آنچه در این مقاله میخوانید
یکی از روش های شناخت ساختار سیستم های فیزیکی و شیمیایی تکنیک های مختلف طیف سنجی اتمی است که فرایند جذب یا گسیل تابش الکترومغتاطیسی اتم را مورد بررسی قرار داده و اطلاعاتی را در مورد ساختار آنها ارائه می دهد.
طیف سنجی اتمی ابزاری قدرتمند برای آنالیز ترکیبات شیمیایی و ساختار اتمی یک ماده است که ممکن است یک ترکیب خالص یا مخلوط یا محلولی از دو یا چند فاز مختلف از یک ماده کریستالی یا آمورف باشد.
در حقیقت، این تکنیک تحلیلی برای تعیین مقدار عناصر خاص (غلظت) در یک نمونه استفاده می شود و از این اصل استفاده می کند که اتم ها (و یون ها) می توانند نور را در یک طول موج خاص و منحصر به فرد جذب کنند.
در صورت تابش این طول موج خاص، انرژی ان توسط اتم جذب می شود و معمولاً بررسی سطوح انرژی و گذارها بر مبنای یک فرایند کلی صورت می گیرد. سپس، سطوح انرژی، احتمال گذارها و غیره تعیین می گردد.
این تکنیک آنالیز ابزاری برای آنالیز سریع فلزات است که هم برای آنالیزهای کمی و هم برای موارد کیفی مورد استفاده قرار می گیرد.
کمیت های بنیادین مربوط به اتم ها (مانند غلظت، طیف جذب و …) که از طریق طیف سنجی اتمی تعیین می شوند، اهمیت مستقیم و به سزایی در بسیاری از بخش های علمی، مانند نجوم، لیزر و فیزیک پلاسما دارند.
این تکنیک طیف سنجی، درجه بالایی از دقت را ارائه می دهد، یک روش تست بسیار حساس است و نتایج معمولاً در محدوده 0.5-5٪ دقت تولید می شود.
این حساسیت بالا آن را برای کاربردهای پزشکی و دارویی ایده آل می کند، جایی که می توان از آن برای تشخیص سطوح کمی از سموم استفاده کرد.
همچنین می توان از آن در کاربردهای صنعتی مانند صنایع فلزی و معادن استفاده کرد (عناصری مانند Fe، Cu، Al، Pb، Ca، Zn، Cd و …)، جایی که اغلب برای آزمایش فلزات و سنگ ها در فرایند استخراج استفاده می شود.
طیف سنجی اتمی را می توان برای تعیین غلظت بیش از 65 عنصر در یک فرآیند نسبتاً ساده استفاده کرد که به حداقل آموزش برای انجام تجزیه و تحلیل نمونه نیاز دارد. غلظت های معمولی در محدوده mg/L پایین (ppm) قرار دارند.
به طور کلی همانند دیگر دستگاه های اسپکترومتری، یک دستگاه طیف سنجی اتمی از چندین بخش اصلی و کلیدی تشکیل می شود:
در بسیاری از تکنیک های نوین، مواد مورد آنالیز تحت انواع مختلفی از میدان های استاتیک یا نوسانی نیز قرار می گیرند تا تصویر واضح تری از کل سیستم حاصل شود. آرایش کلی یک ستاپ طیفی در شکل 2 نمایش داده شده است.
نور با طول موج مشخص از بخار اتمی عنصر مورد نظر عبور می کند و اندازه گیری شدت نور در نتیجه جذب توسط اتم ها در حالت “برانگیخته” انجام می شود.
به طور کلی، انتخاب روش طیف سنجی، به محدوده انرژی تابشی و پدیده مورد بررسی بستگی دارد و این محدوده ها، با استفاده از رابطه ساده E=h ν (انرژی ذرات فوتون) تقسیم بندی می شوند.
این معادله، انرژی هر فوتون تابشی (ذره) را با ویژگی های موج الکترومغناطیسی (ν و λ) مرتبط می کند و هر چه انرژی فوتون تابشی بیشتر باشد، فرکانس بیشتری دارد.
وقتی فلزات در اثر حرارت، چه توسط شعله یا کوره گرافیت، برانگیخته شوند، نور فرابنفش را جذب می کنند و هر فلز دارای طول موج مشخصی است.
نمونه مورد نظر آسپیره شده و درون شعله اتمیزه می شود. اگر آن فلز در نمونه وجود داشته باشد، اتم های آن مقداری از نور را جذب کرده و در نتیجه از شدت نور عبوری کاسته می شود.
