Thí nghiệm Phân tích thực phẩm Phần 1: GIỚI THIỆU VỀ TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM Thí nghiệm Phân tích thực phẩm Phần 2: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Bài 1: Xác định Na, Ca, Fe thực phẩm máy quang phổ hấp thu ngun tử AAS I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM: − Áp dụng lý thuyết phân tích thực phẩm phương pháp quang phổ ngun tử vào thực tế thơng qua việc thực hành trực tiếp máy đo − Định lượng ngun tố khống Ca, Na, Fe có mì ăn liền phương pháp quang phổ ngun tử Đối với ngun tố Na, ta sử dụng phương pháp quang phổ hấp thu (Atomic Absorption Spectroscopy - AAS), ngun tố Ca Fe, ta sử dụng phương pháp quang phổ phát xạ ngun tử (Atomic Emission Spectroscopy - AES) − Củng cố tìm hiểu sâu ngun lý, cấu tạo hệ thống phân tích phương pháp quang phổ ngun tử − Rèn luyện kỹ thuật thực hành, sử dụng loại dụng cụ, máy móc có liên quan đến phương pháp phân tích nói riêng kỹ làm việc phòng thí nghiệm nói chung II TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THU – PHÁT XẠ NGUN TỬ: II.1 Giới thiệu phương pháp quang phổ hấp thu – phát xạ ngun tử: Phương pháp quang phổ hấp thu – phát xạ ngun tử (Atomic Spectroscopy) phương pháp sử dụng hấp thu hay phát xạ ánh sáng đám ngun tử bước sóng định để phân tích định tính định lượng kim loại có mẫu rắn lỏng Ở nhiệt độ cao, chất khống bị hố ngun tử hố có khả hấp thu chọn lọc xạ đặc trưng, đó, từ trạng thái chúng chuyển lên trạng thái kích thích Ở trạng thái này, chúng lại có xu hướng trở trạng thái phát vạ q trình chuyển trạng thái Các ngun tử có khả hấp thu xạ có khả phát xạ xạ Vì vậy, ngun tố hố học trạng thái khí nóng sáng áp suất thấp cho vạch quang phổ đặc trưng ngun tố Thí nghiệm Phân tích thực phẩm Phương pháp quang phổ hấp thu ngun tử – AAS: dựa phổ hấp thu tử ngoại thấy ngun tố ngun tử hố Mẫu dạng lỏng hút vào lửa có nhiệt độ từ 2000 – 3000K Mẫu ngun tử hóa lửa đa số trạng thái Phương pháp quang phổ phát xạ ngun tử – AES: dựa phổ phát xạ vùng tử ngoại thấy ngun tố ngun tử hố Khơng cần đến nguồn sáng, số ngun tử lửa kích thích va chạm với ngun tử khác phát xạ đặc trưng để trở trạng thái Cường độ xạ bước sóng đặc trưng ngun tố tỉ lệ với nồng độ ngun tố II.2 Những vấn đề chung hấp thu phát xạ ngun tử: II.2.1 Sự xuất phổ hấp thu phát xạ ngun tử: Như biết, vật chất cấu tạo ngun tử ngun tử phần tử nhỏ giữ tính chất ngun tố hóa học Ngun tử lại bao gồm hạt nhân ngun tử nằm chiếm thể tích nhỏ (khoảng 1/10000 thể tích ngun tử) điện tử (electron) chuyển động xung quanh hạt nhân phần khơng gian lớn ngun tử Trong điều kiện bình thường ngun tử khơng thu khơng phát lượng dạng xạ Lúc ngun tử tồn trạng thái Đó trạng thái bền vững nghèo lượng ngun tử Nhưng