Thí nghiệm Phân tích thực phẩmPhần 1: GIỚI THIỆU VỀ TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM1Thí nghiệm Phân tích thực phẩmPhần 2: BÁO CÁO THÍ NGHIỆMBài 1: Xác định Na, Ca, Fe trong thực phẩm trên máy quang phổ hấp thu nguyên tử AASI. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM: − Áp dụng lý thuyết phân tích thực phẩm bằng phương pháp quang phổ nguyên tử vào thực tế thông qua việc thực hành trực tiếp trên máy đo.− Định lượng các nguyên tố khoáng Ca, Na, Fe có trong mì ăn liền bằng phương pháp quang phổ nguyên tử. Đối với nguyên tố Na, ta sử dụng phương pháp quang phổ hấp thu [Atomic Absorption Spectroscopy - AAS], còn đối với nguyên tố Ca và Fe, ta sử dụng phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử [Atomic Emission Spectroscopy - AES].− Củng cố và tìm hiểu sâu hơn về nguyên lý, cấu tạo của hệ thống phân tích bằng phương pháp quang phổ nguyên tử.− Rèn luyện kỹ thuật thực hành, sử dụng các loại dụng cụ, máy móc có liên quan đến phương pháp phân tích này nói riêng cũng như kỹ năng làm việc trong phòng thí nghiệm nói chung.II. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THU – PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ:II.1. Giới thiệu về phương pháp quang phổ hấp thu – phát xạ nguyên tử: Phương pháp quang phổ hấp thu – phát xạ nguyên tử [Atomic Spectroscopy] là phương pháp sử dụng sự hấp thu hay phát xạ ánh sáng của đám hơi nguyên tử ở một bước sóng nhất định để phân tích định tính và định lượng kim loại có trong các mẫu rắn hoặc lỏng.Ở nhiệt độ cao, các chất khoáng bị hoá hơi và nguyên tử hoá sẽ có khả năng hấp thu chọn lọc bức xạ đặc trưng, khi đó, từ trạng thái cơ bản chúng sẽ chuyển lên trạng thái kích thích. Ở trạng thái này, chúng lại có xu hướng trở về trạng thái cơ bản và có thể phát ra bức vạ trong quá trình chuyển trạng thái. Các nguyên tử có khả năng hấp thu bức xạ nào thì cũng có khả năng phát xạ bức xạ ấy. Vì vậy, mỗi nguyên tố hoá học ở trạng thái hơi hoặc khí khi nóng sáng dưới áp suất thấp cho một vạch quang phổ đặc trưng của nguyên tố đó. 2Thí nghiệm Phân tích thực phẩmPhương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử – AAS: dựa trên phổ hấp thu tử ngoại hoặc thấy được của các nguyên tố được nguyên tử hoá. Mẫu dưới dạng lỏng được hút vào ngọn lửa có nhiệt độ từ 2000 – 3000K. Mẫu được nguyên tử hóa trong ngọn lửa và đa số ở trạng thái cơ bản.Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử – AES: dựa trên phổ phát xạ trong vùng tử ngoại hoặc thấy được của các nguyên tố được nguyên tử hoá. Không cần đến nguồn sáng, một số nguyên tử trong ngọn lửa được kích thích do va chạm với các nguyên tử khác và phát ra các bức xạ đặc trưng để trở về trạng thái cơ bản. Cường độ bức xạ ở bước sóng đặc trưng của nguyên tố tỉ lệ với nồng độ của nguyên tố trongII.2. Những vấn đề chung về hấp thu và phát xạ nguyên tử: II.2.1. Sự xuất hiện phổ hấp thu và phát xạ nguyên tử: Như chúng ta đã biết, vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử và nguyên tử là phần tử cơ bản nhỏ nhất còn giữ được tính chất của nguyên tố hóa học. Nguyên tử lại bao gồm hạt nhân nguyên tử nằm ở giữa và chiếm một thể tích rất nhỏ [khoảng 1/10000 thể tích