فتومتر در آزمایشگاه برای چه مواردی استفاده می شود؟

فلیم فتومتر یک از ابزارهای الکتریکی است که در بسیاری آزمایشگاه ها پیدا می شود که از آن بیشتر برای سنجش سدیم و پتاسیم بکار می بریم. اساس کار این دستگاه

مانند اسپکتروفتومتر بر روی سنجش انرژی نورانی و طیف قشری اتم های موردنظر است. الکترون‌های اتم فلزات به ویژه فلزات قلیایی مانند سدیم، پتاسیم و کلسیم بر اثر انرژی های مختلف مانند حرارتی و نورانی الکترون‌ها برانگیخته می شوند و به مدارهای بالاتر جهش می کنند. در مدار جدید، الکترون ها انرژی بیشتر ولی ثبات کمتر دارند و به همین دلیل پس از زمان بسیار کوتاهی به مدار اولیه بر می گردند. در این برگشت انرژی را که جذب کرده اند به صورت انرژی نورانی (فوتون) منتشر می کنند.

 ایـن نـور دارای طـول مـوج مـعـینی است که مخصوص آن فلز است؛ مثلا طول موج نور زرد که از سوختن سدیم ساطع می شود برابر ۵۹۰ نانومتر و طول موج پتاسیم که نور صورتی مایل به بنفش به وجود می آورد برابر ۷۶۵ نانومتر و نور لیتیوم که قرمز است، برابر ۶۷۰ نانومتر است. اساس به وجود آمدن نور در فلیم فتومتر شبیه به روش فـلــورسـنــت اسـت بـا ایـن تـفـاوت کـه در فلورسنت جهت برانگیختن اتم انرژی نورانی UV ماوراء بنفش به کار می رود در حالی که در فلیـم فتـومتـر بـه  ایـن منظـور از انـرژی حـرارتی استفاده می شود. بر اثر حرارت شعله، هر لحظه فقط حدود ۰۰۲/۰ درصد از اتم های عناصری که بـه راحتـی بـرانگیختـه مـی شـونـد مثـل سـدیـم یا پتـاسیـم تهییـج شـده و نـور ایجـاد مـی کنند و بر حسب این که الکترون چه مداری و تا چه حدی برانگیخته شده باشد و بر حسب این که چقدر انرژی نورانی (فتون) ساطع کند رنگ نوری که می دهد متفاوت است که هر رنگ مخصوص یـک عنصـر اسـت. بعضـی از عناصر چند رنگ تولید می کنند و اشکال این است که اگر شعله کم یــا زیــاد شــود طـول مـوج بـه وجـود آمـده تغییـر می‌کند؛ به همین جهت دستگاه فلیم فتومتر فقط برای اندازه گیری سدیم و پتاسیم و گاهی در صورت حساس بودن دستگاه برای اندازه گیری کلسیم-البته با حرارت دادن محلول در محفظه جداگانه- استفاده می شود.

ساختمان فلیم فتومتر
ساختمان فلیم فتومتر شبیه به اسپکتروفتومتر یا فتومتر ساده است با این تفاوت که در فتومتر منبع نور لامپ الکتریکی و در فلیم فتومتر منبع نور از سوختن ماده مورد آزمایش در شعله است. به علاوه در اسپکتروفتومتر بعد از برخورد نور به محلول نمونه، مقدار نور جذب شده را اندازه می گیرند در حالی که در فلیم فتومتر نور به وجود آمده مستقیما اندازه گیری می شود. در دستگاه فلیم فتومتر برای تجزیه نور  به طور معمول  از فیلترهای تداخلی و برای سنجش نور از انواع مختلف نورسنج فتوسل یا فتوتیوب  و برای  اندازه گـیـری الکتـریسیتـه از گـالـوانـومتـر استفـاده مـی شـود. چـون فـرق کلـی فلیـم فتـومتـر و اسپکتروفتومتر در منبع نور آن ها است، لذا این قسمت به صورت کامل در ادامه توضیح داده می شود.

منبع نور
برای ایجاد نور از نمونه مورد آزمایش آن را به وسیله مکنده وارد شعله می کنیم و شعله از سوختن گاز قابل اشتعال به وجود می آید.
الف) مکنده ساده: در این نوع مکنده محلول از مجرای بسیار ظریف و باریک مکیده شده و مخلوط هوای فشرده و گاز آن را تمیز کرده و وارد شعله می کند. به علت ظرافت مسیر نمونه، کار کردن با آن دقت زیادی می خواهد چون کمترین اختلال تولید اشکال می کند. هم چنین رسوبات در دهانه مشعل یا ناخالصی گاز باعث تغییر مقدار شعله و شدت آن می شود مثل آلودگی گاز استیلن یا پروبان که در این شرایط رنگ آبی شعله به سبز متمایل می شود. در این نوع مکنده از شعله شدید استفاده می شود که نتیجه حاصل از گازهای سوزنده مانند هیدروژن-استیلن آنالتیک و گاهی پروپان حاصل می شود. شعله شدید یکنواخت سوخته و با وجود حجم کم دارای حرارت بسیار است. با به کار بردن این نوع شعله عناصری را که نور ضعیف تولید می کنند مثل کلسیم را می توان اندازه گیری کرد.
ب) مکنده با محفظه: در این مکنده نمونه ابتدا اتمیزه شده و سپس به شعله می رسد. این سیستم صدادارتر از سیستم اول بوده و مقدار نمونه را نیز بهتر می توان کنترل کرد. نمونه بعد از این که در محفظه به صورت atomized پودر در آمد، ذرات درشت آن ته نشین شده و فقط ذرات ریز و یکدست وارد شعله می شوند. اینجا مقدار نمونه ای که به شعله می رود از نوع اول کمتر است. اشکالات این نوع هم این است که تمیز کردن محفظه کار آسانی نیست چون مقدار زیادی املاح در آن رسوب می کند. در ضمن مخلوط گاز و هوا ممکن است در آن تولید انفجار کند. در این سیستم معمولا شعله نوع ملایم استفاده می‌شود و ذرات بسیار ریز را در مسیر هوا به شعله می رساند.

روش اندازه گیری در فلیم فتومتر

۱- روش مستقیم: در این روش نوری را که از عناصری مثل سدیم ساطع می شود به وسیله نورسنج (فتوسل) و الکتریک سنج (گالوانومتر) اندازه گیری می کنند. با در دست داشتن منحنی استاندارد مقدار عنصر مورد نظر تعیین می شود. این طریق اندازه گیری معمولا در دستگاهی که شعله شدید به کار رفته مرسوم است.
۲- روش مقایسه ای: در این روش ماده  مورد آزمایش را با نور ماده ای که به عنوان استاندارد داخلی مصرف می شود. مقایسه می کنند. برای رفع اشکالاتی که از تغییرات شدت و میزان شعله به وجود می آید از یک استاندارد داخلی استفاده می کنند. به این ترتیب که مقدار معینی از ماده ای که در نمونه وجود ندارد به استاندارد سرم کنترل و بلانک و نمونه مورد آزمایش اضافه می کنند. در اندازه گیری سدیم و پتاسیم استاندارد داخـلــی لـیـتـیــوم اســت . (نـیـتــرات و ســولـفــات لـیـتـیــوم ) لـیـتـیــوم نـوری بـا طـول مـوج ۶۷۰ میلی‌میکرون ایجاد می کند که به آسانی می توان آن را از امواج سدیم و پتاسیم جدا کرد. این روش معمولا در دستگاه هایی که شعله ملایم ندارند مرسوم است. در این روش نور نمونه با نور استاندارد مقایسه می شود. مثل سیستم دو پرتوی در دستگاه اسپکتروفتومتر. بدین ترتیب تغییرات حرارت و شعله و اتمیزه کردن و تغییرات فشار گازها و نوسانات ولت برای هر دو عنصر یکسان است. برای روشن شدن این مطلب سدیم  و لیتیم را در نظر بگیرید. چنانچه سیستم اتمایزر دچار اشکال شود مقدار سدیم و لیتیوم که به شعله می رسد به یک نسبت تغییر می کند ولی تغییرات شدت نور برای هر دو عنصر یکسان نخواهد بود چون انرژی جهت تهییج شدن برای دو عنصر صددرصد یکسان نیست. خواص فیزیکی و شیمیایی لیتیوم شبیه سدیم و پتاسیم است شدت تهییج شدن آن هم حدودا شبیه سدیم و پتاسیم است.

