آزمایشگاه ژئوشیمی

مقدمه

آزمایشگاه ژئوشیمی دانشکده علوم زمین دانشگاه شهید بهشتی، از آزمایشگاه‌های گروه زمین‌شناسی و با کاربری پژوهشی می‌باشد. این آزمایشگاه مجهز به دستگاه جذب اتمی، کوره الکتریکی و آون است. خدمات قابل ارائه در این آزمایشگاه عبارت است از:

1- تجزیه نمونه‌های معدنی وحقیقی
2- آنالیز کمی نمونه
3- آماده‌سازی نمونه برای آنالیز با دستگاه جذب اتمی
4- تهیه محلول استاندارد

فعالیت این آزمایشگاه در زمینه پژوهشی است که شامل ارائه خدمات آزمایشگاهی به دانشجویان مقاطع کارشناسی‌ارشد و دکتری در رشته‌های زمین‌شناسی و جغرافیا می‌باشد. در اینجا ضمن معرفی خدمات آزمایشگاهی و امکانات این آزمایشگاه، دستورالعمل نحوه استفاده از دستگاه‌ها و انجام آزمایش‌های مختلف در اختیار قرار می‌گیرد.

اطلاعات تماس:
مسئول آزمایشگاه: خانم سیده فاطمه فدوی
29902630
پیوندها:
آزمایشگاه‌ها

آشنایی با طیف‌سنجی جذب اتمی:

طیف‌سنجی جذب اتمی (AAS) یک روش اسپکتروسکوپی برای اندازه‌گیری کمی عناصر شیمیایی با استفاده از جذب اشعه نوری (نور) توسط اتم در حالت گازی است. در شیمی تجزیه این تکنیک برای تعیین غلظت یک عنصر خاص در یک نمونه مورد استفاده قرار می‌گیرد. AAS می‌تواند برای تعیین مقدار کمی بیش از ۷۰ نوع از عناصر مختلف مورد استفاده قرار گیرد. البته حد تشخیص برای همه ان ۷۰ عنصر مناسب نیست مثلا اگرچه اندازه‌گیری اورانیم در نرم‌افزار دستگاه جذب اتمی وارد شده‌است اما کمترین غلظتی که می‌توان اندازه‌گیری کرد در حدود ppmاست که مقدار بزرگی است، لذا این روش دستگاهی را می‌توان برای اندازه‌گیری حدود ۳۰عنصر با حد تشخیص مناسب (زیر ۱ ppm) به‌کار برد. با توجه به قدمت دستگاه موجود در این آزمایشگاه هم اکنون 15 عنصر با اطمینان بالا مورد آنالیز قرار می گیرد.

اصول پایه طیف‌سنجی جذب اتمی
  • 1- همه اتم‌ها می‌توانند نور جذب کنند

  • 2- طول موج نوری که جذب می‌شود برای هر عنصر متفاوت بوده و مختص همان عنصر است

  • 3- میزان نور جذب شده به‌طور مستقیم به غلظت اتم‌های جذب کننده نور یا به عبارتی به غلظت عنصر مورد نظر در نمونه محلول، بستگی دارد

در تجزیه جذب اتمی، ماده مورد اندازه‌گیری باید به حالت عنصری کاهش یابد، تبخیر شود و سر راه شعاع تابش منبع، قرارگیرد. در این فرایند نمونه‌ها باید به‌صورت محلول باشند. در اولین قدم آزمایش، محلول حاوی عنصر مورد نظر، بوسیله یک شعله که به‌عنوان مثال با هوا و استلین می‌سوزد در دمای ۲۰۰۰ درجه سلسیوس (درجه حرارتی پایین‌تر از طیف تابشی) بخار می‌شود. در اثر بخار شدن، قسمت اعظم عناصر موجود در محلول به حالت خنثی در می‌آید و پرتوی تابش شده از لامپ‌های کاتدی (لامپ مخصوص برای هر عنصر) توسط اتم‌های خنثی شده، جذب می‌شود. در این حالت شدت اشعه تابش اولیه کمتر می‌شود. تفاوت شدت دو پرتوی تابشی و خروجی معیار غلظت عناصر موجود در محلول است. عیب اصلی این تکنیک، وجود نیاز به یک لامپ منبع جداگانه برای هر عنصر مورد تجزیه است. برای رفع این نقیصه کوشش‌هایی به‌عمل آمده است تا یک منبع پیوسته به‌همراه یک تکفام‌ساز (تکفام‌ساز جلوی منبع نور قرار می‌گیرد و طول موج مورد نظر را عبور می‌دهد) با قدرت جداکنندگی بسیار بالا به‌کار گرفته شود. اما این تکنیک به اندازه به‌کارگیری یک لامپ مخصوص برای هر عنصر رضایت بخش نیست.

اساس روش: اساس این تکنیک، استفاده از دستگاه جذب برای ارزیابی غلظت آنالیت در نمونه است، لذا نیازمند رابطه‌ای بین میزان نور جذب شده توسط نمونه و غلظت نمونه هستیم که همان قانون بیر لامبرت است. به‌طور خلاصه الکترون‌های اتم‌ها با جذب طول موج مشخصی (انرژی) می‌توانند به سطوح بالاتر انرژی بروند و برای مدت کوتاهی به حالت برانگیخته در بیایند. می‌دانیم که این مقدار انرژی جذب شده برای هر اتم با اتم دیگر متفاوت است. به زبان دیگر هر عنصری فقط به یک طول موج مشخص پاسخ می‌دهد. باریک بودن پرتو نور در این روش موجب می‌شود تا انرژی خاصی تولید شود و این روش بسیار دقیق و انتخاب‌پذیر باشد. هنگامی که اتم برانگیخته به حالت پایه برمی‌گردد طول موج مشخصی از خود ساطع می‌کند با اندازه‌گیری میزان جذب نمونه و رسم منحنی کالیبراسیون و قانون بیر لامبرت پی به میزان مجهول در نمونه می‌بریم.

دستگاه طیف‌سنج جذب اتمی:
  

در یک طیف‌سنج جذب اتمی ابتدا توسط لامپ‌های کاتدی توخالی یا تخلیه الکتریکی پرتو تک رنگ تولید می‌شود. از طرفی نمونه مورد نظر نیز در حلال خاصی به‌صورت محلول درآمده و توسط وسیله‌ای به داخل شعله پاشیده می‌شود و در آنجا به‌صورت اتم آزاد در می‌آید، پس از عبور پرتوی تک رنگ، مقداری از این پرتو توسط این اتم‌های آزاد جذب می شود و از شدت آن کاسته می گردد. سپس با محاسبه مقدار پرتوی جذب شده توسط آشکارساز و به وسیله منحنی‌های کالیبراسیون می‌توان غلظت عنصر مجهول را در محلول محاسبه کرد.

پس یک دستگاه طیف‌سنج جذب اتمی شامل اجزای زیر می‌باشد:

منبع اولیه تابش، یک طول‌موج‌گزین برای تولید تابش تکفام، یک وسیله برای افشاندن محلول به درون شعله و تولید بخار اتمی، یک آشکارساز، وسیله‌ای برای خواندن داده‌ها

1- منابع تابش
لامپ‌های کاتدی توخالی و لامپ‌های تخلیه بدون الکترود به‌طور عمده برای تامین تابش اولیه در طیف سنجی جذب اتمی به‌کار می‌روند. دستگاه موجود در این آزمایشگاه مجهز به لامپ‌های کاتدی توخالی می‌باشد.



1-1- لامپ کاتدی توخالی

یک لامپ کاتدی توخالی شامل یک کاتد استوانه‌ای توخالی به قطر 20-10 میلی‌متر است که از جنس فلز مورد نظر می‌باشد (هر فلز طول موج مشخصی را از خود ساتع می کند). این کاتد استوانه‌ای همراه یک سیم تنگستنی به‌عنوان آند در یک شیشه حاوی گاز نادری در فشار 1 تا 2 میلیمتر جیوه قرار داده شده است. الکترودها بوسیله‌ی پتانسیلی در حدود 200 تا 400 ولت انرژی داده می‌شوند و در جریان‌هایی تا حدود 100mA کار می‌کنند. گاز نادر که اساساً شامل نئون یا آرگون است به یون‌های مثبت، یونیده شده و یون‌ها پس از شتاب گرفتن به دیواره داخلی کاتد استوانه ای برخورد می‌کنند. اگر پتانسیل به اندازه کافی بزرگ باشد این یون‌های نئون و یا آرگون انرژی جنبشی کافی برای کندن تعدادی از اتم‌های فلزی را از سطح کاتد پیدا می‌کنند و سپس اتم‌های کنده شده بوسیله این یون‌ها برانگیخته می‌شوند. پیکر‌بندی استوانه‌ای کاتد باعث می‌شود تا تابش را در یک ناحیه محدود از لوله متمرکز سازد، این طرح همچنین احتمال اینکه رسوب دادن مجدد اتم‌های فلزی، روی کاتد را نسبت به رسوب دادن روی دیواره‌های شیشه‌ای را افزایش می‌دهد. عموماً کاتد بیشتر لامپ‌ها فقط شامل یک عنصراست. اما گاهی از عناصری مناسب برای ساخت یک آلیاژ کاتدی استفاده می‌شود. بنابراین، یک لامپ برای اندازه‌گیری دویا چند عنصر به‌کار برده می‌شود (شکل 2).

«شکل 1 : دستگاه طیف‌سنج جذب اتمی»
«شکل 2: نمایی از یک لامپ کاتدی توخالی»

2- تکفام‌ساز‌ها یا صافی‌ها

یک دستگاه جذب اتمی باید قادر به تامین یک پهنای نوار به آن اندازه باریک باشد تا خط انتخاب شده برای اندازه‌گیری را از خطوط دیگری که ممکن است مزاحمت ایجاد کنند یا حساسیت تجزیه را کاهش دهند جدا سازد. آشکارساز‌ها و شناساگر‌ها برای تبدیل علامت انرژی تابشی به الکتریکی لوله‌های فوتو تکثیر کننده به‌کار گرفته می شوند. دستگاه الکترونیکی قادر به تمییز دادن بین علامت مدوله شده از منبع و علامت پیوسته از شعله است.موارد کاربرد طیف بینی جذب اتمی وسیله حساسی برای تعیین بیش از 60 عنصر تامین می‌کند. عناصری مانند روی، آهن، نیکل، مولیبدن، وانادیم و غیره تا دقت چند میلی‌گرم در لیتر (ppm) قابل اندازه‌گیری با این دستگاه می‌باشند.


3- وسایل لازم برای تشکیل بخارهای اتمی

هدف از اتم‌سازی نمونه، تولید اتم‌های آزاد است. اتم‌های آزاد اتم‌هایی هستند که با اتم‌های دیگر ترکیب نمی‌شوند. هیچ اتمی به حالت آزاد وجود ندارد به‌جز اتم گازهای نادر که با هم به صورت مولکولی در می‌آیند. بنابراین برای ایجاد اتم‌های آزاد ضروری است که مولکول‌ها شکسته شوند. این فرآیند را اتم‌سازی گویند. بهترین روش برای اتمی کردن مولکول‌ها، تفکیک آن‌ها به‌وسیله گرماست. برای آنالیز محلول‌ها، از شعله به عنوان منبع گرما استفاده می‌شود و نمونه برای تبدیل به اتم‌های آزاد در دمای زیاد گرم می‌شود. این روش را روش اتم‌سازی شعله‌ای می‌گویند. در روش غیرشعله‌ای کوره گرافیتی برای اتم سازی محلول‌ها، محلول‌های آبکی و نمونه‌های جامد مورد استفاده قرار می‌گیرد. دستگاه موجود در آزمایشگاه با روش شعله‌ای کار می‌کند.
 

روش شعله:

در این حالت، تمام یا قسمتی از محلول یک نمونه به‌صورت مه رقیقی به داخل شعله‌ای که در مسیر تابش از منبع قرار دارد، افشانده می شود (مه‌پاش). نواحی مهم شعله از پایین به بالا عبارتند از پایه، مخروط داخلی، منطقه واکنش و پوشش بیرونی (شکل 3).

«شکل 3: نواحی مهم یک شعله»
محلول نمونه به‌صورت قطره‌های ریز به درون شعله پاشیده و به علت گرمای زیاد شعله، حلال موجود در محلول با سرعت زیاد تبخیر می‌شود. ذرات جامد مواد حل شده که پس از تبخیر حلال باقی می‌مانند، ذوب شده و به مایع تبدیل می‌شوند، سپس به‌حالت گازی در آمده و در پایان به اتم تفکیک می‌شوند. در این منطقه است که فرآیند‌های تحریک و جذب نیز شروع می‌شوند و قسمتی از تابش لامپ که از درون شعله می‌گذرد، توسط اتم‌های نمونه جذب می‌گردد. با وارد شدن به منطقه واکنش، اتم‌ها به اکسید تبدیل می‌شوند. این اکسیدها سپس از داخل پوشش بیرونی عبور می‌کنند و متعاقبا از شعله دفع می‌شوند. هر قطره‌ای که به داخل شعله کشیده می‌شود نباید الزاما این تسلسل را طی کند. در حقیقت بسته به اندازه قطرات و سرعت عبور جریان، قسمتی از نمونه ممکن است اساسا بدون تغییر از داخل شعله عبور کند. سوخت‌های به‌کار رفته برای تولید شعله عبارتند از گاز طبیعی، پروپان، بوتان، هیدروژن و استلین که پر مصرف‌ترین آن استیلن می‌باشد. اکسنده‌های معمولی عبارتند از هوا، هوای غنی شده با اکسیژن، اکسیژن و نیتروس اکسید. شعله هوا استیلن در گستره وسیعی به‌کار برده می‌شود و حدود 30 عنصر با این شعله اندازه‌گیری می‌شوند. شعله نیتروس اکسید‌استیلن بالاترین دما را در طیف‌بینی جذب اتمی تولید می‌کند. این شعله به‌طور موثری برای تجزیه عناصری مانند Al ،V ،Ti که تشکیل مولکول‌های اکسیدی خیلی پایدار می‌دهند و به سختی در دماهای معمولی مثلاً در شعله هوا استیلن به اتم تبدیل می‌شوند، به‌کار برده می‌شود. مخلوط نیتروس اکسید و استیلن به‌علت خطر انفجار کمتر آن در مواقع نیاز به یک شعله داغ ارجحیت دارد. شعله‌هایی که هیدروژن را به‌عنوان سوخت به‌کار می‌برند مانند هواهیدروژن این مزیت را دارند که جذب تابش به‌وسیله شعله، در گستره طول موج کوتاه، بی نهایت کم است. این شعله‌ها در مقایسه با شعله هوا اکسیژن نوسان کمتری دارند. بنابراین، تجزیه عناصری مانند As ,Se ,Zn ,Pb ,Sn با خطوط تجزیه‌های با طول‌موج کوتاه در این شعله‌ها صورت می‌گیرد. یکی از معایب شعله‌های هیدروژنی این است که دمای شعله کم است. ناحیه‌ای از شعله که در آن حداکثر جذب یا نشر اتفاق می‌افتد به متغیرهایی نظیر اندازه قطرات، نوع شعله بکار رفته، نسبت اکسنده به سوخت و تمایل گونه‌ها به وارد شدن در تشکیل اکسید، بستگی دارد. دستگاه موجود در آزمایشگاه از هوا، استیلن و نیتروس اکساید استفاده می‌کند.

4- دتکتور:

 آشکارساز سیگنال مناسب با شدت نور دریافت شده تولیدکرده و در نهایت، جذب به‌صورت عدد قرائت می‌شود.


دستگاه نمایش خروجی ‏‎"

‎این قسمت، می‌تواند یک گالوانومتر، صفحه ثبات، اسیلسکوپ یا صفحه نمایشگرکامپیوتر با نرم‌افزارهای متنوع باشد.


نکات مهم در مورد ایمنی AAS:

  • • در ابتدا هود را روشن کنید و در طول کار با دستگاه حتما هود روشن باشد
  • • قبل از روشن کردن دستگاه حتما هوای داخل دستگاه تخلیه شود
  • • مخزن آب دستگاه نباید خالی باشد، باید آن را از آب پر کرد
  • • در هنگام روشن کردن شعله حتی‌الامکان از مشعل فاصله داشته باشید
  • • پس از خاموش کردن دستگاه شیر گاز را محکم ببندید

محدودیت‌های روش طیف‌سنجی جذب اتمی:

AAS توانایی تعیین یک عنصر را در هر لحظه دارد. اما این تکنیک به کندی صورت می‌گیرد و برای آنالیز چند عنصر روشی بسیار طولانی و خسته کننده است. تغییرپذیری در غلظت نمونه می‌تواند مشکل‌ساز باشد، چون حدود دسترسی AAS بسیار محدود است.


نتیجه‌گیری:

درطیف‌سنجی جذب اتمی، عنصر مورد اندازه‌گیری باید به حالت اتمی کاهش یابد و سپس سر راه پرتو فرودی از منبع تابش مناسب قرار گیرد. با توجه به میزان جذب طیف عبوری از نمونه می‌توان مقاد‌یر عناصر فلزی و شبه ‏فلزی د‌ر ترکیبات معد‌نی طبیعی و سنتزی، فلزات و آلیاژها را اندازه‌گیری نمود. از مزایای عمد‌ه طیف‌سنجی جذب اتم، ارزان بود‌ن هزینه د‌ستگاه و آنالیز است.

فرآیند انجام کار:

  • • مراجعه دانشجو با معرفی‌نامه از دانشکده
  • • نوبت‌دهی براساس تعداد نمونه‌های دانشجو و امکانات آزمایشگاه
  • • تهیه محلول طبق دستور استاد مربوطه از نمونه ارائه شده توسط دانشجو جهت آنالیز با دستگاه جذب‌اتمی
  • • آنالیز نمونه‌ها با دستگاه جذب‌اتمی توسط کارشناس آزمایشگاه
  • • اعلام نتایج آنالیز به دانشجو
نحوه آماده‌سازی محلول‌ها برای تجزیه شیمیایی آهک و دولومیت توسط دستگاه جذب‌اتمی:
  • 1- HCL (امول): 86 میلی‌لیتر اسیدکلریدریک غلیظ را در یک بالن 1000 سی‌سی ریخته تا خط نشانه با آب‌مقطر رقیق می‌کنیم.

  • 2- KCL (5 درصد): 5/33 گرم kcl در یک بالن ریخته تا خط 1000 میلی‌لیتری با آب‌مقطر رقیق می‌کنیم.

  • 3- 25/0 گرم از پودر نمونه را با دقت وزن می‌کنیم (ترازو تا 4 رقم اعشار) و در یک بشر 30 یا 50 میلی‌‍لیتری می‌ریزیم.

  • 4- یک بالن 50 میلی‌لیتری را برداشته و مقدار 5 میلی‌لیتر از اسید کلریدریک یک مولار (مرحله A) در آن می‌ریزیم.

  • 5- کاغذ‌های صافی را تا کرده روی هسته بالون ژوژه یک قیف شیشه‌ای می‌گذاریم سپس کاغذ را خیس کرده روی قیف قرار می‌دهیم. پس از 2 ساعت محلول بشر را (مرحله 3) را به آرامی در بالن (مرحله 4) خالی می‌کنیم. توجه نمایید که باید بشر را با آب مقطر (کم) بوسیله آبفشان شسته و درون بالون خالی نمایید تا اثری از نمونه محلول شده در بشر باقی نماند. اکنون بالون ژوژه 50 میلی‌لیتری را تا خط نشانه با آب‌مقطر پر می‌کنیم یعنی به حجم می‌رسانیم.

  • 6- بالن ژوژه را برای مدتی به حالت ساکن می گذاریم تا تمام رسوبات نامحلول درون آن (در قیف) ته‌نشین شود. این محلول که 200 بار رقیق‌شده است برای محاسبه Mn ,Sr,Na ,Fe مورد استفاده قرار می‌گیرد. Mg و Ca برای تهیه محلول با غلظت 40000/1

  • 7- یک میلی لیتر از محلول داخل بالن ژوژه (مرحله 6) را با دقت زیاد برداشته و در ظرف بالن 250 میلی‌لیتری که حاوی 25 میلی‌لیتر kcl (مرحله B) است می‌ریزیم. محلول را تا خط 250 میلی‌لیتر (خط نشانه) با آب‌‌مقطر رقیق می‌کنیم. شیشه را به خوبی تکان می‌دهیم.

  • 8- یک بطری کوچک پلاستیکی را با دقت چندین مرتبه با آب مقطر شست‌وشو داده و بعد این بطری را از محلول موجود در ظرف 250 میلی‌لیتری (مرحله 1) پر می‌کنیم.

نکته مهم: باید دقت نماییم که دقیقاً 1 میلی‌لیتر از محلول 50 میلی‌لیتر را برداشت کنید و برای اطمینان از صحت درجه‌بندی پیپت 1 میلی‌لیتری باید پیپت را چندین بار با یک میلی‌لیترآب مقطر پر کنیم و مقدار آب را وزن کنیم. معدل این ارقام به‌عنوان رقم دقیق یک میلی‌لیتر در همه نتایج خوانده شده به وسیله دستگاه AAS باید تصحیح شود. (منظور این است که ممکن است واقعا شما یک میلی‌لیتر از محلول را بر‌نداشته باشید (مثلا 0.95 برداشته باشید).

محاسبه مواد نامحلول در اسید (ناخالصی کربنات‌ها):

بعد از اینکه F ،Na ،Si ،Mn  محلول را با استفاده از دستگاه AAS  خواندید رسوب ته‌نشین شده  درون بالن را باید از محلول جدا و خشک کرده و سپس دقیقا وزن نمایید. (ما این ناخالصی را  در ابتدا روی کاغذ صافی جدا کرده‌ایم. وزن کاغذ صافی را که از مجموع وزن کاغذ صافی و رسوبات روی آن کم کنیم وزن ناخالصی به‌دست می‌آید.) وزن حاصله را از 0.25 گرم نمونه کم کنید. زیرا این رسوب مواد نامحلول در اسید بوده که قطعاً کربنات نیست و باید این رقم در تمامی اعدادی که توسط AAS   قرائت کردیم تصحیح شود.

 2- کوره الکتریکی

کوره الکتریکی کوره آزمایشگاهی دستگاهی است که دارای محفظه‌ای کاملاً عایق شده با آجر نسوز و سیمان‌ نسوز و پنبه‌ نسوز می‌باشد. این محفظه توسط المنت‌های قوی در اطراف ویا سقف دستگاه، دمایی بالا تا حدود ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد و یا 1500 درجه سانتیگراد ایجاد کرده که جهت ذوب برخی مواد و نیز گرفتن خاکستر برخی دیگر از مواد کاربرد دارد. جنس بدنه خارجی از ورق روغنی با پوشش رنگ الکترواستاتیک می‌باشد. دقت نمایشگر در محدوده دمایی ۲۰۰ تا 1500 درجه سانت‌گراد حدود ۱۰ الی ۱۵ درجه می‌باشد.

3-آون: آون یا فور دستگاهی است که از آن برای استریل کردن استفاده می‌شود. از فور در دندانپزشکی، آزمایشگاه، درمانگاه، بیمارستان و هر جایی که نیاز به استریل کردن باشد (معمولاً) از این دستگاه استفاده می‌شود. البته از دستگاه‌های دیگری نیز (مانند اتوکلاو) برای استریل کردن استفاده می‌شود.

از «آون» یا «فور خشک کننده» در آزمایشگاه‌ها به منظور خشک کردن و استریل کردن ظروف شیشه‌ای و فلزی استفاده می‌شود. در برخی از آن‌ها، انتقال گرما به طور خود به خود و طبیعی صورت می‌گیرد؛ در حالی که در برخی انواع دیگر از این وسیله، انتقال گرما با استفاده از پنکه و یا از خاصیت سبک بودن هوای گرم و سنگین بودن هوای سرد، به‌منظور جابجایی هوای درون آون استفاده می‌شود. به طور معمول، آون‌ها در محدوده حرارتی بین دمای اتاق تا ۳۵۰ درجه سانتیگراد کار می‌کنند. اگرچه نوع موجود در این آزمایشگاه تا دمای 240 درجه سانتیگراد را تأمین می‌نماید. از آون‌ها با اسامی «آون هوای داغ»  و یا «گرم خانه» نیز یاد می‌شود.

 

«شکل 4: کوره الکتریکی»
 «شکل 5: آون آزمایشگاهی»