طیف سنجی جذب اتمی (AAS) دارای کاربردهای گسترده ای در تجزیه و تحلیل یافته های دانشمندان دارد، در مطلب پیش رو به بررسی عملکرد و اجزای دستگاه آنالیز طیف سنجی جذب اتمی می پردازیم.
آنالیز طیف سنجی جذب اتمی (Atomic Absorption Spectroscopy) :
جذب اتمی یک روش اسپکتروسکوپی است. در روش های اسپکتروسکوپی اتمی ابتدا نمونه طی فرایند اتم سازی به اتم های گازی یا یون تبدیل می شود سپس جذب، نشر یا فلوئورسانس آنها اندازه گیری می گردد.
کاربرد :
به مطالعه و آنالیز یون های فلزی و نمک های آن ها مثل نمک های NaCl و ترکیبات فلزی نظیر اکسیدهای وانادیم، استرانسیم و … می پردازد. همچنین آنالیز ناخالصی های ناچیز در آلیاژها و آنالیزهای مربوط به آب به جهت اندازه گیری فلزات سنگین در آنها از دیگر کاربردهای آن است.
*جذب اتمی در اندازه گیری نافلزات ناکارآمد است. یکی دیگر از معایب این روش این است که برای آنالیزهر فلز باید لامپ همان فلز را داشت که این امر مقرون به صرفه نیست.
نمونه:
نمونه حتما باید به صورت محلول باشد لذا باید قبل از شروع کار نمونه جامد را به صورت محلول در آورد وسپس آنالیز را انجام داد.
اجزا دستگاه طیف سنجی جذب اتمی :
الف) منبع تابش(Source):
منبع تابش باید دارای شرایط زیر باشد:
*خطی باشد.یعنی تولید خط طیفی بسیار باریکی کند که حتی باریکتر از پیک جذب نمونه باشد.
*دارای شدت و پایداری مناسب در مدت زمان نسبتا طولانی باشد.
از متداول ترین منابع تابش مورد استفاده در جذب اتمی می توان به موارد زیر اشاره نمود.
1-هالو کاتد لامپ (لامپ کاتدی توخالی):
این لامپ متشکل از یک آند تنگستن و یک کاتد استوانه ای است که در یک لوله شیشه ای که با گاز بی اثر نئون یا آرگون در فشار پایین پر شده، قرار دارند.
جنس کاتد از جنس فلزی مورد آنالیز است به طور مثال برای آنالیز آهن باید از لامپی که کاتد آن از آهن ساخته شده استفاده نمود تا دقیقا همان طول موج های مربوط به فلزات را نشر کند.
بیشتر بخوانید: آنالیز GC
روش عملکرد هالو کاتد لامپ:
در اثر اعمال پتانسیل بین آند و کاتد، گاز بی اثر یونیزه می شود و در میدان الکتریکی حاصل، به سمت کاتد شتاب گرفته و در اثر برخورد باعث کنده شدن اتم های کاتد و برانگیختگی آن ها می شوند. اتم های برانگیخته در بازگشت به حالت پایه طول موجی را نشر می کنند که برای مطالعه آنالیت استفاده می شود.
2-لامپهای تخلیه بدون الکترود:
این لامپ یک لوله کوارتزی است که درون آن با گاز بی اثر و مقداری از فلز یا نمک فلزی که به آنالیز آن بپردازیم پر شده است. این لوله درون یک استوانه سرامیکی قرار می گیرد که اطراف این استوانه سرامیکی با یک منبع تولید فرکانس رادیویی پیچانده شده است. عملکرد این لامپ ها مشابه هالو کاتد لامپ است. تکرارپذیری این لامپ کمتر از لامپ های کاتدی توخالی است اما دارای شدت های تابش بیشتری به نسبت آن ها هستند.
ب)اتم سازی(اتمایزر،Atomization):
فرایند تبدیل آنالیت به اتم های آزاد گازی را گویند.معمولا آنالیت به حالت مایع است بنابراین ابتدا باید حلال زدایی و سپس اتم سازی صورت گیرد.
