مقاله: مقدمه ای بر آماده سازی و هضم نمونه برای دستگاه ICP-OES

مقدمه

نمونه های آبی

جامدات محلول

تشکیل هیدرید

هضم نمونه جامد

هضم نمونه های ارگانیک

مقدمه

انواع مختلفی از نمونه ها را می توان با طیف سنجی نشر نوری پلاسما جفت شده القایی (ICP-OES)، از جمله نمونه های مایع و جامد آبی و آلی تجزیه و تحلیل و آنالیز کرد. معمولی ترین نمونه، نمونه مایع است. یک نمونه مایع با استفاده از یک پمپ پریستالتیک برای اطمینان از داشتن یک جریان مایع ثابت و پایدار و بدون نویز (noise) و پالس مورد استفاده قرار میگیرد. ادامه مراحل و اتفاقات را می­توانید در مقاله “مبانی ICP-OES ” مطالعه بفرمایید.

 درآینده مقاله های کابردی برای هضم های اختصاصی ارایه خواهد شد.

نمونه های آنالیز شده توسط ICP-OES بسیاری از زمینه های کاربردی و صنایع، از جمله محیط زیست، متالورژی، زمین شناسی، پتروشیمی، دارویی و مواد غذایی را پوشش می دهند.

نمونه های آبی

نمونه های آبی را می توان مستقیماً و اغلب بدون رقیق شدن به پلاسما وارد کرد. آنها معمولاً با اسید نیتریک (HNO­3) اسیدی می شوند تا اطمینان حاصل شود که اجزای عنصری آنها در محلول به صورت یون پایدار باقی می مانند. یک سیستم ورود نمونه استاندارد برای این نوع نمونه معمولاً از یک نبولایزر متحدالمرکز(concentric nebulizer) و یک محفظه اسپری چرخشی (cyclonic spray chamber) تشکیل شده است. با توجه به ذرات موجود در محلول، یک نبولایزر معمولاً می تواند اندازه ذرات تا یک سوم قطر کپیلاری خود را بدون مسدود شدن، عبور دهد.

جامدات محلول

هنگامی که مقدار مواد جامد محلول در یک نمونه (مثلاً در پسماندها یا آب دریا یا مواد متالورژیکی) از سطح معینی بالاتر می رود (معمولاً بیش از 3٪)، یا باید نمونه رقیق شود یا اجزای خاص ورود نمونه(موسوم به High dissolved)، که دارای توانایی عبور جامدات مقدار بالایی دارند، باید برای آنالیز استفاده شود تا از انسداد ناشی از کریستال شدن نمک ها، چه در نوک نبولایزر یا در کپیلاری، جلوگیری کند. یک محفظه اسپری بافل دار (baffled spray chamber) نیز برای کاهش بار ماتریس (مقدار نمونه منتقل شده به پلاسما) روی پلاسما استفاده می شود. هنگام آنالیز نمونه هایی با درصدهای جامدِ محلولِ بیشتر (بیش از 15%)، باید از گاز غلاف ( sheath gas) برای جلوگیری از انسداد کامل کپیلاری استفاده شود. همچنین استفاده از مشعل (تورچtorch) سرامیکی به جای کوارتز تمرین خوبی است، زیرا کوارتز تمایل به devitrification  دارد که منجر به سایش سریعتر تورچ ICP می شود، به خصوص اگر نمونه حاوی غلظت بالایی از عناصر گروه I یا گروه II باشد.

تشکیل هیدرید

افزایش حساسیت به عناصر سمی مانند آرسنیک، جیوه، آنتیموان و سلنیوم یکی از چالش های آماده سازی نمونه ICP-OES است. این عناصر در نمونه های محیطی، بیولوژیکی و مواد غذایی رایج هستند. علاوه بر این، مقررات نیازمند حدود کمتری برای تشخیص این عناصر است تا اطمینان حاصل شود که سطح آلودگی آنها به حداقل برسد.

آنالیز نمونه های حاوی عناصر سمی را می توان با استفاده از یک سیستم ورودی نمونه تولید هیدرید ( hydride generation) افزایش داد. این به دلیل خواص شیمیایی این عناصر است که در هنگام واکنش با عوامل احیا کننده مانند سدیم بوروهیدرید (NaBH4)، هیدریدهای گازی فرّار تشکیل می دهند. این هیدریدهای گازی را می توان از نمونه مایع جدا کرد و وارد پلاسما کرد. حذف بخش مایع نمونه، آنالیت را غلیظ می کند، بارگذاری پلاسما را کاهش می دهد (دما کم نمیشود) و گونه های مزاحم را حذف می کند، که به نوبه خود سیگنال پس زمینه (معیاری از نویز Noise) را کاهش می دهد و حساسیت را افزایش می دهد.

هضم نمونه جامد

از آنجایی که نمونه‌های جامد را نمی‌توان مستقیماً وارد پلاسما کرد، یا باید با استفاده از یک وسیله جانبی نمونه جامد (به عنوان مثال، تبخیر الکتروترمال، فرسایش لیزر electrothermal vaporization, laser ablation) به پلاسما منتقل شوند، یا باید در محلول حل یا هضم شوند. تکنیک های اصلی مورد استفاده برای انحلال جامدات هضم اسیدی و همجوشی (Fusion فیوژن) است.

