Quang phổ hấp thụ nguyên tử là gì? Các nghiên cứu khoa học

Định nghĩa quang phổ hấp thụ nguyên tử

Quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectroscopy, viết tắt AAS) là một phương pháp phân tích định lượng dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng của các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi. Kỹ thuật này chủ yếu được sử dụng để xác định nồng độ của các nguyên tố kim loại trong nhiều loại mẫu khác nhau như nước, thực phẩm, huyết thanh, hợp kim hoặc đất.

Khi một chùm sáng đơn sắc đi qua hơi nguyên tử của nguyên tố cần phân tích, các nguyên tử ở trạng thái cơ bản sẽ hấp thụ bức xạ có năng lượng tương ứng với sự chuyển mức năng lượng của electron. Mức độ hấp thụ ánh sáng tỷ lệ thuận với nồng độ nguyên tử trong mẫu theo định luật Beer–Lambert: $A = \log \left(\frac{I_0}{I}\right) = \varepsilon c l$

Trong đó:

• $A$: độ hấp thụ (absorbance)
• $I_0$: cường độ ánh sáng ban đầu
• $I$: cường độ ánh sáng sau hấp thụ
• $\varepsilon$: hệ số hấp thụ mol
• $c$: nồng độ của nguyên tố
• $l$: chiều dài cuvet

AAS là phương pháp phổ biến trong các phòng thí nghiệm hóa phân tích vì độ nhạy cao, tính chọn lọc tốt và khả năng phân tích nguyên tố ở mức vết.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý cốt lõi của AAS là đo sự hấp thụ ánh sáng của các nguyên tử không liên kết (tự do) trong pha hơi. Mỗi nguyên tố hấp thụ ánh sáng ở một bước sóng đặc trưng, do đó chỉ cần chiếu ánh sáng tại bước sóng đó và đo mức hấp thụ, ta có thể suy ra nồng độ nguyên tố trong mẫu. Việc phân tích được thực hiện trong môi trường có nhiệt độ cao để đảm bảo nguyên tử hóa mẫu thành dạng hơi.

Nguồn sáng thường là đèn catốt rỗng (Hollow Cathode Lamp – HCL), phát ra ánh sáng đặc trưng của nguyên tố cần phân tích. Chùm tia sáng này đi qua lớp hơi nguyên tử trong buồng nguyên tử hóa, bị hấp thụ và sau đó được đo bởi detector. Mức độ hấp thụ tỉ lệ với số lượng nguyên tử tự do trong đường truyền ánh sáng.

Công thức phổ biến được dùng để tính toán tín hiệu hấp thụ là: $A = -\log_{10}\left(\frac{I}{I_0}\right)$, trong đó độ hấp thụ $A$ là đại lượng đo được, còn $I_0$ và $I$ lần lượt là cường độ ánh sáng trước và sau khi đi qua mẫu. Đường cong hiệu chuẩn được tạo ra bằng các dung dịch chuẩn, sau đó dùng để xác định nồng độ mẫu chưa biết.

Các thành phần chính của hệ thống AAS

Một hệ thống AAS hiện đại được cấu thành từ bốn thành phần cơ bản, hoạt động phối hợp để thực hiện phân tích chính xác:

• Nguồn sáng: thường là đèn catốt rỗng (HCL) hoặc đèn điện cực phân giải liên tục (EDL), phát ra phổ vạch đặc trưng cho từng nguyên tố.
• Hệ thống nguyên tử hóa: chuyển mẫu từ pha lỏng sang hơi nguyên tử, bao gồm buồng phun sương, buồng đốt và nguồn nhiệt (ngọn lửa hoặc lò graphite).
• Hệ quang học: đơn sắc kế chọn đúng bước sóng phân tích, kết hợp với khe sáng và gương để tập trung tia vào detector.
• Detector: bộ nhân quang điện (PMT) đo cường độ ánh sáng sau hấp thụ và chuyển thành tín hiệu điện tử để xử lý.

Bảng dưới đây trình bày cấu trúc thiết bị AAS điển hình và chức năng tương ứng:

Thành phần	Chức năng
Đèn catốt rỗng (HCL)	Phát ánh sáng đặc trưng nguyên tố
Buồng nguyên tử hóa	Chuyển mẫu thành hơi nguyên tử
Đơn sắc kế	Lọc bước sóng phân tích
PMT	Ghi nhận và khuếch đại tín hiệu quang

Phương pháp nguyên tử hóa

Nguyên tử hóa là quá trình tách các nguyên tử tự do khỏi liên kết hóa học trong mẫu. Có hai phương pháp nguyên tử hóa phổ biến trong AAS là: nguyên tử hóa bằng ngọn lửa và nguyên tử hóa bằng lò graphite. Mỗi phương pháp có ưu điểm và hạn chế riêng, phụ thuộc vào yêu cầu phân tích về độ nhạy, tốc độ và loại mẫu.

Nguyên tử hóa bằng ngọn lửa là kỹ thuật truyền thống, sử dụng hỗn hợp khí như acetylene và không khí hoặc N₂O để tạo ngọn lửa ở nhiệt độ cao (~2300°C). Mẫu được phun vào buồng ngọn lửa dưới dạng sương mịn, bay hơi và sau đó nguyên tử hóa. Phương pháp này thích hợp với các phân tích định lượng ở mức trung bình, tốc độ cao.

Nguyên tử hóa bằng lò graphite sử dụng ống graphite gia nhiệt bằng dòng điện để nguyên tử hóa mẫu trong môi trường khép kín. Nhiệt độ có thể đạt tới 3000°C, phù hợp với mẫu có nồng độ rất thấp. Tuy nhiên, chu trình phân tích lâu hơn và yêu cầu kiểm soát nhiệt độ chính xác.

Bảng so sánh hai phương pháp nguyên tử hóa trong AAS:

Tiêu chí	Ngọn lửa	Lò graphite
Nhiệt độ hoạt động	~2300°C	~3000°C
Độ nhạy	Trung bình	Rất cao
Thời gian phân tích	Ngắn	Dài
Ứng dụng	Kim loại thông dụng	Kim loại vết

Ứng dụng của quang phổ hấp thụ nguyên tử

Quang phổ hấp thụ nguyên tử là công cụ phân tích định lượng nguyên tố cực kỳ hiệu quả và phổ biến trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp. Nhờ khả năng phát hiện nồng độ cực thấp của các nguyên tố kim loại, AAS được ứng dụng trong kiểm soát chất lượng, nghiên cứu môi trường, y học, thực phẩm và địa chất.

Trong kiểm nghiệm thực phẩm, AAS thường được dùng để xác định dư lượng kim loại nặng như chì (Pb), cadimi (Cd), thủy ngân (Hg) trong rau củ, thịt, sữa và nước uống. Trong y học, kỹ thuật này hỗ trợ đo nồng độ sắt (Fe), kẽm (Zn), đồng (Cu) trong huyết thanh hoặc nước tiểu nhằm phục vụ chẩn đoán lâm sàng.

Một số ứng dụng cụ thể:

• Phân tích ô nhiễm kim loại trong nước ngầm, sông suối, không khí
• Định lượng kim loại quý trong mẫu khoáng vật hoặc hợp kim
• Đo nồng độ As, Cr, Ni trong đất nông nghiệp
• Kiểm tra nguyên tố vi lượng trong thuốc và mỹ phẩm

Ưu điểm và hạn chế

AAS sở hữu nhiều ưu điểm khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các phòng thí nghiệm. Trước hết, phương pháp này có độ nhạy cao với kim loại, có thể phát hiện ở mức μg/L (ppb). Thứ hai, thiết bị AAS thường nhỏ gọn, chi phí đầu tư và vận hành thấp hơn nhiều so với các kỹ thuật khác như ICP-OES hoặc ICP-MS.

Tuy nhiên, AAS cũng có những hạn chế. Một trong những điểm yếu lớn là chỉ phân tích được một nguyên tố tại một thời điểm, tức là không thể phân tích đa nguyên tố đồng thời. Ngoài ra, AAS không thích hợp cho các nguyên tố phi kim như halogen hay nguyên tố khí hiếm. Độ chính xác của phương pháp còn phụ thuộc vào hiệu chuẩn thường xuyên và kiểm soát nền mẫu.