طرز جدا کردن نور سدیم از لیتیوم
در عمل و طبق استاندارد ، سرم کنترل ، نمونه و بلانک با لیتیوم رقیق می شوند . علاوه بر لیتیوم کمی ماده مرطوب کننده نیز اضافه می شود تا غلظت محلول ها یکنواخت شده و عبور آن ها بهتر کنترل شود.

اشکالات و روش رفع آن ها
۱- تنظیم نبودن درجه حرارت و مقدار شعله: برای رفع این اشکال از فشار سنج و دستگاه تنظیم کننده فشار هوا و گاز (رگولاتور) استفاده می کنند به علاوه مسیر گاز باید کاملا تمیز بوده و گاز خالص مصرف شود.
۲- ثابت نبودن مقدار نمونه مورد آزمایش: برای رفع این اشکال نمونه را رقیق کرده و سپس آن را به کمک سیستم اتمایزر به حالت ذرات ریز در آورده و در مسیر گاز جهت سوخت یا در مسیر هوا آن را وارد شعله می کنند. بنابراین با تنظیم یکنواخت هوای فشرده و گاز سوزنده مقدار نمونه نیز کنترل می شود.
۳- یکنواخت نبودن چسبندگی محلول ها: چـون چسبنـدگـی محلـول مـورد آزمـایش آن با محلول استاندارد مساوی نیست این امر باعث می شود مقدار نوری که به وجود می آید متناسب با مقدار نمونه نباشد. برای رفع این اشکال مقدار معینـی مـاده مـرطـوب کننـده اضـافـه مـی کنند تا مـحـلـــول هـــای مــورد آزمــایــش اسـتــانــداردهــا، ســرم‌هــای کـنتـرل و بـلانـک دارای چسبنـدگـی یکنواخت شوند.
۴- اثر اتم‌های دیگر: بعضی از اتمها انرژی نـورانـی را کـه بـه وسـیـلـه سـایـر اتم ها به وجود مـی‌آیـنـد جـذب کـرده و بـرعـکس بعضی دیگر انرژی نورانی را تشدید می کنند نمونه های مورد آزمایش مثل سرم خون یا ادرار همیشه مقداری از ایـن اتم های مزاحم دربردارند. خوشبختانه مـقـدار ایـن اتـم ها یکسان بوده و قابل اغماض است. اثر نامطلوب این اتم ها را می توان به چند طریق تقلیل داد:
الف) تا جایی که امکان دارد نمونه ها را رقیق کـرد (بـسـتـه بـه حـداقـل حـسـاسـیـت دسـتگاه) تا اتم‌های ناخواسته هم رقیق شوند.
