طیف‌سنجی جذب اتمی چیست؟

طیف‌سنجی جذب اتمی یک روش رایج برای تعیین تک عنصر در ترکیبات است. همانطور که از نام آن پیداست، برای انجام آنالیز، ذرات باید اتمیزه شوند. پس از اتمیزه شدن ترکیب (معمولاً توسط شعله)، یک منبع تشعشع امواجی تولید می کند که از ماده عبور می کند و توسط یک آشکارساز دریافت می شود. رایج ترین منابع نور لامپ های هالوکاتدی  و رایج ترین آشکارسازها تیوب های فتومولتی پلایر هستند. هر دوی این عناصر ابزار در زیر منابع و آشکارسازها توضیح داده می شوند. این نوع طیف‌سنجی بیش از پنجاه سال است که وجود داشته است و یکی از رایج‌ترین تکنیک‌های آنالیز ابزاری برای عناصر منفرد است.

 

---

منابع نوری

وقتی صحبت از جذب اتمی می شود، باید به چند فاکتور مهم توجه کرد. خطوط جذب بسیار باریک هستند و معمولاً فقط بین 0.002 و 0.005 نانومتر متغیر هستند. همچنین، هر عنصر انتقال الکترونیکی منحصر به فرد خود را دارد. انتخاب منبع مبتنی بر برنامه است، منبع صحیح برای استفاده خاص شما باید انتخاب شود. این عوامل باید در هنگام تصمیم گیری برای یک لامپ برای تجزیه و تحلیل در نظر گرفته شود.

دو دسته منبع وجود دارد، خطی و پیوسته. منابع خطی باند باریکی از تابش ساطع می کنند، که مهم است زیرا بسیار انتخابی هستند، حساسیت بالایی ارائه می دهند (قدرت پرتو در یک باند طول موج باریک است) و تداخل طیفی سایر عناصر، مولکول ها، اتم ها یا یون هایی که دارای خطوط طیفی مشابه هستند را کاهش می دهند. منابع پیوسته معمولاً برای تصحیح پس‌زمینه استفاده می‌شوند تا ماتریس را حذف کنند تا فقط سیگنال آنالیت مشاهده شود.

لامپ های هالوکاتدی

رایج ترین منبع خطی مورد استفاده برای طیف سنجی جذب اتمی HCL است. از نظر ساختاری، این یک لامپ هواگیر است که با آرگون یا نئون پر شده است و در حدود 1 تا 5 torr نگهداری می شود. گاز بی اثر با ایجاد اختلاف پتانسیل ولتاژ بالا بین آند تنگستن و کاتد استوانه ای خاص یونیزه می شود. کاتیون های آرگون یونیزه شده یا گاز نئون یون های فلزی را از کاتد خارج می کنند. اینها یک ابر اتمی تولید می کنند. جایی که برخی از اتم های ابر در حالت برانگیخته هستند و پس از بازگشت به حالت پایه، تابش خاصی از عنصر ساطع می کنند. مدل های تجاری زیادی از HCL ها وجود دارد، برخی از آنها می توانند کاتدهای فلزی متعددی برای تجزیه و تحلیل چندین فلز داشته باشند.

 

لامپ تخلیه بدون الکترود (EDL)

لامپ تخلیه بدون الکترود

EDL ها منابع خطی هستند که انرژی تابشی را ارائه می دهند که شدت بیشتری نسبت به HCL دارد. اینها لوله های کوارتز مهر و موم شده هستند که با گاز بی اثر در فشار کم پر شده اند، مانند HCL. لامپ حاوی مقدار کمی از عنصر مورد نظر است. میدان شدید تشعشع، یونیزاسیون و تحریک فلز را برای تولید یک طیف فراهم می کند. پهنای خط معمولاً باریک‌تر است، اما ممکن است به زمان بیشتری برای تجزیه و تحلیل نیاز داشته باشد زیرا توسط منبع فرکانس رادیویی (RF) تغذیه می‌شود و برای تثبیت سیم‌پیچ RF به زمان نیاز دارد. EDLها معمولاً نسبت به HCLها کمتر قابل اعتماد هستند، به استثنای Se، As، Cd و Sb که در آنها محدودیت های تشخیص بهتری تولید می شود.

---

نمونه معرفی

ابلیشن با لیزر

لیزر ابلیشن

لیزر فرسایش فرآیندی است که در آن یک پرتو لیزر شدید بر روی یک نمونه جامد متمرکز می شود تا زمانی که بخشی از آن تبخیر یا تصعید شود. سپس توده‌ای از بخار و ذرات ریز توسط جریان گاز بی‌اثر به درون دستگاه اتمایزر کشیده می‌شوند. لیزر برای نمونه های رسانا یا غیر رسانا، آلی یا معدنی و پودری یا جامد مناسب است. لیزر می تواند پالسی یا پیوسته باشد.

در فرسایش لیزر پالسی، زمان پالس‌ها می‌تواند در طیف وسیعی از میلی‌ثانیه متفاوت باشد، که می‌توان آن را به شدت کنترل کرد. این برای بسیاری از کاربردها از جمله میکروآنالیز و مواد نانو (مائو) مهم است. جرم کل حذف شده از نمونه در هر پالس لیزر به عنوان نرخ فرسایش نامیده می شود.

با یک موج پیوسته، اگر پرتو به اندازه کافی قدرتمند باشد، می توان نمونه را با پرتو لیزر پیوسته جدا کرد.

---

نبولایزرها

نبولایزر وسیله ای است که یک نمونه مایع را به AAS وارد می کند. در اینجا، ما رایج ترین انواع را مورد بحث قرار خواهیم داد: نبولایزرهای پنوماتیک و اولتراسونیک.

نبولایزرهای پنوماتیکی

یک نبولایزر پنوماتیک یک محلول نمونه را با استفاده از یک جت گاز فشرده به یک ذرات کوچک ذرات معلق در هوا تبدیل می کند. جریان گاز بی اثر، قطرات را به یک اتمیزر می برد. چندین نسخه از نبولایزرهای پنوماتیکی موجود است و تعدادی از آنها در زیر نشان داده شده است.

