طیف سنجی نشر اتمی: تعریف، قطعات، کاربردها، مزایا، معایب

فهرست مطالب نمایش

طیف سنجی نشر اتمی چیست؟

طیف سنجی نشر اتمی (AES) یک تکنیک تحلیلی است که برای تعیین کمیت اتم‌های فلزی با اندازه‌گیری شدت نور تولید شده توسط اتم‌ها در حالت‌های برانگیخته استفاده می‌شود. هنگامی که یک اتم برانگیخته به حالت اولیه خود باز می‌گردد، طول موج خاصی از تابش ساطع می‌کند. تحریک (جذب تابش) و غیر تحریک (نشر تابش) الکترون‌ها هر دو در طیف سنجی نشر اتمی نقش دارند.

طیف سنجی نشر اتمی تشعشعات منتشر شده توسط اتم‌ها را برای شناسایی ساختار، ترکیب و محیط اطراف آن‌ها تجزیه و تحلیل می‌کند. ما می‌توانیم سطوح انرژی (یا حالت‌های ساکن) اتم را از اندازه‌گیری‌های طول موج استخراج کنیم، و این یک مبنای تجربی برای تئوری‌های ساختار اتمی می‌دهد.

اصل طیف سنجی نشر اتمی

AES بر این ایده استوار است که وقتی انرژی به صورت نور یا گرما به یک مولکول تحویل داده می‌شود، مولکول‌ها برانگیخته می‌شوند و از حالت سطح انرژی پایین به حالت سطح انرژی بالاتر تغییر می‌کنند. مولکول‌ها در سطوح انرژی بالاتر ناپایدار هستند و پس از تولید تابش به شکل فوتون به سطوح انرژی پایین‌تر باز می‌گردند. طیف سنج نشری طول موج فوتون‌های ساطع شده را اندازه گیری می‌کند.

اصل اساسی طیف سنجی نشر اتمی مطالعه طول موج فوتون‌هایی است که توسط اتم‌ها و مولکول‌ها هنگام حرکت از حالت انرژی بالا به حالت کم انرژی آزاد می‌شوند. هر عنصر یا ماده مجموعه‌ای متمایز از طول موج‌ها را ساطع می‌کند که توسط ساختار الکتریکی آن تعیین می‌شود. با مطالعه این طول موج‌ها می‌توان ساختار عنصری نمونه را آشکار کرد.

قطعات طیف سنجی نشر اتمی

نبولایزر

قبل از تجزیه و تحلیل یک نمونه، باید آن را به اتم‌های آزاد بسیار برانگیخته تبدیل کرد. راحت‌ترین راه برای وارد کردن مایعات به جریان گاز از طریق آئروسل از یک نبولایزر است. آئروسل را می‌توان با عمل یک جت پرسرعت در نوک دیافراگم کوچک یا با روش دیگری ایجاد کرد. پایداری نشر طیفی تا حد زیادی به اندازه قطرات وابسته است. در نتیجه، انتخاب نوع نبولایزر مناسب برای تولید اندازه قطرات همگن بسیار مهم است. نبولایزر مناسب به خواص نمونه مانند چگالی، ویسکوزیته، محتوای آلی، کل جامدات محلول و حجم کل نمونه بستگی دارد.

منابع برانگیختگی

اتم‌های نمونه با استفاده از یک منبع تحریک حل، اتمیزه و برانگیخته می‌شوند. منبع تحریک مناسب امکان تحریک تمام عناصر در نمونه را فراهم می‌کند و این کار را تا زمانی که برانگیختگی عنصری کامل در نمونه پوشانده شود، دوباره انجام می‌دهد.

پلاسمای جریان مستقیم

این روش تحریک از دو الکترود برای تولید تخلیه الکتریکی استفاده می‌کند که گاز پلاسما را که معمولاً آرگون است گرم می‌کند. این شکل از تحریک بیشتر برای مواد با محتوای جامد بالا مناسب است.

پلاسمای جفت شده القایی

این روش اغلب مورد استفاده برای تحریک است و از یک مشعل پلاسما ساخته شده از لوله های کوارتز متحدالمرکز برای ایجاد تحرک در مواد ساخته شده است. منبع نور برای طیف سنجی نشر اتمی پلاسمای ICP-AES یک پلاسمای جفت شده القایی با فرکانس بالا است. AES از طول موج بین فرابنفش خلاء (160 نانومتر) تا نور مرئی (800 نانومتر) استفاده می‌کند. این امر مستلزم برانگیختگی و عدم تحریک‌زدایی الکترون‌ها با جذب تابش است.

