• مقدمه
• ICP-OES چگونه کار می کند؟
• محدودیت های ICP-OES
• مزایای ICP-OES
• تحولات آینده
• دستگاه هوشمند؟

مقدمه

طیف سنجی نشر نوری- پلاسمای جفت القایی (ICP-OES) یکی از پرکاربردترین تکنیک های طیف سنجی اتمی در 40 سال گذشته بوده است. این مقاله مقدمه ای بر عملکرد، کاستی‌ها، مزایا، تحولات 35 سال گذشته و چشم‌اندازهای آتی آن است و در آینده به توضیحات پیشرفته در خصوص دستگاهوری و رفع مشکلات سخت افزاری و آماده سازی نمونه خواهیم پرداخت.

ICP-OES آنالیز بسیار خوب، سریع و چند عنصری را از محلول­ها (از جمله نمونه های جامد هضم شده) ارائه می دهد. “خطوط نشری” هر عنصر (پیک در طول موج های مشخصه) از انتقال الکترون های مدار خارجی اتم یا یون، از حالت برانگیخته به سطح انرژی پایین تر ناشی می­شود. حدود تشخیص برای اکثر عناصر یک قسمت در میلیارد (ng/mL) یا کمتر است. عناصری که به شدت نور نشر می‌کنند، از جمله Be، Mg، Ca، Sr، و Ba دارای حد تشخیص ده‌ها قسمت در تریلیون (pg/mL) یا کمتر هستند. یک سیستم ورودی نمونه پس از یک مهپاش (نبولایزرnebulizer) اولتراسونیک و یک محفظه اسپری (spray chamber) می‌تواند حدود تشخیص را تا 10 برابر بهبود بخشد.

پس از آماده شدن نمونه ها و کالیبره شدن دستگاه، زمان آنالیز هر نمونه می تواند کمتر از 1 دقیقه باشد.

بزرگترین چالش ICP-OES در حال حاضر طیف سنجی جرمی ICP-MS است. ICP-MS دارای حدود تشخیص کمتر (تا 1000x) است، اما در مقایسه با ICP-OES برای تجزیه و تحلیل هایی که حدود تشخیص ICP-OES کافی است، دارای معایبی است. ICP-MS هزینه بیشتری دارد (خرید دستگاه و قطعات، زمان و هزینه تعمیر و نگهداری)، محدود به نمونه هایی با 10 برابر مواد جامد محلول (TDS) کمتر است و می تواند از اثرات ماتریکس (matrix effect) شدید رنج ببرد.

ICP-OES چگونه کار می کند؟

ICP-OES روشی برای طیف سنجی نشر نوری است که از طیف نشر اتمهای نمونه برای شناسایی و تعیین کمی عناصر موجود استفاده می کند. این دستگاه دارای دو بخش است که یکی پلاسمای جفت القایی و دیگری طیف سنج نشر نوری است. اجزای اصلی دستگاه ICP-OES عبارتند از: سیستم نمونه‌ برداری اتوماتیک (Autosampler) یا دستی، پمپ  پریستالتیک (Peristaltic pump)، نبولایزر یا مهپاش (Nebulizer)، محفظه اسپری (Spray chamber)، مشعل ( torch تورچ) ICP، مونو‌کروماتور/پلی کروماتور و آشکارساز (detector) که به همین ترتیب مشخص، مرتب شده و قرار گرفته‌اند.

گاز آرگون به تورچ وارد می شود و به طور همزمان یک میدان الکترومغناطیسی توسط جریان الکتریکی با فرکانس بالا (معمولا 40 یا 27 مگاهرتز) در یک سیم پیچ (coil) واقع در انتهای نوک تورچ ایجاد می شود. میدان مغناطیسی قوی باعث یونیزاسیون آرگون در تورچ می شود. گاز یونیزه شده، پلاسمایی با چگالی الکترون ، دما (10000K) و انرژی بالا تولید کرد. بخش عمده ای از انرژی که به تازگی تولید شده است برای تحریک و نشر اتمها در یک نمونه آزمایشی استفاده می شود. پلاسما منجر به تحریک همزمان بسیاری از عناصر می شود.

نمونه مایع آماده سازی شده یا هضم شده با یک پمپ پریستالتیک به داخل نبولایزر و سپس به مشعل یا تورچ وارد می شود. نبولایزر نمونه را به قطرات ریز، مانند یک غبار ریز  تبدیل می کند و وارد اسپری چمبر میکند.قطرات بزرگتر نمونه پایین می روند اما قطرات ریز به داخل پلاسمای بالا هدایت می شوند (شکل ظاهری در این لحظه شبیه خروجی دستگاههای بخور سرد است). نمونه در حالت اتمیزه از طریق لوله باریک (injector) در مرکز لوله torch وارد پلاسما می شود. نمونه به پلاسما می رود و پلاسمای داغ اتم ها را اتمیزه می کند و الکترونهای مدار خارجی آنها را به حالت بالاتر، برانگیخته می کند. هنگامی که الکترون های برانگیخته به موقعیت کم انرژی و حالت آسایش، باز می گردند، پرتوهای گسیلی (پرتوهای طیف) نشر می شوند. پرتوهای نشرشده که مطابق با طول موج فوتون یا خطوط گسیل هستند، برای هر فلز خاص هستند. نور به سیستم نوری (OES) با وضوح (Resolution) بالا منتقل می شود.

منشورها و grating و سایر قطعات، نور را به طول موج خاصی برای عناصری که باید اندازه گیری شوند، جدا می کنند. این طول موج به آشکارساز می رسد و شدت نور برای هر طول موج متفاوت توسط نرم افزار که می تواند آنها را به واحدهای غلظت تبدیل کند، کمی سازی می شود.

محدودیت های ICP-OES

محدودیت‌های اصلی ICP-OES نشر پس‌زمینه پیوسته، حدود تشخیص بالاتر از ICP-MS، همپوشانی‌های طیفی و اثرات ماتریس است.

• نشر پس زمینه پیوسته

نشر پس زمینه پیوسته در تمام طول موج ها رخ می دهد زیرا شامل انتقالات الکترون های غیرپیوندی می شود (بازترکیب یون-الکترون یا Bremsstralung).

حساسیت (سیگنال/غلظت) و نوسانات پس‌زمینه، حدود تشخیص را تعیین می‌کنند. در نزدیکی حد تشخیص، میانگین شدت نشر پس‌زمینه می‌تواند حدود 30 تا 100 برابر شدت خالص خط آنالیت باشد.

• حدود تشخیص

عناصری از جمله As، P، Rb، Se، و S دارای حدود تشخیص چند ده قسمت در میلیارد (ppb، ng/mL) هستند. حدود تشخیص برای F، Cl و Br معمولاً صدها ppb (ng/mL) یا بیشتر است، مگر اینکه طیف‌سنج بتواند خطوط زیر حدود 150 نانومتر را اندازه‌گیری کند.

عناصری مانند گازهای نجیب، O، N و H، معمولاً اندازه گیری نمی شوند زیرا از حساسیت ضعیف یا سیگنال های شدید زمینه و نمونه بلنک (Blank) یا هر دو به دلیل وجود هوا در فرآیند تشکیل پلاسما رنج می برند.

• همپوشانی های طیفی (Spectral overlap)

عناصر ممکن است چند طول موج (مانند K و Na) یا هزاران طول موج (مانند عناصر خاکی کمیاب و Th و U) نشر کنند. بنابراین همپوشانی های طیفی ممکن است رخ دهد و اگر در نظر گرفته نشود، صحت (accuracy) آنالیز می تواند کاهش یابد. با این حال، از آنجایی که پیک های نشر باریک هستند (~0.005 نانومتر یا کمتر)، طیف نشری از بیش از 128000 طول موج مختلف در محدوده 160 تا 800 نانومتر تشکیل شده است.

یک دستگاه معمولی ICP-MS (با یک طیف‌سنج جرمی چهارقطبی quadrupole) دارای گذر باند (bandpass) حدود 0.6 amu است که در نتیجه حدود 386 مقدار جرم/بار(M/Z) را از 6 تا amu238 میتواند آنالیز کند.

• اثرات ماتریسی (Matrix effects)

عناصر موجود در نمونه در غلظت‌های بالا (≥500 ppm [µg/mL]) می‌توانند بر حساسیت تأثیر بگذارند. یونیزاسیون و برانگیختگی در ICP عمدتاً در نتیجه برخورد بین اتم ها یا یون ها و الکترون های با سریع حاصل از پلاسما است. بنابراین، اگر اجزای موجود در نمونه باعث تغییر دما یا تغییر غلظت الکترون در پلاسما شوند، حساسیت می تواند تغییر کند. همچنین خصوصیات فیزیکی نمونه از قبیل ویسکوزیته و کشش سطحی نیز باید مدنظر قرار گیرد.

محاسن icp-oes

• تشخیص همزمان

مهم‌ترین پیشرفت در ICP-OES در 35 سال گذشته، استفاده از آشکارساز (detector)های حالت جامد، معمولاً با طیف‌سنج‌های echelle بوده است. استفاده از این آشکارسازها تجزیه و تحلیل چند عنصری سریع و همزمان، انعطاف پذیری در انتخاب طول موج آنالیت و تشخیص همزمان پیک آنالیت و نشر پس زمینه را فراهم می کند.

• حدود تشخیص

حدود تشخیص از سال 1985 در نتیجه ترکیبی از عوامل، 10 برابر بهبود یافته است. مشاهده محوری (Axial view) گسیل نور را از ناحیه بزرگتری از پلاسما جمع آوری می کند. حساسیت و انحراف استاندارد نسبی پس‌زمینه بهبود می‌یابد. تشخیص همزمان اجازه می دهد تا نوسانات مرتبط در پس زمینه حذف شوند.

• ژنراتورهای حالت جامد

ژنراتورهای حالت جامد را با تقویت کننده لوله خلاء (vacuum tube power amplifier) جایگزین کرده اند که با گذشت زمان تخریب می شدند. ژنراتورهای حالت جامد در از نوع Free running، امکان تطبیق امپدانس (impedance matching) را بدون استفاده از تطبیق‌کننده‌های امپدانس مبتنی بر خازنهای بزرگ و قابل تنظیم، فراهم میکنند.

• کاهش اندازه و هزینه

اندازه و هزینه دستگاه های ICP-OES کاهش یافته است. برخی از دستگاه های فعلی ICP-OES به ~8-9 L/min Ar به جای 15-20 L/min نیاز دارند و تقریبا میتوان با هر کپسول حدود 12 ساعت آنالیز انجام داد . طرح‌های مشعل ( Torchتورچ) که اخیراً توسعه‌یافته، می توانند باعث کاهش مصرف گاز Ar شود.

• سرعت آنالیز

سیستم‌های ورود (introduction system) نمونه با زمان‌های شستشو سریع‌تر، در کنار برخورداری از قابلیت تشخیص همزمان اینگونه از دستگاه ها (ردیف 1 همین بخش)، می‌توانند زمان‌های اندازه‌گیری و آنالیز نمونه را با حدود 70 عنصر، در کمتر از ۱ دقیقه انجام دهند.

• تصحیح همپوشانی طیفی

رگرسیون خطی چندگانه، اصلاح همپوشانی طیفی را بهبود بخشید. طیف خالص و تک عنصری باید برای هر آنالیت در قله آنالیت بدست آید. رگرسیون خطی چندگانه ثابت هایی (a، b و c در معادله زیر) را تعیین می کند که هر یک از طیف های تک عنصری و طیف پس زمینه (blank) باید در آن ضرب شوند تا مجموع آنها به بهترین وجه با طیف اندازه گیری شده تجربی از نمونه مطابقت داشته باشد. (a متناسب با غلظت آنالیت است):

a * طیف عنصر آنالیت + b * طیف عنصر همپوشانی + c * طیف blank = طیف نمونه

همچنین با استفاده از تکنیک های گرافیکی مانند Multi Spectral Fittng (MSF) و تکنیک های ریاضی اصلاح همپوشانی مانند Inter Element Correction (IEC)  میتوان هرگونه از این دست مزاحمت ها را برطرف نمود.

• عدم قطعیت

در برخی موارد، دقت و صحت (یعنی عدم قطعیت غلظت) ارائه شده توسط ICP-OES ممکن است ناکافی باشد. با استفاده از تکنیک هم بافت کردن استانداردها (matrix matching) ، استانداردسازی داخلی (Internal standard)، اندازه‌گیری‌های تکراری کافی، و محاسبه Drift های مشاهده شده، می‌توان عدم قطعیت غلظت نسبی را بهتر از 0.2% بدست آورد.

