تاریخچه کوتاهی از نور

هر چند در آینده مقاله اختصاصی و در سطح بالاتری ارایه خواهد شد اما می توان به قرن هفدهم برگردیم، زمانی که سر آیزاک نیوتن (Sir Isaac Newton) کشف کرد که نور سفید هنگامی که از یک منشور شیشه ای هدایت می شود، به رنگ های طیفی تشکیل دهنده اش تجزیه می شود. از این کار، او نظریه ذره ای نور را توسعه داد (این واقعیت که نور متشکل از ذرات است)، بر خلاف داشتن ماهیت موج مانند، که تقریباً دو قرن بعد راه را برای چندین اکتشاف باز کرد.

شیمیدان انگلیسی، ولاستون (Wollaston)، اولین کسی بود که خطوط تاریک را در طیف خورشید مشاهده کرد که به خطوط فراونهوفر(Fraunhofer lines) معروف شد. بروستر در سال 1832 به این نتیجه رسید که بخارات اتمی موجود در اتمسفر مقداری از تشعشعات خورشید را جذب می کند و در نتیجه خطوط تاریکی در طیف پیوسته خورشید بوجود می آورند و این خطوط را شناسایی کرد. Bunsen (مخترع چراغ بونزن) و Kirchoff بلافاصله پس از آن نشان دادند که هر عنصر شیمیایی رنگ یا طیف مشخصی را در هنگام گرم شدن دارد (به عنوان مثال، سدیم (Na) زرد، پتاسیم (K) بنفش). آنها توانستند خطوط سیاه مشاهده شده در طیف خورشیدی را در آزمایشگاه بازتولید کنند، بنابراین امکان شناسایی اتم های جذب کننده را از طریق طیف های نشری آنها فراهم کردند.

آلن والش (Alan Walsh)، فیزیکدان متولد لنکاوی، در اوایل دهه 1950 در صبح روز یکشنبه در باغ خود مشغول به کار بود که ایده ای برای حل یک معمای بزرگ شیمی تجزیه در ذهن او پدیدار شد: “چگونه غلظت های کوچک عناصر فلزی را با دقت اندازه گیری کنیم؟”. طیف سنجی.

روش معمول در طیف‌سنجی تبخیر یک عنصر و اندازه‌گیری طیف نشری آن بود، اما این تکنیک ناقص بود و نتایج نادرستی داشت. والش تصمیم گرفت میزان جذب را اندازه گیری کند نه نشر را. صبح دوشنبه در وقت چای خوری، او نشان داد که می توان این کار را انجام داد. چندین سال دیگر طول کشید تا سازندگان را متقاعد کند که از طیف‌سنجی جذب اتمی (AAS) برای تشخیص فلزات استفاده کنند و در نهایت موفق شد. امروزه، اکثر آزمایشگاه های آنالیزی حداقل دارای یک اسپکتروفتومتر جذب اتمی هست

دستگاه جذب اتمی چگونه کار میکند؟

AAS یک تکنیک آنالیزی است که برای تعیین مقدار عناصر خاص 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. هنگامی که این طول موج خاص نور فراهم شود (ساطع شده از لامپ)، انرژی (نور) توسط اتم جذب می شود. الکترون های موجود در اتم از حالت پایه به حالت برانگیخته حرکت می کنند. مقدار نور جذب شده اندازه گیری شده و غلظت عنصر در نمونه قابل محاسبه است.

یک مثال، طیف‌سنجی AA در عمل

در AAS، یک محلول حاوی آنالیت وارد شعله می شود. شعله نمونه ها را به اتم های حالت پایه آزاد تبدیل می کند که می توانند برانگیخته شوند. لامپی که نور ساطع می کند با طول موج مخصوص اتم ها از شعله عبور می کند و با جذب انرژی نور، الکترون های موجود در اتم ها به حالت برانگیخته بالا می روند.

قانون بیر لامبرت (Beer Lambert Law) رابطه بین جذب نور و غلظت عنصر را توصیف می کند. طبق قانون، مقدار نور جذب شده متناسب با تعداد اتم های برانگیخته شده از حالت پایه در شعله است.

نمودار زیر سطوح انرژی اتم سرب (Pb) را نشان می دهد. انرژی حاصل از گرمای شعله باعث جدا شدن آزادانه اتم ها می شود. مقدار انرژی لازم برای حرکت الکترون ها بین سطوح انرژی متناسب با طول موج های مشخصه نور است. همانطور که نمودار نشان می دهد، حرکت یک الکترون از حالت پایه یک اتم سرب به اولین سطح انرژی (E1) به انرژی معادل نور در 283.3 نانومتر نیاز دارد (قانون پلانک).