هنگام استفاده از فیوژن برای آماده سازی نمونه، هضم کامل انجام می شود. همچنین منجر به تولید محتوای مواد جامد بالا می شود. در نتیجه، رقت نمونه مورد نیاز است تا کل محتوای جامد محلول را به محدوده کاری دستگاه برساند و حد تشخیص روش (method detection limit) را کاهش دهد.

هضم اسیدی معمولاً شامل حل شدن یک نمونه در یک اسید داغ یا مخلوطی از اسیدهای داغ است. حرارت دادن اسیدها بر روی یک Heater یا Hot plate یا با استفاده از یک سیستم هضم مایکروویو (microwave digestion) انجام می شود که از ظروف تفلونی یا کوارتزی تحت فشار برای تولید دمای واکنش خیلی بالا استفاده می کند.

هضم نمونه های ارگانیک

آنالیز نمونه های آلی معمولاً یک فرآیند ساده نیست. به دلیل خواص فیزیکی این نمونه ها، پایداری پلاسما بخوبی تامین نمیشود. پارامترهایی که بر عملکرد پلاسما تأثیر می‌گذارند عبارتند از فراریت و ویسکوزیته نمونه آلی. برای غلبه بر چنین موانعی، از یک سیستم ورود نمونه ویژه استفاده می شود که از یک محفظه اسپری بافل دار و یک نبولایزر باکارایی کمتر (baffled spray chamber and a less efficient nebulizer (e.g., V-groove nebulizer)) و فلوی کم استفاده می کند. اینجکتورِ تورچ(Injector of torch ) با قطر کم باید برای کاهش بار ورودی نمونه روی پلاسما استفاده شود. کاربردهای معمولی ICP-OES ارگانیک شامل آنالیز روغن ها و گریس ها برای فلزات و افزودنی ها، ترکیب مواد پتروشیمی در پالایشگاه ها، و تعیین خلوص رنگ ها است.

اکثر نمونه های آلی را می توان با انجام یک رقیق سازی ساده تهیه کرد، با این حال برخی از خواص فیزیکی مانند ویسکوزیته و چگالی باید در نظر گرفته شود. در نتیجه، رقت های نمونه همیشه بر اساس وزن انجام می شود. قبل از رقیق شدن در یک حلال مناسب، نمونه آلی همگن می شود. برای اطمینان از اینکه تفاوت ویسکوزیته به حداقل می رسد، بهتر است محلول های نهایی نمونه ها و استانداردها، حاوی درصد یکسانی از روغن باشند.

پلاسمایی که حاوی یک حلال آلی (مانند زایلن یا کروزن) است به دلیل نشر کربن و گونه های کربن (C, C,2, CN,) سبز به نظر می رسد. لبه های پلاسما نیز در مقایسه با لبه های پلاسماهای محیط آبی واضح تر مشخص می شوند. نشر مولکول‌های مبتنی بر کربن ممکن است با سیگنال‌های ساطع شده از سایر آنالیت‌ها و به‌ویژه عناصر قلیایی که نور را در ناحیه مرئی طیف منتشر می‌کنند، تداخل ایجاد کند.

برای کاهش نشر کربن، هوای فشرده را می توان به گاز آرگون پلاسما اضافه کرد و به تبدیل گونه های کربن به اکسیدهایی مانند مونوکسید کربن و دی اکسید کربن کمک کرد. اینکار به کاهش این تداخلات در ناحیه مرئی و بهبود حساسیت برای عناصر گروه I و گروه II کمک می کند.

نمونه های فرار و ویسکوز

نمونه های فرار تمایل به ایجاد یک آئروسل بسیار متراکم در هنگام مهپاشی (nebulization) و افزایش فشار در محفظه اسپری دارند. این می تواند باعث ناپایداری پلاسما شود و حتی می تواند پلاسما را خاموش کند. برای وارد کردن یک نمونه بسیار فرار (به عنوان مثال، بنزین) به پلاسما، اقدامات متقابل خاصی باید انجام شود. یک گزینه رقیق کردن نمونه با حلال کمتر فرار است. دراین صورت میتواند حد تشخیص روش را از بین ببرد. راه حل دیگر این است که نمونه را با کمک یک محفظه اسپری خنک، خنک کنید و در نتیجه فراریت را کاهش دهید. با انجام این کار، فشار بخار نمونه کاهش می یابد و در نتیجه پایداری پلاسما بیشتر می شود. همچنین، استفاده از یک نبولایزر با فلوی کم (Low flow nebulizer) می تواند بار آئروسل را که به پلاسما می رسد کاهش دهد و پایداری پلاسما را افزایش دهد.

نمونه های بسیار ویسکوز (مانند روغن های گیاهی، روغن های روان کننده) باید قبل از آنالیز رقیق شوند. به طور متناوب، آنها ممکن است قبل و در حین ورود نمونه گرم شوند تا ویسکوزیته آنها کاهش یابد. گرم کردن اجزای ورودی نمونه می تواند در همان واحدی انجام شود که برای خنک کردن نمونه های فرار استفاده می شود، با این حال، این همیشه عملی نیست زیرا گرم کردن نمونه فقط در محفظه اسپری انجام می شود. رقیق سازی نمونه های آلی چسبناک معمولاً با استفاده از یک حلال آلی (به عنوان مثال، زایلن، نفت سفید) با ضریب رقت 1:10 انجام می شود.