất đó mà không phụ thuộc vào nồng độ của chúng. Vì vậy bằng việc đo giá trị E1/2 có thế xác định định tính chất điện hoạt tạo ra sóng cực phổ đó.

Hình 5.3: Đường cong von- ampe (Sóng cực phổ)

Bảng 5.1: Thế nửa sóng của một số chất vô cơ và hữu cơ.

Ion kim loại Nền Thế bán sóng (V)

Al (III) 0.1 M KCl - 1,700

Br - 0.1 M KNO3 - 0,121

Cd (II) 0.1 M KCl - 0,602

Cu (II) 0.1 M KCl - 0,340

Cu (II) 1M NaOH - 0,410


56

Fe (II) 0.1 M KCl - 1,300

Mn (II) 1M KCl - 2,365

Pb (II) 0.1 M KCl - 0,410

Zn (II) 0.1 M KCl - 0,995


57

Trong phép đo này, khi đo dòng điện ở cực chỉ thị, ngoài dòng giới hạn Ii của chất phân tích gây ra, còn có dòng tụ điện (do lớp điện kép tạo ra). Nghĩa là dòng điện đo được bao gồm:

Ia = Ii + Ic

Nếu dòng tụ điện Ic mà lớn thì nó sẽ ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Hơn nữa hai dòng này làm khó khăn cho phép đo cực phổ. Vì thế phải loại trừ, hoặc làm giảm chúng đến mức nhỏ nhất và không đổi. Chính yếu tố này làm cho phép đo cực phổ cổ điển có độ nhạy không cao (chỉ đến 10-6 mol).

Để loại trừ dòng tụ điện, người ta có thể bù trừ nó bằng một nguồn thế phù hợp được nạp vào điện cực trong quá trình đo để khử dòng tụ điện và chọn thời gian đo phù hợp, thường là đo ở cuối chu kỳ giọt Hg thì dòng tụ điện là nhỏ nhất. Đồng thời thêm chất điện ly trơ vào dung dịch mẫu với nồng độ đủ lớn để làm cho lớp điện kép hầu như bị mất tác dụng.

Do những hạn chế trên, nên đến những năm 70 của thế kỷ này, nhiều phương pháp cực phổ mới đã ra đời và phát triển như các loại cực phổ xung, cực phổ hoà tan.

5.6. Phương pháp cực phổ xung.

Đây là một nhóm các phương pháp cực phổ mà điện cực chỉ thị được phân cực hoạt động bằng xung điện áp kích thích gián đoạn có biên độ và bề tộng (thời gian tồn tại) xác định khác nhau. Có rất nhiều loại xung, nhưng ở đây ta chỉ xét 2 loại xung cơ bản được sử dụng trong hầu hết các máy cực phổ.

5.6.1. Cực phổ xung biến đổi đều (Normal pulse polarography (NPP).

Trong phương pháp này điện cực giọt Hg được phân cực bằng một điện áp một chiều điện áp khởi điểm cho trước và không đổi trong suốt quá trình đo (điều này như cực phổ cổ điển). Nhưng trong mỗi chu kỳ giọt Hg (điện cực chỉ thị) lại được bổ sung thêm một xung vuông góc có khoảng thời gian tồn tại ngắn (từ 40-100ms) được đưa vào sát lúc Hg rơi (kết thúc chu kỳ). Sau đó xung này lại bị ngắt và thế điện cực trở về điện áp khởi điểm. Biên độ của xung tăng dần theo thời gian với tốc độ đều. Cường độ dòng cực phổ được ghi theo 1 trong hai cách sau:

a. Ghi tại thời điểm sau khi đặt xung (thường là 17 giây trước khi ngắt xung). Hầu hết các máy thực hiện theo cách này vì có độ nhạy cao để thực hiện.

b. Dòng cực phổ được ghi 2 lần: lần thứ nhất trước khi cấp xung, lần thứ 2 sau khi cấp xung (thông thường là 17ms trước khi cấp xung và 17ms trước khi ngắt xung). Cách này cho kết quả tốt, ổn định và có độ chính xác cao nhưng cách làm phức tạp hơn.

xi x

m

DI = n.F.S. . Ct?

Hay: Ii = k.Cx

Ở đây: S: Điện tích bề mặt điện cực tại thời điểm đo (cm2)

F: hằng số faraday

n: Số electron trao đổi trong phản ứng điện cực

Dx: Hệ số khuyếch tán của chất phân tích

tm: Thời gian từ lúc nạp xung đến lúc đo (sec)

Cx: Nồng độ các chất phân tích trong dung dịch đo

Ii : cường độ dòng giới hạn


58

Phương pháp NPP có thể đạt được độ nhạy đến 2.10-7 Mol/l cho hầu hết các chất có quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch.

Hình 5.4: Sơ đồ điện áp phân cực trong cực phổ xung biến đổi đều (NPP)

5.6.2. Cực phổ xung vi phân (Differential pulse polarography)

Trong phương pháp DPP điện cực chỉ thị được phân cực bằng một điện áp một chiều biến thiên tuyến tính với tốc độ chậm. Song vào cuối chu kỳ giọt Hg, người ta đặt thêm một xung vi phân với biên độ trong khoảng 10-100mV và độ dài 40-100ms. Cường độ dòng cực phổ được ghi 2 lần. Lần 1 tại thời điểm t1 (thường là 17ms) trước khi nạp xung và 2 lần tại thời điểm t2 (thường là 17ms) trước khi cắt xung. Hai giá trị này được đưa vào bộ so sánh và kết quả dòng cực phổ là hiệu quả của 2 giá trị đó.

Tính toán lý thuyết và thực nghiệm, cho thấy rằng dòng cực phổ DPP phụ thuộc vào các thông số của quá trình điện cực và phương trình dòng được tính theo công thức:

? ?? ?i x

m

- 1DI (max) = n.F.S.C x .t + 1

?? ?

với nF ΔEσ = exp x RT 2

? ?? ?? ?

Trong đó:

E? : Biên độ xung

Còn các giá trị n, F, S, tm cũng như trên.

So sánh công thức (3.8) này với công thức (3.6) và (3.7) ta thấy chúng cũng chỉ khác nhau hệ số k của nồng độ Cx. Vì công thức (3.8) ta có thể viết:

? ? ? ?? ?i x

p

- 1DI max = n.F.S . x x C.t + 1

?? ?

k2


59

? ?i 2 xI m a x = k .C

Như vậy dạng của đường chuẩn cũng tương tự như phương pháp NPP. Nó chỉ có khác hệ số góc k2.

Trong hai phương pháp cực phổ NPP và DPP thì phương pháp NPP có độ phân giải kém hơn phương pháp DPP. Ngoài ta phương pháp DPP còn có độ nhạy cao hơn, một số trường hợp đạt đến 10-8 Mol/l.

Phương pháp cực phổ NPP và DPP dùng điện cực rắn, có nhiều ưu điểm hơn điện cực giọt Hg. Vì diện tích bề mặt điện cực lớn và không đổi theo thời gian. Nhưng để đạt kết quả tốt phải quét nhanh (2 mV/sec) và thời gian gián đoạn giữa 2 xung chỉ cần 10 ms. Phương pháp cực phổ xung (DPP) ngoài phân tích các ion kim loại nó còn được sử dụng để phân tích các chất hữu cơ đạt kết quả tốt. Như phân tích các chất vitimin, thuốc kháng sinh...

Dạng đường cực phổ có dạng một cực đại.

- Bề mặt điện cực chỉ thị, vì ở đây mọi quá trình điện hoá xảy ra và quyết định dòng cực phổ ta cần ghi đo.

- Chất nền, chất điện ly trơ.

+ Các kỹ thuật về điều kiện nạp và ngắt xung.

+ Các điều kiện ghi đo dòng cực phổ.

Những vấn đề này cần được nghiên cứu và chọn cho phù hợp với mỗi loại mẫu phân tích.

Hình 5.5 : Dạng điện áp phân cực của phương pháp NPP và DPP


60

N+

N

Cl

NHCH3

C6H5O-

E1/2 = -0.265 V

+ 2H+ + 2e-

N

N

Cl

NHCH3

C6H5

E1/2 = -0.590 V + 2H+ + 2e-

NH

N

Cl

NHCH3

C6H5

E1/2 = -1.120 V

+ 2H+ + 2e-NH

HN

Cl

NHCH3

C6H5 Hình 5.6: So sánh trực tiếp của sóng cực phổ cổ điển với DPP của một dung dịch 1.2 x10-4 M chlodiazepoxide trong 3 ml dung dịch H2SO4 0.05M. Biên độ xung = 50 mV.

5.7. Cực phổ hoà tan (Von-ampe hoà tan)

Phương pháp điện hoá hoà tan (VAP: cực phổ hoà tan) về nguyên tắc gồm hai giai đoạn.

a. Giai đoạn đầu tiên là điện phân chất phân tích ở một thế nhất định không đổi Eđp trong suốt quá trình điện phân để làm giàu chất phân tích lên bề mặt điện cực chỉ thị dưới dạng các kim loại hay một chất kết tủa. Điện cực ở đây thường dùng là cực Hg treo hoặc màng Hg trên bề mặt cực rắn trơ than thủy tinh.


61

Quá trình điện phân thực hiện trên máy cực phổ với những điều kiện phù hợp cho các nguyên tố chất phân tích.

b. Sau khi điện phân đạt một lượng đủ lớn. Tiến hành hoà tan kết tủa bằng phương pháp điện hoá hoà tan kết tủa bằng phương pháp điện hoá hoà tan von-ampe, hay điện thế thời gian, hay dòng thời gian,... phương pháp Von-ampe và điện thế thời gian là được dùng phổ biến. Đại lượng điện hoá được ghi đo trong quá trình hoàn tan này là đường cong Von-ampe.

Như vậy 2 giai đoạn này là ngược nhau. Giai đoạn 1 này là làm giàu chất phân tích, giai đoạn 2 là hoà tan sản phẩm đã đựơc làm giàu vào dung dịch bằng cách phân cực điện cực chỉ thị bằng thế ngược lại và quét thế liên tục để ghi sóng cực phổ tại vùng thế biến thiên đó.

Ví dụ: phản ứng làm giàu ở thế không đổi trên catôt của ion kim loại Men+:

Men+ + ne- ? Meo (khử catôt)

và phản ứng hoà tan anốt khi biến thiên thế theo chiều dương dần ngược lại sẽ là:

Meo - ne- ? Men+ (Oxi hoá anốt)

Dòng hòa tan có thể được ghi bằng cực phổ một chiều (cực phổ cổ điển) hoặc ghi bằng cực phổ xung vi phân DPP . Khi kết hợp DDP với cực phổ hoà tan, trên đường cong Von-ampe hoà tan sẽ xuất sẽ xuất hiện các pic của chất phân tích.

Hình 5.7: Quá trình phân tích von-ampe hòa tan anot

Cường độ dòng cực phổ giới hạn Ii ngoài nồng độ của chất phân tích còn bị ảnh hưởng bởi loại cực chỉ thị được dùng để nghiên cứu.


62

*với điện cực giọt Hg treo: 2 1/ 2

i 1 xI k.n .r. E.u .t .C? ?

ở đây E? : Biên độ xung

t1 : Thời gian điện phân

k : Hằng số của các điều kiện thí nghiệm

n : Số electron trao đổi trong phản ứng điện cực.

u : Tốc độ biến đổi thế

r : Bán kính giọt Hg

trong những điều kiện nhất định thì E? ,t1, k, n, u, r là không đổi nên ta có:

Ii = K1 .Cx

Hình 5.8: cấu tạo của một điện cực giọt thủy ngân treo và giá đỡ dùng trong cực phổ von-ampe hòa tan

*Với điện cực đĩa quay ta có:

2/3 1/ 2 1/ 6i xI = 0,62.n.F.S .D . . .C?? ?

Đây là phương trình do Levise thiết lập và n, F, D ý nghĩa như đã nêu trên. ? là tốc độ góc của cực quay, ? là độ nhớt của dung dịch, S là diện tích bề mặt.


63

Như vậy trong những điều kiện thực nghiệm nhất định thì n, F, D,? ,? cũng là không đổi. Nên ta cũng

có:

Ii = k2 . Cx

Nghĩa là công thức tính dòng giới hạn ii giữa các cực chỉ khác nhau hệ số k ? ?1 2k k? . Còn về

dạng phương trình đều như nhau là: y = a.x

Phương pháp von-ampe hoà tan có độ nhạy cao hơn tất cả các phương pháp cực phổ khác. Đồng thời lại có thể ghi được 1 lúc nhiều nguyên tố trong dung dịch mẫu phân tích. Vì thế hiện nay phương pháp được ứng dụng nhiều nhất so với các phương pháp cực phổ khác.

Hình 5.9: Cấu tạo của một điện cực đĩa quay

5.8. Chuẩn độ ampe.

Kỹ thuật Von-ampe còn được sử dụng trong chuẩn độ phân tích thể tích với điều kiện là một trong các chất tham gia hoặc sản phẩm phản ứng bị oxi hóa hoặc khử ở tại vi điện cực và được gọi là các phương pháp chuẩn độ ampe. Nó là một kỹ thuật để phát hiện điểm tương đương của quá trình chuẩn độ của phản ứng dựa trên tính chất oxy hóa khử, kết tủa, tạo phức... Tuỳ theo bản chất của các chất phân tích và chuẩn độ mà đường cong chuẩn độ có dạng khác nhau. Nhưng dù ở dạng nào thì ở điểm tương đương của quá trình chuẩn độ đường cong này luôn có điểm gây đột ngột và thực tế của phản ứng oxy hoá khử trên điện cực chỉ có 3 dạng (hình). Dạng (a) là dạng chuẩn độ trong đó chất phân tích phản ứng ở vi điện cực còn thuốc thử thêm vào thì không. Dạng (b) thì thuốc thử tham gia phản ứng điện cực còn chất phân tích thì không. Còn dạng (c) thì cả hai đều tham gia phản ứng điện cực.


64

Có hai loại hệ thống điện cực trong chuẩn độ ampe. Một loại sử dụng một điện cực phân cực đơn cặp đôi với điện cực so sánh; còn loại kia sử dụng một cặp hai vi điện cực rắn giống nhau nhúng trong dung dịch được khuấy. Trong loại thứ nhất thì điện cực thường là một điện cực Pt quay được chế tạo bằng cách hàn một dây Pt trong một ống tube thủy tinh được quay bởi một mô tơ (hình).

Hiện nay, chuẩn độ ampe được sử dụng rất nhiều để chuẩn độ các chất oxy hoá khử ở nồng độ nhỏ với điện cực chỉ thị là kim loại trơ như Pt, Ag... ví dụ: chuẩn độ ion kim loại bằng dung dịch EDTA. Ngoài ra còn chuẩn độ các chất hữu cơ như các phenol, hidrazin, amin thơm, ôlefins,... bằng brom, điện cực chỉ thị được dùng là cực Pt quay hoặc một cặp vi điện cực Pt giống nhau. Brom được tạo thành bởi thêm một dung dịch chuẩn BrO3

- vào dung dịch chất phân tích trong môi trường axit có chứa một lượng dư ion Br- theo phản ứng:

- +3 2 2B rO + B r + 6H 3B r + 3 H O? ? ??