نبولایزرهای اولتراسونیک

یک نبولایزر اولتراسونیک با پمپ کردن یک محلول نمونه بر روی سطح کریستال پیزوالکتریک که در فرکانس 20 کیلوهرتز تا چندین مگاهرتز ارتعاش می‌کند، آئروسلی از قطرات کوچک ایجاد می‌کند. ارتعاشات نمونه را به یک آئروسل متراکم و همگن تر از آنچه که یک نبولایزر پنوماتیک می تواند به دست آورد تبدیل می کند. با این حال، مایعات چسبناک و ذرات، کارایی آن را کاهش می دهند. سپس آئروسل توسط یک گاز بی اثر به یک اتمایزر منتقل می شود.

---

اتمیزه کردن نمونه

طیف‌سنجی جذب اتمی نیازمند تبدیل نمونه به اتم‌های گازی است که تابش را جذب می‌کنند. در AAS نمونه معمولاً به عنوان راه حل معرفی می شود. محلول از طریق یک لوله کوچک به داخل کشیده می شود و به نبولایزر منتقل می شود، جایی که محلول به یک غبار ریز تجزیه می شود (این شبیه به قوطی آئروسل است). غبار ریز توسط یک گاز حامل به دستگاه اتمیزه کننده مانند شعله منتقل می شود. هنگامی که مه به شعله می رسد، گرمای شدید نمونه را به اتم های جداگانه تجزیه می کند. این فرآیند نهایی اتمیزه شدن نامیده می شود.

 

اتمیزه کردن

دو نوع اصلی اتومایزر وجود دارد: گسسته و پیوسته. اتومایزرهای پیوسته آنالیت را به صورت ثابت معرفی می کنند در حالی که اتمی سازهای گسسته آنالیت را به طور ناپیوسته معرفی می کنند. متداول ترین اتومایزر پیوسته در AAS شعله است و رایج ترین اتمایزر گسسته اتمایزر الکتروترمال است. اتمیزه کردن نمونه دقت، دقت و محدودیت تشخیص ابزار تحلیلی را محدود می کند. هدف از مرحله اتمیزه کردن، تبدیل آنالیت به مقدار قابل تکرار اتم های گازی است که نمونه را به طور مناسب نشان می دهد.

نموداری که فرآیند اتمیزه شدن را برای اتمیزرهای پیوسته توصیف می کند.

اتمیزاسیون الکتروترمال

در طول اتمیزاسیون الکتروترمال، یک نمونه برای رسیدن به اتمیزه شدن از سه فاز عبور می کند. ابتدا نمونه در دمای پایین خشک می شود. سپس نمونه در یک کوره گرافیت خاکستر می شود (که در زیر به آن پرداخته می شود)، به دنبال آن یک افزایش سریع دما در داخل کوره که در آن نمونه به بخار حاوی اتم های نمونه تبدیل می شود. جذب در بالای سطح گرم شده که در آن نمونه اتمیزه شده است اندازه گیری می شود.

یک کوره گرافیتی از یک لوله گرافیتی باز در دو انتها با یک سوراخ در مرکز برای معرفی نمونه تشکیل شده است. لوله در دو انتها در داخل کنتاکت های الکتریکی گرافیت قرار دارد که برای گرم کردن نمونه کار می کنند. منبع آب برای خنک نگه داشتن کوره گرافیت استفاده می شود. یک جریان خارجی از گاز بی اثر در اطراف لوله جریان دارد تا از ورود هوای بیرون به محیط اتمیزاسیون جلوگیری کند. هوای بیرون می تواند لوله را مصرف کرده و از بین ببرد. یک جریان داخلی از گاز بی اثر از طریق لوله جریان می یابد و بخارات را از ماتریس نمونه می برد.

اتمایزرهای الکتروترمال حساسیت بیشتری را ارائه می دهند زیرا نمونه ها به سرعت اتمیزه می شوند و در مقایسه با سیستم های AAS شعله ای زمان ماندگاری طولانی تری دارند، که به این معنی است که تعداد بیشتری از نمونه به طور همزمان تجزیه و تحلیل می شود. این روش همچنین می تواند برای تعیین کمی بر اساس ارتفاع و مساحت پیک سیگنال استفاده شود. اتمیزاسیون الکتروترمال همچنین مزیت اندازه نمونه کوچکتر و کاهش تداخل طیفی را به دلیل دمای بالای کوره گرافیت ارائه می دهد. با این حال، اتومایزرهای الکتروترمال دارای معایبی هستند از جمله زمان اندازه گیری کند به دلیل گرمایش و سرمایش مورد نیاز سیستم و محدوده تحلیلی محدود. علاوه بر این، آنالیت و ماتریس در لوله گرافیتی پخش می‌شوند و با گذشت زمان، لوله نیاز به جایگزینی دارد، تعمیر و نگهداری و هزینه‌های مرتبط با اتمیزاسیون الکتروترمال افزایش می‌یابد

 

محدودیت های تشخیص

برای GFAA (جذب اتمی کوره ) محدوده بین 100 ppb تا 1ppb است. این به این دلیل است که ماتریس، حتی اگر حذف شده باشد، همچنان در مقیاس تشخیص نقش دارد.

 

اتمیزه کردن شعله

نمونه پس از نبولیزه شدن توسط اکسیدان گازی و مخلوط شدن با سوخت، به داخل شعله منتقل می شود که در آن گرما اجازه می دهد تا اتمیزه شدن رخ دهد. هنگامی که نمونه به شعله می رسد، سه مرحله دیگر رخ می دهد، تجزیه، تبخیر و تفکیک. ابتدا یک آئروسل مولکولی با تبخیر حلال تولید می شود (تحلیل)، سپس آئروسل به مولکول های گازی تبدیل می شود (فرار) و در نهایت مولکول ها تجزیه می شوند و گاز اتمی تولید می کنند (تجزیه). در طی این فرآیند کاتیون ها و الکترون ها نیز می توانند در هنگام یونیزه شدن گاز اتمی تشکیل شوند.

