محمد عبد القوى مشرف
عدد الرسائل : 7866 بلد الإقامة : مصر احترام القوانين : العمل : الحالة : نقاط : 15473 ترشيحات : 10
| موضوع: كيف يعمل التحليل الطيفي المستحث بواسطة الليزر 4/11/2009, 22:25 | |
| كيف يعمل التحليل الطيفي المستحث بواسطة الليزر | | |
الكاتب د. حازم فلاح سكيك | | v\:* {behavior:url(#default#VML);} o\:* {behavior:url(#default#VML);} w\:* {behavior:url(#default#VML);} .shape {behavior:url(#default#VML);}
كيف يعمل التحليل الطيفي المستحث بواسطة الليزر Laser-induced breakdown spectroscopy
عندما اخترع العالم ميمان أول نبضة ليزر في العام 1960، فان البعض وصف هذه التقنية على إنها الحل الذي يبحث عن مشكلة. ولكن العلماء بسرعة اكتشفوا إن الليزر ليس مجرد هواية وإنما له الكثير من التطبيقات العملية. الأطباء اليوم يستخدمون أشعة الليزر لإصلاح قرنية العين، وتبيض وإزالة الوشم ويستخدم الليزر أيضا كمشرط دقيق جدا. كما إن الصناعات الالكترونية تستخدم الليزر في الكثير من التطبيقات مثل قارئ الباركود bar-code وأنظمة التخزين الضوئية وفي طابعات الكمبيوتر. كما وتستخدم طاقة الليزر العالية في ثقب أحجار الماس وقطع المواد الخفيفة كالبلاستيك والمواد الثقيلة مثل التيتانيوم.
الليزر مهم بشكل خاص في مجال التحليل الطيفي المستخدم من قبل الكيميائيين والفيزيائيين. إن الخبراء في علم الكيمياء التحليلية طوروا تقنيات تمكن من تحديد المركب الكيميائي للمادة. وبواسطة هذه التقنيات تمكن العلماء من قياس الخصائص الفيزيائية، مثل الكتلة ومعامل الانكسار والتوصيل الحراري. وبعض التقنيات الأخرى تعتمد على الشحنة الكهربية والتيار الكهربي لتساعد في التعرف على المركبات الأساسية للمادة. وهناك المزيد من التقنيات لقياس مقدار الامتصاص absorption والانبعاث emission والتشتت scattering للإشعاع الكهرومغناطيسي وهذه التقنية تعرف بعلم السبكتروسكوبي spectroscopy أي علم الأطياف.
علم الأطياف القائم على استخدام الليزر laser-baser spectroscopy أصبح الآن أداة أساسية في علم التحليل. تخيل نظام ليزر مثبت على عربة فضائية تسير على كوكب المريخ. فعندما تنطلق نبضة ليزر على تربة المريخ فان تشتت ضوء الليزر المتشتت عن غبار تربة المريخ ينعكس ويلتقط بواسطة أجهزة خاصة مثبتة على العربة الفضائية يمكنها من معرفة التركيب الكيميائي للتربة. الآن افترض أيضا جندي يحمل نظام ليزر مكون من جهاز ليزر ومجس يقوم الجندي باستخدامه لتوجيه نبضات الليزر على أي أجسام مشبوهة في الطريق ليتعرف على المواد المتفجرة والألغام المزروعة من خلال انعكاس نبضات الليزر إلى المجس.
هذه بعض الأمثلة لتطبيقات التحليل الطيفي لليزر وقد تبدو لنا إنها مشاهد من احد افلام الخيال العلمي، ولكن هذا ليس هو الحال. فالعلماء اليوم يمتلكون معدات ذات قدرات عالية على تحليل المواد تعتمد على الليزر. وسوف نقوم في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء بالتعرف على هذه التقنيات وسوف نركز على احد هذه التقنيات التي تعرف باسم Laser-Induced Breakdown Spectroscopy والذي يختصر بـ LIBS أي التحليل الطيفي المستحث بواسطة الليزر. ومن خلال شرح هذه التقنية سوف نفهم كيف يستخدم الليزر في التحليل في الكثير من التطبيقات في مجال الأمن والتشخيص الطبي وفي الطب الشرعي وفي الرعاية الصحية وفي علم الآثار والفن.
