طیف سنج جذب اتمی AAS

دستگاه طیف سنج جذب اتمی

چالش اصلی در تجزیه و تحلیل مواد معدنی اندازه گیری دقیق این عناصر در یک ماتریس غذایی است که حاوی غلظت بسیار بیشتری از سایر اجزای (به عنوان مثال، کربوهیدرات ها، پروتئین ها و چربی ها) و همچنین سایر عناصر معدنی است که ممکن است تداخل ایجاد کنند. در مقایسه با روش های سنتی شیمی برای تجزیه و تحلیل مواد معدنی، طیف سنجی جذب اتمی (AAS)، طیف سنجی انتشار اتمی (AES) و روش های طیف سنجی جرمی پلاسما به روش القایی(ICP-MS) قادر به اندازه گیری سریع عناصر غلظت عناصر هستند.با دقت عالی طیف سنج جذب اتمی میزان جذب تابش الکترومغناطیسی توسط اتم های خنثی کاملاً تفکیک شده را کمی می کند، AES میزان انتشار تابش از اتم ها را در حالت های برانگیخته اندازه گیری می کند. ICP با MS جفت شده و ابزارهای ICP-MS را تشکیل می دهد که قادر به اندازه گیری عناصر معدنی با محدودیت های تشخیص بسیار کم هستند.

دستگاه طیف سنج جذب اتمی

طیف سنجی جذب اتمی راه حل های مناسب و مقرون به صرفه ای برای تجزیه و تحلیل مقادیر کمیاب از فلزات در کل طیف وسیعی از مواد طبیعی و ساخته شده توسط انسان مانند نمونه های زمین شناسی، نمونه های زیست محیطی، نمونه های بیولوژیکی، محصولات کشاورزی و خاک، داروها، مواد غذایی و آب آشامیدنی ارائه می دهد.این تکنیک مزایای سرعت، حساسیت و دقت را نسبت به روش های وزن کلاسیک ارائه می دهد. معرفی لوازم جانبی مانند کوره گرافیت، تجزیه و تحلیل تزریق جریان و بهبود در مهار تداخل ماتریس بیشتر به بهبود حساسیت و انتخاب آنالیت در ماتریس پیچیده کمک کرده است.ویژگی های دستگاه طیف سنج جذب اتمی همراه با درجه بالایی از دقت و صحت نتایج به حضور گسترده این دستگاه در آزمایشگاه های کالج، آزمایشگاه های صنعتی و آزمایشگاه های نظارتی در سراسر جهان کمک کرده است.

طیف سنجی جذب اتمی (AAS) و طیف سنجی انتشار اتمی (AES) یک روش اسپکترومتری تحلیلی برای تعیین کمی عناصر شیمیایی با استفاده از جذب تابش نوری (نور) توسط اتم های آزاد در حالت گازی است. طیف سنجی جذب اتمی براساس جذب نور توسط یون های فلزی آزاد است.در شیمی تحلیلی از این روش برای تعیین غلظت یک عنصر خاص (آنالیت) در نمونه مورد تجزیه و تحلیل استفاده می شود. از AAS می توان برای تعیین بیش از ۷۰ عنصر مختلف در محلول یا مستقیماً در نمونه های جامد از طریق تبخیر الکترو گرمایی استفاده کرد و در تحقیقات دارویی، بیوفیزیک، باستان شناسی و سم شناسی این دستگاه مورد استفاده قرار می گیرد.طیف سنجی انتشار اتمی برای اولین بار به عنوان یک روش تحلیلی مورد استفاده قرار گرفت و اصول زیربنایی در نیمه دوم قرن نوزدهم توسط رابرت ویلهلم بونسن و گوستاو رابرت کرچوف، هر دو استاد دانشگاه هایدلبرگ آلمان، ایجاد شد.شکل مدرن طیف سنجی اتمی عمدتا در دهه ۱۹۵۰ توسط تیمی از شیمی دانان استرالیایی ایجاد شد. آن ها توسط سر آلن والش در سازمان تحقیقات علمی و صنعتی مشترک المنافع (CSIRO)، بخش فیزیک شیمیایی، در ملبورن، استرالیا هدایت می شدند.

