مقایسه دستگاه طیف‌سنج نشر اتمی-پلاسمای جفت شده القایی با دستگاه طیف‌سنج نشری-جرقه الکتریکی – بخش دوم
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- منبع تحريک کننده کوانتومتر
2- سیستم نوری (اپتیکی) دستگاه‌های طیف‌سنج نشر نوری
3- آشکارسازها
1-3- مقایسه‌ی آشکارساز CCD با PMT
4- پردازش داده‌ها
5- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
6- نتیجه‌گیری
1- منبع تحريک کننده کوانتومتر
در دستگاه کوانتومتر منبع تحریک، جرقه یا اسپارک (با فرکانس 10 تا 1000 هرتز، ولتاژ تا 1000 ولت) حاصل از تخلیه الکتريکي جريان متناوب است که در هنگام کار با انفجارهاي کوچک و ممتد، همراه است. اين انرژي داخل خازن‌ها جمع و باعث باردار شدن خازن‌ها شده و بعد از عمل کردن دستگاه، خازن‌ها تخليه بار می‌شوند. در تحريک با جرقه، تخليه الکتريکي بين دو الکترود در این روش، تخلیه الکتریکی بین دو الکترود که یکی از جنس نمونه مجهول و دیگری الکترود غیرمصرفی انجام می‌شود. به‌طور معمول الکترودهای غیرمصرفی از جنس تنگستن انتخاب می‌شوند. گاهی الکترودهای غیرمصرفی را به نمونه‌ی مجهول آغشته می‌کنیم. در این صورت ممکن است با غلطک‌های ساینده از روی نمونه مجهول براده‌برداری نمونه و تحت آنالیز قرار گیرد (شکل 1).
در کوانتومتر آنالیز کمی و کیفی انجام می‌پذیرد:
- در آنالیز کمی، ولتاژ و زمان بالا بوده و با تحریک جرقه‌ای با ولتاژ بسیار بالا، یک نقطه را در مدت 30 ثانیه تبخیرکرده و برانگیخته می‌کند. در نتیجه، تمام عناصر هم‌زمان، طیف تولید می‌کنند و امکان آنالیز دقیق در این شرایط وجود دارد.
- در آنالیز کیفی، ولتاژ و زمان پایین بوده و با تحریک کمانی با ولتاژ پایین‌تر و زمان کوتاه در حدود 3 ثانیه انجام می‌شود. در نتیجه دقت پایین‌تر بوده و بیشتر برای آنالیزهای کیفی و سریع به کار می‌رود.
2- سیستم نوری (اپتیکی) دستگاه‌های طیف‌سنج نشر نوری
بعد از تهییج اتم‌ها و نشر اسپکتروم، حال نوبت جداسازی و شناسایی تابش‌های مختص هر عنصر است. این وظیفه را سیستم نوری دستگاه انجام می‌دهد که شامل یک سیستم تک رنگ کننده و یک عامل آشکارساز است. تک رنگ کننده عمل جدا کردن خطوط متعدد موجود در طیف نشری نمونه را انجام می‌دهد که شامل یک شکاف و یک عامل تجزیه کننده نور است. شکاف، نورهای هرز را حذف کرده و تجزیه کننده نور، تابش را مطابق با طول موج تجزیه می‌کند [1].
تجزیه کننده‌های نور در سه نوع طبقه‌بندی می‌شوند: تجزیه کننده منشوری، تجزیه کننده شبکه‌ای و تجزیه کننده تداخل‌سنج مایکلسون.
- تجزیه کننده منشوری
- تجزیه کننده شبکه‌ای
d (Sin i ± Sin Θ) = n λ
که در آن: λ طول موج تابش، d فاصله بین دو شیار شبکه، i زاویه فرودی باریکه نور و Θ زاویه تجزیه شدن نور در طول موج خاص است، به عبارت دیگر، زاویه Θ طول موج‌های مختلف نور، متفاوت است [2].
- تجزیه کننده تداخل‌سنج مایکلسون
با توجه به استفاده از تجزیه کننده شبکه‌ای تک رنگ کننده (شکل 2) در آشکارساز ترتیبی، در هر لحظه غلظت يک عنصر را می‌توان اندازه گرفت. با تغيير زاويه‌ی شبکه در دستگاه تک رنگ کننده مي‌توان فقط طول موج مورد نظر را خارج کرد. اين دستگاه نسبتاً ارزان است ولي کار با اين دستگاه به زمان طولاني نياز دارد.
3- آشکارسازها
آشکارسازها برای اندازه‌گیری شدت تابش مورد استفاده قرار می‌گیرند و این عمل با تبدیل انرژی تابشی به انرژی الکتریکی انجام می‌پذیرد.
سه نوع اصلي آشكارسازها عبارتند از:
- لوله‌های فوتون افزا (شکل 3)؛
- آرایه‌های دیود حساس به نور؛
- نیمه‌هادی‌های با محدوده طیف نوری به نام دستگاه جفت کننده بار (شکل 4).
فتومالتی پلایرها یا فوتو تکثیرکننده‌ها حساس‌ترین نوع آشکارساز در محدوده مرئی – فرابنفش هستند که در دستگاه طیف‌سنج نشر اتمی و کوانتومتر کاربرد دارند و به‌گونه‌ای چیدمان شده‌اند که هر کدام از آنها یک طول موج مشخص را دریافت می‌کنند.
چگونگی عملکرد آن به این صورت است که در اثر برخورد هر فوتون به کاتد یک الکترون از کاتد ساطع می‌شود، سپس به اولین صفحه دینود برخورد کرده و 2 الکترون جدید در اثر این برخورد از دینود کنده شده و در نهایت پس از برخورد الکترون‌ها به صفحات دینود مقابل هم، تعدادشان به‌صورت تصاعدی افزایش یافته، سپس سیگنال خروجی تقویت شده و حساسیت بسیار بالا می‌رود.
مهمترین عامل برای کارکرد صحیح یک سیستم اپتیکی قدرت تفکیک (قابلیت جداسازی نورها از یکدیگر) و محدوده‌ی طول موج پوشش داده شده است و ارتباطی به نوع آشکارساز CCD یا PMT ندارد.
- تعداد پیکسل‌های یک CCD می‌تواند متفاوت باشد و حتی تا 10000 پیکسل برسد.
- آشکارساز PMT در برابر نور UV حساس و طول موج‌های زیر nm 170 را بدون هیچ مشکلی اندازه‌گیری می‌کند.
- چیپ‌های CCD برای اندازه‌گیری طول موج‌های UV نیاز به پوشش‌های خاص دارند.
- در آشکارساز PMT محدوده داینامیک افزایش الکترون 10 به توان 6 و در CCD این عامل 10به توان 4 است. نسبت سیگنال به نویز PMT نسبت به CCD بهتر است و این اشکال در CCD با استفاده از الگوریتم‌های ریاضی حل شود.
در دستگاه‌های طیف‌سنج نشری جریان فوتوآندی حاصل از فوتولوله تکثیر کننده ابتدا به ولتاژ تبدیل می‌شود. ولتاژ حاصل با تقویت کننده‌های عملیاتی تقویت شده و سیگنال خروجی با استفاده از یک ولت متر دیجیتالی به نمایش در می‌آید. به‌منظور کاهش سوق و نوفه دستگاه، باید از قطعات الکترونیکی آنالوگ با کیفیت بالا استفاده کرد. برای افزایش نسبت سیگنال به نوفه، مدت زمان جمع‌آوری داده در گستره‌ی 0/1 تا 10 ثانیه انتخاب می‌شود. سرد کردن فوتولوله تکثیرکننده منجر به کاهش جریان تاریکی و نوفه شده و در نتیجه نسبت سیگنال به نوفه افزایش می‌یابد. در برخی از اسپکتروفلورومترها، منبع برانگیختگی با استفاده از برشگر مکانیکی مدوله شده و سیگنال حاصل پردازش می‌شود. به این ترتیب می‌توان بین سیگنال تاریکی، جریان تاریکی f -1 و نوفه تقویت کننده تمایز قائل شد. همانند طیف‌سنج‌ها، کاربرد میکروکامپیوترها در دستگاه‌های لومینسانس توانایی این دستگاه‌ها را به‌صورت چشمگیری بهبود می‌دهد. کنترل عواملی مانند سرعت اسکن طول موج، گستره‌ی اسکن طول موج، پهنای شکاف و زمان جمع‌آوری داده با استفاده از صفحه کلید فراهم شده‌است. داده‌های حاصل از اندازه‌گیری بعد از ذخیره در کامپیوتر، با گزینه‌هایی که در نرم‌افزار آنالیز دستگاه وجود دارد مورد پردازش بیشتر قرار می‌گیرد. به‌عنوان مثال، امکان انجام عملیاتی مانند کم کردن سیگنال شاهد، محاسبه و یا نمایش طیف مشتق، متناسب کردن داده‌های کالیبراسیون و محاسبه غلظت تجزیه شونده، محاسبه اطلاعات آماری و هموار کردن طیف‌ها وجود دارد. نرم‌افزارهای خاصی در دسترس هستند که قابلیت کاربردهای خاصی را فراهم می‌کنند مثل مطالعات سینتیکی، آشکارسازی در کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا و آنالیز مخلوط‌ها.