وفي البداية دعنا نقوم بالتعمق أكثر في أساسيات الكيمياء التحليلية لفهم دور الليزر في تقنيات التحليل للتعرف على المركبات الكيميائية المكونة للمادة.
|
|
|
محمد عبد القوى مشرف
عدد الرسائل : 7866 بلد الإقامة : مصر احترام القوانين : العمل : الحالة : نقاط : 15473 ترشيحات : 10
| موضوع: رد: كيف يعمل التحليل الطيفي المستحث بواسطة الليزر 4/11/2009, 22:25 | |
| |
|
محمد عبد القوى مشرف
عدد الرسائل : 7866 بلد الإقامة : مصر احترام القوانين : العمل : الحالة : نقاط : 15473 ترشيحات : 10
| |
محمد عبد القوى مشرف
عدد الرسائل : 7866 بلد الإقامة : مصر احترام القوانين : العمل : الحالة : نقاط : 15473 ترشيحات : 10
| موضوع: رد: كيف يعمل التحليل الطيفي المستحث بواسطة الليزر 4/11/2009, 22:27 | |
| الآن سوف نقوم بشرح فكرة عمل تقنية LIBS حيث تتكون من أربعة أجزاء أساسية وهي على النحو الموضح في الشكل أعلاه وسوف نقوم بشرح كل جزء(1) الجزء الرئيسي وهو الليزر بالطبع. ويستخدم LIBS ليزر Nd:YAG الذي طوله الموجي 1,064nm، ولكن تجدر الإشارة إلى أن أنواع أخرى من الليزر تم استخدامها أيضا. يعمل الليزر بنظام النبضات كل نبضة تصل إلى العينة يكون لها زمن يتراوح من 5 إلى 20 نانوثانية.www.hazemsakeek.com(2) يمر شعاع الليزر عبر عدسة تقوم بتجميع طاقة الليزر على العينة. بعض الأنظمة تعمل في المختبر مثبتة على بنش خاص يحتوي على العينة داخل مفرغة هواء. ولكن بعض الأنظمة الأخرى تكون محولة ويمكن نقلها إلى المكان الذي فيه العينة المراد فحصها. وعلى كل الأحوال فانه كلما كان تركيز أشعة الليزر اكبر كلما كانت الطاقة اللازمة لانتزاع الجسيمات من سطح العينة اقل. كل نبضة من نبضات الليزر تحمل طاقة في حدود 10 إلى 100 ملي جول. وهذه الطاقة كافية لانتزاع بعض جسيمات المادة. وهذه الجسيمات تكون متأنية وتكون ما يعرف باسم سحابة البلازما plasma plume.(3) تتمدد سحابة البلازما المكونة من الغاز المنأين وخلال فترة زمنية في حدود ميكروثانية تبدأ الذرات في الاسترخاء وتنتقل إلى المدارات الأرضية مطلقة فوتونات ضوئية تعرف باسم طيف الانبعاث spectral emission. تسقط هذه الفوتونات الضوئية على عدسات تجمعها وتركزها على نظام من الألياف البصرية fiber optic. يقوم نظام الألياف البصرية بنقل الضوء إلى المطياف.(4) يحتوي المطياف على منشور، يعمل على تشتيت الضوء حسب طوله الموجي وتقوم كاميرا خاصة بتسجيل الطيف لمزيد من الدارسة والتحليل. وبدارسة الأطوال الموجية للضوء المنبعث ومقدار شدته كما هو موضح في الشكل أعلاه، ويمكن التعرف على العناصر الموجودة في العينة ومقدار تركيزها. لاحظ إن هذه التقنية تتميز بالعديد من الخصائص والميزات التي تجعلها من أفضل تقنيات التحليل الطيفي حيث إن العينة لا يلزم لها أي تجهيزات مسبقة كما إن التقنية غير مكلفة واستخدامها سهل ويمكن استخدامها لتحديد مكونات عناصر أي نوع من العينات، هذا بالإضافة إلى أن هذه التقنية لا تحدث أي ضرر على العينة تحت الفحص لان ما ينتزعه الليزر من سطح المادة غير مرئي مما يجعل لهذه التقنية تطبيقات أكثر من كونها تقنية للتحليل الطيفي كما سوف نرى في الجزء التالي من هذا المقال. www.hazemsakeek.com