ب) اضـافـه کـردن مـقـدار مـعـیـنی از اتم های ناخواسته، به عنوان مثال سدیم باعث تشدید نور پـتـاسـیـم مـی شود. برای کنترل اثر سدیم مقدار معینی از آن را به تمام محلول ها اضافه می کنند و چون نمونه را با استاندارد می سنجند اثر سدیم خنثی خواهد شد. مسلم است که با اضافه کردن سدیم نمی توان در یک نمونه رقیق شده سدیم و پتاسیم را با هم اندازه گیری کرد.
ج) مـوادی بـه نـمـونـه اضـافـه می کنند که اثر نامطلوب اتم ناخواسته را خنثی کند، به عنوان مثال در مورد کلسیم یکی از اتم های ناخالص که شدت نور کلسیم را کم می کند فسفات است. برای خنثی کردن فسفات مقداری لنتانیوم اضافه مـی کـنـنـد چـون لـنـتـانـیـوم برای گرفتن فسفات رقابت می کند. طول موج لنتانیوم نزدیک طول موج کلسیم نیست و به هیمن دلیل جداکردن آن‌ها آسان است.
د) اضافه کردن لیتیوم به عنوان استاندارد داخلی اثر نامطلوب سدیم را بر روی پتاسیم یا پتاسیم بر روی سدیم را کاهش می دهد.
جهت مطالعه بیماران روانی لیتیوم مصرف می کنند و برای کنترل مقدار لیتیوم در سرم بیماران لازم است که میزان آن را در سرم خون بیمار اندازه گیری کرد. واضح است که با استـانـدارد داخلـی لیتیـوم نمـی توان آن را سنجید. به ناچار دستگاه های فلیم فتومتر مخصوص ساخته شده اند که سیستم های مخصوص دارند و مجهز به فیلتر مخصوص لیتیوم بوده و لیتیوم سرم را با مصرف پتاسیم به عنوان استاندارد داخلی اندازه می گیرند.
۵- رقت زیاد: رقیق کردن بیش از حد نمونه باعث می شود که در حرارت زیاد بعضی از اتم های ماده مورد آزمایش یونیزه شوند. طول موج نوری که یون ها ایجاد می کنند با طول موج اتم آن ماده متفاوت است. با رسم منحنی استاندارد می توان متوجه شد که در دقت پایین منحنی خطی نیست.
برای رفع این اشکال با به کار بردن استانداردهای مختلف منحنی را کشیده و رقت مطلوب را محاسبه می کنند.
۶- غلظت زیاد: اگر محلول غلیظ‌تر از حد لازم باشد علاوه بر اثرات نامطلوب اتم‌های ناخواسته، اتم های ناخواسته که شرح آن گذشت، مقداری از انرژی نورانی ماده مورد آزمایش به وسیله اتم های خود ماده ،جذب خواهد شد. این جذب به وسیله الکترون‌هایی که در گراند استیت هستند انجام می شود. باز هم با استفاده از منحنی استانداردها می توان غلظت محلول را محاسبه کرد.

اشکالات در اندازه گیری کلسیم
کلسیم در حرارت پائین به سختی نور می دهد. در حرارت کمی بالاتر چند رنگ می‌دهد که بعضی از آن ها نزدیک به رنگ سدیم بوده و با آن مخلوط شده و جداکردن آن مشکل است. لذا هنوز دستگاهی که بر اساس فلیمفتومتری کار کند، ساخته نشده که بتواند مستقیم کلسیم را اندازه گیری کند. مگر این که سایر یون های مزاحم را جدا  کرده و بعـد کلسیـم را انـدازه گیـری کنـد. یعنـی رسـوب کلسیـم را تهیـه کرده و در محلول رقیق‌کننده مجددا رقیق‌کرده و اندازه گیری می کنند. روش فوق نیز دقیق نیست و در حال حاضر کلسیم را با دستگاه تیترانور و فعال انفعالات شیمیایی اندازه گیری می کنند.

رفع اشکالات مکانیکی و الکترونیکی
 اشکالات در دستگاه
الف) اشکالات در مورد اتمایزر: بهتر است جهت نگهداری، اتمایزر پس از استفاده از دستگاه به مدت ۱۰ دقیقه به صورت خشک (بدون تزریق محلول به آن) کار کند تا تمام مایعات و مواد اضافی اتمایزر خارج شده و باعث گرفتگی سوزن اتمایزر نشود.
ب) هر چند وقت یک بار مجراهای مختلف ورود گاز و چربی های ناشی از آن که در لوله ها رسوب کرده کاملا پاک و فیلتر ورودی گاز به دستگاه تمیز و شستشو شود.
ج) گذرگاه های هوای فشرده نیز به همین ترتیب تمیز شود.
د) مجرای فاضلاب تمیز شده و انسدادهای موجود رفع شود. توضیح این که در انتهای خروج فاضلاب، ظرف مخصوصی موجود است که همیشه سطح فاضلاب باید در سطح معینی باشد و اضافه آن نیز به خارج هدایت شود. این موضوع باعث می شود که از خروج گاز و محلول اتمیزه شده از راه غیرطبیعی فاضلاب خارج نشود.
ه) هر چند ماه یک‌بار سطح مشعل را از رسوب های ایجاد شده بایستی پاک کرد.
و) لنز(عدسی) و دریچه های تمرکز دهنده نور را که در جلوی مشعل قرار گرفته است و  به طور معمول دودزده می شود بایستی پاک کرده و سطح سلول فتوالکتریکی را با پارچه بسیار نرم تمیز کرد. در صورتی که دستگاه دارای سیستم گریتینگ است باید از هر گونه دست زدن به منشور و آینه ها خودداری شود و فقط با دمیدن هوا به آهستگی گرد و غبار موردنظر تمیز شود.
اشکالات در مورد کمپرسور هوای فشرده
فیلترهای مخصوص ورود هوا به کمپرسور تـمـیــز یــا تعـویـض شـود. دریچـه هـای خـارجـی کـمـپـرسـور تـمـیـز و بـازدیـد شـونـد. در صـورت کــاهــش فـشــار هــوا بــایــد سیستـم ایجـاد تـراکـم کمپرسور مورد بازدید و سرویس قرار گیرد.

نحوه شروع کار با دستگاه
دستگاه به برق شهر وصل و روشن می شود. در صـورتـی کـه کـمپرسور به صورت جداگانه تغذیه می شود، کمپرسور هم روشن می شود. درجه هوای فشرده روی عدد مورد نظر تنظیم می شود. در هر دستگاه فشار هوا، معین و ثابت است. شیر گاز را باز کرده و بلافاصله مشتعل مـی‌شـود و بـه وسـیـله دریچه مخصوص تنظیم می‌شود تا شعله آبی موردنظر ایجاد شود.
نحوه انجام کار: شستشوی دستگاه با استفاده از آب مـقـطـر دوبـار تـقـطـیـر کـه بـه اتـمایزر داده می‌شود، انجام می گیرد. سپس گاز بسته می شود و با از بین رفتن شعله در مشعل ، نیاز است که دستگاه به مدت ۱۰ دقیقه خشک کار کند و سپس کمپرسور و بعد دستگاه خاموش می شوند و پس از خــنـــک شـــدن مــشــعـــل دســتـگــاه بــا روکــش مخصوص پوشانده می شود.

نحوه اندازه گیری
پـس از تـنـظیم دستگاه فیلتر سدیم یا پتاسیم (بر حسب احتیاج) در جای مخصوص قرار داده می‌شود.
۱- دستگاه با آب مقطر دو بار تقطیر (بلانک) صـفـر مـی شـود (با استفاده از دکمه مخصوص تنظیم صفر.)
۲- با محلول استاندارد که پیش ترً آماده شده گـالـوانـومـتـر روی یـک عـدد تـنظیم می شود (با استفاده از دکمه مخصوص حساسیت.)
۳- سرم بیمار، که پیش تر برابر با رقت محلول کنترل و استاندارد آماده شده به دستگاه داده شده و عدد گالوانومتر  خوانده می شود.
۴- رقــم خــوانــده شــده گــالـوانـومـتـر از روی جدول مخصوص دستگاه بر حسب میلی گرم یا میلی اکووالانت تعیین می شود.