برای حرکت یک الکترون از حالت پایه به سطح انرژی دوم (که دورتر از هسته است) به انرژی بیشتری نیاز دارد. برای AAS، طول موج حالت پایه تا سطح E1 اغلب مورد توجه است، زیرا شدیدترین است. یک نوار جذب قوی بهترین (کمترین) حد تشخیص را می دهد. در نمونه هایی که غلظت عنصر بیشتر است، می توان از طول موج مناسب دیگر استفاده کرد.

برای آنالیزسرب، یک پرتو نازک نور از شعله­ی حاوی آنالیت عبور داده می شود. پرتو حاوی نور 283.3 نانومتر است. نور توسط اتم‌های سرب جذب می‌شود، زیرا تحریک الکترون‌ها از حالت پایه سرب به اولین سطح انرژی رخ می‌دهد. مقدار جذب اجازه می دهد تا محاسبه غلظت سرب در نمونه انجام شود. فقط اتم های آزاد و پایه سرب در شعله در 283.3 نانومتر جذب می شوند. الکترون هایی که بین سایر سطوح انرژی در اتم های سرب حرکت می کنند، نور را در طول موج های مختلف دیگری جذب می کنند.

برای کالیبره کردن یک AAS، ابتدا محلولی که حاوی هیچ یک از عناصر مورد نظر نباشد، اندازه گیری می شود. این محلول “Blank” نامیده می شود و اندازه گیری جذب پایه را تعیین می کند. جذب محلول های حاوی مقادیر مختلف شناخته شده عنصر اندازه گیری می شود. به عنوان مثال، 1، 3، 5 و 10 میلی گرم در لیتر(ppm) سرب. از این داده ها، منحنی کالیبراسیون ایجاد می شود. منحنی کالیبراسیون رابطه بین جذب نور و غلظت عنصر در محلول را تعیین می کند. این منحنی از قانون بیر لمبرت (Beer Lambert Law) پیروی می کند.

قانون بیر لامبرت رابطه بین غلظت و جذب گونه های جذب کننده را تعریف می کند.

A =Ɛ * b * c

بطور خلاصه یک طیف سنج AA  طی مراحل زیر کار میکند:

1- ایجاد یک حالت ثابت از اتم های حالت پایه آزادانه تفکیک شده با استفاده از منبع حرارت (شعله)

2- عبور نور با طول موج مشخص از شعله. طول موج مربوط به مقدار انرژی مورد نیاز برای برانگیختن یک الکترون از (معمولا) زمین تا اولین حالت برانگیخته برای یک عنصر خاص است.

3- اندازه گیری مقدار نور جذب شده توسط اتم ها هنگام حرکت آنها به حالت برانگیخته (جذب اتمی).

4- استفاده از جذب اندازه گیری شده برای محاسبه غلظت عنصر در محلول، بر اساس نمودار کالیبراسیون.

بیایید به اجزای داخل طیف سنج AA نگاه کنیم

یک طیف سنج جذب اتمی شعله ساده شامل:

1- سیستم ورود نمونه

2- برنر (شعله burner) و منابع گاز مربوط به آن: هوا-استیلن یا نیتروز اکسید-استیلن

3- یک منبع نور، لامپ کاتد توخالی (HCL)

4- تک رنگ ساز (monochromator)

5- یک آشکارساز نوری (Detector لوله فتومولتیپلایر یا PMT)

6- کنترل ابزار کامپیوتری، جمع آوری داده ها و تجزیه و تحلیل.

سیستم ورود نمونه طیف سنج AA

نمونه مایع از طریق لوله مویینه (کپیلاری) از جنس پلیمر PTFE، به داخل نبولایزر (Nbulizer) منتقل می شود. نبولایزر پنوماتیک از اثر Venturi استفاده می کند، این اصل که سیال با سرعت بیشتری از طریق لوله باریکتر جریان می یابد تا جریان محلول را تسریع کند. این مایع سپس بر یک مهره شیشه ای (Glass bead) ضربه می زند تا یک اسپری ریز از قطرات ایجاد کند که به عنوان آئروسل شناخته می شود. قطرات بزرگتر تخلیه می شوند، در حالی که آئروسل ریز به داخل محفظه اسپری (Spray chamber) منتقل می شود. یک قطعه پره ای (mixing paddles  یا Spoiler) به حذف بیشتر قطرات بزرگ کمک می کند تا جریان همگن قطرات ریز را در محفظه اسپری و مشعل (برنر burner) حفظ کند. قطعه پره ای همچنین به کاهش انسداد مشعل و اطمینان از اختلاط کامل گازهای اکسیدان/استیلن با قطرات نمونه کمک می کنند.

