دستگاه آنالیز عنصری LIBS

دستگاه آنالیز عنصری LIBS چیست؟

دستگاه فروشکست القایی لیزری یا در انگلیسی LIBS مخفف عبارت Laser Induced Breakdown Spectroscopy است و یک ابزار قدرتمند برای تجزیه و تحلیل ترکیب عنصری مواد محسوب می شود. دستگاهی را تصور کنید که فقط با اشاره لیزر می تواند به شما بگوید که یک ماده از چه عناصری ساخته شده است. این در اصل کاری است که دستگاه LIBS انجام می دهد و ابزاری جذاب است که از قدرت لیزر برای فاش کردن اسرار عنصری مواد استفاده می کند.

اساس روش طیف سنجی فروشکست القایی لیزری یا LIBS

نحوه عملکرد روش طیف سنجی فروشکست القایی لیزری یا LIBS

روش طیف سنجی LIBS براساس رویدادها و اتفاقات فیزیکی زیر عمل می کند:

• پالس لیزری: قلب این روش طیف سنجی یک پرتو لیزر متمرکز است که به سطح نمونه تابیده می شود. این پالس لیزری یک معمولاً در محدوده مادون قرمز نزدیک قرار دارد و دارای انرژی زیادی است.
• فروشکست ماده: انرژی شدید لیزر با ماده نمونه برهمکنش می‌کند و باعث می‌شود بخش کوچکی از آن تبخیر یا دچار فروشکست شود. این پالس لیزر یک ناحیه میکروسکوپی از پلاسمای با دمای بالا ایجاد می کند.
• ایجاد پلاسما: پلاسمای ایجاد شده یک ناحیه داغ و متراکم از الکترون‌های آزاد، اتم‌ها و یون‌های برانگیخته از مواد تشکیل دهنده ماده است. پدیده تابش در پلاسما ناشی از عوامل مختلفی مانند فیزیک پلاسما (Plasma physics)، دینامیک Shockwave، شیمی دمای بالا (High Temperature Chemistry) و نشر اتمی (Atomic Emission) است.

• تابش نور: همانطور که اتم‌ها و یون‌های برانگیخته در پلاسما به حالت پایه خود باز می‌گردند، نور را در طول موج‌های مشخصی ساطع می‌کنند. این طول موج ها برای هر عنصر منحصر به فرد هستند و به نوعی به اثر انگشت آن ها شباهت دارند. به این ترتیب نور منتشر شده حضور عناصر مختلف درون ماده را تایید می کند.

• آنالیز طیفی: در این هنگام یک جزء سخت افزاری پیچیده به نام طیف سنج وارد عمل می شود. این جز نور ساطع شده از پلاسما را دریافت می کند و آن را به طول موج های تشکیل دهنده خود تفکیک می کند. دقیقاً مانند منشوری که نور سفید را به اجزای تشکیل دهنده خود تبدیل می کند.
• شناسایی عنصری: با تجزیه و تحلیل طول موج های شناسایی شده با استفاده از نرم افزارهای پیشرفته، دستگاه LIBS می تواند عناصر موجود در نمونه را شناسایی و کمیت کند. در این روش طول موج های شناسایی شده توسط طیف سنج، با کتابخانه ای از طیف های عنصری شناخته شده به مقایسه گذاشته می شود.

طرز کار دستگاه لیبز (LIBS)

در کل نحوه عملکرد دستگاه های LIBS را می توان در رویدادهای زیر خلاصه کرد:

تابش پالس لیزر: یک منبع لیزر، پرتوی متمرکزی را بر روی سطح نمونه می تاباند.

تشکیل پلاسما: انرژی شدید لیزر یک ناحیه کوچک و داغ به نام پلاسما ایجاد می کند که از اتم ها و یون های برانگیخته نمونه تشکیل شده است.

تابش پلاسما: همانطور که پلاسما سرد می شود، این عناصر برانگیخته نور را در طول موج های خاص منتشر می کنند که برای هر عنصر منحصر به فرد است؛ مشابه با اثر انگشت در انسان که افراد را از یکدیگر متمایز می کند.

