طیف سنجی فلورسانس اتمی (AFS)

روش طیف سنجی فلورسانس اتمی به اندازه روش های طیف سنجی جذب و نشر اتمی متداول و مرسوم نیست. اما به دلیل حساسیت بالا و انتخابی بودن آن در بسیاری از کارهای تحقیقاتی از روش های آنالیزی مود علاقه پژوهشگران به شمار می رود.

اساس طیف سنجی فلورسانس اتمی

      اساس کار طیف سنجی فلورسانس اتمی (Atomic fluorescence spectroscopy)، با نام اختصاری AFS، اندازه گیری تابش نشر شده از اتم های برانگیخته ای ست که توسط یک منبع تابش تهییج شده اند. مکانیسم های مختلفی برای فلورسانس امکان پذیر است. اما به طور کلی از فلورسانس رزونانسی، که شامل انتقال از حالت برانگیخته تراز اول به حالت پایه است، برای AFS استفاده می شود. شکل 1 شمای کلی فرایند جذب و فلورسانس از تراز پایه به تراز بالاتر را نشان می دهد.

شمای کلی فرایند جذب و فلورسانس

شکل 1 شمای کلی فرایند جذب و فلورسانس

 

   بازده کوانتومی فلورسانس(Øf) نشان دهنده کارایی فرایند فلورسانس است که به صورت نسبت فوتون های نشر شده به فوتون های جذب شده تعریف می شود.

Øf=(تعداد فوتون های جذب شده /تعداد فوتون های نشر شده)l       (1)

   شدت نشر فلورسانس به میزان جذب فوتون ها و کارایی کوانتومی بستگی دارد. اگر یک منبع خطی برای تهییج به کار رود، توان تابشی سیگنال فلورسانس برای بخار رقیق اتمی می تواند با رابطه زیر به غلظت اتم های حالت پایه مرتبط شود:

If=kI0(εbc)Øf                                                  (2)

  در این رابطه (2)، k ثابت تناسب، I0 شدت نور اولیه، ε ضریب جذب مولی، b طول مسیر نوری، c غلظت اتم ها و Øکارایی کوانتومی هستند. با توجه به رابطه فوق شدت نشر فلورسانس در محلول های رقیق به غلظت اتم های مورد نظر وابسته است. ضمن اینکه شدت اولیه منبع تابش نیز تاثیر مستقیمی بر شدت فلورسانس دارد و بنابراین حساسیت این روش به شدت منبع تابشی وابسته است.

   روش های طیف سنجی مبتنی بر نشر فلورسانس از دو روش طیف سنجی جذب و نشر اتمی حساسیت بسیار بیشتری دارند و بنابراین حد تشخیص های کمتری نیز از دو روش دیگر دارند.

    با وجود گذشت دو دهه از توسعه طیف سنجی فلورسانس اتمی، این روش تاکنون استفاده متداول و گسترده ای در آنالیز مواد پیدا نکرده است. علت اصلی آن توسعه زودتر روش های طیف سنجی جذب و نشر اتمی، موفقیت آنها در اندازه گیری عناصر و در دسترس بودن دستگاه های تجاری متعدد این دو روش است. در واقع استفاده محدود از AFS به محدودیت های ذاتی روش مربوط نیست بلکه مزایای آن نسبت به دو روش متداول تر AAS و AES کمتر است. به علاوه AFS از نظر دستگاهوری پیچیده تر و در نتیجه گران تر از دو روش دیگر است.

دستگاهوری طیف سنجی فلورسانس اتمی

    دستگاهوری روش طیف سنجی فلورسانس اتمی مشابه روش طیف سنجی جذب اتمی است، جز این که منبع تابش و آشکارساز در یک راستا نیستند. در شکل 2 اجزا اصلی  دستگاه های AFS به صورت کلی نشان داده شده است.

 

دستگاهوری طیف سنجی فلورسانس اتمی
شکل 2 اجزا اصلی  دستگاه های طیف سنجی فلورسانس اتمیAFS

   منبع تابش

   عموما یک منبع تابش پیوسته برای AFS مطلوب خواهد بود. لامپ های زنون (Xenon lamp) از منابع پیوسته به کار برده شده در روش های فلورسانس است که طول موج نشری آن در ناحیه UV است. منابع پیوسته برای آنالیز همزمان چند عنصری استفاده می شوند. متاسفانه توان خروجی بیشتر منابع پیوسته آنقدر پایین است که حساسیت کافی برای فلورسانس اتمی فراهم نمی کنند.

     در شروع این روش از لامپ های کاتدی توخالی (HCL) به عنوان منبع استفاده می شد. اما برای افزایش توان خروجی بدون آسیب رساندن به آن، لازم بود که لامپ در زمان های کوتاه در جریان های بالاتر از جریان پیوسته به کار برده شود. اگرچه لامپ های تخلیه ای بدون الکترود (EDL) از نظر شدت تابش، عملکرد بهتری از HCL  دارند. در هر دو مد پیوسته و پالسی می توان از EDL استفاده کرد اما متاسفانه برای بسیاری از عناصر به صورت تجاری موجود نیستند.