của nguyên tử] và các điện tử [electron] chuyển động xung quanh hạt nhân trong phần không gian lớn của nguyên tử. Trong điều kiện bình thường nguyên tử không thu và cũng không 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 nguyên tử ở trạng thái hơi 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 đó sẽ hấp thu 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 của nó. Lúc này nguyên tử đã nhận năng lượng của các tia bức xạ chiếu vào nó và nó chuyển lên trạng thía 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 thu năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ nguyên tử của nguyên tố đó. Phổ sinh ra trong quá trình này được gọi là phổ hấp thu nguyên tử. Nếu gọi năng lượng của tia sáng đã bị nguyên tử hấp thu là ∆E thì chúng ta có: νhECEm=−=∆0 [1] hay là. λhcE=∆ [2] Trong đó Eo và Cm là năng lượng của nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích m; h là hằng số Plank; c là tốc độ của ánh sáng trong chân không; λ là độ dài sóng của vạch phổ hấp thu. Như vậy, ứng với mỗi giá trị năng lượng ∆E; mà nguyên tử đã hấp thu ta sẽ có một vạch phổ hấp thu với độ dài sóng đi đặc trưng cho quá trình đó, nghĩa là phổ hấp thu của nguyên tử cũng là phổ vạch.Nhưng nguyên tử không hấp thu tất cả các bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ. Quá trình hấp thu chỉ xảy ra đối với các vạch phổ nhạy, các vạch phổ 3Thí nghiệm Phân tích thực phẩmđặc trưng và các vạch cuối cùng của các nguyên tố. Cho nên đối với các vạch phổ đó quá trình hấp thu và phát xạ là hai quá trình ngược nhau [hình 2]. Theo phương trình [1], nếu giá trị năng lượng ∆E là dương ta có quá trình phát xạ; ngược lại khi giá trị ∆E là âm ta có quá trình hấp thu. Chính vì thế, tùy theo từng điều kiện cụ thể của nguồn năng lượng dùng để nguyên tử hóa mẫu và kích thích nguyên tử mà quá trình nào xảy ra là chính, nghĩa là nếu kích thích nguyên tử: − Bằng năng lượng Cm ta có phổ phát xạ nguyên tử, − Bằng chùm tia đơn sắc ta có phổ hấp thu nguyên tử. Trong phép đo phổ hấp thu nguyên tử đám hơi nguyên tử của mẫu trong ngọn lửa hay trong cuvet graphite là môi trường hấp thu bức xạ [hấp thu năng lượng của tia bức xạ] Phần tử hấp thu năng lượng của tia bức xạ hv là các nguyên tử tự do trong đám hơi đó. Do đó, muốn có phổ hấp thu 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 nhất định ứng đúng với các tia phát xạ nhạy của nguyên tố cần nghiên cứu. Khi đó các nguyên tử tự do sẽ hấp thu năng lượng của chùm tia đó và tạo ra phổ hấp thu nguyên tử của nó.Trong nguyên tử, sự chuyển mức của điện tử từ mức năng lượng En không phải chỉ về mức E0, mà có rất nhiều sự chuyển mức từ En về các mức khác E01, E02, E03… cùng với mức E0. Nghĩa là có rất nhiều sự chuyển mức của điện tử đã được lượng tử hóa, và ứng với mỗi bước chuyển mức đó ta có 1 tia bức xạ, tức là một vạch phổ. Chính vì thế mà một nguyên tố khi bị kích thích thường có thể phát ra rất nhiều vạch phổ phát xạ. Nguyên tố nào có nhiều điện tử và có cấu tạo phức tạp của các lớp điện tử hóa trị thì càng có nhiều vạch phổ phát xạ.Như vậy, phổ phát xạ nguyên tử là sản phẩm sinh ra do sự tương tác vật chất, mà ở đây là các nguyên tử tự do ở trạng thái khí với một