ngun tử trạng thái tự do, ta chiếu chùm tia sáng có bước sóng (tần số) xác định vào đám ngun tử đó, ngun tử tự hấp thu xạ có bước sóng định ứng với tia xạ mà phát q trình phát xạ Lúc ngun tử nhận lượng tia xạ chiếu vào chuyển lên trạng thía kích thích có lượng cao trạng thái Đó tính chất đặc trưng ngun tử trạng thái Q trình gọi q trình hấp thu lượng ngun tử tự trạng thái tạo phổ ngun tử ngun tố Phổ sinh q trình gọi phổ hấp thu ngun tử Nếu gọi lượng tia sáng bị ngun tử hấp thu ∆E có: ∆E = C m − E = hν (1) ∆E = hc λ (2) Trong Eo Cm lượng ngun tử trạng thái trạng thái kích thích m; h số Plank; c tốc độ ánh sáng chân khơng; λ độ dài sóng vạch phổ hấp thu Như vậy, ứng với giá trị lượng ∆E; mà ngun tử hấp thu ta có vạch phổ hấp thu với độ dài sóng đặc trưng cho q trình đó, nghĩa phổ hấp thu ngun tử phổ vạch Thí nghiệm Phân tích thực phẩm Nhưng ngun tử khơng hấp thu tất xạ mà phát q trình phát xạ Q trình hấp thu xảy vạch phổ nhạy, vạch phổ đặc trưng vạch cuối ngun tố Cho nên vạch phổ q trình hấp thu phát xạ hai q trình ngược (hình 2) Theo phương trình (1), giá trị lượng ∆E dương ta có q trình phát xạ; ngược lại giá trị ∆E âm ta có q trình hấp thu Chính thế, tùy theo điều kiện cụ thể nguồn lượng dùng để ngun tử hóa mẫu kích thích ngun tử mà q trình xảy chính, nghĩa kích thích ngun tử: − Bằng lượng Cm ta có phổ phát xạ ngun tử, − Bằng chùm tia đơn sắc ta có phổ hấp thu ngun tử Trong phép đo phổ hấp thu ngun tử đám ngun tử mẫu lửa hay cuvet graphite mơi trường hấp thu xạ (hấp thu lượng tia xạ) Phần tử hấp thu lượng tia xạ hv ngun tử tự đám Do đó, muốn có phổ hấp thu ngun tử trước hết phải tạo đám ngun tử tự do, sau chiếu vào chùm tia sáng có bước sóng định ứng với tia phát xạ nhạy ngun tố cần nghiên cứu Khi ngun tử tự hấp thu lượng chùm tia tạo phổ hấp thu ngun tử Trong ngun tử, chuyển mức điện tử từ mức lượng E n khơng phải mức E0, mà có nhiều chuyển mức từ En mức khác E01, E02, E03… với mức E0 Nghĩa có nhiều chuyển mức điện tử lượng tử hóa, ứng với bước chuyển mức ta có tia xạ, tức vạch phổ Chính mà ngun tố bị kích thích thường phát nhiều vạch phổ phát xạ Ngun tố có nhiều điện tử có cấu tạo phức tạp lớp điện tử hóa trị có nhiều vạch phổ phát xạ Như vậy, phổ phát xạ ngun tử sản phẩm sinh tương tác vật chất, mà ngun tử tự trạng thái khí với nguồn lượng nhiệt, điện định phù hợp Nhưng nguồn sáng, khơng phải có ngun tử tự bị kích thích, mà có ion, phân tử, nhóm phân tử Các phần tử bị kích thích phát phổ phát xạ Tất nhiên mức độ khác tùy thuộc vào khả kích thích nguồn lượng Vì vậy, phổ phát xạ vật mẫu ln bao gồm ba thành phần: − Nhóm phổ vạch: Đó phổ ngun tử Nhóm phổ vạch ngun tố hóa học thường nằm vùng phổ từ 190 – 1000nm (vùng UVVIS) Chỉ có vài ngun tố kim hay kim loại kiềm có số vạch phổ nằm ngồi vùng − Nhóm phổ đám: Đó phổ phát xạ phân tử nhóm phân tử Ví dụ: phổ phân tử MeO, CO nhóm phân tử CN Các đám phổ xuất thường có đầu đậm đầu nhạt Đầu đậm phía sóng dài nhạt phía sóng ngắn Trong vùng tử ngoại phổ xuất yếu nhiều khơng thấy Nhưng vùng khả kiến xuất đậm, làm khó khăn cho phép phân tích quang phổ nhiều vạch phân tích ngun tố khác bị đám phổ che lấp − Phổ liên tục: Đây phổ vật rắn bị đất nóng phát ra, phổ ánh sáng trắng phổ xạ riêng điện tử Phổ tạo thành mờ liên tục Thí nghiệm Phân tích thực phẩm tồn dải phổ mẫu Nhưng nhạt sóng ngắn đậm dần phía sóng dài Phổ q đậm cản trở phép phân tích Ba loại phổ xuất đồng thời kích thích mẫu phân tích phân tích quang phổ phát xạ ngun tử người ta phải tìm cách loại bớt phổ đám phổ Đó hai yếu tố nhiễu Hình 1: Q trình phát xạ hấp thu ngun tử Eo: Mức lượng trạng thái Em: Mức lượng trạng thái kích thích ∆E: Năng lượng nhận vào (kích thích) Thí nghiệm Phân tích thực phẩm Hình 2: Sơ đồ phân bố lượng ngun tử II.2.2 Cường độ vạch phổ hấp thu ngun tử: Nghiên cứu phụ thuộc cường độ vạch phổ hấp thu ngun tố vào nồng độ C ngun tố mẫu phân tích, lí thuyết thực nghiệm cho thấy rằng, vùng nồng độ C nhỏ chất phân tích, mối quan hệ cường độ vạch phổ hấp thu nồng độ N ngun tố đám tn theo định luật Lambert Beer, nghĩa chiếu chùm sáng cường độ ban đầu Io qua đám ngun tử tự ngun tố phân tích nồng độ N bề dầy L cm, có: I = I e − Kv N L (3) Trong Kv hệ số hấp thu ngun tử vạch phổ tần số ν K v đặc trưng riêng cho vạch phổ hấp thu ngun tố tính theo cơng thức: K v = K0e − A ( v − v0 ) 2 RT v (4) Với : Ko hệ số hấp thu tâm vạch phổ ứng với tần số ν0 A ngun tử lượng ngun tố hấp thu xạ R số khí T nhiệt độ mơi trường hấp thu (K) Thí nghiệm Phân tích thực phẩm Nếu gọi Aλ cường độ vạch phổ hấp thu ngun tử, từ cơng thức (3) có: Aλ = log I0 = 2.303K v N L I (5) Ở A độ tắt ngun tử chùm tia sáng cường độ Io sau qua mơi trường hấp thu A phụ thuộc vào nồng độ ngun tử N mơi trường hấp thu phụ thuộc vào bệ dầy L lớp hấp thu (bề dầy chùm sáng qua) Nhưng máy đo phổ hấp thu ngun tử, chiều dài đèn ngun tử hóa hay cuvet graphite khơng đổi, nghĩa L khơng đổi, nên giá trị A phụ thuộc vào số ngun tử N có mơi trường hấp thu Như cường độ vạch phổ hấp thu là: Aλ = kL (6) Với k = 2.303K v L Trong K hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào yếu tố : − Hệ số hấp thu ngun tử Kv vạch phổ hấp thu − Nhiệt độ mơi trường hấp thu − Bề dày mơi trường hấp thu L Song cơng thức (6) chưa cho ta biết mối quan hệ cường độ vạch phổ nồng độ C ngun tố phân tích mẫu Tức qua hệ N C Đây q trình hóa ngun tử hóa mẫu phân tích Nghiên cứu q trình này, lí thuyết thực nghiệm rằng, mối quan hệ nồng độ N nồng độ C mẫu phân tích