   لیزرها با شدت بالا و پهنای باند باریک ایده آل ترین منبع برای اندازه گیری AFS هستند. منابع لیزری به هر دو صورت پیوسته و پالسی موجود هستند. اما قیمت بالا و پیچیدگی های اپراتوری استفاده گسترده از آنها را محدود کرده است. در طیف سنجی فلورسانس القایی لیزری (laser induced atomic fluorescence spectrometry, LIAFS ) باید لیزری استفاده شود که در ناحیه UV-vis طیف داشته باشد تا امکان تهییج تعداد بیشتری عنصر را داشته باشد.

   منبع تابش در طیف سنجی های فلورسانس در زاویه 90 درجه ای مونوکروماتور قرار دارد. به دلیل اینکه فقط نورهای سرگردان (stray light) نمونه، و نه منبع به مونوکروماتور برسد. این ژئومتری 90 درجه ای نسبت به 180 درجه ای به طور موثری سبب افزایش سیگنال به نویز و کاهش حد تشخیص روش فلورسانس می شود.

انتخاب طول موج

   مشابه روش های جذبی و نشری برای آنالیز نمونه های محلول یا جامد، مراحل حلال زدایی، تبخیر و اتمی شدن انجام می شود. اتم ساز می تواند شعله، کوره گرافیتی و یا پلاسما باشد. در فلورسانس هم طیف جذبی (نوری که توسط نمونه جذب می شود) و هم طیف نشری (نوری که از نمونه نشر می شود) قابل اندازه گیری ست.

   ساده ترین دستگاهوری را روش فلوریمتری دارد که در آن برای جداسازی هم طیف تهییجی و هم نشری از فیلترهای ثابت استفاده می شود. فلوریمتری اگرچه در بسیاری از مواقع برای آنالیزهای کمی مفید واقع می شود اما بسیاری از اطلاعات طیفی و آنالیزی با این روش قابل دسترسی نیستند.

    استفاده از مونوکرماتور امکان انتخاب طول موج های نشری و تهییجی را فراهم می کند. ضمن این که امکان آنالیز چند عنصری همزمان نیز فراهم می شود. مونوکروماتورهای باید امکان تغییر عرض شکاف برای هر دو نوع طیف تهییجی و نشری را داشته باشند تا برای به دست آوردن حساسیت بیشتر (عرض شکاف بیشتر) یا تفکیک بهتر (عرض شکاف کمتر) قابل تنظیم باشند. از آنجایی که طیف های فلورسانس ساده تر از طیف های نشری هستند از مونوکروماتورهای با قدرت تفکیک کمتر نیز می توان استفاده کرد.

آشکارساز

    آشکارسازهای PMT متداول ترین آشکارساز تجاری برای تکنیک AFS  هستند. برای پوشش دادن کل طیف UV-vis معمولا از دو آشکارساز PMT با دامنه طول موجی متفاوت استفاده می شود. PMT به دلیل وجود جریان تاریک (dark current) محدود کننده حساسیت روش AFS هستند.

   تکنیک AFS یک روش ایده آل برای آنالیزهای گونه شناسی (Speciation)  فلزاتی است که توانایی تشکیل هیدرید دارند مانند سلنیوم (Se)، انتیموان (Sb)، ارسنیک (As)، و جیوه (Hg). حد تشخیص فلورسانس برای عناصر با انرژی تهییج بالا  مانند سلنیوم (Se)، سرب (Pb)، ارسنیک (As)، روی (Zn)، کادمیم (Cd) و تالیوم (Tl) پایین است. عناصری که در شعله اکسیدهای پایدار تشکیل می دهند نظیر نئوبیوم (Nb) آلومینیم (Al) و زیرکونیم (Zr) نبه دلیل کارایی کم اتمی شدن در اتم ساز شعله نشر فلورسانس مناسبی ندارند. ترکیب روش  AFS با روش اتم ساز بخار سرد (cold vapor) یک تکنیک ویژه برای آنالیز و گونه شناسی ترکیبات جیوه است.

نکات آنالیزی

  • طیف فلورسانس ساده تر از طیف های نشری و جذبی است. و بنابراین مزاحمت طیفی کمتری دارد.
  • محدوده خطی روش AFS مشابه روش نشری ویا کمی بهتر از آن است.
  • حد تشخیص بسیار پایینی دارد (کمتر از نانوگرم در ميلي ليتر يا ميكروگرم در ليتر )
  • روشی بسیار حساس و انتخابی در اندازه گیری فلزات مهم بیو زیستی و محیط زیستی شامل جیوه، ارسنیک، سلنیوم، کادمیم، تالیم و سرب است.

مقالات مرتبط

2 Comments

Avarage Rating:
  • 0 / 10
  • فردین , اسفند 18, 1399 @ 12:58 ب.ظ

    ممنون و تشکر بابت مقاله عالی و جامعی که تهیه کرده بودید…♥♥

    • آنالیوم , اسفند 22, 1399 @ 5:12 ب.ظ

      خوشحالیم که مفید بوده.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *