Phương Pháp Hấp Thu Quang Và ứng Dụng Trong Phân Tích Hóa Học

1. Giới thiệu

Phương pháp hấp thu quang là phương pháp phân tích dựa vào hiệu ứng hấp thụ xảy ra khi phân tử vật chất tương tác với bức xạ điện từ. Vùng bức xạ được sử dụng trong phương pháp này là vùng tử ngoại hay khả kiến ứng với bước sóng khoảng từ 200-800nm. Hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ tuân theo định luật Bouger-Lam bert-Beer.

Đặc trưng năng lượng của miền phổ:

- Ánh sáng có bước sóng từ 200-400nm, được gọi là ánh sáng tử ngoại (UV), trong đó vùng từ 200-300 được gọi là vùng tử ngoại xa, còn vùng từ 300-400 nm gần miền khả kiến được gọi là miền tử ngoại gần.

​

- Ánh sáng có bước sóng trong khoảng 396-760 nm được gọi là ánh sáng vùng VIS.

2. Cơ sở của phương pháp hấp thu quang

Khi chiếu một chùm sáng có bước sóng phù hợp đi qua một dung dịch chất màu, các phân tử hấp thụ sẽ hấp thụ một phần năng lượng chùm sáng, một phần ánh sáng truyền qua dung dịch. Xác định cường độ chùm ánh sáng truyền qua đó ta có thể xác định được nồng độ của dung dịch.

​

Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch tuân theo định luật Bouger-Lambert-Beer: Khi chiếu một chùm bức xạ đơn sắc (cường độ bức xạ ban đầu là I0) đi qua một lớp dung dịch có bề dày l và có nồng độ là C, thì cường độ bức xạ I sau khi đi qua dung dịch bị giảm đi do quá trình hấp thụ, phản xạ, tán xạ…Độ hấp thụ quang của một dung dịch đối với một chùm sáng đơn sắc tỷ lệ thuận với độ dày truyền quang và nồng độ chất tan trong dung dịch.

​

Công thức: A = ɛ x l x C

Trong đó: A là độ hấp thụ quang của dung dịch tại bước sóng λ

l là độ dày truyền quang

C là nồng độ mẫu (mol/L)

ɛ là hệ số hấp thụ phân tử hay hệ số tắt phân tử (L/mol•cm)

3. Phân tích định lượng bằng phương pháp hấp thu quang

3.1 Nguyên tắc và cơ sở định lượng của phương pháp

a. Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích trắc quang

- Chuyển cấu tử thành hợp chất có khả năng hấp thụánh sáng

- Đo sự hấp thụ ánh sáng của hợp chất tạo thành và suy ra hàm lượng chất cần xác định X.

​

b. Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích định lượng

- Đo quang của dung dịch màu

- So sánh độ hấp thụ quang của dung dịch nghiên cứu với dung dịch chuẩn.

​

3.2 Các phương pháp định lượng bằng phép đo phổ UV-VIS

a. Phương pháp đường chuẩn

- Pha dãy chuẩn có nồng độ C tăng dần một cách đều đặn (các dung dịch chuẩn phải có cùng điều kiện như dung dịch xác định

- Tiến hành đo độ hấp thụ quang A của dãy chuẩn ở bước sóng λ đã chọn.

- Dựng đồ thị đường chuẩn A = f(C). Viết phương trình hồi quy tuyến tính của đường chuẩn y= ax+b

- Tiến hành pha chế dung dịch mẫu thử. Đo độ hấp thụ quang A của mẫu.

- Căn cứ vào phương trình hồi quy tuyến tính của dãy chuẩn và Ax mà ta xác định nồng độ chất X trong mẫu thử.

- Khi chọn vùng nồng độ để xây dựng đường chuẩn phải chú ý:

+ Vùng nồng độ của dãy chuẩn phải bao gồm cả Cx

+ Với vùng nồng độ đã chọn dung dịch phải tuân theo định luật Beer.

