همه چیز در مورد طیف سنجی نشر اتمی پلاسمای جفت شده القایی

طیف سنجی نشر اتمی (Atomic Emission Spectroscopy; AES) یکی از روش‌های آنالیز شیمیایی است که در آن از شدت نورِ شعله، پلاسما، قوس الکتریکی یا جرقه در یک طول موجو خاصی استفاده می‌شود تا مقدار یک عنصری در یک نمونه شناسایی شود.

روش ICP-AES را گاهی ICP-OES هم می‌گویند؛ در این اختصار، حرف «O» اختصار از کلمه «Optical» است. به طور کلی از این روش برای تشخیص عناصر فلزی استفاده می‌شود. روش ICP-AES نوعی از طیف سنجی نشری است که از پلاسمای جفت شده القایی برای تولید اتم‌ها و یون‌های برانگیخته استفاده می‌شود تا آن‌ها در طول موج مشخصی یک تابش الکترومغناطیسی انجام دهند. شدت این تابش متناسب با درصد و غلظت آن عنصر در آن نمونه است.

شکل 1: دستگاه طیف سنجی نشر اتمی پلاسمای جفت شده القایی (ICP-AES)

اساس روش طیف سنجی نشر اتمی پلاسمای جفت شده القایی (ICP-AES)

پلاسما یکی از منابع با انرژی بالا است که ساختارش به صورت یک مخلوط گازی رسانای الکتریکی خنثی است که به لحاظ الکتریکی، بار خنثی دارد. پلاسما غلظت قابل توجهی از کاتیون‌ها و الکترون ها را به میزان برابر دارد. به عنوان یک رسانای الکتریکی می توان آن را به صورت القایی با جفت شدن با یک میدان مغناطیسی نوسانی گرم کرد. دمای پلاسما ممکن است از مرتبه 5000 تا 8000 کلوین باشد. AES مبتنی بر پلاسما در اصل، شبیه نورسنجی شعله است. تنها تفاوت این است که شعله با فرآیندهای اتمیزه-تحریک بسیار پر انرژی تر پلاسما جایگزین می شود. در کار طیف‌سنجی نشری، از پلاسمای آرگون اغلب استفاده می شود.

نمونه آنالیت به عنوان یک آئروسل با کمک یک نبولایزر با استفاده از جریان آرگون به مرکز پلاسما وارد می شود. مشابه وضعیتی که در شعله پیدا می‌کند، در پلاسما نیز نمونه دستخوش دگرگونی‌های مختلفی مانند حل شدن، تبخیر، اتمی شدن (اتمیزه شدن)، یونیزاسیون و برانگیختگی می‌شود. تحریک و یونیزاسیون به دلیل برخورد اتم‌های آنالیت با الکترون های پر انرژی رخ می دهد. دمای بالا تضمین می کند که بیشتر نمونه‌ها کاملاً اتمیزه می‌شوند، با این حال، برخی از گونه‌های مولکولی مانند N²، N²⁺، OH، C₂ و غیره هم در پلاسما وجود دارند و قابل اندازه گیری هستند. از آنجایی که انرژی منبع پلاسما بسیار زیاد است، تحریک اتم‌های تمام عناصر موجود در نمونه را تضمین می کند که سپس با انتشار تابش الکترومغناطیسی از طول موج‌های مشخصه عناصر مختلف، مجدد به حالت پایه برمی‌گردند. بنابراین، این یک تکنیک چند عنصری است.

شکل 2: اجزای یک سیستم ICP-AES

بسته به ترکیب آنالیت، گونه‎های برانگیخته از اتم‌ها، یون‌های باردار منفرد و گاهی اوقات یون‌های با بار مضاعف تشکیل می شوند. خطوط انتشار مشاهده شده عمدتاً از اتم‌های برانگیخته و یون‌های باردار منفرد هستند. با این حال، انتشار از یون‌های دارای بار مضاعف نسبتاً نادر است. انرژی‌های انتقال به گونه‌ای است که تابش ساطع شده در ناحیه ماوراء بنفش و مرئی طیف یعنی بین 160-900 نانومتر اتفاق می‌افتد. خطوط انتشار از گونه‌های اتمی و یونی بسیار باریک است، در حدی که عرض پیک معمولاً کمتر از 5 پیکومتر می‌شود.

مکانیسم عملکرد طیف سنجی نشر اتمی پلاسمای جفت شده القایی (ICP-AES)

فرایند ICP-AES از 2 بخش تشکیل می‌شود: ICP و طیف سنجی نوری. ICP خود شامل 3 تیوپ هم مرکز از جنس کوارتز است. سیم پیچ خروجی یا "کار" ژنراتور فرکانس رادیویی (RF) بخشی از این مشعل کوارتز را احاطه کرده است. گاز آرگون معمولاً برای ایجاد پلاسما استفاده می شود.

هنگامی که مشعل روشن شود، یک میدان الکترومغناطیسی شدید در داخل سیم پیچ توسط سیگنال فرکانس رادیویی با قدرت بالا که در سیم پیچ جریان دارد، ایجاد می شود. این سیگنال RF توسط ژنراتور RF ایجاد می شود که در واقع یک فرستنده رادیویی پرقدرت است که "کویل کاری" را به همان روشی که یک فرستنده رادیویی معمولی یک آنتن فرستنده را به حرکت در می آورد، به کار می‌اندازد. گاز آرگون که از طریق مشعل جریان می یابد با یک واحد تسلا مشتعل می شود که یک قوس تخلیه کوتاه از طریق جریان آرگون ایجاد می کند تا فرآیند یونیزاسیون را آغاز کند. هنگامی که پلاسما مشتعل شد، واحد تسلا خاموش می شود.

گاز آرگون در میدان الکترومغناطیسی شدید یونیزه می شود و در یک الگوی متقارن چرخشی خاص به سمت میدان مغناطیسی سیم پیچ RF جریان می‌یابد. سپس در نتیجه برخوردهای غیر کشسان ایجاد شده بین اتم‌های خنثی آرگون و ذرات باردار، یک پلاسمای پایدار و دمای بالا در حدود 7000 کلوین ایجاد می‌شود.

یک پمپ پریستالتیک یک نمونه آبی یا آلی را به یک نبولایزر آنالیتیکی تحویل می دهد و در آنجا آن نمونه به غبار تبدیل می شود و مستقیماً به داخل شعله پلاسما وارد می شود. نمونه بلافاصله با الکترون‌ها و یون‌های باردار پلاسما برخورد می کند و خود به یون‌های باردار تجزیه می‌شود. مولکول‌های مختلف به اتم‌های مربوطه تجزیه می‌شوند و سپس الکترون‌هایشان را از دست می‌دهند و مکرراً در پلاسما ترکیب می‌شوند و در طول موج‌های مشخصه عناصر درگیر تابش می‌دهند.