Tài liệu Kỹ thuật phân tích quang phổ hấp thu nguyên tử AAS - CASE

Tài liệu nghiên cứu Kỹ thuật phân tích phổ hấp thu nguyên tử aas, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Học
• Đề tài: Kỹ Thuật Phân Tích Phổ Hấp Thu Nguyên Tử Aas
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khám phá kỹ thuật phân tích phổ hấp thu nguyên tử AAS là gì

Kỹ thuật phân tích phổ hấp thu nguyên tử AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) là một phương pháp phân tích quang phổ dùng để xác định định tính và định lượng các nguyên tố hóa học. Đây là một trong những công cụ phân tích dụng cụ mạnh mẽ và phổ biến nhất trong các phòng thí nghiệm hiện đại, đặc biệt hiệu quả cho việc phân tích vi lượng kim loại. Về bản chất, AAS là gì? Đó là phương pháp dựa trên sự tương tác giữa bức xạ điện từ và các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi. Khi một chùm sáng có bước sóng đặc trưng chiếu qua đám hơi nguyên tử, các nguyên tử này sẽ hấp thụ năng lượng, làm giảm cường độ của chùm sáng. Mức độ hấp thụ này tỷ lệ thuận với nồng độ của nguyên tố trong mẫu, tạo cơ sở cho việc định lượng. Toàn bộ quá trình đo lường tuân theo định luật Beer-Lambert, một nguyên lý nền tảng trong quang phổ học. Định luật này phát biểu rằng độ hấp thụ quang (Absorbance) tỷ lệ thuận với nồng độ chất hấp thụ và độ dài đường truyền của ánh sáng qua mẫu. Công thức cơ bản là A = εbc, trong đó A là độ hấp thụ, ε là hệ số hấp thụ mol, b là độ dài quang trình, và c là nồng độ. Một máy quang phổ hấp thụ nguyên tử hiện đại bao gồm các bộ phận chính: nguồn phát bức xạ (thường là đèn cathode rỗng), hệ thống nguyên tử hóa mẫu, bộ đơn sắc để chọn bước sóng, và detector để đo cường độ ánh sáng. Việc hiểu rõ các thành phần này là chìa khóa để vận hành và tối ưu hóa phép đo phổ hấp thu nguyên tử.

1.1. Giải mã nguyên tắc AAS và định luật Beer Lambert

Cốt lõi của phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử nằm ở nguyên tắc AAS: mỗi nguyên tố hóa học chỉ hấp thụ những bức xạ có bước sóng xác định, tương ứng với các vạch phổ đặc trưng của nó. Để thực hiện phép đo, mẫu phân tích phải được chuyển về trạng thái hơi của các nguyên tử tự do thông qua quá trình nguyên tử hóa mẫu. Sau đó, một nguồn sáng đặc trưng, ví dụ đèn cathode rỗng (HCL Lamp) chứa chính nguyên tố cần phân tích, sẽ phát ra bức xạ cộng hưởng. Chùm bức xạ này đi qua đám hơi nguyên tử. Các nguyên tử trong đám hơi sẽ hấp thụ năng lượng từ chùm sáng để chuyển lên trạng thái kích thích. Cường độ ánh sáng sau khi đi qua đám hơi sẽ giảm đi. Sự suy giảm này được đo bằng detector và chuyển thành giá trị độ hấp thụ quang. Mối quan hệ giữa độ hấp thụ và nồng độ được mô tả bởi định luật Beer-Lambert. Dựa vào độ hấp thụ đo được và một đường chuẩn đã biết, nồng độ của nguyên tố trong mẫu ban đầu có thể được xác định chính xác.

1.2. Cấu tạo cơ bản của một máy quang phổ hấp thụ nguyên tử

Một máy quang phổ hấp thụ nguyên tử điển hình gồm bốn bộ phận chính. (1) Nguồn phát bức xạ: Thường là đèn cathode rỗng (HCL Lamp) hoặc đèn phóng điện không điện cực (EDL), phát ra vạch phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích. (2) Hệ thống nguyên tử hóa: Có nhiệm vụ chuyển mẫu từ trạng thái ban đầu (thường là dung dịch) thành đám hơi nguyên tử tự do. Hai kỹ thuật phổ biến nhất là AAS ngọn lửa (F-AAS) và AAS lò graphite (GF-AAS). (3) Bộ đơn sắc (Monochromator): Dùng để cô lập vạch phổ cộng hưởng cần đo khỏi các vạch phổ khác do nguồn sáng hoặc do nền mẫu phát ra, đảm bảo tính chọn lọc của phép đo. (4) Detector: Thường là ống nhân quang điện (PMT), có chức năng chuyển tín hiệu quang (cường độ ánh sáng) thành tín hiệu điện, sau đó khuếch đại và xử lý để cho ra kết quả cuối cùng dưới dạng độ hấp thụ hoặc nồng độ. Các máy AAS hiện đại như máy AAS Shimadzu hay máy AAS Agilent thường tích hợp hệ thống quang học chùm đơn hoặc chùm đôi để tăng độ ổn định.

