1
Ứng dụng của phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử:
 Phân tích các chất trong nhiều đối tượng phân tích khác nhau, đặc
biệt với các mẫu có nồng độ chất nghiên cứu thấp (ppb-ppm).
 Xác định hơn 70 nguyên tố (Mg, Zn, Cu, Ca, Pb, Fe, Ag, Ni, Hg, Cd,
Au, As..) trong các đối tượng thực tế khác nhau.
2
4.1. Nguyên tắc phương pháp phổ AAS
Khái niệm: Đây là phương pháp vật lý dựa vào khả năng hấp thụ
chọn lọc các bức xạ cộng hưởng của nguyên tử ở trạng thái hơi
cơ bản.
Vạch cộng hưởng: Là vạch quang phổ ứng với sự dịch chuyển e từ
trạng thái cơ bản sang trạng thái có năng lượng cao hơn gần nhất.
(Đối với mỗi nguyên tử vạch cộng hưởng là vạch quang phổ nhạy nhất của
phổ phát xạ nguyên tử của chính nguyên tố đó)
Hình 4-1. Quá trình hấp thụ nguyên tử
3
o Trong điều kiện bình thường nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ
bản bền vững và có năng lượng thất nhất.
o Khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, nếu ta chiếu một chùm tia
sáng có những bước sóng xác định vào đám hơi nguyên tử đó thì
các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định
đúng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá
trình phát xạ đặc biệt là các bức xạ cộng hưởng.
o Các nguyên tử đã nhận năng lượng của các tia bức xạ chiếu vào
và chuyển lên trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn.
o Quá trình đó được gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của
nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ nguyen tử của
nguyên tố đó. Phổ sinh ra trong quá trình này gọi là phổ hấp thụ
nguyên tử.
4
Cường độ vạch phổ hấp thụ nguyên tử và định luật
Lambert-Beer
Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy trong một vùng nồng độ nhỏ của
chất phân tích, mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ và nồng độ N
của nguyên tố đó cũng trong đám hơi cũng tuân theo định luật
Lambert-Beer
I = Io.e-Kν.N.L
 Io cường độ bức xạ chiếu vào ngọn lửa
 I cường độ bức đia ra từ ngọn lửa
 L chiều dài của đám hơi
 N Số nguyên tử ở trạng thái hơi tự do
 Kν hệ số hấp thụ (phụ thưộc vào λ)
5
L
Io
N nguyên
tử
I
Khi nồng độ nhỏ:
o
o
o
o
A độ hấp thụ
L chiều dài của đám hơi
Kν hệ số hấp thụ (phụ thưộc vào λ)
C nồng độ của dung dịch
Cở sở cho việc phân tích định
lượng bằng phương pháp AAS
6
o Nếu trong phương pháp phổ phát xạ nguyên tử, nồng độ chất
nghiên cứu được xác định dựa vào cường độ vạch phát xạ mà
cường độ vạch này lại tỉ lệ với nồng độ chất bị kích thích thì
phương pháp AAS có cơ sở khác hẳn. Ở đây tín hiệu phân tích lại
liên quan đến các nguyên tử không bị kích thích.
o Người ta đã chứng minh được rằng thông thường số nguyên tử
ở trạng thái kích thích không quá 1÷2% số nguyên tử chung. Đó là
lý do để phương pháp AAS có độ nhạy cao (có thễ xác định nồng
độ trong phạm vi ppm-ppb) với độ chính xác cao.
7
4.2. Sơ đồ thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử
Ngồn phát
bức xạ cộng
hưởng
Ngọn lửa
Hệ tán
sắc
Mẫu
4.2.1. Ngồn phát bức xạ cộng hưởng
Detector
Máy tính
o Có hai loại đèn được sử dụng trong AAS: đèn catot rỗng (hollow
cathode lamp, HCL) và đèn phóng điện không cực cao tần
(electrodeless discharge lamp).
o HCL được dùng phổ biến, là loại đèn phát bức xạ tốt, có độ chói
sáng cao, vạch phổ hẹp và cường độ ổn định.
8
Cấu tạo đèn catot rỗng (HCL)
 Anot bằng vonfram.
 Catot có dạng hình trụ hay cái cốc nhỏ, được
chế tạo bằng kim loại cần phân tích hoặc bằng
nguyên tố trơ trên đó có phủ nguyên tố cần
phân tích.
 Anot và catot được bố trí trong một bóng thủy
tinh hình trụ có cửa sổ làm bằng thạch anh, bên
trong chứa khí trơ Ne, Ar với áp suất thấp (1-5
torr).
