اسپکتروسکوپی و کروماتوگرافی، دو پایه‌ی اصلی شیمی تجزیه

آنالیز دستگاهی (Instrumental Analysis) به تکنیک‌ها و روش‌های علمی برای شناسایی و اندازه‌گیری مواد و ترکیبات شیمیایی با استفاده از دستگاه‌های خاص اطلاق می‌شود. این آنالیزها معمولاً به دو دسته تقسیم بندی می شوند:

• اسپکتروسکوپی
• کروماتوگرافی

در ادامه به طور خلاصه به بررسی هر کدام از این دو روش می‌پردازیم. در صورتی که تمایل به آشنایی با آنالیز مواد شیمیایی، معدنی، آلی، دارویی یا … دارید، به شما پیشنهاد می‌کنیم تا پایان این مطلب با ما همراه باشید.

اسپکتروسکوپی

اسپکتروسکوپی مطالعه‌ی تاثیر امواج الکترومغناطیسی و ماده را است. تابش الکترومغناطیسی را می‌تواند به صورت یک موج هماهنگ ساده در نظر گرفت. در نظر داشته باشید که نور مرئی تنها بخش کوچکی از این موج است. این موج در صورتی که انعکاس و انکسار نیابد به خط مستقیم و در یک راستا انتشار پیدا می‌کند.

برهم‌کنش نور با ماده در صورتی که ماده به صورت اتم باشد، اسپکتروسکوپی اتمی و در صورتی که ماده به صورت مولکول باشد، اسپکتروسکوپی مولکولی نامیده می‌شود. برخورد نور و ماده باعث به‌وجود‌آمدن سه پدیده در ماده می شود. هر اتم یا مولکول خاص ترازهای انرژی ناپیوسته‌ای دارد؛ به عبارت دیگر هر اتم و یا مولکول می تواند انرژی‌های مشخصی را جذب و یا نشر کند که این انرژی‌ها یکتا هستند. وقتی با تابش نور و یا ذرات دیگر به اتم انرژی داده می شود، الکترون از ترازی با انرژی کمتر (تراز پایه) به ترازی با انرژی بیشتر (تراز برانگیخته) می‌رود. حال اگر انرژی تحریک اتم به اندازه اختلاف انرژی دو تراز باشد، جذب صورت می‌گیرد. مقدار نور جذب‌شده توسط قانون بیر لامبرت (Beer Lambert) تعیین می‌شود و با افزایش تعداد اتم‌های عنصر در مسیر نور، افزایش می‌یابد.

الکترونی که در تراز بالاتر قرار گرفته انرژی بیشتر و پایداری کمتری دارد، بنابراین تمایل دارد به حالت پایه برگردد. پس در این زمان انرژی‌ای را که جذب کرده، نشر می‌دهد و به حالت پایه بازمی‌گردد. به این پدیده نشر گفته می‌شود. حالتی که در دستگاه‌های نشر اتمی اتفاق می‌افتد.

اسپکتروسکوپی انواع مختلفی دارد:

• UV-Vis
• FTIR
• AAS
• ICP
  • ICP-OES
  • ICP-MS
• XRF

اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)

اسپکتروسکوپی جذب اتمی (Atomic Absorption Spectroscopy یا AAS) یک روش آنالیز است که برای تعیین غلظت عناصر خاص در نمونه‌ها استفاده می‌شود. در این روش، با محاسبه‌ی میزان نور جذب‌شده می‌توان غلظت عنصر مورد نظر را محاسبه کرد. برای اندازه‌گیری میزان کمی ماده در این روش، ابتدا نمونه به صورت اتم‌های آزاد در می‌آید. این کار معمولاً با استفاده از شعله یا کوره انجام می‌شود (Atomization). سپس نور با طول موج خاصی به نمونه تابیده می‌شود و میزان نور جذب شده توسط اتم‌های موجود در نمونه اندازه‌گیری می‌شود (Absorption). در آخر با استفاده از منحنی استاندارد، غلظت عنصر مورد نظر در نمونه محاسبه می‌شود. این روش برای آنالیز عناصری مانند فلزات در نمونه‌های مختلف (آب، خاک، مواد غذایی و غیره) بسیار مفید است. در این فرایند، نمونه به صورت مایع به دستگاه تزریق می‌شود. بنابراین در صورتی که نمونه‌های جامد مثل خاک داشته باشیم، ابتدا آماده‌سازی نمونه انجام خواهد شد. بهترین روش برای آماده‌سازی نمونه (Sample Preparation) در نمونه‌های خاک ذوب قلیایی است که در مقالات بعدی به آن می‌پردازیم.