II. Các thách thức và nhiễu nền trong phân tích AAS cần biết

Mặc dù kỹ thuật phân tích phổ hấp thu nguyên tử AAS có độ nhạy và độ chọn lọc cao, quá trình thực hiện không tránh khỏi các thách thức và yếu tố gây sai số. Một trong những vấn đề chính là nhiễu nền trong AAS. Nhiễu nền là sự hấp thụ hoặc tán xạ ánh sáng bởi các thành phần khác trong mẫu ngoài nguyên tử của nguyên tố cần phân tích, chẳng hạn như các phân tử chưa phân ly hoặc các hạt rắn. Sự hấp thụ nền này gây ra tín hiệu hấp thụ dương giả, dẫn đến kết quả phân tích cao hơn thực tế. Để khắc phục, các phương pháp hiệu chỉnh nền như hiệu chỉnh nền bằng nguồn đèn Deuterium (D2) hay hiệu chỉnh nền Zeeman đã được phát triển. Một thách thức khác liên quan đến giới hạn của phương pháp. Mỗi phép đo đều có giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ). LOD là nồng độ thấp nhất mà tại đó tín hiệu của chất phân tích có thể phân biệt được một cách có ý nghĩa thống kê so với tín hiệu nhiễu, thường được tính bằng 3 lần độ lệch chuẩn của mẫu trắng. Trong khi đó, LOQ là nồng độ thấp nhất có thể định lượng được với độ chính xác và độ đúng chấp nhận được. Việc xác định chính xác LOD và LOQ là cực kỳ quan trọng để đánh giá năng lực của phương pháp và đảm bảo tính tin cậy của kết quả, đặc biệt trong phân tích vi lượng và siêu vi lượng.

2.1. Phân biệt giới hạn phát hiện LOD và giới hạn định lượng LOQ

Trong phân tích dụng cụ, giới hạn phát hiện (LOD - Limit of Detection) và giới hạn định lượng (LOQ - Limit of Quantitation) là hai thông số quan trọng để đánh giá hiệu năng của một phương pháp. LOD được định nghĩa là nồng độ nhỏ nhất của chất phân tích mà thiết bị có thể phát hiện ra sự có mặt của nó, nhưng chưa thể định lượng một cách chính xác. Theo khuyến nghị của IUPAC, LOD thường được tính bằng 3 lần độ lệch chuẩn của phép đo mẫu trắng chia cho độ dốc của đường chuẩn. Ngược lại, LOQ là nồng độ nhỏ nhất có thể được xác định với độ chính xác và độ đúng có thể chấp nhận. Thông thường, LOQ được xác định bằng 10 lần độ lệch chuẩn của mẫu trắng chia cho độ dốc đường chuẩn. Việc hiểu rõ sự khác biệt này giúp các nhà phân tích đưa ra kết luận phù hợp: kết quả dưới LOD được báo cáo là 'không phát hiện', trong khi kết quả giữa LOD và LOQ được xem là 'vết' (trace) và không thể định lượng chính xác.

2.2. Các loại nhiễu nền và phương pháp hiệu chỉnh hiệu quả

Có hai loại nhiễu nền trong AAS chính: hấp thụ phân tử và tán xạ ánh sáng. Hấp thụ phân tử xảy ra khi các phân tử chưa bị nguyên tử hóa hoàn toàn trong ngọn lửa hoặc lò graphite hấp thụ bức xạ ở cùng bước sóng với nguyên tử cần phân tích. Tán xạ ánh sáng xảy ra do sự hiện diện của các hạt rắn nhỏ (ví dụ: muối không bay hơi) trong đường đi của chùm sáng. Cả hai hiện tượng này đều làm tăng tín hiệu độ hấp thụ quang một cách giả tạo. Để loại bỏ nhiễu nền, các máy quang phổ hấp thụ nguyên tử hiện đại được trang bị hệ thống hiệu chỉnh nền. Phổ biến nhất là hiệu chỉnh nền bằng đèn Deuterium (D2), hoạt động hiệu quả trong vùng UV. Một kỹ thuật tiên tiến hơn là hiệu chỉnh nền Zeeman, dựa trên hiệu ứng tách vạch phổ của nguyên tử trong từ trường mạnh, cho phép hiệu chỉnh nền chính xác hơn, đặc biệt với kỹ thuật GF-AAS.

2.3. Tầm quan trọng của việc xử lý mẫu phân tích AAS đúng cách

Giai đoạn xử lý mẫu phân tích AAS là một bước tối quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả. Mục tiêu của xử lý mẫu là chuyển chất phân tích từ nền mẫu phức tạp (thực phẩm, đất, nước thải) thành dung dịch đồng nhất, thường là dung dịch axit loãng, mà không làm mất mát chất phân tích và không đưa thêm tạp chất vào. Các phương pháp xử lý mẫu phổ biến bao gồm vô cơ hóa ướt (sử dụng hỗn hợp axit mạnh như HNO3, H2SO4, HClO4) và vô cơ hóa khô (nung mẫu ở nhiệt độ cao). Lựa chọn phương pháp xử lý phụ thuộc vào bản chất của nền mẫu và nguyên tố cần phân tích. Việc xử lý mẫu phân tích AAS không đúng cách có thể dẫn đến kết quả sai lệch do phân hủy không hoàn toàn, mất mát nguyên tố bay hơi, hoặc nhiễm bẩn từ thuốc thử và dụng cụ.

