طیف سنجی نوری بر اساس نشر نور و برانگیختگی به کمک پلاسما (ICP)
این روش طیف سنجی که جهت بررسی های عناصر و غلظت آن ها مورد استفاده دارد ، بر اندازه گیری شدت امواج تابیده از اتم ها ، به هنگام برگشت از حالت برانگیخته طبق شکل زیر استوار است. برای برانگیختگی ابتدایی از یک مشعل پلاسما معروف به پلاسمای جفت شده ی القایی استفاده می شود. این پلاسما از القای یک میدان مغناطیسی با بسامد بالا پدید می آید.
شکل مشعل پلاسما در صفحه بعد دیده می شود. پلاسما ، گازی است که قسمتی از آن یونیزه می شود. این پلاسما به کمک القای الکترومغناطیسی یک گاز ، مانند گاز آرگون پدید می آید. همانطور که در این شکل دیده می شود، دو لوله از جنس کوارتز در داخل لوله ی سومی جاسازی شده و سیم های جریان بسامد بالا در قسمت بالایی لوله خارجی قرار دارند. نمونه ی مجهول از لوله مرکزی، به شکل ریز مایع (ایروسل= Aeorosol) توسط گاز آرگون به قسمت بالایی رانده می شود.
برای تشکیل پلاسما ، گاز آرگون از لوله دیگر جریان می یابد و از لوله ی سوم ، آرگون فقط برای پدیدآوردن سرمایش به صورت مارپیچ به بالا جریان دارد. برای روشن کردن مشعل ، نخست گاز آرگون از طریق لوله ی مرکزی به طرف بالا فرستاده شده و در محوطه سیم ها ، به خاطر وجود میدان مغناطیسی ، یونیزه می شود. از آنجا که در پلاسمای آرگون ، چگالی الکترون های آزاد زیاد است ، هدایت الکتریکی مناسبی وجود دارد و بی درنگ پس از برقراری جریان در سیم ها ، با میدان مغناطیسی بر هم کنش می نماید. در آغاز کار ، پس از برقراری جریان آرگون ابتدایی ، به وسیله ی تخلیه ی الکتریکی ، مقداری الکترون در محوطه ی پلاسما تخلیه می شود و این الکترون ها که به عنوان تخمک عمل می کنند ، در میدان مغناطیسی وارد یک جریان گردابی گردیده و برخورد آن ها به مولکول های گاز باعث یونش آن ها می شود. جریان پیوسته ی الکترون های آزاد در مسیر و شکل ویژه ، شعله ی پلاسمای پایدار پدید می آورد که دمای مرکز آن حدود 6000 در جه ی کلوین است. مشعل مذکور در حین عملیات به شکل زیر است :
سرعت عبور گاز آرگون از دو لوله وسط، حدود lit/min 1 و از لوله ی بیرونی که برای پدیدآوردن سرمایش است حدود lit/min 15 می باشد. طراحی مسیر جریان گاز آرگون به گونه ای است که شکل ویژه ای به مجموعه ی پلاسما و شعله می دهد ، به طوریکه تزریق نمونه را در مرکز پلاسما امکانپذیر می کند. نمونه ی مورد نظر مسیر زیر را به طور معمول تا اینکه گسیل نور انجام دهد طی می کند :
برای نمایش واضحتر مسئله می توان به تصویر بالای صفحه ی بعد توجه نمود. از آنجا که برای تشکیل پلاسما ، از الکترود استفاده نمی شود، مناطق برانگیخته و نشر از نظر فضایی از یکدیگر جدا هستند. این نکته از پدید آمدن زمینه ی مزاحم که در بسیاری از روش های طیف سنجی مشکل ساز است جلوگیری می کند. بنابراین امکان آنالیز در مقیاس ppb که خیلی بهتر و دقیق تر از دستگاه های طیف سنجی جذب اتمی یا طیف سنجی نشر شعله است فراهم خواهد شد . به دلیل بالا بودن دمای مشعل ،ترکیبات جانبی که در روش طیف سنجی جذب اتمی به عنوان ترکیب های مزاحم(مانند کاربیدها و اکسیدها) پدید می آیند، در این روش راحتی تجزیه می شوند. همچنین چون در این روش ، طیف نشری عنصر مطالعه می شود و در مشعل ، تمام عنصرها به طور کامل یونیزه می شوند، بنابراین هر عنصر با مقدار ناچیز نیز قابل تشخیص خواهند بود.
نور تابیده از عنصرها در مشعل پلاسما ، پس از تفکیک طول موج در تک رنگ کننده ، به آشکارساز فوتون افزا فرستاده می شود تا شدت آن اندازه گیری شود. ممکن است که به جای تک رنگ کننده، از سیستم چندرنگ کنندهکه به طور هم زمان چند عنصر را آنالیز می کند استفاده کرد. اجزای اصلی تولید پلاسما ، مانند پدیدآورنده ی بسامد رادیویی ، سیستم گاز رسانی و نیز سیستم نمونه سازی ، به عمرا قسمت چندرنگ کننده و واحدهای کنترل کننده ی رایانه ای ، در مجموع بخش های اصلی یک دستگاه نوین پلاسمای جفت شده ی القایی را تشکیل می دهند. نور بدست آمده از مشعل پلاسما ، توسط دریچه ای بر روی یک گراتینگ مقعر هدایت می شود و بازتاب امواج با طول موج های گوناگون در زاویه های مختلف ، به فوتون افزاهای ثابت می رسد. برای هر عنصر ، یک آشکارساز در موقعیت مشخصی قرار دارد و بنابراین به جای حرکت یک فوتون افزا و ثبت پرتوهای مختلف در مواضع گوناگون ، پرتو مربوط به همه عنصرها به طور همزمان اندازه گیری می شود. بدیهی است که در این حالت ، سرعت آنالیز بسیار بیشتر است و این نوع دستگاه برای کاربردهایی که با تعداد عنصر مشخص سروکار دارد و در اصطلاح شناسایی روزمره عنصر، مورد نظر است بسیار مناسب می باشد ولی برای مراکز پژوهشی نوع تک رنگ کننده مفیدتر بوده، اگر چه سرعت آنالیز در آن کندتر است.
در روش پلاسمای جفت شده ی القایی ،ممکن است مشعل به همراه یک طیف سنج جرمی (ICP-MASS) که مشخصات آن در بخش بعدی معرفی می شود ، به کار گرفته شود که در آن به جای پرتو پدید آمده در مشعل ، یون های پدیدآمده در آن ، با عبور از میدان مغناطیسی ، بر حسب نسبت جرم به بار الکتریکی ، تفکیک و شناسایی شوند. این دستگاه در مقایسه با دستگاه قبلی ، حساستر و دقیق تر می باشد ولی بسیار گرانتر بوده و در عمل نتوانسته است بازار زیادی را به خود اختصاص دهد. استفاده از روش پلاسمای جفت شده ی القایی ، به همراه طیف سنجی جرمی برتری های زیر را نسبت به روش های دیگر طیف سنجی دارد :
- با یک دستگاه می توان همه ی عنصرها را آنالیز و شناسایی کرد و مانند دستگاه های جذب اتمی ، جذب نوری و یا نشر شعله به قسمت های تکمیلی احتیاج نیست.
- در این دستگاه تداخل شیمیایی عنصرها از جانب محیط کمتر از روش های دیگر است.
- کاربری دستگاه آسانتر از روش های دیگر می باشد
- حساسیت روش بسیار بالا و در گستره ppb است
- تهیه ی نمونه ساده تر از روش های دیگر طیف سنجی بوده و به رقیق کردن زیاد نمونه (مانند روش جذب اتمی) احتیاج نیست
- بنابر برتری های برشمرده ، طیف سنجی نوری با برانگیختگی پلاسمای جفت شده ی القایی ، کاربردهای زیادی را در علم مواد، محیط زیست و صنایع گوناگون پیدا کرده به گونه ای که این دستگاه به تدریج جایگزین روش های دیگر آنالیز ، مانند طیف سنجی جذب اتمی (AAS) و طیف سنجی نشر شعله (FES) شده است.
به عنوان نمونه ای شماتیک از اجزای دستگاه ICP که هم مجهز به تجهیزات طیف سنجی نوری و هم طیف سنجی جرمی است ، شکل زیر را می توان ملاحظه نمود.
جهت ملاحظه ی نمونه ای از نمودار های مطرح در این آزمایش
به شکل روبرو توجه کنید. نمودار بالایی طیف تابش نوری بوسیله ی روش ICP از محلولی شامل ppm 100 سریم Ce است. نمودار پایینی طیفی از محلول دارای ppm 10 سریم از روش ICP-MASS (ICP به همرا هی طیف سنجی جرمی) است.
به طور خلاصه روش ICP-MASS دارای مشخصات زیر است : ICPMS از پلاسمایی که به صورت القایی کوپل شده برای تولید یون هایی که بلافاصله با طیف نگار جرمی آنالیز می گردند ، استفاده می شود. پلاسما به عنوان منبع یونی با بازدهی بالا که محدوده های اندازه گیری ای زیر 1 PPB را برای اکثر عناصر امکانپذیر می کند. روش اجازه ی آنالیز های کاملا کمی و شبه-کمی را می دهد. نمونه های معمولا به صورت مایع وارد می شوند اما پیشرفت های اخیر اجازه ی نمونه ی برداری مستقیم از جامدات را به واسطه ی کندوسوز لیزری (Laser abalation) ، و نیز از گازها و بخارات را با یک طراحی مناسب می دهند. لایه های نازک و یا جامدات معمولا درون محلولی قبل از آنالیز حل می شوند.
محدوده ی عناصر مورد اندازه گیری : لیتیم تا اورانیوم ، تمام ایزوتوپ ها – بعضی عناصر مجزا شده اند
اطلاعات از پیوندهای شیمیایی موجود : خیر
مخرب بودن آزمون : این آزمون مخرب است
قدرت تفکیک عرضی : 20 تا 50 میکرومتر با کندوسوز لیزری
محدوده ی آشکارسازی : زیر ppb برای اکثر عناصر
عمقی که آنالیز می شود : 1 تا 10 میکرومتر برای هر پالس لیزر در جامدات
قابلیت ارائه ی کمی اندازه گیری ها : بله ، هم کمی و هم نیمه کمی
دقت : 0.2 درصد ایزوتوپ ها ، 5 درصد یا بهتر آنالیز های کمی ، 20 درصد یا بیشتر آنالیز های نیمه کمی
تصویر برداری و نقشه برداری سطحی : خیر ، اما برای کندوسوز لیزری امکان دارد
لازمه های نمونه : محلول ها ، جامدات حل شده در محلولی مشخص ، جامدات ، گازها ، و بخارات
استفاده های اصلی : آنالیز ایزوتوپی و عنصری با حساسیت بالای مواد شیمیایی خلوص بالا و آب