Trước điểm tương đương dòng rất nhỏ và không đổi do brom tạo thành phản ứng hết với chất cần phân tích ví dụ phenol, sau điểm tương đương dòng điện tăng nhanh do sự khử điện hóa của lượng dư brom:

Br2 + 2e- ? 2Br-

Việc sử dụng cặp vi điện cực Pt có thuận lợi là hệ thống đơn giản và không phải chuẩn bị và bảo dưỡng điện cực so sánh.


65

Hình 5.10: Hệ thống chuẩn độ ampe điện cực Pt quay và các dạng đường chuẩn độ ampe

5.9. Chuẩn độ điện lượng

Phương pháp phân tích điện lượng dựa vào sự điện phân dung dịch nghiên cứu, đo điện lượng (số culong) nhận được từ một dòng không đổi I(ampe) trong thời gian t giây từ sự oxi hóa hoặc khử của chất cần phân tích:

Q = It.

Lượng chất phân tích được tính theo định luật Faraday:

..

M Qmn F

?

ở đây: m là lượng chất phân tích (gam)

M là phân tử lượng

n là số electron tham gia cho nhận

F là hằng số Faraday (96485 C)


66

Chuẩn độ điện lượng được thực hiện với sơ đồ thiết bị được mô tả trong hinh

Hình 5.11: Sơ đồ của một thiết bị chuẩn độ điện lượng và cấu tạo của bình chuẩn độ

Hinh 5.11 trình bày sơ đồ của một thiết bị chuẩn độ điện lượng và cấu tạo của bình chuẩn độ. Bình này gồm một điện cực sinh (generator electrode) ở đó chất phản ứng (thuốc thử) được sản xuất và một điện cực đối. Điện cực sinh thường là bảng Pt hình chữ nhật có diện tích bề mặt lớn để giảm thieeeur hiệu ứng phân cực. Thường điện cực đối được tách khỏi môi trường phản ứng bởi một đĩa thủy tinh có những lỗ xốp để ngăn ảnh hưởng của các sản phẩm phản ứng tạo ra từ điện cực này. Ví dụ, H2 thường được tạo ra từ catot này có thể phản ứng với nhiều chất oxi hóa tại anot. Điều này nếu không ngăn chặn sẽ gây sai số hệ thống dương. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị

Khi công tắc nằm ở vị trí 1 thì bộ đếm thời gian (timer) bắt đầu đếm và bắt đầu có dòng điện trong bình chuẩn độ. Khi ở vị trí 2 thì cả hai bị ngắt. Nguồn tạo ra dòng không đổi cho chuẩn độ điện lượng là một thiết bị điện tử có khả năng duy trì một dòng đến 200 mA hoặc hơn. Bình điện phân cho chuẩn độ gồm một điện cực làm việc (generator electrode) có bề mặt tương đối lớn để giảm sự phân cực, ở đó tạo ra chất phản ứng và một điện cực đối để đóng mạch. Thường điện cực đối bị cô lập khỏi môi trường phản ứng để tránh sự ảnh hưởng của các sản phẩm tạo ra từ điện cực này.


67

PHÂN TÍCH SẮC KÍ

CHƯƠNG 6: CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÍ

6.1.Giới thiệu phương pháp

6.1.1 Định nghĩa sắc kí (Chromatography)

Định nghĩa của Mikhail S. Tsvett (1906):

? Sắc kí là một phương pháp tách trong đó các cấu tử của một hỗn hợp được tách trên một cột hấp thụ đặt trong một hệ thống đang chảy.

Định nghĩa của IUPAC (1993):

? Sắc kí là một phương pháp tách trong đó các cấu tử được tách được phân bố giữa hai pha, một trong hai pha là pha tĩnh đứng yên còn pha kia chuyển động theo một hướng xác định.

6.1.2. Phân loại ? Người ta phân loại các phương pháp sắc kí dựa vào cơ chế hoạt động sắc kí: hấp phụ,

phân bố, trao đổi ion… và vào tính chất của pha tĩnh cũng như phương pháp thể hiện sắc kí. Ví dụ:

- Phương pháp sắc kí lỏng rắn trên cột, phương pháp sắc kí phân bố khí lỏng trên cột.

- Phương pháp sắc kí phân bố lỏng lỏng trên bản phẳng hai chiều. - Phương pháp sắc kí phân bố lỏng lỏng pha ngược áp suất cao trên cột…

? Cơ chế sắc kí có nhiều nhưng để thực hiện quá trình sắc kí thì chỉ có hai dạng: dạng cột và dạng bản phẳng (bản kính, polime, kim loại, giấy).

? Trong sắc kí cột, pha tĩnh được giữ trong một cột ngắn và pha động được cho chuyển động qua cột bởi áp suất hoặc do trọng lực. Trong sắc kí bản mỏng, pha tĩnh được phủ trên một mặt phẳng thủy tinh hoặc kim loại.

? Thường để đơn giản hóa, tuy không chính xác người ta gọi tắt các phương pháp sắc kí: sắc kí khí, sắc kí lỏng, sắc kí lỏng cao áp, sắc kí lớp mỏng, sắc kí gel…

? Trong số các phương pháp sắc kí được biết, quan trọng nhất là sắc kí hấp phụ, sắc kí phân bố và sắc kí trao đổi ion. Dưới đây sẽ giới thiệu ba phương pháp sắc kí này nhằm vào hai mục đích: chuẩn bị mẫu cho chất phân tích và phân tích một hỗn hợp chất.


68

Bảng 6.1: Phân loại các phương pháp sắc kí cột

Phân loại chung Phương pháp cụ thể Pha tĩnh Kiểu cân bằng Sắc kí lỏng (LC) (Pha động : lỏng)

- Lỏng- lỏng hoặc phân bố - Pha lỏng liên kết - Lỏng-rắn hoặc hấp phụ trao đổi ion

- Lỏng được phủ trên một chất rắn - Chất hữu cơ được gắn trên một bề mặt rắn - Rắn Nhựa trao đổi ion

- Phân bố - Phân bố giữa chất lỏng và bề mặt liên kết - Hấp phụ Trao đổi ion

Sắc kí khí (GC) (pha động: Khí)

- Khí-lỏng - Khí - pha liên kết - Khí - rắn

- Lỏng được phủ trên một chất rắn - Chất hữu cơ được liên kết trên một bề mặt rắn - Rắn

- Phân bố giữa khí và lỏng - Phân bố giữa lỏng và bề mặt liên kết - Hấp phụ

Sắc kí lỏng siêu tới hạn

Pha lỏng: chất lỏng siêu tới hạn (supercritical fluid)

Chất hữu cơ được liên kết trên một bề mặt rắn

Phân bố giữa chất lỏng siêu tới hạn và bề mặt liên kết

Hình 6.1: Sơ đồ nguyên tắc a) sắc kí cột b) sắc kí bản mỏng

6.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG CỦA PHƯƠNG PHÁP SẮC KÍ

6.2.1. Quá trình sắc kí

Pha động

Mẫu

Pha tĩnh Hướng chảy pha động

Sắc kí đồ

Detector

Các cấu tử giải tách ra

Pha động

Lớp mỏng pha tĩnh Bản mỏng trơ

Các cấu tử tách ra

Hướng chảy pha động

Mẫu (A+B+C) Xuất phát

Điểm đến dung môi

Nồng độ của B


69

? Sắc kí là một kỹ thuật tách trong đó các cấu tử cần tách trong một hỗn hợp mẫu được vận chuyển bởi pha động đi qua pha tĩnh. Mẫu đi vào tướng động được mang theo dọc hệ thống sắc kí (cột, bản phẳng) có chứa pha tĩnh phân bố đều khắp.

? Pha động có thể là pha lỏng hoặc khí, pha tĩnh có thể là một lớp phim được phủ trên bề mặt của chất mang trơ hoặc một bề mặt rắn. Sự tương tác xảy ra giữa các cấu tử với pha tĩnh nhờ đó các cấu tử sẽ phân bố giữa pha động và pha tĩnh.

? Sự ái lực khác nhau của các chất tan trên pha tĩnh làm chúng di chuyển với những vận tốc khác nhau trong pha động của hệ thống sắc kí. Kết quả là chúng được tách thành những dải trong pha động và vào lúc cuối của quá trình các cấu tử lần lượt hiện ra theo trật tự tương tác với pha tĩnh.

? Cấu tử di chuyển chậm (tương tác yếu) ra trước, cấu tử bị lưu giữ mạnh hơn ra sau dưới dạng các đỉnh (pic) tách riêng rẻ (hoặc bậc thang) tùy thuộc vào cách tiến hành sắc kí và được hiển thị dưới dạng sắc kí đồ.

Hình 6.2 minh họa một quá trình tách một hỗn hợp đơn giản gồm hai chất A và B (lực tương tác với pha tĩnh của A < B) theo thời gian.

? Mẫu chứa A và B được tiêm vào cột. Khi cho một chất rửa giải bắt đầu chảy qua cột, phần của mẫu được hòa tan trong pha động được di chuyển tại phần đầu của cột (tại thời điểm to). Ở đây các cấu tử A và B tự phân bố giữa hai pha.

? Tiếp tục cho pha động đi qua cột thì nó sẽ đẩy phần hòa tan này chạy xuống dưới và một sự phân bố mới giữa pha động và pha tĩnh sẽ xảy ra (thời điểm t1). Đồng thời sự phân bố giữa dung môi mới và pha tĩnh cũng diễn ra tại vị trí của mẫu lúc đầu.

? Việc thêm tiếp dung môi sẽ mang các phân tử hòa tan chạy xuống cột trong một loạt liên tiếp các chuyển biến giữa hai pha. Bởi vì sự di chuyển của chất tan chỉ xảy ra trong pha động, nên tốc độ trung bình của sự di chuyển chất tan phụ thuộc vào phần thời gian chất tan ấy nằm trong pha đó. Phần thời gian này là nhỏ đối với chất tan bị lưu giữ mạnh bởi pha tĩnh (cấu tử B trong ví dụ trên) và lớn đối với chất tan (cấu tử A) có sự lưu giữ trong pha động mạnh hơn. Sau một thời gian các phân tử chất A và B dần dần được tách khỏi nhau.

? Nếu đặt một detectơ có khả năng phát hiện được các chất tan (cấu tử A và B) tại cuối cột tách và tín hiệu của nó được vẽ lại như một hàm của thời gian (hoặc thể tích được thêm vào) thì một loạt pic đối xứng sẽ được ghi lại và được gọi là sắc kí đồ.

? Vị trí của các pic theo thời gian được dùng để nhận diện định tính và diện tích của píc được dùng cho phép phân tích định lượng của cấu tử đang xét.


70

Hình 6.2: Quá trình tách sắc kí trên cột của hai chất A và B

6.2.3. Đặc tính sắc kí của chất tan

6.2.3.1. Tính chất lưu giữ

Tính chất lưu giữ phản ánh sự phân bố của chất tan giữa pha tĩnh và pha động và được biểu thị bằng các đại lượng thể tích lưu hay thời gian lưu.

? Thể tích lưu VR là thể tích pha động cần thiết để vận chuyển chất tan i từ thời điểm đưa mẫu vào, đi qua cột và đến detectơ (trên sắc kí đồ là điểm cực đại của pic).

? Thời gian lưu tRi là thời gian từ lúc chất tan i được nạp vào cột tách ở bộ phận tiêm mẫu cho đến lúc chất ra khỏi cột ở thời điểm có nồng độ cực đại.

? Thể tích lưu có thể nhận được trực tiếp từ thời gian lưu tR trên sắc kí đồ bằng cách nhân với tốc độ thể tích dòng Fc (thể tích của pha động trên một đơn vị thời gian):

Mẫu

Cột nhồi

Pha động

Detector

Sắc kí đồ

Thời gian


71

VR = tR. Fc

Ở đây tM hay to là thời gian không bị lưu giữ của chất tan (thời gian chất tan lưu trong pha động). Trong sắc kí khí, tM được lấy bằng thời gian cần thiết cho CH4 di chuyển đi qua cột.

Tương ứng tM hay to có thể tích VM (hoặc Vo) biểu thị thể tích trống của cột (bao gồm cả thể tích của bộ phận tiêm mẫu (injector), thể tích các đoạn ống nối, thể tích rỗng của chính cột và thể tích detectơ).

? Thể tích lưu hiệu chỉnh V’R hoặc thời gian lưu hiệu chỉnh t’R được cho bởi:

V’R = VR –VM hoặc t’R = tR – tM

(thời gian không bị lưu giữ của chất tan gần đúng được xem như là thời gian lưu của pha động).

Hình 6.3: Sắc kí đồ minh họa các thời gian lưu t (hoặc thể tích lưu) và độ rộng của đáy pic W của chất tan không bị lưu giữ M và của 2 chất bị lưu giữ 1 và 2

6.2.3.2 Hệ số phân bố K (Partition coefficient)

? Mỗi cấu tử hoặc chất tan được phân bố giữa 2 pha với một cân bằng được thiết lập và tất cả các quá trình tách sắc kí được dựa trên sự khác nhau về khả năng phân bố của chất tan giữa pha động và pha tĩnh.

? Khi chất tan đi vào hệ thống sắc kí, nó ngay lập tức phân bố giữa các pha động và pha tĩnh. Giả thiết nếu pha động dừng lại vào bất kì một thời gian nào, chất tan có một sự phân bố cân bằng giữa hai pha, và nồng độ của chất tan ở trong mỗi pha được cho bởi hệ số phân bố nhiệt động:

M

s

CCK ?

Ở đây Cs và CM là nồng độ chất tan trong pha tĩnh và pha động tương ứng.

Tiêm mẫu

Cường độ tín hiệu Detector

Thời gian (thể tích)


72

Trường hợp khi K = 1 thì chất tan được phân bố bằng nhau giữa hai pha.

? Hệ số phân bố xác định tốc độ trung bình của mỗi vùng chất tan (chính xác là tâm vùng) do pha động vận chuyển khi nó đi qua cột.

6.2.3.3 Hệ số dung lượng k’ (The capacity factor)

? Hệ số dung lượng k’ là thông số thực nghiệm quan trọng trong sắc kí cột được sử dụng rộng rải để mô tả các tốc độ dịch chuyển của các chất tan trên cột.

? Cho một chất tan, hệ số dung lượng k’ được định nghĩa như là tỉ số mol chất tan trong pha tĩnh và số mol chất tan trong pha động:

k’ = M

s

MM

ss

VVK

VCVC ?

Tỉ số VM/Vs được gọi là tỉ số thể tích pha

? Hệ số dung lượng còn được định nghĩa là tỉ số giữa thời gian của chất tan lưu lại trên pha tĩnh và thời gian cần để chất tan đó di chuyển trong pha động suốt chiều dài của cột nếu không bị lưu giữ tM.

M

MR

M

MR

M

R

VVV

ttt

ttk ?????

'

'

? Khi k’ cho một chất tan nhỏ hơn 1 nhiều, sự rửa giải xảy ra rất nhanh nên việc xác định

thời gian lưu là rất khó. Còn khi k’ khoảng 20 đến 30 thì thời gian rửa giải sẽ bị kéo dài. Vì vậy các phép tách nên được thực hiện ở những điều kiện mà các k’ của các chất tan nằm trong khoảng giá trị từ 1 đến 5.

? Giá trị k’ trong sắc kí khí có thể được thay đổi bởi việc thay đổi nhiệt độ và cách nhồi

cột. Còn trong sắc kí lỏng, k’ thường được điều khiển để cho phép tách tốt hơn bởi thay đổi thành phần pha động và pha tĩnh.