کاربرد های طیف سنج اتمی

طیف سنجی جذب اتمی در زمینه های مختلف شیمی مانند تجزیه و تحلیل بالینی فلزات در مایعات بیولوژیکی و بافت هایی مانند خون کامل، پلاسما، ادرار، بزاق، بافت مغز، کبد، مو، بافت عضلانی کاربردهای زیادی دارد. از طیف سنجی جذب اتمی می توان در تحلیل کمی و کیفی استفاده کرد.طیف سنجی جذب اتمی (AAS) یک فناوری آسان، با عملکرد بالا و ارزان است که در درجه اول برای تجزیه و تحلیل ترکیبات در محلول استفاده می شود. به همین ترتیب، AAS در تجزیه و تحلیل مواد غذایی و آشامیدنی، آب، کاربرد هی بالینی و دارویی استفاده می شود. این ماده همچنین در عملیات استخراج مانند تعیین درصد فلز گرانبها در سنگ ها مورد استفاده قرار می گیرد.

طیف سنجی جذب اتمی چیست؟

طیف سنجی جذب اتمی (AAS) با استفاده از طول موج مشخص تابش الکترومغناطیسی از یک منبع نور، عناصر موجود در نمونه های مایع یا جامد را تشخیص می دهد. عناصر جداگانه طول موج ها را به طور متفاوتی جذب می کنند و این جذب ها بر اساس استاندارد اندازه گیری می شوند. در واقع، طیف سنجی جذب اتمی از طول موج های مختلف تشعشعی که توسط اتم های مختلف جذب می شوند، بهره می برد.در طیف سنج جذب اتمی، آنالیت ها ابتدا اتمی می شوند تا طول موج مشخص آنها ساطع شده و ثبت می شود. سپس، هنگامی که این اتم ها انرژی خاصی را جذب می کنند، الکترون ها در یک سطح انرژی در اتم های مربوطه خود بالا می روند.الکترون ها وقتی به حالت اولیه انرژی خود برمی گردند، انرژی را به صورت نور ساطع می کنند (شکل ۱و۲). این نور دارای طول موجی است که مشخصه عنصر است. بسته به موج نور و شدت آن، می توان عناصر خاصی را شناسایی و غلظت آنها را اندازه گیری کرد.

طیف سنجی جذب اتمی

طیف سنجی جذب اتمی دارای تعداد نامحدودی برنامه کاربردی است و همچنان یک انتخاب محبوب برای تجزیه و تحلیل عناصر ردیابی بدون عارضه است. طیف سنجی جذب اتمی شعله (FAAS) به طور گسترده ای در بسیاری از صنایع پذیرفته شده است که همچنان از مزایای منحصر به فرد و خاص این فناوری استفاده می کنند. طیف سنجی جذب اتمی کوره گرافیت (GFAAS) یک فن آوری ثابت برای اندازه گیری عناصر در قطعات در میلیارد (ppb) غلظت با حجم نمونه فوق العاده کم است.این روش برای ارزیابی غلظت آنالیت های خاص درون آن از طیف جذب اتمی یک نمونه استفاده می کند. برای ایجاد رابطه بین میزان جذب اندازه گیری شده و غلظت آنالایت، به استانداردهای دارای محتوای آنالیت شناخته شده نیاز دارد و بنابراین به قانون Beer – Lambert متکی است.

