تکنیک بخار سرد در طیف‌سنجی جذب اتمی (Cold Vapor AAS)

مقدمه

یک روش رایج در اندازه گیری عنصر جیوه Hg به وسیله دستگاه جذب اتمی تکنیک بخار سرد می باشد. جیوه یک عنصر سنگین سمی و تجمع‌پذیر در بدن موجودات زنده است که به‌عنوان آلاینده‌ای پایدار توسط سازمان‌های زیست‌محیطی شناخته می‌شود. از این رو، پایش دقیق غلظت‌های بسیار کم جیوه در آب، خاک، غذا و سایر نمونه‌ها اهمیت فراوانی دارد. طیف‌سنجی جذب اتمی بخار سرد (به اختصار CVAAS) روشی اختصاصی برای سنجش جیوه با حساسیت و دقت بالا فراهم می‌کند. در این مقاله به معرفی کامل این تکنیک، اصول تئوری و نحوه عملکرد آن، عناصر قابل اندازه‌گیری، حد تشخیص، مزایا، چگونگی نصب و راه‌اندازی دستگاه و کاربردهای آن در حوزه‌های گوناگون می‌پردازیم. این راهنما یک مرجع جامع و به‌روز برای آشنایی با روش بخار سرد جذب اتمی جیوه است که با در نظر گرفتن نکات سئو و استفاده از منابع معتبر جهانی تهیه شده است.

اصول و تئوری روش بخار سرد

طیف‌سنجی جذب اتمی (AAS) روشی برای اندازه‌گیری کمی عناصر است که بر پایه جذب نور توسط اتم‌های آزاد آن عنصر بنا شده است. هر عنصر شیمیایی در حالت اتمی، طول موج مشخصی از نور را جذب می‌کند و طبق قانون بیر-لامبرت، میزان جذب با غلظت آن عنصر در نمونه متناسب است. برای اندازه‌گیری عناصر با AAS، ابتدا باید اتم‌های آزاد از نمونه تولید شوند. در روش‌های شناخته شده AAS از حرارت توسط شعله و یا کوره برای تبخیر و اتمیزه‌کردن نمونه استفاده می شود. اما در مورد جیوه یک ویژگی منحصربه‌فرد وجود دارد. جیوه می‌تواند در دمای اتاق به حالت بخار اتمی پایدار تبدیل شود. این ویژگی اساس تکنیک بخار سرد است.

در روش بخار سرد، به جای شعله یا دمای بالا، از یک کاهنده قوی برای کاهش یون‌های جیوه +Hg2 موجود در محلول نمونه به اتم‌های عنصر جیوه Hg استفاده می‌شود. رایج‌ترین واکنشگر کاهنده در این روش، قلع کلراید SnCl2 است که جیوه‌ی دو ظرفیتی را به جیوه‌ی عنصری با درجه اکسایش صفر کاهش می‌دهد. همچنین در برخی دستگاه‌های جدید، از سدیم بورهیدرید NaBH4 به‌عنوان کاهنده استفاده می‌شود که روند تولید بخار را ساده‌تر می‌کند. با انجام این واکنش در محیط محلول، بخاری از اتمهای جیوه آزاد ایجاد می شود. جیوه‌ی عنصری در دمای محیط فشار بخار نسبتاً بالایی دارد و به‌صورت بخار تک‌اتمی خارج می‌شود. سپس این اتم‌های بخار جیوه توسط یک گاز حامل بی‌اثر مانند N2 یا Ar به درون یک سل استوانه ای از جنس کوارتز منتقل می‌شوند. سپس لامپ هالوکاتد جیوه نوری با طول موج ۲۵۳٫۷ نانومتر نشر می کند که منحصراً توسط اتم‌های جیوه قابل جذب است. هرچه تعداد اتم‌های جیوه در مسیر نوری بیشتر باشد، نور ۲۵۳٫۷ نانومتر بیشتری جذب می‌شود و سیگنال جذب قوی‌تری ثبت می‌گردد. دستگاه با اندازه‌گیری شدت جذب، می‌تواند غلظت جیوه را مطابق منحنی کالیبراسیون محاسبه کند. به دلیل عدم نیاز به حرارت‌دهی (اتمیزاسیون در دمای محیط)، این روش به نام بخار سرد شناخته می‌شود.

نحوه عملکرد و اجزای سیستم بخار سرد

یک دستگاه جذب اتمی مجهز به سیستم بخار سرد معمولاً از بخش‌ها و اجزای زیر تشکیل شده است:

سیستم تزریق نمونه که از پمپ پریستالتیک برای هدایت مداوم محلول نمونه و SnCl2 به یک نقطه تلاقی استفاده می‌شود. این پمپ‌ها با سرعت قابل تنظیم و مشخص نمونه و معرف‌ را وارد سیستم می‌کنند.

بخش اختلاط (Coil Mixing) به جایی که محلول نمونه و محلول کاهنده به هم می‌رسند و واکنش کاهش یون جیوه رخ می دهد گفته می شود. در این ناحیه یون‌های +Hg2 به Hg تبدیل شده و مخلوطی از مایع و بخار جیوه تشکیل می‌شود. از یک همزن مغناطیسی کوچک در این ظرف برای سرعت بخشیدن به واکنش استفاده می شود.

جداکننده گاز-مایع (Gas-Liquid Separator) که به جدا کردن قسمت گاز و خروج نمونه مایع کمک می کند. در این بخش یک جریان پیوسته از گاز خالص و خشک (معمولاً آرگون) از میان محلول حاوی جیوه عبور داده می‌شود و اتم‌های بخار جیوه را از فاز مایع جدا کرده و با خود می‌برد. بخش مایع به قسمت دور ریز پمپ رفته و خارج می شود.

خشک‌کن گازی – بخار جیوه همراه گاز حامل ممکن است حاوی رطوبت باشد که می‌تواند به دستگاه آسیب زده یا در اندازه‌گیری اختلال ایجاد کند. به همین دلیل گاز خروجی از جداکننده اغلب از یک خشک‌کن یا لوله حاوی ماده جاذب رطوبت عبور می‌کند تا بخار آب حذف شود.

سل کوارتز جذب اتمی یک مسیر نوری اختصاصی است که در مسیر نور لامپ قرار می‌گیرد. بخار جیوه به‌وسیله گاز حامل به درون سلول کوارتزی هدایت می‌شود. طول مؤثر مسیر نوری در این سلول‌ها می‌تواند متغیر باشد (مثلاً 10 اینچ برای غلظت‌های بسیار کم) تا حساسیت بالاتری حاصل شود.

لامپ هالو کاتدی توخالی (HCL) جیوه که برای اندازه‌گیری میزان جذب جیوه استفاده می‌شود که پرتو UV با طول موج 253.7 nm منتشر می‌کند. این طول موج متناظر با گذار الکترونی در اتم‌های جیوه است که باعث جذب نور توسط اتمهای جیوه می‌شود.

آشکارساز و نرم‌افزار – نور پس از عبور از سلول به آشکارساز (فتودیود یا لوله فتوسل) می‌رسد و کاهش شدت آن ثبت می‌گردد. سیگنال حاصل توسط سیستم الکترونیکی و نرم‌افزار دستگاه تقویت و به یک مقدار جذب تبدیل می‌شود که متناسب با غلظت جیوه در نمونه است.

روش های مشابه برای سایر عناصر

روش بخار سرد جذب اتمی یک تکنیک تخصصی برای عنصر جیوه است. در واقع از میان تمامی عناصر، جیوه تنها عنصری است که به‌دلیل فشار بخار قابل توجه در دمای محیط، می‌تواند بدون حرارت‌دهی به حالت اتمی بخار شود. بنابراین تکنیک بخار سرد (Cold Vapor) به طور انحصاری در سنجش جیوه کاربرد دارد. در این روش، جیوه معدنی +Hg2 موجود در نمونه با یک عامل کاهنده مناسب مانند SnCl2 یا NaBH4 به جیوه فلزی عنصری Hg تبدیل می‌شود و سپس اندازه‌گیری انجام می‌گردد. با این حال، برای چند عنصر خاص روش مشابهی به نام تکنیک هیدرید به کار می‌رود. در تکنیک هیدریدسازی، عناصر آرسنیک، آنتیموان، بیسموت، سلنیوم، تلوریوم و قلع را می‌توان با استفاده از تولید گاز هیدرید فرار و ورود آن به سیستم جذب اتمی اندازه‌گیری نمود. به طور مثال برای آرسنیک یا سلنیوم از سدیم بورهیدرید جهت تولید آرسین یا هیدرید سلنیوم استفاده می‌شود و سپس این گازها معمولاً در شعله گرم تجزیه و اتمیزه می‌شوند. اما جیوه نیازی به تشکیل هیدرید ندارد و مستقیماً به حالت بخار عنصری تبدیل می‌شود.

حد تشخیص، حساسیت و محدوده خطی

یکی از دلایل اصلی شهرت و کاربرد گسترده‌ی تکنیک بخار سرد، حساسیت (Sensitivity) بالای آن برای اندازه‌گیری جیوه در مقادیر فوق‌العاده کم است. حد تشخیص (LOD) این روش در نسل‌های اولیه دستگاه‌ها در حد تک‌رقمی قسمت در تریلیون (ppt یا نانوگرم بر لیتر) بوده است. به بیان دیگر، غلظت‌های جیوه در حد چند نانوگرم در لیتر را می‌توان با اطمینان اندازه‌گیری کرد.

روش استاندارد EPA برای جیوه در آب آشامیدنی نیز بر همین اساس تدوین شده و حد تشخیص ppt را پوشش می‌دهد. دستگاه‌های مدرن بخار سرد با طراحی بهینه سلول نوری و استفاده از آشکارسازهای پیشرفته حتی قادرند به حد تشخیص زیر ۱ ppt (زیر ۱ نانوگرم بر لیتر) دست یابند. برای مثال، با افزودن مرحله پیش‌تغلیظ جیوه روی تله طلا و استفاده از تکنیک فلورسانس، می‌توان حد تشخیص را تا حدود 0.02 ppt بهبود داد. هرچند این بهبود متعلق به دستگاه‌های فلورسانس بخار سرد (CVAFS) پیشرفته است، اما نشان می‌دهد که اصول بخار سرد پتانسیل رسیدن به حساسیت فوق‌العاده بالا را دارد.

در اغلب دستگاه‌های تجاری حد تشخیص عملی برای CVAAS حدود ۲ تا ۵ ppt می باشد. همچنین سیستم‌های خودکار قادرند با افزایش طول مسیر نوری (مثلاً ۱۰ اینچ) پاسخ را تقویت کرده و تغییر پیکربندی برای اندازه‌گیری غلظت‌های بالاتر را نیز ممکن سازند.

محدوده خطی Linearity در روش بخار سرد معمولاً چند مرتبه بزرگی را پوشش می‌دهد. به طور کلاسیک دامنه دینامیکی خطی CVAAS حدود ۲ تا ۳ مرتبه بزرگی است. این به آن معناست که از حد تشخیص تا حدود صدها ppt (یا چند ppb) می‌توان انتظار خطی‌بودن سیگنال غلظت را داشت. برخی دستگاه‌های جدید با طراحی دو مسیر نوری (سلول بلند برای غلظت‌های کم و سلول کوتاه برای غلظت‌های بالا) توانسته‌اند محدوده خطی را به ۳ تا ۴ مرتبه بزرگی گسترش دهند. برای مثال، محدوده خطی ۲۰ ppt تا ۱۰۰ ppb (یعنی از ۲۰ تا ۱۰۰٬۰۰۰ ppt) در یک دستگاه بخار سرد گزارش شده که نشان‌دهنده پوشش ۵ مرتبه بزرگی در محدوده خطی است. البته برای حفظ دقت در غلظت‌های خیلی بالا ممکن است نمونه را رقیق کرده یا از سلول با طول مسیر کوتاه‌تر استفاده کنند.

در کنار حد تشخیص بسیار پایین، دقت و صحت روش بخار سرد نیز قابل توجه است. تکرارپذیری نتایج معمولاً خوب (در حدود چند درصد انحراف معیار نسبی) گزارش می‌شود و با کالیبراسیون منظم می‌توان به نتایج دقیقی دست یافت. مزیت دیگر، سرعت بالای آنالیز است؛ چنان‌که هر نمونه تنها حدود یک دقیقه زمان برای خوانش نیاز دارد. به علاوه، بسیاری از دستگاه‌ها امکان آنالیز خودکار تا ۶۰ نمونه در ساعت را دارند که برای آزمایشگاه‌های پرنمونه بسیار مطلوب است.

مزایا و محدودیت‌های تکنیک بخار سرد

روش بخار سرد جذب اتمی به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، مزایای چشمگیری نسبت به سایر روش‌های اندازه‌گیری جیوه و حتی سایر تکنیک‌های آنالیتیکی ارائه می‌دهد:

حساسیت بسیار بالا: همانطور که بیان شد، CVAAS قادر به تشخیص مقادیر بسیار ناچیز جیوه در حد ppt می‌باشد. این سطح از حساسیت بالاتر از حد بسیاری از روش‌های طیف‌سنجی استاندارد (مانند ICP-OES) است و قابل مقایسه با تکنیک‌های پیشرفته‌تری چون ICP-MS می‌باشد. در واقع CVAAS سال‌ها روش مرجع سنجش جیوه در آب آشامیدنی بوده است زیرا به راحتی غلظت‌های پایین‌ را اندازه‌گیری می‌کند.

اختصاصی بودن برای جیوه: از آنجا که این روش اختصاصاً برای جیوه بهینه شده است، تداخل‌های طیفی و شیمیایی کمی در آن مشاهده می‌شود. طول موج ۲۵۳٫۷ نانومتر تقریباً منحصراً توسط اتم جیوه جذب می‌شود و عناصر دیگر تأثیری بر آن ندارند. همچنین به علت انجام واکنش شیمیایی خاص جیوه، مزاحمت سایر گونه‌های موجود در نمونه بسیار کم است. این انتخاب‌گری بالا مزیت مهمی در نمونه‌های پیچیده به‌شمار می‌رود.

عدم نیاز به منبع حرارت خارجی: در بخار سرد نیازی به شعله یا کوره الکتریکی برای اتم‌سازی نیست. این موضوع هم از نظر ایمنی (حذف گازهای قابل اشتعال و دمای بالا) و هم از نظر هزینه‌ی عملیاتی (مصرف سوخت و برق کمتر) مفید است. دستگاه‌های بخار سرد عموماً کم‌مصرف‌تر و کم‌خطرتر از سیستم‌های شعله هستند.

سادگی و ارزانی دستگاه: سیستم‌های مدرن CVAAS نسبت به دستگاه‌های پیچیده‌تر مانند ICP-MS بسیار ارزان‌تر و کوچک‌ترند. یک دستگاه بخار سرد معمولی تنها فضای کوچکی روی میز اشغال می‌کند و بسیاری از قسمت‌های آن (پمپ‌ها، راکتورها و …) ساده و قابل تعمیر و یا تعویض آسان هستند. از این رو برای بسیاری از آزمایشگاه‌ها یک راهکار اقتصادی برای سنجش جیوه محسوب می‌شود.

خودکارسازی و سرعت بالا: اغلب دستگاه‌های جدید کاملاً اتوماتیک عمل می‌کنند، با وجود نمونه‌گذار خودکار تا ده‌ها نمونه را بدون دخالت کاربر آنالیز می‌کنند. هر نمونه تنها حدود ۱ دقیقه طول می‌کشد، بنابراین خروجی تحلیلی در هر ساعت بسیار بالاست. این ویژگی در مطالعات زیست‌محیطی که تعداد نمونه‌ها زیاد است، مزیت بزرگی است.

نصب و راه‌اندازی سیستم بخار سرد CVAAS

راه‌اندازی یک دستگاه جذب اتمی با تکنیک بخار سرد نیازمند آماده‌سازی‌های دقیق و رعایت ترتیب مراحل است. در این بخش راهنمای گام‌به‌گام نصب و شروع به کار سیستم بخار سرد ارائه شده است:

آماده‌سازی دستگاه و نصب تجهیزات: ابتدا اطمینان حاصل کنید که دستگاه AAS شما به بخار سرد مجهز است. این شامل یک سلول کوارتزی بخار سرد، سیستم پمپ و جداکننده گاز-مایع می‌باشد. سلول کوارتز را در مسیر نوری طیف‌سنج نصب کنید و مطمئن شوید به‌درستی در امتداد پرتوی لامپ جیوه تنظیم شده و حداکثر نور عبوری را دریافت می‌کند. اتصالات پمپ پریستالتیک را طبق دستورالعمل کارخانه‌سازنده برقرار کنید و شیلنگ‌های مربوط به نمونه، محلول کاهنده و گاز حامل را در جای خود قرار دهید. همچنین منبع گاز بی‌اثر (آرگون یا نیتروژن) را به ورودی سیستم وصل کرده و فشار و جریان آن را طبق توصیه سازنده تنظیم نمایید.

تهیه معرف‌ها و محلول‌های استاندارد: محلول‌های شیمیایی موردنیاز را آماده کنید. مهم‌ترین آنها محلول کاهنده SnCl2 در اسید است. چون SnCl2 در آب خالص ناپایدار است، معمولاً آن را به شکل کلرید قلع(II) در اسید سولفوریک ۱-۲ درصد تهیه و هنگام استفاده به صورت هم‌زده نگه می‌دارند. همچنین ممکن است به محلول‌های آماده‌سازی نمونه نیاز باشد؛ برای مثال محلول‌های اکسیدکننده مانند پرمنگنات پتاسیم 0.1N و پرسولفات پتاسیم جهت هضم و تثبیت همه گونه‌های جیوه به +Hg2. اگر دستگاه از NaBH4 به عنوان کاهنده استفاده می‌کند، محلول تازه آماده شده ی NaBH4 را آماده کنید. سپس محلول‌های استاندارد جیوه را جهت کالیبراسیون آماده نمایید. معمولاً یک محلول +Hg2 با غلظت معلوم 1000ppm تهیه می کنیم و از رقیق‌سازی متوالی آن استانداردهایی در محدوده مثلاً ۰٫۵ تا ۲۰ µg/L آماده می‌کنیم. این استانداردها باید روزانه تازه تهیه شوند تا از کاهش غلظت به‌علت جذب به دیواره یا تبخیر جلوگیری شود.

راه‌اندازی اولیه و کالیبراسیون: دستگاه را روشن کنید و لامپ کاتدی جیوه را در موقعیت خود قرار دهید. تنظیمات اولیه طیف‌سنج (طول موج 253.7 nm، شکاف اسپکترومتر، دتکتور و غیره) ر تنظیم نمایید. جریان گاز حامل را برقرار کنید و پمپ پریستالتیک را با سرعت کم راه بیندازید تا محلول شستشو معمولا اسید نیتریک ۰٫۵٪ را از میان سیستم عبور دهد. این کار برای حذف هرگونه آلودگی و آماده‌سازی سیستم است. در صورت نیاز، حمام گرم جداکننده را روشن کنید . اکنون سل کوارتزی را بررسی کنید که بخار آب در آن ایجاد قطره نکند. در صورت تشکیل قطرات، با تنظیم لامپ گرم‌کننده یا دمای حمام، از خشک بودن سل اطمینان حاصل نمایید. حال استانداردهای جیوه را پشت سر هم به دستگاه معرفی کنید (با تنظیم برنامه نمونه‌بردار خودکار یا به صورت دستی). هر استاندارد تزریق شده و سیگنال جذب آن به صورت پیک ثبت می‌شود. پس از اتمام، دستگاه یک منحنی کالیبراسیون بر اساس ارتفاع یا سطح پیک‌های جذب برحسب غلظت جیوه ترسیم می‌کند. اطمینان حاصل کنید که منحنی کالیبراسیون خطی و دارای فاکتور همبستگی مناسب باشد. در غیر این صورت، ممکن است نیاز به تنظیم مجدد غلظت استانداردها یا شرایط دستگاه باشد.

اندازه‌گیری نمونه‌ها: حال نمونه‌های آماده‌شده را طبق برنامه وارد دستگاه کنید. هر نمونه باید قبلاً مراحل هضم شیمیایی را در صورت لزوم طی کرده باشد تا به صورت محلول آبی حاوی +Hg2 درآید. نمونه توسط پمپ وارد راکتور می‌شود و پس از اختلاط با کاهنده، جیوه آزاد می‌گردد و طی حدود ۳۰ ثانیه تا ۱ دقیقه پیک جذب ظاهر و ثبت می‌شود. بین هر دو نمونه، معمولاً یک محلول شستشوی خنثی (مثل HNO3 رقیق) برای پاکسازی سیستم تزریق می‌شود تا اثر حافظه نمونه قبلی از بین برود. نتایج غلظت جیوه برای هر نمونه به طور خودکار بر اساس منحنی کالیبراسیون محاسبه و توسط نرم‌افزار نمایش داده یا ذخیره می‌شوند.

اقدامات پس از آنالیز و نگهداری: پس از پایان کار، سیستم را چند دقیقه با محلول شستشو و سپس آب مقطر بشویید تا هرگونه رسوب قلع یا بقایای جیوه پاک شود. تله جیوه یا کارتریج کربن فعال را بررسی کنید و در صورت اشباع‌شدن تعویض نمایید. نتایج کالیبراسیون را مستندسازی کرده و در صورت لزوم، با استفاده از مواد مرجع کنترل کیفی، صحت دستگاه را ارزیابی کنید. همچنین مطابق برنامه تعمیراتی سازنده، اجزایی نظیر لوله‌های پمپ، واشرها و لامپ جیوه را چک کنید تا در صورت فرسودگی تعویض شوند. با رعایت این موارد، دستگاه شما برای استفاده‌های بعدی آماده خواهد بود.

در مجموع، نصب و راه‌اندازی یک سیستم بخار سرد پیچیدگی خیلی زیادی ندارد اما دقت در جزئیات (خصوصاً در مراحل تهیه محلول‌ها، کالیبراسیون و تمیزکاری) تأثیر مستقیم بر کیفیت نتایج خواهد داشت. همیشه دستورالعمل کارخانه سازنده دستگاه و استانداردهای بین‌المللی مربوطه (مانند روش EPA 245.1 برای آب) را به‌عنوان مرجع اصلی در راه‌اندازی و انجام آزمون مدنظر داشته باشید.

در نهایت، می‌توان گفت اسپکتروسکوپی جذب اتمی بخار سرد یک روش تخصصی، قابل اعتماد و کارآمد برای غلظت‌سنجی جیوه در حد ردپا (Trace levels) است که کماکان در استانداردهای ملی و بین‌المللی جایگاه ویژه‌ای دارد. هرچند فناوری‌های نوینی مانند طیف‌سنجی فلورسانس اتمی بخار سرد (CVAFS) یا تحلیل مستقیم حرارتی در برخی موارد رقیب این روش شده‌اند، اما سادگی و مقرون‌به‌صرفه بودن CVAAS باعث شده است که هنوز انتخاب اول بسیاری از آزمایشگاه‌ها برای آنالیز جیوه باشد. با آشنایی عمیق با اصول و روش کار بخار سرد و رعایت استانداردهای عملیاتی، می‌توان بالاترین بهره‌وری و دقت را از این تکنیک کسب کرد و به نتایجی اطمینان‌بخش در اندازه‌گیری آلاینده خطرناکی چون جیوه دست یافت.

خرید بخار سرد جیوه

شرکت رامان تجهیز آزما وارد کننده دستگاههای جذب اتمی از برندهای اجیلنت، واریان، پرکین المر، شیمادزو و … با تکیه بر دانش فنی و متخصصان خبره مازولهای بخار سرد و هیدرید مخصوص دستگاههای جذب اتمی برندهای گوناگون را با نصب، آموزش و خدمات پس از فروش به فروش می رساند.

منابع

Teledyne Leeman Labs – *What is Cold Vapor Atomic Absorption (CVAA) Spectroscopy

An Automated Vapor Generation Accessory for AA Analysis (App Note)

EPA Method 245.1 and 245.2 – Determination of Mercury by Cold Vapor AAS

PS Analytical – *Mercury by Cold Vapour AAS (Product Specs)

Teledyne Leeman Labs – Selecting the Best Technique for Mercury Measurement (Practical Guide)