6.2.3.4 Hệ số chọn lọc (The selectivity factor)

? Khả năng của một pha tĩnh tách 2 cấu tử A và B (B là cấu tử bị lưu giữ mạnh hơn) được xác định bởi tỉ số phân bố tương đối của chúng và cũng là những hệ số lưu giữ của chúng đối với một pha tĩnh đã cho.

? Hệ số chọn lọc α là một hàm của sự lưu giữ tương đối của mỗi cấu tử trên pha tĩnh:


73

A

B

A

B

R

R

KK

kk

tt ??? '

'

'1

'2?

? Hệ số chọn lọc của một cặp dải (pic) gần nhau là một hàm phụ thuộc vào loại pha tĩnh được sử dụng, pha động và nhiệt độ của cột. Để cho một sự tách được tốt thì α nên có gía trị lớn hơn 1. Hai chất cần tách càng tách ra xa khỏi nhau khi α càng lớn nhưng nếu quá lớn thì thời gian phân tích càng kéo dài, α nên trong khoảng từ 1,05 đến 2,0.

6.2.3.5 Những yếu tố ảnh hưởng đến sự lưu giữ

Tốc độ di chuyển của một dải chất tan qua một cột hay một đĩa sắc kí lớp mỏng phụ thuộc vào sự phân bố của các phân tử chất tan giữa pha tĩnh và pha động. Những nhân tố ảnh hưởng đến sự phân bố hay sự lưu giữ là:

? Thành phần và tính chất của pha động ? Kiểu và tính chất của pha tĩnh ? Các lực tương tác các phân tử giữa các cấu tử của pha động và pha tĩnh ? Nhiệt độ

Hai yếu tố góp phần để tách tốt các hợp chất bởi sắc kí là:

? Sự khác nhau về thời gian phân bố của chúng trong 2 pha: nếu sự khác nhau càng lớn thì sự tách chúng càng tốt.

? Độ doãng rộng của các pic nếu càng rộng thì sự tách chúng càng kém.

6. 3. SỰ DOÃNG RỘNG CỦA PIC VÀ HIỆU LỰC TÁCH

6.3.1. Mở đầu

? Hiệu lực của một cột tách chịu tác động bởi độ lớn của sự doãng rộng pic xảy ra khi một chất chuyển động dọc theo cột.

? Chất tan khi chạy dọc theo cột có khuynh hướng phân bố như một hình phân bố chuẩn Gaussian với độ lệch chuẩn σ (hình 5).

? Nếu chất tan tiêu tốn nhiều thời gian khi dịch chuyển dọc xuống cột thì pic càng bị doãng rộng. Độ doãng rộng của một pic thường được biểu diễn thông qua các giá trị: W1/2 là độ rộng của của pic được đo ở ½ chiều cao của pic, W là độ rộng của đáy pic được xác định tại hai điểm cắt của hai đường tiếp tuyến của

hai bên thân pic với đường nền.


74

Hình 6.4: Sơ đồ của một dải chất tan và sự đánh giá của dải sắc kí đồ cho hiệu lực cột.

6.3.2. Sự khuếch tán

? Nguyên nhân chính dẫn đến sự doãng rộng của pic là sự khuếch tán. Hệ số khuếch tán D đo tốc độ J tại đó một chất di chuyển một cách ngẫu nhiên từ một vùng có nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp.

dxdcD

smmolJ ??)

.( 2

D là hệ số khuếch tán c là nồng độ x là độ dài di chuyển

? Sự khuếch tán trong chất lỏng thấp hơn trong chất khí khoảng 104 lần, còn các phân tử lớn thì khuếch tán chậm hơn các phân tử nhỏ từ 10 đến 100 lần.

? Độ rộng của dải sắc kí do khuếch tán được biểu diễn qua phương trình sau:

)4/(2

4Dtxe

Dtmc ???

ở đây:

Độ lệch chuẩn của dải

Tiêm mẫu Chiều cao pic

Chiều cao ½ pic

Trục thời gian


75

c là nồng độ (mol/cm3), t là thời gian, x là khoảng cách di chuyển được dọc theo cột, D là hệ số khuếch tán, m là số mol chất tan dịch chuyển qua một đơn vị diện tích tiết diện ngang của cột.

? Phương trình trên cho biết độ lệch chuẩn của dải sắc kí: Dt2??

6.3.3. Chiều cao đĩa lý thuyết H

? Chiều cao đĩa lý thuyết H là một hằng số giữa phương sai σ2 của dải chất tan và khoảng cách x mà nó di chuyển. Tên gọi này là từ lý thuyết chưng cất trong đó sự tách được thực hiện trong những giai đoạn rời rạc được gọi là đĩa tách.

H = σ2/L

Với L là chiều dài của cột nhồi

? Có thể giả định cột sắc kí được chia thành N phần mỏng hay N lớp hay N đĩa tách. Ở mỗi đĩa sự phân bố chất tan vào hai pha lại đạt đến một trạng thái cân bằng mới (sắc kí là một quá trình động, thực ra pha động chảy liên tục và thời gian không đủ để thiết lập trạng thái cân bằng).

? Chiều cao của đĩa tách cũng được gọi là chiều cao đĩa lý thuyết. Mặc dù trong cột sắc kí không có các đĩa thực nhưng người ta vẫn sử dụng khái niệm này để chỉ mối quan hệ giữa độ rộng của dải sắc kí và khoảng cách dịch chuyển dọc theo cột sắc kí.

? Nếu chiều cao đĩa lý thuyết càng nhỏ (tức số đĩa lý thuyết càng nhiều) thì độ rộng hay sự doãng rộng của pic càng nhỏ.

? Khả năng tách các cấu tử của một hỗn hợp của một cột được cải thiện nếu giảm chiều cao một đĩa lý thuyết. Các chất tan khi dịch chuyển qua cùng một cột tách có chiều cao đĩa lý thuyết khác nhau bởi vì chúng có hệ số khuếch tán khác nhau.

? Chiều cao một đĩa lý thuyết khoảng từ 0.1 đến 1 mm trong sắc kí khí và khoảng 10 µm trong săc kí lỏng hiệu năng cao và nhỏ hơn 1µm trong sắc kí điện di mao quản.

6.3.4. Số đĩa lý thuyết N

N = 2

2

?L

HL ?

Ở đây L là chiều dài cột, với RtWL

4??? nên:


76

N = 2

216W

tR

Hay N = 22/1

254.5W

tR?

Với:

tR là thời gian lưu của pic, W là độ rộng của pic ở đáy, W1/2 là chiều rộng của pic đo ở nửa chiều cao từ đỉnh đến đáy pic.

Công thức này được sử dụng để xác định thực nghiệm số đĩa lí thuyết của một cột tách.

Hiệu lực của cột tách sẽ tăng lên khi số đĩa lí thuyết càng lớn và khi chiều cao đĩa càng nhỏ.

6.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU LỰC TÁCH CỦA CỘT

6.4.1 Ảnh hưởng của tốc độ của pha động

? Mức độ ảnh hưởng động học lên hiệu lực của một cột rõ ràng phụ thuộc vào độ dài thời gian của pha động tiếp xúc với pha tĩnh tức phụ thuộc vào tốc độ pha động.

? Nghiên cứu về hiệu lực cột nói chung được thực hiện bởi việc xác định chiều cao H như là một hàm phụ thuộc vào tốc độ pha động.

? Kết quả cho thấy cả sắc kí khí lẫn sắc kí lỏng đều có chiều cao đĩa lí thuyết đạt cực tiểu ở trong vùng tốc độ dòng thấp của pha động và nói chung tốc độ đó của sắc kí lỏng thấp hơn so với sắc kí khí.

6.4.2 Lí thuyết về sự doãng rộng pic

? Hơn 40 năm qua, rất nhiều công trình nghiên cứu về thực nghiệm lẫn lý thuyết về mối quan hệ định lượng để giải thích ảnh hưởng của các thông số như: vận tốc tuyến tính của pha động, hệ số khuếch tán trong pha động và trong pha tĩnh, tỉ số phân bố, đường kính của hạt nhồi, bề dày của lớp chất lỏng phủ trên hạt… đến chiều cao đĩa lý thuyết cho các loại cột khác nhau.

? Những yếu tố ảnh hưởng này được phản ánh qua phương trình của Van Deemter như sau:

uCuCuBAH Ms ????

Ở đây:

H là chiều cao đĩa lý thuyết (cm); u là vận tốc tuyến tính của pha động (cm/s);


77

A là hệ số mô tả ảnh hưởng đến H của sự khuếch tán xoáy; B là hệ số khuếch tán dài; Cs và CM là các hệ số chuyển khối của pha tĩnh và pha động.

Hình 6: Đường cong H-u (Van Deemter) cho một cột sắc kí khí

6.5. ĐỘ PHÂN GIẢI CỦA CỘT (Column resolution)

6.5.1 Định nghĩa

? Trong sắc kí, độ phân giải Rs của hai pic được xác định như sau (hình 8):

Rs =

212

12

WWtt

WV

Wt RR

av

R

av

R

??????

ở đây :

o ΔtR và ΔVR là hiệu của thời gian hoặc thể tích lưu giữ của hai pic, o Wav là độ rộng trung bình của hai pic.

Đường H = f(u)

Số hạng B

Số hạng Cs

Số hạng CM

Số hạng A

Vận tốc tuyến tính trung bình u


78

Hình 8: Sự phân giải pic.

Tiêm mẫu Thời gian

Độ phân giải kém, độ chọn lọc tồi

Độ phân giải kém, độ chọn lọc tốt nhưng thời gian phân tích dài

Độ phân giải kém, độ chọn lọc tốt và thời gian phân tích hợp lí

Độ phân giải kém, độ chọn lọc tốt nhưng thời gian phân tích quá dài, pic bị doãng rộng


79

? Độ phân giải của một cột tách cho biết khả năng tách hai chất phân tích bởi cột. Nếu cột

tách có độ phân giải khoảng 1.5 thì phép tách A và B gần như hoàn toàn (sự xen phủ chỉ còn khoảng 0.3%), trong khi nếu độ phân giải 0.75 thì không tách được còn độ phân giải bằng 1 thì sự xen phủ của hai pic còn khoảng 4%.

? Độ phân giải cho một pha tĩnh đã chọn có thể được cải thiện bởi tăng chiều dài của cột tách (tức tăng số đĩa l í thuyết N của cột tách) nhưng như vậy sẽ làm kéo dài thời gian phân tích.


80

Chương 7: SẮC KÍ KHÍ

7.1. Mở đầu

7.1.1 Khái niệm

? Cơ sở để tách bằng sắc kí khí là sự phân bố của mẫu thử giữa hai pha: pha tĩnh có bề mặt tiếp xúc lớn, pha động là khí thấm qua toàn bề mặt tĩnh đó.

? Nếu pha tĩnh là rắn thì gọi là sắc kí khí-rắn. Chất rắn nhồi cột thường là silicagel, rây phân tử hoặc than hoạt tính. Quá trình này chủ yếu là hấp phụ.

? Nếu pha tĩnh là lỏng, ta có sắc kí khí-lỏng. Chất lỏng bao bọc quanh bề mặt một chất rắn trơ, gọi là chất mang, tạo nên một lớp phim mỏng. Cơ sở cho sự tách ở đây chính là sự phân bố của mẫu trong và ngoài lớp phim mỏng này.

7. 1.2 Vài nét lịch sử

? 1905 Ramsey tách hỗn hợp khí và hơi dựa trên cơ sở hấp phụ của than hoạt. ? 1906 Tswett tách các sắc tố thực vật trên cột và gọi quá trình tách là ‘sắc kí’ ? 1941 Martin và synge (giải thưởng Nobel) trình bày lý thuyết đĩa trong chưng cất và chiết

suất ngược dòng. Trên cơ sở đó James và Martin đề xuất ra sắc kí khí-lỏng (1952) ? Từ đó đến nay GC ngày càng hoàn thiện. Đến năm 1968 đã có khoảng 18000 công trình

về GC. Những năm gần đây được sự hỗ trợ của công nghệ điện tử và tin học, GC đạt được nhiều thành tựu hơn nũa.

7.2.Thiết bị

? Hiện nay, hơn 30 nhà sản xuất cung cấp ra thị trường khoảng 150 mẫu khác nhau của thiết bị sắc kí khí.

? Trong thập niên 70, các bộ tích phân kế điện tử và xử lý số liệu dựa trên máy tính trở nên thông dụng.

? Thập niên 80 đã xuất hiện các thiết bị sắc kí khí với các thông số như nhiệt độ của cột, tốc độ dòng, tiêm mẫu, được điều khiển bằng máy tính với giá cả vừa phải; và có lẽ quan trọng nhất là sự phát triển của các cột có khả năng tách những mẫu phức tạp có chứa nhiều cấu tử trong một khoảng thời gian ngắn.

Những thành phần chính của thiết bị sắc kí khí được mô tả trong hình 7.1.


81

Hình 7.1: Sơ đồ khối của một máy sắc kí khí

Hình 7.2: Một sắc kí đồ tiêu biểu tách các este bão hòa bởi sắc kí khi-lỏng 1. methyl formate 2. methyl acetate 3. ethyl formate 4. ethyl acetate 5. n-propyl formate 6. iso-propyl acetate 7. n-butyl formate 8. sec-butyl acetate 9. iso-butyl acetate 10. n-butyl acetate

7.2.1 Hệ thống cung cấp khí mang

? Các khí mang phải là những chất trơ về mặt hóa học như He, Ar, N2, CO2 và H2. Như được trình bày dưới đây, sự chọn lựa khí mang thường được quyết định bởi loại detector sử dụng.

? Hệ thống cung cấp khí mang bao gồm các bộ điều chỉnh áp suất (pressure regulators), các thiết bị đo áp suất (gauges), và thiết bị đo tốc độ dòng.

? Hệ thống khí mang còn chứa một hệ thống lọc phân tử để tách nước và các chất nhiễm bẩn khác.


82

? Tốc độ dòng được kiểm soát bởi các bộ điều chỉnh áp suất hai giai đoạn được lắp vào các bình chứa khí mang.

? Áp suất của khí vào thiết bị nằm trong khoảng từ 10 đến 50 psi dẫn đến tốc độ dòng từ khoảng 30 đến 150 ml/ph đối với cột nhồi và khoảng từ 1 đến 25 ml/ph đối với cột mao quản. Nói chung, nếu áp suất đi vào thiết bị không đổi thì tốc độ dòng sẽ là không đổi. Để đo tốc độ dòng khí người ta dùng lưu tốc kế (flowmeter) với bọt xà phòng và đồng hồ bấm giây.

Khí mang

Độ giảm áp suất tỉ lệ với độ nhớt khí mang nên cần chọn khí mang có độ nhớt thấp cho cột mao quản và cột nhồi chặt. Bảng sau dẫn ra một số đặc tính cơ bản của một số khí mang

Khí Độ dẫn điện χ, 10-4 cal/cm.oK

Độ nhớt η ở 1 atm 50oC 100oC 200oC 300oC

Argon Heli Nito

Hydro

0.52 4.08 0.37 5.47

242 208 188 94

271 229 208 103

321 270 246 121

367 307

- 139

Khi lựa chọn cần chú đến detector đang sử dụng như sau:

? Detector đo độ dẫn cần phải sử dụng khí mang có độ dẫn cao như H2, He. Khí He có ưu điểm không nguy hiểm.