دراسة حالة: باستخدام تحليل الليزر لدراسة الرسومات الفنيةلفهم كيف يستخدم تحليل الليزر بطريقة عملية، افترض انه في متحف يمتلك لوحة فنية ثمينة تعود للقرن السابع عشر، وبمرور السنين جرت العديد من عمليات الصيانة والترميم على اللوحة مما أضاف طبقة جديدة قد تكون غير مرئية فوق الألوان الأصلية التي استخدمها الفنان. بالإضافة إلى ذلك فان التراب والدخان ممكن تكون قد التصقت بسطح اللوحة، مما سببت تعتيم بسيط للوحة جعلت من القطعة الفنية تبدو باهتة بدون رونق أو جاذبية. فقررت إدارة المتحف أن تقوم بتحليل هذه اللوحة لفهم ماذا حدث لها عبر السنوات الماضية وما هي المواد التي ترسبت فوق اللوحة. ان استخدام أي نوع من المواد الكيميائية كمنظفات لإزالة الطبقات التي ترسبت على اللوحة قد يصيب اللوحة بضرر بالغ حتى لو كان استخدام هذه المنظفات يتم بعناية فائقة فانه لا يمكن لا احد ان يعرف اذا كانت عملية التنظيف هذه لن تؤثر على الألوان الأصلية للوحة. ولكن باستخدام تقنية الطيف المستحث بواسطة الليزر laser-induced breakdown spectroscopy يمكن ان تتم عملية التنظيف بدون ان تمس الألوان الأصلية للوحة. كيف يمكن ذلك؟تؤخذ اللوحة الأصلية لجهاز الطيف المستحث بواسطة الليزر وتمسح كل سنتمتر فيها ليتم تحليله. وبقيام الليزر بانتزاع طبقات رقيقة من سطح اللوحة وبدارسة الطيف المنبعث من البلازما المتكونة نتيجة للانتزاع يمكن تحديد بدقة نوع الجزئيات الموجودة على اللوحة والتي يجب التخلص منها. على سبيل المثال، عندما نحلل مساحة من اللوحة ذات لون ابيض، فإننا نعرف نوع الأصباغ المختلفة المستخدمة فيها. فمثلا اذا احتوت هذه الأصباغ على عنصر الرصاص وأخرى احتوت على عنصر التتانيوم. فان التتانيوم لم يكون متوفر في الأسواق حتى العام 1920 فنستطيع ان نعرف ان التتانيوم جاء نتيجة عمليات الترميم التي قام بها فنيو المتحف أوقات سابقة. وليس هذا فحسب حيث يستطيع المختص ان يعرف أيضا بدقة سمك كل طبقة والطبقة التي تليها من خلال دراسة طيف الانبعاث وتحليله فاذا تغير الطيف يعرف انه انتقل لطبقة جديدة.في الواقع بدأ استخدام تقنية الطيف المستحث بواسطة الليزر LIBS على مساحات صغيرة من لوحات فنية ولكن في القريب العاجل سوف يصبح استخدام هذه التقنية وسيلة معتمدة لتحليل اللوحات الفنية واستعادتها إلى أصلها. وذلك من خلال إزالة الطبقات الغير مرغوب فيها طبقة طبقة حتى الوصول إلى الطبقة الأصلية للوحة الفنية.أطباء الأسنان بدءوا باستخدام تقنية LIBS لتحديد العمق الذي يجب ان يصلوا له في تجويف السن. كما ان مختبرات ضبط الجودة يعتمدوا على هذه التقنية في تحديد مقدار العناصر المضافة إلى الألومنيوم المستخدم في البناء للتأكد من ان النسبة المطلوبة هي التي تم إضافتها للخليط. كما ان علماء الآثار والطب الشرعي يستخدموا هذه التقنية في عمليات التحليل للحصول على معلومات دقيقة. www.hazemsakeek.comوبالرغم من ان عمر الليزر لم يتعدى الخمسون عاما إلا انه اثبت أداة قوية وفعالة تساعد في الإجابة على الكثير من الأسئلة وتحل الكثير من المشاكل المعقدة. وفي النهاية أتمنى أن أكون قدمت شرحا مبسطا لتقنيات التحليل الطيفي المستحث بواسطة الليزر كأحد التطبيقات المهمة لليزر. |
|