اسپکتروسکوپی UV-Vis

برای اندازه‌گیری مقدار یک ماده بر اساس میزان جذب الکترومغناطیس آن از UV-Vis (مخفف Ultraviolet-Visible) استفاده می‌کنیم. این دستگاه برای مایعات طراحی شده ولی نمونه های جامد را نیز می توان در صورت آماده‌سازی (محلول‌سازی) مورد آنالیز قرار داد. دستگاه اسپکتروسکوپی UV-Vis یکی از پرکاربردترین دستگاه‌های آزمایشگاه شیمی می‌باشد. در آخر با توجه به میزان عبور نور و جذب، غلظت مواد در یک نمونه مشخص می‌شود.

اسپکتروسکوپی FTIR

FTIR (به طور خلاصه Fourier Transform Infrared Spectroscopy) یکی دیگر از روش‌های آنالیز است که در آن شناسایی و آنالیز مواد شیمیایی با استفاده از اسپکتروسکوپی مادون قرمز استفاده می‌شود. این دستگاه به کمک تبدیل فوریه، نوارهای جذب مادون قرمز را اندازه‌گیری کرده و اطلاعاتی درباره ساختار شیمیایی و ترکیب مواد ارائه می‌دهد. کاربردهای FTIR شامل شناسایی گروه‌های عاملی ترکیبات آلی، بررسی ترکیب مواد و تحلیل ساختار مولکولی می‌شود.

تبدیل فوریه (Fourier Transform)، سیگنال پیچیده‌ای را به مجموعه‌ای از سینوس‌ها و کسینوس‌ها با فرکانس‌های مختلف تجزیه می‌کند. به عبارت دیگر، با استفاده از تبدیل فوریه، می‌توان تحلیل کرد که سیگنال یا تابع مورد نظر از چه فرکانس‌ها و دامنه‌هایی تشکیل شده است.

اسپکتروسکوپی پلاسمای جفت‌شده‌ی القایی (ICP)

روش ICP-OES (کوتاه‌شده‌ی عبارت Inductively Coupled Plasma Optical Emission spectroscopy) تکنیکی است که در آن می‌توان غلظت عناصر موجود در نمونه‌ها (بیشتر محلول در آب) را با استفاده از پلاسما و یک اسپکتروفتومتر تعیین کرد. این تکنیک از سال 1974 به صورت تجاری در دسترس بوده است و به دلیل حساسیت، دقت و سرعت بالا در تجزیه و تحلیل، به طور گسترده ای در آنالیز عنصری مورد توجه قرار گرفته است.

در کنار ICP-OES، دستگاه دیگری با نام ICP-MS وجود دارد که دارای تکنیک تحلیلی پیشرفته‌تری است. تکنیک MS (کوتاه‌شده‌ی Mass Spectrometry) برای شناسایی و اندازه‌گیری عناصر شیمیایی در نمونه‌های مختلف به کار می‌رود. در این دستگاه، نمونه‌ها ابتدا در پلاسما به اتم تبدیل می‌شوند و سپس توسط یک اسپکتروفتومتر جرمی تحلیل می‌شوند. این روش به دلیل دقت بالا و توانایی شناسایی مقادیر بسیار کم عناصر در نمونه‌ها (Trace)، به طور گسترده‌ای در تحقیقات علمی، زیست‌محیطی و صنایع مختلف استفاده می‌شود.

اسپکتروسکوپی XRF

XRF (کوتاه‌شده‌ی X-Ray Fluorescence) یک تکنیک آنالیز غیرمخرب است که برای شناسایی و تعیین ترکیب عناصر شیمیایی در مواد مختلف استفاده می‌شود. در این روش، یک نمونه به وسیله پرتو ایکس تحریک می‌شود و این تحریک باعث می‌شود که نمونه پرتوی ایکس فلورسانس منتشر کند. این پرتوی فلورسانس سپس توسط دستگاه آنالیز می‌شود تا عناصر موجود در نمونه شناسایی و مقدار آن‌ها تعیین گردد. این تکنیک به دلیل دقت و قابلیت آنالیز سریع و غیرمخرب، در صنایع مختلف از جمله زمین‌شناسی، باستان‌شناسی، کنترل کیفیت مواد و همچنین به طور گسترده در آنالیز مواد در معدن استفاده می‌شود.

