آشنایی با دستگاه طیف سنجی جذب اتمی

در این مقاله به بررسی نحوه کار یک دستگاه طیف سنج جذب اتمی می پردازیم. در یک طیف سنج جذب اتمی ابتدا توسط لامپهای کاتدی توخالی یا تخلیه الکتریکی پرتو تک رنگ تولید می شود. از طرفی نمونه مورد نظر نیز در حلال خاصی بصورت محلول درآمده و توسط وسیله ای به داخل شعله پاشیده می شود و در آنجا بصورت اتم آزاد در می آید، پس از عبور پرتوی تک رنگ، مقداری از این پرتو توسط این اتم های آزاد جذب می شود و از شدت آن کاسته می گردد. سپس با محاسبه مقدار پرتوی جذب شده توسط آشکارساز و به وسیله منحنی های کالیبراسیون می توان غلظت عنصر مجهول را در محلول محاسبه کرد.

مقدمه-اجزاء دستگاه جذب اتمی
یک دستگاه طیف سنج جذب اتمی شامل اجزای زیر می باشد:
منبع اولیه ی تابش - یک طول موج گزین برای تولید تابش تکفام – یک وسیله برای افشاندن محلول به درون شعله و تولید بخار اتمی –یک آشکارساز– وسیله ای برای خواندن داده ها.

1- منابع تابش
لامپ های کاتدی توخالی و لامپ های تخلیه بدون الکترود به طور عمده برای تامین تابش اولیه در طیف سنجی جذب اتمی بکار می روند.

1-1- لامپ کاتدی توخالی
یک لامپ کاتدی توخالی شامل یک کاتد استوانه ای توخالی به قطر 20-10 میلی متر است که ازجنس فلز مورد نظر می باشد (هر فلز طول موج مشخصی را از خود ساتع می کند). این کاتد استوانه ای همراه یک سیم تنگستنی به عنوان آند در یک شیشه حاوی گاز نادری در فشار 1 تا 2 میلیمتر جیوه قرار داده شده است. الکترودها بوسیله ی پتانسیلی در حدود 200 تا 400 ولت انرژی داده می شوند و در جریانهایی تا حدود 100mA کار می کنند. گاز نادر که اساسا شامل نئون یا آرگون است به یونهای مثبت، یونیده شده و یونها پس از شتاب گرفتن به دیواره داخلی کاتد استوانه ای برخورد می کنند. اگر پتانسیل به اندازه کافی بزرگ باشد این یونهای نئون و یا آرگون انرژی جنبشی کافی برای کندن تعدادی از اتم های فلزی را از سطح کاتد پیدا می کنند و سپس اتمهای کنده شده بوسیله این یونها برانگیخته می شوند. پیکر بندی استوانه ای کاتد باعث می شود تا تابش را در یک ناحیه محدود از لوله متمرکز سازد، این طرح همچنین احتمال اینکه رسوب دادن مجدد اتمهای فلزی، روی کاتد را نسبت به رسوب دادن روی دیواره های شیشه ای را افزایش می دهد. عموما کاتد بیشتر لامپ ها فقط شامل یک عنصراست. اما گاهی ازعناصری مناسب برای ساخت یک آلیاژ کاتدی استفاده می¬شود. بنابراین، یک لامپ برای اندازه گیری دویا چند عنصر به کار برده می شود (شکل 1).

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e

شکل 1- نمایی از یک لامپ کاتدی توخالی

1-2-لامپ تخلیه بدون الکترود
در میان منابع تابش خطی، لامپهای تخلیه بدون الکترود بیشترین تابش و باریکترین پهنای خطوط نشری را دارند. این لامپها هم در جذب اتمی و هم در فلوئورسان اتمی به کار رفته و شدت تابش آنها می تواند چندین برابر لامپ های کاتد توخالی باشد. این لامپ ها متشکل از یک محفظه شیشه اى ازجنس کوارتز مى باشد که توسط گاز بى اثر با فشار چند تور (تور واحد فشار است) پرشده است. داخل این لامپ ها یک قطعه ازفلز مورد نظر یا نمک آن قرار مى گیرد و اطراف آن، سیم پیچى قرارمى گیرد که امواج رادیویى یا میکروویو ازآن عبورمى کند. بر اثر امواج رادیویى،گاز آرگون یونیده شده و تحت میدان مغناطیسى ایجاد شده با سرعت بسیار زیادى حرکت مى کند و به سطح فلز و یا نمک فلز برخوردکرده و موجب ایجاد اتمهاى زیادى درحالت برانگیخته مى شود. این اتمها در هنگام برگشت به حالت پایه، خط نشرى مورد نظر را تولید مى کنند(شکل 2).

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1

شکل 2-نمایی از یک لامپ تخلیه بدون الکترود

از آنجایی که آسیب‌پذیرترین قسمت یک لامپ، الکترود است و در اغلب موارد عامل اصلی خرابی و پایان عمر لامپ، از بین رفتن الکترود است؛ با حذف الکترود در این لامپ ها، طول عمر آنها نسبت به بقیه لامپ ها، بسیار بالا است، مگراینکه لامپ دچار شکستگی شود.

2-تکفام سازها یا صافی ها
این قسمت از دستگاه، پرتو چند فام را به پرتو تکفام تبدیل می‌کند. در واقع دستگاه باید قادر به ایجاد یک پهنای نوار باریک باشد تا خط انتخاب شده برای اندازه گیری را از خطوط طیفی دیگری که ممکن است مزاحمت ایجاد کنند یا حساسیت را کاهش دهند، جدا سازد. انتخاب گرهای طول موج به دو دسته صافی ها و تکفام سازها تقسیم می شوند. صافی ها خود به دو دسته صافی های تداخلی و صافی های جذبی طبقه بندی می¬شوند.

2-1- صافی ها:
2-1-1– صافی های جذبی:
این صافی ها که عموما نسبت به صافی های تداخلی بهای کمتری دارند استفاده گسترده ای برای انتخاب طیف در ناحیه مرئی را دارند و با جذب بخش مشخصی از طیف، کار می کنند. معروف ترین نوع آن، از شیشه های رنگی یا تک رنگ که به صورت معلق در ژلاتین درآمده و بین صفحات شیشه ای قرارداده شده، تشکیل گردیده است. پهنای موثر نوار در مورد این صافی ها، بین 30 تا 300 نانومتر است ( پهنای پیک در نصف ارتفاع را پهنای موثر باند می گویند . این پهنا برای معرفی صافی ها استفاده می شود و هرچه پهنای موثر کوچکتر باشد، محدوده عبوری نور کمتر خواهد بود). صافی هایی می توانند باریک ترین پهنا را تولید کنند که قسمت قابل توجهی از تابش دلخواه را جذب کنند. این صافی ها ممکن است شدت عبوری در حدود 10 درصد یا کمتر در پیک های نوار خودشان داشته باشند. خصوصیات عملی صافی های جذبی بطور قابل ملاحظه ای نسبت به صافی های نوع تداخلی برتری دارد.

2-1-2– صافی تداخلی :
در صافیهای تداخلی، از یک باریکه موازی، تنها طول موج خاصی از آن عبور می کند و بقیه طول موجها، بازتابیده می شود و همان طور که از اسم آن مشخص است صافی های نوری متکی به تداخل نوری هستند تا نوارهای باریک تابشی. این صافی ها در نواحی فرابنفش، مرئی و مادون قرمز، کاربرد دارند. نمایی از این نوع صافی در شکل 3 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9

شکل 3- نمایی از یک صافی تداخلی

یک صافی تداخلی از دو لایه نیمه شفاف فلزی (لایه های کرمی رنگ در شکل 3) و از دو لایه شفاف (قسمت خاکستری رنگ شکل 3) تشکیل شده است . قسمت سفید، لایه دی الکتریک است که ضخامت آن طول موج این تابش عبوری را تعیین می کند. وقتی یک پرتو عمودی از تابش با این آرایش برخورد می کند یک قسمت از آن، از میان نخستین لایه فلزی عبور کرده در حالی که قسمت باقی مانده، منعکس می شود. بخشی از نور عبوری وقتی به لایه بعدی فلز برخورد می کند بازتاب می شود. اگر قسمت بازتابیده، تداخل سازنده با نور فرودی داشته باشد در این طول موج خاص، نور تقویت می شود در حالیکه اغلب طول موج های دیگر با طول موج بازتابیده هم فاز نبوده و دستخوش تداخل مخرب می شود. صافی های تداخلی با پیک های قابل عبور در سراسر ناحیه فرابنش و مرئی و تا حدود 14 میکرومتر در مادون قرمز در دسترس می باشند. بطور کلی پهنای نوار موثر 1.5 درصد از طول موج عبوری پیک است. با این وجود در این حالت در بعضی از صافی ها نوار باریک تا 0.15 درصد از طول موج عبوری کاهش می یابد. این صافی ها دارای ماکسیمم شدت عبوری برابر 10 درصداند.

2-2- تکفام سازها:
تکفام ساز وسیله ای است که تابش را به اجزا سازنده آن تفکیک کرده و هر قسمت دلخواهی از طیف را از باقیمانده آن جدا می کند. قطعات یک تکفام ساز: 1- یک شکاف ورودی، 2- یک عدسی محدب یا آینه که یک پرتو موازی از تابش تولید می نماید، 3- یک قطعه اپتیکی مانند منشور که تابش را به طول موج های تفکیک شده تبدیل می کند، 4- یک عنصر جمع کننده که تصویر پرتو را روی سطح تختی جمع می کند که صفحه جمع کننده نام دارد، 5 - یک منفذ خروجی در صفحه جمع کننده که باند طیفی دلخواه را جدا می نماید. در تکفام ساز منشوری، نوری که از درون یک شکاف ورودی وارد می شود توسط یک عدسی موازی شده و سپس با زاویه ای به سطح منشور برخورد می کند. برای نور در هر دو سطح منشور شکست اتفاق می افتد و پس از آن بر روی سطحی که کمی خمیده است و حاوی شکاف خروجی است متمرکز می شود. با چرخاندن منشور می توان از شکاف تابش با طول موج های مورد نظر داشت. تکفام سازهای منشوری، برای پراکنده کردن تابش فرابنفش، مرئی و مادون قرمز مورد استفاده قرار می گیرند. مواد مورد استفاده برای ساختن آنها اگرچه به طول موج بستگی دارد، متفاوت است.

3- وسایل لازم برای تشکیل بخارهای اتمی
هدف ازاتم سازی نمونه، تولید اتم های آزاد است. اتمهای آزاد اتم هایی هستند که با اتم های دیگر ترکیب نمی شوند. هیچ اتمی به حالت آزاد وجود ندارد بجز اتم گازهای نادر که با هم به صورت مولکولی در می آیند. بنابراین برای ایجاد اتم های آزاد ضروری است که مولکول ها شکسته شوند. این فرایند را اتم سازی گویند. بهترین روش برای اتمی کردن مولکول ها، تفکیک آنها به وسیله گرماست. برای آنالیز محلول ها، از شعله به عنوان منبع گرما استفاده می شود و نمونه برای تبدیل به اتم های آزاد در دمای زیاد گرم می شود. این روش را روش اتم سازی شعله ای می گویند (شکل 4 الف). در روش غیرشعله ای کوره گرافیتی برای اتم سازی محلول ها، محلولهای آبکی و نمونه-های جامد مورد استفاده قرار می گیرد. (شکل 4 ب).

filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6

شکل 4- الف) نمایی از یک دستگاه اتم ساز نوعی در حضور شعله ای از جنس هوا-استیلن (شکل سمت راست) ب) نمایی از دستگاه اتم سازی بدون شعله(شکل سمت چپ).

3-1- روش شعله :
در این حالت، تمام یا قسمتی از محلول یک نمونه به صورت مه رقیقی به داخل شعله ای که در مسیر تابش از منبع قرار دارد، افشانده می شود (مهپاش). نواحی مهم شعله از پایین به بالا عبارتند از پایه، مخروط داخلی، منطقه واکنش و پوشش بیرونی (شکل 5).

filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a

شکل 5- نواحی مهم یک شعله

محلول نمونه به صورت قطره های ریز به درون شعله پاشیده و به علت گرمای زیاد شعله، حلال موجود درمحلول با سرعت زیاد تبخیر می-شود. ذرات جامد مواد حل شده که پس از تبخیر حلال باقی می مانند، ذوب شده و به مایع تبدیل می شوند، سپس به حالت گازی درآمده و در پایان به اتم تفکیک می شوند. در این منطقه است که فرایند های تحریک و جذب نیز شروع می شوند و قسمتی از تابش لامپ که از درون شعله می گذرد، توسط اتم های نمونه جذب می گردد. با وارد شدن به منطقه واکنش، اتمها به اکسید تبدیل می شوند. این اکسیدها سپس از داخل پوشش بیرونی عبور می کنند و متعاقبا از شعله دفع می شوند. هر قطره ای که به داخل شعله کشیده می شود نباید الزاما این تسلسل را طی کند. در حقیقت بسته به اندازه قطرات و سرعت عبور جریان، قسمتی از نمونه ممکن است اساسا بدون تغییر از داخل شعله عبور کند. سوخت های بکار رفته برای تولید شعله عبارتند از گاز طبیعی، پروپان، بوتان، هیدروژن و استلین که پر مصرف ترین آن استیلن می باشد. اکسنده های معمولی عبارتند از هوا، هوای غنی شده با اکسیژن، اکسیژن و نیتروس اکسید. شعله هوا-استیلن در گستره وسیعی به کار برده می شود و حدود 30 عنصر با این شعله اندازه گیری می شوند. شعله نیتروس اکسید-استیلن بالاترین دما را در طیف بینی جذب اتمی تولید می کند. این شعله به طور موثری برای تجزیه عناصری مانند Al ,V ,Ti که تشکیل مولکول های اکسیدی خیلی پایدار می دهند و به سختی در دماهای معمولی مثلا در شعله هوا-استیلن به اتم تبدیل می شوند، به کار برده می شود. مخلوط نیتروس اکسید و استیلن به علت خطر انفجار کمتر آن در مواقع نیاز به یک شعله داغ ارجحیت دارد. شعله هایی که هیدروژن را به عنوان سوخت به کار می برند مانند هوا- هیدروژن این مزیت را دارند که جذب تابش به وسیله شعله، در گستره طول موج کوتاه، بی نهایت کم است. این شعله ها در مقایسه با شعله ی هوا-اکسیژن نوسان کمتری دارند. بنابراین، تجزیه عناصری مانند As ,Se ,Zn ,Pb ,Sn با خطوط تجزیه-ای با طول موج کوتاه در این شعله ها صورت می گیرد. یکی از معایب شعله های هیدروژنی این است که دمای شعله کم است. ناحیه ای از شعله که در آن حداکثر جذب یا نشر اتفاق می افتد به متغیرهایی نظیر اندازه قطرات، نوع شعله بکار رفته، نسبت اکسنده به سوخت و تمایل گونه ها به وارد شدن در تشکیل اکسید، بستگی دارد.

3-2- روش غیرشعله ای
روش اتم سازی بدون شعله توسط لوف توسعه یافت. او یک لوله گرافیتی گرم شده را که حساسیتی حدود 10 تا 100 برابر روش اتم سازی با شعله داشت به کار برد. کوره گرافیتی در مقایسه با شعله از مزایای بیشتری برخوردار است. در این وسیله نمونه ها مستقیماً درون کوره گرافیتی قرار می گیرند و کوره طی چند مرحله به صورت الکتریکی گرم شده و نمونه را خشک می کند. دمای لوله گرافیتی به طور آزادانه منطبق با تغییر جریان به کار برده شده به داخل لوله است و لوله گرافیتی به آهستگی گرم می شود تا اینکه نمونه در داخل لوله حرکت داده شود. بعد از گرم کردن، عمل تبخیر ترکیبات اصلی صورت می گیرد. در نهایت، لوله تا دمایی حدود 3000 درجه سانتیگراد گرم می گردد تا ترکیبات اتمی شوند. در این حین گاز نیتروژن و گاز بی اثری مانند آرگون از میان لوله گرافیتی جریان پیدا می کند تا لوله را از هوا تخلیه کند و از اکسایش جلوگیری شود.

3-3- روش های شیمیایی :
در تجزیه ی ارسنیک، سلنیم، جیوه و بعضی از عناصر خاص دیگر، اغلب روش های اتم سازی مختلفی که حساسیت بیشتری از روش های اتم سازی شعله ای یا بدون شعله دارند، به کار برده می شود. در این روش ها، بعضی از واکنش های شیمیایی ر ا برای اتم سازی به کار می برند، به طوری که نمونه در حالت مولکولی ساده بتواند تبخیرگردد. مثلا در مورد ارسنیک، یون های ارسنیک یا پتاسیم یدید و استانوکلرید به یون های سه ظرفیتی کاهیده می شوند. سپس پودر روی به یونهای در حالت اسیدی اضافه می گردد. اسید و روی واکنش داده و هیدروژن آزاد می شود. ارسنیک با هیدروژن ترکیب و ASH تولید می شود که کاملا فرار است و بلافاصله تبخیر می گردد. این گاز به داخل شعله آرگون-هیدروژن فرستاده و به سادگی شکسته می شود و اتم های ارسنیک به صورت آزاد تولید می گردند. در مورد جیوه که در یک محلول به صورت یونهای مثبت وجود دارد، وقتی که یونها در حالت طبیعی کاهیده می شوند، به صورت اتم های آزاد تحت شرایط دمای طبیعی تبخیر خواهند شد. استانوکلرید به عنوان عامل کاهنده به کار برده می شود و اتم های جیوه به صورت آزاد از میان یک سلول گازی شکل که طول مسیر نوری آن 10 تا 30 سانتی متر است، جریان می یابند.

4-آشکارسازها و شناساگرها
‎دستگاه‌هایی هستند که یک نوع از انرژی را به نوع دیگری تبدیل می کنند و معمولا به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند: 1-فتوالکتریک 2-فتوشیمیایی و 3- حرارتی. رایج ترین آنها، دستگاه‌ فوتوتکثیرکننده است که انرژی تابشی را با بهره گیری از پدیده فوتوالکتریک به علامت الکتریکی تبدیل می کند و توانایی آشکارسازی نور مرئی، ماوراءبنفش و فرکانس های نزدیک مادون قرمز را دارد. این آشکارسازها می توانند نور تابشی را تا صد برابر تقویت کرده و حتی در شرایطی که شار فرودی خیلی کم است آن را آشکارسازی کند. یک فوتوتکثیرکننده، شامل یک فوتوکاتد و چندین کاتد ثانویه و یک آند است. فوتوکاتد با ماده‌ای نظیر آلیاژ سزیم–آنتیموان که به سهولت یونیده می‌گردد، پوشیده می‌شود. چنانچه فوتون فرودی برای یونش ماده، به قدر کافی پرانرژی باشد موجب کنده شدن الکترون می شود و بدین ترتیب پرتو نور به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. اگر لوله‌های فوتو تکثیرکننده بسیار کارآمد هم باشند، جریان تولید شده توسط این فرایند کوچک است و سیگنال با استفاده از فرآیند نشر ثانوی که در زیر توضیح داده می شود، تقویت می‌شود:

filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257

شکل 6- نمایی از یک فوتو تکثیرکننده

همانطور که در شکل 6 دیده می شود تکثیرکننده الکترون از تعدادی الکترود تشکیل شده‌است که کاتد ثانویه نامیده می‌شوند. تمامی این کاتدهای ثانویه در ولتاژی مثبت تر از کاتد ثانویه قبل از خود قرار داده می‌شوند. نخستین الکترون کنده شده از فوتوکاتد، مقداری انرژی از فوتون‌های وارده دارد و وقتی وارد اولین کاتد ثانویه می‌شود به‌وسیله میدان الکتریکی شتاب می‌گیرد و به انرژی بالاتر می‌رسد. سپس الکترون‌ها به سمت دومین کاتد ثانویه شتاب می‌گیرند. کاتد ثانویه‌ها به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند و در هر صورت در هر مرحله تعداد الکترون‌های تولید شده افزایش می‌یابد و در آخر به آند می‌رسند جایی که انباشتگی بارها یک جریان زیاد را نتیجه می‌دهد. لامپ‌های تکثیرکننده نور برای کارکرد درست به ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ ولت اختلاف پتانسیل اعمالی احتیاج دارند.

5-دستگاه نمایش خروجی ‏‎
‎این قسمت، می‌تواند یک گالوانومتر، صفحه ثبات، اسیلسکوپ یا صفحه نمایشگرکامپیوتر با نرم افزارهای متنوع باشد.

نتیجه گیری:
درطیف سنجی جذب اتمی، عنصر مورد اندازه گیری باید به حالت اتمی کاهش یابد و سپس سر راه پرتو فرودی از منبع تابش مناسب قرارگیرد. با توجه به میزان جذب طیف عبوری از نمونه می توان مقاد‌یر عناصر فلزی و شبهه ‏فلزی د‌ر ترکیبات معد‌نی طبیعی و سنتزی، فلزات و آلیاژها را اندازه گیری نمود. از مزایای عمد‌ۀ طیف سنجی جذب اتم، ارزان بود‌ن هزینۀ د‌ستگاه و آنالیز است.

سایت بهداشت محیط ایران

سایت بهداشت محیط ایران