III. Hướng dẫn kỹ thuật F AAS phân tích phổ hấp thu nguyên tử ngọn lửa

Kỹ thuật AAS ngọn lửa (F-AAS) là kỹ thuật phổ biến, đơn giản và nhanh chóng nhất trong các phương pháp AAS. Nguyên tắc của nó là sử dụng năng lượng nhiệt từ ngọn lửa để thực hiện quá trình nguyên tử hóa mẫu. Dung dịch mẫu được hút qua một mao quản vào bộ phun sương (nebulizer), tại đây nó được chuyển thành dạng aerosol (sương mù). Aerosol sau đó được trộn với khí nhiên liệu (ví dụ: acetylen) và khí oxy hóa (ví dụ: không khí hoặc N2O) trong một buồng trộn trước khi được đưa vào đầu đốt. Ngọn lửa, với nhiệt độ từ 2100-2800°C, sẽ làm bay hơi dung môi và phân ly các hợp chất, giải phóng các nguyên tử tự do của nguyên tố cần phân tích. Chùm sáng từ đèn cathode rỗng sẽ đi xuyên qua vùng giàu nguyên tử nhất trong ngọn lửa. Phép đo phổ hấp thu nguyên tử F-AAS có ưu điểm là tốc độ phân tích nhanh, độ lặp lại tốt và chi phí vận hành tương đối thấp. Tuy nhiên, nó đòi hỏi thể tích mẫu lớn hơn và có độ nhạy (biểu diễn qua giới hạn phát hiện LOD) kém hơn so với kỹ thuật lò graphite. Kỹ thuật này rất phù hợp cho việc phân tích các nguyên tố có nồng độ ở mức ppm (phần triệu).

3.1. Quy trình nguyên tử hóa mẫu bằng hệ thống ngọn lửa

Quá trình nguyên tử hóa mẫu trong F-AAS diễn ra qua nhiều giai đoạn liên tiếp trong ngọn lửa. Đầu tiên, dung dịch aerosol đi vào chân ngọn lửa, dung môi (thường là nước) bay hơi, để lại các hạt muối rắn siêu nhỏ. Tiếp theo, khi di chuyển lên vùng nóng hơn của ngọn lửa, các hạt muối này nóng chảy rồi bay hơi, tạo thành các phân tử ở thể khí. Cuối cùng, ở vùng nóng nhất, các phân tử này bị phân ly bởi năng lượng nhiệt, giải phóng ra các nguyên tử tự do. Chỉ những nguyên tử ở trạng thái hơi tự do này mới có khả năng hấp thụ bức xạ và tạo ra tín hiệu phân tích. Hiệu suất của toàn bộ quá trình, từ phun sương đến nguyên tử hóa, là một yếu tố quan trọng quyết định độ nhạy của phép đo.

3.2. Tối ưu hóa điều kiện ngọn lửa Oxy hóa và Khử

Việc lựa chọn và tối ưu hóa loại ngọn lửa là rất quan trọng để đạt được kết quả tốt nhất. Hai loại ngọn lửa được sử dụng phổ biến nhất là không khí-acetylen (nhiệt độ khoảng 2300°C) và nitrous oxide-acetylen (nhiệt độ khoảng 2700°C). Tỷ lệ giữa khí oxy hóa và khí nhiên liệu quyết định tính chất của ngọn lửa. Ngọn lửa 'nghèo' nhiên liệu (fuel-lean) có màu xanh nhạt, nóng hơn và có tính oxy hóa, phù hợp cho các kim loại kiềm và kiềm thổ. Ngược lại, ngọn lửa 'giàu' nhiên liệu (fuel-rich) có màu vàng hơn, mát hơn và có tính khử, giúp ngăn chặn sự hình thành oxit bền của các nguyên tố như Cr, Mo, Ca, làm tăng tín hiệu hấp thụ. Việc tối ưu hóa chiều cao đầu đốt và tốc độ dòng khí cho mỗi nguyên tố là cần thiết để đảm bảo chùm sáng đi qua vùng có mật độ nguyên tử tự do cao nhất.

3.3. Cách dựng đường chuẩn AAS cho phân tích định lượng

Để xác định nồng độ của một nguyên tố chưa biết, cần phải thực hiện việc dựng đường chuẩn AAS. Quá trình này bao gồm việc chuẩn bị một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ đã biết chính xác. Sau đó, tiến hành đo độ hấp thụ quang của từng dung dịch chuẩn này trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử trong điều kiện tối ưu. Một đồ thị sẽ được xây dựng với trục tung là độ hấp thụ và trục hoành là nồng độ. Theo định luật Beer-Lambert, trong một khoảng nồng độ nhất định, mối quan hệ này là tuyến tính. Sau khi có đường chuẩn, tiến hành đo độ hấp thụ của dung dịch mẫu thử. Từ giá trị độ hấp thụ đo được, nồng độ của nguyên tố trong mẫu sẽ được nội suy từ phương trình đường thẳng của đường chuẩn. Độ tin cậy của kết quả phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của đường chuẩn.

IV. Phân tích vi lượng với kỹ thuật GF AAS AAS lò graphite

Kỹ thuật AAS lò graphite (GF-AAS), hay còn gọi là Quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa, là một phương pháp có độ nhạy vượt trội so với F-AAS, cho phép phân tích vi lượng và siêu vi lượng ở mức ppb (phần tỷ) hoặc thấp hơn. Thay vì sử dụng ngọn lửa, GF-AAS sử dụng một ống graphite nhỏ được nung nóng bằng điện trở theo một chương trình nhiệt được kiểm soát chính xác. Một thể tích mẫu rất nhỏ (thường chỉ vài microlit) được đưa trực tiếp vào ống graphite. Chương trình nhiệt bao gồm nhiều giai đoạn: sấy khô để loại bỏ dung môi, tro hóa (pyrolysis) để loại bỏ các thành phần nền dễ bay hơi, và cuối cùng là nguyên tử hóa ở nhiệt độ rất cao (lên đến 3000°C) để tạo ra một đám mây nguyên tử đậm đặc trong một khoảng thời gian ngắn. Toàn bộ lượng nguyên tử này được giữ lại trong đường đi của chùm sáng trong thời gian dài hơn so với ngọn lửa, làm tăng đáng kể tín hiệu hấp thụ. Do độ nhạy cao, GF-AAS rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu nền trong AAS. Do đó, việc sử dụng các hệ thống hiệu chỉnh nền hiệu quả, đặc biệt là hiệu chỉnh nền Zeeman, là gần như bắt buộc để đảm bảo kết quả chính xác. Mặc dù tốc độ phân tích chậm hơn F-AAS, GF-AAS là công cụ không thể thiếu trong phân tích môi trường và kiểm nghiệm thực phẩm khi cần xác định các kim loại nặng độc hại ở nồng độ rất thấp.

4.1. Nguyên lý hoạt động của lò graphite và chương trình nhiệt

Hệ thống nguyên tử hóa của GF-AAS là một ống graphite (graphite tube), thường được làm từ than chì phủ pyrolytic. Mẫu được đưa vào ống bằng một bộ tiêm mẫu tự động. Lò graphite sau đó được nung nóng theo một chương trình nhiệt gồm nhiều bước đã được lập trình. (1) Bước Sấy khô (Drying): Nung ở nhiệt độ thấp (khoảng 100-120°C) để làm bay hơi dung môi một cách nhẹ nhàng. (2) Bước Tro hóa (Pyrolysis/Ashing): Nhiệt độ được tăng lên (300-1200°C) để phân hủy nhiệt và loại bỏ các thành phần hữu cơ và muối dễ bay hơi trong nền mẫu. (3) Bước Nguyên tử hóa (Atomization): Nhiệt độ được tăng đột ngột lên rất cao (2000-3000°C) trong vài giây. Ở nhiệt độ này, chất phân tích còn lại được hóa hơi và nguyên tử hóa, tạo ra một đám mây nguyên tử đậm đặc. (4) Bước Làm sạch (Cleaning): Nhiệt độ được duy trì ở mức cao nhất để đốt sạch mọi dư lượng còn lại trong ống, chuẩn bị cho lần phân tích tiếp theo.

4.2. Kỹ thuật hiệu chỉnh nền Zeeman trong phép đo GF AAS

Do nồng độ chất phân tích rất thấp và nền mẫu thường phức tạp trong phân tích vi lượng, nhiễu nền trong AAS là một vấn đề nghiêm trọng với kỹ thuật GF-AAS. Kỹ thuật hiệu chỉnh nền Zeeman là giải pháp hiệu quả nhất. Nguyên lý của nó dựa trên hiệu ứng Zeeman: khi đặt đám hơi nguyên tử vào một từ trường mạnh, vạch phổ hấp thụ của nguyên tử sẽ bị tách thành nhiều thành phần (thành phần π và σ). Thành phần π vẫn hấp thụ ở bước sóng ban đầu, trong khi các thành phần σ bị dịch chuyển sang các bước sóng hơi khác. Bằng cách sử dụng một kính phân cực, máy đo có thể đo xen kẽ tín hiệu tổng (hấp thụ nguyên tử + hấp thụ nền) và tín hiệu nền (chỉ có hấp thụ nền). Lấy tín hiệu tổng trừ đi tín hiệu nền sẽ cho ra tín hiệu hấp thụ thực của nguyên tử. Kỹ thuật này có khả năng hiệu chỉnh cho các loại nhiễu nền có cấu trúc phức tạp và cường độ cao.

V. Kỹ thuật AAS đặc biệt Hydrua hóa HG Hóa hơi lạnh CV

Bên cạnh F-AAS và GF-AAS, có những kỹ thuật chuyên biệt được phát triển để phân tích một số nguyên tố đặc thù với độ nhạy cực cao. Kỹ thuật hydrua hóa (HG-AAS) là phương pháp lý tưởng để xác định các nguyên tố có khả năng tạo thành hợp chất hydrua dễ bay hơi như Asen (As), Selen (Se), Antimon (Sb), và Thiếc (Sn). Trong kỹ thuật này, mẫu được phản ứng với một chất khử mạnh, thường là natri borohydrua (NaBH4), trong môi trường axit. Phản ứng này chuyển các ion của nguyên tố cần phân tích thành dạng khí hydrua (ví dụ: AsH3). Dòng khí trơ sau đó mang khí hydrua này đến một cuvet thạch anh được nung nóng (quartz cell). Tại đây, khí hydrua bị phân hủy nhiệt, giải phóng nguyên tử tự do để thực hiện phép đo phổ hấp thu nguyên tử. Một kỹ thuật đặc biệt khác là kỹ thuật hóa hơi lạnh (CV-AAS), được dành riêng cho việc phân tích kim loại nặng là Thủy ngân (Hg). Do Thủy ngân là kim loại duy nhất có thể tồn tại ở dạng hơi nguyên tử ở nhiệt độ phòng, kỹ thuật này không cần đến ngọn lửa hay lò graphite. Ion thủy ngân trong mẫu được khử về dạng nguyên tử Hg(0) bằng một chất khử như SnCl2 hoặc NaBH4. Dòng khí trơ sục qua dung dịch sẽ cuốn theo hơi thủy ngân và đưa đến cuvet đo mà không cần gia nhiệt. Cả hai kỹ thuật HG-AAS và CV-AAS đều giúp tách nguyên tố phân tích ra khỏi nền mẫu phức tạp, do đó loại bỏ gần như hoàn toàn các nhiễu hóa học và nhiễu nền, mang lại giới hạn phát hiện LOD cực thấp.

5.1. Phân tích Asen As bằng kỹ thuật Hydrua hóa HG AAS

Kỹ thuật hydrua hóa (HG-AAS) là phương pháp tiêu chuẩn để xác định Asen theo TCVN 6626:2000. Quá trình phân tích bao gồm việc khử As(V) trong mẫu về As(III) bằng KI trong môi trường axit. Sau đó, As(III) phản ứng với natri borohydrua (NaBH4) để tạo thành khí asen hydrua (AsH3). Phản ứng hóa học tổng quát: As³⁺ + BH₄⁻ + H⁺ → AsH₃ (khí) + H₃BO₃ + H₂. Dòng khí Argon sẽ mang khí AsH3 đến một cuvet thạch anh được gia nhiệt đến khoảng 900°C. Tại nhiệt độ này, AsH3 phân hủy thành nguyên tử As tự do. Phép đo phổ hấp thu nguyên tử của As được thực hiện ở bước sóng 193.7 nm. Kỹ thuật này cho phép xác định Asen ở nồng độ rất thấp, đóng vai trò quan trọng trong phân tích môi trường nước và kiểm nghiệm thực phẩm.

5.2. Xác định Thủy ngân Hg với kỹ thuật hóa hơi lạnh CV AAS

Thủy ngân là một kim loại nặng cực độc, và việc xác định nó ở nồng độ vết đòi hỏi một kỹ thuật có độ nhạy rất cao. Kỹ thuật hóa hơi lạnh (CV-AAS), được mô tả trong TCVN 7877:2008, là phương pháp tối ưu cho mục đích này. Nguyên tắc của CV-AAS là khử các ion Hg²⁺ trong dung dịch mẫu thành thủy ngân nguyên tử (Hg⁰) bằng một chất khử như stannous chloride (SnCl₂). Phản ứng: Hg²⁺ + Sn²⁺ → Hg⁰ + Sn⁴⁺. Do thủy ngân có áp suất hơi cao ở nhiệt độ phòng, một dòng khí trơ (như Argon) được sục qua dung dịch để cuốn hơi Hg⁰ mang đến cuvet đo. Vì không cần gia nhiệt, kỹ thuật này được gọi là 'hóa hơi lạnh'. Độ hấp thụ quang của hơi thủy ngân được đo ở bước sóng 253.7 nm. Phương pháp này có giới hạn phát hiện LOD rất thấp và độ chọn lọc cao, là công cụ không thể thiếu để giám sát ô nhiễm thủy ngân.

VI. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp phân tích phổ AAS

Nhờ độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt và chi phí hợp lý, kỹ thuật phân tích phổ hấp thu nguyên tử AAS đã trở thành một công cụ phân tích không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất là trong lĩnh vực phân tích môi trường. AAS được sử dụng rộng rãi để quan trắc nồng độ các phân tích kim loại nặng độc hại như chì (Pb), cadimi (Cd), thủy ngân (Hg), và asen (As) trong các mẫu nước (nước mặt, nước ngầm, nước thải), đất, bùn và không khí. Việc kiểm soát các nguyên tố này là cực kỳ quan trọng để bảo vệ sức khỏe con người và hệ sinh thái. Trong ngành công nghiệp thực phẩm, kiểm nghiệm thực phẩm bằng AAS đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm. Kỹ thuật này giúp xác định các kim loại độc hại có thể nhiễm vào chuỗi thức ăn, cũng như phân tích các nguyên tố vi lượng thiết yếu (ví dụ: sắt, kẽm, đồng) trong các sản phẩm dinh dưỡng. Ngoài ra, AAS còn được ứng dụng trong các ngành khác như dược phẩm (kiểm soát tạp chất kim loại trong thuốc), y tế (phân tích các nguyên tố trong mẫu sinh học như máu, nước tiểu), địa chất (phân tích thành phần khoáng sản) và công nghiệp luyện kim (kiểm soát chất lượng hợp kim).

6.1. Vai trò của AAS trong phân tích kim loại nặng thực phẩm

Kiểm nghiệm thực phẩm bằng AAS là một ứng dụng phổ biến để đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Các phân tích kim loại nặng như Chì (Pb), Cadimi (Cd), Asen (As) và Thủy ngân (Hg) thường được thực hiện định kỳ trên các mẫu thực phẩm như rau quả, thủy sản, ngũ cốc. Các kim loại này có thể xâm nhập vào thực phẩm từ đất, nước bị ô nhiễm hoặc trong quá trình chế biến, bảo quản. Kỹ thuật GF-AAS với độ nhạy cao là lựa chọn hàng đầu để xác định các kim loại này ở nồng độ vết. Trong khi đó, CV-AAS và HG-AAS là các kỹ thuật chuyên dụng cho Hg và As. Kết quả phân tích giúp các nhà quản lý đưa ra cảnh báo và thu hồi các sản phẩm không đạt tiêu chuẩn, bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

6.2. Quan trắc và phân tích môi trường bằng phương pháp AAS

Trong lĩnh vực phân tích môi trường, AAS là một công cụ mạnh mẽ để đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại. Các phòng thí nghiệm quan trắc sử dụng AAS để phân tích định kỳ các mẫu nước sông, hồ, nước ngầm và nước thải công nghiệp. Kỹ thuật F-AAS phù hợp để phân tích các kim loại có nồng độ tương đối cao, trong khi GF-AAS được sử dụng cho các kim loại độc hại ở nồng độ cực thấp. Việc theo dõi nồng độ kim loại trong đất nông nghiệp cũng rất quan trọng để ngăn chặn sự tích tụ của chúng trong cây trồng. Các dữ liệu thu được từ phân tích AAS là cơ sở khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn môi trường và hoạch định chính sách bảo vệ tài nguyên nước và đất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ẩj§ CASE TRUNG TÂM DỊCH VỤ PHÂN TÍCH THÍ NGHIỆM THANH PHO HO CHI MINH (CASE) TAP HUAN ` KY THUAT PHAN TICH QUANG PHO HAP THU NGUYEN TU AAS NAM 2019 Atomic Spectroscopy Techniques ig CASE > Atomic Spectroscopy » Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) ° Flame AAS * Graphite Furnace AAS (GFAAS) * Hydride Generation / Cold Vapor AAS (HG/CV-AAS) ® Atomic Emission Spectroscopy (AES) * Flame AES * Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectroscopy (ICP- OES) : * Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy (ICP-MS) | Principle of Atomic Spectroscopy : tị CASE Energy Light, Heat AAS Basic : Beer’s Law © axe CASE Quantitative measurement in AAS ® is base on Beer’s Law, = cS concentration 3 OL absorbance 3 Concentration Transmittance Poe SA % Transmission :%T =100xI/l, % Absorption :%A_ =100-%T Absorbance od = log (I,/ 1) =axbxc = K xe AAS Basic : Characteristic Concentration & Detection Limit ẩÿ$ CASE The “characteristic concentration” (sometimes called “sensitivity”) is a convention for defining the magnitude of the absorbance signal which will be produced by a given concentration of analyte. For flame atomic absorption, this term is expressed as the concentration of an element in milligrams per liter (mg/L) required to produce a 1% absorption (0.0044 measured absorbance The following definitions apply: Detection limit = 3.x Standard Deviation x Concentration Mean Absorbance (IUPAC now recommend detection limit to be 3 times standard deviation ) Atom GF-AAS HG/CV-AAS Fiber Optics System li CASE Fiber optic technology Real time double beam Enhances light throughput for the best detection limits available Higher transmission across the wavelength range =8 lamg posiioss it slit detector. Entrance slit Deuleriulim lamp Light Source: Hollow Cath ode Lamp af CASE 1. Sputtering light Light Source: Electrodeless Discha rge Lamp (EDL) afi CASE.

