Tài liệu Chương 8 Phương pháp hấp thu phân tử Uv-vis

CHƢƠNG 8 PHƢƠNG PHÁP HẤP THU PHÂN TỬ UV – VIS 8.1 Tổng quan Đầu thế kỷ 19, hầu hết phân tích hoá học định lượng đều sử dụng phương pháp trọng lượng (gravimetry method) hoặc phương pháp chuẩn độ (titrimetry method). Với những phương pháp này đều đạt được độ đúng (accuracy) cao, nhưng khó có thể xác định được những thành phần hợp chất có nồng độ thấp trong nước. Trong suốt thời gian này nhiều nghiên cứu được bắt đầu để mở rộng khả năng phân tích định lượng đặc biệt các các yếu tố vết trong môi trường. Một trong số những phát minh đó là phương pháp so màu quang phổ. Phương pháp so màu đầu tiên là phương pháp Nessler phân tích hàm lượng ammonia trong nước vào năm 1856. Nessler khám phá ra rằng khi thêm HgI2 và KI vào trong môi trường có chưa NH4+ sẽ tạo thành dung dịch màu từ màu vàng đến màu nâu đỏ tuỳ theo nồng độ của NH4+. Màu của mẫu sẽ được so sánh với màu của mẫu chuẩn để xác đinh nồng độ tương ứng trong mẫu. Cho đến ngày nay phương pháp này đã được nghiên cứu bổ sung để phân tích nước mặt và nước thải trong Standard Methods. Cuối thế kỷ 19, một số phương pháp mới bắt đầu được khám phá như phương pháp hấp thu, phát xạ, tán xạ, tia cực tím, điện từ hồng ngoại phát xạ. Thế kỷ 20 là giai đoạn phát triển của tia X, microwave, và sóng radio, các hạt năng lượng bao gồm hạt electron và ion. 8.2 Lịch sử nghiên cứu quang phổ học Quang phổ học là một môn học chính yếu trong thiên văn học, nó đã được ứng dụng thành công để nghiên cứu về khí quyển trong hành tinh chúng ta. Cách đây 200 năm, Joseph von Fraunhofer (1787-1826) lần đầu tiên sản xuất loại máy đo quang phổ mà tính năng không có gì sánh kịp lúc bấy giờ. Ông ấy đã khám phá ra rất nhiều các đường tối trong quang phổ của ánh sáng mặt trời. Ông ấy có thể xác định chính xác độ dài bước sóng của nhiều “Fraunhofer lines” (vạch) và thuật ngữ này ngày nay vẫn được dùng. Tuy nhiên, trong thời gian này ông ấy không hiểu được những cơ sở vật lý và ý nghĩa về những vấn đề mà ông ấy khám phá ra. Hình 8.1. Thiết bị Spektralapparat thiết kế bởi Kirchhoff và Bunsen (1833) 49 Thành tựu quan trọng kế tiếp về “Fraunhofer lines” là quá trình tìm ra nguyên lý vật lý của sự hấp thu và phát xạ vào năm 1859 với sự cộng tác của nhiều nhà vật lý nổi tiếng như Gustav R. Kirchhoff và Robert W. Bunsen tại Heidelberg. Thiết bị mà họ sử dụng là “Spektralapparat”, họ ghi nhận được quá trình phát xạ rất đặc biệt của nhiều nguyên tố khác nhau. Với phương pháp này họ đã tiếp tục khám phá ra 2 nguyên tố mới là Cäsium và Rubidium, họ chiết được một lượng rất nhỏ (7g) từ 44.000 lít nước khoáng gần núi Bad Nauheim, Đức. Sự khám phá này là nền tảng cho sự khám phá tiếp theo về sự hấp thu và phát xạ của hấp thu phân tử. Năm 1879 Marie Alfred Cornu thấy rằng, những tia có bước sóng ngắn của bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất bị hấp thụ bởi khí quyển. Một năm sau đó, Walther Noel Hartley mô tả rất tỉ mỉ về sự hấp thụ UV của O3 với độ dài bước sóng 200 và 300 nm và nó trở nên rõ ràng hơn khi họ phát hiện ra rằng O3 chứa đầy trong bầu khí quyển. Năm 1880, Chappuis khám phá ra sự hấp thu trong vùng khả kiến (400 – 840nm). Năm 1925 Dobson phát triển một máy quang phổ mới rất ổn định sử dụng lăng kính bằng thạch anh. 8.3 Đại cƣơng về quang phổ Trong quang phổ học, ánh sáng nhìn thấy (ánh sáng khả kiến), tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia Rơnghen, sóng radio... đều được gọi chung một thuật ngữ là bức xạ. Theo thuyết sóng, các dạng bức xạ này là dao động sóng của cường độ điện trường và cường độ từ trường, nên bức xạ còn được gọi là bức xạ điện từ. Sau thuyết sóng, thuyết hạt cho thấy bức xạ gồm các “hạt năng lượng” gọi là photon chuyển động với tốc độ ánh sáng (c = 3.108 m/s). Các dạng bức xạ khác nhau thì khác nhau về năng lượng h của các photon. Ở đây, năng lượng của bức xạ đã được lượng tử hóa, nghĩa là năng lượng của bức xạ không phải liên tục mà các lượng tử năng lượng tỉ lệ với tần số  của dao động điện từ theo hệ thức Planck.   h h = 6,625.10 – 34 J.s: hằng số Planck. Louis de Broglie đã đưa ra thuyết thống nhất cả khái niệm sóng và khái niệm hạt của sóng ánh sáng. Ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Tổng quát hơn là bức xạ có bản chất sóng hạt. Nội dung như sau: Hạt có khối lượng m chuyển động với vận tốc v có bước sóng đi đôi với nó là  cho bởi hệ thức:  Trong đó : h h  mv p p = mv là động lượng của hạt λlà bước sóng (de Broglie) h = 6,625.10-34 J.s là hằng số Planck. 50 8.3.1 Các đại lƣợng đo bức xạ điện từ Bước sóng  : Là quảng đường mà bức xạ đi được sau mỗi dao động đầy đủ. Đơn vị: m, cm, m , nm, o A. (1cm = 108 o A = 10 7 m =104 m) Tần số  : Là số dao động trong một đơn vị thời gian (giây) Trong 1 giây bức xạ đi được c cm và bức sóng  cm, vậy:   c  Lưu ý: Bức xạ truyền trong chân không với vận tốc c = 2,9979.10 8 m/s (thường lấy tròn 3.10 8 m/s) Đơn vị: CPS ( VÒNG DÂY), Hz, KHz, MHz. (1CPS=1Hz; 1MHz=103 KHz=106Hz) Năng lượng bức xạ: Các dao động tử (phân tử chẳng hạn) chỉ có thể phát ra hoặc hấp thụ năng lượng từng đơn vị gián đoạn, từng lượng nhỏ nguyên vẹn gọi là lượng tử năng lượng:   h  hc   hc Đơn vị: Jun (J), Calo (Cal), electron von (eV). 8.3.2 Các dạng bức xạ Bức xạ điện từ bao gồm 1 dãy các sóng điện từ có bước sóng biến đổi trong khoảng rất rộng: o từ cỡ mét ở sóng rađio đến cỡ A (10–10 m) ở tia Rơnghen hoặc nhỏ hơn nữa. Toàn bộ dãy sóng đó được chia thành các vùng phổ khác nhau. Tia γ Tia X Tia hồng ngoại UV Vi sóng Sóng radio Vùng VIS (Khả kiến) Bước sóng λ (nm) Tím Chàm Lam Lục Vàng Cam Đỏ Hình 8.2. Các phổ của sóng điện từ 51 Mắt người chỉ cảm nhận được một vùng phổ điện từ rất nhỏ gọi là vùng nhìn thấy (khả kiến) bao gồm các bức xạ có bước sóng từ 396 – 760 nm. Hai vùng tiếp giáp với vùng nhìn thấy là vùng hồng ngoại và vùng tử ngoại UV. 8.3.3 Sự tƣơng tác giữa vật chất và bức xạ điện từ Ở điều kiện bình thường, điện tử của phân tử nằm ở trạng thái liên kết, nên phân tử có mức năng lượng thấp, gọi là trạng thái cơ bản Eo (Hình 8.3). Khi chiếu một bức xạ điện từ vào một môi trường vật chất, sẽ xảy ra hiện tượng các phân tử vật chất hấp thụ (absorption) hoặc phát xạ (emission) năng lượng, hay được gọi là trạng thái kích thích (Hình 8.3). Năng lượng mà phân tử phát ra hay hấp thụ vào là:  E = E2 – E1 = h Trong đó, E1 và E2 là mức năng lượng của phân tử ở trạng thái đầu và trạng thái cuối  (hay còn gọi là trạng thái kích thích) là tần số của bức xạ điện từ bị hấp thụ hay phát xạ ra. Nếu  E > 0 thì xảy ra sự hấp thụ bức xạ điện từ. Nếu  E < 0 thì xảy ra sự phát xạ năng lượng. A B Hình 8.3. Sự hấp thụ (A) hoặc phát xạ (B) năng lƣợng của một photon Theo thuyết lượng tử, các phân tử và các bức xạ điện từ trao đổi năng lượng với nhau không phải bất kỳ và liên tục mà có tính chất gián đoạn. Phân tử chỉ hấp thụ hoặc phát xạ 0, 1, 2, 3,…n lần lượng tử h mà thôi. Khi phân tử hấp thụ hoặc phát xạ sẽ làm thay đổi cường độ của bức xạ nhưng không làm thay đổi năng lượng của nó, bởi vì cường độ bức xạ điện từ xác định bằng mật độ các hạt phôton có trong chùm tia, còn năng lượng bức xạ điện từ lại phụ thuộc tần số  của bức xạ. Vì thế khi chiếu một chùm bức xạ điện từ với một tần số duy nhất đi qua môi trường vật chất thì sau khi đi qua năng lượng của bức xạ không hề thay đổi mà chỉ có cường độ bức xạ thay đổi. Các phân tử khi hấp thụ năng lượng của bức xạ sẽ dẫn đến thay đổi các quá trình trong phân tử (quay, dao động, kích thích electron…) hoặc trong nguyên tử (cộng hưởng spin electron, cộng hưởng từ hạt nhân) Mỗi một quá trình như vậy đòi hỏi một năng lượng đặc trưng cho nó, nghĩa là đòi hỏi bức xạ điện từ có tần số hay chiều dài sóng nhất định để kích thích. Do sự hấp thụ chọn lọc này mà khi chiếu chùm bức xạ điện từ với một dãi tần số khác nhau đi qua môi trường vật chất thì sau 52 khi đi qua chùm bức xạ này sẽ bị mất đi một số bức xạ có tần số xác định, nghĩa là các tia này đã bị phân tử hấp thụ. Bảng 8.1. Ứng dụng quang phổ điển hình do sự thay đổi năng lƣợng Kiểu chuyển đổi năng lƣợng Vùng bƣớc sóng Thiết bị quang phổ Tia γ Máy quang phổ Mossbauer Tia X Máy hấp thụ quang phổ tia X UV/Vis Hấp thụ (absorption) Hồng ngoại Máy so màu quang phổ UV/Vis Máy hấp thu nguyên tử AAS Máy so quang phổ hồng ngoại Máy so màu hiệu ứng Raman Microwave Máy quang phổ vi sóng Sóng radio Máy quang phổ từ hạt nhân UV/Vis Máy phát xạ nguyên tử Tia X Máy phát xạ huỳnh quang tia X Máy quang phổ huỳnh quang Phát xạ (emission) UV/Vis Máy phát lân quang Máy quang phổ phát xạ huỳnh quang nguyên tử Bảng 8.2. Quang phổ điển hình không do sự thay đổi năng lƣợng Vùng bước sóng Kiểu tương tác Thiết bị Tia X Nhiểu xạ Máy nhiểu xạ tia X UV/Vis Khúc xạ Máy khúc xạ Tán xạ Máy đo độ đục 8.3.4 Sự hấp thụ bức xạ và màu sắc của các chất Ánh sáng nhìn thấy bao gồm tất cả dải bức xạ có bước sóng từ 396 – 760 nm có màu trắng (ánh sáng tổng hợp). Khi cho ánh sáng trắng (ánh sáng mặt trời) chiếu qua một lăng kính, nó sẽ bị phân tích thành một số tia màu (đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím). Mỗi tia màu đó ứng với một khoảng bước sóng hẹp hơn (xem Bảng 8.3). Cảm giác các màu sắc là một chuỗi các quá trình sinh lý và tâm lý phức tạp khi bức xạ trong vùng khả kiến chiếu vào võng mạc của mắt. Một tia màu với một khoảng bước sóng xác định. Chẳng hạn bức xạ với bước sóng 53 400–430 nm gây cho ta cảm giác màu tím, tia sáng với bước sóng 560 nm cho ta cảm giác màu lục vàng. Ánh sáng chiếu vào một chất nào đó nó đi qua hoàn toàn thì đối với mắt ta chất đó không màu. Thí dụ, thủy tinh thường hấp thụ các bức xạ với bước sóng nhỏ hơn 360 nm nên nó trong suốt với các bức xạ khả kiến. Thủy tinh thạch anh hấp thụ bức xạ với bước sóng nhỏ hơn 160 nm, nó trong suốt đối với bức xạ khả kiến và cả bức xạ tử ngoại gần. Một chất hấp thụ hoàn toàn tất cả các tia ánh sáng thì ta thấy chất đó có màu đen. Nếu sự hấp thụ chỉ xảy ra ở một khoảng nào đó của vùng khả kiến thì các bức xạ ở khoảng còn lại khi đến mắt ta sẽ gây cho ta cảm giác về một màu nào đó. Chẳng hạn một chất hấp thụ tia màu đỏ (  = 610–730 nm) thì ánh sáng còn lại gây cho ta cảm giác màu lục (ta thấy chất đó có màu lục). Ngược lại, nếu chất đó hấp thụ tia màu lục thì đối với mắt ta nó sẽ có màu đỏ. Người ta gọi màu đỏ và màu lục là hai màu phụ nhau. Trộn hai màu phụ nhau lại ta sẽ có màu trắng. Nói cách khác, hai tia phụ nhau khi trộn vào nhau sẽ tạo ra ánh sáng trắng. Quan hệ giữa màu của tia bị hấp thụ và màu của chất hấp thụ (các màu phụ nhau) được ghi ở bảng sau: Bảng 8.3. Quan hệ giữa màu của tia bị hấp thụ và màu chất hấp thụ Tia bị hấp thụ Màu của chất hấp thụ  (nm) Màu (màu của tia còn lại) 400 – 430 Tím Vàng lục 430 – 490 Xanh Vàng da cam 490 – 510 Lục xanh Đỏ 510 – 530 Lục Đỏ tía 530 – 560 Lục vàng Tím 560 – 590 Vàng Xanh 590 – 610 Da cam Xanh lục 610 – 750 Đỏ Lục Lưu ý: Giữa các tia màu cạnh nhau không có một ranh giới thật rõ rệt. Việc phân chia ánh sáng trắng thành 7, 8 hay 9 tia màu… còn tùy thuộc vào lăng kính và sự tinh tế của mắt người quan sát. Một chất có màu, thí dụ như màu đỏ chẳng hạn là do nó đã hấp thụ chọn lọc trong vùng khả kiến theo một trong các kiểu sau: - Chất đó hấp thụ tia phụ của tia đỏ (tức là hấp thụ tia màu lục) - Chất đó hấp thụ các tia trừ tia màu đỏ. - Chất đó hấp thụ ở hai vùng khác nhau của ánh sáng trắng sao cho các tia còn lại cho mắt ta cảm giác màu đỏ. 54 Để một hợp chất có màu, không nhất thiết max của nó phải nằm ở vùng khả kiến mà chỉ cần cường độ hấp thụ ở vùng khả kiến đủ lớn. Nói một cách khác tuy giá trị cực đại của vân hấp thụ nằm ngoài vùng khả kiến nhưng do vân hấp thụ trải rộng sang vùng khả kiến nên hợp chất vẫn có màu. Tất nhiên để có được sự hấp thụ thấy được ở vùng khả kiến thì max của chất cũng phải gần với ranh giới của vùng khả kiến. Tương ứng với một bước chuyển điện tử, ta thu được phổ hấp thu có dạng: Hai đại lượng đặc trưng của phổ hấp thu là vị trí và cường