nguồn năng lượng nhiệt, điện... nhất định phù hợp. Nhưng trong nguồn sáng, không phải chỉ có nguyên tử tự do bị kích thích, mà có cả ion, phân tử, nhóm phân tử. Các phần tử này cũng bị kích thích và phát ra phổ phát xạ của nó. Tất nhiên là trong mức độ khác nhau tùy thuộc vào khả năng kích thích của nguồn năng lượng. Vì vậy, phổ phát xạ của vật mẫu luôn bao gồm ba thành phần: − Nhóm phổ vạch: Đó là phổ của nguyên tử và con. Nhóm phổ vạch này của các nguyên tố hóa học hầu như thường nằm trong vùng phổ từ 190 – 1000nm [vùng UV-VIS]. Chỉ có một vài nguyên tố á kim hay kim loại kiềm mới có một số vạch phổ nằm ngoài vùng này. − Nhóm phổ đám: Đó là phổ phát xạ của các phân tử và nhóm phân tử. Ví dụ: 9 phổ của phân tử MeO, CO và nhóm phân tử CN. Các đám phổ này xuất hiện thường có một đầu đậm và một đầu nhạt. Đầu đậm ở phía sóng dài và nhạt ở phía sóng ngắn. Trong vùng tử ngoại thì phổ này xuất hiện rất yếu và nhiều khi không thấy. Nhưng trong vùng khả kiến thì xuất hiện rất đậm, và làm khó khăn cho phép phân tích quang phổ vì nhiều vạch phân tích của các nguyên tố khác bị các đám phổ này che lấp. − Phổ nền liên tục: Đây là phổ của vật rắn bị đất nóng phát ra, phổ của ánh sáng trắng và phổ do sự bức xạ riêng của điện tử. Phổ này tạo thành một nền mờ liên tục trên toàn dải phổ của mẫu. Nhưng nhạt ở sóng ngắn và đậm dần về phía sóng dài. Phổ này nếu quá đậm thì cũng sẽ cản trở phép phân tích. 4Thí nghiệm Phân tích thực phẩmBa loại phổ trên xuất hiện đồng thời khi kích thích mẫu phân tích và trong phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử người ta phải tìm cách loại bớt phổ đám và phổ nền. Đó là hai yếu tố nhiễu.Hình 1: Quá trình phát xạ và hấp thu của một nguyên tửEo: Mức năng lượng ở trạng thái cơ bản.Em: Mức năng lượng ở trạng thái kích thích.∆E: Năng lượng nhận vào [kích thích].5Thí nghiệm Phân tích thực phẩmHình 2: Sơ đồ phân bố năng lượng trong nguyên tử II.2.2. Cường độ của vạch phổ hấp thu nguyên tử: Nghiên cứu sự phụ thuộc của cường độ một vạch phổ hấp thu của một nguyên tố vào nồng độ C của nguyên tố đó trong mẫu phân tích, lí thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng, trong một vùng nồng độ C nhỏ của chất phân tích, mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ hấp thu và nồng độ N của nguyên tố đó trong đám hơi cũng tuân theo định luật Lambert Beer, nghĩa là nếu chiếu một chùm sáng cường độ ban đầu là Io qua đám hơi nguyên tử tự do của nguyên tố phân tích nồng độ là N và bề dầy là L cm, thì chúng ta có:LNKveII.0−=[3]Trong đó Kv là hệ số hấp thu nguyên tử của vạch phổ tần số ν và Kv là đặc trưng riêng cho từng vạch phổ hấp thu của mỗi nguyên tố và nó được tính theo công thức:220][20vvvRTAveKK−−=[4]Với :Ko là hệ số hấp thu tại tâm của vạch phổ ứng với tần số ν0. A là nguyên tử lượng của nguyên tố hấp thu bức xạ.R là hằng số khí. T là nhiệt độ của môi trường hấp thu [K]. 