این کاهش شدت نور، فرآیند جذب اتمی است و سیستم آشکارسازی تغییر شدت را اندازه گیری می کند و در اختیار کاربر قرار می دهد.
معولاً منبع یک طیف سنج اتمی، یک لامپ کاتد فلزی توخالی است که یک عنصر فلزی به عنوان کاتد عمل می کند و با یک گاز بی اثر کم فشار پر شده است.
زمانی که لامپ به جریان الکتریکی متصل می شود، فلز به صورت الکتریکی برانگیخته می شود، خط یا خطوط طیفی مشخصه ساطع می شود و از شیشه UV/VIS لامپ عبور می کند.
خط طیفی تولید شده مختص عنصر یا عناصری است که قرار است مورد اندازه گیری و آنالیز قرار بگیرند.
بخش نبولایزر در طیف سنجی اتمی، نمونه مایع را با سرعت کنترل شده می مکد، آئروسل خوبی ایجاد می کند که با سوخت و اکسیدان برای ورود به شعله مخلوط می شود.
نبولایزر از شعله های احتراق برای اتمیزه کردن و وارد کردن نمونه به مسیر نور استفاده می کند. سرعت بالای گازهای احتراق باعث ایجاد فشار منفی در داخل محفظه نبولایزر و ایجاد مکش برای لوله جذب توسط فرآیند آسپیراسیون می شود.
در همان زمان، گازهای احتراق که از طریق نوبلایزر هجوم می آورند، نمونه مایع را به داخل جریان می کشند و به صورت قطرات بسیار ریز به شعله وارد می شوند.
قطرات بزرگتر توسط بافل یا اسپویلر متوقف می شوند و به سمت هدر می روند. مایع آسپیراسیون اضافی توسط نیروی جاذبه خارج می شود و زباله ها از طریق یک لوله خروجی در یک ظرف شیشه ای جمع آوری می شوند. این زباله ها هنوز هم بسیار اسیدی هستند و باید در حمل و نقل و دفع آن دقت کرد.
معمولاً در طیف سنجی اتمی، یک اکسیدان و یک گاز سوخت با هم مخلوط شده و روشن می شوند تا شعله ایجاد شود. شعله اتمیزه کننده ای است که در آن نمونه در دمای بالا مورد تجزیه و تبخیر قرار می گیرد.
هر یون آنالیت را از بین می برد، کمپلکس ها را می شکند و اتم های عنصر مورد نظر را ایجاد می کند، به عنوان مثال: Feo، Cuo، Zno. معمولاً دو ترکیب گاز استفاده می شود:
فلزات قلیایی، خاک های قلیایی و برخی از فلزات واسطه را می توان با شعله های هوا-استیلن تجزیه و تحلیل کرد. عناصر نسوز که اکسیدهای پایداری را تشکیل می دهند و به شعله های داغ تر نیاز دارند، باید با استفاده از نوع دوم تعیین شوند.
شعله بدون سوخت، یک شعله اکسید کننده از مخلوط هوا و استیلن است که به رنگ آبی و داغ است. شعله غنی از سوخت، شعله کاهنده مخلوط هوا-استیلن است و شعله ای زرد رنگ و خنک است.
هدف اصلی تک رنگ ساز، جداسازی یک خط تشدید اتمی (طول موج) از خطوط ساطع شده توسط لامپ کاتدی و هدایت آن به سمت آشکارساز است.
تک رنگ ساز نه تنها خط تحلیلی خاص را انتخاب می کند، بلکه تمام خطوط تداخلی دیگر در آن ناحیه را نیز حذف یا فیلتر می کند.
نور چند رنگ، از منبع نور وارد تک رنگ یاز می شود و یک دستگاه تفکیک کننده مانند توری پراش، طول موج مورد نظر را انتخاب می کند و آن را از طریق شکاف خروجی به آشکارساز می فرستد. نوری که به شیارهای توری پراش برخورد می کند، طبق قوانین پراش منعکس و پراکنده می شوند.
آشکارساز شدت فوتون های خطوط طیفی خروجی از تک رنگ ساز را تعیین می کند و سیگنال دریافتی توسط یک مبدل برای خواندن به فرمت دیجیتال تبدیل می گردد.
PMT رایج ترین آشکارساز مورد استفاده برای طیف سنجی اتمی جذبی است. با این حال،امروزه آشکارسازهای نوین با سرعت اسکن بسیار بالایی به بازار عرضه شده اند.