độ - Vị trí cực đại hấp thu, giá trị max tùy thuộc vào E mà hợp chất này hấp thu ở các vùng phổ khác nhau. Bán chiều rộng của vân phổ điện tử dao động khá rộng khoảng 50 – 60 nm. - Cường độ thể hiện qua diện tích hoặc chiều cao của đỉnh biểu đồ (peak). Cường độ vân phổ phụ thuộc vào xác xuất chuyển mức năng lượng của điện tử. Xác suất lớn cho cường độ vân phổ lớn. Một hợp chất màu có phổ hấp thu tốt khi đỉnh biểu đồ (peak) cao và bán chiều rộng vân phổ hẹp. Peak Độ rộng Bán vân phổ λmax 55 Hình 8.4. Đỉnh (peak) và bán chiều rộng vân phổ Khi bán chiều rộng vân phổ hẹp, khi  thay đổi nhỏ thì độ hấp thu A thay đổi lớn. Điều này rất có ý nghĩa trong phân tích định lượng. Giả sử hợp chất X có Amax ở 500 nm. Khi chúng ta đo ở bước sóng 510 nm... thì độ hấp thu đo được sẽ khác rất xa đối với ở bước sóng 500 nm. Từ đó ta thấy rằng ở mỗi hợp chất màu có một giá trị max nhất định và nó phản ánh độ nhạy của phương pháp. Mặt khác, một hợp chất đòi hỏi đỉnh biểu đồ cao nghĩa là khi ta đo ở bước sóng max thì ta được độ hấp thụ quang cực đại, khoảng làm việc rộng. 8.3.5 Định luật Lambert – Beer Khi chiếu một chùm tia sáng đơn sắc đi qua một môi trường vật chất thì cường độ của tia sáng ban đầu (Io) sẽ bị giảm đi chỉ còn là I Tỉ số I 100 0 0  T được gọi là độ truyền qua. Io Tỉ số Io  I 100 0 0  A được gọi là độ hấp thụ. I Nguyên tắc của phương pháp biểu diễn theo sơ đồ : Mẫu Io IA I IR Cuvette Io = IA + IR + I Hình 8.5. Sơ đồ mô tả sự hấp thụ ánh sáng của một dung dịch Trong đó: Io: Cường độ ban đầu của nguồn sáng IA: Cường độ ánh sáng bị hấp thu bởi dung dịch I: Cường độ ánh sáng sau khi qua dung dịch. IR: Cường độ ánh sáng phản xạ bởi thành cuvette và dung dịch, giá trị này được loại bỏ bằng cách lặp lại 2 lần đo. Giữa IA, I, độ dày truyền ánh sáng (l) và nồng độ (C) liên hệ qua quy luật Lambert – Beer là định luật hợp nhất của Bouguer: 56 lg Lambert (1766) Beer (1852): lg Io  K 1l I Io  K 1C I Độ truyền quang (T) hay độ hấp thụ (A) phụ thuộc vào bản chất của vật chất, độ dày truyền ánh sáng l và nồng độ C của dung dịch. Có thể viết: Định luật Lambert – Beer : A  lg( I0 )     C  l I Trong đó:  là hệ số hấp thu phân tử, C nồng độ dung dịch (mol/L), l độ dày truyền ánh sáng (cm), A là độ hấp thụ quang. (Lưu ý phương trình trên chỉ đúng đối với tia sáng đơn sắc). Trong phân tích định lượng bằng phương pháp trắc quang người ta chọn một bước sóng  nhất định, chiều dày cuvet l nhất định và lập phương trình phụ thuộc của độ hấp thụ quang A vào nồng độ C. Khảo sát khoảng tuân theo định luật Lambert – Beer: Khi biểu diễn định luật Lambert – Beer trên đồ thị tùy theo cách thực hiện phép đo, ta thường gặp đường biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thu A vào cường độ C của dung dịch có dạng: y = ax + b Hệ số góc a cho biết độ nhạy của phương pháp, trong phương pháp trắc quang người ta chỉ đo dung dịch trong khoảng tuân theo định luật Lambert – Beer tức là khoảng nồng độ mà ở đó giá trị  không thay đổi. Hệ số góc a càng lớn và khoảng tuân theo định luật Beer càng rộng là điều kiện thuận lợi cho phép xác định. Sự lệch khỏi định luật Beer: Sự lệch khỏi định luật Beer được biểu diễn bằng sơ đồ sau: Hình 8.6. Giới hạn của định luật Beer về sự hấp thụ quang Khoảng tuyến tính LOL (Limit of Linear Response) là khoảng nồng độ tuân theo định luật Beer ( A    l  C ) nghĩa là khi nồng độ tăng thì độ hấp thụ quang A tăng. Ngoài giới hạn LOL là sự lệch khỏi định luật Beer, nghĩa là khi nồng độ tăng thì độ hấp thụ quang A hầu như 57 không tăng nữa. Nguyên nhân của quá trình này là do nồng độ dung dịch quá lớn. Ngoài ra, khoảng tuyến tính LOL còn bị ảnh hưởng của mức độ đơn sắc của ánh sáng sử dụng, pH của dung dịch, lực ion, sự pha loãng... Ý nghĩa của các đại lƣợng: - Hệ số hấp thu mol : phụ thuộc bản chất mỗi chất, bước sóng , nhiệt độ, chiết suất (theo nồng độ). Giá trị tính lý thuyết của một bước chuyển được phép cho 1 electron là  = 105 mol-1.cm-1.  A (l. mol-1 cm-1) lC  cao cho ta biết được độ nhạy của phản ứng, là thước đo độ nhạy của phương pháp. Trong phân tích trắc quang,  = 103 – 105 mol-1. cm-1 là đủ nhạy để dùng cho phương pháp trắc quang,  phụ thuộc vào chiết suất mà chiết suất lại phụ thuộc vào nồng độ. Khi chiết suất tăng lên thì  giảm và để  không thay đổi thì phải thực hiện C  10-2 mol/L. - Độ hấp thụ quang A: Là đại lượng không có đơn vị, có tính chất quan trọng là tính cộng độ hấp thụ quang. Giả sử 2 chất A và B có nồng độ CA và CB, độ hấp thu tại bước sóng  là: A = AA + AB = l × (ACA + BCB) Nếu một chất tan X nào đó có độ hấp thụ quang là AX, dung môi có độ hấp thụ quang là Adm, ta có: A = Ax + Adm Để đo được chính xác Ax thì Adm = 0, có nghĩa là phải chọn max của dung môi khác xa với max chất tan. Những chất được chọn làm dung môi thường có  hấp thu ở miền ranh giới tử ngoại chân không. Bảng 8.4. Các dung môi thƣờng sử dụng trong vùng UV – VIS Dung môi Bước sóng (nm) Dung môi Bước sóng (nm) Nước cất 190 Benzen 280 HCl 190 Cloroform 245 Etanol, metanol 210 Tetra Clorocarbon 265 n- Butanol 210 Dietyl Eter 218 n- Hexan 210 Aceton 330 Cyclohexan 210 1,4 Dioxan 215 Trong hỗn hợp có nhiều cấu tử không làm thay đổi tương tác, không phản ứng hóa học, không dịch chuyển cân bằng, thì có thể xác định hỗn hợp các cấu tử theo hệ thức sau: 58     A   1 lC1   2 lC 2  .......   i lC i  ......   n lC n - Độ truyền quang T: T I I mà A  lg( 0 ) do đó A   lg T I Io Vì T tính theo % nên: A  2  lg T Nếu T = 100% thì A = 0 (nghĩa là không hấp thụ ánh sáng (I = Io) Nếu T = 1% thì A = 2 Nếu T = 0 % thì A   (hấp thu hoàn toàn ánh sáng) 2.0 Độ hấp thụ A 1.5 1.0 0.5 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 Độ truyền quang T (%) 80 90 100 Hình 8.7. Mối quan hệ giữa Độ truyền quang (T) và Độ hấp thụ (A) Ví dụ 8.1: Một mẫu có độ truyền quang là 50%, tính độ hấp thu A của mẩu? Giải quyết vấn đề: Ta có : A = -lg T = -lg(0,5) = 0,301 Ví dụ 8.2: Một dung dịch có nồng độ 5 × 10-4M được phân tích và đo bằng cuvette 1 cm ở bước sóng 490 nm được độ hấp thu là 0,338. Hãy tính độ hấp thu phân tử của chất ở bước sóng này ? Giải quyết vấn đề:  8.3.6 A 0,338 = = 676 cm-1 M-1 4 1 cm  5.10 M lC Nguyên lý cấu tạo của máy quang phổ Nguồn sáng Nguồn sáng cho máy quang phổ là chùm bức xạ phát ra rừ đèn. Máy quang phổ dùng đèn hydro hay đèn Deuterium cho phổ phát xạ liên tục trong vùng UV tử 160 – 380nm (nhưng thường sử dụng 200 - 340 nm) và đèn tungsten halogen đo vùng 380 – 1000 nm. Để làm việc 59 cho cả hai vùng thì phải có đủ 2 loại đèn trên. Một yêu cầu đối với nguồn sáng là phải ổn định, tuổi thọ cao và phát bức xạ liên tục trong vùng phổ cần đo. Đèn Deuterium: cấu tạo sồm một sợi đốt phủ ôxit và một cực kim loại đặt trong một bóng thuỷ tinh chứa khí Deuteri hoặc hydro có cửa sổ bằng thạch anh để bức xạ tử ngoại đi ra vì nó không truyền qua được thủy tinh. Khi sợi đốt được đốt nóng, electron sinh ra kích thích các phân tử khí Deuteri (hoặc hidro) biến thành nguyên tử và phát ra phôton theo phản ứng: D2 + Ee  D2*  D’ + D + h Ee = E D* = ED’ + ED’’ + h 2 Ở đây là năng lượng electron kích thích, bức xạ phát ra là một phổ có bước sóng từ 160 nm đến vùng khả kiến. Bảng 8.5. Nguồn phát năng lƣợng trong các thiết bị quang phổ Nguồn Vùng bước sóng Sử dụng cho Đèn H2 và D2 160 – 380 nm Hấp thụ phân tử tử ngoại ĐènTungsten 320 – 2400 nm Hấp thu phân tử khả kiến Đèn hồ quang Xe 200 – 1000 nm Phát xạ huỳnh quang phân tử Đèn Nernst 0,4 – 20 µm Hấp thụ phân tử hồng ngoại Đèn cực âm hallow UV/Vis Hấp thụ nguyên tử Đèn hơi nước Hg UV/Vis Phát xạ huỳnh quang phân tử Laser UV/Vis Hấp thụ phân tử, nguyên tử, huỳnh quang, tán xạ Bộ đơn sắc Bộ đơn sức có chức năng tách bức xạ đa sắc thành bức xạ đơn sắc, bao gồm kính lọc, lăng kính hay cách tử. Cách tử là một bảng nhôm hay các kim loại Cu, Ag, Au... được vạch thành những rãnh hình tam giác song song. Khi chiếu ánh sáng qua cách tử, phần còn lại có tác dụng tạo nên vân nhiễu xạ có bước sóng khác nhau, khi quay cách tử sẽ tạo ra phổ nhiễu xạ giống như trường hợp ánh sáng qua lăng kính. Ưu điểm là cho độ phân giải tốt, tán sắc tuyến tính, độ rộng của dải ổn định, chọn bước sóng đơn giản, gọn nhẹ, dễ chế tạo nên hiện nay sử dụng cách tử tạo ánh sáng đơn sắc được ưa chuộng. Cách tử dùng cho UV/Vis có 1200 vạch/ mm (thường dao động từ 300 – 3600 vạch/mm, số vạch càng nhiều thì năng suất phân giải càng cao. 60 Hình 8.8 Sơ đồ mô phỏng cấu tạo của máy quang phổ Lăng kính của máy quang phổ dùng lăng kính littrow (lăng kính 30o) bằng thạch anh, có đặc điểm ánh sáng đi qua lăng kính hai lần do phản xạ ở mặt sau. Khi phân tích, để hạn chế mức độ nhiểu của vân phổ, tốt nhất nên chọn bước nhảy của bước sóng (bandwidth) ở mức thích hợp tuỳ vào hợp chất (Hình 8.9) Bandwidth 0,25 nm Bandwidth 1,0 nm Bandwidth 2,0 nm Bandwidth 4,0 nm Hình 8.9. Mức độ nhiểu ở các độ dài Bandwidth khác nhau Cuvet đựng mẫu Cuvet phải làm bằng chất liệu cho bức xạ ở vùng cần đo đi qua. Cuvet thủy tinh không thích hợp cho vùng UV. Cuvet thạch anh cho bức xạ đi qua từ 190 – 1000 nm. Cuvet nhựa chỉ dùng trong vùng Vis và chỉ sử dụng được 1 vài lần. 61 Detector Detector là bộ phận đo tín hiệu ánh sáng trước và sau khi đi qua dung dịnh (đựng trong cuvet). Các tín hiệu sau khi đi ra Detector sẽ được sẽ được khuếch đại bằng processor tín hiệu (signal processor), lưu giữ và xử lý trên máy tính. Có 2 loại detector là: bộ cảm biến photon (photon transducer) và bộ cảm biến nhiệt (thermal transducer) Bảng 8.6. Bảng 8.6. Đặc tính của một số bộ chuyển đổi tín hiệu (transducer) Detector Lớp Vùng bƣớc sóng Đèn quang điện (phototube) Photon 200 – 1000 nm Điện kế nhân (Photomultiplier) Photon 110 – 1000 nm Quang diot Silic (Si photodiode) Photon 250 – 1100 nm Quang dẫn (photoconductor) Photon 750 – 6000 nm Pin quang voltaic (photovoltaic cell) Photon 400 – 5000 nm Cặp nhiệt điện (thermocouple) Nhiệt 0,8 – 40 µm Nhiệt điện trở (thermistor) Nhiệt 0,8 – 40 µm Hoả điện (pyroelectri) Nhiệt 0,3 – 1000 µm 8.4 Sử dụng phƣơng pháp trắc quang trong định lƣợng hóa học Yêu cầu về các hợp chất cần xác định là phải bền, ít phân ly, ổn định, không thay đổi thành phần trong khoảng thời gian nhất định để thực hiện phép đo (10–20 phút). Hệ số  lớn có giá trị từ 103 – 5.104 L. mol-1 cm-1, có thể thực hiện phản ứng tạo màu với các thuốc thử vô cơ và hữu cơ. Nồng độ các chất xác định theo định luật Lambert – Beer. Khoảng xác định nồng độ theo phương pháp là 10-2 – 10-6 mole. Giới hạn phát hiện của phương pháp 10-7 mole. Các hợp chất là phức cần đo phải có max khác xa với max của thuốc thử trong cùng điều kiện tức là  > 2 lần nửa bán chiều rộng của vân phổ (khoảng 80 – 100 nm). Thí dụ, khi phân tích Fe2+ bằng phương pháp O-phenanthroline. Sau khi thêm thuốc thử ta được phức màu vàng cam (max = 510 nm), trong khi đó thuốc thử 1,10- Orthophenanthroline có max = 250 nm. Bảng 8.7 Một số ứng dụng phƣơng pháp trắc quang trong phân một số yếu tố thông thƣờng trong ao nuôi thuỷ sản Chỉ tiêu Phƣơng pháp Phức màu λmax (nm) Al Phản ứng với Eriochrome cyanide R ở pH 6,0 Hồng 535 Cu Phản ứng với Neocuprine, ly trích bằng CHCl3 Vàng 457 62 Fe2+ Phản ứng với O-phenanthroline, pH = 5 Cam – đỏ 510 NH3 Phenate, tạo phức Indophenol Xanh 630 NO2- Tạo muối diazonium, pH = 2 – 3 Hồng – đỏ tía 543 NO3- Tạo muối salicylate, pH > 9 Vàng 410 PO43- Tạo phức moybden Xanh 690 SO42- Tạo phức với sodium rhodizonate Đỏ 520 SiO2 Tạo phức heteropoly Xanh 815 8.4.1 Phƣơng pháp so sánh So sánh cường độ màu của dung dịch cần xác định với cường độ màu của dung dịch chuẩn đã biết nồng độ. Điều kiện: cả hai dung dịch trên phải có nồng độ nằm trong khoảng tuân theo định luật Beer. Cx ----------------------- Ax Ctc ---------------------- Atc Ta cần xác định Cx : Cx  Ax  Ctc Atc Khi sử dụng 2 dung dịch chuẩn: C x  C1  C2  C1  ( Ax  A1 ) A2  A1 Với A1, A2, C1, C2 là độ hấp thu và nồng độ của dung dịch chuẩn tương ứng sao cho A1 < Ax < A2 có nghĩa C1 < Cx < C2 8.4.2 Phƣơng pháp thêm chuẩn Phạm vi ứng dụng là xác định các chất có hàm lượng vi lượng hoặc siêu vi lượng, loại bỏ ảnh hưởng của chất lạ. Có 2 phương pháp là phương pháp sử dụng công thức và phương pháp đồ thị. - Phương pháp sử dụng công thức C x  Ca Trong đó: Ax Ax  a  Ax Ax: độ hấp thu của dung dịch xác định tương ứng với thể tích Vx. Ax+ a: Độ hấp thu của dung dịch có thêm chuẩn. Ca: Nồng độ chất chuẩn thêm vào. 63 Cx: Nồng độ chất cần xác định trong thể tích Vx Công thức được thiết lập từ: Ax =  × l × Cx A(x+a) =  × l × (Cx + Ca) Cx được biểu diễn theo đơn vị của Ca. Cách thực hiện: Lấy 3 lần của dung dịch cần xác định nồng độ cho vào 3 bình định mức có thể tích VmL. Bình 1: Thêm thuốc thử và các chất để tạo môi trường pH cho dung dịch, dung dịch gọi là dung dịch xác định Cx, độ hấp thu quang tương ứng là Ax. Bình 2: Thêm một lượng chính xác dung dịch tiêu chuẩn đã biết chính xác nồng độ Ca, tiến hành phản ứng tạo màu giống như bình 1. Dung dịch có độ hấp thu tương ứng là A(x+a). Bình 3: chỉ thêm các chất để tạo pH cho dung dịch, lấy dung dịch này làm dung dịch so sánh. Áp dụng công thức: C x  C a Ax . Từ Cx có trong thể tích Vx (mL) có thể qui về thể tích Ax  a  Ax ban đầu của mẫu Vo (mL): Co  C xVo mg/L Vx - Phương pháp sử dụng đồ thị Có ít nhất 3 dung dịch thêm chuẩn. Lấy ít nhất 4 lần của dung dịch cần xác định nồng độ cho vào 4 bình định mức V(mL). Sau đó thêm chính xác một lượng V1, V2, V3 mL dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ tương ứng Ca1, Ca2, Ca3 vào 3 bình định mức trên. Tiến hành phản ứng tạo màu. Bình còn lại để làm dung dịch so sánh, cũng chuẩn bị giống như phương pháp công thức. Độ hấp thu của các dung dịch thêm so với dung dịch so sánh. Hình 8.10. Tƣơng quan của phƣơng pháp thêm chuẩn sử dụng đồ thị. Có thể đọc kết quả trên đồ thị hoặc sử dụng phương trình hồi qui có dạng: A = aC + b (hồi quy tuyến tính y = ax + b) Ax = b 64 Cx = b/a 8.4.3 Phƣơng pháp đƣờng chuẩn Ưu điểm là chính xác, thực hiện được nhiều lần. - Chuẩn bị từ 6 dung dịch chuẩn (trong khoảng tuân theo định luật Beer). - Thực hiện phản ứng màu với thuốc thử. - Đo độ hấp thụ quang A của dung dịch ở max so với các dung dịch so sánh được chuẩn bị giống như dung dịch tiêu chuẩn nhưng không chứa ion cần xác định. - Biểu diễn sự phụ thuộc A theo C trên đồ thị hoặc tính theo phương trình hồi qui A= aC + b (a và b là hệ số cần tìm của phương trình hồi quy – tương quan) (xem Bảng 8.8) - Dung dịch xác định: chuẩn bị và phản ứng tạo màu với thuốc thử giống như mẫu chuẩn. Bảng 8.8. Dung dịch chuẩn dùng để xây dựng đƣờng chuẩn C (mg/L) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Dung dịch chuẩn 1 2 3 4 5 6 A 0,010 0,480 0,930 1,370 1,830 2,281 Sau khi đo được giá trị độ hấp thụ quang của các dung dịch chuẩn, chúng ta có thể tiến hành xây dựng đường chuẩn và tìm ra phương trình hồi quy tương quan: 2.500 y = 9.0543x + 0.0184 Độ hấp thụ A 2.000 R2= 0.9999 1.500 1.000 0.500 0.000 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Nồng độ Hình 8.11. Biểu đồ xác định phƣơng trình hồi quy của phƣơng pháp đƣờng chuẩn Sau khi thiết lập đường chuẩn, ta được dạng phương trình y = ax + b với y là độ hấp thụ quang, x là nồng độ. Đối với dung dịch xác định, ta tiến hành phản ứng và đo được hệ số hấp thu của mẫu (A mẫu = y), ta có thể tính được nồng độ của mẫu cần xác định theo phương trình: x y b a 65 Sự tương quan giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ C khi l  const là nội dung của định luật Beer. Khoảng nồng độ thỏa mãn định luật này khi R > 0,999. Hệ số tương quan r biến đổi trong khoảng -1 R  1 (R2 = 0  1) - Khi R  1 có sự tương quan chặt chẻ giữa x và y theo tỉ lệ thuận. - Khi R  -1 có sự tương quan chặt chẻ giữa x và y theo tỉ lệ nghịch. - Khi R  0 hai đại lượng này không còn tương quan. 8.5 Độ chính xác trong phƣơng pháp trắc quang: Trong phân tích trắc quang cũng như bất kỳ phương pháp nào khác có thể chia sai số thành 2 nhóm: - Sai số do tiến hành phản ứng hóa học (hóa chất, thao