Phân tích nguyên tố gồm có 8 chương: 

1. Introduction to Elemental Analysis
2. Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
3. ICP-MS để phân tích kim loại
4. Giới thiệu thực tế về quang phổ hấp thụ tia X
5. Quang phổ huỳnh quan
6. Giới thiệu về quang phổ tia X tán sắc năng lượng
7. Quang phổ quang điện tử tia X
8. Auger Electron Spectroscopy

Chương 2: Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

Lịch sử của quang phổ hấp thụ nguyên tử

Quang phổ học sớm nhất được Marcus Marci von Kronland mô tả lần đầu tiên vào năm 1648 bằng cách phân tích ánh sáng mặt trời khi đi qua các giọt nước và do đó tạo ra cầu vồng. Phân tích sâu hơn về ánh sáng mặt trời của William Hyde Wollaston (Hình 1.1) đã dẫn đến việc phát hiện ra các vạch đen trong quang phổ, mà vào năm 1820, Sir David Brewster (Hình 1.2) đã giải thích đó là sự hấp thụ ánh sáng trong bầu khí quyển của mặt trời

Hình 1-1 Nhà vật lý và hóa học người Anh William Hyde Wollaston (1659 – 1724). Hình 1-2: Nhà vật lý, toán học, thiên văn học, nhà phát minh, nhà văn và hiệu trưởng trường đại học người Scotland Sir David Brewster (1781 – 1868).

Robert Bunsen (Hình 1.3 ) và Gustav Kirchhoff (Hình 1.4 ) đã nghiên cứu phổ natri và đi đến kết luận rằng mọi nguyên tố đều có phổ riêng có thể được sử dụng để xác định các nguyên tố trong pha hơi. Kirchoff giải thích thêm về hiện tượng này bằng cách phát biểu rằng nếu một vật liệu có thể phát ra bức xạ có bước sóng nhất định thì nó cũng có thể hấp thụ bức xạ có bước sóng đó. Mặc dù Bunsen và Kirchoff đã có một bước tiến lớn trong việc xác định kỹ thuật quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), nó không được sử dụng rộng rãi như một kỹ thuật phân tích ngoại trừ trong lĩnh vực thiên văn học do nhiều khó khăn thực tế.

Hình 1.3: Nhà hóa học người Đức Robert Bunsen (1811 – 1899). Hình 1.4 Nhà vật lý người Đức Gustav Robert Kirchhoff (1824 – 1887). Hình 1.5: Nhà vật lý người Anh Sir Alan Walsh (1916 – 1988).

Năm 1953, Alan Walsh (Hình 1.5 ) đã cải tiến mạnh mẽ các phương pháp AAS. Ông đã ủng hộ AAS cho nhiều nhà sản xuất nhạc cụ, nhưng vô ích. Mặc dù anh ấy đã cải thiện các phương pháp, nhưng anh ấy đã không chỉ ra cách nó có thể hữu ích trong bất kỳ ứng dụng nào. Năm 1957, ông phát hiện ra cách sử dụng AAS đã thuyết phục các nhà sản xuất đưa ra thị trường máy quang phổ kế AAS thương mại đầu tiên. Kể từ thời điểm đó, mức độ phổ biến của AAS đã dao động khi các kỹ thuật phân tích khác và các cải tiến đối với các phương pháp này được thực hiện.

Lý thuyết quang phổ hấp thụ nguyên tử

Quang phổ hấp thụ nguyên tử, hay AAS, là một kỹ thuật đo nồng độ của các nguyên tố kim loại trong các vật liệu khác nhau. Là một kỹ thuật phân tích, nó sử dụng các bước sóng điện từ, đến từ một nguồn sáng.

Quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (Flame AAS hoặc FAAS) được phát triển vào năm 1952 và lần đầu tiên được phát hành thương mại như một kỹ thuật phân tích vào những năm 1960. Kể từ đó, kỹ thuật này vẫn phổ biến vì độ tin cậy và tính đơn giản của nó. AAS là một kỹ thuật phân tích được sử dụng để xác định có bao nhiêu nguyên tố nhất định trong một mẫu. Nó sử dụng nguyên tắc các nguyên tử (và ion) có thể hấp thụ ánh sáng ở một bước sóng cụ thể, duy nhất. Khi bước sóng ánh sáng cụ thể này được cung cấp, năng lượng (ánh sáng) được hấp thụ bởi nguyên tử. Electron trong nguyên tử chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Lượng ánh sáng hấp thụ được đo và nồng độ của nguyên tố trong mẫu có thể được tính toán.

