Atomic Emission Spectroscopy (AE, AES) Atomic Fluorescence Spectroscopy (AF, AFS)

Flame Emission Spectroscopy (AE, AES) excitation และ emission ของ Na atom หลักการ : พลังงานความร้อนจาก flame ทำให้สารแตกตัวเป็นอะตอม และขึ้นไปอยู่ที่ excited state แล้วเกิด atomic emission เพื่อกลับลงมาสู่ระดับพลังงาน ground state

ไดอะแกรมของเครื่อง Flame AES PMT,signal modifier readout Burner Aspiration Wavelength Isolation device Atomic emission และ Atomic absorption มีเครื่องมือที่เหมือนกัน ยกเว้นว่า ไม่ต้องมี lamp ใน atomic emission

Emission ที่เกิดใน Flame Ee = Et - Eblank โดย Ee คือ emission ของอะตอมที่วิเคราะห์ Et คือ emission รวมทั้งหมด Eblank คือ emission ของอะตอมอื่น ๆ โมเลกุลอื่น ๆ และ emission ของ flame

การนำค่า Emission ไปพล็อต Calibration curve plot signal vs. concentration Ee concentration ยังคงยึดหลักของ calibration curve ที่ดีต้องเป็นเส้นตรงแต่เมื่อความเข้มข้นสูง อาจมีการเบี่ยงเบนไปจากเส้นตรง โดยมีสาเหตุของการเบี่ยงเบนดังนี้ factors ต่าง ๆ ที่จะไปกระทบกระเทือนต่อจำนวนอะตอมที่ ground state, interference ต่าง ๆ Instrumental factor Self-absorption คือ การที่อะตอมชนิดเดียวกัน แต่ยังอยู่ที่ระดับพลังงาน ground state ดูดกลืน emission จากอะตอมชนิดเดียวกัน ทำให้ emission สุทธิที่ผ่านออกมาลดลง เกิด negative deviation

Internal Standard Method Internal Standard คือ element ที่เติมลงไปในทั้ง sample และ standard โดยเติมให้มีความเข้มข้นเท่ากัน calibration curve ได้จากการ plot ระหว่าง emission intensity ratio ระหว่าง analytical line (wavelength ของอะตอมวิเคราะห์) และ internal standard line (wavelength ของอะตอมที่เป็น internal standard) ความเข้มข้นของ std การใช้ internal standard จะทำให้ได้ calibration curve ที่เป็นเส้นตรงมากขึ้น (ค่า correlation coefficient มีความใกล้เคียงกับ 1 มากขึ้น) และช่วง linear concentration range กว้างขึ้น

Criteria สำหรับเลือก Internal Standard (I.S.) 1. I.S.จะต้องบริสุทธิ์ และมีความเข้มข้นเท่ากันทั้งใน standard และ sample 2. I.S. ต้องมี physical และ chemical คล้ายกับ sample 3. Excitation และ ionization energy ของ I.S. และ analyte ควรใกล้เคียงกัน 4. Emission lines ของ I.S. และ analyte ควรมี wavelength และ intensity ใกล้เคียงกัน 5. Spectrum ของ I.S. ควรจะ simple

An automated flame photometer for Na and K in blood serum การใช้ Internal Standard ได้ ต้องมีเครื่องมือแบบ Multi-channel AES (วิเคราะห์หลายธาตุพร้อมกัน) An automated flame photometer for Na and K in blood serum

การนำเทคนิค AES ไปใช้ 1. Detection limit = 0.1-10 ppm.(สำหรับmetalเกือบทุกชนิด) 2. Detection limit ของ metals บางชนิดต่ำกว่า AA ได้แก่ พวก alkali metals และ alkaline earth metals 3. Detection limit ส่วนใหญ่แล้วดีกว่า AF 4. เป็น flame technique ที่ถูก และง่ายที่สุด 5. Multielement quantitative analysis ก็ง่าย เพียงแต่มี wavelength scanning, ไม่ต้องมี external source และ optics 6. มีข้อไม่ดีตรงที่ว่ามี spectral interference จาก flame background emission 7. AE มี dynamic concentration range (concentration เมื่อเป็น 10 เท่าของความเข้มข้น เมื่อเริ่มเกิดnon-linearity) = 102-104 ดีกว่าของ AA ซึ่งมี dynamic range = 101-102

ลักษณะที่ดีของ Atomizer ที่ใช้ในเครื่อง AES 2. ปรับพลังงานในการ excitation ได้ 3. มีพลังงานพอที่จะทำให้ทุกธาตุขึ้นไปอยู่ที่ระดับพลังงาน excited state 4. มีสภาวะแวดล้อมที่เฉื่อยต่อปฏิกิริยาเคมี 5. ไม่มี background emission 6. วิเคราะห์ได้ทั้งตัวอย่างที่เป็นสารละลาย แก๊ส ของแข็ง 7. ทนต่อสภาพของสารละลาย และตัวทำละลายต่าง ๆ 8. วิเคราะห์ได้หลายธาตุพร้อมกัน 9. สามารถ atomize และ excite ได้อย่างสม่ำเสมอ 10. ให้ผลการวิเคราะห์ที่ถูกต้องและเที่ยง 11. ราคาของเครื่องมือไม่สูงมาก และดูแลรักษาง่าย 12. ใช้งานได้ง่าย

Inductively Coupled Plasma, ICP เป็น atomizer ที่ดีสำหรับเทคนิค AE เรียกชื่อว่า เทคนิค ICP-AES หรือ ปัจจุบันเรียกว่า ICP-OES (OES = Optical Emission Spectrometry) Plasma แปลว่า hot, partially ionized gas เมื่อเปรียบเทียบ ICP กับ flame ได้ดังนี้ ICP - ให้ plasma ที่มีรูปร่างลักษณะคล้าย flame - ให้ อุณหภูมิที่สูงกว่า flame มาก อุณหภูมิประมาณ 10000 0C - มีสภาพที่ไม่ว่องไวต่อปฏิกิริยาเคมี

Inductively Coupled Plasma, ICP ICP ประกอบด้วยท่อควอตซ์ มีท่อทองแดงกลวงตัวนำไฟฟ้าขดรอบ ภายในท่อควอตซ์มีแก๊สเฉื่อย เช่น อาร์กอนไหลผ่าน ขดท่อทองแดงต่อกับเครื่องกำเนิดความถี่วิทยุ (radiofrequency generator, RF generator) ความถี่ที่ใช้อยู่ระหว่าง 4-50 MHz โดยส่วนใหญ่ใช้ 27 MHz เมือมีการให้ประกายไฟฟ้า เพื่อทำให้แก๊สอาร์กอนแตกตัวให้ e- Ar Ar+ + e- e- จะถูกเหนี่ยวนำและเกิดเป็น plasma

การทำงานของ ICP การที่ท่อทองแดงต่อกับ RF generator จะก่อให้เกิดสนามแม่เหล็ก (H) ภายในท่อควอตซ์ ดังภาพ โดยมีเส้นแรงแม่เหล็กขนานไปตามด้านยาวของท่อควอตซ์ และในขณะเดียวกัน ก็เกิดสนามไฟฟ้า () ที่มีเส้นแรงเป็นวงกลมภายในท่อควอตซ์ e- ที่เกิดจากการแตกตัวของแก๊ส Ar ปริมาณเล็กน้อย จะถูกเร่งให้มีพลังงานสูงและเคลื่อนที่เร็วขึ้นด้วยสนามแม่เหล็ก-ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในท่อควอตซ์ เมื่อ e- ที่มีพลังงานสูงนี้ชนกับอะตอมอื่นของแก๊ส Ar จะถ่ายเทพลังงานให้ จึงทำให้เกิดการไอออนไนซ์เพิ่ม ในขณะเดียวกันการเคลื่อนที่ของ e- ที่มีประจุเป็นวงกลมสูงขึ้นตามท่อควอตซ์ จะถูกต้านทานจากสนามแม่เหล็ก ลักษณะเช่นนี้จะทำให้เกิด Ohmic heat ที่ให้ความร้อนสูงมาก

การทำงานของ ICP (ต่อ) รูปนี้แสดงให้เห็นภาพรวมทั้งหมดของ ICP torch สารละลายตัวอย่างจะถูกนำเข้ามาด้วยแรงผลักดันของแก๊ส Ar ทางท่อตรงกลาง (อัตราของแก๊ส Ar ประมาณ 1 L/min) เข้าสู่ตรงกลางของ plasma ในขณะเดียวกันจะมีแก๊ส Ar ที่มีอัตราการไหลสูงประมาณ 10 L/min เข้ามาหล่อทางท่อรอบนอกเพื่อทำให้ plasma นิ่ง มีรูปร่างคงที่ และแยก plasma จากสิ่งแวดล้อม ส่วนแก๊ส Ar ที่เข้ามาทางท่อชั้นที่สองนั้นมีใน ICP บางยี่ห้อ อุณหภูมิของ plasma torch อยู่ระหว่าง 9000-10000 0C

การทำงานของ ICP (ต่อ) รูปทางด้านซ้ายเป็นรูปร่าง plasma torch เมื่อ RF ต่ำ (ประมาณ 5 MHz) โดยละอองของตัวอย่างจะเข้าสู่ plasma ทางด้านนอก ซึ่งมีอุณหภูมิไม่สูงมากเท่าตรงกลางที่แรเงาเอาไว้ รูปทางด้านขวาเป็นรูปร่างของ plasma torch เมื่อใช้ RF สูง (ประมาณ 27 MHz) ละอองของตัวอย่างจะเคลื่อนเข้ามาตรงแกนกลาง ที่ถูกล้อมรอบด้วยอุณหภูมิสูง

ลักษณะเฉพาะของ ICP 1. ให้อุณหภูมิที่สูงมาก จึงสามารถ atomize และ excite สารประกอบได้ทั้งหมด 2. อะตอมจะมีเวลา (ประมาณ 2-3 ms) อยู่ใน plasma ได้นาน 3. มีอิเล็กตรอนอยู่หนาแน่นใน plasma จึงไปกดไม่ให้เกิดไอออไนเซชั่นของอะตอมที่วิเคราะห์ (ไม่มีปัญหา ionization effect) 4. สิ่งแวดล้อมหรือบรรยากาศใน plasma ไม่มีปฏิกิริยาเผาไหม้เกิดขึ้นเหมือนอย่างใน flame จึงเป็นบรรยากาศที่ไม่ว่องไวต่อปฏิกิริยาเคมีอื่น ๆ อะตอมที่วิเคราะห์จึงอยู่ในรูปของอะตอมอิสระ 5. ไม่มีหรือมีโมเลกุลอื่นน้อยมาก 6. Plasma ไม่มีการเปล่งแสง หรือดูดกลืนแสง (optically thin) 7. เนื่องจากไม่มีการเผาไหม้ จึงไม่มีความเสี่ยงต่ออันตรายที่เกิดจากการระเบิดของแก๊ส

ไดอะแกรมของเครื่อง ICP-AES (ICP-OES)

Flame Atomic Fluorescence Spectroscopy (AF, AFS) หลักการ : excite อะตอมด้วย wavelength ที่เหมาะสม เมื่ออะตอม deexcite ให้ fluorescence ออกมา Fluorescence มี 5 แบบ ได้แก่ - resonance fluorescence - direct-line fluorescence - step-wise-line fluorescence - sensitized fluorescence - multiphoton fluorescence ในทางเคมีวิเคราะห์จะใช้ resonance fluorescence เพราะให้ fluorescence ที่มีความเข้มสูง จึงเป็นเทคนิคที่ sensitive 1 2 ไดอะแกรมของการเกิด resonance fluorescence ซึ่งจะมี absorption wavelength และ emission (fluorescence) wavelength เท่ากัน

Wavelength isolation device PMT, signal modifier, readout Instrumentation Radiation source Atomizer Wavelength isolation device 90o * PMT, signal modifier, readout * การรับสัญญาณ fluorescence ทำมุม 90O กับลำแสงจากต้นกำเนิดแสง เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวน Radiation source ต้องมีความเข้มของแสงสูง ได้แก่ Electrodeless discharge lamp (EDT), Laser, pulsed Hollow cathode lamp (HCL ที่มีความถี่ (ปิด-เปิด) ของแสง เพื่อให้แตกต่างจาก emission fluorescence) Atomizer ได้แก่ Total consumption burner พร้อมกับ pneumatic nebulizer, CP สำหรับ Flame atomizer ที่ใช้ใน AF นี้มีเงื่อนไขว่าต้องใช้ flame H2/O2 , H2/air , H2/O2 air entrained เท่านั้น จะไม่ใช้พวก hydrocarbon fuel gas เพราะมี quencher ได้แก่ CO2 , CO , N2 , OH

Schematic diagram of 6-multichannel AF spectrometer มี 6 HCL โฟกัสไปยัง flame มีเลนส์รวบรวม fluorescence radiation ในมุมเกือบเป็น 90O มี 6 filters ติดอยู่บน rotating filter wheel Fluorescence ถูกส่งไปยัง PMT เพียงตัวเดียวตามลำดับ HCL ถูกทำให้มีความถี่ 500 Hz เมื่อ filter ที่เหมาะสมเข้าที่ มี integrator 6 ตัว สำหรับแต่ละธาตุ ซึ่งจะสวิทช์ไปในเวลาที่เหมาะสม

Diagram of source-detector module for a filter-based, multielement ICP-AF spectrometer

วิธีทาง Quantitative ของ AF จะเหมือน AE คือ - Calibration curve : - Internal standard (w/ multichannel AF) Ef a c เนื่องจาก - self absorption - inner filter effect C Ef การเบี่ยงเบนของ calibration curve เมื่อมีความเข้มข้นสูงเกิดเนื่องจาก 1. Self absorption เป็นการดูดกลืน fluorescence ที่เปล่งออกมา โดยอะตอมชนิดเดียวกันที่ยังไม่ถูก excite 2. Inner filter effect เป็นปรากฏการณ์ที่ fluorescence จากอะตอมที่อยู่ตรงกลางของ flame ถูกดูดหรือกรองออกไปโดยอะตอมชนิดเดียวกัน หรือโมเลกุลรอบ ๆ นอก ทั้ง self absorption และ inner filter effect จะมีผลมากใน flame atomizer แต่การใช้ ICP จะไม่เกิด เพราะ ICP มีอุณหภูมิสูงมาก และสม่ำเสมอเท่ากันตลอด จึง atomize และ excite ทุกโมเลกุลได้เกือบพร้อมกัน

AF-10 HCL