سوخت ها و اکسیدان ها

جدول نشان داده شده رایج ترین سوخت ها و اکسیدان های مورد استفاده برای تولید شعله برای AAS را فهرست می کند. مخلوطی از اکسیدان ها و سوخت های مختلف را می توان برای دستیابی به یک محدوده دمایی خاص استفاده کرد. از آنجایی که تفکیک و شکستن مولکول ها به اتم ها با وجود گرمای بیشتر آسان تر است، اکسیژن رایج ترین اکسید کننده مورد استفاده در اتمیزه کردن شعله است. برای کنترل سرعت جریان یک اکسیدان و سوخت از یک روتامتر استفاده می شود، این یک لوله مخروطی عمودی است. با قرار دادن کوچکترین انتهای پایین، یک شناور که در داخل لوله قرار دارد میزان جریان را تعیین می کند. کنترل نزدیک بسیار مهم است زیرا شعله خارج از محدوده سرعت جریان خاص خود بسیار ناپایدار است. اگر سرعت جریان بیشتر از سرعت سوزاندن مشخص شده نباشد، شعله فلاش بک را تجربه کرده و به مشعل باز می گردد. اگر سرعت جریان خیلی زیاد باشد، شعله مشعل را خاموش می کند. هنگامی که سرعت جریان و سرعت سوختن برابر باشد، شعله پایدار است. معمولاً شعله از سوخت اضافی برای جلوگیری از تشکیل اکسید با مولکول های نمونه تشکیل شده است.

ساختار شعله

همه مکان های شعله از نظر دما برابر نیستند و از نظر نسبت سوخت به اکسیدان برابر نیستند. سه ناحیه اصلی شعله شامل منطقه احتراق اولیه، منطقه احتراق ثانویه و منطقه بین منطقه ای است. ناحیه بین منطقه ای در اتم های آزاد رایج است و داغ ترین ناحیه شعله است. بنابراین منطقه مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل طیف سنجی است. شعله معمولاً حدود 5 سانتی‌متر از نوک مشعل بالا می‌رود و حداکثر دمای آن 2.5 سانتی‌متر است. بخشی از شعله مورد استفاده برای AAS مشخص است که چه عنصری در حال تجزیه و تحلیل است. به دلیل تشکیل اکسیدها، عناصر مختلف حداکثر جذب را در فواصل مختلف (سانتی متر) بالای مشعل به دست می آورند.

کارایی

اتمیزه کردن اتمی شعله ای در بین تمام نمونه های مایع قابل تکرار است، با این حال معایب زیادی دارد. اکسیدها به راحتی تشکیل می شوند که منجر به کاهش جذب نمونه ها می شود و اتمیزه شدن با شعله حساسیت کمتری نسبت به اتمیزه شدن الکتروترمال دارد. نمونه ها می توانند به عنوان زباله تخلیه شوند و بنابراین زمان ماندگاری کمی دارند که منجر به راندمان پایین می شود. یکی دیگر از معایب اتمی شدن شعله، نوسانات شعله است که می تواند بر جذب نمونه ها تأثیر بگذارد.

 

محدودیت های تشخیص

در طیف‌سنجی جذب اتمی شعله، حد تشخیص بین 1 ppm برای فلزات واسطه تا ppb 10 برای فلزات قلیایی است. فلزات واسطه برای برانگیختن الکترون بیرونی خود به انرژی بیشتری نسبت به فلزات قلیایی نیاز دارند، به همین دلیل است که حد تشخیص بالاتر مورد نیاز است.

سایر روشهای اتمیزه کردن

ابزارهای مختلفی برای ایجاد بخار اتم ها از نمونه ای استفاده می شود که توسط AAS آنالیز می شود. علاوه بر روش هایی که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، اتمیزه کردن با تخلیه تابشی، اتمیزه کردن هیدرید و اتمیزه کردن با بخار سرد تکنیک هایی هستند که می توانند برای AAS بسیار مفید باشند.

در یک سیستم اتمیزه کردن تخلیه درخشندگی عمومی، نمونه بر روی یک کاتد قرار می گیرد. گاز آرگون توسط یک ولتاژ اعمال شده بر روی سلول یونیزه می شود و باعث می شود یون های آرگون به سمت کاتد که در آنجا با نمونه برهمکنش می کنند و اتم ها را بیرون می ریزند، شتاب بگیرند. این فرآیند کندوپاش نامیده می شود، بیرون راندن اتم ها از نمونه در نتیجه بمباران گونه های پرانرژی. نمونه ها باید یا کیفیت رسانایی داشته باشند یا با مواد رسانایی مانند گرافیت یا مس مخلوط شوند. سپس اتم های پراکنده شده برای تجزیه و تحلیل توسط خلاء به مسیر تابش معرفی می شوند. بنابراین هوای بیرون مورد تجزیه و تحلیل قرار نخواهد گرفت و تنها آنالیت مورد نظر تجزیه و تحلیل خواهد شد. این تکنیک اتمیزه کردن را می توان همراه با یک سیستم AAS شعله ای استفاده کرد و می تواند برای تجزیه و تحلیل حجمی و پروفایل عمقی جامدات استفاده شود.

اتمیزه کردن تخلیه براق

 

یک سیستم تولید و اتمیزه کردن هیدرید برای AAS

در یک اتمایزر مولد هیدرید، نمونه ها معمولاً قبل از مخلوط شدن با یک منبع هیدرید مانند بوروهیدور سدیم رقیق و اسیدی می شوند. یک هیدرید فرار حاوی نمونه تولید شده و توسط یک گاز بی اثر به محفظه اتمیزاسیون منتقل می شود. در طول فرآیند اتمیزه کردن، نمونه با گرما به اتم ها آزاد می شود و نمونه از ترکیب هیدرید آزاد می شود. این کار را می توان در محیط شعله یا کوره انجام داد. ژنراتورهای هیدرید معمولاً برای تعیین فلزات سنگین و سایر عناصر از جمله سرب، آرسنیک، قلع، سلنیوم و بیسموت استفاده می‌شوند. این روش به دلیل افزایش حد تشخیص آن برای این عناصر مفید است.

اتمیزه کردن با بخار سرد فقط در تعیین جیوه استفاده می شود زیرا جیوه به خوبی در شعله یا کوره اتمیزه نمی شود. در این تکنیک، جیوه اسیدی شده و کاهش می یابد و سپس توسط جریانی از گاز بی اثر عبور می کند. سپس میزان جذب این گاز مشخص می شود.

سیستم فلورسانس اتمی بخار سرد

محدودیت های تشخیص

برای تشخیص اتمیزه شدن بخار سرد کمتر از یک قسمت در تریلیون است (1ppt)

---

انتخابگرهای طول موج

انتخابگرهای طول موج، تشعشع جذب شده توسط یک نمونه را به طول موج خاصی یا باند باریکی از طول موج ها محدود می کنند. حساسیت یک AAS زمانی بهبود می یابد که پهنای باند باریک باشد و قابلیت تشخیص زمانی که انتقال بالا باشد بهبود می یابد.