تا اینجا دسته‌بندی‌های اصلی اسپکتروسکوپی را بررسی کردیم. در ادامه قصد داریم به بررسی موضوع کروماتوگرافی بپردازیم.

کروماتوگرافی

کروماتوگرافی واژه‌ی یونانی به معنی رنگ‌نگاری است که از ترکیب دو واژه‌ی کروما به معنی رنگ و گروفین به معنی نوشتن ایجاد شده است. در سال 1903 برای اولین بار از روش جداسازی مواد رنگی استفاده شد که این کار توسط گیاه‌شناس روسی به نام میکاییل تسوت انجام شد. جداسازی ترکیبات بر اساس تفاوت در توزیع آن‌ها بین فاز متحرک (Mobile Phase) و فاز ساکن (Stationary Phase) شامل چند نوع اصلی است:

• GC
• HPLC
• IC

در ادامه به طور خلاصه در مورد هر کدام از این روش‌ها صحبت می‌کنیم.

کروماتوگرافی گازی (GC)

روش GC (مخفف Gas Chromatography) یک تکنیک تحلیلی است که برای جداسازی و تحلیل ترکیبات فرار استفاده می‌شود. در این روش، نمونه به صورت بخار به یک ستون که حاوی فاز ساکن است، تزریق می‌شود. فاز متحرک (گاز حامل) به عبور نمونه از ستون کمک می‌کند. در حین این عبور، به دلیل برخورد ترکیب‌های موجود در نمونه با ذرات داخل ستون (فاز ساکن) ترکیبات مختلف با سرعت‌های متفاوت از ستون خارج می‌شوند. پس از خروج از ستون، ترکیبات توسط دتکتور خاص هر نمونه شناسایی و اندازه‌گیری می‌شوند. این تکنیک در شیمی تجزیه، تحلیل مواد غذایی، داروسازی و محیط‌زیست کاربرد دارد.

کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا (HPLC)

روش HPLC (کوتاه‌شده‌ی عبارت high performance liquid chromatography) به معنای کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا است و از جمله تکنیک‌های جداسازی (Separation) مرسوم در بسیاری از علوم می‌باشد. از میان روش‌های جداسازی HPLC بیشترین رشد و کارایی را داشته و سالانه میلیون‌ها دلار صرف خرید و فروش دستگاه HPLC در دنیا می‌شود. از جمله علل این رشد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• حساسیت بالا
• تعیین میزان کمی مواد با دقت بالا
• قابلیت آنالیز نمونه‌های غیرفرار و حساس به دما

کروماتوگرافی یونی (IC)

IC (کوتاه‌شده‌ی عبارت Ion Chromatography) یک روش آنالیز است که برای جداسازی و تحلیل یون‌ها در نمونه‌ها استفاده می‌شود. این روش معمولاً در آزمایشگاه‌های شیمی و زیست‌شناسی برای اندازه‌گیری غلظت یون‌های مختلف در مایعات مثل آب و نمونه‌های زیست‌شناسی، به کار می‌رود. در این روش، نمونه به یک ستون کروماتوگرافی تزریق می‌شود که با یک فاز ساکن پر شده است. یون‌ها در ستون بر اساس تعاملات مختلفی که با فاز ساکن دارند، جدا می‌شوند. در نهایت، یون‌های جداشده با استفاده از یک دتکتور شیمیایی یا الکترونیکی اندازه‌گیری و تحلیل می‌شوند.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد دو تا از بخش‌های اصلی شیمی تجزیه یعنی اسپکتروسکوپی و کروماتوگرافی صحبت کردیم. توضیحات ارائه‌شده در این مقاله خیلی خلاصه بود و صرفا حکم یک دسته‌بندی را داشت. پیشنهاد می‌کنیم در صورت تمایل به مطالعه‌ی جزئیات بیشتر به بخش بلاگ مام مراجعه نمایید.

در پایان باعث خوشحالی ماست که نظرات و سوالات علمی شما را در پایین همین صفحه مشاهده کنیم. کارشناسان علمی و فنی شرکت در اسرع وقت پاسخ تمامی نظرات را خواهند داد.