در نهایت، سیستم الکترونیکی، سیگنال را با استفاده از یک سری تراشه و ریزپردازنده تقویت، فیلتر و پردازش می کند و نتیجه را به یک کامپیوتر داخلی یا خارجی که مدیریت تمام داده ها و نمایشگر را مدیریت می کند، منتقل می کند.
بر اساس قوانین فیزیک کوانتوم، اتم ها با دریافت انرژی برانگیخته شده و به انرژی بالاتر می روند. در تکنیک های طیف سنجی اتمی، در فرایندهای گذار انرژی، اختلاف انرژی بین سطوح مختلف بررسی می شود.
در حقیقت، طیف سنجی اتمی مطالعه و تحلیل انواع گواناگون تابش های حاصل از برانگیختگی اتم ها است.
نور رفتاری دو گانه دارد. بسته به شرایط و سیستم مورد بررسی، یکی از این دو ویژگی مورد توجه قرار می گیرد. هر گاه تابش با ماده برهمکنش داشته باشد، خواص ذره ای بودن نور بروز می کند.
در مقابل، خواص موجی هنگام انتشار نمایان می شوند (مانند تداخل و پراش).
شاخه ای از علم که این رفتار دوگانه ماده را در نظر می گیرد، مکانیک کوانتومی نامیده می شود.
در حقیقت، مکانیک کوانتومی بخشی از علوم نظری است که به مطالعه ی حرکات اجسام میکروسکوپی می پردازد که دارای خواص موجی و ذره ای قابل مشاهده هستند و قوانین حرکتی که این اجسام از آنها پیروی می کنند را مشخص می کند.
هنگامی که قوانین مکانیک کوانتومی برای اجسام ماکروسکوپی اعمال می شود، به دلیل اینکه خواص موجی بسیار ناچیز است، قوانین حاصل مشابه با نتایج مکانیک کلاسیک خواهد بود.
مدل مکانیک کوانتومی اتم، تصویری از ساختار اتم است که با به کاربرد بردن معادله شرودینگر برای اتم ها حاصل می شود.
طیف سنجی اتمی بر اساس دو فرایند کلی اتفاق می افتد: جذب و گسیل
زمانی که یک موج الکترومغناطیسی یا طیفی از امواج، به یک اتم تابیده می شود، الکترون هایی که در سطوح انرژی مجزایی قرار دارند، انرژی حاصل از تابش را جذب می کنند. در نتیجه، به سطحی با انرژی بالاتر می روند (که به این حالت برانگیختگی می گویند).
در حالت تعادل، تمامی الکترون ها در پایین ترین سطح انرژی ممکن قرار می گیرند و به همین دلیل، پس از دریافت انرژی و گذار به حالتی با انرژی بیشتر، تمایل دارند که به حالت قبل باز گردند.
در حین بازگشت به حالت پایه، انرژی را ساطع می کنند که به این فرایند نشر یا گسیل می گویند. با توجه به نوع برهمکنش نور با اتم (جذب یا گسیل)، چهار تکنیک کلی برای اسپکتروفوتومتری اتمی وجود دارد:
در طیف سنج هایی که بر اساس فرایند جذب عمل می کنند، ابتدا منبع نور به ماده نمونه مایع یا گاز تابیده می شود. بخشی از انرژی نور تابیده شده جذب ماده نمونه می شود (که اتم های آن طول موج های خاصی را جذب می کنند.) و بخش باقیمانده از ماده عبور می کند.
بخش جذب شده، خطوط تاریکی را در طیف پیوسته باقی می گذارد. با بررسی و آنالیز شدت نسبی تابش عبوری از نمونه (به عنوان تابعی از طول موج)، برخی از مشخصه های ماده و اتم های آن تعیین می شود.
طیف یک نمونه جامد را نیز می توان به روشی مشابه اندازه گیری کرد، اما باید محدوده طیفی جذب یا عبور آن را بهینه کرد. یعنی نمونه یا باید به اندازه کافی نازک باشد، یا با افزوردن مواد خاصی رقیق (شفاف) شود تا امکان اندازه گیری تابش جذبی یا عبوری از آن میسر شود.
در طیف سنج های نوع نشری نیز طیف ها به روشی مشابه ثبت می شوند، با این تفاوت که ابتدا ماده نمونه از طریق قوس الکتریکی، جرقه یا تخلیه الکتریکی برانگیخته می شود.