? Detector ion hóa ngọn lửa có thể vận hành với tất cả các khí mang vô cơ trừ oxi. Do giá thành rẻ và không nguy hiểm nên người ta thường sử dụng khí N2, nhưng trong trường hợp ghép nối với các thiết bị khác, ví dụ ghép nối với khối phổ thì phải dùng khí mang là heli.

? Detecto cộng kết ngọn lửa thường dùng khí mang là N2.

Sau đây là đặc điểm của một số khí mang thông dụng:

? Khí H2 khi sử dụng làm khí mang cần dùng khí nitơ làm khí bảo vệ thổi qua cột trước. Trong các phòng thí nghiệm người ta đã dùng phổ biến máy sản xuất khí hydro với công suất từ 125 ml/ph đến 225 ml/ph. Khi dùng H2 trong phòng thí nghiệm phải có mày dò chỗ hở H2 và cấm lửa.

? Khí He, argon là khí trơ hóa học rất thích hợp cho sắc kí ở nhiệt độ cao. ? Khí nitơ do không nguy hiểm, giá rẻ và dễ dàng làm tinh khiết nên N2 được dùng nhiều

cho sắc kí khí. Cần chú y là độ dẫn nhiệt của N2 rất gần với độ dẫn của nhiều khí và hơi nhiều chất hữu cơ nên có trường hợp pic sắc kí có thể bị ngược.


83

7.2.2 Hệ thống tiêm mẫu

Cách thông dụng nhất để đưa mẫu vào cột là sử dụng một bơm tiêm mẫu vi lượng (microsyringe) để tiêm một mẫu lỏng hoặc khí qua một đệm cao su silic chịu nhiệt (septum) vào một buồng hóa hơi (injector). Buồng này được đốt nóng với nhiệt độ thích hợp và được nối với cột tách . Đối với các cột tách thông thường, cỡ mẫu thường thay đổi từ một vài đến 20µl. Cột mao quản đòi hỏi lượng mẫu đưa vào nhỏ hơn nên trong trường hợp này hệ thống chia dòng mẫu được thiết kế trong bộ injector được sử dụng để chỉ giao một phần nhỏ lượng mẫu được tiêm đi vào cột, phần còn lại được thải ra ngoài.

7.3. Cột sắc ký

Trong thực tế có nhiều dạng cột tách có nhiều dạng cột tách khác nhau nhằm thỏa mãn các mục đích nghiên cứu. Nói chung cột tách sắc kí cần thỏa mãn các yêu cầu sau:

-Đảm bảo trao đổi chất tôt giữa pha động và pha tĩnh nhờ việc tối ưu hó các thông số của phương trình Van Deemter.

-Độ thấm cao tức có độ giảm áp suất nhỏ với một tốc độ khí mang nhất định.

- Khả năng tải trọng cao của cột.

-Có khoảng nhiệt độ sử dụng rộng và chịu được nhiệt độ cao.

7.3.1 Cột nhồi

Cột nhồi chứa các hạt chất mang rắn được phủ một lớp pha tĩnh lỏng hoặc bản thân hạt rắn là pha tĩnh. Các cột thường được làm bằng thép không rỉ, nicken, thủy tinh với đường kính khoảng từ 3 dến 6 mm và chiều dài khoảng từ 1 đến 5 m. Chất mang rắn thường là diatomite đã được silan hóa để giảm liên kết hydro với các chất phân cực:

- Si - O - Si - + (CH ) SiNHSi(CH ) - Si - O - Si - + NH

OH OH ( CH ) SiO OSi(CH )

3 3 3

3 3 3 3

3 3

Trong cột nhồi, kích thước hạt đồng nhất sẽ làm giảm chiều cao cột và tăng độ phân giải. Cở hạt nhỏ sẽ làm giảm thời gian cân bằng hòa tan nhờ vậy làm cải thiện hiệu quả của cột. Tuy nhiên, nếu kích thước hạt càng nhỏ thì càng ít không gian trống giữa các hạt và áp suất để ép pha động qua cột phải càng cao. Kích thước hạt được biểu diễn theo micromet hoặc cở mesh, tức là cở lưới mà hạt có thể đi qua hoặc bị giữ lại trên sàng. Ví dụ các hạt cở 80/100 mesh đi qua được cở sàng 80 mesh (170µm) nhưng không đi qua được cở 100 mesh (150 µm).


84

Yêu cầu của chất mang rắn là không tham gia vào sự tách và có khả năng giữ được pha tĩnh (không ít hơn 10 %).

7.3.2 Cột mao quản

Đa số các phép phân tích trong sắc kí khí sử dụng các cột mao quản dài từ 15 đến 100 m và đường kính trong rất nhỏ từ 0.10 đến 0.53 mm. Các cột này được chế tạo từ thủy tinh oxit tinh khiết nấu chảy có mức độ liên kết ngang cao hơn nhiều so với thủy tinh thường nên bền và chịu được nhiệt độ cao đến 350oC. Lực căng cao của ống thủy tinh cho phép chế tạo các cột có thành mỏng và dễ uốn. Các cột mao quản mở được thiết kế để cung cấp độ phân giải cao hơn, thời gian phân tích ngắn hơn và độ nhạy cao hơn cột nhồi nhưng chúng có dung lượng thấp hơn cho các mẫu. Cột mao quản mở hẹp cung cấp độ phân giải cao hơn cột mao quản mở rộng hơn nhưng chúng đòi hỏi áp suất cao hơn để hoạt động và có dung lượng cho mẫu nhỏ hơn.

Cột phủ lớp phim mỏng lỏng pha tĩnh dày khoảng từ 0.1 đến 5 µm trên bề mặt bên trong như được minh họa trong hình. Nếu giảm độ dày của lớp phim này sẽ làm tăng độ phân giải, giảm thời gian lưu và giảm dung lượng cho mẫu. Một loại khác là các cột mao quản được nhồi các hạt rắn chất mang phủ một lớp pha tĩnh lỏng được gắn trên bề mặt bên trong của cột như trong hình. Bởi vì diện tích bề mặt của loại này tăng lên, cột này có thể xử lý những mẫu lớn hơn cột phủ lớp phim mỏng trên thành cột. Loại cột này là trung gian giữa cột mao quản phủ phim mỏng trên thành và cột nhồi.

Hình 7.3: Cột mao quản được làm bằng polyamide và fused silica


85

Hình 7.4: Minh họa thành bên trong của các cột nhồi và cột mao quản

7.3.3. Những yêu cầu về pha tĩnh lỏng

Một pha tĩnh lỏng lý tưởng cho sắc ký khí lỏng cần thể hiện độ chọn lọc và khả năng hòa tan của các cấu tử được tách và có khoảng nhiệt độ làm việc rộng. Nó cũng phải bền hóa học và có áp suất hơi bão hòa thấp ở tại các nhiệt độ cao. Nhiệt độ làm việc nhỏ nhất nên gần nhiệt độ phòng, ở đây chất lỏng pha tĩnh phải tồn tại ở dạng lỏng chứ không phải rắn. Khi chọn lựa pha tĩnh, một sự thỏa hiệp giữa lý thuyết và thực nghiệm phải được xem xét. Ví dụ theo phương trình Van Deemter thì hiệu quả tách của cột cao hơn nếu cột chứa pha tĩnh lỏng ít hơn so với cột như vậy nhưng phần pha tĩnh lỏng cao hơn. Nhưng trong thực tế pha tĩnh lỏng phủ trên chất mang mỏng có thể tạo nên một sự che phủ không đầy đủ các vị trí hoạt động trên bề mặt chất mang dẫn đến sự kéo đuôi của pic, khi đó cần tăng phần trăm của pha tĩnh lỏng trên chất mang.

Các phép tách trong sắc ký khí lỏng là kết quả của những tương tác pha tĩnh hòa tan chọn lọc và sự khác nhau của hơi bão hòa của các chất tan. Lực tương tác chính chịu trách nhiệm trong tương tác của chất hòa tan với pha tĩnh là phân bố, cảm ứng, định hướng và tương tác cho nhận. Tổng của chúng được đo lường bởi “độ phân cực” của pha tĩnh đối với chất tan. Mặt khác, khả năng chọn lọc được xem xét dưới dạng độ lớn của năng lượng riêng lẻ của phép tách. Trong sắc ký khí lỏng, khả năng chọn lọc của một cột chi phối khoảng trống giữa các pic và độ lớn cực đại của pic được tách. Các thông số sau đây ảnh hưởng đến độ chọn lọc:

-Bản chất của pha tĩnh

-Nồng độ của pha tĩnh

-Nhiệt độ cột

-Việc chọn lựa và xử lý sơ bộ chất mang rắn hoặc chất hấp phụ.


86

Sự khác nhau về độ chọn lọc là có ý nghĩa vì chúng cho phép việc tách các chất tan có cấu trúc gần giống nhau bởi một pha tĩnh chọn lọc.

Một vài loại pha tĩnh lỏng thông dụng được liệt kê trong bảng. Việc chọn pha tĩnh lỏng cho một đối tượng mẫu được dựa trên qui tắc “các chất càng giống nhau thì càng tan tốt vào nhau”. Cột không phân cực là tốt nhất cho mẫu phân tích không phân cực. Các cột có độ phân cực trung bình thì tốt cho mẫu phân cực trung bình và phân cực mạnh thì tốt cho mẫu phân cực mạnh. Khi cột dùng nhiều bị lão hóa thì pha tĩnh bị đốt bay mất nên các nhóm silan (Si-OH) bị lộ ra và các pic bị kéo dài đuôi tăng lên. Nếu trong cột có oxi ở nhiệt độ cao cũng dẫn đến sự thoái hóa cột và pic bị kéo đuôi. Để giảm khuynh hướng pha tĩnh bị mất ở nhiệt độ cao, người ta gắn chúng vào bề mặt pha tĩnh silica bằng các liên kết cộng hóa trị.

Người ta chia các pha lỏng và các đối tượng cần tách ra nhiều nhóm theo tính phân cực của phân tử như sau:

-Nhóm rất phân cực: H2O, glycol, glyxerin, poliphenol, axit dicacboxylic.

-Nhóm phân cực: ancol mạch thẳng, axit béo hữu cơ, phenol, amin bậc 1,2, hợp chất nitro và nitril không chứa hydro.

-Nhóm phân cực trung bình: ete, ankanal, ankanon, este, amin bậc 3, hợp chất nitro và nitril không chứa hidro.

-Nhóm ít phân cực: hidrocacbon thơm, anken, hidrocacbon đã bị halogen hóa một phần.

-Nhóm không phân cực: ankan, thioankanol, sunfua, ankan đã bị halogen hóa.

Dựa vào nguyên tắc cơ bản là các chất giống nhau hòa tan tốt vào nhau để chọn lựa pha tĩnh. Ví dụ để tách ancol ta phải chọn pha lỏng phân cực như cacbowax-20, ngược lại để tách hidrocacbon no mạch thẳng phải sử dụng các pha lỏng không phân cực. Có hai loại pha tĩnh phổ biến nhất là polysioxane và polyethylene glycol.

-Polysioxanes: là các pha tĩnh được sử dụng rộng rải nhất cho các cột sắc ký khí mao quản cũng như cột nhồi. Bởi vì cấu trúc của chúng có thể được gắn thêm một số loại nhóm chức đa dạng nên chúng thể hiện tính phân cực trong một dải rộng. Các loại silicon này là dạng gôm nhớt nên có thể phủ tốt trên silica và cũng thích hợp lý tưởng cho cột sắc ký mao quản.


87

Squalane

CH3 CH3 CH3 CH3

HC-(CH2)3-CH-(CH2)3-CH-(CH2)4-CH-(CH2)3-CH-(CH2)3-CH

CH3 CH3 CH3 CH3

Polyethylene glycol

Các pha tĩnh không chứa silicon được sử dụng rộng rải nhất là các polyethylene glycol. Chúng có sẵn trên thị trường với một khoảng rộng của trọng lượng phân tử dưới dạng như cabowax 20M và superox-4. Cấu trúc chung của một polyethylene glycol có thể được mô tả như sau:

HO-CH2-CH2-(-O-CH2-CH2-)n-O-CH2-CH2-OH


88

Loại pha tĩnh lỏng này có độ phân cực cao, nhưng cũng có một vài hạn chế. Ví dụ cabowax 20M có nhiệt độ làm việc cực đại khá thấp 225oC và nhiệt độ làm việc tối thiểu là 60oC. Hơn nữa, những lượng vết của oxi và nước có những ảnh hưởng không tốt trên các pha tĩnh lỏng nhưng đặc biệt không tốt cho cacbowax 20M, làm tăng nhanh quá trình lão hóa của cột.

Những đòi hỏi pha tĩnh về tính chọn lọc và độ bền nhiệt cao hơn trở nên được xác định rõ ràng hơn: quá trình chọn lọc và phân loại đã trở nên logic sau những nghiên cứu của Mc Reynolds và Rohrschneider được công bố. Cả hai được dựa trên chỉ số lưu Kovats.

7.4. Detector

7.4.1 Detector đo độ dẫn nhiệt (Thermal conductivity detector)

Trước đây, detector đo độ dẫn nhiệt là loại thông dụng nhất trong sắc kí khí bởi vì nó đơn giản và đáp ứng hầu hết các chất phân tích. Không may, độ dẫn nhiệt không đủ nhạy để dò tìm những lượng nhỏ của chất phân tích tách từ cột mao quản mở có đường kính cột nhỏ hơn 0.53 mm. Các detector đo độ dẫn nhiệt vẫn còn sử dụng cho cột mao quản đường kính 0.53 mm và cho các cột nhồi.

Bảng 7.1: Độ dẫn nhiệt tại 273 K và 1 atm

Khí Độ dẫn nhiệt J/(K.m.s)

Phân tử lượng

H2 He

0.170 0.141

2 4


89

NH3 N2

C2H4 O2 Ar

C3H8 CO2 Cl2

0.0215 0.0243 0.0170 0.0246 0.0162 0.0151 0.0144 0.0076

17 28 28 32 40 44 44 71

Hình 7.5: Dectector đo độ dẫn nhiệt (TCD).

Độ dẫn nhiệt đo khả năng của một chất vận chuyển nhiệt từ một vùng nóng sang vùng lạnh (bảng). Nhiệt mất đi khi các phân tử khí đập vào sợi dây đốt nóng rồi bật ra với một động năng lớn hơn. Số va chạm phân tử với sợi đốt trong một đơn vị thời gian càng lớn thì tốc độ mất nhiệt càng lớn. Sự khác nhau về tính dẫn nhiệt của các khí là do tính linh động, nghĩa là tốc độ khí khuếch tán tới và đi khỏi sợi đốt. Tốc độ của phân tử lại là hàm của trọng lượng phân tử, do đó phân tử càng nhỏ tốc độ chuyển động càng cao, dẫn nhiệt càng tốt. Heli là khí mang thông dụng được sử dụng cho detector đo độ dẫn nhiệt. Nó cũng là khí có độ dẫn nhiệt cao thứ hai (sau H2), nên bất ký chất phân tích nào trộn với dòng khí He cũng làm giảm độ dẫn nhiệt của dòng khí. Trong detector trong hình , chất rửa giải từ cột sắc kí chảy qua sợi dây tóc nung nóng Tungsten-rhenium. Khi chất phân tích xuất hiện từ cột, độ dẫn nhiệt của dòng khí bị giảm xuống,


90

sợi dây tóc trở nên nóng hơn nên điện trở của nó tăng lên và thế áp vào sợi dây này thay đổi. Detector sẽ đo sự thay đổi thế này theo cầu Wheatstone như sau

Hình 7.6: Detector đo độ dẫn nhiệt - Cầu nối Wheatstone

Một dòng nhỏ khí mang để làm khí so sánh đi qua R1 và R2. Khí mang và mẫu sau khi qua cột được cho đi qua S1 và S2.

