Luận văn thạc sĩ khoa học
Nguyễn Thị Hạnh K18 1
MỞ ĐẦU
Các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) có vai trò rất quan trọng trong việc tăng khả
năng chống ăn mòn kim loại. Chúng rất có ích trong việc bảo vệ vật liệu chống lại
sự ăn mòn trong những môi trường khác nhau hoặc ở nhiệt độ cao (môi trường oxi
hóa hay sunfit hóa, hoặc các muối nóng chảy), hoặc ở nhiệt độ thấp (các dung dịch
có chứa clorua hay nước biển). Các NTĐH cải thiện đáng kể khả năng chống ăn
mòn cho các vật liệu, bất kể dạng ăn mòn nào. Mặt khác, chúng là các chất không
độc hại và được xem là chất thay thế Cr, Zn, Cd, nitrit trong việc bảo vệ chống ăn
mòn. Do đặc điểm này nên ngành công nghiệp đất hiếm đã sang trang mới. Ngày
càng nhiều công trình nghiên cứu về NTĐH để ứng dụng vào bảo vệ các vật liệu,
chống sự ăn mòn của môi trường. Điểm đáng chú ý là: chỉ cần thêm một lượng rất
nhỏ đất hiếm (thường ở dạng oxit kim loại hoặc muối) cũng có tác dụng bảo vệ rất
tốt.
Tuy nhiên khi chế tạo lớp phủ bảo vệ kim loại, NTĐH có mặt trong lớp phủ
với hàm lượng rất thấp. Vì vậy, các phương pháp phân tích thông thường gặp nhiều
khó khăn.
Phương pháp ICP-MS có ưu điểm là phân tích đồng thời được nhiều nguyên
tố ở dạng vết với độ chính xác cao, ít bị ảnh hưởng của các nguyên tố khác. Do đó,
chúng tôi chọn đề tài: “Phân tích lượng nhỏ các nguyên tố đất hiếm trong lớp
phủ pyrophotphat bằng phương pháp ICP - MS” với các nhiệm vụ sau:
- Nghiên cứu điều kiện phân tích lượng nhỏ các NTĐH bằng phương
pháp ICP-MS.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố đa lượng có trong thành
phần lớp phủ pyrophotphat ảnh hưởng đến phép đo lượng nhỏ các NTĐH bằng
phương pháp ICP-MS.
- Đánh giá khả năng chống ăn mòn của lớp phủ pyrophotphat .
)
2
và Mn(H
2
PO
4
)
2
dưới dạng chế phẩm mazeph với nồng độ cỡ 30 gam/lit
ở nhiệt độ 96÷98
o
C và thời gian photphat hóa từ 40 đến 80 phút.
Từ năm 1986 xuất hiện công nghệ photphat hóa mới ở hầu hết các nước có
nền công nghiệp phát triển. Ngoài kẽm, sắt, mangan người ta còn đưa vào bể
photphat hóa một lượng nhỏ các nguyên tố như: coban, niken. Từ những năm đầu
của thế kỉ 21 này một công nghệ photphat hóa mới lại xuất hiện với những phụ gia
làm biến tính lớp photphat hóa bằng các NTĐH. Ngoài ra, các hợp chất hữu cơ cũng
được đưa vào nhằm nâng cao các tính chất của lớp photphat hóa. Việc đưa NTĐH
vào lớp phủ đã được một số phòng thí nghiệm trên thế giới tiến hành như phòng đất
hiếm ở Pháp, Rhone-Poulenc [31]. Người ta thường đưa NTĐH vào lớp phủ dưới
dạng muối tan bằng cách đưa vào gộp ngay bên trong vật liệu, hoặc kết tủa lại như
các màng lớp phủ trên mặt vật liệu, hoặc thêm vào môi trường chất lỏng có tính ăn
mòn, tùy thuộc vào dạng ăn mòn gặp phải.
1.1.1.2. Nghiên cứu trong nước
Những năm 1980 về trước chủ yếu áp dụng công nghệ photphat hóa nóng ở
96 ÷ 98
o
C do Liên Xô và Trung Quốc chuyển giao.
Các công trình nghiên cứu công nghệ photphat hóa ở nước ta chỉ xuất hiện từ
một vài năm gần đây. Một số công ty nước ngoài đã sử dụng công nghệ này ở nước
Luận văn thạc sĩ khoa học
Nguyễn Thị Hạnh K18 4
Bảng 1. Hàm lượng trung bình của các NTĐH trong lớp vỏ trái đất
Nguyên tố
Số hiệu nguyên
tử
Hàm lượng
trung bình (10
-4
%)
Tỷ lượng trong nhóm
các nguyên tố (%)
Y
La
Ce
Pr
Nd
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
30
18
45
28,6
4,5
15,0
-
4,4
0,8
6,4
1,0
2,9
0,8
2,5
0,5
1,9
0,6
Các NTĐH là nguyên liệu cực kì quan trọng cho nhiều ngành khoa học, kỹ
thuật và công nghệ. Vai trò của NTĐH trong công nghệ chế tạo vật liệu là không
Welsbach đã xây dựng nhà máy sản xuất đá lửa từ hợp kim feroXeri.
Trong công nghiệp thuỷ tinh, các NTĐH được sử dụng khá nhiều: CeO
2
,
Nd
2
O
3
được dùng để khử màu thuỷ tinh. Một số NTĐH được dùng để nhuộm màu
thuỷ tinh như Nd
2
O
3
(tím hồng), CeO
2
(vàng chanh), Pr
6
O
11
(xanh lá cây), Er
2
O
3
(hồng nhạt)...
Y
2
O
3
và Eu
Nậm Xe (Phong Thổ, Lai Châu). Những năm tiếp theo, ta đã phát hiện các mỏ đất
hiếm ở Đông Pao (Phong Thổ, Lai Châu), Yên Phú (Văn Yên, Yên Bái), Mường
Hum (Bát Xát, Lào Cai) và vành đai sa khoáng ven biển miền Trung [17].
Thành phần đất hiếm trong các mỏ đất hiếm của Việt Nam rất đa dạng, thành
phần khoáng vật cũng khác nhau, được thể hiện trong Bảng 2.
Bảng 2: Thành phần NTĐH trong tổng oxit đất hiếm ở các mỏ (%)
Sa khoáng ven biển Thành phần
nguyên tố
Bắc
Nậm Xe
Nam
Nậm Xe
Đông
Pao
Yên Phú
Xenotim Monazit
La
2
O
3
24 30,60 34,50 9,73 1,2 18,1
CeO
2
48 48,35 46,60 21,80 1,3 48,2
Pr
6
O
11
5 4,80 4,20 2,28 0,4 5,9
Nd
- 0,11 0,14 3,67 9,8 0,9
Ho
2
O
3
- 0,02 <0,01 0,72 2,2 -
Er
2
O
3
- 0,03 <0,01 1,88 9,2 0,2
Tm
2
O
3
- 0,01 0,15 1,00 1,4 -
Yb
2
O
3
- 0,01 0,04 1,47 13,0 -
Lu
2
O
3
- 0,001 0,04 0,10 2,0 -
Y
2
O
3
gel Xeri làm giảm sự tấn công trên bề mặt thép neodym trong CO
2
bởi ít nhất một
trong ba tác nhân [21].
Ecer cùng các cộng sự đã chứng minh được có sự cải tiến lớn trong việc
chống ăn mòn của hợp kim Fe-25Cr đối với sự oxi hóa của không khí ở 1150
o
C
đơn giản chỉ nhờ một lớp phủ hợp kim với sự khuếch tán bột xeri oxit bằng cách
nhúng hợp kim vào một vữa alcol có oxit này rồi sấy khô ngoài khí trời.
Fransen cùng đồng nghiệp đã khảo sát hiệu quả bảo vệ của lớp phủ gốm có
chứa xeri oxit (được chuẩn bị bằng công nghệ sol-gel). Các tác giả này chỉ ra từ kết
quả giản đồ nhiệt, rằng lớp phủ xeri oxit (xử lý trước trong không khí sau khi phủ)
cho sự bảo vệ tốt đối với thép trong môi trường chứa sunfua.
Onoda cùng các cộng sự quan tâm đến một dạng ăn mòn đặc biệt: sự ăn mòn
trong muối nóng chảy ở nhiệt độ cao. Thực tế sự thiêu đốt tro trong các lò thiêu chất
thải công nghiệp chứa sunfat và clorua, và các muối này cũng như các khí ga đốt ở
nhiệt độ cao có thể sinh ra sự ăn mòn các mạch hệ thống đường đốt. Các phép kiểm
tra ăn mòn của các hợp kim theo trọng lượng 30% Fe-5%Cr-Al trong hỗn hợp muối
nóng chảy gồm 80%Na
2
SO
4
và 20% NaCl ở 800
o
C đã cho thấy thêm Ce (không quá
giới hạn hòa tan) cải tiến đáng kể sự chống ăn mòn của hợp kim [25].
Ăn mòn trong dung dịch muối natri clorua.
Langenbeck cùng các cộng sự đã nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của
hợp kim Al-Fe-Ce trong dung dịch 3,5%NaCl. Các hợp kim này, có thể thay thế cho
giảm.
Cấu trúc vi mô của lớp phủ đồng đều hơn, chọn lọc hơn làm cho lớp phủ rắn
chắc hơn, khả năng bám dính cao hơn. Quá trình khuếch tán giữa lớp phủ và vật
Luận văn thạc sĩ khoa học
Nguyễn Thị Hạnh K18 10
liệu giảm làm cho hàm lượng của Ni, Zn, Mn, Fe trong lớp phủ cao hơn. Tất cả các
yếu tố trên đều có tác dụng làm tăng khả năng chống ăn mòn của lớp phủ.
Như ta đã biết sự ăn mòn xảy ra khi trên bề mặt vật liệu tồn tại sự không
đồng nhất, sự không đồng nhất bề mặt dẫn đến sự không đồng nhất về điện thế trên
bề mặt. Sự không đồng nhất về điện thế bề mặt dẫn đến sự hình thành vô số các hệ
pin và sự ăn mòn điện hóa xảy ra. Khi thêm NTĐH, lớp phủ đồng đều hơn, chọn lọc
hơn, vùng hoạt động của catot giảm, điện thế bề mặt trở nên đồng nhất, số vị trí
hoạt động giảm và các hệ pin giảm. Kết quả là lớp phủ chứa NTĐH, quá trình catot
trở nên đồng nhất, tốc độ ăn mòn giảm, và khả năng chống ăn mòn được cải thiện
đáng kể.
1.1.3. Đặc điểm và nguyên lý hình thành của lớp màng pyrophotphat
1.1.3.1.
Nguyên lý hình thành của lớp màng pyrophotphat
Khi nhúng các chi tiết sắt thép vào dung dịch muối photphat sẽ tạo ra trên bề
mặt sắt thép một lớp muối photphat không tan. Quá trình này gọi là xử lý photphat,
gọi tắt là photphat hóa. Màng photphat hóa là màng bảo vệ phổ thông của kim loại
đen, do vậy công nghệ photphat hóa kim loại đen để bảo vệ chống ăn mòn có vai trò
rất quan trọng. Công nghệ photphat hóa phổ thông là dùng hỗn hợp photphat
mangan-kẽm [7].
Nguyên tắc của phương pháp tạo màng pyrophotphat đó là tạo lớp màng
photphat nguội nhờ dung dịch photphat hoá rồi nung ở nhiệt độ cao.
Các muối
đihiđro photphat của mangan và kẽm, khi hoà tan trong nước và gia nhiệt sẽ phân
li theo phương trình phản ứng [25]:
3Me(H
0
C tùy thuộc tinh thể) (2)
- Phản ứng hình thành lớp màng pyrophotphat (các phản ứng xảy ra ở điều
kiện nhiệt độ cao 600-900
0
C):
Luận văn thạc sĩ khoa học
Nguyễn Thị Hạnh K18 11
6MePO
4
→
(Me)
4
(P
2
O
7
)
3
+ Me
2
O
3
(3)
9MePO
4
→
(Me)
4
)
4
→
MeP
2
O
7
+ MeO
2
( Với kim loại hoá trị 4 ) (6)
3Me
3
(PO
4
)
2
→
Me
5
(P
3
O
10
)
2
+ 4MeO (7)
3Me
4
(P
2
O
7
)
3
.(x+y)Me
2
O
3
+ 3yCO
2
(9)
9xMePO
4
+yMe
2
(CO
3
)
3
→
x(Me)
5
(P
3
O
10
)
+2yMe(OH)
3
→
x(Me)
5
(P
3
O
10
)
3
.(2x+y)2Me
2
O
3
+ 3yH
2
O (12)
Các phản ứng của các kim loại hoá trị 2 và 4 xảy ra tương tự và còn có khả
năng xảy ra các phản ứng theo từng cặp. Điều này còn phụ thuộc vào hàm lượng
của các chất có trong dung dịch và điều kiện diễn ra phản ứng, mà các phản ứng nào
sẽ chiếm ưu thế và đóng góp lớn vào thành phần lớp phủ.
