آنالیز

مرجع اطلاعات آنالیز و شناسایی مواد شیمیایی

آنالیز

مرجع اطلاعات آنالیز و شناسایی مواد شیمیایی

این وبلاگ مرجع کاملی است که شامل اطلاعات جامع در مورد انواع آنالیز، دستگاه و تجهیزات و کاربردهای آن ها می باشد.

طبقه بندی موضوعی

آنالیز DSC و آنالیز DTA دو روش  آنالیزهای حرارتی هستند که به طور گسترده در حوزه آنالیز مواد شیمیایی استفاده می‌شوند. هدفی که در هر دو آزمون دنبال می‌شود، یکسان است و آن هدف بررسی تحولات حرارتی نمونه از طریق گرم کردن یا سرد کردن آن بدون تبادل جرم با محیط اطراف می باشد.

اگرچه داده‌های مشخصه‌ یابی آنالیزهای حرارتی DTA و DSC مشابه است، اما به لحاظ دستگاهی متفاوتند. در دستگاه DTA تفاوت زمانی بین نمونه و مرجع با استفاده از یک برنامه گرمایی زمان بندی شده کوره‌های متقارن انجام می‌شود. در این حالت، ماده‌ای که به عنوان مرجع مورد استفاده قرار می‌گیرد، باید هیچ گونه تبدیل فازی نداشته باشد. در DTA تفاوت دمای بین نمونه و مرجع به کمک یک ترموکوپل دیفرانسیلی اندازه‌گیری می‌شود.

دستگاه DCS مبتنی بر اندازه‌گیری شار حرارتی، اصولی مشابه با DTA دارد و فقط از یک محفظه برای نگهداری نمونه استفاده می‌شود. اطلاعات گرمایی مواد استاندارد به عنوان مرجع در یک نرم‌افزار کامپیوتری ذخیره شده است. دمای نمونه توسط ترموکوپل اندازه‌گیری می‌شود و با داده‌های مرجع موجود در نرم‌افزار کامپیوتری مقایسه می‌شود.

آنالیز حرارتی

از نظر اصول کاری و همچنین اطلاعات مشخصه‌یابی که نتایج هر یک از آنالیزهای حرارتی DTA و DSC برای یک ماده ارائه می‌دهند، همپوشانی بسیار زیادی وجود دارد. بنابراین برای تعیین مشخصات حرارتی یک ماده، معمولا تفاوتی محسوسی ایجاد نمی‌شود که آنالیز DTA انجام شود یا آنالیز DSC انجام شود.

از آنالیزهای حرارتی DTA و DSC برای مشخصه‌یابی خواص حرارتی انواع مواد به خصوص پلیمرها استفاده می‌شود. به طور کلی به کمک نتایج آنالیزهای حرارتی DTA و DSC می‌توان موارد زیر را مشخص کرد:

اندازه‌گیری تغییر آنتالپی (گرمای جذب شده یا آزاد شده در هر واکنش)
تعیین دمای استحاله
تعیین ظرفیت گرمایی
اطلاعات سینتیکی یک واکنش شیمیایی
که درمورد آنالیز DCS موارد زیر هم قابل مشخصه‌یابی است:

وضعیت پخت پلیمرهای گرماسخت (یا اصطلاحا ترموست)
ثبات حرارتی پلیمرها

  • فرزاد حسینی نسب

آنالیز XRF یکی از روش های آنالیز و شناسایی مواد شیمیایی پر کاربرد است. این آنالیز زیر مجموعه آنالیز عنصری می باشد که در آن، عناصر سنگین تر از سدیم تا اورانیوم با غلظت 0.001 درصد تا 99.9 درصد قبل شناسایی هستند. از این دستگاه برای آنالیز لایه های سطحی مواد و آنالیز عنصری مواد مختلف نظیر سنگ ها، کانی ها، سرامیک ها، آلیاژهای فلزی، سیمان و … استفاده می شود. نحوه آماده سازی نمونه در آزمون XRF تاثیر بسزایی روی کیفیت نتایج دارد. روش آماده سـازی خـوب باعـث می شـود تـا تاثیـر تداخـل بافتـی و تداخـل طیفـی کمتر شـده و در نتیجه، دقـت و صحت نتایج افزایـش یابـد لـذا یکی از مراحل مهم جهت دسـتیابی بـه نتایـج دقیـق، انتخاب روش مناسـب بـرای آماده سـازی نمونه اسـت. روش هـای بسیاری بـرای تهیـه نمونـه آنالیـز XRF وجـود دارد کـه روش انتخابـی بـه نـوع نمونـه، میـزان هزینه مـورد نظر و کیفیـت نتایـج مـورد نیـاز وابسـته اسـت. نکته بسیار مهم یکسـان بـودن روش آماده سـازی نمونـه مجهـول و نمونـه اسـتاندارد می باشد. 

آنالیز XRF

نکات مهم هنگام آنالیز XRF

  • قبل از آنالیز دقت شود که نمونه مطالعاتی و نمونه مورد آنالیز یکنواخت باشند.
  • قبل از آنالیز XRF بهتر است نمونه را به صورت پودری و همگن مورد استفاده قرار داد.
  • مقدار نمونه به اندازه کافی باشد.
  • به منظور بالابردن دقت آنالیز در شرایط خلا و یا در حضور گازهای بی اثر نظیر هلیوم انجام می شود.
  • در آنالیز با دستگاه XRF در نمونه های مختلف هرچقدر عناصر سنگین تری در نمونه موجود باشد دقت اندازه گیری بیشتر است.
  • سطح نمونه هرچقدر هموارتر و تمیزتر باشد دقت اندازه گیری بالاتر می رود.
  • هنگام فشرده کردن پودر به منظور تهیه قرص جامد باید از ریز بودن اندازه ذرات اطمینان حاصل کنیم، پس برای این منظور باید عمل آسیاب کردن باید با دقت انجام شود و مدت زمان کافی را برای آسیاب نمونه در نظر بگیریم. بعد از آسیاب نمونه برای اطمینان نمونه را از الک با مش مناسب عبور می دهیم.
  • فرزاد حسینی نسب

آنالیز TGA یکی از آزمون های پرکاربرد در شناسایی مواد شیمیایی می باشد. این آنالیز در حوزه آنالیزهای حرارتی قرار می گیرد. در آنالیز TGA با نرخ های ثابت و یا متغیر به نمونه حرارت داده می شود و تغییرات خواص فیزیکی مانند میزان تغییرات وزن، ابعاد، ظرفیت حرارتی و میزان هدایت الکتریکی نمونه بررسی می شود. از آنجایی که همواره یکی از چالش های محققین تفسیر نمودارهای TGA است، در این مقاله قصد داریم روش تحلیل آنها را بیان کنیم.

بسته به نوع نمونه ای که استفاده می شود، حالت های مختلفی در نمودار حاصل از آنالیز TGA رخ می دهد که در اینجا به برخی از مهمترین آن ها پرداخته می شود :
1)    در این حالت همانطور که در شکل دیده می شود نرخ تغییر جرم نمونه با تغییرات حرارت ناچیز است و نمونه در وضعیت تقریبا پایداری قرار گرفته است و هیچ نشانه ای از وجود ناخالصی، مواد فرار، رطوبت و... مشاهده نمی شود. بنابراین آنالیز TGA در این نوع از مواد اطلاعات خاصی به مخاطب نمی دهد.
نمودار TGA

2)     در این حالت با توجه به اینکه از همان ابتدای روشن شدن کوره و اعمال حرارت به نمونه کاهش جرم مشاهده می شود که این امر نشان دهنده وجود رطوبت در ماده اولیه است. 

تفسیر نمودار TGA

3)  در این حالت همانگونه که مشاهده می شود نمونه هنگام حرارت دادن حالت پایداری دارد و این حالت تا رسیدن به نقطه ای مشخص حفظ می شود سپس در آن دمای مشخص که به دمای تخریب معروف است، جرم ماده کاهشی سریع پیدا می کند (متلاشی شدن نمونه) و سپس دوباره در حالتی پایدار قرار می گیرد. ضمنا این منحنی برای بررسی استوکیومتری یا مطالعه سینتیک واکنش به کار می رود و تجزیه نمونه را در یک مرحله، با حد واسط‌های نسبتا پایدار نشان می‌دهد.