Hình 2: Một electron bị kích thích từ trạng thái cơ bản lên mức năng lượng cao hơn bằng cách hấp thụ năng lượng (ánh sáng) ở một bước sóng cụ thể. Trong quang phổ hấp thụ nguyên tử, bước sóng của ánh sáng bị hấp thụ được xác định bởi loại nguyên tử (nguyên tố đó là nguyên tố nào) và mức năng lượng mà các electron đang chuyển tới. Lượng ánh sáng được hấp thụ được xác định bởi nồng độ của nguyên tố trong mẫu.

Trong AAS, một dung dịch chứa chất phân tích được đưa vào ngọn lửa. Ngọn lửa chuyển đổi các mẫu thành các nguyên tử ở trạng thái cơ bản tự do có thể bị kích thích. Đèn phát ra ánh sáng ở bước sóng đặc trưng cho các nguyên tử được truyền qua ngọn lửa và khi năng lượng ánh sáng được hấp thụ, các electron trong nguyên tử được nâng lên trạng thái kích thích.

Định luật Beer Lambert mô tả mối quan hệ giữa sự hấp thụ ánh sáng và nồng độ của nguyên tố. Theo định luật, lượng ánh sáng bị hấp thụ tỷ lệ thuận với số nguyên tử bị kích thích từ trạng thái cơ bản trong ngọn lửa.

Biểu đồ sau đây cho thấy các mức năng lượng trong nguyên tử chì (Pb). Năng lượng từ sức nóng của ngọn lửa làm cho các nguyên tử tự do phân ly. Lượng năng lượng cần thiết để các electron di chuyển giữa các mức năng lượng tương ứng với các bước sóng ánh sáng cụ thể. Như biểu đồ cho thấy, việc di chuyển một electron từ trạng thái cơ bản của nguyên tử Pb lên mức năng lượng đầu tiên (E1) cần năng lượng tương đương với ánh sáng ở bước sóng 283,3 nm.

Nó đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để di chuyển một electron từ trạng thái cơ bản lên mức năng lượng thứ hai (nằm xa hạt nhân hơn). Đối với phân tích AAS, bước sóng của trạng thái cơ bản đến mức E1 thường được quan tâm nhiều nhất, vì nó có cường độ cao nhất. Dải hấp thụ mạnh cho giới hạn phát hiện tốt nhất (thấp nhất). Trong các mẫu có nồng độ nguyên tố cao hơn, có thể sử dụng bước sóng thay thế.

Hình 3: Giản đồ mức năng lượng cho chì (Pb). E0 đến E1 thường là quá trình chuyển đổi được quan tâm nhất đối với phân tích AAS. Các bước sóng thay thế có thể được sử dụng tùy thuộc vào độ nhạy của phép đo được yêu cầu.

Hình 4: Quang phổ Điện từ. Quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng ánh sáng trong dải tử ngoại nhìn thấy được.

Để phân tích Pb, một chùm ánh sáng mỏng được truyền qua ngọn lửa chứa chất phân tích. Chùm chứa ánh sáng ở bước sóng 283,3 nm. Ánh sáng được hấp thụ bởi các nguyên tử Pb khi xảy ra sự kích thích của các electron từ trạng thái cơ bản Pb lên mức năng lượng đầu tiên. Lượng hấp thụ cho phép tính toán nồng độ Pb trong mẫu được xác định. Chỉ các nguyên tử Pb ở trạng thái cơ bản, tự do trong ngọn lửa sẽ hấp thụ ở 283,3 nm. Các electron chuyển động giữa các mức năng lượng khác nhau trong nguyên tử Pb sẽ hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau.

Để hiệu chuẩn AAS, trước tiên, dung dịch không chứa nguyên tố quan tâm nào được đo. Dung dịch này được gọi là ‘dung dịch trống’ và xác định phép đo độ hấp thụ cơ bản. Độ hấp thụ của các dung dịch chứa các lượng đã biết khác nhau của nguyên tố được đo. Ví dụ: 5, 10, 15 và 20 mg/L Pb. Từ dữ liệu này, một đường chuẩn được tạo ra. Đường chuẩn xác định mối quan hệ giữa độ hấp thụ ánh sáng và nồng độ của nguyên tố trong dung dịch. Đường cong này tuân theo Định luật Beer Lambert.

Luật Bia Lambert xác định mối quan hệ giữa nồng độ và sự hấp thụ của một loài hấp thụ.

A = λ* b * c

Trong đó:

A là độ hấp thụ (Abs). Cơ bụng được đo bằng AAS.

λ là bước sóng mà tại đó sự hấp thụ được quan sát thấy đối với phần tử quan tâm?

b là độ dài đường đi. Đối với ngọn lửa AAS, đây thường là chiều dài đường đi qua ngọn lửa (dọc theo đầu đốt) và được cố định cho tất cả các phép đo.

c là nồng độ xác định của nguyên tố.

Quang phổ hấp thụ nguyên tử có thể đo được những nguyên tố nào?

Một nguyên tử sẽ hấp thụ năng lượng thông qua mô hình bước sóng cụ thể của riêng nó vì nó có cấu hình electron duy nhất.

Quang phổ hấp thụ nguyên tử có thể đo các nguyên tố đã biết trong vật liệu dựa trên các cấu hình độc đáo này.

Những nguyên tố này đều là kim loại. Trong bảng tuần hoàn, chúng là những nguyên tố có một số tính chất chung:

Kim loại có xu hướng là chất dẫn nhiệt và điện tốt

Hầu hết các kim loại có mật độ cao nhưng có thể được chia thành các tấm

Hầu hết các kim loại bị ăn mòn nếu tiếp xúc với nước biển hoặc không khí

Chúng có thể sáng bóng và dễ uốn, có nghĩa là bạn có thể biến chúng thành dây

Chúng có trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng, ngoại trừ Thủy ngân

Hầu hết các kim loại sẽ mất electron khi chúng phản ứng

Có nhiều nguyên tố là kim loại so với phi kim loại, chẳng hạn như oxy và clo.

Dưới đây là danh sách các nguyên tố kim loại mà quang phổ hấp thụ nguyên tử có thể đo được, với ký hiệu bảng tuần hoàn của chúng được hiển thị trong ngoặc:

Nhôm (Al)

Antimon (Sb)

Bari (Ba)

Asen (As)

Berili (Be)

Cadmi (Cd)

Canxi (Ca)

Crom (Cr)

Coban (Co)

Đồng (Cu)

Gali (Gu)

Hafni (Hf)

Indi (Trong)

Sắt (Fe)

Chì (Pb)

Liti (Lý)

Magiê (Mg)

Mangan (Mn)

Thủy ngân (Hg)

Molypden (Mo)

Niken (Ni)

Niobi (Nb)

Osmi (Os)

Kali (K)

Rutheni (Ru)

Bạc (Ag)

Natri (Na)

Stronti (Sr)

Tali (Tl)

Thiếc (Sn)

Vonfram (W)

Vanadi (V)

Kẽm (Zn)

Zirconi (Zr)

Tại sao AAS chỉ giới hạn ở kim loại

Mặc dù AAS đã được biết là hoạt động như một kỹ thuật đo lường trên một số bán kim loại, chẳng hạn như boron và silicon, kim loại hoạt động tốt nhất.

Lý do chính cho điều này là các nguyên tử trong các nguyên tố kim loại dễ đọc hơn.

Để AAS có hiệu quả, các nguyên tử trong vật liệu phải được cách ly và không có các vạch gây ô nhiễm có thể có từ các phân tử.

Các kim loại thường có các vạch phát xạ và hấp thụ hẹp, đơn lẻ, tạo thành sáng và rõ ràng.

Điều này cho phép phát hiện chọn lọc mà quang phổ hấp thụ nguyên tử yêu cầu.

So sánh phạm vi độ nhạy và giới hạn phát hiện của ngọn lửa và lò than chì AAS so với ICP-OES và ICP-MS

Những lợi ích của quang phổ hấp thụ nguyên tử là gì?

So sánh phạm vi độ nhạy và giới hạn phát hiện của ngọn lửa và lò than chì AAS so với ICP-OES và ICP-MS

So sánh phạm vi độ nhạy và giới hạn phát hiện của ngọn lửa và lò than chì AAS so với ICP-OES và ICP-MS

Là một kỹ thuật phân tích, AAS có một số lợi ích rõ ràng:

Đó là chính xác, thường tạo ra kết quả trong phạm vi 0,5 phần trăm đến 5 phần trăm

Là một phương pháp phát hiện, nó cực kỳ nhạy, đo ở mức phần triệu (ppm)

Nó có thể phân tích các nguyên tố cụ thể do chất lượng hấp thụ ánh sáng độc đáo của các nguyên tử của chúng

AAS có thể xác định nồng độ của hơn 65 nguyên tố.

Đây là một quy trình tương đối đơn giản, dựa trên các giao thức được ghi chép đầy đủ

AAS cho phép lưu lượng mẫu cao

Nó không tốn kém so với các kỹ thuật phân tích khác.

AAS hỗ trợ nhiều ngành và lĩnh vực, bao gồm môi trường, hóa chất, hóa dầu, thực phẩm và đồ uống và dược phẩm.

( còn tiếp)