 Khi điện áp đặt giữa hai điện cực khoảng
300V, các nguyên tử khí trong đèn (Ar) bị ion hóa
đặc biệt là ở cạnh anot. Ar+ sẽ phóng nhanh đến
catot bắn phá bề mặt catot làm các nguyên tử
kim loại bị tách ra khỏi bề mặt catot đi vào bầu
khí Ar. Sau đó sự va chạm của những nguyên tử
này với các ion khí làm các nguyên tử này bị
kích thích và phát xạ
9
Dài 15-18 cm, đường kính 5-6 cm
Chú ý:
 Kim loại chế tạo catot và khí trơ phải rất tinh khiết (99,99%).
Trong trường hợp những kim loại quý chỉ cần mạ một lớp ở catot.
 Mỗi đèn catot rỗng chỉ phát xạ ra phổ cộng hưởng của kim loại đã dùng
làm catot do đó mỗi nguyên tố cần phân tích bằng AAS cần một đèn khác
nhau, đó chính là bất tiện của đèn catot rỗng.
 Để phân tích nhiều nguyên tố người ta lắp cùng một lúc các đèn khác
nhau trên bộ giá qua hoặc chế tạo đèn catot rỗng đa kim (đó là hợp kim chế
tạo từ các kim loại cần phân tích trong cùng một
mẫu), hợp kim này phải có thành phần phù hợp sao
cho cường độ phát xạ của các nguyên tố là tương
đương nhau.
10
From bottom to top, the lamps are
for Mg, Ca, K, and a combination
of Fe, Co, Ni, Mn, Cu, and Cr. Each
element uses a specific wavelength
of light.
Multielement Hollow Cathode Lamps
The cathode of multielement lamps is made from alloying compatible elements
without overlapping line spectra. Examples of such lengths are Ca-Mg,Cu-Fe-Ni, CuFe-Mn-Zn, etc. All elements of multielement hollow cathode lamps can be determined
sequentially without need for change of lamps in between. Multielement lamps
provide advantages of cost, speed of analysis but the sensitivity is lower in
comparison to individual element determination by single element lamp
Limitations of Hollow Cathode Lamps
o Hollow cathode lamps have a shelf life.
o With the exception of multielement lamps the lamp needs to be changed for
determination of different elements.
o Sputtering deposits metal atoms on sides and end windows which affects lamp life
and more so for volatile elements.
o Some cathode materials liberate hydrogen on heating which contributes to
11
continuum background emission.
Cấu tạo đèn phóng điện cao tần EDL
For most elements hollow cathode lamp is a satisfactory light source. In case of
volatile elements reduced lamp life and low intensity can be overcome by use of
high energy throughput electrodeless discharge lamps. Electrodeless discharge
lamps are commonly available for Sb, As, Bi, Cd, Cs, Pb, Hg, K, Rb, Sn, Te, etc.
An EDL consists of a quartz bulb filled with an
inert gas containing the element or a salt of the
element for which the lamp is to be used. The
bulb is placed inside a ceramic cylinder on which
antenna for a RF generator is coiled. When an RF
field is applied to the bulb, the inert gas is ionised
and the coupled energy excites the vaporized
atoms inside the bulb and causes emission of
characteristic light. EDL’s offer advantage of
lower detection limits. The useful life of an EDL is
considerably longer than that of a hollow cathode
12
lamp of same element.
4.2.2. Hệ thống nguyên tử hóa mẫu
 Quá trình nguyên tử hóa là quá trình mà trong đó mẫu thường ở dạng
dung dịch bị bay hơi và phân hủy thành các nguyên tử.
 Quá trình nguyên tử hóa thường được thực hiện với tác dụng của các
nguồn nhiệt theo phương pháp ngọn lửa hay không ngọn lửa.
Phương pháp ngọn lửa (FAAS):
Yêu cầu với ngọn lửa:
o Ngọn lửa phải hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu với hiệu suất cao để phép phân tích
đạt độ chính xác và độ nhạy cao.
o Nhiệt độ ngọn lửa phải đủ lớn và có thể điều chỉnh được tùy theo mục đích phân
tích mỗi nguyên tố, đồng thời phải ổn định theo thời gian và có độ lặp lại.
o Ngọn lửa phải thuần khiết nghĩa là không sinh ra các vạch phổ gây anh hưởng
đến kết quả phân tích. Quá trình ion hóa và phát xạ không đáng kể.
o Ngọn lửa có bề dày đủ lớn và có thể thay đổi được để có thể phân tích những
chất có nồng độ nhỏ và lơn.
o Tiêu tốn ít mẫu phân tích.
Page  13
13
Premix Burner
o Nhiên liệu, chất oxy hóa, và mẫu được trộn lẫn trước khi đưa vào ngọn lửa. Dung
dịch mẫu được hút vào máy phun sương bởi dòng chất oxy hóa (thường là không
khí) qua mao quản của kim bơm mẫu.
o Aerosol (sol khí) là trạng thái huyền phù của các hạt rắn hay lỏng (các hạt kích
thước siêu hiển vi) được phân chia rất tốt trong pha khí.
o Phun mù dung dịch phân tích ở trạng thái sol khí vào ngọn đèn khí.
14
Ví dụ: Điều kiện đo phổ của crom bằng F-AAS
15
Đường chuẩn khi phân tích crom
16
Phương pháp không ngọn lửa:
(Electrothermal Atomization Atomic Absorption Spectroscopy, ETAAS)
Quá trình này nhờ tác dụng nhiệt của lò graphit (GFAAS)
 Ống graphit chiều dài 1-3 cm, đường kính 3-8 mm, hai đầu có cửa sổ
để ánh sáng quang học truyền qua.
 Dòng khí trơ (Ar) liên tục chạy qua ống để loại bỏ các chất oxy hóa.
 Nguồn năng lượng thường dùng là dòng điện có cường độ rất cao 50600 A hoặc dòng cao tần cảm ứng.
 Mẫu phân tích 5-50 μL được bơm vào lò thông qua một lỗ nhỏ.
17
Atomization is achieved in three stages. In the first stage the sample is
dried to a solid residue using a current that raises the temperature of the
graphite tube to about 110 oC. In the second stage, which is called
ashing, the temperature is increased to between 350–1200 oC. At these
temperatures any organic material in the sample is converted to CO2 and
H2O, and volatile inorganic materials are vaporized. These gases are
removed by the inert gas flow. In the final stage the sample is atomized
by rapidly increasing the temperature to between 2000–3000 oC. The
result is a transient absorbance peak whose height or area is
proportional to the absolute amount of analyte injected into the graphite
tube. Together, the three stages take approximately 45–90 s, with most of
this time used for drying and ashing the sample
18
Cơ chế quá trình nguyên tử hóa mẫu
 Quá trình nguyên tử hóa là quá trình mà trong đó mẫu thường ở dạng
dung dịch bị bay hơi và phân hủy thành các nguyên tử.
 Giả sử kim loại nghiên cứu M trong dung dịch hợp chất MX, dung dịch
MX được phun vào ngọn lửa đèn khí dạng sol khí. Trong ngọn lửa đèn khí
sẽ xảy ra quá trình nhiệt phân của phân tử MX.
MX = M + X
(4-2)
 Bên cạnh quá trình (4-2) cũng có xảy ra quá trình khác như quá trình
tạo hợp chất như MO, MOH, MH làm giảm nồng độ nguyên tử Me.
 Để giảm quá trình tạo hợp chất chứa oxy của kim loại, người ta phải tạo
điều kiện để bầu khí ngọn lửa có tính khử mạnh.
 Trong ngọn lửa cũng có thể xảy ra quá trình ion hóa nguyên tử làm
giảm độ nhạy của phép phân tích. Để hạn chế sự ion hóa này, người ta
phải đưa vào dung dịch phân tích các chất dễ bị ion hóa để tăng “nền
electron” trong bầu khí.
19
Có hai loại nhiễu được kể đến trong phương pháp AAS
Thứ nhất, sự nhiễu phổ (spectral interferences), xảy ra khi các hạt vật
chất từ quá trình nguyên tử hóa tán xạ bức xạ tia tới, hay khi các hạt
(phân tử, ion, nguyên tử) hấp thụ ở bước sóng rất gần với bước sóng
cộng hưởng của chất phân tích gây ra nhiễu.
Sự nhiễu phổ do xen phủ vạch (chồng vạch phổ) là rất hiếm vì các vạch
phát xạ của nguồn catot rỗng là rất hẹp. Tuy nhiên, sự nhiễu có thể xảy
ra nếu khoảng cách giữa hai vạch phổ là 0,01 nm. Ví dụ, vạch Vanadi ở
308,211 nm gây nhiễu khi phân tích Al ở vạch 308,215 nm. Sự nhiễu này
có thể biết và tránh được, ví dụ như ta có thể chọn vạch Al khác, ví dụ,
vạch 309,270 nm.
20
Sự nhiễu phổ cũng do bởi sự có mặt của các sản phẩm cháy dạng phân
tử, thể hiện ở đảm phổ hấp thụ bị giãn nở hay các sản phẩm dạng hạt gây
tán xạ ánh sáng. Trong các loại nhiễu này, cường độ tia ló bị làm yếu đi do
các cấu tử nền, cường độ tia tới giữ nguyên, việc đo A mắc sai số dương,
do đó ảnh hưởng tới kết quả xác định nồng độ C.
Ví dụ, xác định Ba trong hỗn hợp chứa các kim loại kiềm. Bước sóng của
vạch Ba sử dụng trong phân tích AAS xuất hiện giữa các đám phổ của
CaOH•, như vậy Ca gây nhiễu khi phân tích Ba. Ta có thể loại trừ nhiễu này
bằng cách thay thế KNO3 trong không khí như một chất oxy hóa, nhiệt độ
ngọn lửa nhờ đó cao hơn để phân hủy và loại trừ đám phổ CaOH• hấp thụ
này.
21
Sự nhiễu phổ do sự tán xạ bởi các sản phẩm nguyên tử hóa
thường xảy ra khi dung dịch chứa các nguyên tố như Ti, Zr
(Ziconium) và Vonfram - ở dạng oxit bền – được tạo ra trong ngọn
lửa.
May thay, sự nhiễu phổ do sản phẩm nền không phổ với quá trình
nguyên tử hóa bằng ngọn lửa và thường tránh được bằng nhiều
cách như điều chỉnh các tham số của quá trình phân tích như nhiệt
độ và tỉ lệ nhiên liệu/chất oxy hóa.
Người ta có thể thêm vào chất đệm bức xạ điện từ (radiation buffer)
là chất được thêm vào với một lượng lớn vào cả dung dịch chuẩn
và mẫu nghiên cứu mà sự có mặt của các chất này ngăn cản được
sự nhiễu phổ.
22
Thứ hai, sự nhiễu hóa học (chemical interferences), kết quả của rất nhiều
quá trình hóa học xảy ra trong quá trình nguyên tử hóa và làm thay đổi tính
chất hấp thụ của chất phân tích.
Sự nhiễu hóa học có thể được giảm tới mức nhỏ nhất bằng việc lựa chọn
các điều kiện thích hợp. Hầu hết các loại nhiễu hóa học là do các anion,
các anion này tạo hợp chất có độ bay hơi thấp với chất cần phân tích, do
đó làm giảm tốc độ nguyên tử hóa. Kết quả thu được sẽ mắc sai số âm. Ví
dụ, khi xác định Ca, độ hấp thụ của nó sẽ giảm khi tăng nồng độ các anion
gây nhiễu như SO42-, PO43- do tạo hợp chất khó bay hơi với ion canxi.
Sự nhiễu do tạo các hạt có độ bay hơi thấp có thể được loại trừ hoặc giảm
thiểu bằng cách sử dụng nhiệt độ cao hơn.
23
Thường là do sự phân hủy chưa hoàn toàn của mẫu thành các nguyên
tử
Ca3(PO4)2 ⇋ Ca°
Khắc phục bằng cách sử dụng ngọn lửa có nhiệt độ cao hơn, ví dụ chất
oxy hóa thay oxy bằng N2O
Hoặc thêm một tác nhân giải phóng cho tất cả các dung dịch là LaCl3
(2000-5000 mg/L) :
Ca3(PO4)2 → LaPO4 + Ca°
Sự nhiễu hóa học phụ thuộc vào:
- Môi trường hóa học (tỷ lệ chất phân tích/chất nền)
- Khối lượng của chất phân tích/ đơn vị thời gian vào máy phun
- Nhiệt độ ngọn lửa và môi trường của ngọn lửa
- Vị trí của máy phun so với chùm ánh sáng
- Kích cỡ hạt và phân bố
24
4.2.3. Hệ thống tán sắc
o Luôn đặt sau mẫu (nguyên tử ở trạng thái tự do cơ bản).
o Đèn catot rỗng không chỉ phát ra tia cộng hưởng (λr) mà còn
phát ra các bức xạ khác gọi là bức xạ cộng sinh. Mặt khác trong
ngọn lửa có một số nguyên tử bị kích thích phát xạ. Vì vậy trước
khi tia cộng hưởng đi vào máy đo phải lọc các tia cộng sinh và các
tia phát ra từ ngọn lửa chỉ cho các tia cộng hưởng đi qua.
o Hệ tán sắc trong phương pháp AAS rất chọn lọc và thường dùng
cách tử nhiễu xạ.
4.2.4. Detector
Thường dùng tế bào quang điện hoặc nhân quang điện từ để
biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện sau đó khuyếch đại
và ghi.
25
4.3. Phân tích bằng phương pháp AAS
4.3.1. Phân tích định tính
 Nguyên tử ở trạng thái cơ bản hấp thụ mạnh nhất bức xạ
cộng hưởng do nguyên tố đó phát ra.
 Chiếu bức xạ cộng hưởng qua môi trường hấp thụ nếu thấy
có hấp thụ thì kết luận có nguyên tố đó và ngược lại.
4.3.1. Phân tích định lượng
Định luật lambert -Beer:
Nếu Kν, L = const
Dựa vào độ tuyến tính giữa độ hấp thụ A và nồng độ nguyên tố
nghiên cứu người ta có thể xác định nồng độ một chất phân tích
theo phương pháp: Đường chuẩn, thêm chuẩn.
26
Student determination of Fe
1.00 mL pipette
1 mL
2 mL 3 mL
4 mL
5 mL
Fe:
0.05
mg mL-1
50.00 mL volumetric flasks
27
Determination of Fe
Calibration curve for absorbance of Fe
1.5
1
y = 0.2093x + 0.001
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
Fe concentration / ppm
28
Atomic Absorption/Emission Spectroscopy

Atomic absorption/emission spectroscopes involve e-’s changing energy states

Most useful in quantitative analysis of elements, especially metals

These spectroscopes are usually carried out in
optical means, involving

conversion of compounds/elements to
gaseous atoms by atomisation.
Atomization is the most critical step in
flame spectroscopy. Often limits the
precision of these methods.

excitation of electrons of atoms through
heating or X-ray bombardment

UV/vis absorption, emission or fluorescence
of
atomic species in vapor is measured

Instrument easy to tune and operate

Sample preparation is simple (often involving only
dissolution in an acid)
Source: R. Thomas, “Choosing the Right Trace
Element Technique,” Today’s Chemist at Work, Oct.
1999, 42.
29
4.4. Câu hỏi ôn tập
1. Trình bày phương trình Lambert-Beer phát biều cường độ vạch phổ hấp thụ
nguyên tử phụ thuộc vào nồng độ chất phân tích.
2. Sơ đồ thiết bị phương pháp hấp thụ nguyên tử, nêu vai trò từng bộ phận.
3. Trình bày cấu tạo và cơ chế hoạt động của đèn catot rỗng HCL khi đóng vai
trò bức xạ đơn sắc của phổ hấp thụ nguyên tử.
4. Trình bày cấu tạo và cơ chế hoạt động của đèn Cấu tạo đèn phóng điện cao
tần EDL
5. Nêu cấu tạo và hoạt động của ngọn lửa trong phương pháp AAS.
6. Nêu nguyên tắc của quá trình nguyên tử hóa không ngọn lửa trong phương
pháp AAS.
7. Trình bày các phương pháp phân tích định tính và định lượng trong phương
pháp phổ hấp thụ nguyên tử.
8. Nêu những sự khác nhau giữa phương pháp AAS và AES
9. Tại sao phương pháp AES lại có độ nhạy cao hơn khi thay đổi nhiệt độ của
ngọn lửa so với phương pháp AAS?
30
Tại sao phương pháp AES lại có độ nhạy cao hơn khi thay đổi nhiệt độ của ngọn
lửa so với phương pháp AAS?
Trả lời: Trong AES, tín hiệu phân tích được quyết định bởi số nguyên tử hay ion bị
kích thích, trong khi đó trong AAS, tín hiệu phân tích lại liên quan đến số nguyên tử
không bị kích thích. Thông thường, số nguyên tử không bị kích thích vượt quá số
nguyên tử bị kích thích nhiều lần. Tỉ số giữa các nguyên tử không bị kích thích và số
nguyên tử bị kích thích trong môi trường nhiệt độ cao biến thiên theo hàm số mũ với
nhiệt độ.
(Phân bố Boltzmann mô tả mối quan hệ giữa số nguyên tử bị kích thích N* và không
bị kích thích N°.
T là nhiệt độ (K), k là hằng số Boltzmann (1,381×10-23J/K)
g° là trạng thái cơ bản g° = 1, g* là trạng thái bị kích thích, thường g* = 2)
Bởi vậy, một sự thay đổi nhỏ về nhiệt độ cũng sẽ đưa tới một sự thay đổi lớn về số
nguyên tử bị kích thích. Số nguyên tử không bị kích thích thay đổi rất nhỏ bởi chúng
có mặt với một lượng rất lớn. Như vậy, phương pháp AES có độ nhạy lớn hơn theo
sự thay đổi của nhiệt độ so với AAS.
31