طیف سنجی جذب اتمی (AAS)

طیف ‌سنجی، به روش مطالعه برهم‌کنش بین نور و ماده گفته می‌شود. از دیدگاه تاریخی نیز طیف‌سنجی به شاخه‌ای از علم برمی‌گردد که امواج برای مطالعات نظری در ساختار ماده و آنالیزهای کیفی و کمی استفاده می‌شوند. 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 است. در شیمی تجزیه و مهندسی مواد این تکنیک برای تعیین غلظت یک عنصر خاص در یک نمونه مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله قصد داریم با این روش آنالیز بیشتر آشنا شویم.

منظور از طیف جذب اتمی چیست؟

طیف جذبی یک عنصر در شکل گازی و اتمی آن یک سری خطوط باریک کاملا مشخص 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.

در اتم های آزاد، بر خلاف مولکول ها که دارای ترازهای انرژی ارتعاشی و چرخشی هستند، فقط جهش های الکترونی صورت می گیرد. به همین دلیل وقتی که انرژی توسط اتم ها جذب یا نشر می شود، خطوط طیفی مجزا مشاهده می گردد. همین پدیده، پایه روش های طیف بینی اتمی است.

پیک های جذبی یا نشری باریک که هنگام طیف بینی جذب یا نشر اتمی مشاهده می شوند، طیف خطی نامیده می شوند. مولکول ها و یون های چند اتمی دارای نوارهای جذبی پهن هستند؛ درحالی که اتم ها دارای خطوط جذبی باریک (معمولاً با پهنای ۰٫۰۰۱ الی۰٫۰۱ نانومتر) هستند.

نکته ای که لازم است در طیف سنجی مواد بدانیم، 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 می شوند. عکس این مسئله، درباره اتم هایی که از منبع دور می شوند، نیز حاکم است. به زبان ساده، اثر داپلر بیان می کند که با توجه به اینکه ناظر به سمت چشمه حرکت می کند یا از آن دور می شود، فرکانسی (یا به عبارتی دیگر طول موجی) که از منبع ساطع می شود را بیشتر یا کمتر دریافت می کند.
• تعریض فشاری: برخوردهای بین اتم ها سبب تغییرات کوچکی در ترازهای انرژی حالت عادی می شوند و در نتیجه پیک ها پهن می شوند.

با طیف سنجی جذب اتمی (AAS) آشنا شوید

به زبان ساده، طیف‌سنجی یا اسپکتروسکوپی بررسی مواد و خواص آن با مطالعه نور، صوت و ذرات گسیل شده، جذب شده یا پراکنده شده از نمونه مورد آزمایش است. به عبارت دیگر، طیف‌ سنجی به عنوان مطالعه 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 نمود. اسپکتروسکوپی جذب اتمی تکنیکی برای شناسایی و اندازه گیری ترکیبات عنصری یک نمونه از طریق مطالعه انرژی تابشی به وسیله اتم هاست. پایه و اساس این روش بر این اصل استوار است که 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 دارد؛ ولی توانایی آنالیز مواد غیر فلزی را به صورت مناسب ندارد. در شکل زیر نمای بیرونی دستگاه آنالیز AAS را مشاهده می کنیم.

دستگاه طیف سنجی جذب اتمی (AAS)

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 بلا استثنا می توانند نور جذب کنند.
• طول موج نوری که جذب می شود، برای هر عنصر متفاوت بوده و مختص همان عنصر است. بنابراین هیچ گاه طول موج جذبی دو عنصر مشابه هم نیست.
• میزان نور جذب شده توسط عناصر، مستقیما به غلظت اتم های جذب کننده نور یا به عبارتی به غلظت عنصر مورد نظر در نمونه محلول بستگی دارد.

اساس آنالیز AAS ، استفاده از دستگاه جذب برای ارزیابی غلظت آنالیت در نمونه است؛ از این رو نیازمند رابطه‌ای میان میزان نور جذب شده توسط نمونه و غلظت نمونه هستیم که همان «قانون بیر لامبرت» است. این قانون تجربی، ارتباط شدت نور جذب شده در اثر عبور از ماده همگن بدون پراکندگی را با خصوصیات مواد بیان می‌کند. این قانون به صورت زیر بیان می‌شود:

«به‌طور خلاصه الکترون ‌های اتم‌ها با جذب طول موج مشخصی (انرژی) می‌توانند به سطوح بالاتر انرژی بروند و برای مدت کوتاهی به حالت برانگیخته در بیایند. می‌دانیم که این مقدار انرژی جذب شده برای هر اتم با اتم دیگر متفاوت است.

به زبان دیگر هر عنصری فقط به یک طول موج مشخص پاسخ می‌دهد. باریک بودن پرتو نور در این روش موجب می‌شود تا انرژی خاصی تولید شود و این روش بسیار دقیق و انتخاب پذیر باشد. هنگامی که اتم برانگیخته به حالت پایه برمی‌گردد، طول موج مشخصی از خود ساطع می‌کند. با اندازه‌گیری میزان جذب نمونه و رسم منحنی کالیبراسیون و قانون بیر لامبرت پی به میزان مجهول در نمونه می‌بریم.

در طیف سنجی جذب اتمی ، ماده مورد مطالعه باید به حالت عنصری کاهش یابد، تبخیر شود و سر راه شعاع تابش منبع، قرار گیرد. لازم است بدانیم که در این فرایند، نمونه ها حتما باید 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 گردد. در اثر تبخیر، قسمت اعظم عناصر موجود در محلول به حالت خنثی در می آیند و پرتوی تابش شده از لامپ های کاتدی (لامپ مخصوص برای هر عنصر) توسط اتم های خنثی شده، جذب می شود.

در این حالت شدت اشعه تابشی اولیه کمتر می شود. تفاوت شدت دو پرتوی تابشی و خروجی، معیار غلظت عناصر موجود در محلول است.

یک ایراد اصلی این تکنیک، نیاز به وجود یک لامپ منبع جداگانه برای هر عنصر مورد تجزیه است. برای رفع این نقیصه تلاش هایی به عمل آمده است 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 نیست. شکل زیر نمودار طیف جذبی اتمی کلروفیل حاصل از آنالیز AAS را نشان می دهد.

طیف سنجی جذب اتمی برای ماده کلروفیل

مراحل آنالیز AAS چیست؟

برای این‌ که غلظت ماده مورد نظر توسط طیف سنجی جذب اتمی معین شود، باید مراحل زیر را انجام داد:

• تهیه محلول بلانک (محلولی که دارای تمامی گونه‌ها غیر از نمونه مورد نظر است.)
• تهیه نمونه‌های استاندارد از گونه‌ موردنظر با غلظت های مشخص
• قرائت جذب محلول های استاندارد ۴
• رسم جذب برحسب غلظت های استاندارد و بدست آوردن نمودار کالیبراسیون
• اندازه‌گیری جذب محلول مجهول و بدست آوردن غلظت مجهول از روی نمودار

ابتدا بایستی محلول بلانک را در سلول قرار داد و شکاف منبع تابش را بست تا ۱۰۰% جذب یا صفر درصد عبور را تنظیم کرد. سپس شکاف منبع تابش، باز شده تا ۱۰۰% عبور یا صفر درصد جذب تنظیم ‌شود. بعد از تنظیم صفر و ۱۰۰، جذب محلول های استاندارد و همچنین محلول مجهول اندازه‌گیری می‌شود.

به طور کلی دو روش در تجزیه کمی رایج است که عبارتند از:

• روش نمودار کار: ابتدا محلول های استانداردی با غلظت های مناسب و خطی از آنالیز، دقیقاً به همان روش که محلول نمونه تهیه شده است، تهیه می شود. سپس بعد از تنظیم جذب صفر توسط محلول بلانک، جذب محلول های استاندارد به ترتیب از رقیق به غلیظ توسط دستگاه خوانده و ثبت می شود. در پایان، جذب محلول مجهول نیز در همان شرایط ثبت می شود.

سپس نمودار جذب بر حسب غلظت، برای محلول های استاندارد رسم می شود و جذب مربوط به محلول مجهول روی آن مشخص کرده و غلظت آن تعیین می شود. در این حالت دقت نتایج بین دو الی پنج درصد و صحت آن‌ها در محدوده ۰٫۱ الی۲٫۰ درصد است.

• روش افزایش استاندارد متعدد: روش دیگر که صحت بیشتری دارد افزایش استاندارد متعدد است. در روش افزایش استاندارد متعدد، به حجم معینی از محلول مجهول (به غلظت X) حجم های مختلفی از یک محلول استاندارد افزوده، سپس جذب این محلول ها بر حسب غلظت رسم می شود و از طریق آن غلظت محلول مجهول بدست می آید.

دستگاه AAS از چه بخش هایی تشکیل شده است؟

این دستگاه دارای ۴ قسمت اساسی است که در ادامه به آن ها اشاره خواهیم کرد:

• منبع تابش: هر منبع تابش باید بتواند خط طیفی (طول موج) عنصر مورد نظر را نشر کند، از شدت طیفی بالایی در مرکز طیف خطی عنصر برخوردار باشد، هدایت نوری بالایی داشته باشد و شدت تابشی آن در زمان طولانی ثابت باشد. به عبارتی دیگر منبع تابشی باید توان تولید باریکه ای از تابش با توان کافی و پایدار برای آنالیز مورد نظر را داشته باشد.

• اتم­ساز: جذب نور نشر شده از منبع تابش توسط اتم های آزاد یک عنصر در حالت گازی صورت می گیرد. وظیفه اصلی یک اتم ساز (Atomizer) تولید اتم های آزاد مولکول ها یا یون های موجود در نمونه است. این قسمت برای دستگاه AAS بسیار با اهمیت است؛ زیرا حساسیت اندازه گیری مستقیما با اتمی شدن آنالیت در نمونه و در نتیجه کارایی اتم ساز متناسب است. تصویر دو نوع اتم ساز در شکل زیر دیده می شود.

• مونوکروماتور (گزیننده طول موج): به طور کلی یک مونوکروماتور یا تک فام ساز پرتو چندفام را به پرتو تک فام تبدیل می کند. این عمل معمولا با استفاده از منشور و توری یا گریتینگ صورت می‌گیرد.

وظیفه اصلی مونوکروماتور در اسپکتروسکوپی جذب اتمی جداسازی طول موج مورد نظر (تابش رزونانسی عنصر کاتدی) از بقیه خطوط نشری است که مواد موجود در کاتد یا گاز پرکننده منبع تابشی از خود ساطع می کنند.

• آشکارساز: آشکارسازها سیگنال نوری را در یک طول موج ویژه اندازه گیری می کنند. به این صورت که شدت نور دریافت شده از مونوکروماتور را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. رایج ترین آشکارساز مورد استفاده در طیف سنجی جذب اتمی، لوله های فوتو تکثیرکننده یا PMT هستند.

اساس کار PMT بهره گیری از پدیده فوتوالکتریک است که در آن الکترون بعد از جذب انرژی، یک پرتو الکترومغناطیس از خود گسیل می کند. توانایی آشکارسازی PMT در محدوده نور مریی، ماورا بنفش و مادون قرمز نزدیک (۲۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر) قرار دارد.

شماتیک دستگاه اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)

مشکلات رایج در آنالیز AAS چیست؟

مشکلات رایجی که در روش طیف سنجی اتمی به وجود می آیند، سه دسته هستند:

• اختلال شیمیایی: از واکنش های اتفاق افتاده ناشی می شوند. چون در شعله مقداری از عنصر مورد تجزیه مصرف می شوند، لذا 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 است. مثل تبدیل آلومینیوم و آهن به اکسیدهای دیرگداز Al₂O₃ و Fe₂O₃ در حضور اکسیژن. یک راه برای کاهش مزاحمت شیمیایی استفاده از شعله های با دمای زیاد، مانند شعله نیتروز اکسید و استیلن به جای شعله هوا-استیلن است. در 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 عوامل مزاحم واکنش می دهد و ترکیبات غیر دیرگداز ایجاد می کند و از تشکیل اکسیدهای دیرگداز جلوگیری می کند. برای مثال، جهت اندازه گیری کلسیم در حضور فسفات، نمک لانتانیم با فسفات ترکیب شده و از تشکیل ترکیب دیرگداز جلوگیری می کند.

• اختلال یونش: زمانی اتفاق می افتد که تعداد زیادی از اتم ها درون شعله یونیزه شوند 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 می شود.

معمولاً یونش توسط دمای خیلی زیاد شعله اتفاق می افتد 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.

• اختلال زمینه ای: معمولاً توسط جذب گونه های چند اتمی یا پراکندگی تابش درون سلول ایجاد می شود و برای حذف آن از روش افزایش استاندارد نمی توان استفاده کرد. برای حذف مزاحمت زمینه ای، ضروری است که مقدار جذب مربوط به زمینه تعیین و از جذب کل کم شود تا جذب تصحیح شده مربوط به آنالیز بدست آید.

آنالیز AAS چه قابلیت ها و محدودیت هایی دارد؟

• تعیین مقادیر کم فلزات در مایعات
• آنالیز آلیاژها و ناخالصی های موجود در آن
• آنالیز های آلاینده های محیط زیست (آب, هوا, خاک)
• بررسی میزان تاثیر عناصر مختلف در محیط زیست
• آنالیز نمونه های خاک در زمین شناسی
• آنالیز فلزات و شبه ‏فلزات د‌ر ترکیبات معد‌نی طبیعی و سنتزی
• شناسایی و اندازه گیری عناصر در نمونه های مختلف صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
• شناسایی و اندازه گیری عناصر در کاتالیست های مختلف
• بررسی تاثیر نوع و مقدار فلزات در انواع واکنش ها
• اندازه گیری عناصر و اثر آن ها در سیستم های بیولوژیکی
• اندازه گیری عناصر در نمونه های مختلف صنایع غذایی
• کنترل استانداردهای مختلف توسط اداره استاندارد

اما این دستگاه محدودیت هایی نیز دارد که به چند مورد اشاره می کنیم:

• حوزه تشخیص از حدود قسمت در بیلیون تا قسمت در میلیون است.
• توانایی آنالیز مستقیم (بدون واسطه) گازهای نجیب، هالوژن ها، گوگرد، کربن یا نیتروژن را ندارد.
• حساسیت آن در حد مورد اکسیدهای دیرگداز یا عناصر موجود در کاربیدها نسبت به روش طیف‌سنجی از طریق نشر پلاسمایی اتمی ضعیف است.
• این روش فقط برای عناصر فلزی و شبه فلزی قابل استفاده است و برای عناصر غیر فلزی کاربردی ندارد.

جمع بندی

با توجه به مطالب گفته شده، در می یابیم که امروزه طیف‌ سنجی جذب اتمی یک روش فوق ‌العاده با کاربرد چندمنظوره در شیمی تجزیه و علم مواد است. تعیین غلظت عناصر کمیاب سمی موجود در آب آشامیدنی و چند عنصر معمول دیگر، مانند کلسیم، سدیم و همچنین مقادیر بسیار ناچیز غلظت فلزات دیگر تنها تعدادی از کاربردهای پرشمار این دستگاه است که آن را به وسیله ای قدرتمند در شناسایی اتم ها و آنالیز عنصری تبدیل کرده است.

مطالب مرتبط

• کوانتومتری (طیف سنجی نشر جرقه SES)
• آنالیز ICP (طیف سنجی پلاسمای جفت شده القایی)
• انواع روش های شناسایی و آنالیز مواد