آنالیز طیف نور تابش یافته: یک طیف سنج این نور ساطع شده را دریافت می کند و آن را به طول موج های سازنده آن جدا می کند.

شناسایی عناصر ماده: با تجزیه و تحلیل طول موج های شناسایی شده، دستگاه LIBS عناصر موجود در نمونه را شناسایی و کمیت می کند.

عناصر قابل شناسایی با دستگاه LIBS

LIBS در تجزیه و تحلیل انواع گسترده ای از عناصر، از جمله برخی که شناسایی آن ها برای تکنیک های دیگر مانند XRF چالش برانگیز هستند، برتری دارد. در اینجا به بررسی قابلیت های این روش طیف سنجی می پردازیم:

نمونه ای از دستگاه آنالیز عنصری LIBS

LIBS در تشخیص عناصر سبک تر عملکرد بسیار خوبی دارد. این گروه از عناصر هیدروژن (H)، بریلیم (Be)، لیتیوم (Li)، کربن (C)، نیتروژن (N)، اکسیژن (O)، سدیم (Na) و منیزیم (Mg) را شامل می شود. این عناصر دارای اعداد اتمی پایینی هستند و اشعه ایکس معرف آنها اغلب ضعیف است که همین موضوع تشخیص آنها با روش XRF را دشوار می کند.

LIBS قادر است به طور موثر اکثر عناصر جدول تناوبی را شناسایی کند. این موضوع آن را به ابزاری همه کاره برای آنالیز مواد مختلف، از فلزات و آلیاژها گرفته تا بافت‌های بیولوژیکی، خاک‌ها و حتی مایعات تبدیل می‌کند. در حالی که حساسیت اندازه گیری این روش طیف سنجی به نوع عنصر هدف و دستگاه وابسته است، LIBS معمولاً برای بسیاری از عناصر حد تشخیص قسمت در میلیون (ppm) را ارائه می دهد. این بدان معنی است که LIBS می تواند حتی مقادیر بسیار کم از عناصر موجود در یک نمونه را شناسایی کند.

مزایای روش طیف سنجی LIBS

LIBS یک راه سریع، همه کاره و دقیق برای شناسایی ترکیبات عنصری مواد مختلف ارائه می دهد. همچنین قابل حمل بودن سبب شده است آن برای کاربردهای میدانی مختلفی ایده آل باشد. در حالی که XRF ممکن است در اندازه گیری کمی برخی از عناصر دقت بالاتری را ارائه دهد، LIBS به دلیل توانایی در تجزیه و تحلیل عموم عناصر به ویژه عناصر سبک و طراحی کاربر پسند محبوبیت بیشتری دارد.

از میان مهم ترین مزایای این روش طیف سنجی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

همه کاره بودن: LIBS می تواند طیف وسیعی از مواد از جمله فلزات، آلیاژها، مواد معدنی، خاک، نمونه های بیولوژیکی و حتی مایعات را تجزیه و تحلیل کند. این روش یک ابزار همه کاره واقعی برای تجزیه و تحلیل ترکیبات عنصری است.

نیاز به زمان بسیار کم برای آماده سازی مواد آزمایش: بر خلاف برخی از دیگر روش ها، LIBS اغلب به حداقل زمان لازم برای آماده سازی نمونه ها نیاز دارد. حتی می توان برخی نمونه ها را بدون آماده سازی توسط این روش مورد بررسی قرار داد. این موضوع آن را برای کاربردهای میدانی که پردازش نمونه ممکن است امکان پذیر نباشد، ایده آل می کند.

سرعت آنالیز سریع: فرآیند تجزیه و تحلیل در این روش بسیار سریع است و معمولاً نتایج را در عرض چند ثانیه ارائه می دهد. این موضوع امکان تصمیم گیری سریع در آزمایش ها را فراهم می کند.

قابلیت حمل پذیری: بسیاری از ابزارهای LIBS جمع و جور و فشرده هستند؛ به همین دلیل برای تجزیه و تحلیل در محل در مکان های مختلف بسیار ایده آل محسوب می شوند.

کاربرد دستگاه های LIBS

قابلیت های متنوع LIBS سبب شده است این روش طیف سنجی کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف داشته باشد. از میان مهم ترین آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• آنالیز فلزات و آلیاژهای مختلف: شناسایی ترکیب عنصری فلزات و آلیاژها برای کنترل کیفیت، مرتب سازی و تجزیه و تحلیل آن ها
• اکتشاف در معادن: تجزیه و تحلیل سریع سنگ ها و کانی ها به منظور شناسایی و اکتشاف مواد معدنی
• پایش محیطی: ارزیابی نمونه‌های خاک و آب برای تشخیص آلاینده ها و پایش محیطی
• حفاظت از میراث فرهنگی: تجزیه و تحلیل آثار تاریخی و آثار هنری برای تعیین ترکیب و اصالت آنها
• تجزیه و تحلیل دارویی: تأیید ترکیب عنصری داروهای دارویی برای کنترل کیفیت و تایید روش های تولید

مقایسه دستگاه های LIBS و XRF

XRF (فلورسانس اشعه ایکس) یکی دیگر از تکنیک های محبوب برای آنالیز عنصری است که در برخی از قابلیت ها با روش طیف سنجی LIBS تفاوت دارد. این موضوع سبب شده است که هرکدام از روش های LIBS و XRF برای کاربردهای گوناگونی مناسب باشند. جدول زیر به صورت خلاصه قابلیت های مختلف این دو روش را با یکدیگر مقایسه می کند.

مقایسه دستگاه های LIBS و XRF

قابلیت	طیف سنجی LIBS	طیف سنجی XRF
روش آنالیز	استفاده از لیزر	استفاده از پرتوی X
زمان لازم برای آماده سازی نمونه	بسیار کم و در حد صفر	در حد تمیزکاری سطح نمونه
زمان لازم برای آنالیز مواد	سریع و در حد چند ثانیه	سریع و در حد چند ثانیه
امکان استفاده به صورت پرتابل	بله	بله
عناصر قابل شناسایی	بسیار گسترده، برای عناصر سبک نیز قابل استفاده است	عملکرد بهتر در شناسایی عناصر سنگین
موارد حفاظتی موردنیاز در هنگام استفاده	نیازمند محافظت از چشم	نیازمند تجهیزات محافظ عادی
دقت	دقت خوب برای اندازه گیرهای کمی و کیفی	دقت بهتر در اندازه گیری های کمی

در کل باید گفت در موارد زیر استفاده از روش طیف سنجی LIBS بهتر است:

• اگر باید عناصر سبک تری مانند لیتیوم (Li) یا بریلیم (Be) را که شناسایی آن ها برای XRF دشوار هستند، تجزیه و تحلیل کنید.
• اگر قابل حمل بودن بسیار مهم است. ابزارهای LIBS اغلب قابل حمل و سبک هستند و به حداقل تنظیمات نیاز دارند.
• اگر سرعت تجزیه و تحلیل مهم است. نتایج LIBS معمولاً در چند ثانیه به دست می‌آیند.
• اگر زمان آماده سازی نمونه مهم است. روش LIBS معمولاً به تمیز کردن گسترده سطح نمونه نیاز ندارد.
• اگر ایمنی روش طیف سنجی دارای اهمیت است. LIBS بر خلاف XRF شامل پرتوهای یونیزه نمی شود.

در موارد زیر نیز استفاده از روش طیف سنجی XRF توصیه می شود:

• اگر برای تجزیه و تحلیل کمی، به ویژه برای عناصر سنگین، به دقت بالایی نیاز دارید.
• اگر در حال تجزیه و تحلیل مواد همگن مانند پودرها یا مایعات هستید. XRF می تواند این موارد را بهتر تجزیه و تحلیل کند.
• اگر از رعایت ایمنی نگرانی ندارید. XRF نیازمند رعایت ایمنی مربوط به استفاده از دستگاه های ساطع کننده اشعه ایکس است.

تجزیه و تحلیل ترکیبی: در برخی موارد حتی می توان آزمایش ها را با ترکیب هر دو روش طیف سنجی انجام داد. به عنوان مثال، می‌توان از LIBS برای غربالگری اولیه و شناسایی سریع عناصر موجود و به دنبال آن از XRF برای تعیین کمیت دقیق‌ آن ها استفاده کرد.