روش‌های نوین اندازه‌ گیری خلوص نیتروژن در کاربردهای حساس

سپهر گاز کاویان، با گواهینامه ISO 17025، بالاترین دقت و خلوص نیتروژن را برای کاربردهای حساس شما تضمین می‌کند02146837072 – 09120253891

نیتروژن (N₂) یک گاز خنثی حیاتی در صنایع مختلف، از جمله نیمه‌هادی‌ها، داروسازی، پتروشیمی و مواد غذایی است. در کاربردهای حساس مانند فرآیندهای اتمیک لایه نشانی (ALD) در ساخت تراشه‌ها یا محیط‌های کشت سلولی، خلوص نیتروژن مصرفی باید در سطوح بسیار بالا (اغلب بالاتر از 99.999٪ یا حتی 99.9999٪) تضمین شود. وجود ناخالصی‌هایی مانند اکسیژن، آب (رطوبت)، هیدروژن، و هیدروکربن‌ها می‌تواند منجر به خرابی محصول، کاهش بازده و آلودگی فرآیند شود. به همین دلیل، توسعه و به‌کارگیری روش‌های دقیق، سریع و حساس برای اندازه‌ گیری این ناخالصی‌ها یک ضرورت فنی است. این مقاله به بررسی روش‌های نوین و پیشرفته‌ای می‌پردازد که جایگزین تکنیک‌های سنتی شده‌اند یا دقت آن‌ها را به شکل چشمگیری ارتقا داده‌اند.

مروری بر چالش‌های اندازه‌ گیری در خلوص بالا

اندازه‌ گیری خلوص در سطح قسمت در میلیون (ppm) یا قسمت در میلیارد (ppb) چالش‌های ذاتی متعددی را به همراه دارد:

• نقطه مرجع (Baseline): دستیابی به یک گاز مرجع با خلوص اثبات شده (مانند 99.9999٪) که خود نیازمند کالیبراسیون‌های پیچیده است.
• آلودگی نمونه‌برداری: کوچک‌ترین نشت در لوله‌کشی‌ها، استفاده از واشرها یا مواد غیر استاندارد می‌تواند نمونه را آلوده کرده و نتایج را به شدت تحت تأثیر قرار دهد.
• انتخاب‌پذیری (Selectivity): بسیاری از آنالایزرها باید بتوانند بین نیتروژن و ناخالصی‌هایی با خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار مشابه تمایز قائل شوند.

تکنیک‌های پیشرفته طیف‌سنجی برای آنالیز ناخالصی‌ها

روش‌های طیف‌سنجی به دلیل حساسیت ذاتی و قابلیت اندازه‌ گیری همزمان چند جزء، در خط مقدم این پیشرفت‌ها قرار دارند.

2.1. طیف‌سنجی جرمی مُد یونی القایی (IIMS) و طیف‌سنجی جرمی چهار قطبی (QMS) پیشرفته

طیف‌سنجی جرمی (MS) ابزاری استاندارد است، اما نسخه‌های مدرن آن برای نیتروژن خالص بهینه‌سازی شده‌اند:

• کاهش اثرات ماتریسی: در خلوص‌های بسیار بالا، یون‌های اصلی (N₂⁺) می‌توانند با ناخالصی‌ها برهم‌کنش کرده و سیگنال‌های کاذب ایجاد کنند. سیستم‌های جدید از طراحی‌های پلاسمای سردتر و یون‌سازی ملایم‌تر برای به حداقل رساندن این تداخلات استفاده می‌کنند.
• افزایش حساسیت: با استفاده از تقویت‌کننده‌های ثانویه (Electron Multipliers) با بهره بالا و سیستم‌های تفکیک جرمی با رزولوشن بالا، می‌توان ناخالصی‌هایی مانند آرگون (Ar) یا مونوکسید کربن (CO) را در سطوح ppb اندازه‌ گیری کرد.

2.2. طیف‌سنجی لیزری با رزولوت سوراخ‌سنجی (TDLAS) برای رطوبت و CO₂

TDLAS به دلیل ماهیت غیر تماسی و سرعت پاسخ بسیار بالا، به ویژه برای اندازه‌ گیری مولکول‌هایی با جذب قوی در ناحیه فروسرخ میانی (مانند آب (H2​O) و دی‌اکسید کربن (CO2​)) ایده‌آل است.

• اصل کار: یک لیزر دقیقاً بر روی یک خط جذبی مشخص از مولکول هدف تنظیم می‌شود. شدت نور عبوری با استفاده از قانون بیر-لامبرت (Beer-Lambert Law) برای تعیین غلظت ناخالصی استفاده می‌شود:

$$\text{A} = \log_{10}\left(\frac{I_0}{I}\right) = \varepsilon \cdot c \cdot l$$A=log10​(II0​​)=ε⋅c⋅l

که در آن A جذب، $I_0$I0​ شدت اولیه، I شدت نهایی، $\varepsilon$ε ضریب جذب مولی، c غلظت و l طول مسیر نوری است.

• مزیت نوین: استفاده از لیزرهای قابل تنظیم طول موج (Tunable Diode Lasers) که امکان اسکن دقیق‌تر پیک‌های جذبی و تفکیک بهتر بین رزونانس‌های مختلف را فراهم می‌کند.

روش‌های کروماتوگرافی پیشرفته

کروماتوگرافی گازی (GC) همچنان یک روش مرجع است، اما نوآوری‌ها بر افزایش کارایی ستون و آشکارسازها متمرکز شده‌اند.

3.1. کروماتوگرافی گازی با جذب گرمای ویژه (GC-TCD) با ستون‌های نانومتری

در گذشته، اندازه‌ گیری اکسیژن و نیتروژن با استفاده از آشکارسازهای هدایت گرمایی (TCD) و ستون‌های پرشده انجام می‌شد که سرعت پایین و رزولوشن ضعیفی داشتند.

• توسعه ستون‌ها: استفاده از ستون‌های مویینه (Capillary Columns) با پوشش‌های تخصصی که تفکیک بهتری بین O2​، CO و خود N2​ در زمان‌های کمتر (زیر 5 دقیقه) ایجاد می‌کند.
• کالیبراسیون چند نقطه‌ای: برای دستیابی به دقت در سطح ppb، سیستم‌های نوین GC از کالیبراسیون‌های پیچیده شامل گازهای رقیق‌سازی شده (مانند گاز صفر با خلوص بالا) در چندین نقطه استفاده می‌کنند تا خطی بودن (Linearity) پاسخ آشکارساز را در تمام دامنه دینامیکی اطمینان بخشند.

3.2. کروماتوگرافی یونی (IC) برای ناخالصی‌های قطبی

در مواردی که نیتروژن در محیط‌های شیمیایی مرطوب استفاده می‌شود، اندازه‌ گیری ردی از یون‌های کلرید، سولفات یا آمونیاک ضروری است. IC با استفاده از رزین‌های تبادل یونی و رسانایی سنجی، قادر است این یون‌ها را با حساسیت بسیار بالا (زیر 10 ppb) شناسایی کند، حتی اگر در غلظت‌های بسیار پایین در فاز گازی نیتروژن محلول باشند (پس از جذب در یک محیط مایع واسط).

سنسورهای الکتروشیمیایی و زیمن برای پایش آنلاین (In-Situ Monitoring)

کاربردهای تولید انبوه نیازمند پایش لحظه‌ای و پیوسته هستند که استفاده از تجهیزات تحلیلی بزرگ آزمایشگاهی را غیرعملی می‌سازد.

4.1. سنسورهای اکسیژن الکتروشیمیایی بهبود یافته

سنسورهای الکتروشیمیایی سنتی به دلیل عمر کوتاه و حساسیت به دما، برای خلوص بالا مناسب نبودند. سنسورهای نوین:

• الکترولیت‌های جامد: استفاده از الکترولیت‌های سرامیکی یا پلیمری جامد به جای محلول‌های مایع، که طول عمر سنسور را تا 1 تا 2 سال افزایش داده و پایداری بیشتری در برابر نوسانات دمایی محیط ارائه می‌دهند.
• استفاده از پتانسیواستاتیک کنترل‌شده: به جای استفاده از روش پتانسیل آزاد، پایش با یک پتانسیل ثابت و بهینه انجام می‌شود که پاسخ سنسور را به طور قابل توجهی خطی‌تر و انتخابی‌تر می‌کند. این امر امکان اندازه‌ گیری O2​ در سطوح پایین‌تر از 5 ppm را فراهم می‌آورد.

4.2. تکنیک تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) و رزونانس پارامغناطیسی الکترون (EPR)

اگرچه این روش‌ها عمدتاً ابزارهای تحقیقاتی هستند، اما پیشرفت‌های اخیر آن‌ها را برای کاربردهای صنعتی خاص نیز قابل استفاده کرده است:

• NMR: برای شناسایی و کمی‌سازی ناخالصی‌های مولکولی آلی (هیدروکربن‌ها) که در سایر روش‌ها به سختی قابل تمایز هستند، به کار می‌رود. با افزایش میدان‌های مغناطیسی قوی‌تر و بهبود نسبت سیگنال به نویز، این تکنیک در حال ورود به خطوط کنترل کیفیت پیشرفته است.

کالیبراسیون و اعتبارسنجی با استفاده از مدل‌سازی و داده‌کاوی

مهم‌تر از خود ابزار، نحوه کالیبراسیون و تفسیر داده‌ها است.

• استفاده از گازهای استاندارد رقیق‌سازی شده (SRM): برای اعتبارسنجی سیستم‌های اندازه‌ گیری آنلاین، از گازهای کالیبراسیون با خلوص مشخص (اغلب با استفاده از رقیق‌کننده‌های جرمی یا حجمی دقیق) استفاده می‌شود تا رنج دینامیکی سنسور تأیید شود.
• الگوریتم‌های تصحیح خطا: داده‌های جمع‌آوری شده از سنسورهای مختلف (مانند TDLAS و QMS) توسط الگوریتم‌های هوش مصنوعی و یادگیری ماشین فیلتر و ترکیب می‌شوند. این مدل‌ها می‌توانند رانش سنسور (Drift)، اثرات تداخل دمایی/فشاری، و ناپایداری‌های کوتاه‌مدت را پیش‌بینی و تصحیح کنند و در نتیجه، دقت اندازه‌ گیری کلی را در طول زمان حفظ نمایند.

اندازه‌ گیری خلوص نیتروژن دیگر صرفاً به اندازه‌ گیری حجم یا درصد محدود نمی‌شود؛ این حوزه به سمت شناسایی و کمی‌سازی ناخالصی‌ها در سطوح بسیار پایین با قابلیت پایش لحظه‌ای حرکت کرده است. ادغام روش‌های طیف‌سنجی لیزری، کروماتوگرافی با کارایی بالا و سنسورهای الکتروشیمیایی مقاوم، همراه با به‌کارگیری پیشرفته‌ترین روش‌های کالیبراسیون مبتنی بر داده، تضمین می‌کند که استانداردهای سختگیرانه صنایع حساس مانند الکترونیک و بیوتکنولوژی همواره برآورده شوند و ایمنی و کارایی فرآیندهای حیاتی حفظ گردد.