طیف سنجی جذب اتمی (AAS)

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

طیف سنجی جذب اتمی (AAS)

 

مقدمه

اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) تکنیکی برای شناسایی و اندازه گیری ترکیبات عنصری یک نمونه از طریق مطالعه انر‍ژی تابشی به وسیله اتم ها است. در این سری از مقالات قصد داریم در مورد اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) ، اجزای این میکروسکوپ، قانون حاکم بر آن (قانون بیر-لامبرت)، انواع این میکروسکوپ و خطاهای ایجاد شده در آن بحث کنیم. در طیف‌سنجی به صورت مطالعه برهمکنش بین نور و ماده تعریف می‌شود به مطالعه ماده و خواص آن، با بررسی نورجذب شده از ماده مورد نظر می پردازد. اساس این روش بر این اصل استوار است که میزان پرتوی جذب شده هنگام عبور از نمونه، متناسب با غلظت عنصر مورد نظر است. این روش توانایی آنالیز حدود ۷۵ عنصر فلزی و شبه فلزی را دارا است. ولی توانایی آنالیز مواد غیر فلزی را بصورت مناسب ندارد.

اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) در زمینه های مختلف علمی، تحقیقاتی و تشخیصی مانند بیوشیمی، بهداشت محیط، زمین شناسی، داروسازی، شیمی، پزشکی به کار برده می شود. اجزای تشکیل دهنده محصولات اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)یا Atomic Absorption Spectroscopy شامل منبع تابش ، مونوکروماتورها و فیلترها ، اتمایزرها ، دتکتورها و نمایشگر خروجی می باشد. در اسپکتروفتومتر جذب اتمی AAS ، عنصر مورد نظر باید اتمیزه شده و سپس در مسیر پرتوهای خروجی از منبع تابش قرار گیرد. باتوجه به میزان جذب می توان مقادیر عناصر فلزی و شبه فلزی را در ترکیبات مختلف اندازه گیری نمود.

اساس کار اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)

اساس این تکنیک، استفاده از دستگاه جذب برای ارزیابی غلظت آنالیت در نمونه است؛ لذا نیازمند رابطه‌ای بین میزان نور جذب شده توسط نمونه و غلظت نمونه هستیم که همان قانون بیر لامبرت است. به طور خلاصه الکترون‌های اتم‌ها با جذب طول موج مشخصی (انرژی) می‌توانند به سطوح بالاتر انرژی بروند و برای مدت کوتاهی به حالت برانگیخته در بیایند. می‌دانیم که این مقدار انرژی جذب شده برای هر اتم با اتم دیگر متفاوت است. به زبان دیگر هر عنصری فقط به یک طول موج مشخص پاسخ می‌دهد. باریک بودن پرتو نور در این روش موجب می‌شود تا انرژی خاصی تولید شود و این روش بسیار دقیق و انتخاب پذیر باشد. هنگامی که اتم برانگیخته به حالت پایه برمی‌گردد طول موج مشخصی از خود ساطع می‌کند با اندازه‌گیری میزان جذب نمونه و رسم منحنی کالیبراسیون و قانون بیر لامبرت پی به میزان مجهول در نمونه می‌بریم.

آشنایی با دستگاه اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)

این دستگاه دارای ۵ قسمت اساسی است: ۱. منبع تابش ۲. اتم ساز ۳. مونوکروماتور ۴. دتکتور ۵. ثبات منبع تابش از مهمترین خصوصیاتش توانایی تولید باریکه‌ای از تابش با توان کافی و پایدار است. منابع در این روش باید خطی باشند مثل هالو کاتد لامپ‌ها hollow cathode lamps.

 

منبع تابش

هر منبع تابش (Radiation Source) باید بتواند خط طیفی (طول موج) عنصر مورد نظر را نشر کند، از شدت طیفی بالایی در مرکز طیف خطی عنصر برخوردار باشد، هدایت نوری بالایی داشته باشد و شدت تابشی آن در زمان طولانی ثابت باشد. به عبارتی دیگر منبع تابشی باید توان تولید باریکه ای از تابش با توان کافی و پایدار برای آنالیت مورد نظر را داشته باشد.

لامپ های کاتدی توخالی( HCL,Hallow cathode lamp) متداول ترین منابع تابشی هستند. این لامپ ها معمولا از یک کاتد توخالی استوانه ای از جنس عنصر مورد نظر می باشد. اعمال پتانسیل بین دو الکترود سبب یونش گاز و در نتیجه ایجاد جریان می شود. توخالی بودن کاتد سبب تجمع بیشتر الکترون ها و افزایش شدت نور تولیدی می شود. کاتیون های گازی با انرژی جنبشی مناسب سبب کندن تعداد اتم های فلزی از سطح کاتد می شوند و ابر اتمی تشکیل می شود که بخشی از آنها در حالت تهییج طیف نشری مشخصه فلز را نشر می کنند. عموما بیشتر این لامپ ها تک عنصری هستند یعنی جنس کاتد آنها فقط شامل یک عنصراست. اما گاهی ازعناصری مناسب برای ساخت یک آلیاژ کاتدی استفاده می شود که در این صورت، یک لامپ برای اندازه گیری دویا چند عنصر نیز به کار برده می شود.

 

شدت نشر به مقدار زیادی تحت تاثیر دما قرار می گیرد. به همین علت اتم سازها، نقش بسیار تعیین کننده ای در  آنالیز و اندازه گیری های طیف سنجی نشر اتمی دارند. اتم سازها در روش های نشری ضمن حلال زدایی، تبخیر و اتمی کردن نمونه، وظیفه تهییج اتم ها را نیز بر عهده دارند و بنابراین به عنوان منبع تابش نیز عمل می کنند. طیف سنجی نشر اتمی بر اساس منابع تهییج به چند دسته کلی زیر تقسیم می شوند:

• طیف سنجی نشر اتمی شعله

• طیف سنجی نشر اتمی پلاسما

• طیف سنجی نشر اتمی قوس و جرقه

• طیف سنجی نشر اتمی تخلیه تابش

انواع لامپ های منبع تابش در اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)

لامپ تخلیه بدون الکترود (Elrctrodeless Discharge Lamps, EDL) از منابع تابشی دیگری هستند که شدت نوری تا دوبرابر HCL فراهم می کنند و پهنای باند باریک تری دارند. EDL شامل یک لوله کوارتزی حاوی گاز بی اثر آرگون و مقادیر کمی از فلز یا نمک فلزی عنصر موردنظر است. در این لامپ هیچ الکترودی استفاده نشده ولی در عوض به یک منبع فرکانس رادیویی یا ماکروویو برای تهییج و یونیزه کردن اتم های آرگون نیاز است. شتاب اتم های یونیزه آرگون در میدان رادیویی و برخورد آنها با فلز سبب تولید اتم های آزاد فلز می گردد.

لامپ های EDL به زمان بیشتری برای پایدار شدن نیاز دارند و به اندازه HCL قابل اعتماد نیستند. تعداد کمی (در حدود پانزده فلز) از این نوع لامپ به صورت تجاری موجود هستند. برای فلزاتی مانند ارسنیک (As)، کادمیوم (Cd) و سلنیوم (Se) به خاطر شدت نور بیشتر حد تشخیص بهتری از HCL فراهم می کند.

اتم ساز

جذب نور نشرشده از منبع تابش توسط اتم های آزاد یک عنصر در حالت گازی صورت می گیرد. وظیفه اصلی یک اتم ساز (Atomizer) تولید اتم های آزاد مولکول ها یا یون های موجود در نمونه است. این قسمت برای دستگاه AAS بسیار با اهمیت است زیرا حساسیت اندازه گیری مستقیما با اتمی شدن آنالیت در نمونه و در نتیجه کارایی اتم ساز متناسب است.

روش های اتمی کردن متفاوتی تاکنون ارائه شده است. براساس نوع اتم ساز اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) به زیرمجموعه هایی تقسیم می شود که متداول ترین آنها اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) شعله و اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) الکتروترمال هستند.

مونوکروماتور

به طور کلی یک مونوکروماتور یا تکفام ساز (Monochromator) پرتو چندفام را به پرتو تک فام تبدیل می کند. این عمل معمولا با استفاده از منشور (Prism) و توری یا گریتینگ (Grating) صورت می گیرد. وظیفه اصلی مونوکروماتور دراسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) جداسازی طول موج موردنظر (تابش رزونانسی عنصر کاتدی) از بقیه خطوط نشری ست که مواد موجود در کاتد یا گاز پرکننده منبع تابشی از خود ساطع می کنند.

قدرت جداسازی مونوکروماتور در  AAS چندان مهم نیست چون استفاده از منبع تابش ویژه هر عنصر فلزی این روش را تا حد زیادی گزینش پذیر کرده است. در هر صورت عرض شکاف های خروجی و ورودی به منظور افزایش حساسیت پهنای باند مناسب و مزاحمت های طیفی باید بهینه شوند.

آشکارساز

آشکارسازها (Detector) سیگنال نوری را در یک طول موج ویژه اندازه گیری می کنند. به این صورت که شدت نور دریافت شده از مونوکروماتور را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. رایج ترین آشکارساز مورد استفاده در اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)، لوله های فوتو تکثیر کننده (Photomultiplier tube, PMT) هستند. اساس کار PMT بهره گیری از پدیده فوتوالکتریک است که در آن الکترون بعد از جذب انرژی، یک پرتو الکترومغناطیس از خود گسیل می کند. توانایی آشکارسازی PMT در محدوده نور مریی، ماورا بنفش و مادون قرمز نزدیک (۲۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر)  قرار دارد.

آشکارساز PMT از یک لوله شیشه ای خلاء که در آن فوتوکاتد و به دنبال آن چندین دینود (Dynode) قراردارد، تشکیل شده است. فوتوکاتد با موادی که به راحتی یونیده می شوند، پوشیده شده است. این مواد معمولا مخلوطی از فلزات قلیایی مانند آلیاژ سزیم-انتیموان، که با برخورد نور الکترون گسیل می کنند، هستند. سپس این الکترون های گسیل شده بسوی یک دینود شتاب داده می شوند. با برخورد الکترون با دینود، الکترون های ثانویه ای با ضریب مشخص تولید می شود. هدایت الکترون های تولید شده در دینود اول به دینود دوم، که پتانسیل بیشتری دارد، سبب تولید تعداد بیشتری الکترون آزاد می شود. معمولا در هرPMT  تا ۱۰ دینود استفاده می شود که چون به صورت متوالی تعداد الکترون ها در هر دینود افزایش می یابد در نهایت حتی از سیگنال های ضعیف نیز پالس بلندی تولید می شود.

ثبات

برای خواندن سیگنال نیاز به صفحه نمایشی ست که بتواند اطلاعات رسیده از دستگاه را پردازش کند. وسایل بازحوانی (readout devices) دستگاه های الکترونیکی هستند که داده های حوزه الکتریکی را به اطلاعات قابل فهم برای مشاهده کننده فراهم می کنند. داده های آنالوگ جمع آوری شده با این دستگاه توسط یک مبدل (transducer) به فرمت دیجیتالی تبدیل می شوند که سپس این سیگنال به صورت دنباله ای از علامت یا اعداد در یک ثبات نمایش داده می شود. ثبات ها به شکل های مختلف پرینتر، شمارنده های دیجیتالی،  صفحه نمایش کامپیوتر و پانل های ال سی دی موجود می باشند.

در این دستگاه نور از یک منبع مناسب به نام هالو کاتد لامپ تولید و از سیستم تک رنگ کننده به یک آشکار ساز جهت داده می شود. از انجایی که هر اتم طول موج خاصی را جذب می کند برای اندازه گیری هر عنصر منبع نورهمان عنصر بکار می رود. نمونه مورد نظر در حلال خاصی بصورت محلول در آمده و توسط شعله , کوره گرافیتی و یا سیستم هیدرید به اتم آزاد و خنثی تبدیل میشود. پس از عبور پرتوی تک رنگ , مقداری از این پرتو توسط اتم های آزاد جذب می شود و از شدت آن کم می گردد. آشکارساز مقدار نور جذب شده به وسیله نمونه را با اندازه گیری شدت نور قبل و بعد از خروج از نمونه اندازه گیری می کند .با محاسبه مقدار پرتوی جذب شده توسط آشکارساز و به وسیله منحنی های کالیبراسیون میتوان غلظت عنصر مجهول در محلول را محاسبه کرد.این تکنیک ساده بوده و از دقت, صحت, تکرارپذیری و سرعت بالایی برخوردار است.

مراحل آنالیز اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)

1. نمونه ها برای آنالیز باطیف سنج جذب اتمی ابتدا می بایست به صورت محلول هموژن شفاف در آیند.

2. یک محلول بلانک یا شاهد باید تهیه گردد. یعنی حلالی با مقدار صفر از عنصر مورد آنالیز با جذب اتمی.

3. یک سری از محلول های استاندارد می بایست تهیه گردد، این استاندارد ها حاوی غلظت های مشخص ولی متفاوت از عناصر مورد آنالیز می باشند. این استاندارد ها جهت ساخت منحنی کالیبراسیون کاربرد دارند.

4. مقدار محلول بلانک یا شاهد باید توسط دستگاه اتمیک ابزوربشن خوانده شود. این به معنای مقدار جذب صفر برای غلظت هیچ است.

5. همه استاندارد ها یک به یک باید با دستگاه Atomic Absorption خوانده شوند.

6. برای محلول بلانک و دیگر استاندارد ها همراه مقادیر جذب آنها می بایست یک نمونه منحنی کالیبراسیون رسم شود.

7. نمونه مجهول نیز توسط دستگاه جذب اتمی آنالیز شود، براساس مقایسه مقدار جذب این نمونه و مقایسه با مقادیر منحنی کالیبراسیون مقدار جذب نمونه مجهول، معلوم می شود.