تابش الکترومغناطیسی (EMR) زمانی اندازه گیری و ارزیابی می‌شود که یک الکترون از حالت برانگیخته به حالت غیر برانگیخته تبدیل شود.
کیفیت تابش نور در طول فرآیند تحریک زدایی باعث ایجاد نام طیف سنجی انتشار نوری (OES) می‌شود. از آنجایی که خط طیفی دارای طول موج ثابتی است، اندازه گیری در طیف سنجی نشر اتمی امکان پذیر است.

شعله

در این روش محلول یا گاز پاشیده شده حاوی نمونه‌ای از ماده مورد بررسی است که در معرض شعله قرار می‌گیرد. هنگامی که حرارت شعله حلال را تبخیر می‌کند و پیوندهای شیمیایی آنالیت را از بین می‌برد، اتم‌های آزاد ماده ایجاد می‌شود. گرما همچنین باعث می‌شود اتم‌ها به ذرات باردار الکتریکی تبدیل شوند که وقتی به حالت الکترونیکی اصلی خود باز می‌گردند، نور ساطع می‌کنند. اصل نورسنجی با شعله بر اساس اندازه گیری شدت نور ساطع شده در هنگام ورود فلز به شعله است. طول موج رنگ عنصر را نشان می‌دهد و رنگ شعله تعداد عناصر موجود در نمونه را نشان می‌دهد.

پلاسمای مایکروویو (MIP)

فرکانس‌ها در ناحیه مایکروویو به عنوان یک منبع انرژی خارجی در یک منبع پلاسمای القا شده با امواج مایکروویو (MIP) استفاده می‌شود. استفاده از تشعشعات مایکروویو با فرکانس 2450 مگاهرتز معمول است. هنگامی که برق متناوب با فرکانس فوق‌العاده به صورت خازنی به جریانی از گاز نجیب (هلیوم یا آرگون) یا نیتروژن با سرعت حدود dm3/min 3 در یک حفره جفت می‌شود، یک پلاسمای القا شده از مایکروویو تشکیل می‌شود.

پلاسمای القا شده با لیزر (LIP)

پلاسمای گرم شده در این فرآیند توسط یک گاز پشتیبان، معمولاً آرگون، که توسط یک منبع لیزر CO2 با انرژی بالا متمرکز می‌شود، حفظ می‌گردد.

قوس یا جرقه

منابع تحریک جرقه و قوس از یک جرقه، یک پالس الکتریکی یا یک قوس تخلیه الکتریکی مداوم بین دو الکترود برای تبخیر و تحریک اتم‌های نمونه استفاده می‌کنند.

مونوکروماتورها

مونوکروماتورها منشورها و توری‌های پراش هستند. این‌ها برای انتخاب نوع خاصی از تشعشعات تولید شده توسط آنالیت و حذف هرگونه تشعشع نامطلوب دیگر استفاده می‌شوند. در نتیجه، به آن «انتخابگر طول موج» نیز می‌گویند. توری‌های پراش نسبت به منشورها دقت و وضوح بیشتری تولید می‌کنند.

گریتینگ‌ها به عنوان یک عنصر پراکنده در طیف سنج AES برای پراکندگی نور فرودی به طول موج‌های جزء استفاده می‌شوند. نور از سطح توری زاویه دار منعکس شده و باعث می‌شود که طول موج‌ها از طریق تداخل در زوایای پراش وابسته به طول موج توزیع شوند. از آنجایی که تمام اتم‌های یک نمونه به طور همزمان برانگیخته می‌شوند، می‌توان آن‌ها را به‌طور متوالی با استفاده از یک مونوکروماتور یا همزمان با استفاده از یک پلی کروماتور با آشکارسازهای متعدد شناسایی کرد.

آشکارسازها

آشکارسازها مبدل‌هایی هستند که خروجی آنالوگ طیف‌سنج را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند که می‌تواند روی کامپیوتر دیده و پردازش شود. در طیف سنجی نشر اتمی، آشکارسازها شامل لوله‌های PMT، دستگاه‌های جفت بار (CCD) و دستگاه‌های تزریق بار (CID) هستند. آن‌ها تکانه‌های نوری را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کنند که تقویت کننده متعاقباً آن را تقویت می‌کند.