از آنجایی که طراحی مستلزم آن است که تله تخلیه ( drain trap) یا همان سیفون تا حدی با مایع پر شود، یک شناور برای اطمینان از حفظ سطح مایع همیشه در نظر گرفته شده است. Bung محفظه اسپری یک وسیله ایمنی (شبیه safety valve) است که در صورت تجمع غیرعادی گازها در سیستم معرفی نمونه، با خیال راحت آزاد می شود.  در آینده در خصوص موارد ایمنی این دستگاه مقاله ای ارایه خواهد شد.

مشعل (برنرburner) طیف سنج شعله AA

برنر طیف سنج جذب اتمی (AAS) یک حالت ثابت از اتم های حالت پایه را فراهم می کند. در شعله AAS، مشعل مخلوط آئروسل/گاز ایجاد شده توسط محفظه اسپری و نبولایزر را به اتم های آزاد و حالت پایه تبدیل می کند. دو مخلوط گاز معمولی وجود دارد که برای سوختن شعله سوزانده می شوند. آنها هوا – استیلن و نیتروز اکساید – استیلن هستند. هوا-استیلن با تولید شعله در حدود 2300 درجه سانتیگراد برای اکثر عناصر مناسب است. در حدود 2700 درجه سانتیگراد، شعله نیتروز اکساید – استیلن محیط احیا کننده تری ایجاد می کند که برای عناصری که مستعد تشکیل اکسید هستند مناسب است. همچنین پیوندهای قویتر اکسیدها یا سایر ترکیبات دیرگداز را با کارایی بیشتری نسبت به هوا-استیلن می شکند.

چهار مرحله اصلی وجود دارد که محلول آنالیت آئروسل شده در یک مشعل AAS شعله ای طی می کند. آن ها عبارت هستند از

• انحلال، یا خشک شدن. حلال تبخیر می شود و در نتیجه نانوذرات خشک نمونه باقی می ماند.
• تبخیر. ذرات به فاز گازی تبدیل می شوند
• اتمیزه کردن مرحله کلیدی که در آن جمعیت اتم های حالت پایه و آزادانه جدا شده ایجاد می شود.
• یونیزاسیون برخی، اما نه همه، اتم های آزاد به یون تبدیل می شوند. این به شرایط شعله (ترکیب گاز) و پتانسیل یونیزاسیون آنالیت ها روی محلول بستگی دارد.

مشعل با یک شکاف نازک به طول 5 تا 10 سانتی متر طراحی شده است. طول شعله تعیین کننده مسیر نوری است که از میان اتم ها می گذرد، که بر اساس قانون بیر-لامبرت، حساسیت را تعیین می کند. ارتفاع مشعل نیز قابل افزایش یا کاهش است. این اجازه را می دهد تا منبع نور از ناحیه ای از شعله عبور کند که بهترین حساسیت را برای آنالیت انتخاب شده فراهم می کند.

لازم به ذکر است در حالی که شعله مشعل محبوب ترین منبع اتمیزه کردن است، جایگزین های دیگری نیز وجود دارد که مزایای خاصی دارند. رایج ترین منابع اتمیزه سازی عبارتند از:

کوره گرافیت

با استفاده از گرمایش الکتروترمال، یک لوله گرافیتی، یک ناحیه کوچک و محصور را برای اتمیزه شدن فراهم می کند. قابلیت های دمای بالا و مقدار نمونه، اجازه اتمیزه شدن کامل را می دهد. کوره گرافیت AAS (GF-AAS) قادر است برخی از عناصر را تا سطوح ppb تشخیص دهد.

لوله گرافیتی (A) حدود 20 میلی متر طول دارد. یک سوراخ در مرکز لوله اجازه می دهد تا نمونه داخل آن قرار گیرد. انتهای باز لوله به نور اجازه عبور از نمونه اتمیزه شده را می دهد. (ب) برش لوله گرافیتی طرح پلت فرم دار را نشان می دهد، جایی که نمونه در آن قرار می گیرد.

