برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۱۰/۲۲ تا ۱۳۹۷/۱۰/۲۸

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۶۵,۹۴۷
  • بازدید این ماه ۷۷۴
  • بازدید امروز ۹
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۱۴
  • قبول شدگان ۱۷۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۰۲
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۲
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 2

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

طیف‌سنجی پلاسمای جفت‌شده القایی (ICP) و ترکیب آن با طیف‌سنجی جرمی (ICP-MS)

طیف‌سنجی پلاسما جفت‌شده القایی از جمله روش‎های طیف‎سنجی اتمی است که در آن اتمی شدن عناصر (Atomization) به کمک محیط گرم پلاسما صورت می‎پذیرد. این روش در مقایسه با روش‌های دیگر، روشی حساس‎تر، با حد تشخیص بهتر و تکرارپذیری بالاتر است. از تلفیق این روش با طیف‎سنج جرمی (MS) می‎توان برای افزایش قبلیت‎های این روش استفاده کرد. از جمله کاربردهای روش طیف‎سنجی جرمی توسط پلاسما جفت‎شده القایی در نانوفناوری، تعیین اندازه نانوذرات است. تکنیک‎ها و روش‎های مختلفی برای این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد از جمله روش تک ذره، روش کروماتوگرافی و روش‎های ژل الکتروفورز.
1- مقدمه: طیف‌‌سنجی پلاسما جفت‌شده القایی (ICP)
پلاسما جفت‎شده القایی (Inductively Coupled Plasma)، از جمله روش‎های طیف‎سنجی نشری (Emission) است که اتم‎سازی در آن به کمک پلاسما تولید شده توسط یک گاز بی‎اثر که عمدتاً آرگون (Ar) است، صورت می‌پذیرد. از این روش برای آنالیز عنصری (Elemental Analysis) بیشتر عناصر به جز آرگون (گاز بی‎اثر) استفاده می‎شود. به مجموعه‌ای از الکترون‌ها و یون‌های مثبت گازی (بی‎اثر) که دارای انرژی و دمایی بالا هستند، پلاسما گفته می‎شود، هرچند به دلیل بالا بودن غلظت این دو جز (کاتیون و الکترون) در کل بار کلی پلاسما تقریباً صفر است.

2-1- تجهیزات دستگاهی
پلاسما جفت‌شده القایی از یک مشعل با سه لوله متحدالمرکز از جنس کوارتز تشکیل شده است. درون هر لوله گاز آرگون (با سرعت جریان‎های متفاوت) جهت خنک کردن و همچنین انتقال نمونه به درون پلاسما جریان دارد. نمایی از مشعل و سایر اجزا ICP در شکل 1 آورده شده است. در بالای یکی از لوله‎های مشعل (بلندترین لوله) یک سیم‎پیچ القایی (Induction Coil) وجود دارد که نیروی آن توسط یک ژنراتور امواج رادیویی (RF Frequency Generator) تأمین می‎شود.
جرقه تولید شده به کمک سیم‎پیچ تسلا (القایی) سبب یونیزه شدن گاز آرگون می‎شود. یون‎ها و الکترون‎های حاصل از یونیزاسیون با میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم‎پیچ القایی برهم‎کنش می‎دهند و در نهایت سبب ایجاد جریان الکترون و یون‌ها در مسیرهای مدور و مشخصی در سیستم می‎شوند. اتم‌های یونیزه نشده آرگون در درون پلاسما در اثر برخورد با ذرات باردار، یونیزه شده و بدین ترتیب محیط پلاسما در طول آزمایش پایدار باقی می‎ماند. دمای پلاسما بسیار بالا و در حد 10000K و دانسیته جریان الکترون در حد 1015cm−3 است.
نمونه به کمک گاز آرگون (که در لوله کوارتز مرکزی با فشار 1 l/min جریان دارد) به قسمت بالای لوله‌ها که حاوی پلاسمای داغ است، هدایت می‎شود. نمونه می‎تواند به فرم بخار گرم متمرکز (Aerosel) یا پودر بسیار ریز وارد مشعل شود. پس از تبخیر، تحت تأثیر انرژی الکترون و یون‌های محیط به اتم‎های تشکیل‎دهنده خود تبدیل شده و در نهایت در محیط بسیار گرم پلاسما برانگیخته می‎شوند. پرتوهای نور ساطع شده از عناصر پس از عبور از یک تکفام‌ساز (Monochromator) به آشکارساز تکثیرکننده فوتون (Photomultiplier) می‌رسند تا شدت آن اندازه‎گیری شود. بدین ترتیب امکان تشخیص و اندازه‎گیری غلظت عنصر مورد نظر را فراهم می‎آورد.
با رسم منحنی شدت خطوط طیفی حاصل از دستگاه بر حسب غلظت عنصر مورد نظر(منحنی کالیبراسیون)، می‎توان غلظت عناصر را به راحتی تعیین کرد. این منحنی خطی بوده و به دلیل نشر زمینه کم (Low Background) دارای حد تشخیص بسیار پایینی است، به طوری‌که برای بیشتر عناصر در محدوده یک تا صد میکروگرم در لیتر (ppb) است.
در مقایسه با روش‎های نشری دیگر از جمله شعله (Flame)، در این روش اتمی شدن کامل‎تر و همچنین مشکل مزاحمت‌های شیمیایی نیز به مراتب کمتر است. نکته جالب دیگر این است که به دلیل غلظت بالای الکترون آزاد در پلاسما، مزاحمت ناشی از یونیزاسیون اتم‎ها در این روش بسیار ناچیز است (نشر از یون با نشر از اتم خنثی می‎تواند متفاوت باشد). از مزیت‎های دیگر این روش این است که اتمی شدن عناصر در یک محیط خنثی شیمیایی انجام می‎گیرد؛ در نتیجه با ممانعت از اکسیداسیون آنالیت (گونه مورد تجزیه)، زمان ماندگاری (Lifetime) بالاتر و حساسیت اندازه‌گیری نیز بیشتر می‎شود. عدم توزیع یکسان دمایی در روش‎هایی مثل جرقه (Spark)، قوس (Arc) و شعله (Flame) سبب ایجاد مشکلاتی مثل خودجذبی (Self Absorption) و خودوارونگی (Self Reversal) می‎شود. در حالی که یکسان بودن دمای قسمت‎های مختلف پلاسما سبب حل این مشکلات و افزایش دامنه خطی (Linear Range) این روش تا چند برابر می شود و در کل کارآیی تکنیک را بالا می‎برد.
filereader.php?p1=main_face9686a126c31e9
شکل 1 - نمایی از مشعل ICP و اجزاء جانبی آن

2- طیف‎سنجی جرمی توسط پلاسما جفت شده القایی (ICP-MASS)
طیف‎سنجی جرمی توسط پلاسمای جفت شده القایی، نوعی از طیف‎سنجی جرمی است که برای تعیین فلزات و تعدادی از نافلزات در غلظت‎های پایینی در حد 12-10 کاربرد دارد. در مقایسه با روش‎های دیگر، ICP-MS دارای سرعت و حساسیت بالاتری است.
در روش ICP-MS پلاسما آرگون با دمای بالا (K 8000- 6000) به عنوان منبع تولید یون عمل می‎کند. به این منظور ابتدا پلاسما در مشعلی ازجنس کوارتز تشکیل می‎شود، سپس نمونه به داخل پلاسما مه‎پاشی شده (Nebulizing) و در دمای بالای پلاسما، تبخیر، اتمی و یونیزه می‌شود. به منظور برقراری ارتباط ICP با طیف‎سنجی جرمی (MS) یون‎های خارج شده از پلاسما از طریق یک سری فیلتر به درون طیف‎سنج جرمی (که معمولاً چهار قطبی (Quadropole) است) وارد می‎شود. در ادامه به مراحل مختلف انجام آنالیز اشاره می‎شود.
اولین مرحله در اندازه‎گیری، وارد کردن نمونه است که به روش‎های مختلفی انجام می‎شود. مرسوم‎ترین روش ورود نمونه، استفاده از یک مه‎پاش (Nebulizer) است. وسیله‎ای که به کمک آن محلول‌ها را به Aerosol تبدیل می‎کنند و سپس ائروسل تولید شده به محیط پلاسما انتقال می‎یابد و یون تولید می‎شود. روش دیگر ورود نمونه، استفاده از لیزر است. در این روش با استفاده از لیزر، نمونه به شکل ابر پرمانندی در آمده و به درون پلاسما وارد می‎شود. معمولاً برای نمونه‎های جامد از این روش استفاده می‎شود؛ هر چند که استفاده از این روش مشکلاتی از جمله تهیه استاندارد در آنالیزهای کمی را در بر دارد. روش‎های دیگری مثل تبخیر الکترودمایی Electrothermal vaporization) (ETV)) و تبخیر درون مشعل (in Torch Vaporization) (ITV) نیز وجود دارند که در آن از یک سطح داغ برای تبخیر و ورود نمونه استفاده می‎شود.
مرحله دوم اندازه‎گیری، شامل تولید پلاسما و در نهایت ایجاد یون در آن محیط است. گاز آرگون توسط جریان الکتریکی موجود در سیم‎هایی که اطراف آن را گرفته (سیم‎پیچ تسلا)، یونیزه می‎شود و پلاسما را تولید می‎کند. بعد از ورود نمونه، دمای بالای پلاسما سبب ایجاد اتم در محیط و در نهایت تولید یون فلزی می ‎شود:
 (-M → M+ + e)
استفاده از گاز آرگون برای تولید پلاسما چندین مزیت دارد که از آن جمله می‎توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. به دلیل فراوان بودن گاز آرگون، استفاده از آن ارزان‎تر از بقیه گازهای نجیب است (مثلاً در جو از واکنش کاهش رادیواکتیوی پتاسیم تولید می‎شود).
2. اولین پتانسیل یونش آن بالاتر از عناصری مانند هلیوم، فلوئور و نئون است، بنابراین واکنش الکترون‎گیری آرگون (Ar+ + e− → Ar) راحت‎تر از الکترون‎گیری عنصر مورد نظر (M+ + e− → M) انجام می‎شود در نتیجه یون فلزی مورد نظر، بیشتر در محیط می‎ماند.
 
البته در مواردی محدودی از گاز هلیوم نیز استفاده می‎شود ولی به دلیل مزایای یاد شده، گاز آرگون بیشترین کاربرد را دارد.
گاز آرگون از لوله مرکزی وارد محیط گرم پلاسما می‌شود. دمای بالای پلاسما شرایط لازم را برای تبدیل درصد بالایی از نمونه به یون، فراهم می‎کند. این درصد تبدیل، برای ترکیباتی مانند سدیم به 100 درصد نیز می‎رسد و به پتانسیل یونیزاسیون بستگی دارد. با عبور درصدی از یون‎های تولید شده از درون دو حفره با قطرهای به اندازه 1 و 0.4 میلیمتر، خلأ لازم برای ورود نمونه به طیف‎سنج جرمی فراهم می‎شود.
 
مرحله سوم، ورود یون‎های آنالیت به طیف‎سنج جرمی است؛ قبل از جداسازی جرمی باید باریکه‎ای از یون‎های مثبت خارج شده از پلاسما (یون‎های آنالیت) را از سایر اجزا مزاحم، از جمله یون‎های خنثی و ذرات جامد (ذرات ناخواسته وارد شده از ICP) جدا کرد. شرکت‎های تجاری مختلف از تکنیک‎های متفاوتی به این منظور بهره می‎برند؛ برای مثال شرکت اجیلنت (Agilent) از لنز امگا (Omega Lens) استفاده می‎کند. تکنیک‌های مرسوم دیگری از جمله استفاده از هدایت‎گرهای یونی (چهار قطبی، شش قطبی و ...) نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. به منظور جدا کردن یون‎های مزاحم، از دو روش کلی استفاده می‎کنند: روش اول استفاده از سل واکنش‎های برخوردی (Collision/Reaction cell) است که با نام‎های تجاری مختلفی در بازار موجود است. برای مثال شرکت پرکین المر (Perkin –Elmer) از این نوع سل قبل از جرم‎سنج چهار قطبی استفاده می‎کند. روش دوم، استفاده از فضایی برای واکنش‎های برخوردی است (Collisional Reaction Interface CRI)، در این روش یون‎های مزاحم با ورود گاز برخوردی (مثل هلیوم) یا گاز واکنش ‎هنده (مثل هیدروژن) یا مخلوطی از این دو، تخریب و مزاحمت آن‎ها حذف می‎گردد.
مرحله چهارم اندازه‎گیری این‎گونه است که پس از حذف مزاحمت‎ها، یون‎ها براساس نسبت جرم به بار (m/z) جداسازی و توسط آشکارساز فوتون‎افزای ثانویه شناسایی می‎شوند. برای تجزیه و تحلیل کمی، مقدار فراوانی به دست آمده برای یون خاص را به غلظت آن‌گونه نسبت می‎دهند. آنالیز داده‎ها در یک مجموعه سسیستم‎های کامپیوتری انجام می‎گیرد.

1-2- کاربردهای ICP-MS در نانوفناوری
یکی از مراحل اساسی در آنالیز نانوذرات، تعیین دقیق اندازه و همچنین غلظت این ذرات است. تکنیک‌های مختلفی از جمله پراکندگی دینامیک نور (Dynamic Light Scattering DLS)، اسپکتروسکوپی UV/Vis، میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy TEM)، برای اندازه‌گیری اندازه نانوذرات مورد استفاده قرار می‌گیرند ولی کار با این روش‌ها دارای مشکلاتی مختلفی از جمله وقت‎گیر بودن، گران بودن و همچنین عدم ارائه اطلاعات کافی درباره ساختار نانومواد است.
طیف‎سنجی جرمی توسط پلاسما جفت‎شده القایی یکی از روش‎های استاندارد در آزمایشگاه‎های تجزیه است که برای آنالیز بیشتر عناصر مورد استفاده قرار می‎گیرد. ICP-MS با خواص متفاوتی از جمله آنالیز هم‎زمانی چند عنصر، حد تشخیص پایین و دامنه خطی زیاد، روش مناسبی برای اندازه‌گیری نانوذرات مختلف از جمله نانوذرات معدنی است.
مقالات و گزارش‎های زیادی در مورد استفاده از روش ICP-MS در اندازه‎گیری اندازه نانوذرات منتشر شده است؛ برای مثال دگیولدر Degueldre و همکارانش از مدل تک ذره (Single-particle) برای تعیین اندازه نانوذرات طلا استفاده کرده‎اند. یونیزاسیون توسط این روش در پلاسما، سبب تولید ابرهای یونی شده و با نشر نور توسط این یون‎ها، سیگنالی قوی تولید می‎کند که متناسب است با اندازه نانوذرات. با استفاده از این روش ذراتی با اندازه 80 تا 250 نانومتر را مورد بررسی قرار داده‎اند. شکل زیر نمایی از دستگاه ICP-MS و مدل تک ذره را برای اندازه‎گیری اندازه کلوئیدهای طلا نشان می‎دهد.

filereader.php?p1=main_0b8ab53230f04066c
 
شکل 2 - نمایی کلی از ساختار ICP-MS ا[6]

همچنین گزارش‌های دیگری نیز از تلفیق ICP-MS با روش‎هایی مثل ژل الکتروفورز (Gel Electrophoresis) و کروماتوگرافی مایع معکوس برای تعیین توزیع اندازه ذرات وجود دارد. برای مثال برای تعیین اندازه نانوذرات طلا از تلفیق ICP-MS با کروماتوگرافی مایع بالا با ستون C18 استفاده شده است؛ در این روش هر چه اندازه ذرات کوچک‎تر باشد، زمان بازداری (Retention Time) بیشتر می‎شود. با تعیین زمان بازداری نمونه‎های استاندارد حاوی نانوذرات با اندازه مشخص، می‎توان اندازه ذرات مجهول را تعیین کرد. همچنین در تلفیق با ژل الکتروفروز، هر چه اندازه ذرات بیشتر باشد، زمان مهاجرت نیز بیشتر می‎شود. برای مطالعه بیشتر در زمینه روش کروماتوگرافی مایع با کارآیی بالا می‌توانید به مقاله تحت همین نام مراجعه کنید.

3- نتیجه‎گیری
روش طیف‎سنجی پلاسمای کوپل‎شده القایی از جمله بهترین روش‎های طیف‎سنجی برای تعیین نوع و غلظت عناصر مختلف است. این روش دارای حساسیت، حد تشخیص و مزاحمت‌های طیفی و شیمیایی کمتری نسبت به سایر روش‎های نشری است. از گاز آرگون برای تولید پلاسما و یونیزاسیون عناصر استفاده می‎شود. از تلفیق این روش با طیف‎سنج جرمی روشی با قابلیت‎های بالا ایجاد می‎شود، از این روش جهت تعیین اندازه نانوذرات استفاده می‎شود.
 

منابـــع و مراجــــع

1. Skoog, D.A. "Principle of Instrumental Analysis", 3nd Edition, USA: Saunders College Publishing, (1985).

2. http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/61

3. Sakata, K. "Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer and Method", US patent 6265717 B1.

4. Tanner, S., Baranov, V. "A Dynamic Reaction Cell for ICP-MS. Part 2: Reduction of interferences produced within the cell", J. Am. Soc. Mass Spectrom, Vol. 10, pp. 1083(1999).

5. Mitrano, D., Ranville, J. F. "ICP-Mass Spectrometry". Department of Chemistry and Geochemistry Colorado School of Mines Golden, CO USA.

6. Degueldre, C., Favarger, P.Y., Bitea, C. "Zirconia colloid analysis by single particle inductively coupled plasma–mass spectrometry ", Anal Chim Acta, Vol. 518, pp 137, (2004).

7. Scheffer, A., Engelhard, C., Sperling, M., Buscher, W. "Anal Bioanal Chem. ", Vol. 390, pp. 249, (2008)

نظرات و سوالات

نظرات

10 -2

زهرا

مچکرم از این اطلاعاتی که گذاشتید.خیلی به دردم خورد.

7 -2

حسین کارتی شاهم آباد

سلام
مختصر و مفید بود.
باتشکر

9 -3

زیبا دینی

مطالب بسیار خوب بود استفاده کردیم

12 -2

محمد رازلیقی

با سلام و تشکر فراوان
من دانشجوی ارشد مهندسی مواد - خوردگی هستم
یه درس داریم،مطالعه مواد(آنالیز)
استادمون گیر داده بود در مورد AAS و ICP تحقیق کنیم، باز هم میگم خیلی ممنون از سایت خوبتون