این مقاله از مجموعه مقالات فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2018، شماره 21 برگرفته شده است. برای دسترسی به مراکز خدمات دهنده دستگاه کوانتومتر قابل حمل، ICP، OES و ICP-OES بر روی لینک زیر کلیک کنید [12].
| نام دستگاه |
| دستگاه کوانتومتر قابل حمل |
| دستگاه پلاسمای جفت شده القایی |
| دستگاه طیف سنج نشر نوری |
| دستگاه پلاسمای جفت شده القائی-طیف سنج نشر نوری |
6- نتیجه‌گیری
در پلاسمای دستگاه ICP-OES، اتمیزه کامل انجام می‌گیرد و برخلاف قوس و شعله، یکنواختی پلاسما در طول شعله زیاد، تداخل یونی آن بسیار کم است و تداخل شیمیایی وجود ندارد، در نتیجه جذب ناشی از اتم‌های شعله را نخواهید داشت و امکان کالیبره کردن خطی چند ده برابر می‌شود و تعداد زیادی از عناصر را به‌صورت هم‌زمان می‌توان با این دستگاه آنالیز نمود. به علت دمای بالا، مزاحمت عناصر کمتر است و به راحتی می‌توان عناصر ترکیبات دیرگداز از جمله بور، فسفر، تنگستن و غیره را اندازه‌گیری کرد، یکی از مهمترین مزیت‌های این دستگاه نسبت به کوانتومتر می‌توان برگشت پذیری آن و دقت در حدود 10 برابر بیشتر را عنوان نمود.
در مقابل، دستگاه کوانتومتر دارای مزیت‌هایی نسبت به دستگاه ICP-OES است که شامل:
اتوماسیون ترکیبات دیرگداز، شیشه و آلیاژها در دستگاه کوانتومتر آسان‌تر است و در هنگام آماده‌سازی، نمونه تخریب نمی‌شود و هزینه‌ی آماده‌سازی نمونه و آنالیز کمتر و زمان انجام آزمایش نیز سریعتر است، دقت نسبتا خوب و تکرارپذیری مطلوب در سطح صنایع و کارگاه‌ها را داراست و می‌توان از قابلیت اتوماسیون آن در صنایع بزرگ نیز بهره برد و از نوع قابل حمل آن برای آنالیز در محل استفاده نمود.
از جمله معایب دستگاه کوانتومتر آن است که حتما باید پایه مشخصی داشته باشد. دقت روش کوانتومتری در اندازه‌گیری عناصر با عدد اتمی پایین مطلوب نیست و از محدودیت‌های دستگاه بشمار می‌رود و نمونه در این دستگاه حتما باید رسانا باشد و دقت اندازه‌گیری کربن در نمونه‌های چدن گرافیتی پایین است و آنالیز عنصری که محدوده‌اش خارج از محدوده کالیبراسیون باشد، امکان‌پذیر نخواهد بود.
منابـــع و مراجــــع