اساس کار دستگاه طیف سنجی جذب اتمی

به منظور تجزیه و تحلیل یک نمونه برای ترکیبات اتمی آن، باید آن را اتمی کرد. دستگاه های بخار ساز که امروزه معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند، شعله های آتش و دستگاه های بخار ساز الکترو گرمایی (لوله گرافیت) هستند. سپس اتم ها باید توسط تابش نوری تحت تابش قرار گیرند، و منبع تابش می تواند یک منبع تابش خط خاص عنصر یا یک منبع تابش پیوسته باشد. سپس تابش از طریق مونوکروماتور عبور می کند تا تابش خاص عنصر را از هر تشعشع دیگری که از منبع تابش ساطع می شود جدا کند و در نهایت توسط ردیاب اندازه گیری می شود. طیف سنجی جذب اتمی (AAS) بر این اصل استوار است که اتم های آزاد در حالت پایه می توانند نور با طول موج خاصی را جذب کنند. این طول موج های بسیار خاص به تجزیه و تحلیل AAS ویژگی های بسیار خوبی در این روش می دهد. جذب برای هر عنصر خاص است، هیچ عنصر دیگری این طول موج را جذب نمی کند. موادی که معمولا توسط این دستگاه تجزیه و تحلیل می شوند عبارتند از:

غلظت کمی فلز در محلول

تجزیه و تحلیل سرب در رنگ

پایش فلزات کمیاب در جریان های پساب صنعتی

عناصر کمیاب در محصول / مواد اولیه به همراه ICP-MS

تجزیه و تحلیل مواد افزودنی و خلوص در فولادها و سایر آلیاژهای فلزی

تجزیه و تحلیل آلودگی های سطح پایین

چندین روش تجزیه و تحلیل برای شناسایی و تخمین کمی فلزات کمیاب در انواع مختلف ماتریس ها استفاده شده است. تکنیک های کلاسیک مبتنی بر وزن سنجی و تیترومتری دقت خوبی را ارائه می دهند اما وقت گیر هستند.

انواع طیف سنجی جذب اتمی

امروزه، سیستم های طیف سنجی جذب اتمی (AAS) ابزاری نسبتاً ارزان قیمت هستند. برخی نیز قابلیت چند عنصر (چند) را پیش بینی می کنند. انواع مختلفی از سیستم های AAS وجود دارد – سیستم های شعله (F AAS) ، بخار سرد (CV AAS) ، تولید کننده هیدرید (HG AAS) و کوره گرافیت (GF-AAS).

ساختار دستگاه طیف سنج جذب اتمی

اتمیزر

برای اینکه نمونه مورد بررسی قرار گیرد ابتدا باید اتمی شود. اتمیزه کردن یک مرحله مهم در AAS است که به عنوان تعیین کننده حساسیت میزان خواندن کمک می کند. یک دستگاه اتمی ساز موثر تعداد زیادی اتم آزاد همگن ایجاد می کند. اگرچه انواع مختلفی از دستگاه های بخار ساز وجود دارد، اما فقط دو نوع از آنها استفاده می شود: دستگاه های اتمی ساز شعله و الکترو گرمایی.

منبع تابش

یک منبع تابش وجود دارد که نمونه اتمی شده را تابش می دهد. نمونه تابشی را جذب می کند و بقیه از طیف سنج به ردیاب منتقل می شود. منابع تابش به دو دسته تقسیم می شوند: منابع خطی و منابع پیوسته. منابع خط آنالیز را تحریک می کنند و بنابراین طیف خطی خود را منتشر می کنند. منابع پیوسته دارای تابشی هستند که در دامنه وسیع تری از طول موج ها پخش می شوند.

طیف سنج

طیف سنج ها برای تمایز بین انواع مختلف طول موج های نور قبل از عبور از ردیاب استفاده می شوند. طیف سنج موجود در AAS می تواند تک پرتو یا دو پرتو باشد.طیف سنج های تک پرتو برای عبور مستقیم از نمونه اتمی به تابش نیاز دارند. در حالی که، طیف سنج های پرتوی دوتایی به دو پرتوی نور احتیاج دارند – یک پرتوی که مستقیماً از نمونه عبور می کند و دیگری دیگر از نمونه عبور نمی کند.

دستگاه های بخار ساز که امروزه معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند، شعله های آتش (طیف سنجی) و دستگاه های بخار ساز الکترو گرمایی (لوله گرافیت) هستند. سایر دستگاه ها، مانند اتمی سازی تخلیه درخشش، اتمی سازی هیدرید یا اتمیزه بخار سرد، ممکن است برای اهداف خاص استفاده شوند.قدیمی ترین و معمول ترین دستگاه های بخور دهنده در AAS شعله های آتش هستند. علاوه بر این، شعله دوم محیط احیا بیشتری را ایجاد می کند. این فرآیند به طور ایده آل برای آنالیت هایی که میل زیادی به اکسیژن دارند مناسب است.نمونه های مایع یا محلول به طور معمول با دستگاه های بخار دهنده شعله استفاده می شوند. محلول نمونه توسط یک نبولایزر پنوماتیک تحریک می شود، به یک آئروسل تبدیل می شود، که به یک محفظه اسپری وارد می شود، جایی که با گازهای شعله مخلوط می شود و به گونه ای مطبوع می شود که فقط بهترین قطرات آئروسل (<10 میکرومتر) وارد شود شعله. این فرایند تهویه باعث کاهش تداخل می شود، اما فقط حدود ۵٪ از محلول آئروسل به دلیل آن به شعله می رسد.در بالای محفظه اسپری یک سر مشعل قرار دارد که شعله ای تولید می کند که به صورت جانبی (معمولاً ۵-۱۰ سانتی متر) طول دارد و فقط چند میلی متر عمق دارد. پرتوی تابشی در طولانی ترین محور خود از این شعله عبور می کند و ممکن است سرعت جریان گاز شعله به گونه ای تنظیم شود که بالاترین غلظت اتم های آزاد را تولید کند. ارتفاع مشعل همچنین ممکن است تنظیم شود، به طوری که پرتو تابش از منطقه بالاترین تراکم ابر اتم در شعله عبور کند، و در نتیجه بیشترین حساسیت ایجاد شود.فرآیندهای موجود در شعله شامل مراحل تخریب (خشک شدن) است که در آن حلال تبخیر می شود و نانوذرات نمونه خشک باقی می مانند، تبخیر (انتقال به فاز گازی) که در آن ذرات جامد به مولکول گازی تبدیل می شوند، در آن اتمیزه می شود. مولکول ها به اتم های آزاد تفکیک می شوند و یونیزاسیون در آنجا انجام می شود (بسته به پتانسیل یونیزاسیون اتم های آنالیت و انرژی موجود در یک شعله خاص) اتم ها ممکن است تا حدی به یون های گازی تبدیل شوند.

الکتروترمال (ET AAS)

در ET AAS یک سیگنال گذرا تولید می شود که مساحت آن مستقیماً با جرم آنالیت (نه غلظت آن) متناسب با لوله گرافیت است. این تکنیک این مزیت را دارد که هر نوع نمونه، جامد، مایع یا گازی می تواند مستقیماً مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. حساسیت آن ۲-۳ مرتبه بزرگتر از AAS با شعله است. ET AAS ممکن است قوی ترین تکنیک موجود در حال حاضر برای تعیین عناصر کمیاب در ماتریس های پیچیده باشد.

گاز های مورد استفاده در دستگاه ظیف سنج جذب اتمی

طیف سنجی جذب اتمی به دو گاز اصلی یعنی هوا به عنوان اکسیدان و یک گاز سوختی مانند استیلن یا اکسید نیتروژن نیاز دارد. استفاده ایمن از منابع گاز برای کارایی کارآمد ابزار آزمایشگاه از اهمیت بالایی برخوردار است.

روشهای دستکاری گازهای AAS

هوا

هوای فشرده به عنوان اکسیدان برای عملکرد شعله ضروری است. توصیه می شود به دلیل خطر بازگشت مجدد، از اکسیژن به جای هوای صفر استفاده نکنید. از کمپرسور هوا بدون سر و صدا بدون روغن استفاده کنید. فیلتر اکیداً توصیه می شود تا آبهای خاکی، روغن، ذرات معلق در هوا و ذرات جامد را از خطوط هوای فشرده خارج کنید.

استیلن

استیلن متداول ترین سوخت برای انجام عملیات شعله است. این گاز در استون حل می شود بنابراین سیلندر باید همیشه به حالت ایستاده نگه داشته شود تا از ورود استون به خطوط لوله و شیلنگ جلوگیری کند. در فشار کم مخزن، محتوای استون در گاز افزایش می یابد و می تواند باعث شعله ور شدن ناپایدار شود. سیلندرهای گاز باید با کاهش فشار به ۶۰۰ کیلو آمپر تعویض شوند در غیر این صورت لوله و شیرهای داخل سیستم کنترل گاز مشعل نیز به دلیل انتقال استون آسیب می بینند. هنگام استفاده از گاز استیلن باید دو احتیاط عمده رعایت شود. در مرحله اول همیشه از لوله و اتصالات فولاد ضد زنگ استفاده کنید. از لوله و اتصالات مس هرگز نباید به عنوان واکنش استیلن با مس برای تشکیل استیلیدهای منفجره استفاده شود. در مرحله دوم فشار خط از مخزن گاز به دستگاه نباید بیش از kpA 103 (15 psig) باشد. در فشارهای بالاتر استیلن می تواند خود به خود منفجر شود یا تجزیه شود. برای از بین بردن ذرات و قطرات استون و همچنین جلوگیری از برگشت شعله ور شدن شعله استفاده از فیلتر توصیه می شود.

اکسید نیتروژن

دمای شعله اکسید نیتروژن / استیلن می تواند تا ۲۸۰۰ درجه سانتی گراد برسد که برای تعیین عناصر تشکیل دهنده اکسیدهای نسوز و غلبه بر تداخلات شیمیایی که ممکن است در شعله های آتش در دماهای پایین تر لازم باشد، لازم است.اکسید نیتروژن در حالت مایع عرضه می شود، در ابتدا با فشار حدود pkA 5000 (750 psig). از آنجا که در حالت مایع است ، فشار سنج نشانه واقعی از گاز باقی مانده در مخزن را نمی دهد تا زمانی که فشار شروع به کاهش سریع کند زیرا گاز شروع به تخلیه می کند.شعله اکسید نیتروژن به دبی بالای ۱۴ تا ۳۰ لیتر در دقیقه نیاز دارد. گاز منبسط شونده باعث خنک شدن تنظیم کننده فشار سیلندر می شود که می تواند منجر به انجماد دیافراگم تنظیم کننده شود. این حالت می تواند باعث ایجاد رفتار نامنظم شعله یا حتی بازگشت به عقب شود. لازم است تنظیم کننده را با استفاده از بخاری داخلی یا یک منبع حرارتی خارجی مانند نوار گرم کننده مقاومت الکتریکی گرم کنید. خطوط حامل اکسید نیتروژن باید عاری از چربی، روغن یا سایر مواد آلی باشند که ممکن است باعث احتراق خود به خود شوند.

آرگون

آرگون بی اثر در تجزیه و تحلیل کوره گرافیت برای جلوگیری از احتراق لوله های گرافیت در دمای بالا مورد نیاز است. هنگام استفاده از کوره گرافیت یا به عنوان گاز حامل با سیستم های جیوه / هیدرید ، به عنوان جریان گاز خارجی و داخلی استفاده می شود. مخازن مایع و گاز موجود است. آرگون مایع به طور کلی گرانتر است اما نمی تواند برای مدت طولانی ذخیره شود. در صورت استفاده از آرگون مایع ، مخزن باید دارای یک تنظیم کننده فشار بیش از حد باشد که مخزن را تخلیه می کند که برای سرد نگه داشتن آرگون مایع لازم است تا در حالت مایع باقی بماند. مخازن آرگون گازی نیازی به تخلیه ندارند و در نتیجه می توان آنها را برای مدت طولانی بدون از دست دادن ذخیره کرد.

طیف سنج های LS AAS

در LS AAS تفکیک پذیری بالایی که برای اندازه گیری جذب اتمی مورد نیاز است، از طریق انتشار خط باریک منبع تابش تأمین می شود. ویژگی دیگر ساخت خاص عنصر LS AAS ، تعدیل تابش اولیه و استفاده از تقویت کننده انتخابی است که با همان فرکانس مدولاسیون تنظیم می شود، همانطور که قبلاً توسط آلن والش فرض شده است. تک رنگهای ساده Littrow یا طرح Czerny-Turner  معمولاً برای LS AAS استفاده می شوند. لوله های نوری از آشکارسازهایی هستند که بیشتر در LS AAS استفاده می شوند، اگرچه آشکارسازهای حالت جامد به دلیل نسبت بهتر سیگنال به نویز ممکن است ترجیح داده شوند.

طیف سنج ها برای CS AAS

هنگامی که از یک منبع تابش پیوسته برای اندازه گیری AAS استفاده می شود، کار با یک رنگ ساز با وضوح بالا ضروری است. برای جلوگیری از از دست دادن حساسیت و خطی بودن نمودار کالیبراسیون، وضوح باید برابر یا بهتر از نصف عرض یک خط جذب اتمی باشد. این طیف سنج ها برای وضوح بالا از یک تک رنگ ساز جمع و جور مضاعف با پیش منوکروماتور منشوری و مونوکروماتور مشبک کششی اشل استفاده می کنند. یک آرایه خطی همراه با شارژ (CCD) با ۲۰۰ پیکسل به عنوان ردیاب استفاده می شود. تک رنگ دوم شکاف خروجی ندارد. از این رو محیط طیفی در دو طرف خط تحلیلی با وضوح بالا قابل مشاهده است.

مزایای AAS چیست؟

دقت AAS

یک روش عالی برای تولید نتایج دقیق اس ، به طور معمول با نرخ ۰.۵-۵، یا در صورت استفاده از استانداردهای مناسب، نرخ حتی بهتر.حساسیت AAS که یک روش فوق العاده حساس برای تشخیص است، می تواند تمام قطعات را در هر میلیارد گرم در یک ماده اندازه گیری کند. به همین ترتیب، این امر انقلابی در شیوه های خاص در انواع زمینه ها ایجاد کرده است. به عنوان مثال، در پزشکی، می توان از آن برای ردیابی سموم ردیابی جو یا دارو استفاده کرد. به همین ترتیب، در داروخانه ها، اکنون می توان عناصر کمیاب نامطلوب یک کاتالیزور را که گاهی در محصول نهایی وجود داشت، تشخیص داد. و در کشاورزی، AAS برای شناسایی عناصر کمیاب که قبلاً از آنها بی اطلاع بودیم، مانند کبالت یا مولیبدن و شناسایی اهمیت، وجود یا عدم وجود آنها در خاک استفاده شده است.

هزینه

از آنجایی که AAS اغلب کمتر از سایر روش ها از آرگون استفاده می کند، هزینه های جاری اغلب کمتر است.

دسترسی

با توجه به فرآیند متکی به اشعه و جذب نور، می تواند به مکان های غیرقابل دسترسی قبلی برسد. به عنوان مثال، معدن کاران اکنون می توانند با استفاده از AAS تعیین کنند که آیا سنگ دارای عناصر کافی از طلا یا سایر فلزات گرانبها است که ارزش استخراج آن را داشته باشد.

معایب AAS چیست؟

عدم تطبیق پذیری

بیشتر اقدامات AAS بیشتر به آزمایش مایعات اختصاص دارد تا جامدات. این به این دلیل است که ماده قبل از تجزیه و تحلیل باید بخار شود. مایعات بیش از جامدات به این امر وام می دهند، حل شدن برخی از آنها زمان زیادی می برد و برخی دیگر از انحلال را پشتیبانی نمی کنند. بعلاوه، روش هایی که آزمایش مواد جامد را امکان پذیر می کند نمی توانند در غیر فلزات استفاده شوند.

تجهیزات

اگرچه این تجهیزات اغلب قابل حمل تر از ابزارهای قبلی هستند، اما اغلب با برچسب قیمتی کمتری نیز ارائه می شوند و این امر برای استفاده گسترده در آزمایشگاه غیرقابل اجرا است.دقت، درستی سایر مواد شیمیایی که در نمونه یا در جو اطراف یافت می شوند، می توانند تأثیر تداخل و تحریف بر نتایج مطالعه داشته باشند.