طیف‌ سنجی فروشکست القایی لیزری (LIBS)

اسفند ۶, ۱۴۰۱
هاله کرد حقی-کارشناس ارشد فتونیک
بدون نظرات

طیف‌سنجی فروشکست القایی لیزر یا لیبز (LIBS) روشی است که در آن می‌توان عناصر یک نمونه را به صورت هم‌زمان و با سرعت بسیار بالا (در حد ثانیه) شناسایی کرد. در ادامه قصد داریم تا این تکنیک را بررسی کنیم. علاوه بر آن در این مقاله به معادله شدت تابش پلاسمای LIBS پرداختیم. با ما همراه باشید تا با طیف‌سنجی عنصری لیبز بیشتر آشنا شوید.

طیف‌سنجی فروشکست القایی لیزر یا (Laser Induced Breakdown Spectroscopy(LIBS، یک روش قدرتمند برای آنالیز عنصری انواع نمونه‌ها است. این تکنیک محدود به فاز ماده نیست و می‌تواند نمونه‌های جامد، مایع و گاز را با سرعت بالایی آنالیز کند. در ادامه، این روش طیف‌سنجی را بیشتر شرح خواهیم داد. اگر در هر قسمت سوالی داشتید می‌توانید با کارشناسان شرکت تکسان در ارتباط باشید.
در ابتدا، توضیح مفاهیم LIBS را با معادله آن آغاز می‌کنیم. به این دلیل که در آن بعضی از مفاهیم کلیدی گنجانده شده است تا در ادامه از آن‌ها استفاده کنیم. اما نگران این روابط پیچیده نباشید. ما تنها به مفهوم آن می‌پردازیم.

معادله LIBS

تمام تحلیل‌های تابش پلاسمای LIBS بر اساس معادله زیر است:

که پارامترهای موجود در آن را به شما معرفی خواهیم کرد.
I= شدت
?= ضریب مقیاس (Scaling factor)
T= دما
U(T)= تابع پارتیشن (Partition function)
A_κi= ضریب انیشتین برای گذار
g_κ= پایین‌ترین سطح تبهگنی (Degeneracy)
E_κ= بالاترین سطح انرژی
E_i= پایین‌ترین سطح انرژی
κ= ثابت بولتزمن
Δυ_D= پهنای خط دوپلر
N= تعداد اتم‌های عنصر در پلاسما یا نمونه
l= طول مسیر جذبی (اندازه پلاسما)
K(a,x)= شکل پیک (a پهنای گوسی و x پهنای لورنتزی)
بعد از ساده سازی، معادله به شکل زیر خواهد بود:

در این معادله C، غلظت یک المان در نمونه است.
با جای گذاری بسط تیلور در معادله بالا خواهیم داشت:

بسط تیلور

در واقع می‌توان گفت که در بسیاری از موارد فقط از عبارت اول استفاده می‌شود. رابطه زیر همان معادله LIBS است.

موردی که در مبحث LIBS باید به آن توجه کنیم شدت پیک‌های آن است. زیرا شدت یک قله می‌تواند اطلاعات سودمندی را ارائه دهد. این اطلاعات به شرح زیر است:

شدت یک پیک با غلظت عناصر گروه اول در جدول تناوبی رابطه خطی و مستقیم دارد.
شدت پیک به ویژگی‌های سیستم‌های جمع‌کننده نور مانند اسپکترومتر و فیبرهای نوری بستگی دارد.
در گروه سوم از جدول تناوبی، شدت برای هر پیک متفاوت است.
شدت پیک در گروه چهارم به دمای پلاسما بسیار حساس است و یک نسبت غیر خطی با یکدیگر دارند.