Khi cả 4 sợi đốt S1, S2, R1, R2 ở cùng một nhiệt độ, chúng sẽ có cùng giá trị điện trở, cầu cân bằng, tín hiệu ra bằng không. Nếu điện trở S1 và S2 thay đổi do khí mang cuốn theo cùng với các cấu tử chất phân tích, cầu mất cân bằng, tín hiệu ra xuất hiện.

Độ nhạy của detector đo độ dẫn nhiệt tỉ lệ nghịch với tốc độ dòng khí. Nó nhạy hơn với tốc độ dòng thấp hơn. Độ nhạy cũng tăng cùng với sự tăng sự khác nhau về nhiệt độ giữa sợi dây đốt với vùng khối xung quanh. Độ nhạy cũng tăng theo bình phương của cường độ dòng của dây đốt.

7.4.2 Detector ion hóa ngọn lửa

Nguyên tắc:

Detector này dựa trên việc đo độ dẫn điện của luồng khí và là một trong những detectơ có độ nhạy cao. Nguyên tắc làm việc của nó dựa trên sự biến đổi độ dẫn điện của ngọn lửa được tạo bởi hỗn hợp khí H2 và O2 trong không khí (nguồn ion hóa) và được đặt trong một điện trường (buồng điện cực). Khí mang sau khi qua cột, đi qua nguồn ion hóa vào buồng điện cực. Khi đó các hạt tích điện (ion dương, ion âm, electron) tạo thành dòng điện giữa hai điện cực. Dòng điện này đi qua điện trở đo R. Sự rơi thế Eo qua điện trở R này sẽ được khuếch đại rồi đưa ra máy ghi. Nếu chỉ có khí mang đi qua 2 bản của điện cực, dòng điện sinh ra gọi là “dòng nền”, để giảm thiểu dòng này người ta dùng một dòng điện bổ chính. Khi khí mang đem theo các phân tử


91

mẫu, các phân tử này bị ion hóa và dòng điện qua điện cực tăng lên. Các tín hiệu được ghi lại dưới dạng các pic.

Cấu trúc của một FID cụ thể như trong hình

Hình 7.7: Sơ đồ mặt cắt ngang của detector ion hóa ngọn lửa (FID).

Độ nhạy của detector FID cao hơn rất nhiều so với độ nhạy của detector TCD khoảng 100 - 1000 lần. Tuy nhiên nó chỉ sử dụng thích hợp nhất với các hợp chất hữu cơ chứa cacbon. Có một số hợp chất không thể phát hiện bằng detector này như: CO, CO2, axit formic, formaldehit, NOx, NH3, hợp chất halogen, CS2, H2S, H2O và bản thân các khí cần thiết dùng để hoạt động detector này như H2, N2, He.

7.4.3 Detector cộng kết điện tử (ECD)


92

Hình 7.8: sơ đồ của một detector bắt electron (ECD).

Detector loại này đặc biệt rất nhạy với những phân tử hợp chất có khả năng cộng kết với các điện tử tự do trong pha khí như các phân tử chứa halogen, cacbonyl liên hợp, nitril, hợp chất nitro, và hợp chất cơ kim. Nó tương đối kém nhạy với các phân tử hợp chất hydrocacbon, các rượu và xeton.

Bộ phận chính của detector ECD là buồng ion hóa, nơi diễn ra các quá trình ion hóa, bắt giữ electron và tái liên hợp (hình)

Quá trình ion hóa: từ một nguồn tia phóng xạ 63Ni được lắp sẵn trong detector, phát ra một chùm tia β với tốc độ khoảng 108, 109 hạt /giây. Các hạt này sẽ ion hóa phân tử khí mang (N2 hoặc 5% metan trong Ar) tạo ra các ion dương của phân tử khí mang và điện tử tự do sơ cấp. So với các điện tử của chùm tia β, các điện tử tự do này chậm hơn. Chúng được gia tốc nhờ một điện trường và chuyển dịch về phía anot. Tại đây chúng bị lấy mất điện tích và qua đó tạo ra dòng nền của detector.

Quá trình cộng kết điện tử diễn ra khi các phân tử các chất phân tích với ái lực electron cao đi vào detector. Chúng bắt một số electron dẫn đến detector thay đổi hiệu thế giữa anot và catot để duy trì dòng nền không đổi. Sự thay đổi này được ghi nhận dưới dạng pic sắc kí trên giấy ghi hoặc bằng computer.

Như vậy độ nhạy của ECD phụ thuộc vào:

-Độ lớn của dòng nền.

-Khả năng ái điện tử của chất cần phân tích.

-Bản chất của khí mang và hiệu thế đặt vào 2 bản điện cực.

7.4.4. Detector khối phổ

Máy khối phổ là một detector vạn năng cho phân tích định tính và định lượng các chất hữu cơ cả sắc ký khí lẫn sắc ký lỏng. Trong phương pháp khối phổ, các phân tử khí bị ion hóa (thường tạo cation) được tăng tốc trong một trường điện từ và sau đó được tách theo khối lượng


93

của nó. Quá trình ion hóa thường cung cấp đủ năng lượng đến phân tử để phá vở nó thành những mảnh khác nhau.

Một phổ khối là một biểu đồ cho thấy lượng tương đối của mỗi mảnh vở tạo ra từ detector khối phổ. Trong sắc ký khí mỗi pic của săc kí đồ tương ứng với một chất phân tích đã được tách ra được nhận diện bởi một phổ khối. Hình 7.9 là một phổ khối của hợp chất được nhận diện khi so sánh với thư viện phổ của những hợp chất đã biết. Trục hoành của phổ khối là m/z , khối lượng của ion chia cho điện tích của ion. Phần lớn các ion đều mang điện tích 1 nên m/z thường chính là khối lượng của ion (đ.v.C).

Trong phổ khối có một pic quan trọng của ion phân tử không bị phá vở thành các mảnh. Dựa vào tỉ lệ của các đồng vị của một nguyên tố trong tự nhiên, ta có thể nhận thấy tỉ lệ này xuất hiện trong phổ khối qua tỉ lệ của các ion phân tử của các đồng vị. Ví dụ ta có thể hiểu điều này trong phổ khối của 1-brombutan. Vì tỉ lệ của nguyên tố brom trong tự nhiên là 50.52% 79Br và 49.48% 81Br, pic tại m/z=136 của ion phân tử C4H9

79Br có cường độ lớn hơn một chút so với pic của ion phân tử tại m/z=138 của phân tử C4H9

81Br.

Hình 7.9: Sắc kí đồ và phổ khối của 1-butanol và 1-brombutan

Máy khối phổ nam châm hình quạt

Nguyên tắc hoạt động của máy khối phổ nam châm hình quạt được minh họa trong hình . Ống phân tích (analyser tube) được duy trì ở áp suất chân không cao (khoảng 10-5 Pa) để các ion chuyển động qua ống không bị lệch hướng bởi những va chạm với các phân tử nền. Các phân tử khí đi vào nguồn ion hóa bằng va chạm electron và bị bắn phá bởi các electron có năng lượng động học khoảng 70 eV. Năng lượng này đủ lớn để ion hóa các phân tử (M + e →M+ + 2e) và phá vỡ chúng thành những mảnh vỡ nhỏ hơn.

Một thế hiệu dương nhỏ ở đĩa đẩy (repeller plate) đẩy những ion hướng về ống phân tích và một thế nhỏ ở đĩa hội tụ ion (ion gia tốc ion giúp các ion có vận tốc cao bị tống khỏi phần đáy của bộ phận này.


94

Các cation di chuyển qua ống phân tích chịu tác động của từ trường đặt vuông góc với hướng di chuyển của chúng. Trường này sẽ hướng các cation về detector đặt ở cuối ống phân tích. Một khe ở detector chỉ cho những ion trong một khoảng giá trị khối lượng nhỏ xác định tiếp cận detector. Các phân tử có khối lượng không phù hợp va phải các thành ống hoặc bị loại bỏ bởi khe thoát ion nên không vươn tới được detector. Tại bộ phận thu ion (ion collector), mỗi cation đến bị trung hòa bởi một electron. Dòng điện đòi hỏi để trung hòa chùm ion tỉ lệ với số các ion đến bộ phận thu ion này.

Phổ khối là một đồ thị cho thấy dòng điện như là một hàm của số khối được chọn bởi từ trường. Phương pháp ion hóa bởi tương tác electron (electron impact ionization) cho phổ khối có nhiều mảnh vở. Ion phân tử có thể có hàm lượng thấp thậm chí bị biến mất. Nếu phân tử lớn thì việc có quá nhiều mảnh vở sẽ làm cho việc giải thích phổ khối của nó gặp nhiều khó khăn. Trong trường hợp này các chương trình máy tính có thể được sử dụng để làm khớp phổ của chất chưa biết này với một phổ khối đã biết trong thư viện phổ lưu trong máy tính.

Hình 7.10: Sơ đồ cấu tạo của detector khối phổ nam châm hình quạt


95

Một kỹ thuật tinh tế sản sinh ra ít mảnh vở hơn là sự ion hóa hóa học (chemical ionization). Trong trường hợp này, nguồn ion hóa được đổ đầy metan ở áp suất khoảng 100 Pa. Các electron được cung cấp đủ năng lượng để chuyển CH4 đến những sản phẩm hoạt động khác:

CH4 + e → CH4+ + 2e

CH4+ +CH4 → CH5

+ + CH3

CH5+ là chất nhường photon khi tương tác với chất phân tích cho MH+, thường là ion có hàm

lượng lớn nhất trong phổ khối ion hóa hóa học metan (methane chemical ionization mass spectrum).

CH5+ + M → CH4 + MH

Máy khối phổ tứ cực

Máy khối phổ nam châm hình quạt thường ít được chọn để ghép nối với sắc kí bởi vì từ trường không thể thay đổi đủ nhanh để ghi phổ của những dải sắc kí hẹp.

Loại được sử dụng phổ biến hiện nay để kết nối với sắc kí là máy khối phổ tứ cực (quadrupole mass spectrometer). Khi đó mỗi chất hòa tan trong cột sắc kí được tách được thể hiện dưới dạng pic.

Chất đó được dẫn đến buồng ion hóa tương tác electron có áp suất chân không, tại đây các phân tử chất phân tích bị các electron được gia tốc bắn phá tạo các ion mảnh vở. Các ion này lại tiếp tục được gia tốc bởi một thế khoảng 5-15 V trước khi đi vào bộ tách theo khối lượng gồm tứ cực (quadupole mass seperator).

Bộ tách gồm 4 thanh kim loại song song với nhau, trong đó hai cặp sẽ được áp vào một thế không đổi và một thế hiệu dao động tần số radio. Từ trường được tạo ra làm lệch các hành trình phức tạp khi chúng di chuyển từ buồng ion hóa hướng đến detector và cho phép chỉ các ion nào có tỉ số khối lượng với điện tích đặc biệt xác định trước tiếp cận với detector.

Các ion khác va đập vào các thanh kim loại và bị mất trước khi vươn đến detector. Bằng việc thay đổi nhanh chóng thế áp vào, các ion có khối lượng khác nhau được chọn lọc để được tiếp cận với detector. Các bộ tách khối phổ tứ cực được quét đủ nhanh để ghi hai đến tám phổ trong một giây với khoảng 800 đơn vị khối.


96

Hình 7.11: Sơ đồ của detector khối tứ cực

7.5. Phân tích định tính trong sắc kí khí

Trong phân tích định tính, hai detector có thể nhận diện các hợp chất là detector khối phổ và detector hồng ngoại chuyển hóa Fourier. Một pic có thể nhận diện bằng cách so sánh phổ của chúng với một thư viện phổ được lưu giữ trong máy tính.

Một phương pháp kém tinh tế hơn là nhận diện thời gian lưu của một chất với thời gian lưu của chất đó trong một mẫu đã biết trước (mẫu chuẩn) trên các cột có độ phân cực khác nhau (hình 7.12). Cách đáng tin cậy nhất là so sánh các thời gian lưu trong cùng một sắc kí đồ thu được bởi mẫu đã biết trước (mẫu chuẩn) được thêm mẫu cần dò tìm vào trong cùng một điều kiện sắc kí.

Nếu như chất cần dò tìm trùng với chất có trong mẫu chuẩn thì pic của chất đó trong mẫu đã thêm sẽ có diện tích hay chiều cao tăng lên so với khi chưa thêm chất chưa biết vào. Sự nhận diện chỉ ở mức thăm dò khi thực hiện trên một cột, nhưng khẳng định hơn khi thực hiện trên một vài cột trên những loại pha tĩnh khác nhau.

Trong hình 7.12 cho thấy có thể nhận diện được các đỉnh 2,3,4,7 và 9 là metyl, etyl, n-propyl, n-butyl, và n-amyl alcol. Cần chú rằng có thể có những chất khác nhau nhưng có thời gian lưu giống hoặc rất gần nhau. Vì vậy cần xác định trên nhiều pha tĩnh khác nhau hoặc sử dụng các detector khối phổ hoặc hồng ngoại để xác định.


97

Hình 7.12: Phân tích định tính bằng cách so sánh thời gian lưu với chất chuẩn

7.7. Phân tích định lượng 7.7.1. Phương pháp chuẩn hóa diện tích

Đây là phương pháp tính thành phần phần trăm của mẫu bằng cách đo diện tích từng pic trên sắc kí đồ. Theo cách này đem diện tích pic của chất quan tâm A cho tổng diện tích của các pic:

%A = (diện tích pic A/tổng diện tích các pic)x100 %

Khi phân tích thành phần có điểm sôi sát nhau của một dãy đồng đẳng, phương pháp này có thể dùng để tính tỷ lệ phần trăm khối lượng.


98

Phương pháp chuẩn hóa diện tích chỉ đúng nếu tất cả các cấu tử đều được rửa giải và đáp ứng của detector với mọi cấu tử là giống nhau. Nếu những điều kiện này thõa mãn thì đây là phương pháp nhanh và hiệu quả.

7.7.2.Phương pháp tính theo hệ số hiệu chỉnh

Như đã biết detector đáp ứng khác nhau đối với các chất khác nhau. Vì vậy cần phải tính hệ số hiệu chỉnh. Nhờ hệ số này có thể tính được thành phần phần trăm của các cấu tử trong mẫu.

/ ( )%( / ( ))

idien tichcua A F AAdien tichcua Ai F Ai

??

Ví dụ tính hệ số hiệu chỉnh khi sử dụng FID

7.7.3.Phương pháp lập đường chuẩn:

Lập các đường chuẩn riêng rẽ đối với từng cấu tử trong hỗn hợp bằng cách tiêm những thể tích bằng nhau của một loạt dung dịch hỗn hợp chất chuẩn có nồng độ khác nhau. Như vậy một loạt các nồng độ của các chất chuẩn đã được phân tích và diện tích của chúng được xác định. Một đường chuẩn được dựng cho mỗi cấu tử với một trục nồng độ và trục kia là diện tích tương ứng để kiểm tra sự tuyến tính của đáp ứng của detector. Tiêm cùng thể tích của mẫu có các cấu


99

tử cần phân tích và chạy sắc kí trong cùng điều kiện như khi chạy chuẩn. Từ các diện tích thu được của các cấu tử cần phân tích và đường chuẩn vừa thiết lập suy ra được nồng độ của chúng.