سپس زمانی که اتم های نمونه انرژی جذب شده را مجدداً نشر می کنند، طیف انرژی ثبت می شود. در این حالت، انرژی نشر شده برابر با انرژی جذب شده می باشد.
در طیف سنجی اتمی نوع فلورانس، پس از آنکه الکترون با جذب فوتون پرانرژی (نور با طول موج کوتاه) از تراز پایه به تراز بالاتر میرود، ممکن است در حین بازگشت، مستقیماً به تراز پایه برنگردد؛ بلکه ابتدا به ترازهای برانگیخته پایینتر رفته و سپس به تراز پایه اصلی برسد.
در این حالت الکترون، فوتون هایی با انرژی کمتر از خود ساطع میکند، یعنی نور با طول موج معینی را جذب میکند اما نور با طول موج متفاوتی را گسیل میدهد.
طیف سنجی نوع فسفرسانس، نشر انرژی تابشی (معمولاً در نواحی مرئی و فرابنفش) از اتمهایی در فاز گازی است که با جذب انرژی تابشی به سطوح انرژی بالاتر برانگیخته شدهاند.
در واقع گسیل آهسته نور را فسفرسانس می گویند که ماده مورد نظر پس از جذب و برانگیختگی، انرژی دریافتی را در خود ذخیره می كند و در نهایت آن انرژی را به شکل طیفی از امواج با طول موج بلندتر منتشر می کند.
توجه داشته باشید که پدیده فسفرسانس، تا مدتی پس از قطع شدن منبع نور نیز همچنان ادامه مییابد و بنابراین در کاربردهایی خاص مفید خواهد بود.
در فرایندهای فلورسانس یا فسفرسانس، نمونه در یک حالت الکترونی خاص، معمولاً توسط یک پرتو لیزری با طول موج معین برانگیخته میشود و طیف گذار آن از سطوح انرژی بالاتر به سطوح پایین تر، از طریق یک تک رنگ ساز اندازهگیری میشود.
این تکنیک از طیف سنجی اتمی معمولاً به عایق ها، یعنی اکسیدها، هالیدها و غیره محدود می شود و نمی توان آن را روی فلزات یا سایر رساناهای دارای الکترون یا حفره به عنوان حامل های بار متحرک اعمال کرد.
در این مقاله، ابتدا به طور مفصل تکنیک طیف سنجی اتمی را شرح دادیم، بخش های کلیدی آن را معرفی کردیم. در بخش های بعد، اساس عملکردی و مبنای فیزیکی عملکرد این تکنیک را بررسی کردیم و در نهایت انواع آن را شرح دادیم.
تکنیک طیف سنجی اتمی برای ارائه نتایج دقیق و دقیق طراحی شده است. تنظیمات دستگاه و پارامترهای عملکرد باید همانطور که در دفترچه راهنمای ابزار ذکر شده است رعایت شود.
بیشتر مشکلات طیف سنجی اتمی در زمینه معرفی نمونه و نگهداری نادرست ایجاد می شود و به لامپ ها و مشعل، گازهای احتراق، لوله های نبولایزر و مجموعه تخلیه باید توجه ویژه داشت.
در آخر به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما را مشاهده کنید و در صورت نیاز کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود کرده و حتی برای دوستان خود بفرستید.
راستی این امکان هم برای شما قرار داده ایم که به صورت آنلاین از دستگاه مورد نظر خود استفاده کنید. برای استفاده کافی ست وارد بخش محصولات سایت شده و محصول مورد نظر خود را انتخاب کرده و روی دکمه شبیه ساز آنلاین کلیک کنید.
خوشحالم که میتونی حتی به صورت آنلاین دستگاه های شرکت ما را ببینی و با آن کار کنی😍
Jan Helbing, TRANSCRIPT OF PHYSIKALISCH-CHEMISCHES PRAKTIKUM (Modul 211), Einführung, University of Zurich, 2017.
svanberg, Atomic and molecular spectroscopy, 4th Edition, Springer. ISBN:3-540-20382-6
kakkar, Atomic and Molecular Spectroscopy: Basic Concepts and Applications, Cambridge University Press, 2015. ISBN 978-1-107-06388-4
B. Gray, Chemical Bonds: An introduction to atomic and molecular structure, University Science Books, 1994. ISBN: 0-935702-35-0
بلوری زاده، محمدآقا، فیزیک اتمی و مولکولی، روشهای تجربی، نشر فلامک، 1382.
مقالات منتشر شده در ساعاتی قبل