تقویت کننده

تقویت کننده‌ها سیگنال‌هایی را از آشکارسازها دریافت می‌کنند و آن‌ها را چندین بار تقویت می‌کنند تا قابل استفاده یا قابل مقایسه باشند.

دستگاه بازخوانی

طیف سنجی انتشار اتمی از رایانه‌ها به عنوان دستگاه‌های بازخوانی استفاده می‌کند. با استفاده از کتابخانه گستره نشر اتمی، رایانه‌ها داده‌ها را در قالب طیف تجزیه و تحلیل کرده و منحنی کالیبراسیون را رسم می‌کنند.

مزایای طیف سنجی نشر اتمی نسبت به طیف سنجی جذب اتمی

کاهش تداخل بین عناصر به دلیل افزایش دما.
طیف انتشار با استفاده از یک مجموعه شرایط تحریک ایجاد می‌شود و چندین عنصر را می‌توان همزمان ثبت کرد.
آنالیز چند عنصری را می‌توان بر روی نمونه‌های نسبتاً کوچک انجام داد.
مواد نسوز با غلظت کم قابل شناسایی هستند.

کاربردهای طیف سنجی انتشار اتمی

فناوری ICP-AES را می‌توان در کشاورزی برای تجزیه و تحلیل کالاهای کشاورزی و غذایی استفاده کرد.
می‌توان از آن در علم زمین برای تجزیه و تحلیل عناصر کمیاب خاکی موجود در سنگ‌ها استفاده کرد.
تکنیک ICP-AES می‌تواند فلزات کمیاب از آلیاژها، فولاد، مایعات روان کننده و بنزین را بررسی کند.
به طور مشابه، در زیست شناسی، فناوری ICP-AES می‌تواند آلومینیوم را از خون، مس را از بافت مغز، سلنیوم را از کبد و نمک را از شیر مادر ارزیابی کند.
طیف سنجی نشر اتمی پلاسما جفت القایی می‌تواند آثار فلزی مانند کلسیم (Ca)، مس (مس)، آهن (Fe)، منگنز (Mn)، منیزیم (Mg)، فسفر (P)، پتاسیم (K) و روی (Zn) در آبجو یا شراب را تشخیص دهد.
مقادیر یون‌های Na+ و K+ در بدن انسان برای انجام وظایف متابولیکی متعدد حیاتی هستند. مقدار این مواد را می‌توان با رقیق کردن و آسپیراسیون نمونه سرم خون در شعله اندازه گیری کرد.
از فوتومتری شعله می‌توان برای تعیین میزان فلزات و عناصر مختلف در نوشابه‌ها، آب میوه‌ها و نوشیدنی‌های الکلی استفاده کرد.
مقدار فلزات و عناصر مختلف در نوشابه‌ها، آب میوه‌ها و مشروبات الکلی را نیز می‌توان با استفاده از نورسنجی شعله تعیین کرد.
فرایند طیف سنجی نشر اتمی برای تعیین کلسیم و منیزیم در سیمان استفاده می‌شود.
طیف سنجی انتشار اتمیبرای تعیین سرب در بنزین استفاده می‌شود.
سطوح کلسیم، منیزیم، سدیم و پتاسیم در سرم و پلاسمای خون با استفاده از AES آنالیز شد.
طیف سنجی انتشار اتمی روش موثر برای تشخیص سموم فلزی است.
طیف سنجی انتشار اتمی می‌تواند محتویات فلزی خاک را تعیین کند.
طیف سنجی انتشار اتمی می‌تواند برای تشخیص تقلب در فرآورده‌های نفتی استفاده شود.

مزایای طیف سنجی انتشار اتمی

طیف سنجی نشر اتمی روش حساس است که قادر به تشخیص غلظت‌های کمتر از 1 ppm است.
تجزیه و تحلیل نیاز به یک نمونه کوچک دارد.
در صورت ارائه استانداردهای مقایسه مناسب، زمان کار کاهش می‌یابد.
نیازی به تهیه نمونه نیست.
نمونه‌های جامد و مایع به راحتی بررسی می‌شوند.

معایب طیف سنجی نشر اتمی

طیف سنجی نشر اتمی فقط برای فلزات و متالوئیدها کاربرد دارد. غیر فلزات را نمی‌توان بررسی کرد.
ابزار بسیار گران است.
یک روش مخرب است که منجر به تخریب نمونه می‌شود.
محلول‌های غلیظ غیر قابل کشف هستند.

همچنین بخوانید: