دستگاه جذب اتمی و روش های طیف بینی

دستگاه جذب اتمی و روش های طیف بینی

روشهای طیف بینی تجزیه بر تولید و یا بر همکنش تابش الکترومغناطیس با ماده استوارند .دستگاه جذب اتمی با از بین روشهای طیف بینی تجزیه به روشهای جذبی ، بر تضعیف یک دسته پرتو از تابش الکترومغناطیسی در نتیجه برهم کنش آن با آنالیت و جذب قسمتی از آن بوسیله آنالیت استوارند .
عبور تابش فرابنفش یا مرئی چند فامی از محیط محتوی ذرات تک اتمی به جذب معدودی فرکانس مشخص منجر می شود. سادگی نسبی چنین طیف هایی مربوط به تعداد کم حالتهای انرژی ممکن ذرات است . برانگیختگی فقط می تواند بوسیله یک فرایند الکترونی که در آن یک یا چند الکترون اتم به تراز انرژی بالاتر می روند تحقق یابد . آنالیز جذب اتمی وابسته به ایجاد اتم های آنالیت آزاد در حالت پایه و در معرض قرار گرفتن این جمعیت اتمی در مقابل نوری با طول موج مشخصه عنصر مورد نظر است . لذا جهت اتمی کردن سه دسته اتمایزر(ات م ساز) برای این تکنیک مهیا می باشد :

•  شعله (Flame)
• تولید بخار (hydrid)
•  کوره گرافیتی(Graphite Furnace)

بر اساس تقسیم بندی ذکر شده این تکنیک با سه روش انجام می شود که عبارتند از :
1.جذب اتمی شعله (Flame Atomic absorption) 
2.جذب اتمی کوره گرافیتی(Graphite Furnace Atomic absorption)
3.جذب اتمی ئیدرید(بخار)( Hydride Atomic absorption)

دستگاه جذب اتمی با شعله :

سیستم های اتمی کردن شعله ای که در جذب اتمی استفاده می شود و آنالیت را تبدیل به اتم های آزاد می کند که این اتم ها در مسیر عبور نور فرودی جهت جذب قرار می گیرد بیشتر نمونه ها در این روش توسط نبولایزر به ذرات ریز مهپاش می شوند. ذرات ریز بسیار سریع حلال زدایی می شوند و ذره جامد حاصله ذوب می شود ، ملکولها تجزیه می شوند و عناصر در مدت زمان بسیار کوتاهی اتمی می شوند .همه عناصر تحت دمای یکسان اتمی نمی شوند بنابراین ساختار متفاوتی جهت تغییر دمای شعله استفاده می شوند که عبارتند از :
1. عناصری که در شعله هوا – استیلن اتمی می شوند :
این شعله برای تمامی اتم ها که به راحتی اتمی می شود ( مس،سرب ،….) مناسب است. این شعله از لحاظ دمایی سردترین شعله است که دمای آن 2300°C می باشد و از این نظر به اندازه کافی گرم نیست تا بتواند عناصری که اکسیدهای دیر گداز تشکیل می دهند را بشکند .
2. عناصر ی که در شعله نیتروزو اکساید – استیلن اتمی می شوند :
این شعله برای عناصری که ترکیبات دیرگداز تشکیل می دهند (آلومینیوم ، تنگستن ، سیلسیوم و …) ، مناسب می باشد. دمای شعله 3000°c است .
جهت تجزیه کمی با این تکنیک از قانون بیر- لمبرت استفاده می شود :
A = LogI/I0 = a*b*c
I0 : شدت نور ورودی
I : شدت نور خروجی
a : ضریب جذب (cm.mol/L )
b : طول مسیر نور cm
c : غلظت(mol/L )

طیف‌سنجی (اسپکتروفتومتری) جذب اتمی طیف‌سنجی جذب اتمی (AAS) یک وسیله‌ی فوق‌العاده با کاربرد چندمنظوره در شیمی تجزیه است. عناصر کمیاب سمی موجود در آب آشامیدنی و چند عنصر معمول دیگر، مانند کلسیم و سدیم و همچنین مقادیر بسیار ناچیز غلظت فلزات توسط اسپکتروفتومتری جذب اتمی (Atomic absorption spectrophotometery) اندازه‌گیری می‌شوند.طیف بینی جذب اتمی شامل مطالعه جذب انر‍ژی تابشی (معمولا در نواحی ماوراء بنفش) به وسیله اتمهای خنثی در حالت گازی است. اصول جذب اتمی اساسا مشابه اصول جذب تابش مرئی و ماوراء بنفش به وسیله محلول ها می باشد. مع ذالک شیوه های نمونه برداری، تجهیزات و نمود طیف ها این اندازه تفاوت دارند که جذب اتمی بصورت جداگانه مورد بررسی قرار می گیرد.سودمندی بالقوه جذب اتمی برای تجزیه عناصر فلزی ابتدا در 1965 بوسیله والش و آلکمید و میلانز پیشنهاد شد. از آن زمان تا به حال روش هایی برای تعیین 65 عنصر به وجود آمده اند و تعداد کثیری دستگاه های تجارتی که مخصوصا برای این نوع تجزیه طراحی شده اند، در دسترس قرار رفته اند.

اصول جذب اتمی :

در یک تجزیه جذب اتمی، عنصر مورد اندازه گیری باید به حالت عنصری کاهش یابد، تبخیر شود، و سر راه دسته منبع تابش قرار گیرد. این فرایند اغلب با کشیدن محلولی از نمونه بصورت مه رقیق به داخل یک شعله مناسب، انجام می گیرد.

طیف های دستگاه جذب اتمی :

طیف جذبی یک عنصر در شکل گازی و اتمی آن مرکب از یک سری خطوط باریک کاملا مشخص از جهش های الکترونی بیرونی ترین الکترون ها ی یک عنصر است.اندازه گیری های جذبی بطور مستقیم تحت تاثیر نوسانات دما قرار دارند. تعداد کل اتمهای تولید شده و آماده برای جذب از یک نمونه، معمولا با افزایش دما افزایش می یابد. مضافا، به علت اینکه ذرات اتمی دردماهای بالاتر با سرعت های زیادتری حرکت می کنند و اثر دوپلر زیاد تر می شود، تعریض خط و در نتیجه کاهشی در ارتفاع پیک رخ می دهد. غلظت های زیاد اتمهای گازی نیز سب تعریض فشاری خطوط جذب می شوند. به علت این اثرات غیر مستقیم لازم است که دمای شعله بطور قابل قبولی برای انجام اندازه گیری های کمی جذب اتمی کنترل شود.

اندازه گیری دستگاه جذب اتمی :

بدلیل اینکه خطوط جذب اتمی بسیار باریک اند و بعلت اینکه انر‍ژی های انتقالات برای هر عنصر منحصر بفردند، روش های تجزیه ای بر پایه این نوع جذب، بالقوه خیلی اختصاصی هستند.عیب اصلی این تکنیک نیاز به یک لامپ منبع جداگانه برای هر عنصر مورد تجزیه است. برای رفع این نقیصه کوشش هایی به عمل آمده است تا یک یک منبع پیوسته به همراه یک تکفامساز با قدرت جداکنندگی بسار بالا بکار گرفته شود، یا اینکه با قرار دادن ترکیبی از عنصر مورد اندازه گیری در شعله بسیار داغ، یک منبع خطی تولید شود. هیچ یک از این تکنیک ها به اندازه به کار گیری یک لامپ مخصوص برای هر عنصر رضایت بخش نیست.

دستگاه ها:

دستگاه موردنیاز برای اندازه گیری های جذب اتمی همان اجزا اصلی را دارد که یک اسپکتروفتومتر برای اندازه گیری جذب محلول ها داراست. این اجزا شامل یک منبع، یک تکفامساز، یک ظرف نمونه (در این حالت یک شعله) ، یک آشکار ساز و یک تقویت کننده-شناساگر می شوند. تفاوت های اصلی دستگاهی بین تجهیزات جذب اتمی و محلولی در منبع و در ظرف نمونه یافت می شوند.دستگاه های تک پرتوی و دو پرتوی هر دو برای مطالعات جذب اتمی طرح ریزی شده اند.

منابع تابش دستگاه جذب اتمی : 

منابع برای طیف نور سنج های جذب اتمی معمولا لامپ های کاتدی تو خالی یا لوله های تخلیه ای گازی هستند.مدوله کردن پرتو: خروجی از منبع تابش بدون در نظر گرفتن نوع آن، به منظور حذف مزاحمت ناشی از شعله ای که نمونه را در بر دارد، باید مدوله شود. این شعله یک طیف کم و بیش پیوسته ای را منتشر می کند که از تحریک مولکولی مولکول های سوخت حاصل می شود؛ مضافا ممکن است حاوی یک طیف خطی مربوط به تحریک اتم های فلزی از نمونه باشد. مشاهده کرده ایم کسری از اتم ها که دستخوش تحریک حرارتی می شوند در دماهای شعله کوچک است؛ با وجود این، چند اتمی که تحریک می شوند تابشی را منتشر می کنند که مربوط به خط جذبی رزونانسی انتخاب شده برای تجزیه است که این امر یک منبع جدی برای تولید مزاحمت است.برای برداشتن قسمت عمده تابش شعله، تکفامساز همیشه بین شعله و آشکارساز قرار داده می شود.این ترتیب با آنچه که در اغلب طیف نورسنج ها وجود دارد متفاوت است. به هر صورت، روشن است که تکفامساز خط نشری مربوط به طول موج پیک جذب راعبور می دهد.لامپ کاتد تو خالی: لامپ کاتدی تو خالی متداول ترین منبع تابشی برای طیف گیری جذبی اتمی است. لوله که از شیشه ای با دیواره ضخیم ساخته شده است، در یک سر آن پنجره ای شفاف تعبیه شده است. دو سیم تنگستن در داخل سر دیگر لوله لحیم شده اند. یکی از این سیم ها بعنوان آند عمل می کند و به انتهای سیم دیگر یک استوانه توخالی فلزی به قطر 10 تا 20 میلی متر وصل شده است؛ این استوانه بعنوان کاتد عمل می کند. استوانه یا از فلزی که طیف آن مورد نظر است ساخته می شود و یا برای نگهداری لایه ای از آن فلز عمل می کند. لوله با گاز خالص هلیم و یا آرگون در فشار یک تا دو میلیمتر پر میشود.موقعی که یک پتانسیل بین دو الکترود اعمال شود، یونش گاز اتفاق می افتد و جریانی در نتیجه حرکت یون ها به طرف الکترود ها جاری می شود. اگر پتانسیل به اندازه کافی بزرگ باشد کاتیون های گازی شکل انرژی جنبشی کافی برای کندن تعدادی از اتم های فلزی را از سطح کاتد پیدا می کنند و یک ابر اتمی تولید می شود. این عمل را پراندن می گویند. بخشی از اتم های پرانده شده فلزی درحالت تحریک هستند و لذا تابش مشخصه خود را بطریق معمول منتشر می کنند. با ادامه این فرایند، اتم های فلزی مجددا به طرف سطح کاتد و یا به دیواره های شیشه ای لوله پخش می شوند و دوباره رسوب می کنند.پیکر بندی استوانه ای کاتد تمایل دارد تا تابش را در یک ناحیه محدود از لوله متمرکز سازد، این طرح همچنین احتمال اینکه رسوب دادن مجدد، روی کاتد رخ خواهد داد تا روی دیواره های شیشه ای را افزایش می دهد.لامپ های کاتدی تو خالی تجارتی گوناگونی در دسترس اند. کاتد بعضی از آنها مرکب از مخلوطی از چند فلز است، چنین لامپ هایی اجازه می دهند که تجزیه بیش از یک عنصر تک انجام گیرد.لوله های تخلیه ای گازی: لوله های تخلیه ای گازی تولید یک طیف خطی در اثر عبور یک جریان الکتریکی از داخل بخار اتم های یک فلز می کنند. منابعی از این نوع بخصوص برای تولید طیف های فلزات قلیای مفیدند.