7.7.4.Phương pháp dùng chuẩn nội

Phương pháp này còn được gọi là phương pháp chuẩn hóa tương đối hay gián tiếp.

Để định lượng một cấu tử X ta cần phải chọn một chất chuẩn S sao cho:

-Nếu trộn lẫn X với S ta phải thu được 2 đỉnh riêng biệt trên sắc kí đồ.

-Pic của X và S phải khá gần nhau.

Sau đó ta phải pha các hỗn hợp có tỷ lệ trọng lượng của X và S biết trước, chạy sắc kí, đo diện tích các pic, lập tỉ số diện tích tương ứng, cuối cùng lập đường chuẩn tương đối.

Sc/Ss

Wc/Ws Chuẩn Cấu tử

Ở đây:

Sc/Ss là tỉ lệ diện tích của các cặp cấu tử cần xác định X và chất chuẩn nội

Wc/Ws là tỉ lệ trọng lượng của các cặp cấu tử cần xác định X và chất chuẩn nội

Khi phân tích mẫu thật, ta cho một lượng biết trước chất chuẩn nội S vào mẫu rồi tiến hành sắc kí hỗn hợp. Từ tỉ lệ diện tích đo được, bằng đường chuẩn tương đối vừa dựng ta có tỉ lệ trọng lượng. Với trọng lượng chuẩn S thêm vào đã biết ta tính được trọng lượng của chất X.

Phương pháp này có các ưu điểm:

-Không cần biết đến đáp ứng của detector

-Không cần duy trì nghiêm ngặt các điều kiện tiến hành sắc kí vì những thay đổi được loại trừ theo cách tính tỷ số.


100

Chương 8: SẮC KÍ LỎNG

(LIQUID CHROMATOGRAPHY)

8.1.Mở đầu

? Sắc kí lỏng cột là một trong những nhánh của phân tích công cụ phát triển nhanh nhất, được áp dụng cho nhiều loại mẫu hơn bất kì kỹ thuật tách nào và có khả năng phân tích những hỗn hợp mẫu cực kì phức tạp trong hóa học và trong sinh học.

? Nghiên cứu kỹ thuật tách bằng LC là cần thiết vì nó sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong tất cả những lĩnh vực của phân tích hóa học, mặc dù có những tiến bộ hơn nữa trong các thuốc thử chọn lọc và những cải tiến trong các kỹ thuật vật lí đo lường.

? Với sự phát triển trong suốt những thập niên qua về thiết bị và sự nhồi cột, sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) nổi lên như một phương pháp được ưa thích cho kỹ thuật tách và phân tích định lượng của rất nhiều loại mẫu.

? Phân tích HPLC nhanh, hiệu quả và có thể dò tìm lượng mẫu nhỏ đến 200 pg. Những cơ hội áp dụng HPLC hầu như không giới hạn do HPLC đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong khoa học và công nghiệp.

? Sắc kí lỏng dựa trên hiện tượng: dưới cùng một điều kiện, mỗi cấu tử trong một hỗn hợp tương tác với môi trường xung quanh khác với tất cả các cấu tử khác.

? Khi được sử dụng như một công cụ phân tích, LC có thể xác định các cấu tử trong một hỗn hợp và lượng của chúng trong mẫu. Khi kết hợp với những kỹ thuật phân tích khác thì có thể nhận diện định tính các cấu tử trong mẫu.

? Phép tách được đòi hỏi khi: Một hỗn hợp quá phức tạp cho việc phân tích trực tiếp ví dụ đo phổ. Các chất phân tích rất giống nhau ví dụ các đồng phân. Sự cần thiết phải điều chế một chất có độ tinh khiết cao. Xác định lượng của của một chất nào đó.

? Sắc kí cột mở, sắc kí bản mỏng được sử dụng trong những trường hợp tách tương đối đơn giản, còn HPLC là kỹ thuật tách những hỗn hợp phức tạp và có khả năng tách với độ phân giải cao để giải quyết những vấn đề nhanh hơn và tốt hơn.

? Trong HPLC nhiều thông số phải được xác định và thiết lập trước khi mẫu được cho vào trong máy. Vì thế để thành công với HPLC, cần thời gian để thiết lập chế độ và điều kiện hoạt động thích hợp cho máy trong mỗi phép phân tích. Điều này có thể mất hàng giờ hoặc ngày tùy theo kinh nghiệm và kiến thức của người phân tích.

8.2. Các bộ phận cơ bản của máy HPLC


101

? Hỗn hợp cần phân tích được hòa tan trong một dung môi thích hợp, tiêm một thể tích chính xác vào bộ phận tiêm mẫu và được mang vào cột bởi một dòng chảy liên tục của cùng dung môi (pha động) trong đó mẫu được hòa tan. Sự tách diễn ra trong cột có chứa những hạt xốp có diện tích bề mặt lớn (pha tĩnh). Các cấu tử trong mẫu liên tục tương tác với pha tĩnh. Pha động (còn gọi là chất rửa giải) được bơm qua cột được nhồi chặt các hạt sắc kí.

? Với việc chọn pha động và vật liệu nhồi cột thích hợp, các cấu tử trong mẫu sẽ di chuyển dọc trên cột với những tốc độ khác nhau. Khi những cấu tử lần lượt thoát ra khỏi cột và đi vào detector thích hợp, ở đây tín hiệu được ghi lại, xử lí và chuyển ra ngoài một sắc kí đồ, cho biết sự hiện diện của mỗi cấu tử dưới dạng một pic. Khi đó lượng cấu tử có trong mẫu được tính toán dựa vào chiều cao hoặc diện tích của pic của nó.

Các bộ phận cơ bản của một máy HPLC được mô tả trong sơ đồ nguyên tắc chung (hình 8.1):

Hình 8.1: Sơ đồ máy HPLC

8.2.1 Bình chứa dung môi

? Bình chứa dung môi là bình thủy tinh 1 dm3 có nắp được khoan lỗ dẫn ống nhựa (Φ ≈ 1/8 inche) để dẫn dung môi từ bình đến bơm.

? Dung môi bơm vào phải không được chứa bụi bẩn hoặc những vật lạ khác vì điều này có thể làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bơm hoặc làm kẹt các cột tách.

? Cần lọc dung môi qua giấy lọc 0.45µm trước khi sử dụng và để an toàn hơn ở đầu của ống nhựa trong bình chứa dung môi cần phải có đầu lọc.

Bình chứa dung môi

Cột tách Van tiêm mẫu

Computor Sắc kí đồ

Lò ổn nhiệt


102

? Cần loại bỏ hoặc đuổi các không khí hòa tan hoặc các bọt không khí trong dung môi vì khí hòa tan có thể làm biến dạng các pic và sinh bọt khí làm nhiễu đường nền. Loại bỏ bằng cách chạy siêu âm, hoặc sục khí trơ như heli…

? Trong phương pháp rửa giải thường chỉ cần một bình dung môi. ? Trong phương pháp rửa giải gradient thường dùng 2, 3 hoặc 4 bình dung môi khác nhau

và hệ dung môi rửa giải là hỗn hợp của các loại dung môi trên được trộn với tỷ lệ biến đổi theo chương trình lập trước. 8.2.2. Hệ thống bơm

? Chức năng chính của bơm là vận chuyển pha động đi qua cột tách với một tốc độ xác định từ 0.2 ml/phút đến 10 ml/phút. Bơm cần đáp ứng một số yêu cầu khá cao về tính năng như sau:

o Phía trong bơm không bị tấn công bởi bất kỳ loại dung môi nào được sử dụng. o Một khoảng rộng của tốc độ dòng có thể chọn lựa và dễ thay đổi tốc độ dòng. o Dễ thay đổi từ việc sử dụng dung môi này đến loại dung môi khác. o Dễ bảo dưỡng và sửa chữa.

Một số loại bơm thông dụng như sau: Bơm tốc độ dòng hằng định (constant flow pump)

Đây là bơm kiểu syringe đẩy dung môi liên tục, khi hết dung môi trong ống bơm (khoảng 250 ml) thì dừng lại để nạp lại.

Bơm kiểu piston thì đẩy hút luân phiên. Loại này được dùng phổ biến vì có nhiều ưu điểm hơn như có thể tăng tuyến tính tốc độ dòng pha động theo thời gian.

8.2.3. Hệ thống tiêm mẫu

? Phương pháp tiêm mẫu đầu tiên mượn kỹ thuật tiêm mẫu trong GC, trong đó dùng syringe tiêm mẫu qua một đệm cao su tự hàn kín được đặt tại đầu của bộ tiêm mẫu ở đầu cột tách.

? Một phương pháp nữa (stopped flow) là người ta dừng bơm và dùng syringe tiêm mẫu vào cột tách thông qua một cái khóa.

? Phương pháp phổ biến hiện nay là dùng van tiêm mẫu có một vòng mẫu (sample loop) có dung tích khác nhau từ 5 đến 500 µl. Phương pháp này rất dễ sử dụng, dễ tự động hóa và cho độ chính xác rất cao, mặc dầu tương đối đắt tiền. Với phương pháp này mẫu đầu tiên ở áp suất khí quyển được tiêm bằng xilanh vào vòng mẫu. Sau đó chuyển van từ vị trí nạp mẫu (load ) đến vị trí tiêm mẫu (inject ) nối vòng mẫu vào vị trí của dòng chảy của pha động, ở đây lượng mẫu chính xác trong vòng mẫu sẽ được vận chuyển vào cột tách.

8.3. Cột sắc ký lỏng hiệu năng cao


103

? Các cột sử dụng trong HPLC được làm bằng vật liệu thép không rỉ (thép Cr-Ni-Mo)

với mặt trong của cột được làm nhẵn. ? Kích thước phổ biến của một cột là đường kính ngoài bằng 6.35 mm (1/4 in.), 4.6 mm

đường kính trong, và chiều dài nhiều cở đến 25 cm. ? Cột được nhồi các hạt có cở đường kính 3, 4, 5, 10 µm. Chất nhồi trong cột thường là

silicagen hoặc silicagen có bọc hoặc gắn hóa học một màng mỏng chất hữu cơ. Bên cạnh silicagen người ta còn dùng Al2O3, hạt polime xốp, hạt chất trao đổi ion.

Bộ lọc tiền cột / cột bảo vệ

? Sau bộ phận tiêm mẫu và trước cột tách cần phải lắp cột bảo vệ (hay bộ lọc tiền cột) giúp bảo vệ những cột đắt tiền khỏi sự xâm nhập của của các hạt bẩn nhỏ có thể có trong dung môi và trong mẫu tiêm vào.

? Cột bảo vệ không làm thay đổi hiệu quả tách của cột. Nó được thiết kế với một thể tích tổng cộng tương đối nhỏ và thể tích chết nhỏ, nhờ vậy không làm doãng pic.

? Cột bảo vệ được đổ đầy các hạt nhồi tráng phim mỏng hoặc có pha liên kết như trong cột phân tích.

? Cột bảo vệ có một dung lượng xác định cho chất nhiễm bẩn. Số lần tiêm mẫu, sự suy giảm của hình dáng pic hoặc độ phân giải là dấu hiệu cần phải thay cột bảo vệ.

8.4. Detector ? Chức năng của detector trong HPLC là giám sát pha động đi ra từ cột phân tích. Tín

hiệu ra của detector là tín hiệu điện tỉ lệ thuận với với một vài tính chất của pha động hoặc của chất tan trong mẫu.

8.4.1. Detector UV- VIS

? Đây là loại phổ biến nhất trong HPLC. Nguyên tắc của nó là cho pha động từ cột được chảy qua một ống đo (flowcell) nhỏ có một chùm bức xạ đơn sắc UV/VIS chiếu qua.

? Sự hấp thu bức xạ của chất tan là một hàm phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nó theo định luật Lambert-Beer:

D = εlC Ở đây: D là đại lượng mật độ quang; l là chiều dài của cell; ε là hệ số hấp thu phân tử và là hằng số cho một chất tan và bước sóng.

? Đơn vị của ε phụ thuộc vào thứ nguyên của l và C. Trong hê SI thứ nguyên của C là mol m-3, l là mét nhưng trong thực tế C được đo với mol dm-3 còn l là cm nên ε là dm3 mol-1 cm-1.


104

? Định luật Lambert –Beer chỉ đúng khi chùm sáng bị hấp thu là đơn sắc, nhưng hệ thống detector thường không cung cấp chùm tia đủ đơn sắc mà chỉ một dải hẹp các chùm tia quanh giá trị bước sóng được chọn.

? Một ống đo (flow cell) trong UV detector có đường kính trong khoảng 1 mm và chiều dài ánh sáng đi qua khoảng 10 mm, như vậy thể tích chứa khoảng dưới 8 µl. 8.4.2. Detector chuỗi photodiot (Photodiode Aray Detector)

? Trong detector UV-VIS chùm sáng đa sắc được cho đi qua mẫu sau đó hội tụ vào

khe vào của bộ đơn sắc hóa (monochromator) để tách chùm tia đơn sắc cần đo hướng vào bộ dò tìm.

? Mật độ quang của một mẫu được tìm thấy nhờ so sánh giữa cường độ của chùm tia tới bộ dò tìm khi không có mẫu (còn gọi là mẫu trống) với chùm tia đi qua mẫu.

? Để đo mật độ quang tại những bước sóng khác nhau, bước sóng được thay đổi nhờ quay chậm lăng kính hoặc bộ cách tử (grating) trong bộ đơn sắc hóa.

? Sự hiện diện của bộ phận quay trong thiết bị đã giới thiệu thêm sai số (ví dụ do sự giật lùi cơ học) và việc quay chậm có thể gây tốn thời gian.

Trong detector chuỗi photodiot, chùm tia đa sắc sau khi đi qua mẫu được tán xạ bởi bộ cách tử được cố định rồi rơi vào một chuỗi các photodiot.

Mỗi photodiot đo một dải hẹp các bước sóng trong quang phổ, như vậy nó là bộ thu nhận số liệu song song, nghĩa là tất cả các điểm được đo đồng thời. Hệ thống này có một số thuận lợi như sau: Bởi vì là bộ thu nhận số liệu song song nên việc xử lý và lưu trữ quang phổ có thể được thực hiện trong khoảng 0.5 s so với vài phút trong detector UV. Vì không có bộ phận di chuyển có thể bị làm mài mòn nên những sai số khi thiết lập lại một bước sóng cần chọn được giảm xuống và thiết bị cũng ít đòi hỏi bảo dưỡng như thiết bị khác. Nhờ khả năng thực hiện những phép đo nhiều bước sóng cùng một lúc và tốc độ thu nhận số liệu nên những kỹ thuật lấy trung bình số liệu khác nhau có thể được sử dụng để làm giảm tiếng ồn và tăng độ nhạy.

Khi được sử dụng như một detector trong HPLC, mặc dù đắt tiền hơn so với loại UV truyền thống nhưng nó cũng có những ưu điểm đáng kể: Quang phổ của mỗi pic trong sắc ký đồ có thể được lưu giữ và lần lượt so sánh

với phổ chuẩn giúp tiện lợi trong việc nhận diện các pic. Bước sóng tối ưu cho việc dò tìm cũng dễ dàng được tìm thấy và những thay đổi

của bước sóng trong quá trình dò tìm cũng có thể được chương trình hóa để xảy ra tại những điểm khác nhau trong sắc ký đồ. Nó cũng cung cấp độ nhạy cực đại cho các pic.


