Phân tích As bằng phương pháp AAS

Phương pháp AAS được viết tắt từ phương pháp phổ hấp thu nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometric). Các nguyên tử ở trạng thái bình thường thì chúng không hấp thu hay bức xạ năng lượng nhưng khi chúng ở trạng thái tự do dưới dạng những đám hơi nguyên tử thì chúng hấp thu và bức xạ năng lượng. Mỗi nguyên tử chỉ hấp thu những bức xạ nhất định tương ứng với những bức xạ mà chúng có thể phát ra trong quá trình phát xạ của chúng. Khi nguyên tử nhận năng lượng chúng chuyển lên mức năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thích. Quá trình đó gọi là quá trình hấp thu năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ của nguyên tử đó. Phổ sinh ra trong quá trình này gọi là phổ hấp thu nguyên tử.

Do As và hợp chất của nó có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp nên ta thường chọn hệ thống nguyên tử hóa mẫu bằng phương pháp ngọn lửa đèn khí Ar-H2¬ có nhiệt độ nguyên tử hóa mẫu khoảng 3700 độ C, với độ nhạy cao khoảng 0.5 µg/ml, giới hạn phát hiện 0.2 µg/ml, khoảng xác định 1-50 µg/ml.

Các bước chuẩn bị phân tích bằng AAS
Chuẩn bị:
Hệ thống đèn phát ra nguồn sáng hấp thu
Hệ thống nguyên tử hóa mẫu
Hệ thống gương lọc sắc
Bộ đơn sắc
Bộ phát hiện
Computer
Dung dịch mẫu

Chuẩn bị dung dịch mẫu
Lấy mẫu: 
Mẫu nước giếng được lấy và được bảo quản trong bình định mức bằng thủy tinh đã được rửa bằng HCl 2M, được đậy kín tránh để mẫu tiếp xúc với oxy không khí tạo ra kết tủa FeAsO4 và các hợp chất bay hơi, các ion kim loại ảnh hưởng trong suốt quá trình bảo quản và xử lý mẫu khác ảnh hưởng đến kết quả phân tích.
Bảo quản mẫu:
Mẫu được bảo quản ngay sau khi lấy mẫu bằng cách axít hóa mẫu phân tích bằng dung dịch HNO3 đậm đặc đến pH<2 mục đích là để hòa tan các hợp chất khó tan của mẫu như As2O3 về dạng tan H3AsO3 hay H3AsO4, thuận tiện trong quá trình bảo quản mẫu. Mẫu được bảo quản trong tủ giữ mẫu.
Xử lý mẫu:
Do mẫu có chứa những phần tử lơ lững hoặc các hợp chất hữu cơ do đó cần phải được xử lý trước khi phân tích gồm: lọc mẫu, axít hóa bằng HNO3 đến pH<2 rồi đem đo trên phép đo AAS. Nếu mẫu có chứa các hợp chất khó tan của kim loại cần phân tích thì ta cần phá mẫu trước khi lọc nhằm đảm bảo kết quả phân tích.

Thiết bị và quy trình phân tích bằng AAS

Nguồn phát ra bức xạ đơn sắc
Chọn hệ thống đèn catot rỗng (HCL). Đèn này được cấu tạo gồm ba phần chính:
Thân đèn và cửa sổ
Các điện cực catot và anot
Khí trong đèn.Đó là khí trơ He, Ar, N2
Anot được cấu tạo bằng kim loại trơ và bền nhiệt như W hay Pt. Catot được chế tạo có dạng hình xylanh hay hình ống rỗng có đường kính từ 3–5 mm. Dài 5–6 mm và chính bằng kim loại cần phân tích với độ tinh khiết cao (ít nhất 99.9%). Dây dẫn của catot cũng là kim loại W hay Pt. cả hai điện cực được gắn chặt trên bệ đỡ của thân đèn và cực catot phải nằm đúng trục xuyên tâm của đèn. Nguồn nuôi là nguồn một chiều có thế 220-240 V.