تشکیل بخار اتمی دستگاه جذب اتمی در یک تجزیه جذب اتمی، عناصر موجود در نمونه باید به صورت ذرات اتمی خنثی کاهیده شوند، تبخیر گردند و به طریقی در مسیر پرتو تابش پاشیده گردند که تعداد آنها به نحو تکرار پذیری متناسب با غلظت شان در نمونه باشد. این فرایند معمولا کم بازده ترین قسمت این روش است و مسئول بزرگترین خطاهای تخمینی تجزیه ای است.تعدادی وسایل برای تشکیل بخارات اتمی مورد بررسی قرار گرفته اند. این وسایل عبارتند از 1) کوره ها که در آنها نمونه سریعا به یک دمای بالا آورده می شود. 2) کمان ها و جرقه های الکتریکی که در آنها خواه نمونه جامد یا مایع تحت تاثیر شدت جریان زیاد یا پتانسیل بالای جرقه جریان متناوب قرار می گیرد. 3) وسایل پران، که در آنها نمونه ای که روی یک کاتد نگهداری می شود با یون های مثبت یک گاز بمباران می شود. 4) افشاندن شعله ای که در آن نمونه به درون شعله ای گازی افشانده می شود. تا کنون افشاندن شعله ای عملی ترین تکنیک تلقی شده و در تمام دستگاه های تجارتی بکار گرفته می شود.در افشانه تمام یا قسمتی از یک محلول از نمونه بصورت مه نازکی به داخل شعله ای که در مسیر تابش از منبع قرار دارد افشانده می شود.نواحی مهم شعله از پایین به بالا عبارتند از پایه، مخروط داخلی، منطقه واکنش و پوشش بیرونی. نمونه بصورت قطرات کوچک بسیار ریزی از پایه شعله وارد می شود.در داخل این ناحیه آب کسر قابل توجهی از قطرات ریز تبخیر می شود و بدینسان مقداری از نمونه بصورت ذرات جامد وارد مخروط داخلی می شود.در این جاتبخیر و تجزیه به حالت اتمی رخ می دهد. در این منطقه است که فرایند های تحریک و جذب نیز شروع می شوند. با وارد شدن به منطقه واکنش، اتمها به اکسید تبدیل می شوند. این اکسید ها سپس از داخل پوشش بیرونی عبور می کنند و متعاقبا از شعله دفع می شوند. هر قطره ای که به داخل شعله مکیده 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.ناحیه ای از شعله که در آن حداکثر جذب یا نشر اتفاق می افتد به متغیر هایی نظیر اندازه قطرات، نوع شعله بکار رفته، نسبت اکسنده به سوخت و تمایل گونه ها به وارد شدن در تشکیل اکسید بستگی دارد.

انواع مشعل ها در دستگاه جذب اتمی دو نوع مشعل بکار گرفته می شود. در مشعل تمام مصرف کن محلول نمونه، سوخت و گاز اکسنده از داخل راهرو های جداگانه انتقال داده می شوند و در دهانه ای در پایه شعله با یکدیگر مخلوط می گردند. در مشعل پیش مخلوط کن نمونه به داخل یک محفظه بزرگ به وسیله جریانی از اکسنده مکیده می شود. در این جا مه رقیق نمونه و اکنده و سوخت مخلوط می گردند و سپس به طرف دهانه مشعل رانده می شوند. قطرات بزرگ تر نمونه در ته محفظه جمع شده و خارج می شوند.
سوخت ها و اکسنده ها سوخت های بکار رفته برای تولید شعله عبارتند از گاز طبیعی، پروپان، بوتان، هیدروژن و استلین. استیلن شاید پر مصرف ترین سوخت باشد. اکسنده های معمولی عبارتند از هوا، هوای غنی شده با اکسیژن، اکسیژن و نیتروز اکسید. مخلوط نیتروزو اکسید و استیلن به علت خطر انفجار کمتر آن در مواقع نیاز به یک شعله داغ ارجح است.برای عناصری که به آسانی به حالت اتمی تبدیل می شوند نظیر مس، سرب، روی و کادمیم کاربرد شعله های با دمای پایین ارجح است.با افزایش دمای شعله ها می توان تا حدی یونش اتم ها را انتظار داشت. نسبت سوخت به اکسنده نیز بر اندازه تشکیل اتم در شعله تاثیر می گذارد. این آثار پیچیده هستند و بهترین مخلوط باید بطور تجربی تعیین گردد.
تکفامساز ها یا صافی هایک دستگاه جذب اتمی باید قادر به تامین یک پهنای نوار به آن اندازه باریک باشد تا خط انتخاب شده برای اندازه گیری را از خطوط دیگری که ممکن است مزاحمت ایجاد کنند یا حساسیت تجزیه را کاهش دهند جدا سازد. دستگاهی که صافی تداخلی به سهولت تعویض پذیر را بکار می گیرد به طور تجارتی در دسترس است.آشکار ساز ها و شناساگر هابرای تبدیل علامت انرژی تابشی به الکتریکی لوله های فوتو تکثیر کننده بکار گرفته می شوند. همان طور که قبلا توضیح داده شد، دستگاه الکترونیکی قادر به تمییز دادن بین علامت مدوله شده از منبع و علامت پیوسته از شعله است.موارد کاربردطیف بینی جذب اتمی وسیله حساسی برای تعیین بیش از 60 عنصر تامین می کند. عناصری مانند روی، آهن، نیکل، مولیبدن، وانادیم و … تا دقت چند میلی‌گرم در لیتر (ppm) قابل اندازه‌گیری با این دستگاه می‌باشند.

دستگاه جذب اتمی با سیستم کوره گرافیتی :کوره گرافیتی دستگاه جذب اتمی می تواند از دو گاز یکی آرگون برای جلو گیری از اکسید شدن کوره و دیگری اکسیژن که مواد آلی را در داخل کوره بسوزاند استفاده می کنند
بنابر این ما می توانیم وقتی که عناصر فلزی آرسنیک ، آنتیموان ، قلع ، کادمیم و سرب در نمونه های حقیقی در ماتریکس آلی پیجیده وجود دارند با مودیفایر ترکیب فلزی این عناصر را با دمای تبخیر بالا بسازیم و ماتریکس آلی محتوی این عناصر را در داخل کوره به کمک اکسیژن بسوزانیم و مزاحمت ماتریکس را به حداقل برسانیم بنابر این خطای فرآوری نمونه برای قرائت از بین می رود. با استفاده از برنامه های مناسب حرارتی و دماهای لازم مراحل خشک کردن ، خاکستر کردن و اتمیزاسیون انجام می شود.این سیستم قادر به اندازه گیری عناصر فلزی در حد PPb می باشد.
در کوره،نمونه بداخل یک لوله گرافیتی کوچک پخش شده که می تواند از نظر الکتریکی حرارت ببیند.با افزایش مرحله ای دما،فرایند خشک کردن،حرارت مقدماتی ماتریکس و تفکیک به اتمهای آزاد(اتمیزاسیون)رخ می دهد.درطی مراحل خشک کردن و حرارت مقدماتی،یک بخار گاز پاک کننده بی اثر از درون لوله جهت انتقال حلال و بخارات ماتریکس عبور می کند.
یک تفاوت عمده با جذب اتمی شعله ای این است که برخی اجزای ماتریکس قبل از اتمیزاسیون ازبین می رود و اتمیزاسیون در یک اتمسفر بی خطر رخ می دهد.
مزایای تکنیک های دستگاه جذب اتمی با کوره گرافیتی HGAنسبت به شعله ای :1- حساسیت و حدود تشخیص 100تا 1000برابر بهتر از شعله.

دستگاه جذب اتمی شعله ای : PPM 1 کوره گرافیتی : PPB1

2- مقایر کم مورد نیاز نمونه جهت آنالیز در حد 5 تا 50 میکرولیتر
3- H.G.Aجهت نمونه های که مشعل را مسدود می کنند استفاده می شود
4- نمونه های جامد مانند پلاستیک ،ناخن،تکه های مو و…می توانند تجزیه شوند.
برنامه حرارتی دستگاه جذب اتمی:

برنامه حرارتی یکی از ارکان اصلی در یک آنالیز صحیح و موفق در کوره گرافیتی می باشد . در تجزیه های شعله ای ،تبخیر حلال ،تخریب ماتریکس و تولید اتمهای آنالیت در حالت پایه،واقعا بطور همزمان رخ می دهد.در اندازه گیری های انجام شده توسط H.G.Aهمانفرایندها اساسا در طی مراحل خشک کردن،حرارت مقدماتی(زغال کردن)واتمیزاسیون رخ می دهد.
هدف تمام برنامه حرارتی در H.G.A تجزیه یا انتقال تمامی مواد همراه نمونه می باشد تا بدون هیچگونه مزاحمتی روی اتمیزاسیون عنصر انالیت خارج گردند.
لامپهای EDL این دستگاه به ما امکان می دهد که برای اندازگیری عناصر (As ,Cd , Pb , Sn Sb , Hg ) را در یک پرتوی کاتدی 300 تا 400 میلی آمپر حدود 20 برابر لامپهای کاتدی معمولی اندازگیری کنیم .

دستگاه جذب اتمی