 

تحلیل نمودار TGA

 

4)    در این حالت کاهش جرم نمونه در چند مرحله اتفاق می افتد و این منحنی برای بررسی استوکیومتری یا مطالعه سینتیک واکنش به کار می رود و تجزیه نمونه را در چند مرحله، با حد واسط‌های نسبتا پایدار نشان می‌دهد.

 

منحنی TGA

 

5)    در این حالت نیز همانند حالت قبلی جرم نمونه ممکن است در چند مرحله کاهش یابد و این مرحله برای تجزیه چندمرحله‌ای است اما در این جا حد واسط های پایدار تشکیل نمی‌شوند و اطلاعاتی اندکی از هر مرحله بدست می آید.

 

تحلیل نمودار TGA

 

6)    همیشه در آنالیز TGA جرم کاهش پیدا نمی کند و در برخی مواقع ممکن است افزایش نیز پیدا کند که در این حالت به احتمال زیاد در اثر افزایش دمای کوره واکنش اکسیداسیون میان نمونه و اتمسفر کنار نمونه رخ داده است.

نمودار TGA

 

7)    در این حالت نیز به مانند بالا با بالا رفتن دمای کوره میان نمونه و اتمسفر داخل دستگاه واکنش اکسیداسیون رخ داده با این تفاوت که در اینجا ابتدا با حرارت دهی ابتدا اکسیداسیون رخ می دهد و سپس با ادامه حرارت دهی نمونه در دماهای بالاتر تجزیه می شود.

 

تفسیر نمودار TGA

 

حالت های بالا مواردی هستند که در اکثر نمودارهای TGA مشاهده می گردند و با کنار هم قرار دادن آنها می توان بسیاری از نمودارها را تحلیل کرد.

  • فرزاد حسینی نسب

از میکروسکوپ نیروی اتمی برای مطالعه انواع سطوح مواد شامل مواد رسانا، نیمه رسانا و نارسانا استفاده می شود. دستگاه AFM زیر مجموعه میکروسکوپ های SPM هستند که برای مشاهده و مطالعه جزییات سطحی تا قدرت تفکیک های نانومتری مورد استفاده قرار می گیرند. این دستگاه، یک کاوشگر سطحی محبوب برای اندازه گیری های توپوگرافیک و محاسبه نیروهای عمودی در مقیاس میکرو تا نانو شناخته شده است. این میکروسکوپ قابلیت تصویربرداری از مواد و سلول های زنده را دارا می باشد. میکروسکوپ دارای دو مد تماسی و ضربه ای می باشد که علاوه بر تصویربرداری دو بعدی تصویر سه بعدی از سطح را نیز می دهد.  
عملکرد این میکروسکوپ به این صورت است که سطح نمونه توسط یک سوزن تیز، به طول 2 میکرون و غالبا قطر نوک کمتر از 10 نانومتر آنالیز می شود. سوزن در انتهای آزاد یک کانتیلور  به طول حدود 100 تا 450 میکرون قرار دارد. نیروهای بین سوزن و سطح نمونه باعث خم شدن یا انحراف کانتیلور شده و یک آشکارساز میزان انحراف کانتیلور را در حالیکه سوزن سطح نمونه را روبش می کند، اندازه گیری می کند. می توان از انحراف کانتیلور برای ورودی یک مدار بازخورد استفاده کرد که روبشگر پیزو را در مواجهه با توپوگرافی سطح نمونه به گونه ای در جهت بالا و پایین می برد که میزان انحراف کانتیلور ثابت بماند. اندازه گیری انحرافات کانتیلور به کامپیوتر امکان تولید تصویر توپوگرافی سطح را می دهد.