Bảng tóm tắt ưu và nhược điểm của AAS:

Tiêu chí	Ưu điểm	Hạn chế
Độ nhạy	Cao với kim loại	Không phân tích phi kim
Chi phí	Thấp	Cần hiệu chuẩn định kỳ
Phân tích	Chính xác với mẫu đơn	Không đa nguyên tố

So sánh AAS với các kỹ thuật quang phổ khác

Trong phân tích nguyên tố, ngoài AAS, còn có các kỹ thuật phổ biến khác như ICP-OES (Inductively Coupled Plasma – Optical Emission Spectroscopy) và ICP-MS (Mass Spectrometry). Cả ba phương pháp đều dựa trên tương tác giữa nguyên tử và năng lượng điện từ, nhưng khác nhau ở nguyên lý vận hành và ứng dụng.

ICP-OES sử dụng plasma nhiệt độ rất cao để kích thích các nguyên tử, đo phổ phát xạ thay vì hấp thụ. Trong khi đó, ICP-MS đo tỉ lệ khối–điện tích của ion để xác định nguyên tố, có độ nhạy vượt trội, thường dùng trong phân tích vết hoặc siêu vết. Dù vậy, cả ICP-OES và ICP-MS đều đòi hỏi thiết bị đắt tiền và kỹ thuật vận hành cao hơn AAS.

Bảng so sánh các phương pháp phân tích nguyên tố:

Tiêu chí	AAS	ICP-OES	ICP-MS
Nguyên lý	Hấp thụ ánh sáng	Phát xạ ánh sáng	Khối phổ ion
Đa nguyên tố	Không	Có	Có
Giới hạn phát hiện	μg/L	μg/L	ng/L
Chi phí	Thấp	Cao	Rất cao

Hiệu chuẩn và xử lý tín hiệu

Trong phân tích định lượng, hiệu chuẩn là bước thiết yếu để xây dựng mối quan hệ giữa tín hiệu đo được và nồng độ thực tế. Đường chuẩn thường được thiết lập bằng cách đo độ hấp thụ của các dung dịch chuẩn với nồng độ đã biết, sau đó dùng phương trình hồi quy tuyến tính để tính toán nồng độ mẫu chưa biết.

Mô hình chuẩn được mô tả bằng phương trình: $A = a c + b$ trong đó $A$ là độ hấp thụ, $c$ là nồng độ, $a$ là hệ số góc (độ nhạy), và $b$ là độ chệch nền.

Các yếu tố gây nhiễu như nền mẫu, hiệu ứng ma trận, và nhiệt độ buồng nguyên tử hóa cần được kiểm soát. Một số kỹ thuật bù nền bao gồm sử dụng đèn deuterium, điều biến nền điện tử hoặc nền Zeeman. Ngoài ra, phần mềm xử lý số liệu hiện đại còn cho phép nội suy tự động và đánh giá sai số mẫu.

Xu hướng phát triển và tự động hóa

Hiện nay, các hệ thống AAS hiện đại được tích hợp khả năng điều khiển bằng phần mềm, tự động bơm mẫu, rửa cuvet và hiệu chuẩn. Những cải tiến này giúp giảm sai số thao tác, tăng tốc độ phân tích và đảm bảo tính lặp lại cao hơn. Một số thiết bị còn cho phép kết nối trực tiếp với hệ thống HPLC để phân tích dạng hóa học (speciation).

Xu hướng phát triển tiếp theo của AAS bao gồm:

• Tối ưu hóa hiệu suất qua trí tuệ nhân tạo (AI)
• Thu nhỏ thiết bị để phân tích hiện trường (portable AAS)
• Chuyển sang nguồn sáng liên tục để tăng độ nhạy và phổ phân tích

Ngoài ra, nhiều nhà sản xuất lớn như Agilent và Thermo Fisher đang phát triển dòng thiết bị đa năng, tự động hoàn toàn, thân thiện với người dùng.

Tài liệu tham khảo

1. Welz, B., & Sperling, M. (1999). Atomic Absorption Spectrometry. Wiley-VCH.
2. Skoog, D.A., Holler, F.J., & Crouch, S.R. (2018). Principles of Instrumental Analysis. Cengage Learning.
3. Thermo Fisher Scientific – AAS Instruments
4. Agilent – Atomic Absorption
5. ACS Publications – Atomic Absorption Background