طیف سنجی جذب اتمی (AAS)

روش های طیف سنجی جذب اتمی مبتنی بر جذب نور اتم ها در حالت گازی هستند که از روش های بسیار متداول اندازه گیری کمی عناصر به شمار می روند. طیف سنجی جذب اتمی شعله از وسایل اولیه در هر آزمایشگاه آنالیزی در زمینه های مختلف تحقیقاتی و صنعتی به شمار می رود.

مبانی طیف سنجی جذب اتمی

      طیف سنجی جذب اتمی (Atomic Absorption Spectroscopy) با نام اختصاری AAS روشی برای اندازه­ گیری کمی عناصر شیمیایی بر مبنای جذب تشعشعات الکترومغناطیسی (اشعه نوری) توسط اتم های آزاد یک عنصر در حالت گازی است. جذب انرژی نورانی توسط الکترون ها در حالت پایه صورت می گیرد که سبب تهییج الکترون ها به تراز بالاتر و حالت برانگیخته می شوند. طول موج نوری که جذب می شود برای هر عنصر متفاوت بوده و مختص همان عنصر است. شدت نور کاهش یافته با گذر از نمونه و جذب توسط اتم ها، متناسب با تعداد اتم هایی است که طول موج را جذب کرده اند. این وضعیت با قانون بیر-لامبرت به سادگی تشریح می شود که به صورت زیر بیان می گردد:

  A= log(I₀/I)= εbc                       (1)

      در رابطه (1) A جذب، I₀ شدت نور تابشی از منبع، I شدت نور عبوری از نمونه، ε ضریب جذب مولی، b طول مسیر و c غلظت اتم هاست. با رسم مقدار جذب خوانده شده از دستگاه بر حسب غلظت محلول های استاندارد، منحنی کالیبراسیونی به دست می آید که می توان از آن برای اندازه گیری غلظت یک نمونه مجهول استفاده کرد.

دستگاهوری

    بر اساس نوع اتم ساز، روش های مختلفی از طیف سنجی جذب اتمی معرفی شده اند. اما همه این روش ها از نظر دستگاهوری (Instrumentation) مشابه هم هستند. شکل 1 شمای کلی دستگاه جذب اتمی را نشان می دهد. هر دستگاه AAS به طور کلی از پنج قسمت مختلف تشکیل شده است که عبارتند از:

شکل 1- شمای کلی دستگاه جذب اتمی

• منبع تابش

    هر منبع تابش (Radiation Source) 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 آنالیت مورد نظر را داشته باشد.

     لامپ های کاتدی توخالی(Hallow cathode lamp, HCL) متداول ترین منابع تابشی هستند. این لامپ ها معمولا از یک کاتد توخالی استوانه ای از جنس عنصر مورد نظر می باشد. اعمال پتانسیل بین دو الکترود سبب یونش گاز و در نتیجه ایجاد جریان می شود. توخالی بودن کاتد سبب تجمع بیشتر الکترون ها و افزایش شدت نور تولیدی می شود. کاتیون های گازی با انرژی جنبشی مناسب سبب کندن تعداد اتم های فلزی از سطح کاتد می شوند و ابر اتمی تشکیل می شود که بخشی از آنها در حالت تهییج طیف نشری مشخصه فلز را نشر می کنند. عموما بیشتر این لامپ ها تک عنصری هستند یعنی جنس کاتد آنها فقط شامل یک عنصراست. اما گاهی ازعناصری مناسب برای ساخت یک آلیاژ کاتدی استفاده می شود که در این صورت، یک لامپ برای اندازه گیری دویا چند عنصر نیز به کار برده می شود.

     لامپ تخلیه بدون الکترود (Elrctrodeless Discharge Lamps, EDL) از منابع تابشی دیگری هستند که شدت نوری تا دوبرابر HCL فراهم می کنند و پهنای باند باریک تری دارند. EDL شامل یک لوله کوارتزی حاوی گاز بی اثر آرگون و مقادیر کمی از فلز یا نمک فلزی عنصر موردنظر است. در این لامپ هیچ الکترودی استفاده نشده ولی در عوض به یک منبع فرکانس رادیویی یا ماکروویو برای تهییج و یونیزه کردن اتم های آرگون نیاز است. شتاب اتم های یونیزه آرگون در میدان رادیویی و برخورد آنها با فلز سبب تولید اتم های آزاد فلز می گردد.

