برچسب: طیف سنجی

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.

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

همه چیز درباره طیف سنجی نشر اتمی (AES)

 

مقدمه

طیف‌سنجی نشر اتمی (AES) روشی برای تجزیه و تحلیل شیمیایی است که از شدت نور تابیده شده از شعله، پلاسما، قوس یا جرقه در طول موج ویژه استفاده می‌کند تا مقدار عنصر را در یک نمونه مشخص کند. طول موج خط طیف اتمی در طیف انتشار، هویت عنصر را نشان می‌دهد در حالی که شدت نور تابیده شده با تعداد اتم‌های عنصر متناسب است.

اساس کار طیف سنجی نشر اتمی

اساس روش های طیف سنجی نشر اتمی (Atomic Emission Spectroscopy)  با نام اختصاری AES اندازه گیری شدت نشر یون یا مولکول در حالت گازی است. یون ها یا مولکول های گازی شکل که الکترون های لایه ظرفیت آنها بر اثر گرما، واکنش شیمیایی یا جریان الکتریکی تهییج می شوند، تابش های مشخصی در طول موج های مرئی و ماوراء بنفش دارند. مانند طيف جذبی، در طيف نشری هر عنصر نیز طول موج هاي معينی وجود دارد كه از ويژگی های مشخصه آن عنصر است. يعنی طيف های نشری و جذبی هيچ دو عنصري مثل هم نيست. اندازه گیری تابش نشر شده عنصر مورد نظر کاربرد زیادی در آنالیز کمی و کیفی عناصر فلزی و شبه فلزی دارد. شکل زیر شمای کلی فرایند جذب و نشر اتمی بین دو تراز انرژی را نشان می دهد.

 

شدت نشر خودبخودی تابشی توسط یک اتم از رابطه زیر بدست می آید:

I_em=A_jihν_jiN_{j                                        (1)}

که در آن I_em شدت نور تابشی، A_ji احتمال انتقال برای نشرخودبخودی، h ثابت پلانک، ν_ji فرکانس تابشی و N_j تعداد اتم در حالت برانگیخته است. تعداد اتم های برانگیخته و در نتیجه شدت نشر متناسب با غلظت اتم ها ست. بنابراین رسم شدت نشر بر حسب غلظت یک خط صاف خواهد بود (در غلظت های پایین)..

اگر تعادل ترمودینامیکی برقرار باشد رابطه توزیع بولتزمن برای غلظت اتم ها در حالت برانگیخته و پایه به صورت زیر بیان خواهد شد:

N_j/N_o=(g_j/g_o)e^-Ej/kT                                              (2)

که در آن N_j و N_o تعداد اتم ها در حالت برانگیخته (ترازj ) و تراز پایه، g_j و g_o وزن های آماری این ترازها، Ej اختلاف انرژی تراز برانگیخته و پایه، K ثابت بولتزمن و T دما ( برحسب کلوین) هستند.

در طیف سنجی نشر اتمی، تابش نشر شده توسط اتم های تهییج شده متناسب با غلظت اتم ها ست در صورتی که در جذب اتمی تابش جذب شده به وسيله اتم های تحريک نشده تعيين می شود. تعداد اتم های تهییج شده نسبت نمایی با دما دارد. بنابراین شدت نشر که به تعداد اتم های تهییج شده بستگی دارد به مقدار زيادی تحت تاثير دما قرار می گيرد. در حالی که در طیف سنجی جذب اتمی، که تعداد اتم های تهییج نشده بااهمیت است، شدت جذب مستقيما تحت تاثير دمای اتم ساز قرار نمی گيرد.

دستگاهوری طیف سنجی نشر اتمی

طیف سنجی نشر اتمی از نظر دستگاهوری (Instrumentation) شبیه طیف سنجی جذب اتمی ست جز این که به منبع تابشی در روش نشری نیازی نیست. به همین علت به راحتی با خاموش کردن منبع تابشی (معمولا HCL) می توان یک طیف سنجی جذب شعله را به یک طیف سنجی نشرشعله تبدیل کرد. اما بیشتر روش های نشری به دلیل استفاده از منابع اتمی کننده و تهییجی اختصاصی تری مانند پلاسما، قوس، جرقه و لیزر طراحی های پیچیده تری دارند. اجزا کلی یک طیف سنج نشری در شکل زیر نشان داده شده است.

