اساس کار اسپکترومتری نشر نوری (OES)
اسپکترومتری نشر نوری (Optical Emission Spectroscopy) عناصر گوناگونی را از هیدروژن تا اورانیوم در نمونه‌های جامد فلزی تجزیه و تحلیل می کند که شامل دامنه‌ی گسترده‌ای از غلظتها است و دقت بسیار بالا و محدودیت آشکارسازی پایینی را ارائه می‌دهد.
عناصر و غلظتهای قابل تعیین توسط آنالیز OES، به مواد آزمایشی و نوع آنالیزور مورد استفاده وابسته است.
بخشی از طیف الکترومعناطیسی که توسط OES استفاده می‌شود، شامل طیف قابل رؤیت و بخشی از طیف فرابنفش است. از نظر طول موج، این بازه از ۱۳۰ نانومتر تا حدود ۸۰۰ نانومتر است.
دستگاه های OES در دو نوع کوانتومتری ثابت و پرتابل (PMI) در آزمایشگاه متالورژی شریف استفاده می شوند.
مراحل اسپکترومتری نشر نوری
کوانتومتری به روش اسپکترومتری نشر نوری (Optical Emission Spectrometry) شامل سه بخش است: یک منبع الکتریکی، یک سیستم نوری و یک رایانه. مرحله اول این فرایند استفاده از منبع الکتریکی است که سطح نمونه را تا درجه حرارت هزاران درجه سانتیگراد گرم و تبخیر می کند. در حین این فرآیند، اتم‌های تهییج شده در سطح خطوط نشری تولید می‌کنند، که به عنوان پلاسما شناخته می‌شوند و برای هر عنصر منحصر به فرد هستند. سیستم نوری در اسپکترومتر این منبع نور را به طول موج‌های مرتبط با هر عنصر تفکیک می‌کند. شدت هر طول موج به مقدار هر عنصر حاضر در نمونه بستگی دارد. بنابراین، با مشاهده طول موج‌ها و شدت آنها، می‌توان ترکیب عناصری از نمونه آزمایشی را تعیین کرد. سیستم رایانه سپس داده‌ها را پردازش می‌کند و نتایج را به شکلی روشن و ساده ارائه می‌دهد که به حداقل دخالت اپراتور نیاز دارد. تا زمانی که سیستم کالیبره شده و با دوره‌های منظم نگهداری شود، نتایج هم دقیق و هم قطعی خواهند بود.
اجزای اصلی اسپکترومتری نشر نوری
در ادامه به تقصیل به معرفی این سه بخش می پردازیم:
- تهییج کننده شامل یک اسپارک (جرقه) الکتریکی یا منبع قوس. ابتدا یک پالس ولتاژ بالا، اتمسفر هوای بین نوک الکترود و سطح نمونه را یونیزه می‌کند و باعث می‌شود هادی شوند. سپس فاصله میان آن ها دچار امپدانس پایین می‌شود و یک جریان پایدار تولید می‌شود. یک پلاسما شکل می‌گیرد که مواد را تا دمای چند هزار درجه سانتیگراد گرم می‌کند. سپس ماده تبخیر، اتمیزه و یونیزه می‌شود.
دو نوع تخلیه الکتریکی می‌تواند تولید شود: یک تخلیه قوس مانند روشن/خاموش شونده یا تعدادی تخلیه چندگانه جرقه مانند. تهییج قوسی شامل جریان مداومی به مدت چند ثانیه است. در تهییج جرقه ای، جریان با یک فرکانس مشخص بین 100 تا 1000 هرتز متوقف می‌شود.
این دو حالت عملکرد بسته به عنصر اندازه‌گیری شده و دقت مورد نیاز استفاده می‌شوند.
- دستگاه اپتیکال (نوری) که نور را ثبت می‌کند، آن را به خطوط طیفی تقسیم و اندازه‌گیری می‌کند. این دستگاه از یک توری با وضوح بالا برای تفکیک نور ورودی به طول موج‌های مختص عناصر استفاده می‌کند. سپس یک حسگر شدت نور را برای هر طول موج اندازه‌گیری می‌کند که برای هر عنصر منحصر به فرد است. شدت اندازه‌گیری شده با غلظت عنصر مورد نظر در نمونه رابطه مستقیم دارد.