Nguyên tắc làm việc:

Khi đèn làm việc, catot được nung đỏ, giữa catot và anot xảy ra sự phóng điện liên tục. Do sự phóng điện đó mà một số phân tử khí bị ion hóa. Các ion vừa được sinh ra sẽ tấn công vào catot làm bề mặt catot nóng đỏ và một số nguyên tử kim loại trên bề mặt catot bị hóa hơi và nó trở thành những nguyên tử kim loại tự do. Khi đó dưới tác dụng của nhiệt độ trong đèn HCl đang được đốt nóng đỏ, các nguyên tử kim loại này bị kích thích và phát ra phổ phát xạ của nó. Đó chính là phổ vạch của chính kim loại làm catot rỗng. Nhưng vì trong điều kiện làm việc đặc biệt của môi trường khí trơ có áp suất thấp, nên phổ phát xạ đó chỉ bao gồm các vạch nhạy của kim loại đó.

Hệ thống nguyên tử hóa mẫu
Quá trình nguyên tử hóa trong ngọn lửa gồm hai bước kế tiếp nhau. 
Bước 1 là chuyển dung dịch mẫu phân tích thành thể các hạt nhỏ như sương mù trộn đều với khí mang và khí cháy. Quá trình này được gọi là quá trình aerosol hóa hay nebulize hóa. 
Bước 2 là dẫn hỗn hợp aerosol cùng hỗn hợp khí đốt vào đèn để nguyên tử hóa. Hệ thống này gọi là Nebulizer system, nó gồm hai phần chính:
Đèn để nguyên tử hóa mẫu (burner head) 
Buồng aerosol hóa mẫu theo hai loại kỹ thuật:
Aerosol hóa mẫu theo kỹ thuật pneumatic-mao dẫn: Kỹ thuật này người ta dung hệ thống Nebulize và khí mang để tạo ra thể sol khí của mẫu phân tích nhờ hiện tượng mao dẫn. Trước hết nhờ ống mao dẫn S và dòng khí mang K mà dung dịch mẫu được dẫn vào buồng aerosol hóa. Trong buồng này, dung dịch mẫu được đánh tung thành thể bụi nhờ quả bi E và cánh quạt Q, rồi được trộn đều với hỗn hợp khí đốt và được dẫn lên đèn nguyên tử hóa.
Aerosol hóa mẫu bằng siêu âm: Theo kỹ thuật này, để aerosol hóa mẫu phân tích người ta dung hệ thống siêu âm có tần số 1-4.5 MHz. Dưới tác dụng của lực siêu âm, mẫu dung dịch được phân tán thành những hạt rất nhỏ và trộn đều với hỗn hợp khí để dẫn lên đèn nguyên tử hóa.

Quy trình phân tích

Hóa chất
Dung dịch NaBohydride (NaBH4): hoà tan 8g NaBH4 trong 20ml NaOH 0.1N pha chế hằng ngày.

Dung dịch NaI hòa tan 50g NaI trong 100ml nước cất, pha chế hằng ngày, có thể thay bằng KI cùng lượng tương ứng

H2SO4 18N (ứng với H2SO2 tỉ lệ 1:1)

H2SO4 2.5N: rót cẩn thận 35ml H2SO4 vào 400ml nước cất, để nguội, định mức đến 800ml.

Dung dịch K2S2O8 5%: hòa tan 25g K2S2O8 trong 800ml nước cất đựng trong bình thủy bảo quản trong tủ lạnh, pha chế hàng tuần.

Acid Nitric HNO3 đậm đặc

Acid percloric HClO4

Acid clohidric HCl

Khí Ar/N2, Ar/He
Dung dịch chuẩn As vô cơ:
Dung dịch chuẩn gốc As(III) hòa tan 1.32g As2O3 trong mẫu nước cất có chứa 4g NaOH. Định mức tới 1000ml (1ml chứa 1 mg As(III)).
 Dung dịch chuẩn làm việc As(III): pha loãng 10ml dd chuẩn gốc As(III) tới 1000ml bằng nước cất có pha loãng 5ml HCl đđ (1ml chứa 10 µg As(III))
 Dung dịch chuẩn As(III) pha loãng 10ml dd chuẩn tới 1000ml bằng nước cất có chứa 2-5ml HNO3đđ (1ml chứa 0.1 µg As(III)).
Dung dịch chuẩn As(V):
Dung dịch gốc: Hòa tan 1.534g As2O5 trong mẫu nước cất chứa 4g NaOH pha loãng đến 1000ml(1ml chứa 1 mg As(V)).
 Dung dịch chuẩn làm việc As(V): pha loãng dd gốc 100 lần (1ml chứa 10 mg As(V))
 Pha dung dịch chuẩn: pha loãng dung dịch chuẩn làm việc 100 lần (1ml chứa 0.1 mg As(V))
Dung dịch chuẩn As hữu cơ:
Hòa tan 1.842g (CH3)2AsOOH (acid dimethylarsenic) trong nước chứa 4g NaOH pha loãng đến 1000ml (1ml chứa 1 mg As). Chú ý kiểm tra độ tinh khiết của acid theo dung dịch As tiêu chuẩn (50–100 mg/l) bằng quang phổ hấp thu nguyên tử.

Dung dịch chuẩn làm việc As hữu cơ: Pha chế như trên (1ml chứa 10 µg As).

Dung dịch chuẩn As hữu cơ: Pha chế như trên (1ml chứa 0.1 µg As)

Mở máy
Lấp máy theo tài liệu hướng dẫn dùng máy, nối bình phản ứng với sụt khí. Điều chỉnh tốc độ dòng khí là 2 l/phút. Nếu có ống làm khô nối giữa bình phản ứng và ống nguyên tử hóa mẫu thì dùng CaCl2 thay vì sử dụng CaSO4 vì nó giữ SeH4 lại. Trước khi dùng hệ sinh khí hydride phải xác định thong số máy tối ưu. Phun dung dịch chứa Asen vào ngọn lửa để điều chỉnh vị trí ống nguyên tử hóa sao cho đạt mật độ quang cực đại. Phun dung dịch trắng cho đến khi loại hoàn toàn dung dịch lưu lại. Xác định tốc độ khí mang, nồng độ và tốc độ nhỏ giọt NaBH4, thể tích dung dịch và tốc độ khuấy để đạt được tốc độ hydride hóa cực đại nếu sử dụng dung dịch ống thạch anh cần chọn nhiệt độ tối ưu. Việc nhỏ giọt NaBH4 quá nhanh hydride thoát ra nhanh sẽ làm mất cân bằng hệ. Khi tốc độ khí mang quá lớn thì tính hiệu hấp thu sẽ giảm. Nên dùng bước sóng 193.7 nm cho Asen.

Xác định đường chuẩn
Lấy 0.00; 1.0; 2.0; 10; 15; 20 dung dịch làm việc Asen (III) pha loãng đến 100ml bằng dung dịch HNO3 (2-5ml HNO3 đặc trong 1l nước cất) ta thu dãy chuẩn với nồng độ từ 0, 1, 2, 5, 10, 15, 20 mg Asen (III)/l pha dung dịch chuẩn hằng ngày.

Chuẩn bị mẫu và chuẩn Asen
Để xác định lại độ tái hiện hoàn toàn của Asen làm theo hai bước trên. Trong bình Berzelin dung tích 200ml, trong 50ml mẫu chuẩn thêm vào 7ml mẫu chuẩn bằng Asen(III) (dung dịch chuẩn được pha chế bằng cách lấy 10ml dung dịch làm việc vào cốc có mỏ và pha chế thành 50ml thêm vào đó 7ml H2SO4 18N và 5ml HNO3 đặc. Sau đó đem cô cho đến khi xuất hiện khí SO3. Duy trì điều kiện oxy hóa bằng cách thêm vào liên tục HNO3 vào để tránh cho dung dịch không bị đậm màu. Khi phân hủy hoàn toàn dung dịch sẽ có màu sáng. Để nguội thêm vào đó 25ml nước cất và 1 ml HClO4 và lại cô tiếp để loại hết khí oxit nitơ (cho đến khi bốc khói SO3).
Chú ý cẩn thận khi tiếp xúc với HClO4. Kiểm tra hiệu quả quá trình phân hủy bằng cách cho thêm 5ml dung dịch chuẩn Asen hữu cơ vào 50ml mẫu và xác định tốc độ tái hiện. Xử lý các mẫu chuẩn theo toàn bộ quy trình để đánh giá độ tái hiện tổng số và độ tái hiện trung bình của Asen trong axit clohydric phải trên 80%. Một cách khác có thể dùng bình kjeldahl để phân hủy trong việc xác định độ tái hiện tổng số của Asen bằng cách nâng cao hiệu suất mẫu. Sau lần cô cuối cùng pha loãng mẫu bằng nước cất tới 50ml.

Chuẩn bị mẫu và dãy chuẩn để đo tổng Asen
Lấy 50ml dung dịch mẫu hoặc chuẩn cho vào bình Berzelin 200ml thêm vào 1ml H2SO4 2.5N và 5ml dung dịch K2S2O8¬ 5% cô nhẹ trên bếp cách cát khi còn khoảng 30-40 phút không được để dung dịch cô cạn. Cách khác có thể đun dung dịch trong autoclave ở 120oC trong 1 giời. Sau khi phân hủy xong pha loãng tới 50ml để đo asen kiểm tra hiệu suất phân hủy bằng cách xác định độ tái hiện của acid cacolodic nếu thấp thì phải phân hủy lại và dung lượng K2S2O8 gấp đôi.

Xác định Asen bằng NaBH4
Thêm 5ml HCl đặc vào 50ml chuẩn hoặc mẫu đã bị phân hủy trong bình Berzelin 200ml và khuấy đều thêm tiếp 5ml NaI và khuấy tiếp ít nhất 30 phút, lấy ống sục khí, phểu nhỏ giọt và ống thoát khí vào bình berzelin, mở máy ghi cho đến khi đường nền ổn định. Trong lúc sục khí để đuổi tất cả kim loại ra khỏi bình phản ứng, thêm 0.5ml NaBH4 vào bình. Tín hiệu tăng nhanh và rồi giảm. Khi tín hiệu trở lại nền, lấy bình ra, rửa ống phun bằng nước rồi tiếp tục làm với chuẩn để kiểm tra tín hiệu, kiểm tra các chất gây ảnh hưởng hóa học làm giảm tín hiệu của Asen bằng cách xử lý mẫu đã phân hủy vởi dung dịch Asen (III) có nồng độ 10 mg/l. Độ tái hiện trung bình phải đạt 90%.

Tính toán kết quả
Dựng đường chuẩn độ cao của pic theo nồng độ chuẩn. Xác định nồng độ mẫu theo đường chuẩn nếu mẫu có pha loãng trước khi phân hủy thì phần kết quả đo được với hệ số pha loãng.
Tóm tắt quy trình xác định Asen bằng AAS với hệ tạo khí hydride:
Nguyên tắc
Asen được khử một cách định lượng về trạng thái khí hydride AsH3 bằng NaBH4 và khí tạo thành đi theo dòng khí trơ vào bộ phận nguyên tử hóa của máy AAS (ống thạch anh trên ngọn lửa dòng khí O2/N2).
Thiết bị
Hệ thống tạo khí hydride, máy AAS, đèn catod rỗng Asen, đèn đơteri hiệu chỉnh.
Thuốc thử 
Khí mang Ar hoặc N2
HCl 12N; KI 20%; tinh thể NaBH4
Dung dịch chuẩn gốc Asen 1 g/l. Pha loãng 100 lần asen 10 mg/l và pha loãng tiếp 100 lần asen 0.1 mg/l
Dựng đường chuẩn
Dãy chuẩn được chuẩn bị trong bình định mức 100 ml theo thứ tự sau:

Nguyên tử hóa bằng nhiệt điện

Kỹ thuật này rất thích hợp để phân tích các nguyên tố cỡ hàm lượng vi lượng 5ppm và siêu vi lượng như As

Nếu phân tích nước bề mặt, nước tinh khiết thì lò graphic được điều chỉnh chương trình nhiệt độ gồm ba bước vì mẫu chứa hàm lượng nhỏ các chất hòa tan. Đối với nước muối nước biển, nước thải chứa nhiều các chất khác thì sử dụng chương trình gia nhiệt trên 7 bước. Cần dùng ống graphic có gắn tắm gá để giảm các loại nhiễu nền và tăng độ nhạy.

Một số hóa chất và dung dịch thường dùng bằng lò graphic:
Nước cất không chứa kim loại 
Acid chloclohydric, HCl (1:1) đậm đặc
Acid HNO3 (1:1) đậm đặc
Dung dịch chỉ thị hiệu chỉnh nền

Điều chế thuốc thử
Mg(NO3)2 10000 mg/l: hòa tan 10.57 Mg(NO3)2.6H2O trong nước và pha loãng tới 100ml
Ni(NO3)2 10000 mg/l: hòa tan 4.96g Ni(NO3)2.6H2O trong nước pha loãng tới 100ml 
H3PO4 10%: cho 10ml H3PO4 đđ vào nước thành 100ml 
Pd(NO3)2 4000 mg/l: hòa tan 8.89g Pb(NO3)2.H2O trong nước và pha loãng tới 1000ml
HNO3 4%: 40ml HNO3 pha loãng bằng nước với bình định mức 100ml.

