محدودیت های روش طیف سنجی اتمی
طیف سنجی جذب اتمی (AAS)
روش مطالعه برهم‌کنش بین نور و ماده، طیف سنجی گفته می‌شود. در گذشته نیز طیف سنجی به شاخه‌ای از علم برمی‌گردد که امواج برای مطالعات نظری در ساختار ماده و آنالیزهای کیفی و کمی استفاده می‌شوند ارجاع می شود. در این میان طیف سنجی جذب اتمی یا به اختصار آنالیز AAS، یک روش اسپکتروسکوپی برای اندازه‌گیری کمی عناصر شیمیایی با استفاده از جذب اشعه نوری توسط اتم در حالت گازی می باشد. در شیمی تجزیه و مهندسی مواد، این تکنیک برای تعیین غلظت یک عنصر خاص در یک نمونه کاربرد دارد.
منظور از طیف جذب اتمی چیست؟
طیف جذبی یک عنصر در شکل گازی و اتمی آن،خطوط باریک کاملا مشخصی است که از جهش های الکترونی خارجی ترین الکترون ها به وجود می آیند. الکترون های لایه ظرفیت اتم، تابش الکترومغناطیس در گستره فرابنفش و مرئی را جذب یا منتشر می کنند.
بیشتر بخوانید: کمومتریکس چیست؟
بر خلاف مولکول ها که دارای ترازهای انرژی ارتعاشی و چرخشی هستند، در اتم های آزاد فقط جهش های الکترونی صورت می گیرد، به همین دلیل وقتی انرژی توسط اتم ها جذب یا نشر می شود، خطوط طیفی مجزا مشاهده می شود. این پدیده، پایه روش های طیف بینی اتمی می باشد.
پیک های جذبی یا نشری باریک که هنگام طیف بینی جذب یا نشر اتمی مشاهده می شوند، طیف خطی هستند. مولکول ها و یون های چند اتمی دارای نوارهای جذبی پهن هستند، در صورتی که اتم ها دارای خطوط جذبی باریک معمولا با پهنای ۰٫۰۰۱ الی۰٫۰۱ نانومتر می باشند.
نکته قابل توجه اثرات پهن کننده خطوط جذبی اند. دو اثر زیر تمایل دارند که خطوط جذبی اتم ها را تا ۰٫۰۲ تا ۰٫۰۵ آنگستروم پهن کنند:
تعریض داپلر
از حرکت سریع ذرات جذب کننده، نسبت به منبع نشر ناشی می شود. برای اتم هایی که به طرف منبع حرکت می کنند، طول موج تابش به طور موثری توسط اثر داپلر کم می شود. بنابراین، طول موج های کمی بلندتر جذب خواهد شد. عکس این مسئله، درباره اتم هایی که از منبع دور می شوند، نیز حاکم است. به بیان ساده، بنا به اثر داپلر با توجه به اینکه ناظر به سمت چشمه حرکت می کند یا از آن دور می شود، فرکانس یا به عبارتی دیگر طول موجی که از منبع ساطع می شود را بیشتر یا کمتر دریافت خواهد کرد.
بیشتر بخوانید: کاربردهای بوریک اسید در صنایع مختلف
تعریض فشاری
برخوردهای بین اتم ها سبب تغییرات کوچکی در ترازهای انرژی حالت عادی می شود گهدر نتیجه پیک ها پهن می شوند.
طیف سنجی جذب اتمی (AAS)
طیف سنجی یا اسپکتروسکوپی بررسی مواد و خواص آن با مطالعه نور، صوت و ذرات گسیل شده، جذب شده یا پراکنده شده از نمونه مورد آزمایش می باشد. به عبارت ساده، طیف سنجی بر هم کنش بین نور و ماده نیز تعریف می‌شود.
طیف سنجی جذب اتمی یکی از روش های طیف سنجی است که به وسیله آن می توان با دقت بالایی غلظت عناصر فلزی موجود در یک نمونه را تعیین کرد. اسپکتروسکوپی جذب اتمی، روشی برای شناسایی و اندازه گیری ترکیبات عنصری یک نمونه از طریق مطالعه انرژی تابشی به وسیله اتم هاست. بر این اساس، میزان پرتوی جذب شده هنگام عبور از نمونه، متناسب با غلظت عنصر مورد نظر است.
این روش توانایی آنالیز حدود ۷۵ عنصر فلزی و شبه فلزی را دارا می باشد؛ ولی توانایی آنالیز مواد غیر فلزی را به صورت مناسب ندارد.
برای آشنایی بیشتر با اساس این روش، بهتر است ابتدا مروری بر تئوری اولیه آنالیز AAS داشته باشیم. این تئوری بیان می کند که همه اتم ها بدون استثنا می توانند نور جذب کنند، طول موج نوری که جذب می شود برای هر عنصر متفاوت و مختص همان عنصر است. بنابراین هیچ گاه طول موج جذبی دو عنصر مشابه هم نخواهد بود.
بیشتر بخوانید: کاربردهای اسید سولفوریک در صنایع لبنی
میزان نور جذب شده بوسیله عناصر، بستگی کاملی به غلظت اتم های جذب کننده نور یا به عبارتی به غلظت عنصر مورد نظر در نمونه محلول دارد.
اساس آنالیز AAS ، استفاده از دستگاه جذب برای ارزیابی غلظت آنالیت در نمونه است؛ در نتیجه طبق قانون بیرلامبرت به رابطه‌ای میان میزان نور جذب شده توسط نمونه و غلظت نمونه نیاز داریم. این قانون تجربی، ارتباط شدت نور جذب شده در اثر عبور از ماده همگن بدون پراکندگی را با خصوصیات مواد بیان می‌کند.
قانون بیر لامبرت
الکترون های اتم‌ها با جذب طول موج مشخصی از انرژی می‌توانند به سطوح بالاتر انرژی بروند و برای مدت کوتاهی به حالت برانگیخته در آیند که این مقدار انرژی جذب شده برای هر اتم با اتم دیگر متفاوت است.
به بیان دیگر، هر عنصری فقط به یک طول موج مشخص پاسخ می‌دهد. باریک بودن پرتو نور در این روش بسیار خاص و انتخاب پذیر، انرژی خاصی تولید می شود. هنگامی که اتم برانگیخته به حالت پایه برگردد، طول موج مشخصی از خود ساطع می‌کند. با اندازه‌گیری میزان جذب نمونه و رسم منحنی کالیبراسیون و قانون بیر لامبر به میزان مجهول در نمونه پی می‌بریم.
در طیف سنجی جذب اتمی، ماده مورد مطالعه باید به حالت عنصری کاهش یابد، تبخیر شود و سر راه شعاع تابش منبع، قرار بگیرد. لازم است در این فرایند، نمونه ها حتما به صورت محلول باشند.
در اولین قدم آزمایش، محلول حاوی عنصر مورد نظر، به وسیله یک شعله که به عنوان مثال با هوا و استلین می سوزد، در دمایی پایین از طیف تابش عنصر بخار می شود. در اثر تبخیر، قسمت اعظم عناصر موجود در محلول به حالت خنثی در می آید و پرتوی تابش شده از لامپ های کاتدی (لامپ مخصوص برای هر عنصر) توسط اتم های خنثی شده، جذب می شود.
بیشتر بخوانید: کاربرد پتاسیم پرمنگنات در کشاورزی
در این حالت شدت اشعه تابشی اولیه کمتر خواهد شد. معیار غلظت عناصر موجود در محلول، تفاوت شدت دو پرتوی تابشی و خروجی است.
ایراد اصلی این تکنیک، نیاز به وجود یک لامپ منبع جداگانه برای هر عنصر مورد تجزیه است. برای رفع این مشکل، تلاش هایی به عمل آمده تا یک منبع پیوسته به همراه یک تک فام ساز با قدرت جداکنندگی بسیار بالا به کارگرفته شود. تک فام ساز، جلوی منبع نور قرار می گیرد و طول موج مورد نظر را عبور می دهد. البته این تکنیک، به اندازه به کارگیری یک لامپ مخصوص برای هر عنصر رضایت بخش نبوده است.
مشکلات رایج در آنالیز AAS
مشکلات رایج در روش طیف سنجی اتمی سه دسته هستند:
1-اختلال شیمیایی که از واکنش های اتفاق افتاده بوجود می آیند. چون در شعله مقداری از عنصر مورد تجزیه مصرف می شود، تعداد آنهایی که باید تابش را جذب کنند کاهش و در نتیجه جذب کاهش می‌یابد. از جمله مزاحمت های شیمیایی، تشکیل اکسیدهای دیرگداز درون شعله با حضور اکسیژن می باشد مانند تبدیل آلومینیوم و آهن به اکسیدهای دیرگداز Al2O3 و Fe2O3 در حضور اکسیژن.
یک روش برای کاهش مزاحمت شیمیایی، استفاده از شعله های با دمای زیاد، مانند شعله نیتروز اکسید و استیلن به جای شعله هوا استیلن است. این شعله علاوه بر دمای زیاد، با کاهش غلظت اکسیژن در حذف مزاحمت شیمیایی موثر است.
راه دیگر برای حذف مزاحمت شیمیایی، اضافه نمودن یک ماده رهاساز به نمونه مورد تجزیه است. عامل رهاساز ماده ای است که با یک یا چند عامل مزاحم واکنش می دهد و ترکیبات غیر دیرگداز ایجاد نموده و از تشکیل اکسیدهای دیرگداز جلوگیری می کند.
2-اختلال یونش زمانی اتفاق می افتد که تعداد زیادی از اتم ها درون شعله یونیزه شده باشد و باعث کاهش اتم‌های جذب کننده تابش شوند. از آنجا که یون‌ها در طول موج مورد آزمایش برای عنصر مورد تجزیه، جذب ندارند، جذب کم خواهد شد.
معمولا یونش توسط دمای خیلی زیاد شعله پیش می آید و انرژی یونش توسط گرمای شعله تامین می شود. مزاحمت طیفی، زمانی اتفاق می افتد که دو عنصر یا یک عنصر و یا یک ترکیب چند اتمی درون سلول، در طول موج مورد نظر، جذب یا نشر داشته باشند. در صورتی که ترکیب مزاحم، تابش را جذب کند منجر به خطای مثبت و اگر تابش را نشر کند، سبب خطای منفی می شود.
بیشتر بخوانید: کاربرد اسپکتروسکوپی در پزشکی
3-اختلال زمینه ای معمولا توسط جذب گونه های چند اتمی یا پراکندگی تابش درون سلول بوجود می آید و برای حذف آن از روش افزایش استاندارد نمی توان استفاده نمود. برای حذف مزاحمت زمینه ای، باید مقدار جذب مربوط به زمینه تعیین و از جذب کل کم شود تا جذب تصحیح شده مربوط به آنالیز بدست بیاید.
آنالیز AAS چه قابلیت ها و محدودیت هایی دارد؟
1-تعیین مقادیر کم فلزات در مایعات
2-آنالیز آلیاژها و ناخالصی های موجود در آن
3-شناسایی و اندازه گیری عناصر در کاتالیست های مختلف
4-آنالیز های آلاینده های محیط زیست (آب, هوا, خاک)
5-شناسایی و اندازه گیری عناصر در نمونه های مختلف صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
6-بررسی میزان تاثیر عناصر مختلف در محیط زیست
7--آنالیز نمونه های خاک در زمین شناسی
8-اندازه گیری عناصر و اثر آن ها در سیستم های بیولوژیکی
9-آنالیز فلزات و شبه فلزات در ترکیبات معد‌نی طبیعی و سنتزی
10-بررسی تاثیر نوع و مقدار فلزات در انواع واکنش ها
11-کنترل استانداردهای مختلف توسط اداره استاندارد
12-اندازه گیری عناصر در نمونه های مختلف صنایع غذایی
محدودیت های دستگاه
1-حوزه تشخیص از حدود قسمت در بیلیون تا قسمت در میلیون می باشد.
2-توانایی آنالیز مستقیم و بدون واسطه گازهای نجیب، هالوژن ها، گوگرد، کربن یا نیتروژن را ندارد.
3-حساسیت آن در حد مورد اکسیدهای دیرگداز یا عناصر موجود در کاربیدها نسبت به روش 4-طیف‌سنجی از طریق نشر پلاسمایی اتمی ضعیف می باشد.
5-این روش فقط برای عناصر فلزی و شبه فلزی قابل استفاده است و برای عناصر غیر فلزی کاربردی ندارد.