پلاسمای جفت شده القایی – اسپکتروسکوپی نشر اتمی (ICP)
محقق : آقای حامد مرادی (ارشد مهندسی پلاسما)
روشهای آنالیز و شناسایی مواد بسیار حائز اهمیت هستند. زیرا خواص فیزیکی و شیمیایی یک محصول به نوع مواد اولیه و ریزساختار آن بستگی دارد فلذا جهت شناسایی ریزساختار هر ماده و در نتیجه ویژگی های آن ماده نیاز به روش ها و تجهیزات شناسایی ماده است
روش های آنالیز را می توان شامل سه دسته دانست : عنصری، فازی و ریزساختاری
در آنالیز عنصری تنها نوع عنصر و مقدار آن مشخص میشود و ساختار کریستالی قابل تشخیص نیست
در آنالیز فازی ساختار کریستالی ماده قابل شناسایی است
در آنالیز ریز ساختاری نحوه پراکندگی و توزیع فازها با شکل و اندازه آن ها شناسایی میشود
متداول‌ترین روش شناسایی مواد آنالیز عنصری آن‌هاست. روشهای مختلفی برای شناسایی عنصری مواد وجود داشته که روشهای بر پایه‌ی طیف سنجی نوری متداول‌ترین آن‌هاست.
طیف سنجی پلاسمای جفت شده القایی از جمله روش های طیف سنجی اتمی است که در آن اتمی شدن عناصر (Atomization) به کمک محیط گرم پلاسما صورت می پذیرد. سپس توسط یک طیف سنج انتشاری (OES) و یا یک طیف سنج جرمی (MS) قابل آشکارسازی و کمی سازی می باشد. این روش در مقایسه با روشهای دیگر، روشی حساس تر، با حد تشخیص بهتر و تکرارپذیری بالاتر است. روش هایICP دارای قابلیت اندازه گیری کمی محتوای عنصری یک ماده از مقیاس ppt تا درصد وزنی (wt%) می‌باشد. تنها عناصری که توسط روش های ICP قابل اندازه گیری نیستند، C،H،O،N و هالوژن ها می باشند. نمونه های جامد باید در مایع، به طور معمول محلول آبی اسیدی، حل شده و یا تجزیه شوند
آماده سازی ایده آل نمونه برای تجزیه با ICP هیچگاه امکان پذیر نیست حتی برای نمونه های آبی نیز این هدف قابل دستیابی نیست عموما برای نمونه های آبی نیاز به پیش تغلیظ یا صاف کردن است برای نمونه های جامد روش معمول تخریب بافت نمونه و سپس رهاسازی فلزات موجود در آن است
روش های آماده سازی نمونه های آبی شامل: استخراج مایع- مایع ، مبادله ی یونی ، هم رسوبی
روش های آماده سازی نمونه های جامد شامل:روش های تخریب ساختار، هضم با مایکروویو، خاکسترسازی خشک، ذوب
نحوه آنالیز ICP
پلاسمای جفت شده القایی از یک مشعل با سه لوله متحد المرکز از جنس کوارتز تشکیل شده‌است. درون هر لوله گاز آرگون (با سرعت‌های متفاوت) جهت خنک کردن و انتقال نمونه به درون پلاسما جریان دارد. در بالای بلندترین لوله مشعل، یک سیم‌پیچ القایی (Induction Coil) وجود دارد که نیروی آن توسط یک ژنراتور امواج رادیویی (RF Frequency Generator) تأمین میشود
سیم پیچ‌ها می‌توانند به سه شکل تخت، مارپیچی یا حلزونی باشند. هنگامیکه یک جریان الکتریکی متغیر با زمان از درون سیم‌پیچ می‌گذرد یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان در اطراف آن پدید می‌آید که در مقابل باعث ایجاد میدان الکتریکی در گاز آرگون و یونیزه‌شدن آن میشود. یون‌ها ذرات دارای بار الکتریکی و الکترون‌های حاصل از یونیزاسیون با میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ القایی برهمکنش می‌دهند و در نهایت سبب ایجاد جریان الکترون و یون‌ها و تشکیل پلاسما بر اساس معادله هامیلتون-ژاکوبی میشود. اتم‌های یونیزه نشده آرگون در درون پلاسما دراثر برخورد با یون‌ها، یونیزه شده و بدین ترتیب محیط پلاسما در طول آزمایش پایدار باقی می‌مانند.
دمای پلاسما بین ۶۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ درجه کلوین (نزدیک به سطح خورشید) و انرژی ذرات مورد آزمایش در این دما بین ۶ تا ۱۰۰ الکترون‌ولت متغیر است.
در این زمان نمونه مورد نظر به کمک گاز آرگون به قسمت بالای لوله‌ها که حاوی پلاسمای داغ است هدایت میشود. نمونه می‌تواند به صورت هواپخش (Aerosol) یا پودر بسیار ریز وارد مشعل شود و پس از تبخیر در گرمای بسیار زیاد، تحت تأثیر انرژی الکترون‌ها و یون‌ها محیط به اتم‌های تشکیل دهنده خود تبدیل و در نهایت در محیط بسیار گرم پلاسما برانگیخته می‌شوند. پرتوهای نور ساطع شده از عناصر پس از عبور از یک تکفام‌ساز (Monochromator) به یک افزاینده فوتوالکتریک (Photomultiplier) می‌رسند تا مقدار آن اندازه‌گیری شود. با رسم منحنی شدت خطوط طیفی حاصل از دستگاه، بر حسب غلظت عنصر مورد نظر منحنی کالیبراسیون می‌توان غلظت عناصر را به راحتی تعیین کرد. بدین ترتیب امکان تشخیص و اندازه گیری غلظت عنصر مورد نظر را فراهم میشود.
طیف‌سنجی پلاسمای جفت شده القایی به چهار روش قابل انجام است:
ICP-MS روش
اولین گام در روش ICP وارد کردن نمونه است برای نمونه های مایع متداول ترین روش استفاده از مه پاش است اما معمولا تنها بخش کوچکی کمتر از 2 درصد وارد منبع میشود
مه پاش وسیله ای است که به کمک آن محلول‌ها را به Aerosol تبدیل میکنند و سپس آئروسل تولید شده به محیط پلاسما انتقال مییابد و یون تولید میشود. برای وارد کردن نمونه های جامد از روش هایی مانند تصعید لیزری،تصعید مستقیم ماده ی جامد و تزریق دوتایی استفاده میشود برای ورود نمونه در فاز گازی از روش های هیدرید و بخار سرد استفاده میشود.
دومین گام ایجاد محیط پلاسما است، در ICP-MS منبع تولید یون، پلاسمای آرگون با دماهای بالا تا ۸۰۰۰ کلوین است. نخست، پلاسما در کوره یا مشعلی از جنس کوارتز تشکیل و سپس نمونه به داخل پلاسما مهپاشی میشود و در نتیجه بر اثر دمای بالای پلاسما، تبخیر و یونیزه میشود.
دمای بالای پلاسما شرایط لازم را برای تبدیل مقدار زیاد از نمونه به یون، فراهم می‌کند. مقدار این تبدیل، به انرژی یونش بستگی دارد.
استفاده از گاز آرگون برای تولید پلاسما به دو دلیل است: اولا به دلیل فراوان بودن گاز آرگون، استفاده از آن ارزان‌تر از دیگر گازهای نجیب است. دوما اولین انرژی یونش آن بالاتر از عناصری مانند هلیم، فلوئور و نئون است بنابراین واکنش الکترون‌گیری آرگون، راحت‌تر از الکترون‌گیری دیگر عناصر است. در نتیجه یون فلزی مورد نظر، مدت زمان بیشتر در محیط می‌ماند.
گام سوم ورود یون های آنالیت به طیف سنج جرمی است
پیش از جداسازی جرمی باید یون‌های مثبت، یون‌های آنالیت خارج شده از پلاسما از یون‌های خنثی و ذرات جامد، جدا شوند. برای این کار از دو روش کلی استفاده میشود:
۱- استفاده از سلول‌های واکنشی/ برخوردی (Collision/Reaction cell) که در آن یون‌های خارج شده از پلاسما از طریق چند فیلتر به درون طیف‌سنج جرمی که معمولاً به صورت چهار قطبی (Quadrupole) است وارد میشود.
۲-استفاده از فضای واکنشی/ برخوردی (Collisional Reaction Interface) در این روش یون‌های مزاحم با ورود گاز برخوردی (مانند هلیم) یا گاز واکنش‌دهنده مانند هیدروژن یا مخلوطی از این دو، از فرایند حذف می‌شوند.
مزایای آنالیز ICP
محدودیت‌های آنالیز ICP
کاربردهای آنالیز ICP
منابع و مراجع:
طیف سنجی و پلاسمای جفت شده ی القایی عملی نویسنده جان آر. دین
منبع تصویر بنیاد علوم کاربردی رازی
© تمامی حقوق این سایت برای انجمن هسته‌ای ایران محفوظ است.
