طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی
طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی (ICP-MS) یک تکنیک تحلیلی قدرتمند است که در شیمی، زمین شناسی، زیست شناسی، پزشکی و علوم محیطی برای تعیین ترکیب عنصری نمونهها استفاده میشود. با این مقاله همراه باشید تا تمامی اطلاعات لازم را درباره این تکنیک کسب کنید.
توضیح علمی طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی
یک ابزار طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی از اجزای اصلی زیر تشکیل شده است:
- منبع یونی
منبع یونی پلاسمای جفت شده القایی (ICP) است که پلاسمایی است که با گرمایش القایی گاز با سیم پیچ الکترومغناطیسی انرژی میگیرد و حاوی غلظت کافی یون و الکترون است تا گاز را رسانای الکتریکی کند. ICP در فشار اتمسفر است و در حالت H با چگالی پلاسما بالا کار میکند. ICP معمولاً با استفاده از گاز آرگون به عنوان گاز پلاسما و استفاده از توان فرکانس رادیویی (RF) 700-1500 W تولید میشود. ICP دمایی در حدود 6000-10000 کلوین تولید میکند که برای اتمیزه کردن و یونیزه کردن بیشتر عناصر کافی است. ICP همچنین درجه بالایی از کارایی یونیزاسیون را فراهم میکند، به این معنی که بیشتر اتمها به یونهای دارای بار مثبت تبدیل میشوند. - سیستم ارائه نمونه
سیستم ارائه نمونه وظیفه تحویل نمونه را به شکل مناسب به ICP دارد. بسته به نوع لوازم جانبی مورد استفاده، نمونه میتواند مایع، جامد یا گاز باشد. برای نمونههای مایع، رایجترین روش نبولایزر است که شامل اسپری کردن محلول نمونه در یک غبار ریز با استفاده از نبولایزر پنوماتیک یا نبولایزر اولتراسونیک است. سپس نمونه نبولیزه شده توسط گاز آرگون به محفظه اسپری منتقل میشود، جایی که قطرات بزرگ خارج شده و تنها قطرات کوچک وارد پلاسما میشوند. برای نمونههای جامد، میتوان از فرسایش لیزری استفاده کرد که شامل متمرکز کردن پرتو لیزر پرانرژی بر روی سطح نمونه و تبخیر مقدار کمی از مواد است. سپس مواد جدا شده توسط گاز آرگون به پلاسما منتقل میشود. برای نمونههای گاز میتوان از تزریق مستقیم استفاده کرد که شامل وارد کردن مستقیم گاز به پلاسما از طریق یک انژکتور مخصوص است. - رابط خلاء
رابط خلاء وظیفه انتقال یونها از ICP فشار اتمسفر به طیف سنج جرمی فشار پایین را بر عهده دارد. رابط خلاء از دو مخروط فلزی با دهانههای کوچک (به قطر حدود 1 میلی متر) تشکیل شده است که در امتداد محور مرکزی مشعل پلاسما قرار گرفته اند. مخروط اول مخروط سمپلر نامیده میشود و نزدیک به نوک مشعل پلاسما قرار میگیرد. مخروط دوم مخروط اسکیمر نام دارد و حدود 1 سانتی متر پشت مخروط سمپلر قرار میگیرد. یک پمپ خلاء یک گرادیان فشار بین مخروطها ایجاد میکند که باعث انبساط مافوق صوت گاز پلاسما میشود و یک پرتو یونی را تشکیل میدهد که از مخروط اسکیمر به طیف سنج جرمی میگذرد. - طیف سنج جرمی
طیف سنج جرمی وظیفه جداسازی و اندازه گیری یونها را بر اساس نسبت جرم به بار آنها (m/z) بر عهده دارد. رایج ترین نوع طیف سنج جرمی مورد استفاده در این تکنیک یک فیلتر جرمی چهار قطبی اسکن است که از چهار میله فلزی موازی تشکیل شده است که به منبع تغذیه RF و منبع تغذیه جریان مستقیم (DC) متصل میشوند. با اعمال ترکیبات مناسب از ولتاژهای RF و DC، چهار قطبی را میتوان طوری تنظیم کرد که فقط به یونهای m/z خاصی اجازه عبور داده و به آشکارساز برسد، در حالی که همه یونهای دیگر را پس میزند. چهارقطبی میتواند با تغییر ولتاژهای RF و DC، محدودهای از مقادیر m/z را اسکن کند.
طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی و کاربرد
این تکنیک کاربردهای زیادی در زمینههای مختلف از جمله محیط زیست، زمین شناسی، بیولوژی و علوم هسته ای دارد. چند نمونه از موارد استفاده آن را در این بخش مقاله بررسی کردیم:
- آنالیز محیطی
پایش محیطی را میتوان برای ارزیابی کیفیت آب، خاک، هوا، گیاهان و حیوانات و همچنین کنترل آلودگی با استفاده از این تکنیک انجام داد. این روش میتواند فلزات سنگین از جمله جیوه، سرب، کادمیوم، آرسنیک و کروم را در سطح نانوگرم در لیتر در آب آشامیدنی یا فاضلاب اندازهگیری کند. علاوه بر این، رادیونوکلئیدهایی مانند اورانیوم، توریم، پلوتونیوم و سزیم را میتوان در نمونههای محیطی برای مدیریت زبالههای هسته ای و ایمنی رادیولوژیکی اندازه گیری کرد. - زمین شناسی
این تکنیک در اکتشافات و تحقیقات زمین شناسی مفید است زیرا میتواند نسبتهای ایزوتوپی و ترکیب عنصری سنگ ها، مواد معدنی، سنگ معدن، رسوبات و شهاب سنگها را تعیین کند. به عنوان مثال، عناصر خاکی کمیاب (REE) مانند لانتانیم، سریم، نئودیمیم و ایتریم را میتوان برای ارزیابی منابع معدنی و انگشت نگاری ژئوشیمیایی اندازه گیری کرد. علاوه بر این، ایزوتوپهای سرب، استرانسیوم، نئودیمیم، و اسمیم را میتوان برای مطالعات منشأ و قدمت سن در نمونههای زمین شناسی اندازهگیری کرد. - آنالیز صنعتی
طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی میتواند برای اندازه گیری عناصر در مواد و محصولات صنعتی برای کنترل کیفیت و بهینه سازی فرآیند استفاده شود. به عنوان مثال این تکنیک میتواند عناصر کمیاب در فلزات و آلیاژها را برای آنالیز ترکیب و شناسایی آلیاژ اندازه گیری کند. طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی همچنین میتواند عناصر کمیاب را در نیمه هادیها و دستگاههای الکترونیکی برای آنالیز خلوص و تشخیص عیب اندازه گیری کند. این تکنیک همچنین میتواند عناصر کمیاب در نانومواد مانند نانوذرات، نانولولهها و نانوسیمها را برای آنالیز توزیع اندازه و تعیین مشخصات اصلاح سطح اندازهگیری کند.
مطالعه بیشتر: دستگاه اسپکتروفتومتر
تاریخچه طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی
توسعه این تکنیک را میتوان به اختراع طیف سنجی پلاسما و طیف سنجی جرمی نسبت داد. اولین منبع پلاسمایی مورد استفاده برای آنالیز طیف سنجی یک قوس الکتریکی بود اما ناپایدار بود و کنترل آن دشوار بود. در سال 1942، یک منبع پلاسمایی پایدارتر یعنی یک مشعل پلاسمای جفت شده القایی برای طیفسنجی انتشار نوری ساخته شد.
طیف سنجی جرمی در ابتدا برای اندازه گیری نسبت بار به جرم الکترونها و جرم ایزوتوپی عناصر استفاده شد. اولین طیف سنج جرمی مورد استفاده برای آنالیز مولکولی در سال 1918 ساخته شد. آلن گری و همکارانش اولین طیف سنج جرمی را برای طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی در سال 1974 ساختند. با این حال این محصول به صورت تجاری در دسترس نبود و حساسیت و وضوح محدودی داشت. اولین ابزار تجاری این تکنیک در سال 1983 توسط SCIEX معرفی شد که حساسیت و وضوح را بهبود بخشیده بود و از آن زمان پیشرفتهای زیادی در این فناوری ایجاد شده است.
تجهیزات طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی
تجهیزات مختلفی وجود دارد که میتواند برای بهبود عملکرد ابزارهای طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی استفاده شود که در این بخش مقاله به آنها میپردازیم:
کیتهای ورودی نمونه
کیتهای ورودی نمونه مجموعههای سفارشی سازی شده ای از اجزا هستند که تحویل و نبولیزاسیون نمونه را به ICP بهینه میکنند. آنها شامل نبولایزر، محفظه اسپری، مشعل، انژکتور، لوله، کانکتور و سایر قطعاتی هستند که با ماتریسها و کاربردهای مختلف سازگار هستند.
کیت استانداردهای داخلی
کیت استانداردهای داخلی مجموعهای از محلولها است که حاوی غلظتهای مشخصی از عناصر است که به نمونه و استانداردهای کالیبراسیون برای تصحیح اثرات ماتریس و رانش سیگنال اضافه میشوند. استانداردهای داخلی به گونه ای انتخاب میشوند که خواص و رفتارهای مشابه با آنالیتها داشته باشند و هیچ تداخل طیفی نداشته باشند. به عنوان مثال اسکاندیم، ایتریم، ایندیم، بیسموت و تالیم معمولاً به عنوان استانداردهای داخلی برای این تکنیک استفاده میشوند.
سیستمهای هیدریدی
سیستمهای هیدریدی دستگاههایی هستند که هیدریدهای فرار جیوه و سایر عناصر مانند آرسنیک، آنتیموان، سلنیوم و تلوریم را با واکنش آنها با بوروهیدرید سدیم در محلول اسیدی تولید میکنند. سپس هیدریدها توسط یک جداکننده گاز-مایع از فاز مایع جدا شده و به عنوان گاز وارد ICP میشوند. این روش باعث افزایش حساسیت و کاهش تداخل در این عناصر میشود.
برای خرید اسپکتروفتومتر به صفحه مورد نظر مراجعه کنید.
کلام آخر
طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی یک تکنیک تحلیلی قدرتمند است که برای تعیین ترکیب عنصری نمونهها استفاده میشود. این تکنیک کاربردهای متعددی در زمینههای مختلف از جمله آنالیز محیطی، دارویی و هسته ای دارد. این تکنیک به تکامل خود ادامه میدهد و هر روزه کاربردهای جدیدی برای این تکنیک کشف میشود.