tính theo biểu thức sau: N = × 1012 × F W s.n.R0 b C Q.T nT (7) Đây cơng thức tổng qt tính giá trị N lửa ngun tử hóa mẫu theo Winefordner Vicker Trong đó: F tốc độ dẫn mẫu vào hệ thống ngun tử hóa (ml/phút), W hiệu suất aerosol hóa mẫu s hiệu suất ngun tử hóa nRo số phân tử khí nhiệt độ ban đầu (ambient), To(K) nT số phân tử khí nhiệt độ T(K) lửa ngun tử hóa Q tốc độ dòng khí mang mẫu vào buồng aerosol hóa (lít/phút) C nồng độ ngun tố phân tích có dung dịch mẫu Phương trình (6) cho ta biết mối quan hệ A N, phương trình (7) cho ta biết mối quan hệ N C Mối quan hệ phức tạp, phụ thuộc vào tất điều kiện ngun tử hóa mẫu, phụ thuộc vào thành phần vật lí, hóa học, trạng thái tồn ngun tố mẫu Nhưng nhiều kết thực nghiệm rằng, giới hạn định nồng độ C, mối quan hệ N C biểu thị theo cơng thức: N = K aC b (8) Trong Ka số thực nhiệm, phụ thuộc vào tất điều kiện hóa ngun tử hóa mẫu; b gọi số chất, phụ thuộc vào vạch Thí nghiệm Phân tích thực phẩm phổ ngun tố, b có giá trị nhỏ 1, tức < b ≤ Giá trị b = nồng độ C nhỏ ứng với vạch phổ ngun tố phân tích, ta ln ln tìm giá trị C = Co để b bắt đầu nhỏ 1, nghĩa ứng với: − Vùng nồng độ Cx < Co, ln ln có b = 1, nghĩa mối quan hệ cường độ vạch phổ nồng độ Cx chất phân tích tuyến tính có dạng phương trình y = ax − Vùng nồng độ Cx > Co b ln nhỏ 1, tức b tiến 0, tất nhiên khơng Như vùng mối quan hệ cường độ vạch phổ nồng độ Cx chất phân tích khơng tuyến tính Nên Co gọi giới hạn vùng tuyến tính Đến kết hợp phương trình (6) (8) có: Aλ = a.C b (9) Trong a = K K a gọi số thực nghiệm, phụ thuộc vào tất điều kiện thực nghiệm để hóa ngun từ hóa mẫu, trình bày Chính thực tế mà phép đo định lượng xác định ngun tố phải giữ cho điều kiện hóa hơi, ngun tử hóa mẫu ổn định khơng đổi Phương trình (9) gọi phương trình sở phép đo đinh lượng ngun tố theo phổ hấp thu ngun tử Đường biểu diễn phương trình có đoạn, đoạn thẳng (trong đoạn b = 1), quan hệ Aλ C tuyến tính) đoạn cong, đoạn b < (hình 3) Hình 3: Mối quan hệ cường độ vạch phổ Aλ nồng độ chất Cx AB: vùng tuyến tính (b=1) BC: vùng khơng tuyến tính (b[...]... hay biến đổi của mẫu sang nền tự tạo phù hợp cho cả mẫu đầu và các mẫu phân tích 32 Thí nghiệm Phân tích thực phẩm Trong bài thí nghiệm này ta sử dụng máy hấp thu ngun tử sử dụng ngọn lửa cho cả hai trường hợp hấp thu và phát xạ, trong trường hợp phát xạ thì khơng cần sử dụng đèn III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM: 33 Thí nghiệm Phân tích thực phẩm Mẫ u Đồ ng nhấ t mẫ u Câ n mẫ u 2-5g Than hó a Tro đen hoặ c xá... trong mẫu phân tích Do đó trước hết người ta phải chuẩn bị một dãy mẫu đầu, dẫy mẫu chuẩn (thơng thường là 5 mẫu đầu) và các mẫu phân tích trong cùng một điều kiện Ví dụ các mẫu đầu có nồng độ của ngun