Ngoài các phản ứng hình thành lớp pyrophotphat diễn ra như trên, khi ở
nhiệt độ cao còn diễn ra một quá trình tạo lớp màng oxit diễn ra trên bề mặt tấm
thép CT3:
3Fe + 2O
2
→
Fe
bền chắc.
- Tính cách điện của màng pyrophotphat hóa tương đối cao.
- Sau khi pyrophotphat hóa tính chất cơ lý như độ bền, cường độ, từ tính…
của kim loại gốc không thay đổi.
- Độ dày của màng pyrophotphat hóa phụ thuộc vào thành phần dung dịch
cũng như quy trình công nghệ. Độ dày màng thường vào khoảng 5 ÷ 20 µm, nhưng
không làm cho kích thước của sản phẩm thay đổi vì đồng thời với màng
pyrophotphat tạo ra thì có một phần kim loại gốc tan ra từ bề mặt đó.
- Màng pyrophotphat hóa có khả năng chống ăn mòn tốt trong không khí,
trong dầu động – thực vật, trong dầu khoáng, trong benzen, toluen và các nhiên liệu.
Nhưng trong môi trường axit, kiềm, nước biển, amoniac, khi chưng cất nước thì
không thể bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn. Chi tiết sau khi đã pyrophotphat hóa, sơn
hoặc nhúng dầu thì khả năng chống ăn mòn càng cao.
- Màng pyrophotphat hóa còn có tính năng bôi trơn, cho nên đối với các chi
tiết cần dập nguội, cán nguội có thể dùng màng pyrophotphat hóa để làm giảm ma
sát và giảm bớt các vết nhăn, nứt trong quá trình gia công.
1.2. Các phương pháp phân tích NTĐH
Có thể xác định các NTĐH bằng các phương pháp hóa học, vật lý và hoá lý
như phổ Rơnghen, trắc quang ngọn lửa, huỳnh quang, phát quang, quang phổ phát
xạ, kích hoạt nơtron, cực phổ, khối phổ, sắc ký ion hiệu năng cao v.v... Tuy nhiên,
mỗi một phương pháp đều có những ưu điểm và những nhược điểm nhất định;
nhanh và nhạy khác nhau.
Luận văn thạc sĩ khoa học
Nguyễn Thị Hạnh K18 13
1.2.1. Các phương pháp hóa học
1.2.1.1. Phương pháp phân tích khối lượng
Phương pháp phân tích khối lượng là phương pháp cổ điển, độ chính xác có
thể đạt tới 0,1%. Cơ sở của phương pháp là sự kết tủa định lượng của chất phân tích
với một thuốc thử thích hợp.
Phương pháp này không đòi hỏi dụng cụ đắt tiền nhưng quá trình phân tích
dù dải hấp thụ của các nguyên tố họ lantan là khá rõ ràng nhưng độ hấp thụ phân tử
Luận văn thạc sĩ khoa học
Nguyễn Thị Hạnh K18 14
của chúng lại không lớn như độ hấp thụ của các phức màu thường dùng trong phân
tích trắc quang. Do đó khi xác định các nguyên tố họ lantan và thori thường đòi hỏi
phải tạo phức của nguyên tố cần phân tích với một thuốc thử hữu cơ có màu. Chính
sự dễ dàng và đơn giản của phương pháp trắc quang đã khiến người ta chọn nó để
phân tích các mẫu địa chất. Song do phổ hấp thụ quang của phức các NTĐH lại rất
gần và xen phủ nhau. Vì vậy, chỉ có thể xác định tổng các NTĐH. Đó là khó khăn
của phương pháp phổ UV-VIS.