Xử lý mẫu: 
Tất cả các dụng cụ thủy tinh dùng để chứa mẫu hóa chất và chuẩn bị mẫu phải được rửa bằng HNO3(1:1) và phải tráng bằng nước cất.
Công việc xử lý mẫu và đo được thực hiện trong phòng thí nghiêm sạch không bụi để tránh ô nhiễm mẫu.

Phân tích As hòa tan: cho 1ml H2O2 vào 100ml mẫu và 1ml thể tích dd Ni(NO3)2 dự trữ thích hợp trước khi đem đo. Những kim loại còn lại không cần cho dd hiệu chỉnh nền.

Phân tích tổng số As: Cho vào cốc 100ml mẫu 1ml HNO3đđ và 2ml H2O2 30%. Đun nhẹ trên bếp 70-80 độ C đến thể tích còn khoảng 50ml-để nguội cho một lượng thích hợp muối Ni là chất hiệu chỉnh nền. Định mức 100ml. Đồng thời chuẩn bị mẫu trắng.

Vận hành máy
Đặt các thong số vận hành thiết bị theo hướng dẫn của nhà sản xuất. Sử dụng hiệu chỉnh nền khi xác định các nguyên tố tại các bước sóng ngắn hoặc mẫu chứa hàm lượng chất tan cao, thường không sử dụng bước sóng lớn hơn 350 nm.
Chọn tốc độ khí trơ thích hợp.
Ở giai đoạn làm khô đặt nhiệt độ lân cận dưới nhiệt độ sôi của dung môi.
Chọn nhiệt độ nguyên tử hóa.

Chuẩn hóa thiết bị
Dùng dung dịch chuẩn dự trữ để pha các dung dịch chuẩn có nồng độ dự kiến. Loại dãy chuẩn được chuẩn bị hằng ngày.
Cần chuẩn bị mẫu trắng và dãy dung dịch chuẩn ít nhất có ba nồng độ khác nhau nằm trong khoản phân tích phù hợp với thiết bị và với nồng độ chất cần phân tích trong dung dịch đo.

Chú ý: 
Thành phần có trong chuẩn càng tương tự với mẫu chuẩn càng tốt. Vì vậy có thể thêm lượng acid tương đương.
Tiêm vào lò một lượng dung dịch chuẩn và mẫu, sau vài lần tiêm mẫu phải tiêm chất chuẩn để kiểm tra đọ lặp lại của phương pháp.
Người ta có thể sử diụng phương pháp đo trực tiếp với xây dựng đường chuẩn hoặc phương pháp thêm chuẩn, phương pháp này chỉ có giá trị khi nồng độ nằm trong vùng tuyến tính.

Xác định As bằng AAS với lò nhiệt điện
Nguyên tắc: Mẫu được đưa vào lò tại đây mẫu được nung ra nóng chảy và sau đó muối As được phân li thành trạng thái As nguyên tử.
Thiết bị: Lò nguyên tử, máy AAS, đèn catot rỗng AAS và đèn đơtơri hiệu chỉnh nền, máy ghi.
Thuốc thử: dd Ni(NO3)2 2%. Chuẩn gốc As 1g/l pha loãng 100lần- 10 mg/l, tiếp tục pha loãng 100 lần- 0.1 mg/l.
Dựng đường chuẩn:
Dãy chuẩn được chuẩn bị trong bình định mức 100ml theo thứ tự sau:

Tiêm 10ml các bình vào lò và tiếp tục như phần sau: 
Tiến hành phân tích: Trộn 10ml mẫu với 1ml Ni(NO3)2. Tiêm 10ml vào lò loại nước ở 130 độ C trong vòng 60s. Nung chảy ở 850 độ C trong 40s và tiếp tục nguyên tử hóa ở 2500 độ C trong 30s. Đo độ hấp thu ở bước sóng 193.7 nm.
Kết quả được tính theo mg/l. Chú ý của phươngpháp này là 2 µg/l.

Tham khảo

[[1]Hồ Viết Quý (2000), Phân tích Lý-Hóa, NXB Giáo dục, Hà Nội]

[[2]Phạm Luận (2006), Phương pháp phân tích phổ nguyên tử, NXB Đại học Quốc
gia Hà Nội, Hà Nội]

Arsenic
Hóa phân tích
Phổ học
Kỹ thuật khoa học