چند روش اتم سازی وجود دارد که در زیر به توضیح هرکدام می پردازیم:
1-اتم سازی با فن بخار سرد:
مختص گونه جیوه است زیرا جیوه در دمای اتاق از فشار بخار قابل توجهی برخوردار است. در این روش ابتدا با اسیدی کردن جیوه آن را به Hg2+ تبدیل کرده و سپس طبق واکنش زیر احیای جیوه به جیوه فلزی رخ می دهد.
با عبور دادن جریانی از گاز بی اثر از درون مخلوط می توان جیوه فلزی را به صورت یک بخار سرد از محلول جدا کرد و از طریق یک لوله جذب با طول بلند آن را به سمت اتمایزر هدایت نمود. نمونه جیوه وارد لوله جذب کوارتزی شده و توسط شعله ای که زیر لوله قرار دارد گرم و اتمیزه شده و اندازه گیری انجام می گردد.
2-اتم سازی با فن تخلیه افروزشی(GDS):
مختص گونه های رسانا بوده و جز روش هایی است که در آن ها آماده سازی نمونه و اتم سازی آن به طور همزمان رخ می دهد. این فرایند در محفظه ای با فشار پایین (1 تور) رخ می دهد که در این محفظه گاز آرگون بین یک زوج الکترود کاتد و آند نگه داشته شده است.
اختلاف پتانسیل اعمالی موجب یونش آرگون شده نمونه معمولا در سطح کاتد نگه داشته می شود و میدان الکتریکی موجود موجب شتاب گرفتن یون آرگون به سمت کاتد و برخورد آن به سطح نمونه می شود که در اثر این برخورد اتم های خنثی از نمونه تشکیل می شوند.
3-اتم سازی شعله (Flame Atomization)
در اتم سازهای طیف سنجی جذب اتمی شعله ای بر اثر واکنش بسیار سریع بین سوخت و اکسنده گازی گرمای زیادی حاصل می گردد و این گرما موجب حلال زایی نمونه محلول،تبخیر و در نهایت اتمی شدن آن می شود.
نمونه اتمیزه شده روی شعله در معرض برخورد یک تابش نورانی تولید شده توسط منبع قرار می گیرد و جذب توسط نمونه موجب کاهش در توان باریکه تابشی به هنگام عبور از شعله می شود که این کاهش توسط آشکارساز اندازه گیری می گردد.اندازه گیری ها بر اساس قانون بیر لامبرت که در آن میزان جذب متناسب با غلظت نمونه است، صورت می گیرد.
شعله:
همانطور که در شکل مشاهده می شود ساختمان شعله از سه ناحیه تشکیل شده است:
1-ناحیه احتراق اولیه که آغاز واکنش سوختن و تحریکات شیمیایی در این ناحیه رخ می دهد. در این ناحیه تعادلات گرمایی نداریم در نتیجه دمای شعله در اینجا پایین است و به جهت مطالعات اسپکتروسکوپی از این ناحیه استفاده نمی شود.
2-ناحیه احتراق داخلی: این ناحیه غنی از اتم های آزاد بوده و واکنش سوختن در آن به تعادل گرمایی می رسد و به دلیل نشر زمینه کم و دمای بالا، مناسب ترین محل جهت مطالعات اسپکتروسکوپی است.
3-ناحیه احتراق خارجی: در اثر تماس این ناحیه با اتمسفر و نفوذ هوا به درون آن، دمای شعله در اینجا کم است.در این ناحیه اتم ها به اکسیدهای مولکولی پایدار و رادیکال ها تبدیل می گردند.
دمای شعله:
وابسته به نسبت سوخت و اکسیدانت است.بنابر این تنوع شعله ای زیادی به وجود می آید که هر یک می تواند کاربردهای مخصوص به خود را داشته باشند. در زیر دمای برخی از شعله ها مشاهده می شود:
مزایا و معایب اتم ساز شعله ای:
مزیت اصلی اتمیزاسیون شعله تکرارپذیری آن است. کارایی اتمایزر شعله ای به دو دلیل ضعیف است. اولا، تعداد قطرات آئروسل تولید شده در نبولایزر، بسیار زیاد است، در نتیجه تا 95٪ از نمونه هرگز توسط گازهای احتراق به شعله نمی رسد.
دلیل دوم این است که حجم زیادی از گازهای احتراق به طور قابل توجهی نمونه را رقیق می کند و چون جذب با غلظت نمونه متناسب است امکان ایجاد خطا را فراهم می سازد.
4-دستگاه جذب اتمی کوره گرافیتی
این اتمایزر یک لوله گرافیتی استوانه ای به طول 5 و قطر حدود 8-3 است که دو انتهای آن باز است و یک سوراخ مرکزی برای وارد نمودن نمونه دارد. با اتصال دو سر لوله به منبع جریان الکتریکی دمای آن تا حدود 3000 درجه سانتی گراد بالا می رود و امکان اتمی کردن نمونه را فراهم می آورد.
استفاده از یک برنامه دمایی در طی فرایند اتم سازی موجب افزایش کارایی این روش می شود. این روش شامل 3 مرحله می باشد که در مرحله اول که شامل خشک کردن یا Drying است، طی 20-50 ثانیه دمای کوره گرافیتی را به تدریج افزایش می دهند تا محتوی حلال نمونه تبخیر شود و نمونه خشک گردد.
در مرحله دوم (خاکستر سازی یا Ashing) طی مدت زمان 45 ثانیه دمای کوره با شیب بیشتری نسبت به مرحله قبل افزایش می باید(1000-350 درجه سانتی گراد). در این دما تمام مواد آلی نمونه به صورت خاکستر، CO2 و H2O در می آیند واجزا فرار از آن جدا شده وتنها یک خاکستر معدنی باقی می ماند. در مرحله آخر دما را تا حدود 3000 درجه سانتی گراد می رسانند و در این دما اتمی شدن نمونه انجام می گیرد.
تفاوت اتمایزرهای شعله ای و غیر شعله ای:
اتمایزرهای غیر شعله ای حساس تر و دارای حد تشخیص پایین تری هستند و در مقایسه با اتمساز شعله ای حجم کمتری از نمونه را مورد استفاده قرار می دهند.
ج) تکفامساز یا مونوکروماتور:
مونوکروماتورها از این جهت بسیار مهم اند که ناحیه محدودی از طیف که مورد نظر ما است را جدا می کنند.
تابش مورد نظر كه معمولاً خط رزونانس نشر شده عنصر مورد اندازه‌‌گيري است اجازه مي‌‌يابد كه از مسير نور عبور كرده و به دتكتور برسد و اين در حالي است كه از رسيدن ساير طول موجهاي تابشي به دتكتور جلوگيري به عمل مي آيد.
هرچه پهنای ناحیه جدا شده کمتر باشد حساسیت اندازه گیری افزایش می یابد که این امر باعث افزایش گزینش پذیری روش های جذبی و نشری و همچنین به دست آوردن یک رابطه خطی بین سیگنال و غلظت می شود. تکفامسازها به دو دسنه منشور و شبکه (توری، grating) وجود دارند.
د) دتکتور:
آشکارساز رایج در روش جذب اتمی فتومولتی پلایر(لوله های فتو تکثیرکننده) است که در مواقعی که شدت تابش کم باشد می تواند بسیار مفید باشد. فوتون پس از برخورد با فتو کاتد اولیه موجب نشر الکترون به سمت صفحات فلزی که داینود نام دارند می شود.
پتانسیل هر داینود 90 ولت مثبت تر از داینود قبلی است.در هر برخورد الکترون به صفحات، تعداد بیشتری از الکترون ها از سطح آنها جدا می گردند به طوری که در نهایت تعداد زیادی از الکترونها به ازای یک الکترون اولیه به وجود می آید و باعث تولید جریان الکتریکی زیادی می شوند.
این دتکتور دارای حساسیت بالا و زمان پاسخگویی کم می باشد و از معایب آن این است که نور شدید باعث از بین رفتن سطح داینودها می شود.
منابع:
*Haswell, Stephen John. “Atomic absorption spectrometry” (1991).
*Welz, Bernhard. Atomic absorption spectroscopy. Verlag Chemie., 1976.
*Robinson, James W. Atomic spectroscopy. CRC Press, 1996.
