پلاسمای جفت القائی یا ICP

دستگاه طیف سنج پلاسمای جفت القائی ICP یا Inductively Coupled Plasma−Atomic Emission Spectrometer از تجهیزات آزمایشگاهی پرکاربرد در آنالیز رنج گسترده ای از عناصر می باشد. دستگاه آی سی پی از تکنیک طیف سنجی است که کارکرد آن بر اساس طیف نشری می باشد. دستگاه ICP نسبت به سایر دستگاه های مشابه حساسیت بیشتری دارد و نتیجه دقیق تری ارائه می دهد. از دستگاه طیف سنج جفت القائی در آزمایشگاه های آنالیز مواد بخصوص برای آنالیز فلزات سنگین بسیار استفاده می شود.

نحوه کار دستگاه ICP

دستگاه ICP از تکنیک طیف سنجی نشری استفاده می نماید و به این واقعیت تکیه دارد که الکترون های برانگیخته در طول موج تابیده شده انرژی از خود ساطع می کنند. این برانگیختگی در دستگاه ICP توسط پلاسمای داغ آرگون انجام می شود. این دما بین ۶۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ کلوین است. ویژگی اصلی این رویه اینست که هر عنصری بنا به خصوصیات خاص همان عنصر در طول موج خاصی از خود انرژی ساطع می نماید. مقدار جابجائی انرژی الکترون ها هنگام برگشت عناصر به حالت پایه برای هر عنصری منحصر بفرد است، زیرا ساختار اربیتالی هر عنصر نیز یکتاست. جابجائی انرژی رابطه عکس با طول موج الکترومغناطیسی تابش دارد:

E = hc/ λ (ثابت پلانک که در آن C سرعت نور و λ طول موج تابش است) و لذا انرژی تابیده شده نیز برای هر عنصر یکتا می باشد.

گرچه هر عنصری می تواند در چندین طول موج انرژی تابش نماید، در تکنیک نشری ICP بسیار معمول است که برای عنصری خاص تنها یک طول موج خاص و یا تعداد بسیار معدودی را برای آنالیز انتخاب نمایند. میزان شدت انرژی تابیده شده در یک طول موج خاص نسبت مستقیم با غلظت حضور آن عنصر در نمونه مورد آنالیز دارد. لذا با تعیین اینکه کدام عنصر در حال نشر در چه طول موجی است و با اندازه گیری شدت آن ها، آنالیست بصورت کیفی و کمی قادر به شناسائی مقادیر مجهول در مقایسه با مقادیر استاندارد خواهد بود.

بازه طول موجی قابل شناسائی در AES از مقادیر بالای ماوراء بنفش در خلا یعنی ۱۶۰ نانومتر شروع شده و تا مقدار ۸۰۰ نانومتر مرئی محدود می شود. از آنجائیکه شیشه از جنس بوروسیلیکات نور زیر ۳۰۰ نانومتر و اکسیژن هوا نور زیر ۲۰۰ نانومتر را جذب می نمایند لذا در این دستگاه از لنزها و منشور های اپتیکی اغلب از جنس کوارتز بوده و مسیر اپتیک یا خلاء می شود و یا با گازی مثل آرگون پر می شود.

 بخش های مختلف دستگاه ICP

یک دستگاه نشری پلاسمای جفت شده القائی از دوبخش اصلی ICP و Spectrometer تشکیل شده است.

داخل ICP یک تورچ قرار دارد که از ۳ لوله متحدالمرکز از جنس کوارتز ساخته شده است. دور لوله تورچ با یک کویل که امواج رادیوئی تولید می کند احاطه شده است. در داخل تورچ آرگون برای داغ شدن و رسیدن به حالت پلاسما دمیده می شود.

وقتی که تورچ روشن می شود یک میدان فشده الکترومغناطیسی در کویل ایجاد می شود که منبع آن امواج رادیوئی تولید شده با منبع توان بالای دستگاه است. این امواج داخل کویل کار شبیه امواجی است که در یک آنتن رادیوئی کار می کند. دستگاه های ICP امروزی از فرکانس ۲۷ یا ۴۰ مگاهرتز برای تولید آن استفاده می نمایند. گاز آرگون جاری در تورچ توسط واحدی بنام تسلا گداخته می شود تا جائیکه یک آرک یا جرقه از جریان گاز درست می کند، که داخل آن آرگون یونیزه می شود. وقتی پلاسما تشکیل شد تسلا خاموش می شود.

گاز آرگون در یک میدان فشرده الکترومغناطی یونیزه می شود و در یک مسیر ویژه دورانی و کاملا قرینه همسو با میدان مغناطیسی کویل RF جریان می یابد. در نتیجه برخوردهای ناپایدار و تصادفی ایجاد شده مابین اتمهای طبیعی آرگون و ذرات یونزه شده یک جریان پیوسته از پلاسمای داغ آرگون با دمای حدود ۷۰۰۰K تشکیل می شود.

یک پمپ مالشی یا پراستالتیک جریانی از نمونه آبی یا آلی را که توسط نبولایزر آنالیتیکال بصورت مایع اسپری شده است را به مرکز شعله پلاسما تزریق می نماید. نمونه در برخورد با الکترون ها و یون های باردار داخل پلاسما فورا یونیزه شده و خودش تیدیل به یون های باردار می شود. مولکول های متفاوت در داخل پلاسما به اتم های تشکیل دهنده شکسته و الکترون از دست داده و دوباره باهم ترکیب شده و از خود انرژی متناسب با اتم حاوی خود را در طول موج مربوطه ساطع می نمایند.

در دستگاه های آی سی پی امروزی نور تابیده از نمونه، توسط لنزهائی به سمت اسپکترومتر رفته و در داخل آشکار ساز که معمولاً امروزه ار نوع CCD می باشد وارد شده و شدت آن برای تمامی اتم های موجود همزمان سنجیده می شود. یکی از دلایل سرعت دستگاه های ICP امروزی استفاده از این نوع آشکار ساز است.

کاربردهای مختلف دستگاه ICP-AES

• ردیابی مقادیر بسیار کم فلزات با اسپکترومتر پلاسمای جفت شده القائی
• آنالیز فلزات سنگین با حد تشخیص کمتر از ذره در میلیون
• آنالیز کامل سنگ، خاک و خاکستر بادی
• آنالیز نمونه های زیست محیطی مثل آب، هوا، خاک و رسوبات
• آنالیز نمونه های بیولوژیک مثل ادرار، دندان، استخوان به کمک دستگاه ICP
• صنایع پلیمر
• صنایع داروسازی