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 max λ عن طريق تغيير الفلاتر حتي يحدث اكبر امتصاص وذلك بوضع عينة ملونة
Filter Monochromater
|
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 phototube حيث تعمل طبقا لظاهرة التأثير الكهروضوئي photoelectric effect حيث 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 معلومة من 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 "
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 I ويقوم 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 λmax 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 λmax 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 slit وبين 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 λmax (أو اختيار فلتر ) ثم حساب Io 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 C ونري 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