Các phương pháp trắc quang còn tiếp tục được chú ý, nhất là đối với các
nguyên tố Ce và Tm, bất chấp những phát triển mới đây của các phương pháp phân
tích công cụ khác như AAS, ICP -AES, ICP-MS là những phương pháp siêu việt để
xác định lượng vết của các đất hiếm riêng biệt. Gần đây, người ta đã tổng hợp được
các thuốc thử nhạy hơn, chọn lọc hơn. Thêm vào đó, các kĩ thuật như chiết-trắc
quang và việc sử dụng các phối tử cạnh tranh để nâng cao độ chọn lọc của các
phương pháp hóa học tiếp tục làm cho các phương pháp trắc quang vừa hấp dẫn,
vừa rẻ tiền [11].
1.2.3. Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử AES
Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử là phương pháp công cụ cổ điển nhất
được sử dụng để phân tích thành phần vật chất của trái đất. Nguyên tắc của phương
pháp này là làm bay hơi một lượng nhỏ mẫu và kích thích đám hơi nguyên tử đủ để
nó bức xạ các ánh sáng đặc trưng trong nguồn phóng điện hồ quang hoặc tia lửa
điện [12].
Người ta đã xác định Yttri và các nguyên tố họ lantan bằng quang phổ phát
xạ kích thích bởi ngọn lửa oxi-axetilen. Với hệ thống kích thích này, phổ thu được
tương đối đơn giản và cho độ nhạy tốt hơn so với quang phổ nguồn hồ quang hoặc
tia điện.
Trong các tài liệu xuất bản khoảng 50 năm trở lại đây có vô số các công trình
đề cập phân tích các NTĐH bằng phương pháp quang phổ phát xạ. Các phương
nên độ chính xác của phương pháp sử dụng kỹ thuật này có hạn chế hơn ICP-MS.
Mặt khác do hạn chế về độ nhạy nên lượng mẫu phải lấy khá nhiều dẫn đến lượng
nhựa trao đổi ion, các dung dịch hấp thụ và rửa giải cần dùng nhiều hơn.
Luận văn thạc sĩ khoa học
Nguyễn Thị Hạnh K18 16
1.2.4. Phương pháp phổ khối plasma cảm ứng ICP-MS
Phương pháp phổ khối lượng (khối phổ) dựa trên sự tách các hạt tích điện
theo tỉ số khối lượng/điện tích của chúng (m/z). Trong những năm qua, phương
pháp này ngày càng trở nên có ý nghĩa đối với các ngành khoa học trái đất, nhất là
từ sau khi Taylor đi đầu trong việc áp dụng khối phổ nguồn tia điện để phân tích các
mẫu địa chất.
Từ khi xuất hiện plasma cảm ứng với các tính năng và ưu điểm về vận hành
hơn hẳn các nguồn hồ quang và tia điện thì một công cụ mới đã dần dần được phát
triển thành một tổ hợp ICP ghép với một khối phổ kế (ICP-MS). Hai ưu điểm nổi
bật của ICP-MS là:
1) Phổ đơn giản, dễ giải và dễ tách các nhiễu ảnh hưởng lẫn nhau;
2) Thông tin về độ giàu đồng vị là thuộc tính của phương pháp.
Phương pháp này ưu việt ở chỗ có thể phát hiện được hầu hết các nguyên tố
trong bảng tuần hoàn [10].
ICP-MS đã được nhiều tác giả nghiên cứu xác định lượng vết nhiều nguyên
tố đặc biệt là nghiên cứu xác định lượng vết các NTĐH trong nhiều đối tượng mẫu
khác nhau, trong đó có các mẫu địa chất, mẫu sinh học mẫu môi trường. Pedreira
W. R., DA Silva Queiroz C. A., Abrao A., Pimentel M. M. đã nghiên cứu xác định
nhiều các NTĐH trong nhiều mẫu phục vụ nghiên cứu địa chất, các sản phẩm ứng
dụng trong kỹ thuật công nghệ cao như thuỷ tinh ôtô, xúc tác trong công nghiệp hoá
dầu, ngọc gadolini-yttri, các ứng dụng viba và chất phát quang trong tivi màu.
Thông thường ICP-MS là thiết bị có nhiều thuận lợi khi xác định lượng vết các
nguyên tố nhờ độ nhạy và độ phân giải rất cao của nó. Trong công trình này các tác
giả đã sử dụng máy khối phổ plasma cảm ứng cung từ. 16 nguyên tố bao gồm Sc, Y
và 14 tố các NTĐH đã được nghiên cứu xác định một cách chọn lọc bằng hệ ICP-
+
, BaOH
+
cũng đã được nghiên
cứu loại trừ. Độ thu hồi khi tiến hành với dung dịch biết trước là từ 90 đến 105%
với độ lệch tương đối <9 %. Giới hạn xác định của phương pháp trong khoảng
0,0039 đến 0,0003 ng/ml các NTĐH trong dung dịch.
Luận văn thạc sĩ khoa học
Nguyễn Thị Hạnh K18 18
Zhang S., Shan X.-Q., Yan X., Zhang H. đã nghiên cứu phát triển phương
pháp xác định các NTĐH trong đất bằng ICP-MS. Ảnh hưởng của các ion oxit đến
sự xác định các NTĐH đã được định lượng và bàn luận. Tính chất loại trừ ảnh
hưởng của nền và vai trò làm giảm ảnh hưởng của nền và sự trôi tín hiệu của các
chất nội chuẩn In, Ru hoặc Bi cũng đã được khảo sát. Hiệu quả của phương pháp
phá mẫu bằng bom teflon áp suất và lò vi sóng đã được nghiên cứu so sánh. Phương
pháp được áp dụng phân tích xác định các NTĐH trong mẫu đất lấy tại Trung Quốc
[38]. Stijfhoorn D. E., Stray H., Hjelmseth H. đã nghiên cứu thay đổi phương pháp
xác định các NTĐH trong các mẫu đá bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và
kết hợp với ICP-MS để xác định các NTĐH trong các mẫu oxit đất hiếm tinh khiết
cao. Giới hạn phát hiện của phương pháp là 1-1,5 ng hoặc 2-3 mg/kg khi dung dịch
tương ứng 0,5 mg các NTĐH được bơm vào [33].
Gabrielli Paolo, Barbante Carlo, Turetta Clara, Maneel Alexandrine, Boutron
Claude, Cozzi Giulio, Cairns Warren, Ferrari Christophe, Cescon Paolo đã nghiên
cứu phát triển trên cơ sở ICP-MS cùng với bộ tạo sương vi dòng chảy và hệ thống
desolvat hóa để xác định trực tiếp các NTĐH hàm lượng tới dưới pg/g. Giới hạn
phát hiện của thiết bị nằm trong khoảng 0,001 pg/g đối với Ho, Tm và Lu 0,03 pg/g
đối với Gd. Độ lệch tương đối khi lặp 10 lần nằm trong khoảng từ 2% đối với La,
Ce, Pr, Lu và 10 % đối với Er, Tm và Yb. Phương pháp cho phép xác định trực tiếp
các NTĐH trong 1 ml mẫu với nồng độ 0,006 và 0,4 pg/g đối với Tm và 0,9-60
pg/g đối với Ce [23].
Luận văn thạc sĩ khoa học
Nguyễn Thị Hạnh K18 20
CHƯƠNG 2: NHIỆM VỤ VÀ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nhiệm vụ
Để đảm bảo mục tiêu đã đề ra, chúng tôi nghiên cứu các nội dung sau:
- Nghiên cứu điều kiện phân tích lượng nhỏ các NTĐH bằng phương pháp ICP-MS.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố đa lượng có trong thành phần lớp phủ
pyrophotphat ảnh hưởng đến phép đo lượng nhỏ các NTĐH bằng phương pháp ICP-
MS.
- Nghiên cứu việc hạ nhiệt độ trong quá trình chế tạo lớp phủ khi thêm chất phụ gia
Dung môi bay hơi → Hóa hơi mẫu → Nguyên tử hóa mẫu→ Ion hóa mẫu
Như vậy, phổ ICP-MS của nguyên tử chỉ xuất hiện khi nó ở trạng thái hơi và
khi nguyên tử bị ion hoá trong nguồn năng lượng ICP thành các ion điện tích +1.
