روش‌های طیف‌سنجی بر اساس پلاسمای جفت شده القایی

• طیف‌سنجی گسیلی پلاسمای جفت‌شده القایی (ICP-OES)

Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP-OES)

آنالیز ICP OES از جمله روش‌های طیف‌سنجی گسیل اتمی است که برای آنالیز همزمان عناصر در بافت‌های مختلف استفاده میشود. در این روش از طریق ایجاد القای الکترومغناطیسی، محیط گرم پلاسمایی ایجاد می‌شود و سپس به کمک پلاسمای تولید شده توسط یک گاز نجیب، یونیزاسیون نمونه ها انجام می‌شود. طیف گسیلی از یون‌های نمونه از طریق آشکارساز اپتیکی ثبت می‌شود. قسمت‌های اصلی تشکیل دهنده دستگاه شامل بخش ورود نمونه (پمپ، مه‌پاش، محفظه افشانه)، مشعل، مولد فرکانس رادیویی، طیف‌سنج نوری، آشکارساز، پردازشگر می‌شوند. 

• طیف‌سنجی جرمی پلاسمای جفت‌شده القایی (ICP-MS)

Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS)

آنالیز ICP MS یکی از روش‌های طیف‌سنجی جرمی است که برای تعیین غلظت تعداد زیادی از فلزات و نافلزات استفاده می‌شود. در این روش از طریق القای الکترومغناطیسی، توسط یک گاز نجیب محیط پلاسمایی ایجاد می‌شود. یونیزاسیون نمونه‌ها در این روش به کمک پلاسمای تولید شده صورت می‌گیرد و سپس یون‌های نمونه از طریق آشکارساز جرمی تفکیک و آشکار می‌شوند. این روش قادر است تا غلظت عناصر را تا حد ۱۲-۱۰ (ppb) نشان دهد. بنابراین این روش دقت و حساسیت بسیار بالایی دارد (حساستر نسبت به OES). قسمت‌های اصلی تشکیل دهنده دستگاه عبارتند از بخش ورود نمونه (پمپ، مه‌پاش، محفظه افشانه)، مشعل، مولد فرکانس رادیویی، سیستم جداسازی یون‌ها، طیف‌سنج جرمی، آشکارساز، پردازشگر.

همانطور که در تصاویر بالا مشخص است، تفاوت دو تکلنیک در بخش نحوه اشکارسازی یون های نمونه مورد نظر است.

• در روش طیف‌سنجی گسیلی پرتوهای نور ساطع شده از عناصر یونیزه شده پس از عبور از یک تکفام‌ساز (Monochromator) به یک آشکارساز فزون‌ساز نوری (Photomultiplier) می‌رسند تا مقدار آن اندازه‌گیری شود. با رسم منحنی شدت خطوط طیفی حاصل از دستگاه، بر حسب غلظت عنصر مورد نظر (منحنی کالیبراسیون) می‌توان غلظت عناصر را به راحتی تعیین کرد. بدین ترتیب امکان تشخیص و اندازه گیری غلظت عنصر مورد نظر را فراهم می‌شود.

• در روش طیف‌سنجی جرمی، یون‎های آنالیت باید به سمت طیف‎‌سنج جرمی هدایت شوند. به منظور برقراری ارتباط پلاسمای جفت‌شده القایی با طیف‌سنجی جرمی، با عبور بخشی از یون‌های تولید شده از درون دو حفره با قطرهای ۱ و 0/4 میلیمتر، خلاء لازم برای ورود نمونه به طیف‌سنج جرمی فراهم می‌شود. قبل از جداسازی جرمی باریکه‌‎ یون‎‌های مثبت خارج شده از پلاسما، باید یون‎ های آنالیت را از سایر اجزا مزاحم، از جمله یون‎‌های خنثی و ذرات جامد ناخواسته وارد شده به ICP جدا کرد. پس از حذف مزاحمت‎ ها، یون‎ها براساس نسبت جرم به بار (m/z) جداسازی و توسط آشکارساز فزون‌ساز نوری (Photomultiplier) شناسایی می‌‎شوند. برای تجزیه و تحلیل کمی، مقدار فراوانی به دست آمده برای یون خاص را به غلظت آن‌ گونه نسبت می‎دهند. آنالیز داده‌‎ها توسط برنامه‌‎‌های کامپیوتری انجام می‎‌گیرد.

پلاسمای جفت شده القایی   Inductively Coupled Plasma (ICP)

روش یونیزاسیون نمونه در هر دو دستگاه وابسته به آنالیز ICP است. ICP یکی از مهم‌ترین روش‌های دستگاهی اندازه گیری عناصر است. از این روش میتوان حدود 70 عنصر مختلف را در بافت‌ها شناسایی کرد.  ICPبه دلیل تطبیق پذیری و تکرارپذیری در بسیاری زمینه‌ها استفاده می‌شود. سیستم پلاسمای جفت شده القایی (ICP) از یک مشعل با سه لوله متحد المرکز از جنس کوارتز تشکیل شده‌است. درون هر لوله گاز آرگون (با سرعت‌های متفاوت) جهت خنک کردن و انتقال نمونه به درون پلاسما جریان دارد. در بالای بلندترین لوله مشعل، یک سیم‌پیچ‌ القایی (Induction Coil) وجود دارد که نیروی آن توسط یک ژنراتور امواج رادیویی (RF Frequency Generator) تأمین می‌شود. سیم‌پیچ‌ها می‌توانند به سه شکل تخت، مارپیچی و حلزونی باشند. هنگامیکه یک جریان الکتریکی متغیر با زمان از درون سیم‌پیچ می‌گذرد یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان در اطراف آن پدید می‌آید که باعث القا میدان الکتریکی در گاز آرگون و یونیزه‌شدن آن می‌شود. یون‌ها (ذرات دارای بار الکتریکی) و الکترون‌های حاصل از یونیزاسیون با میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم‌پیچ‌ القایی برهمکنش می‌دهند و در نهایت سبب ایجاد جریان الکترون‌ها و یون‌ها در مسیرهای ∞ شکل و تشکیل پلاسما می‌شود. اتم‌های یونیزه نشده آرگون در درون پلاسما دراثر برخورد با یون‌ها، یونیزه شده و بدین ترتیب محیط پلاسما در طول آزمایش پایدار باقی می‌مانند. دمای پلاسما بین ۶۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ درجه کلوین (نزدیک به سطح خورشید) و انرژی ذرات مورد آزمایش در این دما بین ۶ تا ۱۰۰ الکترون‌ولت متغیر است.

ورود نمونه: همانطور که گفته شد نمونه پساز ورود به کمک گاز آرگون به قسمت بالای لوله‌ها که حاوی پلاسمای داغ است هدایت می‌شود. در تکنیک ICP، وارد کردن نمونه به روش‎‌های مختلفی انجام می‎‌شود. مرسوم‎ترین روش ورود نمونه، استفاده از یک مه‎پاش است. وسیله ‎ای که به کمک آن محلول‌ها را به Aerosol یا پودر بسیار ریز تبدیل می‎کنند و سپس ائروسل وارد مشعل شده و پس از تبخیر در گرمای بسیار زیاد، تحت تأثیر انرژی الکترون‌ها و یون‌های محیط به اتم‌های تشکیل دهنده خود تبدیل و در نهایت در محیط بسیار گرم پلاسما برانگیخته می‌شوند. روش دیگر ورود نمونه، استفاده از لیزر است. در این روش با استفاده از لیزر، نمونه به شکل ابر پر مانندی در آمده و به درون پلاسما وارد می‌‎شود. معمولاً برای نمونه‎‌های جامد از این روش استفاده می‎شود؛ هر چند که استفاده از این روش مشکلاتی از جمله تهیه استاندارد در آنالیزهای کمی را دربر دارد.

روش‌های تهیه یون نمونه: در ICP منبع تولید یون، پلاسمای آرگون با دماهای بالا است. ابتدا، پلاسما تشکیل و سپس نمونه به داخل پلاسما مه‌پاشی می‌شود و در نتیجه بر اثر دمای بالای پلاسما، تبخیر و یونیزه می‌شود. دمای بالای پلاسما شرایط لازم را برای تبدیل مقدار زیاد از نمونه به یون، فراهم می‌کند. مقدار این تبدیل، به انرژی یونش بستگی دارد. روش‎های دیگری مثل تبخیر الکترودمایی و تبخیر درون مشعل نیز وجود دارند که در آن از یک سطح داغ برای تبخیر و ورود نمونه استفاده می‌‎شود. استفاده از گاز آرگون برای تولید پلاسما به دو دلیل است، اول به دلیل فراوان بودن گاز آرگون، استفاده از آن ارزان‌تر از بقیه گازهای نجیب است. دوم اینکه اولین پتانسیل یونش آن بالاتر از عناصری مانند هلیم، فلوئور و نئون است، بنابراین واکنش الکترون‌گیری آرگون، راحت‌تر از الکترون‌گیری سایر عناصر است. در نتیجه یون فلزی مورد نظر، مدت زمان بیشتر در محیط می‌ماند. در مقایسه با روش‌های دیگر، ICP روشی حساس‌تر، با تکرارپذیری بالاتر به خاطر دمای ثابت محیط آزمایش است. چون در این روش الکترودها کاملاً خارج از منطقه تحریک اتم‌ها هستند، احتمال مزاحمت‌های شیمیایی در آن بسیار پایین بوده زیرا محیط شیمیایی خنثی و بدون اکسیداسیون است. در نتیجه، زمان ماندگاری بالا و حساسیت اندازه‌گیری بیشتر می‌شود. در مقابل این روش، پلاسمای جفت شده خازنی  (Capacitively Coupled Plasma (CCP)) وجود دارد که الکترودهای آن درون منطقه تحریک اتم‌ها و تماس با پلاسما قرار می‌گیرد.

همانطور که گفته شد در روش طیف‌سنجی جرمی، پیش از جداسازی جرمی باید یون‌های مثبت از یون‌های خنثی و ذرات جامد، جدا شوند. شرکت‎های تجاری مختلف از تکنیک‎های متفاوتی به این منظور بهره می‎برند؛ برای مثال شرکت اجیلنت (Agilent) از لنز امگا (Omega Lens) استفاده می‎کند. تکنیک‌های مرسوم دیگری از جمله استفاده از هدایت‎گرهای یونی (چهار قطبی، شش قطبی و …) نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای این کار از دو روش کلی استفاده می‌شود:

• استفاده از سلول‌های واکنشی/برخوردی (Collision/Reaction cell) که در آن یون‌های خارج شده از پلاسما از طریق چند فیلتر به درون طیف‌سنج جرمی که معمولاً به صورت چهار قطبی (Quadrupole) است وارد می‌شود. این روش با نام‎های تجاری مختلفی در بازار موجود است. برای مثال شرکت پرکین المر (Perkin Elmer) از این نوع سل قبل از جرم‌‎سنج چهار قطبی استفاده می‎کند.

• استفاده از فضای واکنشی/برخوردی (Collisional Reaction Interface) که در این روش یون‌های مزاحم با ورود گاز برخوردی (مانند هلیم) یا گاز واکنش‌دهنده مانند هیدروژن یا مخلوطی از این دو، از فرایند حذف می‌شود.