tác, dụng cụ...) - Sai số của tín hiệu đo độ hấp thu của dung dịch (do hệ thống đo). Độ chính xác trong phương pháp này phụ thuộc vào hàng loạt nguyên nhân khác nhau rất phức tạp bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống, trong đó sai số quan trọng nhất là sai số của tín hiệu trong quá trình đo độ hấp thu quang học. 8.6 Một số ví dụ áp dụng phƣơng pháp định lƣợng trắc quang Ví dụ 8.3: Độ hấp thụ quang A của dung dịch anilin 2 × 10-4 M trong nước đo ở bước sóng  = 280 nm là 0,252. Chiều dài ánh sáng đi qua cuvet là 1cm. Tính độ truyền quang của anilin 1,03.10-3 M khi đo ở cùng độ dài bước sóng nhưng dùng cuvet 0,5cm. Giải quyết vấn đề: Áp dụng công thức A  lg( I0 )     × C × l với dung dịch 1 ta có: I  = 0.252/(2.10-4 × 1) = 1,26.103 l. mol-1 cm-1. Áp dụng công thức A  lg( I0 )     × C × l với dung dịch 2 ta có: I A = 1,26.103 × 0,5 × 1,03.10-3 = 0.649 Mà: A = -lg T suy ra: lg T = -A = -0,649, do đó T = 0,224 = 22,4% Vậy độ truyền quang T = 22,4% Ví dụ 8.4: Độ hấp thụ quang A đo được từ các mẫu chuẩn và mẫu nước thu từ ao nuôi cá chứa ion PO43như sau: Nồng độ mẫu chuẩn (mg/L) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 66 Độ hấp thụ quang A 0,010 0,480 0,930 1,370 1,830 2,281 Độ hấp thụ quang A của mẫu nước ao của 3 lần lặp lại là: 1,256; 1,245; 1,264. Tính nồng độ PO43- trong mẫu nước ao. Giải quyết vấn đề: Từ các nồng độ mẫu chuẩn và độ hấp thụ quang A. Từ kết quả thiết lập phương trình hồi qui ta có: Y  9,0543 X  0,0184 (R2 = 0,9999). Từ kết quả của 3 lần phân tích lặp lại ta có A  y = 1,255 Từ đó ta có x  y  0,0184 1,255  0,0184   0,137 mg/L 9,0543 9,0543 Vậy nồng độ PO43- trong mẫu nước ao là 0,137 mg/L. Ví dụ 8.5: Để xác định hằng số phân ly của Methyl da cam (kí hiệu HIn), người ta đo độ hấp thụ quang A của 3 dung dịch cùng nồng độ Methyl da cam ở các pH khác nhau: - Dung dịch 1 trong HCl 0,1M; A1 = 0,475. - Dung dịch 2 trong NaOH 0,1 M; A2 = 0,130. - Dung dịch 3 có pH = 4,34; A3 = 0,175 Cho biết đo ở bước sóng  = 510 nm và chiều dài ánh sáng đi qua cuvet là 1cm. Tính hằng số phân ly K của Metyl da cam? Giải quyết vấn đề: Độ hấp thụ quang của dung dịch 3:   A3   In  In   l   HIn HIn l (8.1) Với [In-] = x; [HIn] = y ta có: x + y = CHIn = C (8.2)  In  A2 vì toàn bộ chất chỉ thị ở dạng InC l (8.3)  Hin  A1 vì toàn bộ chất chỉ thị ở dạng HIn C l (8.4)  Thay (8.3) và (8.4) vào (8.1) ta được: A3  A2  Qui ước: x y  A1  C C x y   ;  (1   )  0,175 = 0,130 + 0,475 (1-) C C (8.5)   = 0,869 Hằng số phân ly của HIn: 67 HIn  H+ + In- K ; Ka [ H  ][ In  ] In    pK  pH  lg  pH  lg  HIn 1 HIn pK = 4,34 - lg 0,869 = 7,34 – 0,82 = 3,52  K = 3,02.10-4. 1  0,689 Vậy hằng số phân ly của methyl da cam là K = 3,02.10-4. 8.7 Nguyên lý phân tích các yếu tố môi trƣờng nƣớc bằng phƣơng pháp quang phổ 8.7.1 Xác định tổng đạm amoni TAN (Total Ammonia Nitrogen) Phƣơng pháp Nessler Nguyên lý Trong môi trường bazơ mạnh NH4+ sẽ biến thành NH3. NH3 mới hình thành và NH3 sẵn có trong mẫu nước sẽ tác dụng với phức chất Indo-mercurate kalium (K2HgI4), hình thành phức chất có màu vàng nâu, cường độ màu đậm hay nhạt tùy thuộc vào hàm lượng NH3 có trong mẫu nước. Phương trình phản ứng: 2 K2HgI4 + NH3 + 3KOH  Hg(HgIONH2) + 7KI + 2 H2O (màu vàng) K2HgI4 + NH3 + KOH  Hg(HgI3NH2) + 5KI + H2O (màu nâu) Phƣơng pháp Indophenol blue (Phenate) Nguyên lý Trong môi trường kiềm mạnh, NH4+ sẽ chuyển thành NH3. Ammonia phản ứng với hypochlorite và phenol với chất xúc tác là sodium nitroprusside sẽ tạo thành phức indophenol có màu xanh, phức này hấp thụ ánh sáng tối đa (max) ở bước sóng 640nm. NH3 + ClO- NH2Cl + OHOH + 2ClO- NH2Cl + 2 O N OH O O N N OH + 3HCl + 2OH+ O- + H Indophenol Các chất gây nhiễu và giới hạn phân tích Ca và Mg bị kết tủa trong môi trường pH cao (do NaOH cho vào mẫu nước trong quá trình phân tích) làm dung dịch bị đục làm ảnh hưởng đến kết quả đo độ hấp thụ quang. Cho vào mẫu nước trisodium citrate để tránh hiện tượng kết tủa của Ca và Mg. Nếu mẫu nước chứa 68