    لامپ های EDL به زمان بیشتری برای پایدار شدن نیاز دارند و به اندازه HCL قابل اعتماد نیستند. تعداد کمی (در حدود پانزده فلز) از این نوع لامپ به صورت تجاری موجود هستند. برای فلزاتی مانند ارسنیک (As)، کادمیوم (Cd) و سلنیوم (Se) به خاطر شدت نور بیشتر حد تشخیص بهتری از HCL فراهم می کند.

• اتم ساز

     جذب نور نشرشده 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.

   روش های اتمی کردن متفاوتی تاکنون ارائه شده است. براساس نوع اتم ساز طیف سنجی جذب اتمی به زیرمجموعه هایی تقسیم می شود که متداول ترین آنها طیف سنجی جذب اتمی شعله و طیف سنجی جذب اتمی الکتروترمال هستند.

• مونوکروماتور

     به طور کلی یک مونوکروماتور یا تکفام ساز (Monochromator) پرتو چندفام را به پرتو تک فام تبدیل می کند. این عمل معمولا با استفاده از منشور (Prism) و توری یا گریتینگ (Grating) صورت می گیرد. وظیفه اصلی مونوکروماتور در طیف سنجی جذب اتمی جداسازی طول موج موردنظر (تابش رزونانسی عنصر کاتدی) از بقیه خطوط نشری ست که مواد موجود در کاتد یا گاز پرکننده منبع تابشی از خود ساطع می کنند.

   قدرت جداسازی مونوکروماتور در  AAS چندان مهم نیست چون استفاده از منبع تابش ویژه هر عنصر فلزی این روش را تا حد زیادی گزینش پذیر کرده است. در هر صورت عرض شکاف های خروجی و ورودی به منظور افزایش حساسیت پهنای باند مناسب و مزاحمت های طیفی باید بهینه شوند.

• آشکارساز

       آشکارسازها (Detector) 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 جذب اتمی، لوله های فوتو تکثیر کننده (Photomultiplier tube, 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 (200 تا 800 نانومتر)  قرار دارد.

    آشکارساز PMT از یک لوله شیشه ای خلاء که در آن فوتوکاتد و به دنبال آن چندین دینود (Dynode) قراردارد، تشکیل شده است. فوتوکاتد با موادی که به راحتی یونیده می شوند، پوشیده شده است. این مواد معمولا مخلوطی از فلزات قلیایی مانند آلیاژ سزیم-انتیموان، که با برخورد نور الکترون گسیل می کنند، هستند. سپس این الکترون های گسیل شده بسوی یک دینود شتاب داده می شوند. با برخورد الکترون با دینود، الکترون های ثانویه ای با ضریب مشخص تولید می شود. هدایت الکترون های تولید شده در دینود اول به دینود دوم، که پتانسیل بیشتری دارد، سبب تولید تعداد بیشتری الکترون آزاد می شود. معمولا در هرPMT  تا 10 دینود استفاده می شود که چون به صورت متوالی تعداد الکترون ها در هر دینود افزایش می یابد در نهایت حتی از سیگنال های ضعیف نیز پالس بلندی تولید می شود.

    آشکارسازهای PMT پاسخ بسیار سریعی دارند. حساسیت آنها با جریان تاریک (dark current) محدود می شود. چون نشر گرمایی، منبع اصلی جریان تاریک است با سرد کردن آنها می توان کارایی آنها را افزایش داد. به دلیل اینکه نورهای شدید باعث آسیب رساندن به سطح فوتوالکتریک می شوند، این آشکارسازها محدود به استفاده برای اندازه گیری تابش های کم توان هستند.

• ثبات

      برای خواندن سیگنال نیاز به صفحه نمایشی ست که بتواند اطلاعات رسیده از دستگاه را پردازش کند. وسایل بازحوانی (readout devices) دستگاه های الکترونیکی هستند که داده های حوزه الکتریکی را به اطلاعات قابل فهم برای مشاهده کننده فراهم می کنند. داده های آنالوگ جمع آوری شده با این دستگاه توسط یک مبدل (transducer) به فرمت دیجیتالی تبدیل می شوند که سپس این سیگنال به صورت دنباله ای از علامت یا اعداد در یک ثبات نمایش داده می شود. ثبات ها به شکل های مختلف پرینتر، شمارنده های دیجیتالی،  صفحه نمایش کامپیوتر و پانل های ال سی دی موجود می باشند.