6Thí nghiệm Phân tích thực phẩmNếu gọi Aλ là cường độ của vạch phổ hấp thu nguyên tử, từ công thức [3] chúng ta có:LNKIIAv..303.2log0==λ[5]Ở đây A chính là độ tắt nguyên tử của chùm tia sáng cường độ Io sau khi qua môi trường hấp thu. A phụ thuộc vào nồng độ nguyên tử N trong môi trường hấp thu và phụ thuộc cả vào bệ dầy L của lớp hấp thu [bề dầy chùm sáng đi qua]. Nhưng trong máy đo phổ hấp thu nguyên tử, thì chiều dài của đèn nguyên tử hóa hay cuvet graphite là không đổi, nghĩa là L không đổi, nên giá trị A chỉ còn phụ thuộc vào số nguyên tử N có trong môi trường hấp thu. Như vậy cường độ của vạch phổ hấp thu sẽ là:kLA=λ[6]Với .LK.kv3032=Trong đó K là hệ số thực nghiệm, nó phụ thuộc vào các yếu tố :− Hệ số hấp thu nguyên tử Kv của vạch phổ hấp thu− Nhiệt độ của môi trường hấp thu.− Bề dày của môi trường hấp thu L. Song công thức [6] chưa cho ta biết mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ và nồng độ C của nguyên tố phân tích trong mẫu. Tức là qua hệ giữa N và C. Đây chính là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu phân tích. Nghiên cứu quá trình này, lí thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng, mối quan hệ giữa nồng độ N và nồng độ C trong mẫu phân tích được tính theo biểu thức sau:bTCnTQRnsWFN......103012××=[7]Đây là công thức tổng quát tính giá trị N trong ngọn lửa nguyên tử hóa mẫu theo Winefordner và Vicker.Trong đó: F là tốc độ dẫn mẫu vào hệ thống nguyên tử hóa [ml/phút], W là hiệu suất aerosol hóa mẫu.s là hiệu suất nguyên tử hóa.nRo là số phân tử khí ở nhiệt độ ban đầu [ambient], To[K].nT là số phân tử khí ở nhiệt độ T[K] của ngọn lửa nguyên tử hóa.Q là tốc độ của dòng khí mang mẫu vào buồng aerosol hóa [lít/phút].C là nồng độ của nguyên tố phân tích có trong dung dịch mẫu. Phương trình [6] cho ta biết mối quan hệ giữa A và N, phương trình [7] cho ta biết mối quan hệ giữa N và C. Mối quan hệ này rất phức tạp, nó phụ thuộc vào tất cả các điều kiện nguyên tử hóa mẫu, phụ thuộc vào thành phần vật lí, hóa học, trạng thái tồn tại 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 được biểu thị theo công thức: baCKN=[8] Trong đó Ka là hằng số thực nhiệm, phụ thuộc vào tất cả các điều kiện hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu; còn b được gọi là hằng số bản chất, phụ thuộc vào từng vạch phổ của từng nguyên tố, b có giá trị bằng 1 và nhỏ hơn 1, tức là 10≤ Co thì b luôn nhỏ hơn 1, tức là b tiến về 0, tất nhiên là không bằng 0. Như vậy trong vùng này mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ và nồng độ Cx của chất phân tích là không tuyến tính. Nên Co được gọi là giới hạn trên của vùng tuyến tính. Đến đây kết hợp phương trình [6] và [8] chúng ta có: bCaA .=λ [9] Trong đó aKKa .= và được gọi là hằng số thực nghiệm, phụ thuộc vào tất cả các điều kiện thực nghiệm để hóa hơi và nguyên từ hóa mẫu, như đã trình bày ở trên. Chính do thực tế này mà trong một phép đo định lượng xác định một nguyên tố phải giữ cho các điều kiện hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu ổn định và không đổi. Phương trình [9] được gọi là phương trình cơ sở của phép đo đinh lượng các nguyên tố theo phổ hấp thu nguyên tử của nó. Đường biểu diễn của phương trình này có 2 đoạn, một đoạn thẳng [trong đoạn này b = 1], và quan hệ giữa Aλ và C là tuyến tính] và một đoạn cong, trong đoạn này b < 1 [hình 3].Hình 3: Mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ Aλ và nồng độ chất CxAB: vùng tuyến tính [b=1].BC: vùng không tuyến tính [b