Starter Bulb Analyte Bulb An EDL consist of a quartz bulb under an inert gas atmosphere, or salt of element containing the element hich the lamp is to be used, when RF field the inert ge Lai is applied to thos sở the bulb, Single and Double beam optical designs : (a) singte-beam design; (b) (FIGURE $-17. “Typical flame, spectrophotometers double-bearn design. AAnalyst 700/800 Optical System @ Monochromator a8 CASE D2-L, Sa Ề ni E, Detector Reference Beam Fibre optic cable Beam splitter Sample — Modern ‘real time’ double beam system Fully automated 33 CASE PinAAcle : Third G neral PerkinElmer’ Area of detection hy slit width 2.01nm shit * Two detectars in eprate double beam de’ : TH ¬ ka& : sample beam (flame beam mode | 1 and furnace] Highest quant © analytical sf Area for reference beam (flame on} 0.2807 nmsilts Lamp Usage Monitoring Kicnp setup TƯ a CASE [em Lamp Serial Number Lamp Hours Elements T 009020200 |257 Cd 2 031A09040400 |357 — ee 4 Ca 5 6 Cd 7 Se 8 Aine Ream PinAAcle 900 Series Product Range ẩÏ$ CASE Ạ * Flame +THGA o « AC Longitudinal 8 2 Zeeman Background ea Correction š PinAAcle 900F 5 = Tucson 450 a G * THGA Only — * AC Longitudinal Zeeman Background Oxi Flame Atomizer ẩjj CASE > The source of energy for free-atom production is heat, most common}y in the form of an air/acetylene or hitrous-oxide/acetylene flame > The sample is introduced as an aerosol into the flame by the sample introduction system consisting ofa nebulizer and spray chamber Atomization MA —>M°+A» Vaporization Solution —>Solid Mixing Solution (aerosol) mix with Fuel/Oxidant Oxidant ga Nebulization Solution -5olution (aerosol) Aspirate 3-8 ml/ Flame ame Atomi Atomizer fe CASE Burner Head Burner Flow Spoiler cm) Burner Syste’ > Burner hea recognition > Reliable ign : > Rugged corro: Flame Condition aj CASE Air - Acetylene ( 2125-2400 °C) OXIDIZING REDUCING + Fuel lean « Fuel rich « Light blue color « Yellowish color « Hot flame » Cool flame » Chemical Interferences possible Nitrous Oxide - Acetylene ( 2600-2800 °C) REDUCING OXIDIZING +» Fuel rich « Fuellean » Pink “feather” 1-5 cm high + Light blue color « Too rich - white » NEVER use lean N20 flame!! PinAAcle 900; automatic optimization of gas flows AND burner position &s CASE Every element has an ideal relation between oxidants and acetylene Oxidizing Flame Reducing Flame » lean (less Acetylene) » rich (more Acetylene) » Light blue » Slightly yellow >» Hot flame » Colder flame » Reduces interferences » Chemical interferences possible Method Method Background Absorption ajé CASE » Non-specific absorption of light due to undissociated molecules or particles causing * Scattering from these particles * Broadband absorption Background Correction ; Continuum Source 8 if CASE Continuum : Source ï Ệ C ) : Monochromator Detector Primary Source Intensity BG HCl Cont sun aCe Cont. ii a Graphite Furnace Atomizer Ề or P | ifs CASE External Flow ưrrrr v N 2x ì Ñ : N ề ^ Exernal Ẳ External Gas Flaw v Gas Flow Graphite Furnace Atomizer đi CASE.

> With Graphite Furnace Atomic Absorption (GFAA), the sample is introduced directly into a graphite tube, which is then heated ina Programmed series of steps to remove the solvent and major matrix components and to atomize the remaini ng sample > Graphite Furnace analysis times are longer than those for Flame sampling, and fewer elements can be determined using GFAA canon 53h ‘External | Internal low Temp. 3 ¬ Cleanin a ga D TubeView ifs CASE UY Alignment Dispense it Ve Pyrolysis Cool down TubeView camera 3{8 CASE > Furnace parameters optimized with Method Development option in Software > TubeView used to adjust pipette tip depth and optimize dry step U’vov Platform &D ifferent Atomizers TUBE TEMPERATURE 2ñ1Y434/N3L FROW Went TÌME —= Inti0upus i2 ae 4” TP gà eiAeay) ws PinAAcle : Patented Transversely Heated Graphite Atom lzer - 3j8 CASE 7 g < E S T sổ XÃ +. = rã ce =4 eB rổ Mi24 sẽ Tổ xã Po. Distribution oftemperstures in a HGA-tube Distribution oftsmp=ratures ina THGA-tub= Longitudinal Z ẹ Background Correction Old Style: Trans’ New Style 5100; Internal an 600°C or lowe am.

« Argoni/Hydrogen: | 5 ul in eliminating chloride inte: GFAAS : Zeeman Background Correction 4 afi CASE In a strong magnetic field, atomic spectral lines, emitted or absorbed, are divided into three or more polarized components; molecular spectra are usually not affected. Magnetic fleld OFF Magnetic fleld ON Atomized sample _ I eet | oe Radiation — | beam t = Magnetic field parallal \ to radiation beam 4+——— Source emission line Absorption profile GFAAS : Zeeman Background Correction afi CASE Zeeman In a strong magnetic field, atomic spectral lines, emitted or absorbed, are divided into three or more polarized components; molecular spectra are usually not affected. Magnetic field OFF Magnetic field ON Atomized sample ị aa Radiation —— | beam I “—+> Magnetic field parallel | to radiation beam Ỉ Source emission line Absorption Absorption profile Hydride € Hydride Hydride Generation / Cold Vapor using Flow Injection Technique Quartz Cell Autosampler m aes, ES ed acre Ae ATtS ae eas ee | =2 117 Hydride Generation / Cold Vapor AAS © Cold Vapor AAS ° He eat : mi ° Use of NaBH, or SnCl, ° Reduction = Advantages of A vvvwv oO @) ° 3 3 Vvvv Excellent detecti AAs are labora Can handle v Limitations of AA’ Summary of AAS Techniques fe CASE Flame Graphite Hydride Analytical concentration ppm ppb | ppb Elements 60+ 60+ 7-8 Speed Fast Slowest slow Background Low High Lowest Advantages & Limitations ras aj CASE Advantages Limitations Widely accepted with few interferences : Sequential determination of elements — itis Very easy-to-use (especially flame) slow in multielement applications! ; Comparatively low ïinvestment & cheap to » Can take 2-3 (GFAAS) minutes per element for each sample run 1 » Dynamic range is lower than ICP or ICP-MS Extremely high sample throughput (Flame) Detection limits in flame at mg/L (ppm) level Excellent detection limits (Graphite furnace) Requires lamp of the element to be Can handle very small volumes of sample determined (Graphite furnace) « Hollow Cathode (HC) or Electrodeless Discharge Lamp (EDL) : GFAA also requires graphite sample tubes ° Relatively expensive consumable Văn phòng Công nhận Chất tượng Văn phòng Công nhận Chất lượng sơ `. _ 8 CASE - Phương pháp đo phổ hấp thu nguyên tử » Phương pháp đo phổ hấp thu nguyên tử (Atomic Absorbtion Spectrometric - AAS) là phương pháp dựa trên nguyên lý hấp thu của hơi nguyên tử.

Người ta cho chiếu vào đám hơi nguyên tử một năng lượng bức xạ đặc trưng của riêng nguyên tử đó. Sau đó đo cường độ còn lại của bức xạ đặc trưng này sau khi đã bị đám hơi nguyên tử hấp thụ, sẽ tính ra được nồng độ nguyên tố có trong mẫu đem phân tích. Qe : ifs CASE * Dva vao ly thuyét trén thi diéu kiện để thu được phổ _ hấp thu nguyên tử của một nguyên tố hóa học, hệ thống trang bị đo AAS phải đáp Ứng các nguyên tắc sau: -1.Hệ thống nguyên tử hóa mẫu phân tích để tạo thành “hơi nguyên tử tự do”.Nguồn phát tia bức xạ cộng hưởng của nguyên tô phân tích. Đó là đèn cathod rỗng HCL hoặc đèn phóng điện không cực EDL Văn phòng Công nhận Chất lượng Văn phòng Công nhận Chất lượng Og aj CASE II.

Kỹ thuật hydrua s_ Kỹ thuật này đề tạo ra hydrua kim loại ở thể hoi (Vi du : AsH,.) * Hop chat hydrua kim loại được tạo thành theo luồng khí trơ (Ar) mang đến ống háp thu (quart cell absorption) dé gia nhiệt (900°C) tao thanh hơi nguyên tử As. Phương trình phản ứng đã CASE (As(V) được khử về As(III) nhờ KI trong môi trường acid) AsO, * +21 +2H* > AsO,* +1, +H,O BH,+ H*+ 3H,0 — H,BO,+8H As3++ 6H >AsH3t + 3H* AsH;—› As + 3/2H, Văn phòng Công nhận Chất lượng Văn phòng Công nhận Chất lượng aj CASE As trong nước được xác định theo phương pháp đo phổ hấp thu nguyên tử (kỹ thuật hydrua) theo TGVN 6626-2000. - Og ; iÿ$ CASE z XÁC ĐỊNH Arsen (As) TRONG NƯỚC | |. PHƯƠNG PHÁP ĐO PHO HAP THU NGUYEN TU | Ị Ị KỸ THUẬT HYDRUA i | THEO TIEU CHUAN VIET NAM | TCVN 6626 : 2000 (ISO 11969 : 1996) | Văn phòng Công nhận Chất lượng 'Văn phòng Công nhận Chất lượng s Phương pháp dựa trên đo hap thụ nguyên tử asen được sinh ra do phân huỷ nhiệt asen (III) hydrua.

» Trong điều kiện của phương pháp này chỉ có As (III) được chuyển định lượng thành hydrua. Đề tránh sai số khi xác định, mọi trạng thái oxy hóa khác cần chuyển về As (IIl) trước khi xác định. °- As (IIl) được khử thành khí asen hidrua AsH; bằng natri tetrahydroborat trong môi trường axit clohydric. °_ Độ hấp thụ được đo ở bước sóng 193,7 nm.

_ aR CASE * Axit sunfuric (H,SO,), p = 1,84 g/ml. Axit clohydric (HCI), p = 1,15 g/ml. Dung dịch natri tetrahydroborat Dung dịch kali iodua - axit ascobic Dung dịch asen gốc, 1000 mg As trong 1 lit. Văn phòng Công nhận Chất lượng Văn phòng Công nhận Chất lượng iŸš CASE Ễ auf Lay 50 ml mau vào bình cầu đáy tròn.

| ”** Cảnh báo - Khói bốc lên từ axit sunfuric đậm đặc (H;SO¿„ bị đun nóng gây kích thích, bởi vậy cần làm việc này trong tủ -hút. Thêm 5 ml axit sunfuric và 5 ml hydro peroxit HO; vào bình cau tròn đáy, thêm vài hat da bot. Dun đến sôi và thu phần hứng được vào bình hứng. Tiếp tục đun cho đến khi khói của axit sunfuric xuất hiện.

Quan sat mauâu.