با توسعه فناوری ساخت دستگاههای ICP-OES اینترفیسهای مختلفی به بازار ارائه شده است، که با کمک آنها اسپکترومترهای ICP-OES با فرمت محوری (اگزیال Axial)، شعاعی (ردیال Radial)، دوگانه (دوال Dual)، چنددیدی (MultiView) و به صورت دوطرفه (Dual Side-On) جدید، توسط کمپانی هایی مانند آجیلنت، پرکین – المر، ترموساینتیفیک و غیره، به بازار شیمی تجزیه عرضه شده است. در این نوشته، مقایسه اینترفیس سیستمهای پلاسمای ICP-OES: محوری، شعاعی، دوگانه، دیدچنتایی و جدید دو طرفه، با یکدیگر انجام شده است.
مقدمه
دستگاههای طیف سنجی نشر نوری پلاسما جفت شده القایی (ICP-OES)، با فناوری پیچیده، به دستگاههایی برای کاربردهای گسترده صنعتی، زیست محیطی و تحقیقاتی تبدیل شده است. تولیدکنندگان ادعاهای رقابتی زیادی در مورد حساسیت، ثبات، سرعت و موارد دیگر هر محصول ارائه میکنند.
یک تمایز کلیدی: طیفسنجها چگونه مشاهدات پلاسما نوری را مدیریت میکنند. درک مفاهیمی مانند نمای محوری یا اگزیال، نمای شعاعی یا ردیال و نمای دوگانه یا دوال، برای تصمیم گیری اینکه کدام دستگاه ICP-OES برای کدام آنالیزها خریداری شود، حیاتی است. این نوشته می تواند به رفع هرگونه سردرگمی، به کاربران کمک کند. در اینجا، به طور مختصر فنآوریهای مختلف مشاهده پلاسما تعریف شده، نقاط قوت و ضعف آنها با هم مقایسه شده و کاربردهای رایج هریک فهرست شده است. همچنین، پیشرفتهای اخیر در فناوری مشاهده پلاسما ذکر می شود، که به طور قابل توجهی معادله را تغییر داده و ممکن است نظر کاربران را در مورد انتخاب دستگاه ICP-OES تغییر دهد.
نمای داخلی دستگاه ICP-OES: پراش نور، سیستم نوری طول موج های نشرشده در پلاسما را تفکیک می کند.
فنآوری مشاهده پلاسما
در روش ICP-OES، هنگامی که نمونه در دمای زیاد پلاسمای آرگون یک دستگاه برانگیخته میشود، طول موجهای طیفی دادهشده مشخصاً توسط عناصر خاصی نشر میشوند. نور نشرشده که به سیستم نوری دستگاه می رسد، با شبکه های پراش (diffraction gratings) به طول موج های جداگانه تفکیک می شود. این نور در نهایت به آرایه ای از آشکارسازها رسیده و در آنها شدت نور را در هر طول موج تعیین می شود. بنابراین، می توان هر عنصر موجود در نمونه را تشخیص داده و مقدار آنها را اندازه گیری کرد.
در این مقاله طرحهای مختلف مشاهده پلاسما، که در انواع طیفسنجهای ICP-OES استفاده شده است، بررسی می شود.
نمای محوری (Axial view)
در سیستم دیدمحوری، از انتها تا انتهای کل محور پلاسما مشاهده شده و همه پدیده ها در کانال تحریک، به طور اساسی مشاهده می شود. مشاهده معمولاً از طریق یک اینترفیس نوری موجود در کنار پلاسما انجام می شود. این اینترفیس گاز آرگون را آزاد میکند تا خود را خنک کرده و قسمتهایی از پلاسما را از دهانه خود که نور از طریق آن می گذرد، به محفظه نوری عبور میدهد.
طراحی دیدمحوری اجازه می دهد تا نور زیادی به سیستم نوری وارد شده و لذا، حجم زیادی از اطلاعات برای پردازش در دسترس قرار گیرد. این موضوع برای بسیاری از آنالیزها مزیت مهمی است، زیرا منجر به حساسیت بیشینه در تشخیص نشرهای حاصل از مقدار کم عناصر و درنتیجه، آنالیز مقادیر فراناچبز امکان پذیر می شود.
با این حال، همه آن نور می تواند بیشتر از نور نشرشده از عناصر مورد تجزیه باشد و ممکن است شامل نشر پسزمینه نیز باشد. همچنین، این نور ممکن است تحت تأثیر تداخلهای ماتریسی مانند اثر عنصر راحت یونیده (EIE: Easily Ionized Element) نیز قرار گیرد. اینها می توانند دقت آنالیز را کاهش دهند. به عنوان مثال: در نمونه های زیست محیطی، می توانند بر اندازه گیری عناصر قلیایی مانند لیتیوم، سدیم و پتاسیم و همچنین عناصر قلیایی خاکی مانند منیزیم یا کلسیم تأثیر بگذارند.
سیستم های دید محوری مشعل پلاسمای افقی دارند و این میتواند چالشها هنگام اندازهگیری نمونههایی با مقادیر زیاد جامدات محلول کل (TDS: Total Dissolved Solids) یا با محلولهای آلی را افزایش دهد.
گرفتن نمای طولانی: مشاهده پلاسما محوری.
زمان استفاده از نمای محوری
زمانی که بهترین حساسیت برای آنالیز مورد نظر باشد (نه بهترین دقت)، استفاده از سیستمهای دید محوری بهترین کاربرد را دارد. در این صورت، دسترسی به کمترین حد تشخیص ممکن با استفاده از اسپکترومتر ICP-OES امکان پذیر است. حدودتشخیص با استفاده از دید محوری معمولاً با ضریب ۱۰ از عملکرد نمای شعاعی بهتر است. بسیاری از آنالیزهای فراناچیز برای اندازه گیری عناصر کمیاب، در صنایع دارویی، غذایی، آب و پساب، صنایع شیمیایی و معدنی و پژوهشهای دانشگاهی فقط توسط طیفسنجهای دید محوری انجام میشود.
با این حال، کاربرانی که به دنبال جایگزینی مدلهای نمای محوری قدیمیتر خود هستند، متوجه خواهند شد که عملکرد مدلهای نمای شعاعی جدیدتر به طور قابل توجهی بهبود یافته است. ولی، عملکرد دید محوری هنوز هم از عملکرد دید شعاعی بهتر است. به طوری که امروزه، حدود تشخیص دید محوری ۲ الی ۳ برابر کمتر از حدود تشخیص دید شعاعی است و لذا، هنوز هم تا حدودی برتری دارد.
علی رغم حدود تشخیص بسیار کم، مدلهای دید محوری نفطه ضعف هایی نیز دارد. برای مثال، پایداری و تولرانس ماتریس آنها برای نمونه هایی با TDS زیاد و نمونه های آلی، در مقایسه با مدلهای نمای شعاعی مناسبت کمتری نشان میدهد. همچنین، اسپکترومترهای با دید محوری طراحی پیچیدهتری دارند، که درنتیجه هزینههای نگهداری، تمیزکاری و سایر هزینهها افزایش می یابد.
کاربردهای رایج اسپکترومترهای دید محوری
زمانی که دسترسی به کمترین حد تشخیص بسیار مهم باشد، تجزیه گر سیستم دید محوری را انتخاب می کند. این موضوع برای کاربرانی که آنالیز نمونه های زیست محیطی، دارویی، غذایی و همچنین برخی نمونه های صنعتی را انجام می دهند، بسیار مهم است.
برای مثال، برخی از کاربردهای مهم اسپکترومترهای با دید محوری عبارتند از:
- اندازه گیری فراناچیز فلزات کمیاب در آب و سایر نمونه های محیط زیستی
- اندازه گیری فراناچیز فلزات کمیاب و فلزات سنگین در انواع مواد دیگر، در صنایع شیمیایی، فلزی، دارویی و غیره.
- اندازه گیری فراناچیز فلزات در فاضلاب و سایر پسابها.
نمای شعاعی (Radial View)
سیستم دید شعاعی عرض پلاسما را مشاهده می کند. بنابراین، به جای اینکه نور از کل طول کانال برانگیختگی را مشاهده کند، فقط مقطع نسبتاً باریکی از نور را می بیند. درنتیچه از آنجا که نور کمتری برای پردازش وجود دارد، سیستم شعاعی نمی تواند با حساسیتی که سیستم محوری در تشخیص عناصر کمیاب دارد، مطابقت داشته باشد.
از طرف دیگر، با توجه به مشاهده نور کمتر، در سیستم نمای شعاعی برخی از نشرهای نوری پس زمینه حذف شده و تداخل ماتریسی به حداقل می رسد. بنابراین، برای ماتریسهای پیچیده و مشکل، استفاده از مشعل پلاسما عمودی مناسبتر است. بنابراین سیستم مشعل عمودی نسبت به سیستم محوری نویز کمتری دارد و آنالیز با دقت بهتری انجام می شود.
مشاهده فقط یک تکه نور: مشاهده پلاسمای شعاعی.
زمان استفاده از نمای شعاعی
در طراحی ICP-OES با سیستم نمای شعاعی، دقت بر حساسیت ترجیح داده شده است. لذا، توسط ICP-OES با دید شعاعی رسیدن به کمترین حدود تشخیص، که توسط سیستم دید محوری یا دید دوگانه، وجود دارد امکان پذیر نیست. ولی، با فناوریهای پیشرفته که در مدلهای شعاعی جدید استفاده شده است، تا حدودی این فاصله در حساسیت و حدود تشخیص، کمتر شده است.
زمانی که پایداری بیشتر و به ویژه تحمل ماتریس پیچیده نمونه مدنظر باشد، کاربران استفاده از مدلهای دید شعاعی را به مدلهای دید محوری یا دوگانه ترجیح می دهند. سیستم های دید شعاعی ساده تر و قوی تر نیز هستند. درنتیجه، نسبت به سیستمهای دید محوری و دوگانه، به نگهداری و تمیزکاری کمتری نیاز دارند.
کاربردهای رایج اسپکترومترهای دید شعاعی
اسپکترومترهای ICP-OES با سیستم دید شعاعی معمولاً برای آنالیز نمونه هایی با ماتریس بسیار پیچیده و سخت دستگاهی انتخابی هستند. بهترین مدلها عملکرد خوبی را در سطوح غلظتی بیشتر از میکروگرم بر لیتر (ppb) تا میلی گرم بر لیتر (ppm) ارائه میدهند. این سیستمها برای کاربرانی که آنالیز نمونه های محیط زیستی و گستره وسیعی از آزمایشهای صنعتی را انجام میدهند، محبوب هستند.
برای مثال، برخی از کاربردهای مهم اسپکترومترهای با دید شعاعی عبارتند از:
- نمونه های دارای املاح زیاد
- نمونه های دارای TDS زیاد
- فلزات پوشیده شده در روغن
- محلول های دارای مواد آلی
نمای دوگانه (Dual View)
با توجه به سیستمهای پلاسمای دید شعاعی و دید محوری، سیستم دید دوگانه برای دستیابی به مزایای هر دو تکنیک طراحی شده است. جزئیات ساخت اسپکترومترهای با دید دوگانه برای سازندگان بزرگ متفاوت است. ولی، به طور کلی، اسپکترومترهای ICP-OES با دید دوگانه به دو دسته عمده تقسیم می شوند:
همیشه برای یکی از نماها بهینه می شود: مشاهده پلاسما با نمای دوگانه.
نمای دوگانه بهینه شده با دید محوری
این سیستمها مشاهده محوری مستقیم پلاسما را فراهم می کنند، در حالیکه از پریسکوپ یا وسایل دیگر برای دستیابی به نمای شعاعی نیز استفاده می کنند. بنابراین، حساسیت کامل دید محوری را ارائه می دهند. ولی، چون با هر بازتاب اضافی امکان افت نور قابل تجزیه تا ۱۵ درصد وجود دارد، نمای شعاعی آنها تا حدودی به خطر می افتد. در نمونه هایی که نور پسزمینه یا تداخلهای ماتریسی ممکن است سیستم دید محوری اختصاصی را تحت تأثیر قرار دهد، این مدلها میتوانند – به صورت متوالی یا همزمان، این اثرات را با نماهای شعاعی خود کاهش دهند. این حالت مقداری از دقت یک سیستم شعاعی اختصاصی را فراهم می کند، در حالیکه اثرات ماتریس را کاهش یا حذف می کند.
نمای دوگانه بهینه شده با دید شعاعی
در این سیستمهای دید دوگانه از مزایای دید شعاعی استفاده شده است. این اسپکترومترهای ICP-OES می توانند دقت نمای شعاعی کامل را با حداقل نشر پس زمینه یا تداخل ماتریسی ارائه دهند. حالت محوری آنها نیز می تواند حساسیت خوب اما نه استثنایی را ارائه دهد.
مشعل (تورچ) عمودی با نمای دوگانه
برای مثال، تولیدکننده اسپکترومتر ICP-OES سیستمی با یک مشعل پلاسما عمودی و یک نمای شعاعی مستقیم را ارائه می دهد، که در آن یک نمای محوری از طریق چندین آینه در یک اپتیک پریسکوپ نیز درست بالای پلاسما نصب شده است. با این رویکرد، امکان مشاهدات همزمان پلاسما به صورت محوری و شعاعی در یک اندازه گیری فراهم می شود. یک فیلتر تداخلی تخصصی به کاربر این امکان را می دهد که طول موج های بالاتر یا کمتر از ۵۰۰ نانومتر را بسته به نمونه مورد آنالیز، مسدود کند. این نوع طراحی، چند مزیت مهم دارد. برای مثال، می تواند اثرات EIE را حذف کرده و حساسیت کافی برای اندازه گیری مقادیر کم برخی از عناصر چالش برانگیز، مانند فلزات سمی (سرب، کادمیوم، جیوه، کروم و غیره) را فراهم کند.
با این حال، سه انعکاس اضافی در پریسکوپ توان عبور نور را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. درنتیجه، حساسیت را که در حالت دید محوری بسیار مناسب است را به خطر می اندازد. انتقال نور در گستره ۲۰۰ نانومتر کاهش می یابد و هیچ کدام زیر ۱۸۵ نانومتر نیست. بنابراین، سیستم دید دوگانه با مشعل عمودی نمی تواند به حساسیت استثنایی دستگاه با نمای محوری واقعی دست یابد.
همچنین، این سیستم همیشه نمی تواند تمام محدوده های طول موج ناخواسته را حذف کند. بنابراین، نشرها و تداخلات پسزمینه ممکن است صحت آنالیزها را کاهش دهد.
همچنین، قرار دادن اینترفیس محوری درست در بالای پلاسما می تواند مشکلات دیگری نیز ایجاد کند. به خصوص در نمونههایی که حاوی TDS زیاد یا مواد آلی هستند، جریان آرگون از اینترفیس میتواند آلایندهها را به داخل پلاسما بازگردانده و دقت آنالیز را تحت تاثیر قرار دهد. در ضمن تنش (استرس) حرارتی زیاد در این اینترفیس باعث سایش بیشتر قطعات شده و نیاز به تعمیر و نگهداری مکرر و تعویض قطعات وجود دارد.
زمان استفاده از نمای دوگانه
آزمایشگاههایی که به طور منظم آنالیزهایی با حساسیت زیاد را انجام میدهند و همچنین آزمایشگاههایی که نیاز به آنالیز نمونه هایی با ماتریسهای پیچیده دارند، که در آن اثرات ماتریسی (مانند EIE) بر روی نتیجه عناصر خاص (مثلاً قلیایی) تأثیر منفی میگذارد، معمولاً اسپکترومترهای ICP-OES با دید دوگانه را انتخاب میکنند. این شامل کاربرانی است که اغلب نمونههایی را آنالیز میکنند، که گسترده وسیعی از کاربردها را پوشش میدهند، یا نمیتوانند مطمئن باشند که ممکن است با چه چیزی مواجه شوند. این اسپکترومترها برای کاربرانی که تحقیقات دانشگاهی انجام می دهند و همچنین کسانی که برخی از آنالیزهای صنعتی را انجام می دهند، محبوب هستند.
اسپکترومترهای با دیددوگانه با هزینه کمی بیشترتر از مدلهای اختصاصی دیدمحوری یا دیدشعاعی، به بازار ارائه شده است. این اسپکترومترها دستگاههای نسبتاً پیچیدهای هستند، که به تعمیر و نگهداری و تمیزکاری نسبتاً زیادی نیاز دارند.
کاربردهای رایج اسپکترومترهای دید دوگانه
طراحی اسپکترومترهای ICP-OES با نمای دوگانه، مزایا و معایب فناوریهای پایه خود را منعکس میکنند. مدلهای بهینهسازی شده با مشاهده پلاسمای محوری حساسیت بسیار بالایی از خود نشان میدهند، در حالیکه رویکردهای دقیق آنها نمیتواند با بهترین سیستمهای اختصاصی دید شعاعی مطابقت داشته باشد. مدلهای مبتنی بر رویکردهای شعاعی بیشترین دقت، اما حساسیت کمتری را ارائه می دهند.
برخی از کاربردهای اسپکترومتر ICP-OES با نمای دوگانه، بهینه شده با دید محوری عبارتند از:
- اندازه گیری فراناچیز فلزات کمیاب در آب و سایر نمونه های محیط زیستی.
- اندازه گیری فراناچیز فلزات در مواد شیمیایی، فلزات، داروها، مواد غذایی و غیره
- اندازه گیری فراناچیز فلزات کمیاب در فاضلاب و دیگر پسابها
برخی از کاربردهای اسپکترومتر ICP-OES با نمای دوگانه، بهینه شده با دید شعاعی عبارتند از:
- نمونه های دارای املاح زیاد
- نمونه های دارای TDS زیاد
- فلزات پوشیده شده در روغن
- محلول های دارای مواد آلی یا ارگانیک
نمای دوگانه: برای همه نیست
برخی از فروشندگان، بدون توجه به کاربرد، مدلهای دوگانه را به اکثر یا همه مشتریان خود توصیه می کنند، درحالیکه نادرست باشد. باید به یاد داشت که تقریباً تمام طراحیهای دوگانه نسبت به عملکرد دید محوری یا دید شعاعی برتری دارند. یعنی، فقط در یک نما می توان از مسیر نور مستقیم استفاده کرد.
بنابراین مدلهای دید دوگانه که برای دید محوری بهینهسازی شدهاند، از پریسکوپها یا دیگر زیرسیستمهای نوری برای دریافت نور شعاعی استفاده میکنند. در نتیجه، حجم پلاسمای مشاهده شده همراه با مقدار نور جذب شده و حدود تشخیص و دقت ناشی از آن، همیشه کمتر از آنهایی است که توسط یک سیستم اختصاصی با نمای کامل شعاعی به دست می آید. البته، برای یک دستگاه ICP-OES با دید دوگانه که برای نمای شعاعی بهینه شده است، محدودیت های دیگری اعمال می شود.
آزمایشگاهها باید پروفایل های کاربردی پیش بینی شده خود را با تامین کننده اسپکترومتر خود به دقت ارزیابی کنند. تعداد آزمایشگاههایی که اغلب با نمونه های غیرمنتظره یا ناشناخته مواجه می شوند نسبتا کم است. همچنین، کاربران ممکن است متوجه شوند که اکثر موادی که برای آنالیز از آنها خواسته شده است، به وضوح با پارامترهای عملیاتی مشاهده پلاسما محوری یا شعاعی مطابقت دارند. در این موارد، یک دستگاه اختصاصی ممکن است بهترین تناسب ممکن را فراهم کند.
برای آزمایشگاههایی که اغلب طیف گستردهای از نمونه ها را آنالیز می کنند، و برای آنهایی که نمیتوانند مطمئن باشند که ممکن است با چه چیزی مواجه شوند، طیفسنجهای دوگانه ممکن است انتخاب مناسبی باشند. کاربران باید هم از مزایا و هم از محدودیت های خود آگاه باشند.
فراتر از دید دوگانه
دیدچندتایی (MultiView)
یک رویکرد نسبتاً جدید تقریباً از تمام معایب دید دوگانه فراتر می رود. فناوری دیدچندتایی در یکی از نسخه های برتر اسپکترومترهای SPECTRO ARCOS موجود است. این تنها ابزار ICP-OES است که هر دو نمای پلاسما را بدون تعصب یا مصالحه ارائه می دهد. رویکرد متوالی دید چندتایی استفاده از آینه ها یا پریسکوپ های اضافه شده را حذف می کند. در عوض، برای مثال، کاربری که معمولاً از حالت شعاعی استفاده میکند، میتواند نمونهای را که به حساسیت فوقالعاده نیاز دارد، به سادگی با تغییر جهت مشعل پلاسما در جهت محوری اندازهگیری کند. این تغییر مکانیکی نسبتاً ساده حدود ۹۰ ثانیه طول می کشد.