tố X cần xác định là C1, C2, C3, C4, C5 và mẫu phân tích là Cx1, Cx2,… Sau đó chọn các điều kiện phù hợp và đo cường độ của một vạch 31 Thí nghiệm Phân tích thực phẩm phổ hấp thu của ngun tố phân tích trong... để bảo đảm cho phép phân tích đạt độ chính xác và độ nhạy cao 14 Thí nghiệm Phân tích thực phẩm − Năng lượng (nhiệt độ) của ngọn lửa phải đủ lớn và có thể điều chỉnh được tùy theo từng mục đích phân tích mỗi ngun tố Đồng thời lại phải ổn định theo thời gian và có thể lặp lại được trong các lần phân tích khác nhau để đảm bảo cho phép phân tích đạt kết quả đúng đắn u cầu này có lúc khơng được thỏa mãn,... tạo ra ngọn lửa, chiều cao của ngọn lửa, v.v 16 Thí nghiệm Phân tích thực phẩm Hình 6: Cấu tạo của ngọn lửa đèn khí II.3.1.4 Trang bị để ngun tử hóa mẫu: Muốn thực hiện phép đo phổ hấp thu ngun tử (F-AAS), trước hết phải chuẩn bị mẫu phân tích ở trạng thái dung dịch Sau đó dẫn dung dịch mẫu vào ngọn lửa đèn khí để hóa hơi và ngun tử hóa mẫu phân tích và thực hiện phép đo Q trình ngun tử hóa trong ngọn... hóa của ngun tố phân tích để hạn chế q trình ion hóa của ngun tố phân tích Sự phát xạ: Đồng thời với q trình ion hóa, còn có sự kích thích phổ phát xạ của các ngun tử tự do của ngun tố phân tích dưới tác dụng nhiệt của ngọn lửa Số ngun tử bị kích thích và mức độ bị kích thích phổ phát xạ cũng phụ thuộc vào năng lượng kích thích phổ phát xạ của từng ngun tố Ngun tố nào có năng lượng kích thích phổ phát... thể sol khí Hóa hơi, ngun tử hóa MeA(r) ⇔ MeA(l) ⇔ MeA(k) Sự phân li, kích thích, hấp thu, Ion hóa, phát xạ Sự khử oxy của oxide bởi carbon Các phản ứng hóa học phụ khác (hợp chất bền nhiệt monoxide) MeO + C → Me + CO Me + O → Meo Me + C → MeCx 23 Thí nghiệm Phân tích thực phẩm Hình 10: Sơ đồ các q trình trong ngọn lửa M1: Kim loại phân tích; M2: Các kim loại khác trong mẫu; A: Anion khơng oxy; AxOz:... thường theo hai cơ chế chính: 20 Thí nghiệm Phân tích thực phẩm − Nếu năng lượng (nhiệt độ) hóa hơi (Eh) của các hợp phần có trong mẫu nhỏ hơn năng lượng ngun tử hóa (Ea) của nó, tức là Eh .. .Thí nghiệm Phân tích thực phẩm Phần 2: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Bài 1: Xác định Na, Ca, Fe thực phẩm máy quang phổ hấp thu ngun tử AAS I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM: − Áp dụng lý thuyết phân tích thực phẩm. .. liên tục Thí nghiệm Phân tích thực phẩm tồn dải phổ mẫu Nhưng nhạt sóng ngắn đậm dần phía sóng dài Phổ q đậm cản trở phép phân tích Ba loại phổ xuất đồng thời kích thích mẫu phân tích phân tích quang... đèn khí phải làm nóng mẫu phân tích, hóa ngun tử hóa mẫu phân tích với hiệu suất cao, để bảo đảm cho phép phân tích đạt độ xác độ nhạy cao 14 Thí nghiệm Phân tích thực phẩm − Năng lượng (nhiệt