 

منبع تابش

همان طور که گفته شد تعداد اتم های تهییج شده طبق توزیع بولتزمن نسبت نمایی با دما دارند (رابطه 2). بنابراین شدت نشر به مقدار زيادی تحت تاثير دما قرار می گيرد. 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 اتمي پلاسما

• طیف سنجی نشر اتمي قوس و جرقه

• طیف سنجی نشر اتمی تخلیه تابش

طیف سنج

همان طور که گفته شد طیف های نشری بسیار پیچیده تر و شلوغ تر از طیف های جذبی هستند. بنابراین طیف سنج (Spectrometer) در نشر اتمی اهمیت بسیار ویژه تری نسبت به روش های جذب دارد. ضمن اینکه همه عناصر موجود در نمونه نیز بعد از تهییج در منبع تابش به طور همزمان طیف نشری خود را منتشر می کنند. بنابراین واضح است که از این روش برای اندازه گیری چند عنصری استفاده شود.

برای طیف سنجی نشر اتمی شعله، که دمای کمتری دارد و برای آنالیز عناصر قلیایی و قلیایی که طیف نشری ساده ای دارند به کار می رود، از فیلتر فومتر برای تفکیک طول موج استفاده می شود.

تفکیک طول موج برای طیف های بسیار پیچیده نشری حاصله از پلاسما، قوس و جرقه الکتریکی که دمای بالاتر دارند، نیاز به وسایل نوری پیشرفته تری دارد. این تجهیزات باید بتوانند تفکیک طول موجی بالا (حداقل 0.01nm)، محدوده دینامیکی گسترده، شناسایی و انتخاب صحیح طول موج، پایداری بالا در برابر تغییرات محیطی و تصحیح زمینه آسانی داشته باشند.

طیف سنج ها در این دستگاه ها شامل تک فام ساز، آشکارساز و یک مبدل هستند. طیف سنج ها بر اساس عملکردشان در تفکیک طول موج و در نتیجه آنالیز عنصری به دو نوع ترتيبی (Sequential) و همزمان (Simultaneous) تقسیم می شوند.

طیف سنج ترتیبی (Sequential spectrometer)

در دستگاه های ترتیبی در هر زمان شدت نشری یک عنصر اندازه گیری می شود یعنی به صورت متوالی و پشت سرهم شدت خط نشری عناصر مورد نظر یک به یک اندازه گیری می شود. طیف سنج های ترتیبی اغلب شامل یک گریتینگ (grating) یا توری هستند که با چرخش کنترل شده طول موج های مورد نظر را به ترتیب بر روی شکاف خروجی متمرکز می کند. در این نوع دستگا ها آشکارساز در هر زمان فقط یک طول موج را اندازه گیری می کند و معمولا هم از آشکار ساز PMT استفاده می شود. برای اندازه گیری چند عنصر دستگاه های ترتیبی زمان بسیار بیشتری برای آنالیز مورد نیار است بنابراین اگرچه این دستگاه ها ساده تر و ارزان تر هستند ولی مصرف نمونه بیشتر و زمان آنالیز بالاتری دارند.

طیف سنج همزمان (simultaneous spectrometers)

طیف سنج های همزمان یا چند کاناله (multichannel) شدت خط نشری همه عناصر مورد نظر در یک زمان اندازه گیری می شود. تابش از میان توری های چند رنگ کننده گذر می کند و روی شکاف هاي گوناگون بازتابانده می شود به گونه اي که هر شکاف طول موج ویژه اي را پدید می آورد. دونوع عمومی دارند: چندرنگ کننده ها (Polychromator) و اسپکتروگراف (Spectrograph). پلی کروماتورها برای اندازه گیری و آنالیز همزمان چند عنصر استفاده شده و از چندین آشکار ساز PMT برای اندازه گیری شدت طیفی استفاده می کنند. عمومی ترین آرایش یا چیدمان یک اسپکترومتر چند کاناله با آشکار ساز PMT به دایره رولند (Rowland circle) معروف است که در شکل زیر به صورت شماتیک نشان داده شده است:

 

اسپکتوگراف ها شامل یک سری آشکارسازهای کوچک فوتوحساس هستند.  این  آشکارسازهای به گونه ای در کنار هم قرار گرفته اند که تمام عناصر یک دسته پرتو پاشیده شده از مونوکروماتور را هم زمان اندازه گیری می کند. دو نوع آشکار ساز دستگاه انتقال بار (Charge transfer devices) شامل دستگاه شارژ تزریقی (Charge-Injection Devices, CID) و دستگاه شارژ جفتی (Charge-Coupled Devices, CCD) از انواع متداول آشکارسازهای مورد استفاده در اندازه گیری های چند کاناله همزمان هستند.

در وسایل انتقال بار برخورد فوتون با سطح دیود تولید جفت های حفره- الکترون می کند. حفره-الکترون های مثبت به طور آزادانه در نیمه هادی نوع P حرکت می کند اما الکترون ها در خارن های ذخیره می شوند. هر خازن دارای یک الکترود کوچک نیز هست که با اعمال پتانسیل مثبت به این الکترود سبب می شود الکترون های تولید شده در زیر لایه عایق به دام بیافتند. با جاگذاری درست الکتردهای فلزی به راحتی یک آرایه دو بعدی ایجاد می شود. تفاوت CCD و CID  در نوع بازخوانی آنهاست. در CCD بازخوانی به صورت انتقال پیاپی بار به آمپلی فایر صورت می گیرد اما در CID بازخوانی با انتقال بار بین الکترودهای مجاور انجام می شود. این سبب می شود نوع CID دسترسی تصادفی سریعتر  و  زمان های انتگرال گیری بیشتری را داشته باشد.

نکات آنالیزی روش های طیف سنجی نشر اتمی

• امکان آنالیز کمی و کیفی عناصر فلزی و شبه فلزی

• برای بیشتر عناصرحد تشخیص در محدوده (g/mL, mg/μL) یا ppm و (g/μL) یا ppb

• امکان اندازه گیری مستقیم نمونه های جامد ( روش قوس و جرقه الکتریکی)

• اندازه گیری هم زمان چند عنصری

• عدم نیاز به منبع تابش نور

• مزاحمت نشری در آنالیزهای کمی

• تجهیرات گرانتر و شرایط اپراتوری پیچیده تر  نسبت به روش های طیف سنجی جذب اتمی

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

معرفی رشته شیمی تجزیه و کاربرد آن

معرفی شیمی تجزیه :

شیمی تجزیه (Analytical Chemistry) یکی از زیر شاخه های مهم و کاربردی علوم پایه شیمی است که به مطالعه تشخیص ، جداسازی و تعیین یک یا چند گونه شیمیایی میپردازد.

انواع آنالیز:

1.تجزیه کمی :

در تجزیه کمی مقدار یا غلظت دقیق مواد تعیین میشود.

2.تجزیه کیفی :

در تجزیه کیفی هدف شناسایی مواد و نوع اجزای ماده است.

“به طور کلی تجزیه کیفی بر تجزیه کمی مقدم است یعنی ابتدا نوع اجزای یک نمونه و بعد مقدار کمی آنها تعیین میشود.”

روش های آنالیز :

1. تجزیه کلاسیک :

مهم ترین روش های تجزیه کلاسیک روش های وزن سنجی و روش های تیتراسیون هستند که از ابزار های چنان پیشرفته ای استفاده نمی شود.به عنوان مثال روش وزن سنجی رسوبی که دقیق ترین روش تجزیه کمی ماکرو است که در این روش جسم مورد تجزیه به صورت انتخابی به رسوبی کم محلول تبدیل شده و پس از صاف کردن و شست و شو با حلال مناسب برای خارج کردن ناخالصی ها ، خشک یا سوزانده شده و در کوره به محصولی پایدار و ثابت تبدیل میشود و پس از سرد کردن در خشکانه نمونه توزین شده  و مقدار آن تعیین میشوند مانند اندازه گیری آهن به صورت آهن (III) اکسید (Fe₂O₃) یا اندازه گیری یون نیکل (ΙΙ) با استفاده از شناساگر دی متیل گلی اکسیم(DMG) ,… .

2.تجزیه دستگاهی :

در این روش از ابزار ها و دستگاه های پیشرفته تر استفاده میشود که از جمله این روش ها میتوان روش های کروماتوگرافی ، روش های طیف سنجی و روش های الکتروشیمی را نام برد.

تاریخچه شیمی تجزیه :

شیمی تجزیه از همان آغاز پیدایش علم شیمی مهم بوده است، و شامل روش هایی برای تعیین اینکه کدام عناصر و مواد شیمیایی در نمونه ماده مورد نظر وجود دارد، است. در طول این دوره، کمک های مهم در شیمی تجزیه شامل تجزیه و تحلیل عناصر سیستماتیک توسط جاستیوس وون لیبیگ (Justus von Liebig) ارائه شد.

اولین تجزیه و تحلیل ابزاری ، طیف سنجی انتشار شعله ای بود که توسط دو دانشمند معروف رابرت بونزن (Robert Bunsen) و گوستاوکیرشووف (Gustav Kirchhoff) صورت گرفت و باعث کشف روبیدیوم (Rb)و سزیم (Cs) در سال1860  شد.

بیشتر تحولات عمده در شیمی تجزیه پس ازسال 1900 اتفاق افتاد . در طول این دوره، تجزیه و تحلیل ابزاری به طور مداوم در این زمینه گسترش یافت . به ویژه، بسیاری از تکنیک های اولیه اسپکتروسکوپی و اسپکترومتریک در اوائل قرن بیستم کشف شده و در اواخر قرن بیستم تصحیح شد.

مفاهیم پایه شیمی تجزیه :

– نمونه : قسمتی از ماده که عمل تجزیه تحلیل وآنالیز بر روی آن انجام میگیرد.

-آنالیت : بخشی از نمونه است که بررسی و اندازه گیری کمی بر روی آن انجام میشود.

معرفی روش های کلاسیک :

1.روش های وزن سنجی (Gravimetric Methods)

– روش های تجزیه الکتریکی

– روش های رسوبی

– روش های استخراج یا تبخیر

– روش های فیزیکی متفرقه

2.روش ها حجم سنجی (Volumetric Methods)

– تیتراسیون های خنثی شدن اسید و باز

– تیتراسیون های اکسایش کاهش

– تیتراسیون های رسوبی

– تیتراسیون های کمپلکس سنجی

3.روش های الکترو شیمیایی (Electrochemical Methods)

– اندازه گیری شدت جریان

– اندازه گیری تغیرات ولتاژ

– اندازه گیری رسانایی الکتریکی

– اندازه گیری تغییرات مقاومت

4.روش های طیف سنجی (Spectroscopic Methods)

– طیف سنجی جذب مولکولی

– طیف سنجی جذب اتمی

– طیف سنجی نشری

– طیف سنجی فلوئورسانس مولکولی

کاربرد های شیمی تجزیه :

1. کنترل کیفیت محصول:

اکثر صنایع تولیدی باید دارای استاندارد و کیفیت یکنواخت باشند. برای اطمینان از استاندارد و کیفیت مواد اولیه و محصول نهایی تولید شده آزمایش های تجزیه شیمیایی گسترده ای انجام می شود.

2.نمایش و کنترل کننده آلوده کننده ها :

بیشتر محصولات شیمیایی نیاز به کنترل و تعیین آلودگی که ایجاد میکنند دارند مانند حشره کش های آلی کلر دار و فلزات سنگین پسماندهای صنعتی به این منظور به یک روش حساس و صحیح نیاز است که تجزیه شیمیایی این کار را ممکن ساخته است.

3.مطالعات پزشکی و بالینی :

اندازه گیری کمی و کیفی عناصر و ترکیبات مختلف مایعات بدن و خون توسط تجزیه های شیمیایی صورت میگیرد که در آزمایشگاه ها بسیار حائز اهمیت است. مانند اندازه گیری قندخون ، اندازه گیری فلزات سنگین مانند (جیوه ، آرسنیک ، کروم، کادمیم ، نیکل ، سرب ، آلومینیم ، مس ، روی و…)

4.عیار سنجی :

در برخورد با سنگ های خام تعیین ارزش سنگ های قیمتی درون آن در تجارت بسیار مهم است به طوری که تغییرات خیلی کم غلظت در ارزش تجاری آنها تاثیر گذار است. بنابراین انتخاب یک روش دقیق و صحیح تجزیه ای در تعیین عیار این سنگ ها بسیار مهم است.

5. صنایع داروسازی :

شیمی تجزیه یکی از مهمترین عوامل در تولید داروهای مورد نیاز می باشد.

6. اندازه گیری سختی موقت و دائم آب :

در این روش مقدار کلسیم موجود در آب را اندازه میگیرند. اساس اندازه گیری کلسیم در حضور منیزیم پایدار تر بودن کمپلکس(Ca(EDTA نسب به (Mg(EDTA است. EDTA ابتدا با Ca²⁺ وسپس باMg²⁺کمپلکس تشکیل میدهد.

هدف شیمیدان های تجزیه :

بسیاری از متخصصان شیمی تجزیه بر روی یک نوع ماده و ابزار تمرکز می کنند. دانشگاهیان تمایل دارند تا برنامه های جدید و اکتشافات و یا روش های جدید تجزیه و تحلیل تمرکز کنند. کشف یک ماده شیمیایی موجود در خون که خطر ابتلا به سرطان را افزایش می دهد، کشفی است که ممکن است یک شیمیدان تجزیه درگیر آن  باشد.

بطور کل شیمی تجزیه یکی از اساسی ترین زیر شاخه های شیمی است که در تمام صنایع قابل مشاهده است و یک شیمیدان تجزیه به دنبال روش های جدید اندازه گیری ، جداسازی و شناسایی مواد شیمیایی است تا بتواند روش های سریع و ارزان برای اندازه گیری آنالیت موجود در نمونه ها و مواد شیمیایی ارائه دهد.