+ Các giá trị A ứng với nồng độ đã chọn phải sao cho khi đo có độ lặp lại cao và bảo đảm sự tuyến tính A = f(C)

b. Phương pháp thêm chuẩn

Cách thức của phương pháp là dùng một mẫu phân tích đại diện (Cx) làm chất nền để pha chế một dãy mẫu chuẩn. Cách thức thực hiện như sau:

- Lấy 1 thể tích hoặc một khối lượng chất cần phân tích (Cx)

- Thêm vào mẫu các lượng chất chuẩn X có nồng độ ΔC.

-Thực hiện tương tự như phương pháp đường chuẩn, đường chuẩn ở đây là hệ tọa độ A = f(ΔC).

c. Phương pháp đo quang vi sai

Việc đo mật độ quang ở các giá trị A lớn có thể mắc phải sai số lớn trong việc xác định nồng độ. Trong trường hợp các dung dịch có mật độ quang quá lớn người ta thường dùng một kiểu đo khác gọi là phương pháp đo vi sai. Trong phương pháp này, mật độ quang của dung dịch đo không phải so với dung môi hoặc dung dịch trống như phương pháp đo thường dùng. Dung dịch so sánh ở đây thường là dung dịch có nồng độ biết trước là Css, mật độ quang của dung dịch Css phải khá lớn so với dung môi hoặc dung dịch trống, nhưng nhỏ hơn mật độ quang của dung dịch cần đo.

d. Phương pháp so sánh 1 chuẩn

- Pha một dung dịch chuẩn có Ctc

- Tiến hành đo độ hấp thụ quang A của dung dịch chuẩn so với dung dịch so sánh (Atc)

- Theo định luật Lambert-Beer: Atc = ε x l x Ctc

- Pha dung dịch mẫu với nồng độ cần xác định Cx (chưa biết)

- Tiến hành đo độ hấp thụ quang A của dung dịch mẫu so với dung dịch so sánh (Ax)

- Theo định luật Lambert-Beer: Ax = ε x l x Cx

- Khi dung dịch cần xác định và dung dịch chuẩn có cùng bản chất, ε có thể xem như nhau, và l=const => Cx = Ax/Atc x Ctc

​

4. Ứng dụng trong phân tích hóa học

- Định tính: Thường áp dụng để xác định một số chất hữu cơ bằng cách so sánh các giá trị λmax, ɛ giữa chất chuẩn và mẫu. Tuy nhiên, để tăng độ chính xác cần kết hợp thêm các phương pháp phổ hồng ngoại, khối phổ…

- Định lượng: ứng dụng rộng rãi trong phân tích định lượng các chất trong các ngành thực phẩm, môi trường, sinh học, công nghiệp… Một số ví dụ về ứng dụng của phương pháp hấp thu quang:

* Hàm lượng P tổng trong mẫu phân bón, hàm lượng Ti trong mẫu sơn, hàm lượng Nd trong mẫu thủy tinh, hàm lượng Mn, Ti trong thép...

* Hàm lượng kim loại nặng (nhôm, asen, cadmi, crom, sắt, chì, mangan…), ion vô cơ (amoni, nitrat, phosphat…) trong nước và nước thải.

* Hàm lượng thiomersal, nhôm, formaldehyde tồn dư, protein, phenol… trong vắc xin và sinh phẩm

Phương pháp hấp thu quang là một kỹ thuật phân tích được phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong phân tích hóa học và hiện nay vẫn là một phương pháp khó thay thế bởi những ưu điểm vượt trội nó mang lại với quy trình đơn giản, cho kết quả phân tích nhanh, chính xác và chi phí thấp.

Tài liệu tham khảo:

1. Trần Tứ Hiếu, 2008, Phân tích trắc quang, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội

2. Phạm Luận, 2006, Phương pháp phân tích phổ nguyên tử, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội

Cảnh Huyền Trang, nghiên cứu viên, khoa Kiểm định Hóa Lý

​

​