اثر ماتریس (یا تعادل انرژی)

همان طور که از معادله LIBS مشاهده می‌شود، تعیین غلظت یک عنصر با اندازه‌گیری شدت پیک، تنها به یک شرط معتبر است. این شرط بیان می‌کند که در معادله LIBS همه پارامتر‌های بعد از غلظت، باید ثابت بمانند. با توجه به این که در طیف‌سنج LIBS پرتوی لیزر بر روی نمونه متمرکز می‌شود، انرژی درون سیستم تقریبا ثابت است. در این آزمایش نور لیزر از المان‌های اپتیکی عبور کرده و بر روی نمونه متمرکز می‌شود. نور نمونه شما را گرم می‌کند و فاز آن را تغییر می‌دهد. ترتیب تغییر فاز به این صورت است: جامد به مایع، مایع به گاز و گاز به پلاسما. انرژی باقی مانده بعد از تغییر فاز صرف گرم کردن پلاسما می‌شود. این همان T در معادله LIBS است.
انرژی در دسترس برای گرم کردن پلاسما در شرایط مختلف، متفاوت می‌شود. سعی می‌کنیم چند مورد از این شرایط را برای شما مثال بزنیم. المان‌های اپتیکی آلوده، جیتر در انرژی لیزر، تغییرات در شکل سطح مقطع پرتو، وجود گرد و غبار در لنزها و یا بین آن‌ها و نمونه (به عنوان مثال، مواد خارج شده در طول پالس لیزر که از آنالیز قبلی به جا مانده‌اند)، جذب متفاوت انرژی لیزر به دلیل رنگ یا شفافیت نمونه و در آخر انرژی متفاوت مورد نیاز برای ذوب/جوش نمونه (گاهی به آن اثر ماتریسی گفته می‌شود که در ادامه توضیح خواهیم داد) از این موارد هستند. همان طور که اشاره کردیم، همه این موارد باعث می‌شوند تا انرژی در دسترس برای گرم کردن پلاسما در شرایط مختلف، متفاوت شود. اما جالب است بدانید که این تغییرات در سایر قسمت‌ها بیشتر از تغییرات غلظت است و در این حالت هیچ تجزیه شیمیایی امکان پذیر نیست که غلظت تغییرات چندانی داشته باشد. حتما شما هم شگفت زده شده‌اید که با توجه به حساسیت معادله LIBS به دما، LIBS چگونه کار می‌کند. اما همان طور که در دنیا از این روش فوق العاده استفاده می‌کنند، مشاهده می‌کند که این روش جذاب امتحان خود را پس داده است.
به طور مشابه، انرژی‌های مختلف درگیر در جذب/ذوب/جوش/… متفاوت هستند. دلیل این اتفاق به این صورت است که ۱% کربن در فولاد دارای شدت بسیار متفاوتی با ۱% کربن در نمونه زمین شناسی است و این‌ها هم با شدت کربن ۱% در آب دریا بسیار متفاوت هستند.

تصویر سازی طیف LIBS

وبسایت‌هایی وجود دارند که شما می‌توانید با استفاده از آن‌ها طیف LIBS عناصر را مشاهده کنید. این سایت‌ها از نوعی معادله لیبز که در بالا به آن اشاره شد برای نمایش طیف‌ها به شما استفاده می‌کنند. در ادامه شما را با این وبسایت‌ها آشنا خواهیم کرد.

NIST LIBS Database

**شکل ۱: طیف LIBS مربوط به جیوه (مایع)**

دیتابیس LIBS-info

**شکل ۲: طیف LIBS مربوط به اکسیژن (گاز)**

دیتابیس Atom trace

**شکل ۳: طیف LIBS مربوط به اورانیوم (جامد)**

اگر به سه شکل بالا دقت کنید متوجه خواهید شد که طیف LIBS جامدها به مراتب پیچیده‌تر از مایعات و طیف LIBS مایعات پیچیده‌تر از گازها است. هر عنصر دارای یک طیف منحصر به فرد است. این منحصر به فرد بودن باعث می‌شود تا یک کاربر ماهر LIBS با نگاه کردن به طیف بتواند عناصر آن را شناسایی و آنالیز کند.

جمع‌ بندی

در این مقاله پس از معرفی روش طیف سنجی فروشکست القایی لیزر، معادله LIBS را به دست آوردیم. همچنین سایت‌هایی که به عنوان پایگاه داده برای طیف LIBS عناصر مورد استفاده قرار می‌گیرند را معرفی کردیم. در مقاله‌های بعدی، اصول تحلیل طیف LIBS را بررسی خواهیم کرد.