معايرة طرق التحليل في أجهزة قياس الطيف المرئي(Standardization )

Spectrophotometric analysis Standardization(part 1)....1

معايرة طرق التحليل في أجهزة قياس الطيف المرئي(الجزء الأول)

 للتحميلpdf اضغط هنـــــــــــــــا

 

بسم الله الرحمن الرحيم

اولا : مقدمة :

في هذه الصفحات سنحاول معا ايجاد حل لضبط وتصحيح بعض الأخطاء في عملية  قياس بعض العناصر أو الانيونات وذلك عند استخدام الأجهزة الطيفية وخاصة  الاسبكتروفوتوميتر كما أن الكثير من الأجهزة ربما توجه نفس الصعوبات  مثل الأجهزة التي تعتمد علي   voltametry , potontiometry , coloumetry   اوعندما يستخدم  كاشف (detector) احد التقنيات السابقة  لتحديد التركيز  في أجهزة  chromatography  , capillary electrophoresis   الخ . .لكننا سنقتصر حاليا علي أحد هذه الأجهزة كمثال أكثر انتشارا في المعامل وهو الاسبكتروفوتوميتر .

سنتناول تركيب الاسبكتروفوتوميتر وذلك من أجل فهم أعمق للعملية

 

ويتكون الاسبكتروفوتوميتر ببساطة من :

1)  مصدر للضوء :وهو إما لمبة التنجستين وهي لمبة عادية تضئ في تنطاق الضوء المرئي  عندما يمر تيار كهربي في خيط التنجستين أو قد تكون لمبة الهيدروجين/ديوتيريوم وهي تشع في نطاق الاشعة الفوق بنفسجية وتحديد من 190-400 نانوميترأو يمكن استخدام الليزر وهي يعطي ضوء موحد عالي النقاء.

2)  الموحد اللونيMonochromater  : هو في الأجهزة القديمة عبارة عن فلتر ملون يسمح بمرور فقط شعاع ملون بلون الفلتر  ويتم تحديد _maxλ عن طريق تغيير الفلاتر حتي يحدث اكبر امتصاص وذلك بوضع عينة ملونة

Filter Monochromater

فمثلا عندما تكون العينة ملونة بالأحمر نستخدم فلتر ملون بألاخضر وهو يعطي  طول موجي في حدود من 500- 580  نانوميتر وهي طريقة غير دقيقة  وضعيفة الحساسية .

 

أما في الأجهزة الحديثة فهو قد يكون  منشور ثلاثي prism   حيث عندمايمر ضوء خلاله ينكسر الضوء الأبيض متحلالا الي الوان الطيف نتيجةأن لكل لون معامل انكسار مختلف وبالتالي زاوية انحرف تكون مختلفة عن الأخر حيث أقل الألوان في الانحراف هو الضوء الأحمر بينما الأكبرفي الأنحراف هو  الضوء البنفسجي  وبوضع شريحة بها شق صغير  يمكن اختيار اللون المناسب الذي يحقق _max λ و حجب باقي الألوان

 

وقد يكون الموحد اللوني هو محزوز انحراف grating  حيث بتغيير زاوية السقوط علي المحزوز يحدث تداخل بناء وأخر هدام  نتيجة الاختلاف في سرعة الاشعة وهو ما يؤدي الي تفريق لوني بين الالوان

 

3) شقوق الدخول والخروج entrance and exitance   :وهي شقوق تستخدم في التحكم عرض الموجة لمزيد من  التفريق اللوني color differentiation وهو  ما يؤدي  الي  تحسين  نسبة  الإشارة إلي الضوضاء في عملية الكشف Signal to noise ratio improvement

4) خلية العينة sample cell  :وهي عبارة  -في الغالب- عن وعاء من الزجاج أو الكوارتز  مساحة قاعدته واحد سنتيمتر مربع وارتفاعة حوالي 5 سنتيمتر وقد يصل عرضها الي 5 سنتيمتر وهو أفضل لزيادة الحساسية

5 ) الكاشف  detector : وهو القطعة المخصصة للكشف عن شدة الضوء الساقط  الذي بدوره يعبر عن مدي الامتصاص في خلية العينة وهو قد يكون أنبوبة الكشف عن الفوتونات الضوئية phototubeحيث تعمل طبقا لظاهرة التأثير الكهروضوئي photoelectric effectحيث عندما يسقط ضوء علي المهبط cathode  تستحث الالكترونات علي سطحه وتتحرر في اتجاه المصعد anode  تحت تأثير فرق الجهد  ويتناسب عدد الالكترونات المتحررة تناسبا طرديا مع شدة الضوء الساقط علي المهبط

 

وقد يكون الكاشف عبارة عن مضاف الالكترونات photomultiplier

وهو يعمل بنفس المبدأ السابق فيما عدا إن الالكترونات الناتجة من المهبط يتم مضاعفتها مرات عديدة  وذلك لتحسين الحساسية  ويسمي الكاشف احيانا  بالمحول transducer   لأنه يحول إشارة الأستجابة response signal  من اشرة ضوئية إلي إشارة كهربية يسهل التعامل معها

6) المسجل recorder  : وهو أختيارى optional  يعني انه  من كماليات الجهاز وقد يكون جهاز كومبيوتر  خارجي أو جهاز كومبيوتر مصغر مدمج مع الجهاز  حيث انه يريح في عملية تسجيل نقاط  الاستجابات مقابل كل تركيز تم قياسه ويقوم بعمل العمليات الرياضية ليحسب الخطية والميل والجزء المقطوع من أي المحورين  وهكذا  ويحفظها لحين استدعائها مرة أخري مما يفيد في اقتصار الوقت والاستفادة من البيانات السابقة .

ثانيا : عملية معايرة طرقة التحليل :

والآن لنتخيل الوضعي الحقيقي  لما يحدث عند رسم منحنى في احد أجهزة  الأطياف الذرية نبحث عن اركان رسم  منحنى في هذه الأجهزة

1)       تركيزات معلومةمن مادة قياسية متدرجة التركيز ( 1 ,2,3 ppm …..etc)

2)   استجابة " Response)  للمحلول علي شكل تدرج في اللون طبقا للتركيز عند اضافة مادة مُلَوِنَة  "كإضافة أحد الصبغات "  مثل اضافة صبغة الايروكروم للكشف عن الالومنيوم ....

أو ناتج مركب ملون " كإنشاء متراكب ملون "   مثل Fe(CN)₆^-3 عند إضافة محلول ثيوسيانات البوتاسيوم للكشف عن تركيز الحديد  أو  انتاج مادة مُلَوَّنَة  مثل برمنجنات البوتاسيوم KMnO₄ عند اكسدة المنجنيز الثنائي بعامل مؤكسد قوي مثل persulfate  في وجود حمض النيتريك  وذلك للكشف عن تركيز المنجنيز

3)       بلانك " عينة تحتوى على صفر من التركيز وذلك لغرض التصفير zeroing

ولفهم واستيعاب  ما يجري  عند رسم منحنى  يجب الإشارة إلى قانون هام ألا وهو قانون بير لامبرت beer-lambert

وهو يصف العلاقة بين التركيز  والامتصاص "كأحد صور الاستجابة "

A= ЄlC

Where : Є : absorptivity  ( or molar absorptivity if concentration in M)

L: length of cell path (cm )

C : concentration

والامتصاص يساوي لوغاريتم مقلوب النفاذية أو السماحية transmittance (T)

A =Log(١/T) 

A=-log(T) 

حيث I  هو شدة الضوء بعد الامتصاص "بعد المرور من خلية القياس" و  I₀هو شدة الضوء قبل الامتصاص " قبل المرور من خلية القياس "

والشكل التالي يوضح آلية الامتصاص حيث يمر شعاع ذو كثافة ضوئية I₀  في خلية طول ممر الضوء فيها 1 سم  ويخرج من الجانب الأخر وكثافته الضوئية أصبحت I  حيث امتصت الجزيئات  طولا موجيا  لأحد الألوان المكملة للون المحلول في الخلية

 

كيف يحسب الجهاز  I₀  و  I  ؟

1)       عندما نضع البلانك . في خلية القياس  :

المفروض انه لا يحتوى علي أى  تركيز  من المادة  المراد  قياس تركيزها وبالتالي  في حالة عدم وجود تداخلات فإن  الشعاع الضوئي الساقط  ينفذ من الخلية كما هو  وبالتالي فإن الكاشف detector   يسجل شدة الضوء علي انها  I₀  ويقوم بحفظها في ذاكرة برنامج الجهاز  وبالتالى هذه الخطوة  خطيرة جدا  ويجب الحذر تماما  عند  الوصول اليها

2)   عندما  نضع  محلول آخر في خلية القياس  يحتوى  على تركيز معين من المادة المراد قياسها سيحدث  امتصاص لجزء من الضوء ويمر جزء آخر دون امتصاص وسيسجل الكاشف شدة الضوء  Iويقوم  بحساب  الامتصاص  بهذا الشكل :

A =Log(١/T) 

T=I/I0

ومزيدا من التفصيل في النقطة 2  نريد أن نوضح جزئية هامة جدا وهي :

برز مصطلح  λ_max كمفهوم يوضح ضرورة عمل مسح للطول الموجي علي المادة الملونة وذلك للوقوف عند أعلي امتصاص  لها حيث إن أعلي امتصاص للمادة يزيد من حساسية الكشف عنها من بين باقي الايونات بالإضافة الي تقليل تأثير المتداخلات interferences

والشكل المقابل يوضح منحني الطول الموجي –امتصاص (specrum  )

وذلك لمتراكب ferrous o-phenanthrolinate   وذلك عند اضافة مركب الفينانثرولين للكشف عن الحديد الثنائي ويوضح أن أعلي امتصاص يكون عند 510-520  نانوميتر

كيف يحدث امتصاص ؟

بساطة اى ذرة تتكون من مستويات ذرية كلمنها يحتوي علي مستويات فرعية  ونفس الحال بالنسبة للمركبات حيث يكون هناك ما يسمي بالاوربيتلات الجزيئية  يحدث انتقال لألكترون أو أكثر بين هذه المستويات وذلك بعد امتصاص جزء من طاقة الضوء المار عليه مما سيقلل من شدة الضوء المار light intensity

ويجب التفرقة بين λ_max  وشدة الضوء  حيث الأول تعبر عن أفضل طول موجي يتفاعل مع الذرة وذلك لأعتبرات كثيرة وأهمها طبيعة استجابة الذرة أو المركب عند امتصاص جزء من الضوء هل سيدور ام سيتذبذب وذلك بناء علي الخاصية في الذرة التي ستتأثر بهذا الضوء

فمثلا عند مرور ضوء في نطاق المايكروويف فإن الجزيء سيدور حول نفسه affect rotational levels on molecule

وعند مرور ضوء في نطاق الاشعة تحت الحمراء فإن الجزئ سيتذبذب  affect vibrational levels in molecules

وعند مرور ضوء في نطاق الاشعة تحت البنفسجية أو الضوء المرئي فإن الألكترونات في الاوربتالات الخاصة بالجزئ أو الذرة سوف تنتقل من مستوي أقل الي مستوي أعلي وهكذا.

 

والشكل التالي يوضح أكثر

أما شدة الضوء فهي  تعبر عن عرض حزمة الضوء يعني أن الضوء يزيد شدة (بغض النظر عن الطول الموجي ) كلما كثرت الاشعة المارة في حيز عرض معين band width   ويجب ملاحظة أن هناك بعض المفاهيم التي تربط بين عرض الموجة band width   والذي يتحدد بواسطة شق يقع بين مصدر الضوء والعينة slitوبين حساسية الجهاز  فمثلا كلما زادات عرض الموجة زادت الحساسية ولكن يزيد تأثير المتداخلات  وفي نفس الوقت .

ونقطة أخري فإن شدة الضوء تختلف عن طاقة الضوء  حيث أن طاقة الضوء تزيد كلما زادة تردد الضوء حسب قانون بلانك  E=hν                          أو   E=hc/λ  يعني كلما قصر الطول الموجي زادت طاقة الضوء

يعني تأثيره علي الجزيئات كما في الشكل السابق .

ملحوظة : في الأجهزة القديمة  كل شئ كان يحسب بواسطة المستخدم  بداية  بتحديد الطول الموجي  الذي سيحدث عنده أكبر امتصاص  λ_max ­ (أو اختيار فلتر )  ثم حساب I_o  و  I  ويحسب التفاذية  ولوغاريتم مقلوبها  وصولا إلى الامتصاص   وهذه  في كل تركيز  إلى إن ينتهي من رسم  منحنى معايرة القياس Calibration curve.

( طبعا  نتقدم بالشكر لمصنعي الأجهزة الحديثة ... رحمونا من كل هذه الحسابات !!!!)

اولا : رسم منحنى المعايرة calibration curve

بشكل عام  سيكون المنحنى بين التركيز وسيكون على المحور الافقي "السيني"  وبين  الاستجابة response   علي المحور الصادي   حيث نأخذ سلسلة من القياسيات  Cونري الاستجابة المقابلة لها

نجمع البيانات في جدول كالمقابل

مسلسل	التركيز (C)	الاستجابة (R)
1
2
3
4
5

نرسم علاقة بيانية بين التركيز والاستجابة  وسيظهر الشكل المقابل وهو عبار عن خط مستقيم  ميله هو

 

وإذا كان يمر بنقطة الأصل فستكون معادلته هي :

C= F × A ……..(1)                    , F= 1/m

ث