Mà vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử theo các kiểu liên kết nhất định. Các
mẫu phân tích cũng thế, chúng hoặc là ở trạng thái rắn của các kim loại, hợp kim,
hoặc là tồn tại ở trạng thái các hợp chất như oxit, muối, khoáng chất, quặng, đất,
đá... Vì thế muốn thực hiện phép đo phổ ICP-MS phải tiến hành các bước sau đây:
1. Chuyển mẫu phân tích về dạng dung dịch đồng nhất
2. Dẫn dung dịch vào hệ thống tạo sol khí để tạo sol khí
3. Dẫn thể sol khí của mẫu vào ngọn lửa ICP, Plasma Torch
4. Trong Plasma Torch sẽ có sự hoá hơi, nguyên tử hoá và ion hoá. Tức là biến
vật chất mẫu phân tích sang trạng thái hơi, nguyên tử hoá đám hơi đó, và ion
hoá các nguyên tử của chất mẫu thành các ion nhờ nguồn năng lượng của
ICP.
5. Thu toàn bộ đám hơi ion của mẫu, lọc và phân ly chúng thành phổ nhờ hệ
thống phân giải khối theo số khối của ion, phát hiện chúng bằng Detector,
ghi lại phổ.
6. Đánh giá định tính, định lượng phổ thu được
Luận văn thạc sĩ khoa học
Nguyễn Thị Hạnh K18 22
• Hệ trang bị của phép đo ICP-MS (Hình 1) Hình 1: Các bộ phận chính của máy ICP-MS
nhược điểm là có hiệu ứng nhiễu, không ổn định, có vấn đề về độ tin cậy. Do đó kỹ
thuật này không được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên lợi ích chính của nó là nó có thể
hút ở mức độ cao chất rắn hoà tan và huyền phù bởi không có sự hạn chế bơm mẫu
cho chất rắn. Nhưng hiện nay, ưu việt và kinh tế nhất là nguồn ICP. Hình 3: Bộ tạo plasma và nhiệt độ các vùng của plasma
Phần cơ bản của bộ tạo plasma bao gồm: Máy phát RF, hệ ICP-Torch, vòng
cảm ứng và hệ cấp khí. Luận văn thạc sĩ khoa học
Nguyễn Thị Hạnh K18 24
3. Hệ phân giải phổ khối
Khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS) trở thành sản phẩm thương mại từ năm
1983. Những năm đầu của sự phát triển, kỹ thuật lọc khối tứ cực truyền thống được
sử dụng để phân chia ion cần phân tích. Kỹ thuật này đáp ứng hầu hết các ứng dụng
nhưng vẫn bộc lộ nhiều hạn chế khi xác định các nguyên tố khó hoặc các mẫu có
nền phức tạp. Điều này dẫn đến sự phát triển thiết bị phân chia khối lần lượt
(Alternative), đáp ứng nhu cầu cao hơn của thực tế.
Bộ phân giải khối được đặt giữa các thấu kính ion và detector và luôn luôn
được duy trì chân không xấp xỉ 10
-6
Torr bằng bơm turbo phân tử thứ cấp. Có 4
nguyên lý khác nhau để chế tạo hệ thống phân giải phổ theo số khối đó là:
- Kiểu cung nam châm từ (Magnetic and Electric Sector).
- Kiểu hệ lọc khối trường tứ cực ( Quadrupole).
khác. Vùng tuyến tính của phép đo phổ ICP-MS có thể kéo dài từ 1-
1.000.000 lần.
- Khả năng phân tích bán định lượng rất mạnh do không cần dùng mẫu chuẩn
mà vẫn cho kết quả tương đối chính xác.
- ICP-MS còn cho phép phân tích đồng vị, tỷ lệ đồng vị và pha loãng đồng vị.
Kỹ thuật phân tích ICP-MS là một trong những kỹ thuật phân tích hiện đại.
Kỹ thuật này được nghiên cứu và phát triển rất mạnh trong những năm gần đây. Với
nhiều ưu điểm vượt trội của nó, kỹ thuật này được ứng rộng rất rộng rãi trong phân
tích rất nhiều đối tượng khác nhau đặc biệt là trong các lĩnh vực phân tích vết và
siêu vết phục vụ nghiên cứu sản xuất vật liệu bán dẫn, vật liệu hạt nhân, nghiên cứu
địa chất và môi trường...
• Phân tích định lượng bằng phổ ICP-MS: 3 phương pháp
Copyright: Tài liệu đại học ©