دستگاه AFM

 

  • فرزاد حسینی نسب

آنالیز TEM یکی از پرکاربردترین خدمات آنالیز و شناسایی مواد شیمیایی می باشد. این آنالیز جز خانواده آنالیزهای میکروسکوپی می باشد و از لحاظ کاربردی بسیار شبیه به میکروسکوپ نوری می باشد با این تفاوت که به جای نور، الکترون ها به نمونه برخورد می کنند و از الکترون های عبوری تصویر تشکیل می شود. از آنجایی که برای تشکیل تصویر الکترون های زیادی می بایست از نمونه عبور کند، بنابراین ضخامت نمونه ها می بایست بسیار کم و در محدوده چند میکرومتر باشد. نازک کردن ضخامت نمونه ها با استفاده از روش های آماده سازی مخصوص مانند الکتروپولیش، جت پولیش و ... انجام می شود. استفاده از الکترون ها به جای نور باعث افزایش قدرت تفکیک و نمایش جزییات بیشتر در تصاویر می شود. از همین رو با استفاده از این میکروسکوپ می توان ذرات بسیار ریز نانو متری (زیر 10 نانومتر) را مشاهده کرد. تفاوت TEM با دیگر میکروسکوپ های الکترونی در این است که قدرت تفکیک و قدرت بزرگنمایی مناسب تری دارند و از این رو قیمت بالاتری دارند. با تنظیم و افزایش ولتاژ الکترون ها می توان طول موج الکترون ها را تنظیم کرد که منجر به تغییرات در قدرت تفکیک میکروسکوپ می شود. 

آنالیز TEM

  • فرزاد حسینی نسب

آنالیز FTIR یکی از خدمات آنالیز پر کاربرد می باشد. این آنالیز در دسته بندی آنالیز طیف سنجی قرار می گیرد و از آن برای شناسایی پیوندهای سطحی روی مواد استفاده می کنند. در این روش امواج الکترومغناطیسی در ناحیه فروسرخ به نمونه مورد نظر برخورد می کند. انرژی امواج فروسرخ در محدوده انرژی ارتعاشی پیوندهای شیمیایی می باشد. برهم‌کنش تابش مادون قرمز با یک نمونه باعث تغییر انرژی ارتعاشی پیوند در مولکول‌های آن می‌شود و روش مناسبی برای شناسایی گروه‌های عاملی و ساختار مولکولی است. شرط جذب انرژی مادون قرمز توسط مولکول این است که گشتاور دو قطبی در حین ارتعاش تغییر نماید. در طیف الکترومغناطیسی ناحیه بین400-µm 0/8 مربوط به ناحیه مادون قرمز است ولی ناحیه‌ایی که جهت تجزیه شیمیائی مورد استفاده قرار می‌گیرد، بینµm 50- 0/8 است. ناحیه بالاتر از 50µm را ناحیه مادون قرمز دور ، ناحیه بینµm 0/8-2/5 ناحیه مادون قرمز نزدیک و ناحیه بینµm 25-8 را ناحیه اثر انگشت مینامند. هر جسم در این ناحیه یک طیف مخصوص به خود دارد که برای شناسایی گروههای عاملی آن به کار میرود.

برای شناسایی کیفی یک نمونه مجهول، نوع گروه های عاملی و پیوندهای موجود در مولکول های آن، طیف مادون قرمز نمونه را رسم نموده و با مراجعه به جداول مربوطه که موقعیت ارتعاش پیوندهای مختلف و یا طیف IR اجسام را نشان می دهند، طول موج یا عدد موج گروه ها و پیوندها را شناسایی می کنند.

برخی اطلاعاتی که می توان از طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز (FT-IR) بدست آورد شامل موارد ذیل است:
شناسائی کیفی و کمی ترکیبات آلی حاوی نانوذرات،

تعیین نوع گروه عاملی و پیوندهای موجود در مولکولهای آن.

برای تعیین مقادیر بسیار کم یون هیدروژن فسفات در هیدروکسی آپاتیت که در اعضاء مصنوعی مورد استفاده قرار می گیرد .

برای آنالیز برخی داروهای حاوی نانو ذرات مورد استفاده قرار می گیرد.

آنالیز FTIR

  • فرزاد حسینی نسب

آنالیز EDAX یکی از خدمات آنالیز مواد شیمیایی شرکت مهامکس می باشد. این آنالیز جز دسته آنالیز عنصری نقسیم بندی می شود و از آن برای شناسایی عناصر در ترکیبات شیمیایی استفاده می شود. به وسیله این آنالیز می توان نوع اتم های موجود در یک نمونه و یا ساختار را دریافت. نام اصلی این آنالیز EDS می باشد و نام EDAX یک برند تجاری مربوط به شرکتی هست که این آشکارساز را تولید می کند.

آنالیز EDAX

در مشخصه یابی به روش ایدکس با وارد آمدن پرتو ایکس به اتم های در حالت پایه (بدون برانگیختگی الکترونی در داخل اتم)، به علت انرژی بالای پرتو ایکس فرودی، یک الکترون از تراز های نزدیک هسته انرژی فوتون پرتو ایکس را جذب کرده و برانگیخته می شود پس به ترازی بالاتر می رود، به این ترتیب یک زوج الکترون_حفره ایجاد می گردد. جای خالی الکترون یا همان حفره ای که در تراز پایین تر ایجاد شده بود توسط یک الکترون دیگر (ثانویه) موجود در تراز بالاتری از ابر الکترونی پر می گردد. این الکترون ثانویه انرژی اضافه خود را به صورت فوتون تابش می نماید. این فوتون هم دارای طول موج پرتوهای ایکس است که انرژی آن برابر اختلاف انرژی تراز پایینی و تراز بالایی که الکترون ثانویه از آن آمده است، حال دتکتور دستگاه این فوتون تابش شده را ردیابی می کند. طول موج فوتون خروجی برای هر اتم منحصر به فرد است.
آشکارساز برای تبدیل انرژی پرتو ایکس ردیابی شده به سیگنال‌های ولتاژ استفاده می‌شود؛ این اطلاعات به پردازنده پالس فرستاده می‌شود که سیگنال‌ها را اندازه‌گیری می‌کند و آن‌ها را برای تحلیل و نمایش داده‌ها به تحلیل‌گر انتقال می‌دهد. رایج‌ترین نوع آشکارساز در حال حاضر آشکارساز سیلیسیم/ لیتیم می‌باشد که با نیتروژن مایع در دمای بسیار پایین کار می کند. 
 

  • فرزاد حسینی نسب

طیف‌ سنجی رامان یکی از انواع خدمات آنالیز و شناسایی مواد شیمیایی در حوزه طیف سنجی است که مهمترین استفاده آن شناسایی ساختارهای مولکولی می باشد. با استفاده از این روش تعیین فرکانس‌های چرخشی و ارتعاشی مولکول، ارزیابی هندسی و حتی تقارن مولکول‌ها امکان پذیر است. در برخی موارد که امکان تعیین ساختار مولکولی وجود ندارد، می‌توان با تکیه بر فرکانس‌های ثبت شده‌، قرار گرفتن اتم‌ها در یک مولکول را بررسی کرد. اطلاعاتی که توسط طیف سنجی مادون قرمز و رامان به دست می‌آید، بسیار مشابه هستند. به تازگی ساختار پیچیده مولکول‌های زیستی با طیف سنجی رامان تعیین شده است. طیف رامان اطلاعات با ارزشی را نیز در زمینه فیزیک حالت جامد ارائه می‌کند. چون طیف‌ سنجی رامان را می‌توان به راحتی برای مطالعة اجزاء و گروه‌های شیمیائی در محیط آب به کاربرده استفاده از این تکنیک در مطالعه موجودات زنده از اهمیت خاصی برخوردار است.
         برخی از کاربردهای مهم طیف‌ سنجی رامان در فناوری نانو عبارتست از:

•    شناسائی و جداسازی برخی از ترکیبات آلی و معدنی
•    تعیین ساختار شیمیائی ترکیبات 
•    تعیین شرایط مرزی برای میدان الکتریکی در نزدیکی سطح
•    با استفاده از طیف سنج رامان برای آنالیز ذرات نانومقیاس برخی از ملکولهای آلی و نانو کریستالهای DNA و نانو تیوپ کربن 
•    برای تعیین قطر کربن و کایرالیته کربن (کربن کایرال، کربنی است که چهار گروه اتم متصل به آن متفاوت باشد) و تعیین قطر نانو ذرات معدنی

 

در شکل زیر خروجی یک طیف رامان را مشاهده می کنید که با تحلیل آن می توان اطلاعات فوق الذکر را بدست آورد.

 
خروجی طیف سنجی رامان

  • فرزاد حسینی نسب

آنالیز رامان یکی از روش های طیف سنجی مولکولی است بدین مفهوم که برای شناسایی مولکول ها مورد استفاده قرار می گیرد و نه اتم ها. طیف سنجی رامان مطالعه نوعی از برهمکنش بین نور و ماده است که در آن نور دچار پراکندگی غیرالاستیک می‌شود. منظور از پراکندگی غیرالاستیک این است که پرتو خروجی انرژی کمتری نسبت به پرتو فرودی دارد. در این روش آنالیز، فوتون های تک طول موج که در ناحیه فروسرخ هستند، روی نمونه متمرکز می‌شود و عموماً لیزر به عنوان چشمه تکفام شدت بالا بکار می‌رود. فوتون ها با مولکول‌ها برهمکنش می‌کنند و بازتابیده، جذب یا پراکنده می‌شوند. در پراکندگی رامان، فوتون فرودی با ماده برهمکنش می‌کند و طول موج آن به سمت طول موج‌های بیشتر یا کمتر شیفت می‌یابد. شیفت به طول موجهای بیشتر غالب است و این پراکندگی را رامان استوکس می‌گویند.  طیف سنجی رامان فوتون های پراکنده شده را مطالعه می‌کند. از آنجاییکه ترازهای گسسته انرژی ارتعاش پیوند ترکیبات شیمیایی در ناحیه فروسرخ قرار دارد، جذب انرژی منجر به فعال سازی انرژی آنها می شود و از آنجاییکه فاصله بین ترازهای انرژی منحصر به فرد می باشد، از طول موج و انرژی پرتوهای پراکنده شده برای شناسایی ترکیبات استفاده می شود. 

برای اطلاعات بیشتر در این زمینه می توانید مقاله مبانی طیف سنجی رامان را مطالعه بفرمایید.

  • فرزاد حسینی نسب

آنالیز TEM یکی از روش های آنالیز ویژه در مشخص نمودن ساختار و مورفولوژی مواد محسوب می‌شود که مطالعات ریزساختاری مواد با قدرت تفکیک بالا و بزرگنمایی خیلی زیاد را امکان‌پذیر می‌سازد. علاوه بر این از این میکروسکوپ‌ها جهت مطالعات ساختارهای بلور، تقارن، جهت‌گیری و نقائص بلوری می‌توان استفاده نمود. این موارد سبب شده است که TEM امروزه به یک ابزار بسیار مهم در بسیاری از تحقیقات پیشرفته فیزیک، شیمی، بلورشناسی، علم مواد و زیست‌شناسی شناخته شود.

از نظر تاریخی به دلیل محدودیت قدرت تفکیک میکروسکوپ‌ نوری که از طول موج نور مرئی ناشی می‌شود، میکروسکوپ‌های الکترونی ارائه شدند. بعدها مشخص شد که دلایل محکم دیگری نیز برای استفاده از الکترون‌ها وجود دارد که در قابلیت این نوع میکروسکوپ نهفته است و در میکروسکوپ‌های جدید، اغلب آنها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در TEM الکترون ها توسط تفنگ الکترونی به سمت نمونه پرتاب می شوند و پس از عبور از نمونه تشکیل تصویر می دهند. به دلیل عبور الکترون ها از نمونه در حین تشکیل تصویر نام این میکروسکوپ، عبوری می باشد.

TEM

  • فرزاد حسینی نسب