- سیستم کامپیوتری و خروجی که شدت‌های اندازه‌گیری شده را تجمیع کرده و اطلاعات را از طریق یک کالیبراسیون از پیش‌تعیین شده پردازش می‌کند. این کار غلظتهای مربوطه عناصر را فراهم می‌کند. رابط کاربری کمترین دخالت اپراتوری را دارد و نتایج به صورت واضح و روشن نمایش داده می‌شوند. این نتایج می‌توانند چاپ شوند یا برای مراجعه آتی ذخیره شوند.
خطوط نشر نوری عناصر چگونه از یک نمونه فلزی بدست می آید؟
وقتی انرژی یک تخلیه الکتریکی با یک اتم برهم کنش می‌کند، برخی از الکترون‌ها در لایه‌های بیرونی اتم خارج می‌شوند. الکترون‌های لایه‌های بیرونی به دلیل فاصله بیشترشان از هسته، کمتر به هسته اتم متصل هستند و بنابراین برای خروج نیاز به کمترین انرژی ورودی را دارند. الکترون‌های خارج شده با ایجاد جای خالی، اتم را ناپایدار می‌کنند.
برای بازگرداندن پایداری، الکترون‌ها از ترازهای بالاتر واقع در فاصله‌های بیشتری از هسته، به پایین می‌آیند تا جای خالی را پر کنند. انرژی اضافی که در حین حرکت الکترون‌ها بین دو تراز یا لایه انرژیی به وجود می‌آید به صورت نور یا نشر نوری مختص هر عنصر منتشر می شود.
هر عنصر یک سری خطوط طیفی تولید می‌کند که با انتقال الکترون‌ها بین سطوح یا لایه های انرژی مختلف مرتبط است. هر انتقال خطی یک خط نشر نوری خاص با طول موج یا انرژی تابش ثابت تولید می‌کند.
برای نمونه فلزی معمولی که شامل آهن، منگنز، کروم، نیکل، وانادیوم و غیره است، هر عنصر مجموعه‌ای از طول موج‌ها را تولید می‌کند که منجر به ایجاد طیفی با خطوط فراوان می‌شود. به عنوان مثال، آهن بیش از ۸۰۰۰ طول موج مختلف تولید می‌کند، بنابراین انتخاب خط نشر بهینه برای هر عنصر در نمونه اهمیت دارد.
نور مشخصی که توسط اتم‌های نمونه تابیده می‌شود به سیستم نوری منتقل می‌شود و در آنجا توسط توری (گریتینگ) با تکنولوژی پیشرفته به طول موج‌های طیفی خود تقسیم می‌شود. این گریتینگ حاوی تا ۳۶۰۰ شیار (groove) در هر میلی‌متر است.
سپس سیگنال های پیک خط طیفی منفرد توسط حسگرها جمع‌آوری می‌شوند و جهت تولید یک طیف نمایش داده می‌شود که شدت نور پیک ها را نسبت به طول موج آنها نشان می‌دهد. این بدان معناست که OES اطلاعات کیفی درباره نمونه اندازه‌گیری شده را ارائه می‌دهد، با این حال، OES همچنین یک تکنیک کمّی است.
طول موج پیک، عنصر را شناسایی می کند و مساحت یا شدت پیک نشان‌دهنده مقدار آن در نمونه است. سپس آنالیزور از این اطلاعات برای محاسبه ترکیب عناصر نمونه بر اساس کالیبراسیون با مواد مرجع معتبر استفاده می‌کند. کل فرایند، از فشردن دکمه شروع تا دریافت نتایج تجزیه و تحلیل، می‌تواند به کوتاهی ۳ ثانیه باشد و یا تا ۳۰ ثانیه برای یک تجزیه و تحلیل کمّی دقیق کامل، بسته به آنالیزور استفاده شده، دامنه عناصر اندازه‌گیری شده و غلظت آن عناصر، متفاوت باشد.
OES نسبت به تکنیک‌های تجزیه و تحلیل دیگر مزایای بسیاری دارد: در استفاده سریع و نسبتاً آسان است، میزان وسعت بالایی از عناصر و غلظتها در انواع مواد مختلف را اندازه‌گیری می‌کند، از جمله عناصر مهمی مانند کربن، گوگرد، فسفر، بور و نیتروژن. هنگام اندازه‌گیری سطوح پایینی از عناصر کم یاب، بسیار دقیق است و هزینه نسبتاً پایینی نسبت به تکنیک‌های دیگر دارد.
برای تجزیه و تحلیل فلزات کم مقدار (trace)، OES روش ترجیحی است و در حال حاضر تنها روشی است که می تواند کربن و نیتروژن را در محل و خارج از آزمایشگاه آنالیز کند.