ژنراتور هیدرید (Hydride generator)

عناصر تشکیل دهنده هیدرید؛ As، Se، Sb، Bi و Pb با یک ماده کاهنده مانند سدیم بوروهیدرید (NaBH4) واکنش داده و هیدرید گازی تشکیل می دهند. یک محلول نمونه اسیدی به محلول بوروهیدرید سدیم در یک سل واکنش طراحی شده­ی مخصوص اضافه می شود. گاز هیدرید فرّار حاصل به یک سل نوری (لوله شیشه‌ای سیلیس ذوب شده یا کواترز) منتقل می‌شود، جایی که می‌توان آن را با حرارت الکتریکی یا شعله گرم کرد. در دمای بالا، هیدریدهای فرّار به اتم های فلزی خنثی تجزیه می شوند که می توانند نور یک لامپ کاتدی توخالی را جذب کنند.

مولد هیدرید طیف سنج AA و سلول جذب هیدرید روی یک براکت نصب شده تا روی مشعل قرار بگیرد.

منبع نور – لامپ کاتد توخالی (HCL)

لامپ کاتدی توخالیHollow cathode lamp  (HCL)

HCL رایج ترین منبع نوری است که با طیف سنج AA استفاده می شود. منبع نور یک جزء حیاتی است. این میزان جذب نور لامپ هنگام عبور از نمونه اتمیزه شده است که اندازه گیری می شود.

لامپ‌های کاتدی توخالی با یک گاز «پرکننده» بی‌اثر با فشار کم، معمولاً آرگون یا نئون، پر می‌شوند. یک کاتد فلزی، پوشش داده شده در عنصر مورد نظر، در مقابل یک آند قرار گرفته است. یک ولتاژ بالا در دو الکترود اعمال می شود که یون های شتاب دهنده گاز پرکننده را به سمت کاتد یونیزه می کند. کاتد توسط این یون‌ها با انرژی کافی بمباران می‌شود که اتم‌های فلزی از مواد کاتد به بیرون پرتاب می‌شوند یا «پراکنده می‌شوند (Sputtering)» و یک ستون اتمی ایجاد می‌کنند. در داخل ستون اتم، برخوردهای بیشتر بین اتم های فلزباهم و با گاز پرکننده انرژی دار شده، رخ می دهد و آنها را به حالت تحریک می رساند. هنگامی که اتم ها به حالت پایه خود باز می گردند، تابش به عنوان نور در طول موج های مشخصه آن عنصر خاص، ساطع می شود.

بیشتر اوقات از یک لامپ حاوی یک عنصر استفاده می شود. لامپ های چند عنصری را می توان تولید کرد، اما معمولا حساسیت کمتری نسبت به لامپ های تک عنصری دارند. ترکیب عناصر در لامپ های چند عنصری برای جلوگیری از هرگونه تداخل طیفی و شیمیایی درنطر گرفته شده است.

تک رنگ ساز (مونوکروماتور)

لامپ کاتد توخالی خطوط باریک نشری زیادی را ساطع می کند. یک تک رنگ ساز برای جداسازی یک خط نشری استفاده می شود. این اتفاق پس از عبور نور از نمونه در منبع اتمیزاسیون رخ می دهد، به عنوان مثال. شعله.

مونوکروماتور یک دستگاه نوری است که تنها هدف آن جمع آوری نور حاوی طول موج های زیاد و جداسازی سازی شده (انتخاب شده) یک باند طول موج باریک است. یک تک رنگساز ساده شامل موارد زیر است:

• شکاف ورودی (Entrance slit): این در قسمت ورودی تک رنگساز بلافاصله پس از عبور پرتو نور از شعله است. شکاف ورودی به طور موثر تابش منبع را به پرتو باریک محدود می کند.
• آینه های داخلی (Collimator and focusing mirror): این آینه ها نور را از طول تک رنگساز هدایت می کنند.
• عنصر پراکنده کننده یا تفکیک کننده نور ( گریتینگ Grating): در قلب تک رنگساز، grating قرار می گیرد و تابش را در طول موج های تشکیل دهنده اش پراکنده می کند (شاید شما با منشوری که نور سفید را به رنگین کمان جدا می کند آشنا باشید). grating معمولاً یک توری نوری است. خطوط دقیقی بر روی توری نوری حک شده اند. زاویه ای که نور به گریتینگ برخورد می کند، طول موج نور متمرکز بر شکاف خروجی را از طریق یک آینه داخلی (focus mirror) دیگر تعیین می کند.
• شکاف خروج(Exit slit): این خروجی از تک رنگساز است. طول موج انتخاب شده برای اندازه گیری بر روی شکاف خروجی متمرکز می شود و سپس برای اندازه گیری به آشکارساز نوری می رسد. تمام طول موج های دیگر در داخل تک رنگساز باقی می مانند.