105

8.4.3. Detector huỳnh quang (fluorescence detector)

? Nhiều hợp chất có khả năng hấp thụ chùm tia UV rồi sau đó ngay lập tức phát ra bức xạ có bước sóng dài hơn (huỳnh quang) hoặc sau một sự trễ thời gian (lân quang –phosphorescence). Thường phần năng lượng bị hấp thụ sau đó phát xạ trở lại là tương đối thấp nhưng có một vài hợp chất, phần phát xạ trở lại có thể từ 0.1-1 nên thích hợp cho việc dò tìm huỳnh quang.

? Những hợp chất như vậy thường có vòng liên hợp như các hợp chất vòng thơm có nhiều nhân. Nhiều hợp chất không có phổ huỳnh quang có thể chuyển sang các dẫn xuất có phổ này nhờ xử lý với những thuốc thử thích hợp.

8.4.4. Detector đo chỉ số khúc xạ (Refrative index detector)

? Detector (RI) này nhạy với sự khác nhau giữa chỉ số khúc xạ của các chất rửa giải từ

cột với dòng chảy của pha động nguyên chất. ? Đây là loại detector thông dụng nhất vì bất kỳ chất hòa tan nào cũng có thể được dò tìm

miễn là nó có chỉ số khúc xạ khác với dòng chảy của pha động nguyên chất.Tuy nhiên, loại detector này kém nhạy khoảng 1000 lần so với detector UV.

? Mức độ tiếng ồn tốt nhất có thể thu được vào khoảng 10-7 đơn vị chỉ số khúc xạ, điều này tương ứng với nồng độ tương đương tiếng ồn khoảng 10-6 g cm-3 cho hầu hết các chất tan.

? Có nhiều mẫu thiết kế cho detector đo chỉ số khúc xạ, nguyên tắc cơ bản hoạt động: Cuvet có hai bình tam giác có thể tích 5 đến 10 microlit trong mỗi bình có

dung môi nguyên chất và dung dịch chất tan chảy vào. Chùm sáng khả kiến đã lọc các bức xạ hồng ngoại (có thể làm nóng mẫu) được

chiếu qua cuvet có dung môi nguyên chất chảy qua 2 bình tam giác và được hướng vào ống nhân quang điện nhờ một đĩa deflection.

Khi chất tan với chỉ số khúc xạ khác đi vào cuvet, chùm sáng bị lệch làm tín hiệu của ống nhân quang điện thay đổi.

? Detector RI không dùng trong sắc kí rửa giải biến đổi nồng độ đều (gradient) vì nó không thể dò tìm chính xác khi thành phần pha động bị thay đổi. RI nhạy với sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ và áp suất (0.01oC). Vì có độ nhạy thấp nên nó không được dùng trong phân tích lượng vết. RI cũng có khoảng nồng độ tuyến tính hẹp.

8.5. Các phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao

8.5.1. Sắc kí phân bố hiệu năng cao Gồm hai loại phương pháp sắc kí lỏng-lỏng và sắc kí pha liên kết


106

Sắc kí lỏng lỏng (LLC) : ? Pha tĩnh là chất lỏng được phủ trên bề mặt của các hạt chất mang (support). ? Pha tĩnh thường bị dung môi hòa tan và mất dần làm cột dần mất hiệu lực nên phương

pháp này ngày càng ít được sử dụng.

Sắc kí pha liên kết (bonded phase chromatography)

Pha tĩnh được gắn hóa học (liên kết) với chất mang (hạt silicagen) tạo nên hợp chất cơ-siloxan (hình ).

? Nếu R là một nhóm ít phân cực như octyl (C8), octadecyl (C18) hay phenyl và pha động là dung môi phân cực như H2O, methanol, acetonitril thì có sắc kí pha đảo (hay sắc kí pha ngược). Ở đây pha tĩnh ít phân cực hơn pha động, trái với truyền thống của sắc kí trước đây là pha tĩnh phân cực hơn pha động.

? Nếu R là nhóm khá phân cực như alkylamin –(CH2)nNH2 hay alkylnitril –(CH2)n-CN và pha động là dung môi ít phân cực như hexan thì ta có sắc kí pha thuận.

Hiện nay sắc kí pha đảo được dùng rộng rãi vì những lí do sau: o Các phân tử không phân cực, ít phân cực, ion, hoặc có thể ion hóa có thể được

tách một cách hiệu quả. o Pha tĩnh có một khoảng phân cực rất rộng để có thể chọn lựa. o Nó cho phép chọn một khoảng rộng chất rửa giải. o Các chất dung môi rửa giải rất thông dụng và không đắt (nước, methanol và

acetonitril). o Kỹ thuật rửa giải gradient có thể được sử dụng mà không sợ hỏng pha tĩnh. o Không có hạn chế về áp suất pha động đi vào cột. o Nó cho kết quả tách tốt với rất nhiều đối tượng tách.


107

Hình 8.2: Sơ đồ tổng hợp các pha tĩnh pha liên kết hóa học

Chọn các pha: thường chọn pha tĩnh có tính phân cực giống với các chất cần tách và

khác với pha động. Các chất hữu cơ có độ phân cực tăng theo thứ tự sau: Hydrocacbon no, ôlefin, hydrocacbon thơm, halogenua, sunfua, ête, dẫn xuất nitro, este = andehit = xeton, ancol =amin, sunfon, sunfoxit, amit, axit cacboxilic, nước.

? Thứ tự rửa giải trong sắc kí pha thuận là các chất không phân cực ra trước rồi đến các chất phân cực mạnh hơn.

? Trong sắc kí pha đảo các chất phân cực ra trước rồi đến các chất ít và không phân cực lần lượt ra sau.

Ứng dụng: sắc kí lỏng phân bố hiệu năng cao được dùng trong việc tách các chất thuộc nhiều lĩnh vực như:

Thuốc kháng sinh, an thần, giảm đau, steroid Axit amin, protein, hydrat cacbon, lipid… Đường nhân tạo, chất chống oxi hóa, chất phụ gia, aflatoxin… Chất thơm, chất điện hoạt, chất màu, hóa chất công nghiệp…


108

Thuốc trừ sâu, diệt cỏ, phenol và các dẫn xuất phenol… Thuốc, chất độc, cồn trong máu…

8.5.2. Sắc kí hấp phụ hiệu năng cao (sắc kí lỏng –rắn)

? Là phương pháp phát triển sớm nhất và được dùng rất phổ biến. Trong phương pháp này,

chất tan bị giữ trên bề mặt pha tĩnh tức là chất hấp phụ và bị dung môi đẩy ra (phản hấp phụ)

? Pha tĩnh: pha tĩnh là những bột mịn, silicagen và nhôm oxit là những chất được ưa dùng. Ở đây các chất càng bị phân cực càng bị lưu giữ mạnh và ra chậm khi rửa giải.

? Pha động: bảng dưới cho ta một dãy các dung môi với sức rửa giải tăng dần từ trên xuống (thông số sức dung môi tăng dần). Dãy này được xếp theo khả năng đẩy các chất ra khỏi nhôm oxit. Nhưng với silicagen ta cũng có dãy tương tự. Muốn có dung môi có vị trí trung gian không có trong bảng thì ta dùng hỗn hợp dung môi theo tỉ lệ thích hợp.

? Ứng dụng: Sắc kí hấp thụ được dùng nhiều để tách các chất tương đối ít phân cực, các chất hữu cơ không tan trong nước có phân tử lượng nhỏ hơn khoảng 5000. Phương pháp này mạnh hơn hẳn các phương pháp khác trong việc tách đồng phân.

Dung môi εo

Ete dầu hỏa Hexan Heptan

Xiclohecxan Tetraclocacbon

Ete propylic Toluene Benzene Ete etylic Clorofom

Clometylen Dicloetan

Aceton dioxan Butanol

Etyl acetat Acetonitril

Pyridin Dimetylsunfoxit Rượu isopropylic

Rượu etylic Rượu metylic

0.01 0.01 0.01 0.04 0.18 0.28 0.29 0.32 0.38 0.40 0.42 0.49 0.56 0.56 0.56 0.58 0.65 0.71 0.75 0.82 0.88 0.95


109

8.5.3. Sắc kí trao đổi ion hiệu năng cao:

8.5.3.1.Nhựa trao đổi ion (ionit)

Là phương pháp sắc kí trong đó các nhựa trao đổi ion được dùng làm pha tĩnh dưới dạng bột mịn.

Nhựa trao đổi ion (ionit) là những hợp chất cao phân tử có chứa nhóm chức chứa ion có khả năng trao đổi. ? Nhựa trao đổi cation (cationit) có hai loại: cationit axit mạnh có chứa nhóm –SO3

-H+

được ứng dụng rộng rãi, cationit axit yếu có nhóm –COOH. ? Nhựa trao đổi anion (anionit) cũng có hai loại: anionit bazơ mạnh có nhóm amoni bậc

4 –N(CH3)3+OH- và anionit yếu có nhóm trao đổi là các amin bậc 2 hay 3.

Các nhựa trao đổi ion được chế tạo bởi sự đồng trùng hợp giữa styrene và divinyl benzene với divinyl benzene có hàm lượng thay đổi từ 1 dến 16 % để tăng mức liên kết ngang của polime, dẫn đến chỉ trương nở nhưng không hòa tan trong nước.

Các nhân benzene sau đó được gắn vào các nhóm –SO3H để tạo nhựa cationit hoặc các nhóm amin –NR3

+ tạo nhựa anionit. Nếu axit metaacrylic được dùng thay thế cho styrene thì nhựa cationit axit yếu –COOH được tạo thành.

Các ionit không tan trong nước, khi tiếp xúc với dung dịch trao đổi ion thì có sự trao đổi.

Với cationit có sự trao đổi cation, ví dụ sự trao đổi cation Ca2+ với nhựa cationit axit mạnh: 2RSO3

-H+(rắn) + Ca2+ (dd) (RSO3)2Ca(r) + 2H+(dd)

Liên kết ngang Nhóm chức trao đổi ion


110

Với anionit ta có ví dụ: 2R(CH3)3

+OH- (r) + SO42-(dd) [R(CH3)3]2SO4

2-(r ) + 2OH-(dd) 8.5.3.2. Cân bằng trao đổi ion Quá trình trao đổi ion giữa nhựa cationit axit mạnh với ion Ca2+ trong dung dịch có thể

viết: 2H+(rắn) + Ca2+(dd) Ca2+(r) + 2H+(dd) ? Áp dụng định luật khối lượng ta có:

22

2

][][][]['

2

rdd

dđr

HCaHCaK

?? ?

??

ở đây pha rắn là nhựa ionit. ? Biểu thức trên có thể biểu diễn lại như sau:

2

2]

2 ][['

][][ 2

dd

r

dd

r

HHK

CaCaK ?

?

? ???

K là hệ số phân bố của Ca2+ giữa dung dịch và nhựa ionit. Ion nào có K lớn sẽ bị lưu giữ mạnh trên ionit, K nhỏ sẽ bị lưu giữ yếu.

K phụ thuộc vào điện tích và kích thước của ion đã bị hydrat hóa. Nói chung, nhựa trao đổi ion ưu tiên trao đổi với ion có điện tích cao hơn, bán kính hydrat hóa nhỏ hơn.

Một thứ tự ưu tiên về sự chọn lựa cho các cation có thể được biểu diễn như sau: La3+ > Ce3+ >Eu3+ >Y3+ > Sc3+ > Al3+ > Ba2+ > Pb2+ > Sr2+ > Ca2+ > Ni2+ > Cd2+ > Cu2+ > Co2+ > Zn2+ > Mg2+ > Ag+ > Rb+ > K+ > NH4

+ > Na+ > H+ > Li+

8.5.3.3. Pha động trong sắc kí trao đổi ion: ? Rửa giải gradient với sự tăng lực ion hoặc thay đổi pH có giá trị rất lớn trong sắc kí trao

đổi ion. Giả sử xét một cột mà anion A- bị lưu giữ mạnh hơn anion B-. ? Ta tách A- khỏi B- bằng cách rửa giải với ion C- có ái lực với cột yếu hơn cả A- và B- .

Khi nồng độ C- tăng lên, C- dần dần bị thay thế và di chuyển dọc theo cột và ra khỏi cột. Khi nồng độ của C- tiếp tục tăng lên thì A- sẽ bị rửa giải.

? Trong hình 10 cho thấy một sự tăng dần nồng độ H+ được sử dụng để tách trao đổi ion. Trật tự rửa giải giống với trật tự của các hệ số chọn lọc của các cation. Hệ số chọn lọc càng lớn thì nồng độ H+ đòi hỏi càng cao để rửa giải cation đó ra khỏi cột.


111

Hình 8.3: Rửa giải La(III) từ cột nhựa trao đổi cation sử dụng gradient nồng độ H+ để tách cách cation lưu giữ mạnh hơn. La(III) được dò tìm bởi phản ứng với thuốc thử tạo màu sau khi rửa giải.

? Khi tìm giá trị thích hợp pH cho một phép tách cụ thể, điều cần biết là giá trị pKA của các cấu tử có trong mẫu.

Ứng dụng : ? Phương pháp này được dùng để tách các ion vô cơ và hữu cơ (hình 14). Ví dụ khi cho

dung dịch hỗn hợp các ion Ba2+ , Ca2+ , Zn2+ , Mg2+ đi qua cột cationit axit mạnh thì các ion này bị lưu giữ trên cột . Khi dùng một dung dịch axit loãng để rửa giải thì lần lượt các ion đi ra khỏi cột là Mg2+ , Zn2+ , Ca2+ và Ba2+ .

? Có thể phát hiện các ion được rửa giải ra khỏi cột nhờ detector đo độ dẫn điện. 8.5.4. Sắc kí cặp ion (ion pair chromatography- IPC) Phần lớn sắc kí cặp ion (IPC) nảy sinh do những hạn chế của sắc kí trao đổi ion như:

? Các cột có khuynh hướng ít hiệu quả hơn các cột LC khác. ? Các cột thường không cho kết quả lặp lại ở một mức độ nào đó. ? Các cột thường ít bền. ? Độ chọn loc kém.

Trong ICP ta có thể sử dụng cả sắc kí pha thuận lẫn sắc kí pha đảo, mỗi loại có mặt thuận lợi riêng của nó. ? Pha tĩnh của sắc kí pha đảo có thể gồm có cả pha tĩnh silic được silan hóa được sử

dụng bình thường ví dụ pha liên kết C18 hoặc C8. ? Pha động trong ICP gồm một dung dịch đệm trong nước (cộng với một dung môi hữu

cơ như methanol hoặc acetonitril cho phép tách trong pha tĩnh liên kết) và một ion đối có điện tích ngược dấu với ion phân tử mẫu.


112

? Ví dụ, giả sử cần tách một số các axit hữu cơ, pha động được đệm ở pH =7 để tất cả các hợp chất trong mẫu nằm dưới dạng RCOO-. Ion đối trong trường hợp này có thể dùng ion tetrabutyl amoni (TBA+).

Cột dùng trong ICP được chuẩn bị giống như trong sắc kí pha liên kết và pha thuận. Pha phân bố:

Bảng sau tóm tắt vài hệ thống ICP được báo cáo trong các tài liệu với mỗi ứng dụng chỉ rõ pha động, pha tĩnh, ion đối. Bảng: Các hệ thống sắc kí cặp ion pha thuận

pH của nước Pha động Ion đối Loại mẫu pH 9 0.1MHClO4 Đệm HPO4

2- /PO43-

0.1MHClO4 pH 5-6 pH 6-8.5 0.2-0.25M HClO4 0.1M methane- sunfonic acid pH 8.3

Cyclohexane/CHCl3/1-pentanol Các hỗn hợp của tributyl phosphate, ethyl acetate, butanol, CH2Cl2,và/hoặc hexane Butanol/CH2Cl2/Hexane CH2Cl2/ CHCl3/ butanol và /hoặc Pentanol/CH2Cl2 và/hoặc CHCl3 Butanol/heptane Butanol/CH2Cl2/Hexane Butanol/CH2Cl2/Hexane Butanol/CH2Cl2/Hexane

N,N-dimethyl-protrityline ClO4

- (Butyl)4N+ ClO4

- Picrate (Butyl)4N+ ClO4

- CH3SO3

- (Butyl)4N+

Các axit cacboxylic Các amin Các axit cacboxylic Các amin Các amin Các sunfoamit Amin và các amin bậc bốn Các amin Các axit cacboxylic

Bảng : các hệ thống sắc kí cặp ion pha đảo

Những nguyên tắc chung trong việc kiểm soát sự tách trong ICP tương tự như trong sắc

kí pha đảo và pha thuận,. ? Vai trò của ion đối: Trong sắc kí pha đảo, lực dung môi được thay đổi bởi thay đổi ion

đối hoặc thay đổi nồng độ của nó. o Sự tăng nồng độ của ion đối dẫn đến sự tăng hệ số dung lượng k’ trong ICP pha

đảo. o Trong sắc kí ICP pha thuận và pha đảo thì k’ có thể được thay đổi bởi thay đổi

loại ion đối trong (ví dụ thay thế pentasulfonat bằng heptansunfonat chẳng hạn). Sự cộng thêm một nhóm –CH2- dẫn đến k’ tăng lên khoảng 2.5 lần (ảnh hưởng sẽ lớn hơn nếu nồng độ của ion đối thấp).

o Phân tử ion đối càng lớn thì giá trị k’càng lớn trong sắc kí pha đảo và càng nhỏ trong sắc kí pha thuận.


113

? Độ phân cực của dung môi: o Lực dung môi trong ICP pha thuận và pha đảo có thể được thay đổi bởi thay đổi

độ phân cực của pha động. o Trong các hệ thống pha đảo, hỗn hợp nước với methanol hoặc acetonitril nói

chung được sử dụng là pha động. Khi phần trăm của nước giảm xuống thì dung môi trở nên mạnh hơn và k’ của mẫu giảm xuống.

o Các hỗn hợp giữa butanol và pentanol với CH2Cl2, CHCl3 có hoặc không thêm hexan là những pha động thường dùng trong sắc kí pha thuận ICP.

? Ảnh hưởng của pH o Giá trị k’ của mẫu sẽ chịu tác động nhiều trong ICP bởi thay đổi pH hoặc thay đổi

dung môi này bằng dung môi khác (ví dụ từ acetat etyl thay bằng butanol). o Nếu chúng ta biết giá trị pKA của các axit hoặc pKB của các bazơ đang tách thì ta

có thể dự đoán được sự lưu giữ tương đối của mỗi hợp chất sẽ thay đổi theo pH. o Nói chung pH của pha động được duy trì như thế nào để cho các hợp chất mẫu

được ion hóa hoàn toàn, còn sự tạo thành ion đối thì đạt cực đại. o Ví dụ khi tách các axit nếu pH của pha động thấp thì anion mẫu X- sẽ nằm dưới

dạng HX dẫn đến số lượng mẫu nằm ở dạng ion đối trên pha tĩnh sẽ thấp. Ứng dụng:

? ICP được ứng dụng trong những mẫu phân cực như các bazơ, các ion, và các hợp chất có các nhóm ion hóa.

? Các mẫu nước, bao gồm các dịch sinh lí, cũng nhận được sự quan tâm của ICP. 8.5.5. Sắc kí loại theo cở (Size Exclusion Chromatography)

? Sắc kí loại theo cở hay còn gọi là sắc kí trên gel là một công cụ mạnh cho phân tích các chất có khối lượng phân tử lớn.

? Chất nhồi cột cho sắc kí này là các hạt nhỏ (cở 10 micromet) polime hoặc silica chứa mạng lưới các lỗ đồng nhất trong đó các chất tan và dung môi có thể khuếch tán vào. Trong các lỗ đó các phân tử bị bẫy một cách hiệu quả và bị tách từ dòng chảy của pha động.

? Thời gian cư ngụ trung bình trong các lỗ phụ thuộc vào kích thước hiệu dụng của các phân tử. Các phân tử có kích thước lớn hơn so với kích thước trung bình của các lỗ của chất nhồi thì không bị lưu giữ.

? Còn các phân tử có đường kính nhỏ hơn đáng kể kích thước lỗ thì thâm nhập càng sâu vào trong sâu lỗ và như vậy cần nhiều thời gian hơn để ra khỏi lỗ, dẫn đến bị rửa giải ra sau cùng.

? Nằm giữa hai loại này là các phân tử có kích thước trung bình sẽ xâm nhập vào trong các lỗ nhiều hay ít tùy thuộc đuồng kính của chúng.

? Chú y rằng trong sắc kí loại theo cở thì khác với các trường hợp xét trước đây, ở đây không có sự tương tác hóa học hoặc vật lí giữa các phân tử chất tan và pha tĩnh.


114

Chất nhồi cột ? Có hai loại: Các hạt polime và silica có đường kính từ 5 đến 10 micromet. Loại sau cứng

hơn nên dễ nhồi cột, bền hơn, cho phép sử dụng một khoảng rộng các dung môi bao gồm cả nước, cân bằng thiết lập nhanh hơn trong những dung môi mới, và bền ở nhiệt độ cao hơn.

? Những nhược điểm của hạt silica là có khuynh hướng lưu giữ chất tan bởi sự hấp phụ và có thể có tiềm năng xúc tác cho các phản ứng phân hủy các phân tử chất tan.

? Hầu hết sắc kí loại theo cở đầu tiên được thực hiện trên chất nhựa đồng trùng hợp giữa divinyl benzene với styrene. Kích thước lỗ của loại polime này được kiểm soát bởi sự mở rộng liên kết ngang và vì thế liên quan đến phần trăm divinylbenzen sử dụng để sản xuất nhựa. Vì vậy có nhiều loại gel với kích cở lỗ khác nhau.

? Lúc đầu, các nhựa đồng trùng hợp này là kỵ nước và chỉ được sử dụng với pha động là các dung môi không nước.

? Hiện nay, các gel ưa nước là có sẵn (ví dụ poliacrylamide) dẫn dến có thể sử dụng dung môi nước cho các phép tách các phân tử chất tan trong nước ví dụ các loại đường.

? Các loại silica và hạt thủy tinh có kích thước lỗ trung bình của khoảng 40 đến 2500 Ao hiện có sẵn trên thị trường. Để giảm sự hấp phụ, bề mặt của những chất này thường được chuyển hóa bởi những chất thế hữu cơ. Ví dụ bề mặt của một chất nhồi ưa nước có cấu trúc:

OH OH │ │ │ —Si—CH2—CH2—CH2—CH2—O—CH2—CH—CH2 │

Phương trình rửa giải: ? Trong sắc kí theo gel thể tích của pha động Vm thường được gọi là thể tích rỗng (Void

volume) Vo. Đại lượng Kav được định nghĩa là: Kav = (Vr – Vo)/(Vt - Vo)

Ở đây o Vr là thể tích lưu của một chất tan, o Vt là thể tích tổng của cột = πr2 với r là bán kính). o Đối với một phân tử lớn và không xâm nhập vào gel thì Vr = Vo và Kav = 0. o Đối với các phân tử nhỏ xâm nhập tự do vào gel thì Vr ≈ Vt và Kav ≈ 1. o Các phân tử có kích thước trung bình xâm nhập một phần vào các lỗ thì có Kav

nằm trong khoảng từ 0 đến 1. Thực tế do luôn luôn có sự hấp phụ nên Kav luôn luôn lớn hơn 1.

? Thể tích rỗng được đo bởi cho một loại phân tử trơ có kích thước lớn đi qua cột. Thể tích rửa giải của nó chính là Vo.


115

8.6. Sắc kí lỏng trên mặt phẳng

? Sắc kí giấy và sắc kí lớp mỏng đã được xây dựng, phát triển và ứng dụng từ lâu. Tuy

nhiên hiện nay sắc kí giấy ít được sử dụng. ? Trong sắc kí mặt phẳng, quá trình sắc kí được tiến hành trên một tờ giấy hay một lớp bột

rải đều và được giữ trên mặt một tấm kính, chất dẻo hay kim loại, ví dụ nhôm. Bản thân lớp mỏng có thể là pha tĩnh hoặc chỉ là chất mang để giữ pha tĩnh trên đó. Pha động là chất lỏng sẽ thấm và chạy trên lớp mỏng do tác dụng của lực mao dẫn và đôi khi cả trọng lực và điện thế.

? Phổ biến nhất hiện nay là sắc kí lớp mỏng. Ở nước ta phương pháp sắc kí lớp mỏng đã được sử dụng rộng rãi, đã có nhiều tài liệu, chuyên gia có kinh nghiệm về phương pháp này.

7.1 Vai trò của phương pháp SKLM

? Về mặt lí thuyết cũng như về chủng loại các pha tĩnh và động, về mặt ứng dụng, SKLM và sắc kí lỏng trên cột khá giống nhau. Vì thế SKLM có thể dùng để tìm các điều kiện tối ưu cho sự tách bằng săc kí lỏng trên cột.


116

? Ưu điểm của SKLM là có thể tiến hành nhanh chóng và ít tốn kém các thí nghiệm thăm dò cho sắc kí cột.

? SKLM được dùng để thử độ tinh khiết của sản phẩm dùng nhiều trong phòng thí nghiệm, trong nghiên cứu sinh học, hóa sinh…

7.2 Nguyên tắc của SKLM

? SKLM thường được tiến hành trên một bản thủy tinh có rải một lợp mỏng dính chắc của các hạt bột mịn. Lớp mỏng này thường được dùng làm pha tĩnh. Các pha tĩnh và động trong SKLM cũng tương tự các pha trong sắc kí lỏng hiệu năng cao

(sắc kí hấp phụ, sắc kí phân bố pha thuận và pha ngược, sắc kí trao đổi ion, sắc kí trên gel). Chuẩn bị các lớp mỏng

? Bột dùng để chế tạo lớp mỏng ( ví dụ bột silicagen) thường được thêm nước thành bột nhão và rải lên bề mặt sach của một tấm kính hay chất dẻo (hoặc phiến kính dùng để soi trên kính hiển vi) thành một lớp mỏng. Người ta thường cho thêm một chất kết dính (như bột bó) và bột nhão để giữ các hạt dính với nhau và dính trên mặt kính.

? Tấm kính được để yên cho lớp mỏng định hình và dính vào mặt kính sau đó được đem sấy vài giờ trong tủ sấy.

? Một số hãng hóa chất chế tạo sẵn nhiều loại bản mỏng như bản silicagen chỉ thị huỳnh quang dưới tia tử ngoại bước sóng 254 nm.

Khai triển sắc kí ? Là quá trình cho pha động chạy xuyên qua pha tĩnh và kéo mẫu phân tích di chuyển trên

pha tĩnh. ? Thường người ta chấm một giọt mẫu phân tích gần một mép của bản mỏng. Dùng bút chì

đánh dấu nơi chấm mẫu. ? Sau khi giọt mẫu đã khô, đặt bản mỏng vào bình sắc kí đã bão hòa hơi dung môi của pha

động, mép phía chấm mẫu được nhúng vào dung môi pha động nhưng không được cho điểm chấm mẫu chạm trực tiếp vào dung môi động.

? Sau khi dung môi chạy được nửa hay hai phần ba bản mỏng thì lấy ra sấy khô. ? Có hai cách triển khai:

o Sắc kí lên o Sắc kí ngang

Trên hình là sắc đồ hai chiều một số axit amin. Mẫu thử được chấm ở một góc của lớp mỏng (nơi đánh dấu x) cho dung môi A chạy, bay hơi dung môi , quay 90o cho dung môi B chạy, bay hơi dung môi, phun nihidrin là thuốc thử hiện màu của các axit amin. Xác định các chất bằng cách so sánh vị trí vết của mẫu với các vết của chuẩn.


117

Hình 8.4: Khai triển sắc kí theo hai chiều Phát hiện các vết trên bản mỏng

? Có nhiều phương pháp để phát hiện các vết: ? Hai cách phổ biến có thể dùng để phát hiện hầu hết các chất hữu cơ là phun dung dịch iot

hay axit sunfuric: sẽ xuất hiện các vết màu tối. Có thể phun các thuốc thử đặc hiệu (như ninhydrin). Cũng có thể thêm chất huỳnh quang vào pha tĩnh: cả bản mỏng sẽ sáng (huỳnh quang) khi soi đèn tử ngoại (ví dụ đèn có bức xạ 254 nm) nơi có chất phân tích thì sẽ tối hoặc có màu huỳnh quang khác với màu nền sáng của bản mỏng.

? Có thể tóm tắt các phương pháp phát hiện như sau: Nếu hợp chất có màu thì chỉ cần ánh sáng ban ngày. Dùng tia tử ngoại UV cho những hợp chất phát được huỳnh quang (có các hệ nối đôi

liên hợp) Phun hơi iot cho những hợp chất chứa ít nhất một nối đôi. DDùùnngg tthhuuốốcc tthhửử DDrraaggeennddoorrffff đđểể ddòò ttììmm ccáácc aallkkaallooiidd.. DDùùnngg tthhuuốốcc tthhửử FFeeCCll33 cchhoo ccáácc hhợợpp cchhấấtt hhọọ pphheennooll.. DDùùnngg aanniilliinnee pphhttaallaatt đđểể pphháátt hhiiệệnn ccáácc llooạạii đđưườờnngg.. DDùùnngg NNiinnhhyyddrriinn đđểể pphháátt hhiiệệnn ccáácc hhợợpp cchhấấtt nniittrroo nnhhưư aammiinn,, aammiinnoo aaxxiitt..

Phân tích bán định lượng

? Có thể ước lượng (bán định lượng) lượng chất trên sắc đồ bằng cách so sánh diện tích vết của mẫu thử với diện tích của vết chuẩn.

? Có thể thu được kết quả tốt hơn nếu cạo lấy bột chứa vết, chiết lấy chất phân tích và đem định lượng bằng một phương pháp lí hóa thích hợp.


118

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Modern analytical chemistry, David Harvey, Copyright © 2000 by The McGraw-Hill Companies, Inc.

2. Analytical Electrochemistry, Joseph Wang, 2000, Second Edi., Wiley 3. Chromatographic methods, A.Braithwaithe and F.J. Smith, 1999, Kluwer Academic Publishers. 4. Modern practice of Gas chromatography, Robert L. Grob, 1995, Wiley-Interscience Publication. 5. Practical HPLC methodology and applications,Brian A. Bidlingmeyer, 1992, Wiley-Interscience Publication. 6.. Quantitative chemical analysis, Deniel C. Harris, 1999, W.H Freeman and company

Documents

Phan tich cong_cu_th_vung_