تحولات آینده

چالش‌کنندگان بالقوه برای ICP؟

هیچ منبع نشر نوری قادر به از بین بردن ICP ها با ارائه عملکرد بهتر برای نمونه های محلول نبوده است. اکثر رقبای فعلی مزایایی در هزینه، قابلیت حمل یا توانایی اندازه گیری مستقیم نمونه های جامد دارند، اما از معایبی نیز رنج می برند.

طیف‌سنجی شکست ناشی از لیزر (LIBS) از لیزر پالسی برای تبخیر، اتمیزه کردن و برانگیختن نمونه استفاده می‌کند. LIBS می تواند به طور مستقیم نمونه های جامد را اندازه گیری کند. LIBS می تواند قابل حمل باشد. محدوده تشخیص در جامدات از <1 پی پی ام تا 100 پی پی ام بیشتر است (مقایسه با محدودیت های تشخیص <0.010 پی پی ام تا > 1 پی پی ام در محلول 1 درصد وزنی بر وزن نمونه جامد هضم شده). LIBS گاهی اوقات از اثرات ماتریس، تکرارپذیری ناکافی و کالیبراسیون غیرخطی رنج می برد، اگرچه بهبودهایی در حال انجام است.

طیف‌سنجی نشر نوری پلاسما مایکروویو نیتروژن (MP-OES) این مزیت را دارد که به گاز Ar نیاز ندارد. پلاسما می تواند نیتروژن را از هوا با استفاده از یک ژنراتور نیتروژن بدست آورد. برای اکثر عناصر، به ویژه آنهایی که دارای انرژی تحریک بالا هستند (مانند As، Se، Cd، P، Sb، Se، و Zn) حدود تشخیص MP-OES ضعیف تر از ICP-OES است.

دستگاه های تخلیه‌های درخششی ( glow discharge) از مزیت نیاز به توان بسیار کمتر (<100 وات) نسبت به Ar ICP (~1100 وات) برخوردار هستند و دستگاههای قابل حمل را ممکن می‌سازند و هزینه بسیار کمتری دارند. حدود تشخیص برای بسیاری از عناصر هنوز با ICP-OES قابل رقابت نیست. با این حال، حدود تشخیص در برخی موارد به طور چشمگیری بهبود یافته است.

آیا منبع نشر اتمی وجود دارد که بتواند حساسیت بالاتر (و در عین حال نشر پس‌زمینه پیوسته کمتر) را برای ارائه حدود تشخیصی که حداقل 10 برابر (100 برابر؟) بهتر از حدود تشخیص فعلی ICP-OES با هزینه مشابه یا کمتر ارائه کند؟ نه هنوز.

دستگاه هوشمند؟

اگر ما خودروهای خودران خواهیم داشت، چرا دستگاه های هوشمند (“خودران”) ICP-OES که می توانند خطاهای احتمالی را بدون اپراتور متخصص شناسایی و برطرف کنند، نداشته باشیم؟

دستگاههای تشخیصی مفید بسیاری برای شناسایی زمانی که همپوشانی‌های طیفی و اثرات ماتریس برای یک نمونه خاص رخ می‌دهند، وجود دارد.

– نسبت شدت نشر یون به اتم (Ion/Atom) و شدت نشر Ar، دمای پلاسما را نشان می دهد.

– مقایسه غلظت های اندازه گیری شده از سه یا چهار خط نشری، به جای یک خط می تواند برای فهم همپوشانی های طیفی و اثرات ماتریس استفاده شود.

– تجزیه و تحلیل نیمه کمی (Semiquantitative ) در زمان کم و کافی، (اگر تکنیکش در دستگاه وجود داشته باشد)، می تواند تعیین کند که آیا یک عنصر (یا عناصر) در یک نمونه در غلظت کافی برای ایجاد اثرات ماتریس یا همپوشانی طیفی هستند یا خیر (اثر چهارم در بخش محدودیتهایICP-OES همین مقاله). آزمایشگاه های ما اغلب از این تشخیص ها اما با ارزیابی دستی و محدود استفاده می کند. در حالی که بسیاری از قابلیتهای بالقوه برای دستگاه های هوشمند ICP-OES شناسایی شده‌اند، توسعه یک دستگاه هوشمند و اعتبارسنجی عملکرد آن هنوز یک چالش بزرگ است.