آنالیز ICP (طیف‌‌ سنجی پلاسمای جفت‌ شده القایی)

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. بنابراین جهت شناسایی ریزساختار هر ماده و در نتیجه ویژگی های آن ماده به منظور انجام پژوهش و نیز کنترل کیفیت محصولات صنعتی، نیاز به روش ها و تجهیزات شناسایی است.

متداول‌ترین روش شناسایی مواد آنالیز عنصری آن‌هاست. روش‌های مختلفی برای شناسایی عنصری مواد وجود داشته که روش‌های بر پایه‌ی طیف‌ سنجی نوری متداول‌ترین آن‌هاست.

یکی از روش‌های طیف‌ سنجی نوری بر پایه‌ی نشر نور آنالیز ICP (طیف‌ سنجی پلاسمای جفت‌ شده القایی) است که در این مقاله مختصراً به آن می‌پردازیم.

دسته بندی روش های طیف سنجی نوری

آنالیز ICP چیست؟

آنالیز ICP (طیف‌ سنجی پلاسمای جفت‌ شده القایی) از جمله­ روش‌های آنالیز عنصری بوده که برای شناسایی عناصر موجود در نمونه و تعیین غلظت عناصر موجود کاربرد دارد. این روش از جمله­ روش­‌های طیف‌­سنجی‌نشری بوده که بر اساس اندازه­‌گیری شدت امواج تابیده شده از اتم­‌ها هنگام بازگشت از حالت برانگیخته استوار است. این روش به دو دسته‌ی طیف­‌سنجی‌جرمی و طیف‌­سنجی تابش اتمی تقسیم­‌بندی می­‌شود.

اساس روش آنالیز ICP

در این روش برای برانگیخته ساختن اتم‌ها از پلاسما به عنوان منبع انرژی استفاده می‌شود. دستگاه پلاسمای جفت­‌ شده‌­ القایی از یک مشعل پلاسما به همراه سه لوله­‌ی متحدالمرکز از جنس کوارتز تشکیل شده است. درون هر لوله گاز آرگون به منظور خنک­‌سازی و انتقال نمونه به درون پلاسما با سرعت­‌های متفاوتی جریان دارد. در قسمت بالایی لوله‌­ی خارجی یک سیم ­‌پیچ القایی با شدت جریان بسامد بالا قرار دارد.

برای روشن کردن مشعل، نخست گاز آرگون از طریق لوله‌ی مرکزی به سمت بالا فرستاده می‌شود. جرقه‌ی ایجاد شده توسط سیم‌ پیچ القایی سبب یونیزه‌ شدن گاز می‌شود. یون ها و الکترون های حاصل از یونیزاسیون با میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ القایی واکنش داده و در نهایت سبب ایجاد جریان الکترون و یون‌ها در مسیرهای مدور و مشخصی در سیستم می‌شوند.

اتم‌های یونیزه نشده آرگون در درون پلاسما در اثر برخورد با ذرات باردار، یونیزه خواهند شد. بدین ترتیب محیط پلاسما در طول آزمایش پایدار باقی می‌ماند و در این حالت دمای مرکز محیط به ۶۰۰۰k می‌رسد. نمونه‌ی مورد آزمایش توسط پاشش با هدایت گاز آرگون به قسمت بالایی لوله‌ی مرکزی هدایت می‌شود.

در قسمت بالای لوله، نمونه پس از تبخیر تحت تأثیر انرژی الکترون و یون‌های محیط به اتم های تشکیل دهنده خود تبدیل و در نهایت در محیط بسیار گرم پلاسما برانگیخته می‌شود. پرتوهای نور ساطع شده از عناصر پس از عبور از یک تک‌فام‌ساز به آشکارساز تکثیر کننده فوتون می‌رسند تا شدت آن ها اندازه‌گیری شوند. بدین ترتیب امکان تشخیص و اندازه گیری غلظت عنصر مورد نظر فراهم می‌شود.

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. این منحنی خطی بوده و به دلیل نشر زمینه کم دارای حد تشخیص بسیار پایینی است به‌طوری‌که برای بیشتر عناصر در محدوده یک تا صد میکروگرم در لیتر است.

اجزای دستگاه طیف سنجی ICP

اجزای اصلی تولید پلاسما مانند پدید آورنده‌ی بسامد رادیویی، سیستم گاز رسانی، سیستم نمونه‌سازی و واحد کنترل کننده‌ی رایانه‌ای بخش‌های اصلی دستگاه آنالیز ICP (طیف‌ سنجی پلاسمای جفت‌ شده القایی) را تشکیل می‌دهند.

نور به‌ دست‌ آمده از مشعل پلاسما، توسط دریچه‌ای بر روی یک گراتینگ مقعر هدایت می‌شود و بازتاب امواج با طول موج‌های گوناگون در زاویه‌های مختلف، به فوتون افزاهای ثابت می‌رسد. برای هر عنصر، یک آشکارساز در موقعیت مشخصی قرار دارد و پرتوی مربوط به همه عنصرها به‌طور همزمان اندازه‌گیری می‌شود. در این حالت، سرعت آنالیز بسیار بیشتر و این نوع دستگاه برای کاربردهایی که با تعداد عنصرهای مشخص سر و کار دارد بسیار مناسب است.

در این روش، ممکن است مشعل به‌ همراه یک طیف‌سنج جرمی به‌کار گرفته شود که در آن به‌ جای پرتوی پدید آمده در مشعل، یون‌های پدید آمده در آن با عبور از میدان مغناطیسی، بر حسب نسبت جرم به بار الکتریکی، تفکیک و شناسایی شوند. این دستگاه در مقایسه با دستگاه قبلی، حساس‌تر و دقیق‌تر بوده ولی هزینه‌ی بسیار بیشتری را به خود اختصاص می‌دهد.

اجزای اصلی دستگاه آنالیز ICP

روش های مختلف ICP

طیف سنجی پلاسمای جفت شده القایی به سه روش قابل انجام است:

• طیف سنجی انتشار اتمی ICP-AES: در این روش از یک میدان الکتریکی جهت تامین توان لازم برای یونیزاسیون و ایجاد پلاسما استفاده می شود. در شکل تجایر و متداول آن، پلاسما جریان مستقیم از عبور یک جریان الکتریکی بین سه الکترود، شامل دو الکترود آندی از جنس گرافیت و یک کاتد از جنس تنگستن که با آرایش Y شکل در کنار هم قرار گرفته اند ایجاد می شود. با عبور گاز آرگون از آند به کاتد جریان الکتریکی ایجاد شده و باعث یونیزاسیون اتم های آرگون می گردد.
• سونش پلاسما ICP-RIE : مشابه فرایند کندوپاش یونی است ولی در اینجا هدف، انتقال طرح نانومتری با استفاده از خوردگی به وسیله یون ‌های درون پلاسما است.
• طیف سنجی جرمی ICP-MS : به علت کاربرد زیاد این روش، آن را به طور کامل شرح می دهیم:

طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی (ICP-Mass)

آنالیز ICP Mass یکی از روش های طیف سنجی جرمی است که برای تعیین غلظت تعداد زیادی از فلزات و نافزات استفاده می شود. این روش قادر است تا غلظت عناصر را تا حد^۱۲-۱۰ (ppb) نشان دهد. بنابراین این روش دقت و حساسیت بسیار بالایی دارد. روش کار دستگاه در این حالت مشتبه حالتی است که پیشتر در بررسی آنالیز ICP به آن پرداختیم. به منظور برقراری ارتباط ICP با طیف سنجی جرمی، یون های خارج شده از پلاسما از طریق یک سری فیلتر به درون طیف سنج جرمی هدایت می شوند. در ادامه به بررسی مراحل روش ICP-Mass می پردازیم.

مراحل مختلف روش ICP-MS

• اولین مرحله در این آزمایش، وارد کردن نمونه است که به روش‎های مختلفی انجام می‎شود. مرسوم‎ترین روش ورود نمونه، استفاده از یک مه‎پاش است. وسیله ‎ای که به کمک آن محلول‌ها را به Aerosol تبدیل می‎کنند و سپس ائروسل تولید شده به محیط پلاسما انتقال می‎یابد و یون تولید می‎شود.
  روش دیگر ورود نمونه، استفاده از لیزر است. در این روش با استفاده از لیزر، نمونه به شکل ابر پر مانندی در آمده و به درون پلاسما وارد می‎شود. معمولاً برای نمونه‎های جامد از این روش استفاده می‎شود؛ هر چند که استفاده از این روش مشکلاتی از جمله تهیه استاندارد در آنالیزهای کمی را دربر دارد. روش‎های دیگری مثل تبخیر الکترودمایی و تبخیر درون مشعل نیز وجود دارند که در آن از یک سطح داغ برای تبخیر و ورود نمونه استفاده می‎شود.
• مرحله دوم اندازه‎گیری، شامل تولید پلاسما و در نهایت ایجاد یون در آن محیط است. گاز آرگون توسط جریان الکتریکی موجود در سیم‎هایی که اطراف آن را گرفته (سیم‎پیچ تسلا)، یونیزه می‎شود و پلاسما را تولید می‎کند. بعد از ورود نمونه، دمای بالای پلاسما سبب ایجاد اتم در محیط و در نهایت تولید یون فلزی می ‎شود.
• مرحله سوم، ورود یون‎های آنالیت به طیف‎سنج جرمی است. قبل از جداسازی جرمی باید باریکه‎ای از یون‎های مثبت خارج شده از پلاسما (یون‎ های آنالیت) را از سایر اجزا مزاحم، از جمله یون‎های خنثی و ذرات جامد (ذرات ناخواسته وارد شده از ICP جدا کرد.
• مرحله چهارم آزمایش این ‎گونه است که پس از حذف مزاحمت‎ ها، یون‎ها براساس نسبت جرم به بار ( یا m/z ) جداسازی و توسط آشکارساز فوتون‎افزای ثانویه شناسایی می‎شوند. برای تجزیه و تحلیل کمی، مقدار فراوانی به دست آمده برای یون خاص را به غلظت آن‌گونه نسبت می‎دهند. آنالیز داده‎ها در یک مجموعه سسیستم‎های کامپیوتری انجام می‎گیرد.

در این بخش برای آشنایی بیشتر با اصول آنالیز ICP توجه شما را به فیلمی که در این خصوص آماده شده، جلب می کنیم:

مزایای آنالیز ICP

• قابلیت شناسایی تمامی عناصر
• تداخل شیمیایی کمتر عناصر
• حساسیت بسیار بالا در حد ppb
• آماده‌سازی آسان نمونه‌ها

محدودیت‌های آنالیز ICP

• عدم توانایی در آنالیز گازهای نجیب
• نیاز هالوژن‌ها و برخی مواد غیر فلزی به خلا بالا در طیف‌سنج
• حد تشخیص ضعیف برای عناصر قلیایی به ویژه روبیدیم
• حضور حلال‌های آلی (بیش از % ۱) و یا غلطت‌های اسیدی زیاد باعث ایجاد خطا می‌شود.

کاربردهای آنالیز ICP

• آنالیز هم زمان چند عنصر
• آنالیز کمی و کیفی بیش از هفتاد عنصر در محدوده ppm و ppb
• تعیین ترکیبات آلیاژهای فلزی
• آنالیز جزئی و تک ماده‌ای در ابررساناها، سرامیک‌ها و دیگر مواد ویژه
• قابلیت شناسایی ناخالصی‌ها در آلیاژها، فلزات و محلول‌ها

جمع بندی

یکی از پرکاربردترین روش‌های آنالیز عنصری برای تعیین نوع و غلظت عناصر آنالیز ICP (طیف‌ سنجی پلاسمای جفت‌ شده القایی) است. این روش به دلیل مزایایی همچون قابلیت تشخیص تمامی عناصر، تداخل‌های شیمیایی بسیار کم و حد حساسیت بالا کاربردهای زیادی را در زمینه‌هایی نظیر مهندسی مواد ، محیط زیست و شیمی پیدا کرده و در بعضی موارد جایگزین روش‌هایی چون طیف‌سنجی جذب اتمی و طیف‌سنجی گسیل شعله شده است.

برای مطالعه بیشتر درباره سایر روش های آنالیز مواد می‌توانید به پست انواع روش‌های شناسایی و آنالیز مواد رجوع کنید.

منبع

کتاب روش‌های شناسایی و آنالیز مواد، فرهاد گلستانی فرد
کتاب آشنایی با روش‌های نوین شناخت و آنالیز مواد، وحید ابویی‌ مهریزی