این نوع اسپکترومتر میتواند به محققان دانشگاهی، آزمایشگاههای محیطی و کاربران صنعتی دقت کامل شعاعی و حساسیت محوری کامل، و همچنین دقت بینظیر، محدوده دینامیکی و سازگاری ماتریسی را ارائه دهد. این معادل خرید دو اسپکترومتر اختصاصی و کاملاً بهینه شده در یک دستگاه است.
برخی از کاربردهای اسپکترومترهای ICP-OES با دید چندتایی عبارتند از:
- اندازه گیری فراناچیز فلزات کمیاب در آب و نمونه های محیط زیست
- اندازه گیری فراناچیز فلزات در مواد شیمیایی، فلزات، داروها، مواد غذایی و غیره
- اندازه گیری فراناچیز فلزات کمیاب در فاضلاب و دیگر پسابها
- آنالیز نمونه های دارای املاح زیاد
- آنالیز نمونه های دارای TDS زیاد
- اندازه گیری فلزات پوشیده شده در روغن
- اندازه گیری فلزان در محلول های دارای مواد آلی یا ارگانیک
جابجایی مکانیکی بین دو نمای کامل: مشاهده پلاسما در دید چنتایی (MultiView).
اینترفیس جانبی دوگانه (DSOI: Dual Side-On Interface)
عبارت دوگانه (Dual) برای مشاهده پلاسما، معمولاً به معنای ارائه هر دو نمای شعاعی و محوری است. با این حال، فناوری جدید اینترفیس جانبی دوگانه (DSOI) به یک نمای واحد اشاره دارد، که به طور موثری دو برابر شده است. این طرح در اسپکترومترهای جدید SPECTROGREEN میان رده معرفی شده است که برای آنالیزهای محیطی بهینه شده است. از یک مشعل پلاسما عمودی استفاده می کند که از طریق انواع جدیدی از فناوری دید شعاعی مسیر مستقیم مشاهده می شود.
در سیستم DSOI، اینترفیس نوری در یک طرف پلاسما، مقدار نور ساطع شده را برای مشاهده شعاعی دریافت می کند و آن را به سیستم نوری منتقل می کند. اما آینه مقعر اینترفیس دوم در طرف دیگر، نور بیشتری را جذب می کند. ضافی و اطلاعات طیفی اضافه شده، به اپتیک نیز منعکس می شود.
بنابراین، نور ساطع شده در هر دو جهت، تنها با استفاده از یک بازتاب اضافی، به سیستم نوری می رسد. در نتیجه، در مقایسه با اسپکترومترهای معمولی با دید شعاعی، حساسیت سیستم برای اکثر عناصر به طور موثر دو برابر می شود. این به طور کلی حساسیت را به طور متوسط دو برابر افزایش می دهد. عناصر قلیایی، مانند Na و K حتی با ضریب ۵-۱۰ افزایش می یابد.
فناوری DSOI: Dual Side-On Interface که نمای سینگل ارائه داده و به طور موثر دو برابر می شود.
برخی از کاربردهای سیستم DSOI عبارتند از:
- آنالیز نمونه های زیست محیطی
- ایمنی محصول مصرف کننده
- داروسازی
- شیمیایی – پتروشیمی
- خوراکی ها
- آنالیزعناصر کمیاب در نمونه های با ماتریس پیچیده
نتیجه گیری
اگر قصد خرید یک اسپکترومتر جدید ICP-OES دارید، مطمئن شوید که نماینده طیفسنج شما دقیقاً میداند قصد آنالیز چه عناصری را دارید. سپس با کمک هم، می توانید تعیین کنید که آیا یک مدل با اینترفیس نمای محوری، نمای شعاعی، نمای دوگانه، چند نمایی یا دو طرفه برای کارهای آنالیزی مورد انتظار شما مناسب است یا خیر.