انواع مختلفی از انتخابگرهای طول موج وجود دارد. در اینجا فیلترها، مونوکروماتور گریتینگ و مونوکروماتور منشوری را در نظر خواهیم گرفت.

فیلترها

فیلترها انتخابگرهای طول موج هستند که به پهنای باند باریک تشعشع اجازه عبور می دهند. آنها را می توان به چهار دسته اصلی تقسیم کرد: فیلترهای جذبی، فیلترهای قطع کننده، فیلترهای تداخلی و گوه های تداخلی.

فیلترهای جذبی

فیلترهای جذبی بیشتر تشعشعات چند رنگی را جذب می کنند و تنها یک باند خاص از طول موج را منتقل می کنند. آنها ارزان هستند و می توانند به سادگی شیشه های رنگی یا پلاستیکی باشند. تنها حدود 10-20 درصد از تشعشعات فرودی از طریق فیلتر جذبی منتقل می شود.

فیلترهای جذب فقط به طول موج های خاصی اجازه عبور می دهند.

فیلترهای قطع کننده

با فیلترهای قطع، انتقال تشعشع نزدیک به 100٪ است. با این حال، این تنها برای یک باند خاص از طول موج ها به دست می آید و انتقال به سرعت در بقیه طیف به صفر کاهش می یابد.

طیف یک فیلتر قطع خاص

معمولا فیلترهای برش به عنوان انتخاب کننده طول موج استفاده نمی شوند بلکه در ترکیب با فیلترهای جذبی برای کاهش پهنای باند فیلتر جذب استفاده می شوند. تنها طول موج های رایج دو فیلتر منتقل می شود که پهنای باند بسیار باریک تری نسبت به فیلترهای جذبی به تنهایی به دست می آورد.

یک فیلتر جذب و یک فیلتر قطع که به صورت ترکیبی استفاده می شود، تنها طول موج های رایج خود را منتقل می کند.

فیلترهای تداخل

فیلترهای تداخل گاهی اوقات فیلترهای Fabry-Pero نامیده می شوند و به مفهوم تداخل موج وابسته هستند. این فیلترها برخی از طول موج های تابش را منعکس می کنند در حالی که برخی دیگر را ارسال می کنند.

یک فیلتر تداخلی از یک دی الکتریک شفاف تشکیل شده است که بین دو لایه فلزی نیمه شفاف و سپس دو صفحه شیشه ای برای محافظت از فیلتر قرار گرفته است. ضخامت دی الکتریک و بازتاب لایه های فلزی به دقت انتخاب می شوند زیرا این عوامل طول موج های ارسالی را کنترل می کنند. تابش ارسالی پهنای باند بسیار باریکی خواهد داشت.

فیلترهای تداخلی فقط طول موج های خاصی را ارسال می کنند

گوه های تداخلی

یک دی الکتریک گوه ای با ضخامت های مختلف می تواند طیف وسیعی از طول موج ها را بدون نیاز به تغییر فیلترهای تداخل در یک ابزار انتقال دهد. با انتخاب موقعیت صحیح بر روی گوه، می توان پهنای باند متغیر ~20 نانومتر را جدا کرد.

گوه تداخل

مونوکروماتور گریتینگ

مونوکروماتور گریتینگ ها در داخل محفظه های برخی از ابزارهای AAS قرار دارند و مسئول تولید نوارهای باریک تشعشع هستند. در اکثر تک رنگ گریتینگ ها پنج جزء وجود دارد: شکاف ورودی، عدسی یا آینه موازی کننده، توری بازتابی، عنصر فوکوس و شکاف خروجی.

مونوکروماتور  گریتینگ پراش

هنگام در نظر گرفتن یک مونوکروماتور گریتینگ، شکاف ورودی را به عنوان منبع تابش چند رنگی در نظر بگیرید. یک آینه موازی پرتوی موازی از تابش چند رنگی را به سمت یک توری منعکس می کند. گریتینگ طول موج های جزء را به آینه ای که نوار باریکی از طول موج ها را روی یک شکاف خروجی متمرکز می کند، منعکس و پراکنده می کند. با چرخش مناسب گریتینگ می توان طول موج های مختلف را در شکاف خروجی متمرکز کرد.

شکاف های یک تک رنگ در هنگام تعیین عملکرد یک ابزار خاص مورد توجه قرار می گیرند. در طراحی تک رنگ استاندارد، شکاف های ورودی و خروجی دارای عرض مساوی هستند. عرض شکاف ها باید تا حد امکان باریک باشد و در عین حال اجازه می دهد تا قدرت تابشی کافی به آشکارساز برسد. اگر شکاف ها بیش از حد گسترده باشند، طول موج های متعددی از آن عبور می کند و وضوح ضعیفی ایجاد می کند. اگر شکاف ها خیلی باریک باشند، قدرت تابشی که می تواند به آشکارساز برسد کاهش می یابد و تشخیص آن دشوار است. بنابراین، عرض شکاف یک سازش بین وضوح و قابلیت تشخیص است. اگرچه عرض شکاف باید به دقت تنظیم شود، برخی از ابزارها دارای یک عرض شکاف ثابت هستند که برای کاربردهای عمومی بهینه شده است.

گریتینگ ها اشعه ماوراء بنفش، مرئی و مادون قرمز همسو شده را منعکس و پراکنده می کنند.

پراکندگی توانایی یک تک رنگ برای جداسازی طول موج های مختلف تابش همسو و چند رنگی است. تغییر در زاویه بازتاب با طول موج متفاوت است. به عبارت دیگر، تشعشعات چند رنگی به اجزای خود جدا می شوند زیرا هر طول موج تابش توسط توری با زاویه متفاوتی منعکس می شود.

یکی از مزایای عمده گریتینگ ها روش یکنواختی است که تابش را به صورت خطی در امتداد صفحه کانونی پخش می کنند. شکل های زیر پراکندگی خطی در یک سیستم توری را نشان می دهد.

الگوی پراکندگی خطی

پراکندگی خطی یکنواخت گریتینگ ها

 

اگرچه پراکندگی خطی را می‌توان با استفاده از معادله زیر محاسبه کرد، اما در اینجا به مشتق‌گیری یا متغیرهای آن نمی‌پردازیم. فقط توجه داشته باشید که افزایش پراکندگی به معنای وضوح بهتر است و با کاهش فاصله بین شیارها یا افزایش فاصله کانونی، پراکندگی افزایش می یابد.

D پراکندگی خطی است. n مرتبه پراش است. f فاصله کانونی است. d فاصله بین شیارها است

یک توری بازتابی شامل یک سطح سخت، صیقلی و صاف نوری است که حاوی شیارهای موازی و نزدیک به هم است که برای افزایش بازتاب با فلز پوشانده شده است. چگالی شیار می تواند از 10 تا 6000 شیار در میلی متر باشد. به طور معمول، یک توری برای ناحیه ماوراء بنفش و مرئی تقریباً 300 تا 2000 شیار در میلی متر دارد در حالی که یک توری برای ناحیه مادون قرمز تقریباً 10 تا 200 شیار در میلی متر دارد.

نمای نزدیک از شیارها در توری

دو نوع گریتینگ بازتابی معمولاً در ابزارهای طیف سنجی دیده می شود: توری های اسکلت و اکسل. تنوع در طراحی و ساخت آنها موجود است. به عنوان مثال، گریتینگ های مقعر نیاز به آینه ها و عدسی های موازی را حذف می کند که پیچیدگی و هزینه ابزار را کاهش می دهد. نسخه های هولوگرافیک با ایجاد امکان تولید توری های بزرگ با افزایش تراکم خط، هزینه ساخت را کاهش می دهند و در عین حال وضوح را افزایش می دهند.

توری های اکسلت

توری های اکسلت رایج ترین نوع گریتینگ مورد استفاده در ابزارهای طیف سنجی هستند. آنها ممکن است حاوی 300-2000 شیار در میلی متر باشند، اما تراکم شیار متوسط ​​حدود 1200-1400 شیار در میلی متر رایج ترین است. این نوع توری از صفحه بلند شیار برای پراکندگی خطی تشعشع استفاده می کند.

گریتینگ Echelete

اشل گریتینگ

توری های اشل از صفحه کوتاه شیارها برای پراکندگی تابش استفاده می کنند. گرچه گریتینگ های اکسل ممکن است فقط شامل 80-300 شیار در میلی متر باشند، گریتینگ های اکسل به دلیل پراکندگی بسیار بالا شناخته شده اند. پراکندگی آنها به قدری زیاد است که باید از پراکندگی متقاطع استفاده شود.

اشل گریتینگ

پراکندگی متقاطع با قرار دادن محور یک عنصر پراکنده دیگر در 90 درجه نسبت به توری اکسل به دست می آید. ترکیب یک گریتینگ اکسل و یک منشور (یا توری دیگر) را تک رنگ گردان می نامند. نتیجه یک طیف دو بعدی از خطوط عمودی کوتاه است که در امتداد 50-100 محور افقی قرار دارند. این ترکیب از عناصر وضوح و قدرت جمع آوری نور بسیار بیشتری را نسبت به تک رنگ‌های echelete فراهم می‌کند.

 

منشورها

 

 

 

منشوری مونوکروماتور

منشورها نور را در سطح دو سطح مشترک می‌شکنند و پراکندگی زاویه‌ای ایجاد می‌کنند و می‌توانند برای پراکندگی پرتوهای فرابنفش، مرئی و فروسرخ استفاده شوند.

پرتوهای نور وقتی وارد منشور می شوند و خارج می شوند شکسته می شوند. همه اینها طبق قانون شکست اسنل اتفاق می افتد که بیان می کند n1sin θ1 = n2sin θ2.

مزیت استفاده از منشورها طیف وسیع آنهاست که علیرغم پراکندگی کم آنها قابل دستیابی است. با این حال، منشورها از روش پراکندگی غیر خطی استفاده می کنند. این امر تمرکز یک طول موج مورد نظر را از طریق شکاف خروجی دشوار می کند. طول موج و پراکندگی یک رابطه معکوس دارند که در آن طول موج های کوتاهتر باعث افزایش پراکندگی می شوند. شکل زیر پراکندگی غیرخطی یک منشور را نشان می دهد.

تصحیح پس زمینه

هنگام بدست آوردن طیف های جذبی، اغلب سیگنال های دیگری توسط آشکارساز از چیزهایی غیر از نمونه شناسایی می شود. متأسفانه، تداخل از مکان های مختلف اجتناب ناپذیر است و بر گونه های جذب کننده و تشعشعات رسیده به آشکارساز تأثیر می گذارد. در حالی که به این معنی نیست که طیف حاصل از طیف نمونه نیست، اما منجر به از دست دادن جزئیات طیفی می شود، مانند گسترش قله ها و قله ها در مکان هایی غیر از جایی که نمونه جذب می شود. این می تواند بر کار کمی و کیفی تأثیر بگذارد. انحرافات طیفی ناشی از تداخل‌های پس‌زمینه می‌تواند در مواقعی قابل توجه و در برخی مواقع خفیف باشد، اما با استفاده مناسب از تکنیک‌های تصحیح پس‌زمینه، می‌توان این انحرافات را در عین افزایش سیگنال از آنالیت به حداقل رساند.

یکی از تکنیک هایی که باید برای هر تحلیل انجام شود، به دست آوردن سیگنال یک خالی است. ماده ای که به روشی مشابه آنالیت تهیه شده است، با این تفاوت که حاوی آنالیت نیست. می‌توانید ابزاری را که از آن استفاده می‌کنید کالیبره کنید تا برای سیگنال نقطه خالی روی سیگنال صفر تنظیم شود. شما همچنین می توانید سیگنال تولید شده توسط خالی را از تمام سیگنال های به دست آمده در طول تجزیه و تحلیل کم کنید و مقادیر “تصحیح” را ایجاد کنید. سپس مقادیر تصحیح شده را می توان برای دستکاری بیشتر داده ها مانند ایجاد منحنی های کالیبراسیون برای حل غلظت های ناشناخته استفاده کرد (در زیر نشان داده شده است). با کم کردن سیگنال خالی، از مقدار جذب، برخی از تداخل های حاصل از ماتریس محلول تصحیح می شود.

 

مثال: حل یک غلظت نامعلوم از آنالیت با استفاده از معادله رگرسیون خطی از منحنی کالیبراسیون تولید شده از استانداردهای شناخته شده

تنظیمات ابزاری را نیز می توان برای مقابله با اثرات ماتریس دستکاری کرد. تنظیم نسبت سوخت به اکسیدان در شعله های آتش، یا استفاده از یک اکسیدان متفاوت، می تواند تداخلات ماتریس خاصی را کاهش دهد. اگر احتراق ناقص باعث می شود که مواد آلی درون ماتریس سیگنال تولید کنند، افزایش دمای شعله می تواند احتراق کامل را تضمین کند و اثرات مواد آلی را کاهش یا از بین ببرد.

راه دیگری برای فکر کردن در مورد تصحیح پس‌زمینه، گرفتن نوسان (Δ) یک قرائت خالی و نوسان خواندن سیگنال (Δ) است و سپس میانگین Δ بین این واریانس‌ها را برای از بین بردن نویز محاسبه می‌کند. برای افزایش وضوح هر دو نقطه خالی و سیگنال، آنالیت باید چندین بار از دستگاه عبور داده شود تا خوانش های بیشتری بدست آید. خوانش بیشتر، به معنای مقادیر بیشتر برای میانگین گیری است و منجر به طیف جذب واضح تر می شود.

تصحیح پس‌زمینه: این نمودار مزایای استفاده از تصحیح پس‌زمینه را با گرفتن میانگین نقاط داده از نویز و ایجاد نمودار خطی تمیز برای تحلیل آسان‌تر نشان می‌دهد.

منبع پیوسته

در این روش تصحیح پس‌زمینه، سیگنال منبع پیوسته، مانند لامپ دوتریوم، از سیگنال منبع خطی، مانند لامپ هالوکاتد  آنالیت کم می‌شود. یک چاپر تابش عبوری از ابزار را بین زنجیره دوتریوم و منبع آنالیت متناوب می کند.

سیگنال منبع پیوسته زمانی را نشان می دهد که تابش توسط چیزی غیر از آنالیت ضعیف می شود. هنگامی که منبع پیوسته از اتمی ساز عبور می کند، اتم های مورد نظر فقط طول موج رزونانس را جذب می کنند. از آنجایی که این کسری بسیار کوچک از تابش کل است، تأثیر آنالیت بر سیگنال پیوسته ناچیز است. جدای از آنالیت، منبع پیوسته را می توان با پراکندگی یا جذب پهنای باند تضعیف کرد. با کم کردن سیگنال منبع پیوسته از منبع خط آنالیت، سیگنال آنالیتی به وجود می‌آید که برای این تضعیف‌ها تصحیح می‌شود. نسبت سیگنال به نویز اغلب با افزودن منبع دیگری کاهش می‌یابد، زیرا نمی‌تواند پس‌زمینه خاص برهمکنش تشعشع فرودی با سیستم را تصحیح کند. همچنین در محدوده طول موج خود محدود است، زیرا دوتریوم یک منبع فرابنفش است.

در این ابزار تصحیح پس‌زمینه منبع دوتریوم، یک چاپر بین منابع جایگزین می‌شود

هم پرتوی از لامپ دوتریوم و هم پرتوی از لامپ هالوکاتدی  به چاپر برخورد می کند که دائماً در حال چرخش است. این باعث تولید پالس های متناوب تابش از منبع دوتریوم و لامپ هالوکاتد می شود. هنگامی که پرتو لامپ دوتریوم از دستگاه اتمایزر عبور می کند و پرتو لامپ هالوکاتد از آینه منعکس می شود. برعکس، هنگامی که پرتو هالوکاتد از اتمساز عبور می کند، پرتو لامپ دوتریوم از آینه منعکس می شود.

 

اثر زیمن

در ابزار اثر زیمن، یک میدان مغناطیسی به اتم ها اعمال می شود و سطوح انرژی الکترونیکی را تقسیم می کند. این باعث می شود خطوط جذبی متعددی وجود داشته باشد و مجموع این خطوط جذبی برابر با خط اصلی تشکیل دهنده آنها است. در آن، خط جذب به دو جزء تقسیم می‌شود: جزء pi که در طول موج اصلی وجود دارد و جزء سیگما که هم منفی و هم مثبت جابه‌جا می‌شود به طوری که دو خط جذب وجود دارد. یکی در سمت راست خط پی و دیگری در سمت چپ خط پی قرار دارد.

جذب توسط خطوط پی و سیگما مربوط به اجزای مختلف نور پلاریزه است. امواج نور قطبی شده امواج نوری هستند که در آن ارتعاشات در همان صفحه رخ می دهد.

خطوط Pi مربوط به تابشی است که موازی با میدان مغناطیسی قطبی شده است، در حالی که خطوط σ مربوط به تابش قطبی شده عمود بر میدان است.

در یک سیستم تصحیح DC Zeeman، تشعشع از یک لامپ کاتد مقدس از طریق یک قطبش‌کننده چرخان به کوره‌ای می‌گذرد که توسط یک آهنربای دائمی احاطه شده است. هنگامی که تابش HCL از قطبی کننده دوار عبور می کند دو شکل نور پلاریزه تولید می شود: نوری که موازی با میدان قطبی شده است و نوری که عمود بر میدان قطبی شده است. وقتی نور به موازات میدان قطبی می شود، هم جذب اتمی و هم جذب پس زمینه اتفاق می افتد و وقتی نور عمود بر میدان قطبی می شود، فقط جذب پس زمینه اتفاق می افتد. سیگنال جذب پس‌زمینه از پس‌زمینه ترکیبی و سیگنال جذب اتمی کم می‌شود تا سیگنال جذب اتمی خالص به دست آید.

در یک سیستم تصحیح AC Zeeman، یک پلاریزه ثابت در جلوی منبع و یک آهنربای الکتریکی در اطراف کوره وجود دارد. وقتی میدان مغناطیسی خاموش است، هم جذب اتمی و هم جذب پس‌زمینه اتفاق می‌افتد. وقتی میدان مغناطیسی روشن است، فقط جذب پس‌زمینه اتفاق می‌افتد. مجدداً، سیگنال پس‌زمینه از سیگنال ترکیبی اتمی و پس‌زمینه کم می‌شود تا یک سیگنال جذب اتمی خالص به دست آید.

افکت زیمن بر اکثر اشکال دیگر تصحیح پس‌زمینه ترجیح داده می‌شود، زیرا تمایل دارد دقیق‌تر باشد. سیستم‌های AC Zeeman نسبت به سیستم‌های DC Zeeman گران‌تر هستند، اما حساس‌تر هستند و محدوده کاری خطی بزرگ‌تری دارند.

برای سیستم‌های تصحیح DC Zeeman، پلاریزه‌کننده می‌چرخد تا نور پلاریزه‌ای تولید کند که هم موازی و هم عمود بر میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک آهنربای دائمی در اطراف کوره است. در سیستم های تصحیح AC Zeeman، پلاریزه ثابت است و یک آهنربای الکتریکی در اطراف کوره وجود دارد.

تصحیح دو خطی

در اصلاحات دو خطی، یک خط مرجع از منبع برای اندازه گیری اثرات پس زمینه از ماتریس نمونه استفاده می شود. حتی اگر لامپ های هالوکاتدی مختص یک عنصر مورد علاقه هستند، همچنان خطوط انتشار متعددی تولید می کند. برخی از این خطوط انتشار خطوط تشدید برای عنصر مورد نظر هستند، اما خطوط غیررزونانسی نیز وجود دارند. یکی از خطوط غیررزونانسی می تواند به عنوان خط مرجع استفاده شود. چنین خطوطی می تواند از انتشار گازی مانند نئون در کاتد ایجاد شود. خط غیر رزونانس نزدیک به خط نمونه قرار می گیرد، اما جذب نمونه نمی شود. سپس هر اندازه گیری جذب از این منبع برای تصحیح جذب نمونه استفاده می شود.

منبع خود معکوس

این روش تصحیح پس‌زمینه که به آن تصحیح پس‌زمینه اسمیت-هیفتژه نیز می‌گویند، شامل تناوب عملکرد جریان کم و زیاد تابش منبع لامپ هالوکاتدی  است. هنگامی که جریان کم کار می کند، جذب کل به دست می آید که شامل جذب اتم های مورد نظر و هر چیز دیگری در نمونه (ماتریس) می شود. در طول عملیات جریان بالا، مقدار زیادی اتم تحریک نشده تولید می شود که تابش تولید شده از گونه های برانگیخته را جذب می کند. تولید اتم های آزاد همچنین خطوط انتشار گسترده ای را در نتیجه اثر داپلر ایجاد می کند. در نتیجه، خطوط انتشار کمی بالاتر و کمی کمتر از طول موج رزونانس جذب شده توسط اتم‌های آزاد هستند (سیگنال جریان بالای آبی را در زیر ببینید).

نمودار جذب جریان بالا و جریان کم در یک منبع خود معکوس

 

آشکارسازها (دتکتور)

آشکارساز می تواند یک وسیله مکانیکی، شیمیایی یا الکتریکی باشد که تغییر یک متغیر را در محیط آن اندازه گیری می کند. در طیف‌سنجی جذب اتمی، مقدار تشعشعی که از یک نمونه می‌گذرد اندازه‌گیری می‌شود و به‌طور کمی با عبور توصیف می‌شود. همانطور که نور از یک نمونه عبور می کند، با جذب آنالیت در نمونه، توان کاهش می یابد. انتقال، T، نسبت توان تابش منبع خروجی از نمونه، P، به توان تابش منبع ورودی به نمونه، P است.P0.

P/P0=T

گذردهی را می توان به صورت درصد، %T، زمانی که T در 100 ضرب می شود، توصیف کرد. درصد عبوری بزرگ (نزدیک به 100%) به عنوان جذب آنالیت کم مشخص می شود، در حالی که، درصد عبوری پایین (نزدیک به 0٪) مشخصه بالا جذب آنالیت است.

A=-log T

جذب، A، همچنین می تواند برای توصیف تضعیف تابش الکترومغناطیسی در هنگام عبور از یک نمونه استفاده شود. جذب یک واحد اندازه گیری رایج تر برای AAS به دلیل خطی بودن آن نسبت به غلظت آنالیت با توجه به قانون بیر است.

فتودیود

فتودیود یک فوتوالکتریک است  که یک سیگنال الکتریکی یا جریان I تولید می کند که از جذب فوتون ها حاصل می شود. فتودیودها از یک اتصال pn بایاس معکوس تشکیل شده اند تا توان تشعشعی را که به مبدل می رسد به جریانی متناسب تبدیل کنند.

PN Junction

اتصال pn از دو نوع ماده نیمه رسانا نوع p و نوع n تشکیل شده است. هم مواد نوع p و هم مواد n حاوی کریستال سیلیکون هستند که یک نیمه هادی معروف و پرکاربرد است. در یک کریستال سیلیکون، هر اتم سیلیکون توسط چهار الکترون به اتم همسایه خود پیوند می زند و پیوندهای کووالانسی ایجاد می کند.

برای تمایز مواد نوع p از مواد نوع n، کریستال سیلیکون در فرآیندی به نام دوپینگ تغییر می‌یابد. در طی فرآیند دوپینگ، اتم های ناخالص به کریستال سیلیکون نیمه هادی وارد می شوند. ناحیه نوع p با اتم های بور که فقط سه الکترون ظرفیت دارند دوپ شده است. این باعث تشکیل “حفره های الکترونی” در شبکه سیلیکونی مواد نوع p می شود. ناحیه نوع n با اتم های فسفر، که دارای یک الکترون ظرفیت اضافی هستند، در مجموع پنج الکترون ظرفیتی دوپ شده است. این منجر به یک الکترون اضافی عاری از پیوندهای کووالانسی در شبکه سیلیکونی می شود. این الکترون‌های آزاد متحرک در مواد نوع n به حفره‌های الکترونی در مواد نوع p منتشر می‌شوند و باعث می‌شوند اتم با حفره‌ای تازه پر شده دارای بار مثبت باشد. همچنین، سوراخ‌های الکترونی متحرک به الکترون‌های موجود در مواد نوع n منتشر می‌شوند. اتم را دارای بار منفی می کند این تشکیل یون‌های با بار منفی و مثبت، ناحیه‌ای را ایجاد می‌کند که حامل‌های بار متحرک نیست که به عنوان منطقه تخلیه شناخته می‌شود. منطقه تخلیه حاوی یک اختلاف پتانسیل است که وقتی به اندازه کافی بزرگ شد، از انتشار بیشتر حامل های بار جلوگیری می کند. این منجر به کاهش رسانایی منطقه تخلیه به نزدیک به صفر می شود. هنگامی که تشعشع در سراسر دیود اعمال می شود، حفره ها و الکترون ها در ناحیه تخلیه تشکیل می شوند که از طریق دستگاه جاروب می شوند تا جریانی متناسب با توان تابشی تولید کنند. از انتشار بیشتر حامل های بار جلوگیری می کند. این منجر به کاهش رسانایی منطقه تخلیه به نزدیک به صفر می شود. هنگامی که تشعشع در سراسر دیود اعمال می شود، حفره ها و الکترون ها در ناحیه تخلیه تشکیل می شوند که از طریق دستگاه جاروب می شوند تا جریانی متناسب با توان تابشی تولید کنند. از انتشار بیشتر حامل های بار جلوگیری می کند. این منجر به کاهش رسانایی منطقه تخلیه به نزدیک به صفر می شود. هنگامی که تشعشع در سراسر دیود اعمال می شود، حفره ها و الکترون ها در ناحیه تخلیه تشکیل می شوند که از طریق دستگاه جاروب می شوند تا جریانی متناسب با توان تابشی تولید کنند.

فتودیودها به ولتاژ بسیار کم نیاز دارند و به راحتی می توان از آنها در ابزارهای قابل حمل با باتری استفاده کرد. فتودیودها نسبت به لوله‌های فتو ضرب‌کننده حساسیت کمتری دارند و دامنه طیفی از حدود 190 نانومتر تا 1100 نانومتر دارند.

آرایه فتودیود

در یک آرایه فتودیود (PDA)، عناصر حساس به نور فردی به نام دیودهای نوری وجود دارد (که در زیر دیود نوری توضیح داده شده است). فتودیودهای جداگانه بخشی از یک مدار مجتمع بسیار بزرگتر بر روی یک تراشه سیلیکونی بزرگتر از یک فتودیود منفرد هستند. PDA ها مبدل های یک بعدی هستند که در آن عناصر حساس به نور در کنار هم روی صفحه مبدل قرار گرفته اند.

 

تیوب  فتومولتی پلایر

فتوتوب سنتی

برای اندازه‌گیری توان تابشی کم از یک لوله فوتومولتی‌پایر (PMT) استفاده می‌شود. شماتیک یک PMT شبیه به یک لوله نوری سنتی است. در یک فتوتوب سنتی دو الکترود، یک آند و یک کاتد وجود دارد. هنگامی که ولتاژ به الکترودها اعمال می شود، فوتون ها به کاتد برخورد کرده و الکترون تولید می کنند. الکترون ها به سمت آند جریان می یابند. آند یک جریان نوری تولید می کند که قابل اندازه گیری است. نمودار یک لوله نوری سنتی در سمت راست نشان داده شده است.

با این حال، یک PMT حاوی الکترودهای اضافی به نام داینود است. در مجموع 9 داینود وجود دارد و هر داینود از داینود قبلی مثبت تر است. این با داینود D1 شروع می شود که 90 ولت مثبت تر از کاتد است. به دلیل افزایش بار مثبت، الکترون ها به سمت داینودها شتاب می گیرند. پس از عبور از هر 9 داینود، 106 تا 107 الکترون برای هر فوتون تشکیل شده است. الکترون ها در آند جمع می شوند و در آنجا به شکل جریان جمع می شوند. این جریان سپس به یک ولتاژ تبدیل می شود و اندازه گیری می شود. یکی از محدودیت های PMT ها قدرت منبع تابش است. اگر منبع خیلی شدید باشد، نور باعث آسیب غیر قابل برگشت به سطح فوتوالکتریک می شود. به همین دلیل، PMT ها به اندازه گیری منابع تشعشع کم توان محدود می شوند. برای جلوگیری از آسیب ناشی از تشعشعات شدید، PMT ها در یک محفظه محفوظ از نور ذخیره می شوند. محدودیت اصلی حساسیت مرتبط با PMT ها جریان های تاریک حرارتی است که منجر به نویز پس زمینه می شود. جریان های تاریک معمولاً از انتشار حرارتی ناشی می شوند. برای کاهش انتشار حرارتی، می توان مبدل را تا 30- درجه سانتیگراد خنک کرد. این را می توان با گردش یک خنک کننده در اطراف PMT به دست آورد. با تنظیم و مراقبت مناسب، PMT ها می توانند برای تشخیص فوتون های منفرد در کاتد استفاده شوند.

نمودار یک تیوب فتومولتی پلایر

 

پردازش / نمایش

برای اینکه بتواند سیگنال را بخواند، سیستم به نوعی نمایشگر نیاز دارد که بتواند اطلاعاتی را که دتکتور ارسال می کند پردازش کند. این امر از طریق یک جزء الکترونیکی به دست می آید که اطلاعات را در قالبی نمایش می دهد که محقق بتواند به طور موثر از آن استفاده کند. داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط دستگاه مبتنی بر آنالوگ است و باید به فرمت دیجیتال برای نمایش تبدیل شود. این امر توسط مبدل انجام می شود.مبدل انرژی دیجیتال را به پردازنده که امکان پردازش زمان‌ها، فرکانس‌ها و حوزه‌های سیگنال مجزا را فراهم می‌کند. این سیگنال در دنباله ای از اعداد یا نمادها قرار می گیرد که می تواند در یک بازخوانی نمایش داده شود.

انواع مختلفی از دستگاه های خواندن در ابزارهای مدرن استفاده می شود. این دستگاه ها شامل مترهای دیجیتال، ضبط کننده ها، لوله های پرتو کاتدی، پانل های LCD و نمایشگرهای کامپیوتر می باشد.

این تصویر نمونه‌ای از اینکه یک بازخوانی از سیگنال پردازش شده چگونه خواهد بود را نشان می‌دهد. خروجی مورد انتظار برای تعیین سرب است.

برای جمع‌آوری داده‌ها از اسپکتروفتومتر با اتومایزر الکتروترمال استفاده شد. سه پیک اول مربوط به استانداردها به ترتیب با غلظت 0.25، 0.50، 1.0 میکروگرم در میلی لیتر است. پیک نمونه‌ها سه مورد آخر است، اولین پیک، (نزدیک‌ترین نقطه به استانداردها) جذب خشک، بلندترین قله خاکستر و اوج انتهایی زمانی است که نمونه اتمیزه می‌شود.

 

 

---

 

دانلود Pdf آموزش دستگاه جذب اتمی:

دانلود روش کار، اصول و اجزا دستگاه جذب اتمی + Pdf