آشکارساز (Detector)

پرکاربردترین آشکارساز در طیف‌سنج جذب اتمی، فوتومولتی پلایر (PMT photomultiplier ) است. هیچ دستگاه دیگری حساسیت مشابهی را در محدوده طول موج مورد نیاز برای آنالیزجذب اتمی  ندارد. PMT نور ورودی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند که امکان اندازه گیری شدت نور را فراهم می کند. نور از شکاف خروجی تک رنگساز وارد PMT می شود و به دیود نوری برخورد می کند و یک سیگنال الکتریکی ایجاد می کند. یک سری دینود (Dynode) سیگنال را تقویت می کند و سپس روی آند جمع آوری (اندازه گیری) می شود و برای اندازه گیری کمی جذب استفاده می شود.

تصحیح پس زمینهBackground correction

در واقع، نور لامپ ها توسط مولکول های شکسته نشده در دمای برنر، جذب می شود. نور نیز توسط ذرات ریز در محلول پراکنده می شود. این از دست دادن نور “جذب پس زمینه” نامیده می شود. خواندن پس زمینه بالا ممکن است به اشتباه، نشان دهنده جذب اتمی باشد. این می تواند منجر به محاسبه نادرست نتیجه آنالیز شود. برای جلوگیری از این پدیده، چندین تکنیک تصحیح پس‌زمینه وجود دارد که می‌توان آن‌ها را در طراحی دستگاه طیف‌سنج AA گنجاند.

طیف سنج AA تک پرتو، دو شدت نور را مقایسه می کند. اولین مورد، شدت نور هنگام عبور از شعله است که هیچ یک از عناصر مورد نظر را در خود ندارد. این با شدت نوری مقایسه می شود که نمونه ای حاوی عنصر به داخل شعله آسپیره یا نبولایز می شود. این مقایسه، امکان اندازه گیری جذب کل محلول حاوی عنصر را فراهم می کند.

طیف‌سنج‌های AA دو پرتو، از تکنیک تصحیح پس‌زمینه دوتریوم (D2) استفاده می‌کنند. از لامپ D2 برای اندازه گیری جذب غیر اتمی استفاده می کند و بین 190 تا 425 نانومتر موثر است. برای انجام تصحیح پس‌زمینه دوتریوم، سیگنال پیوسته از منابع نور D2 و HCL به سرعت متناوب یا مدوله می‌شوند. این را می توان با استفاده از یک آینه چاپر (chopper mirror) (چرخ آینه ای که بخش هایی از آن بریده شده است) به دست آورد. سیگنال لامپ D2 از سیگنال HCL کم می شود. این یک سیگنال تصحیح شده پس زمینه می دهد. لازم به ذکر است که لامپ D2 طول موج های طیفی را در فرکانس جذب اتمها هم ساطع می کند. با این حال، جذب این نور توسط عناصر آنالیت ناچیز فرض می شود، زیرا نور در طول موج موردنظر، تنها سهم کمی در تابش کل لامپ دارد.

سیگنال لامپ کاتد توخالی = جذب اتمی + پس زمینه

سیگنال لامپ دوتریوم = فقط پس زمینه

سیگنال پردازش الکترونیکی = فقط جذب اتمی

نوع دیگری از تکنیک تصحیح پس‌زمینه، از تکنیک Zeeman استفاده می‌کند. تکنیک Zeeman معمولاً با یک طیف‌سنج AA کوره گرافیت (GF-AAS) استفاده می‌شود. تکنیک Zeeman نیازی به استفاده از لامپ اضافی ندارد، اما از اعمال میدان مغناطیسی برای قطبش متناوب نور استفاده می کند. به زبان ساده، با فعال کردن یک میدان مغناطیسی در اطراف پرتو نور HCL، می توان یک اندازه گیری پس زمینه انجام داد. وقتی میدان مغناطیسی خاموش است، می توان اندازه گیری های تجزیه ای را انجام داد.

درآینده درسطحی دیگر به این موضوعات پرداخته خواهد شد.