Instrumental Methods of Analysis
با پیشرفت علم شیمی و به موازات اهمیت شناسائی ترکیب اجسام ، شیمی تجزیه هم رشد نمود و استفاده از روشهای دستگاهی به تدریج جایگزین روشهای تجزیه کلاسیک شد . در واقع تجزیه با دستگاه شاخه ای جدید در این رشته میباشد که بر خلاف روشهای کلاسیک مقدار عناصر بصورت مستقیم اندازه گیری نمیشوند بلکه یکی از خواص فیزیکی عناصر مانند جذب یا گسیل نور مورد نظر است . برترین ویژگی در این روش سرعت عمل زیاد است و دستگاههای تجزیه ای قادرند چندین پدیده را در زمان کوتاهی شناسائی کنند . علاوه بر آن اندازه گیری مقادیر بسیار کم عناصر در برخی از نمونه ها که معمولا خارج از توان روشهای قدیمی هستند با این روش قابل اندازه گیری هستند . ممکن است برای تجزیه و شناسائی برخی از عناصر تلفیقی از روشهای شیمی تر و روشهای تجزیه دستگاهی استفاده شوند .
به هر حال روشهای تجزیه دستگاهی به عنوان روش فراگیر در کلیه آزمایشگاههای شیمی تجزیه کاربرد دارند . این روشها بسیار متنوع بوده و باتوجه به ماهیت عناصر و کاربرد مورد استفاده قرار خواهند گرفت . مانند: روشهای نشرنوری مانند طیف نور سنجی شعله ای - روشهای جذب نوری مانند جذب اتمی و طیف نور سنجی - روشهای الکترو شیمیایی مانند پلاروگرافی و ... .همرا با توسعه تکنولوژی دستگاههای تجزیه هم هر روز پیشرفته تر شده و در مقیاس فنون امروزی ساخته میشوند .
در این تاپیک تلاش خواهد شد روشهای تجزیه دستگاهی متداول در آزمایشگاهها و مراکز تحقیقی کشور بررسی و مختصرا در باره اصول آن توضیحاتی داده شود .
1- طیف بینی جذب اتمی Atomic Absorbtion Spectrophotometry
اتمیک ابزورپشن نخستین بار در ملبورن استرالیا توسط دکتر والش ابداع شد . اساس کار به این صورت است که عناصر در حالت گازی قادر به جذب نور هستند و چنانچه نوری در مسیر اتمهای یک عنصر به حالت گاز تابیده شود ، اتمهای آزاد قادر به جذب این نور خواهند بود و میزان جذب مستقیما به مقدار عنصر حاضر بستگی خواهد داشت . تمام اتمهای عناصر نور را در یک طول موج خاص جدب و نشر میکنند به عبارتی دیگر اتمها نور را در همان طول موجی که نشر میکنند ،جذب هم خواهند کرد . در واقع این اساس کار این روش میباشد و والش با بهره گیری از این خصوصیت عناصر دستگاه اتمیک ابزورپشن یا جذب اتمی را ابداع نمود .
روش کار به این ترتیب است که از یک منبع مناسب نوری به طرف یک شعله تابانده میشود این شعله با استفاده از هوا و استیلن و یا سوختهای دیگر مانند نیترواکسید ، آرگون و هیدروژن ایجاد میشود . محلول نمونه نیز به صورت اسپری یا ذرات ریز وارد این شعله میشود و اتمهای موجود در نمونه نور را جذب میکنند . نور بعد از عبور از شعله به قسمت مونوکروماتور (تکفامساز) و در نهایت به سمت یک دتکتور خواهد رفت که در این قسمت با تبدیل انرژی نورانی به انرژی الکتریکی و ارسال سیگنالها به سمت مانیتور شدت جریان اولیه به ثانویه نشان داده خواهد شد .
الکترونهای هر اتم در حالت عادی در سطوح انرژی مجزا هستند که بصورت ابر الکترونی در اربیتالهای خود به دور هسته در حرکتند . این حالت را حالت پایه میگویند . در اتم سدیم با آرایش الکترونی 1S2 2S2 2P6 3S1 اکترون 3S نسبت به سایرین با نیروی کمتری نگهداری میشود بنابراین با کسب انرژی لازم میتواند به سطوح بالاتر صعود کند یعنی به تراز 3P . این حالت که الکترون به سطوح انرژی بالاتر ارتقا پیدا میکند را حالت بر انگیخته میگویند . طول عمر حالت اتمی که به این شکل برانگیخته شده باشد بسیار کوتاه است و الکترون تمایل دارد به حالت پاتیدار خود برگردد. در حال بازگشت انرژی اضافی خود را به صورت حرارت یا نور پس میدهد . انتقال الکترونی بصورت فوق زمانی رخ میدهد که انرژی نورانی مساوی با تفاوت انرژی دو سطح انرژی الکترونها باشد . به عنوان مثال در اتم سدیم با دریافت 2.2 الکترون ولت انرژی حالت برانگیخته و انتقال به سطوح بالاتر رخ میدهد این انرژی مطابق با طول موج 589 نانومتر میباشد و اتمهای سدیم فقط نوری با این طول موج را جذب خواهند کرد و سلیر خطوط قابل جذب نخواهند بود .
اجزاء تشکیل دهنده دستگاه اتمیک ابزورپشن :
در شکل زیر قسمتهای مختلف یک دستگاه اتمیک ابزورپشن نمایش داده شده است :
این قسمتها شامل : منبع نوری - قسمت تشکیل دهنده اتمهای آزاد - مونو کروماتور - دتکتور - صفحه نمایشگر
منبع نوری در سیستم اتمیک ابزورپشن :
منبع تابش در دستگاه جذب اتمی یک هالو کاتد لامپ است Hollow Cathod Lamp این لامپ یک نور مطابق با طول موج جذب منتشر میکند . به همین دلیل برای اندازه گیری هر عنصری یک لامپ خاص استفاده میشود . مثلا برای تجزیه سدیم یک لامپ سدیم به کار میرود که قادر است نوری با طول موج 589 نانومتر منتشر کند تا اتمهای سدیم قادر به جذب آن باشند .
این لامپها از حبابی شیشه ای درست شده که داخل آن معمولا گاز نئون به کار میرود . کاتد این لامپ از جنس عنصری است که برای تجزیه مورد نظر است . مثلا برای تجزیه عنصر سدیم از لامپی استفاده خواهد شد که کاتد آن از سدیم درست شده است . در نتیجه ولتاژ به کار رفته و یونیزه شدن گاز داخل لامپ ، کاتیونهای گاز باعث جدا شدن اتمهای عنصر از کاتد شده و نوری منتشر میگردد که مربوط به همان عنصر میباشد
قسمت تشکیل دهتده اتمهای آزاد :
برای جذب نور منتشر شده توسط لامپ کاتدی فوق لازم است تا اتمهای عناصر بصورت آزاد تبدیل شوند . در این روش ، استفاده از حرارت شعله سوختهایی مانند هوا و استیلن باعث تولید انرژی لازم برای اتمیزه کردن محلولها کاربرد دارد . به این ترتیب که یک برنر Burner که به سوختهای هوا و استیلن (ویا سوختهای مشابه ) متصل است روشن میشود و شعله ای ایجاد میشود که بیش از 2000 درجه سانیگراد دما دارد . از طرفی محلول نمونه نیز بوسیله Nebulizer بصورت اسپری یا ذرات ریز وارد شعله میشود .
در درجه حرارت شعله انرژی لازم برای ایجاد اتمهای آزاد فراهم است و این اتمهای آزاد نور لامپ را جذب میکنند .
مونوکروماتور یا تکفامساز :
نور لامپ بعد از عبور از شعله با طیفهای مزاحم دیگر مانند طیف شعله آلوده شده است بنابراین لازم است که به اجزاء اولیه خود تبدیل شود وظیفه این قسمت تجزیه نور توسط یک شبکه بازتاب به نام Grating میباشد . گریتینگ یک صفحه شفاف با یک سری خطوط موازی میباشد . نزدیکی این خطوط به طوری است که در هر میلیمتر 1500 شیار دارد . با برخورد نور به این شیارها هر کدام از این شیارها خود به عنوان منبع تابش عمل کرده و منجر به تجزیه نور به طول موجهای سازنده اش میشود .
دتکتور :
در این قسمت انرژی نورانی به انرژی الکتریکی تبدیل میشود . این کار توسط لامپی به نام فوتو مالتیپلایر صورت میگیرد . بر اثر پدیده فوتو الکتریک اگر تابش به یک سطح فلزی برخورد کند الکترونهایی از سطح آن آزاد میشود . لامپ فوتومالتیپلایر از یک تیوب شیشه ای درست شده است که داخل آن خلاء میباشد .
این لامپ دارای یک کاتد ،یک آند و چندین آند افقی به نام دینود میباشد روی کاتد و آندها از یک ماده نشر کننده الکترون مانند اکسید فلز قلیایی پو شانده شده است . وقتی که نور به سطح کاتد برخورد میکند الکترونهایی از سطح آن آزاد میشود این الکترونها جذب اولین دینود میشوند و در اثر برخورد به سطح آن الکترونهای بیشتری را آزاد میکند . این عمل ادامه پیدا میکند تا جذب آند میشوند . جریان الکتریکی که شدت آن به شدت تابش بستگی خواهد داشت . حاصل شده پس از تقویت به قسمت نمایشگر منتقل میشود .
.
روش کار :
برای کار با این دستگاه ابتدا نمونه ها باید به صورت محلول در آیند . ابتدا یک سری نمونه های استاندارد که غلظت آن دقیقا مشخص است و معمولا به صورت تصاعدی افزایش دارند به دستگاه میدهند .مثلا استانداردهایی با غلظت 10 – 20 -30 درصد . دستگاه بر اساس سیگنالهای خوانده شده از این استانداردها یک منحنی استاندارد ترسیم میکند . محور افق این منحنی غلظت استانداردها و محور عمودی سیگنالهای دستگاه بر اساس جذب میباشد . حال نمونه های مجهول به دستگاه داده میشود و با رجوع به منحنی استاندارد غلظت نمونه مجهول داده میشود .
کاربرد اتمیک ابزورپشن :
اکثر فلزات و برخی از فلزات با این روش قابل اندازه گیری هستند . برخی از عناصر به علت بالا بودن حد آشکار سازی Detection Limit دارای دقت و حساسیت بالایی است که در این نوع عناصر مقادیر بسیار پائین در حد ppm هم قابل اندازه گیری میباشند . برخی از عناصر دیگر مانند آلومینیم و غیر فلزاتی مانند سیلیسیم و فسفر به علت پائین بودن حد آشکار سازی دارای حساسیت پائینی میباشند و برای سنجش این عناصر روشهای دیگری ترجیح داده میشوند
اکثر آزمایشگاههای تجزیه کشور و همچنین تقریبا تمام مراکز تحقیقی و دانشگاههای کشور به این دستگاه مجهز هستند .
