Characterization and Optical Properties of Acacia tortilis var. raddiana gum Using Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)

Abstract

ABSTRACT

The study of Polymeric materials and determination of their characterization are very important in field of science and technology due their wide applications. This work aims to characterize Acacia tortilis var. raddiana (ATR) gum collected from different locations in Sudan: (Wd-Mahala Forest) Khartoum State, (Sharq Elneel) Khartoum State and (Tayba forest) Gezira State. Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), Fourier Transformation infrared spectroscopy (FTIR) and Ultraviolet–visible spectroscopy (UV-VS) were used as analytical techniques. Nitrogen laser 337.1nm with pulse energy 400mJ, pulse duration 10 ns, Repetition Rate 100 Hz and blue 405nm, 200 mw power, Pulse duration (0.5, 0.8, 2 and 3 ) ns, Repetition Rate (1.93, 1.19, 0.55 and 0.31) MHz were used as irradiation source. The emission spectra of the plasma were collected and analyzed by USB2000 spectrometer, and the recorded spectra of the samples were analyzed using Atomic Spectra Database line of National Institute of Standard and Technology (NIST). A small amount of potassium bromide powder was added to powdered ATR gum samples compressed to a thin layer analyzed using a Satellite FTIR spectrometer in the range 400 to 4000cm-1 and the spectrum was collected. Solutions were prepared using five different weights (0.3, 0.7, 0.10, 0.15 and 0.20g) dissolved in 5 mL different solvents (distill water, ethanol and methanol) hence the absorption of Acacia tortilis var. raddiana gum was recorded using UV-VS mini 1240 spectrophotometer to study the quantitative optical properties. The analysis of LIBS spectra showed varying intensity of considerable neutral atoms like Ar, Fe, Th, Sc, C, Na, Ti, Ca, Xe, Cr, O, V, Mg, S, Co, Mn, W and H using Nitrogen laser in addition to N, Al, Ne, Cu, Kr, Nd, Br, Cl, In and K that were found in all samples using blue laser at micro-level distribution of elements in gum. The elemental analysis provides confirmation of the presence of heavy metals like Fe, Ti and Cr. It also of interest to note the presence of higher ionization states of some of the elements such as Ar+2,Fe+2,Fe+3,C+3,Na+2,Ti+2,Ca+3,Xe+3,Cr+2,V+2, Mg+3,S+2,Co+2and Mn+2. Some of these elements are considered to be beneficial V, Mg, Ca and K for human health, while others such as Cu, Fe, Co, Cr, Al and Ti are doomed to be harmful in high doses. The analysis of the absorption spectra of (ATR) gum done using Origin 9 program and the optical properties were calculated. The Absorption of the samples at wavelength (200-315) nm were found to increase with increasing sample weights in the range (2.427-3.771) a.u, (0.141-0.275) a.u and (0.151-0.789) a.u while the absorption coefficient were found in the range (5.568-8.735) cm-1, (0.264-0.634) cm-1 and (0.297-1.819) cm-1, the extinction coefficient (9.28×10-6-1.643×10-5), (4.411×10-7-1.059×10-6) and (4.913×10-7-3.003×10-6), the transmission ranged between (0.69-0. 961), (0.530-0.768) and (0.161-0.634) at wave length (318-500) nm, the reflection (0.204),(0.118-0.194) and (0.127-0.199) at wavelength (240-430) nm, the refractive index (2.144-2.164) , (1.568-2.083) and (1.628-2.121) , the real dielectric constant ranged between (4.620-4.646), (2.461-3.579) and (2.652 -4.504), the imaginary dielectric constant (9.227×10-6-1.486×10-5), (1.379×10-6-4.424×10-6) and (1.608×10-6-1.223×10-5) at (235-400) nm, the electrical conductivity (2.498×105-4.425×105) Ω.cm-1, (1.563 × 105-2.104 × 105) Ω.cm-1 and (1.625×105 -2.095×105)Ω.cm-1 and the energy band gab was found to be in range (4.111-2.947) eV, (5.695-5.373) eV and (5.795-5.566) eV for the distilled water, ethanol and methanol solutions respectively. These results indicate that, the ATR gum is an excellent material can be used in different devices and manufacturing as they prevent the transmission of UV and allows the passage of visible light. FTIR spectra shows the presence of the same functional groups in the gums, except for bands that indicate the presence of some groups specific to the sample. The Thiol, Ketones and Metal alkoxides groups have specific vibrations such as the band at 2601.71 cm-1, 1831.77 cm-1 and 636.59 cm-1 due to S-H, C=O and TiO related to sample S1, S2 and S3 respectively. The bands at 750 - 810 cm-1, 1050 - 1150 cm-1, 2100 - 2250 cm-1, 3100 - 3500 cm-1 and 3200 - 3500cm-1, correspond to C-H, C-O, C≡C, N-H and O-H vibrations in various Aromatic, AlKoxy, Alkenes, Alkynes, Amides and Alcohol the most common functional groups. Acacia tortilis var. raddiana can be used in the pharmaceutical and food industries due to its unique physical and chemical properties.

المستخلص تعد دراسة المواد البولمرية وتحديد خصائصها مهم جدا في مجال العلوم والتكنولوجيا بسبب تطبيقاته الواسعة. يهدف هذا العمل إلى توصيف صمغ السنط اللولبي الذي تم جمعه من مواقع مختلفة في السودان: (غابة ود-المحلة) ولاية الخرطوم ، (شرق النيل) ولاية الخرطوم و (غابة طيبة) ولاية الجزيرة. تم إستخدام التحليل الطيفي للانهيار المستحث بالليزر (LIBS) ، التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR) والتحليل الطيفي المرئي فوق البنفسجي (UV-VS) كتقنيات تحليل. إستخدم ليزر نيتروجين 337.1 نانومتر مع طاقة نبضية 400 مللي جول ، مدة النبض 10 نانومتر ، معدل التكرار 100 هرتز والليزر الأزرق 405 نانومتر ، قوته 200 مللي واط ، مدة النبضه (0.5 ، 0.8 ، 2 و 3 ) نانوثانيه ، معدل التكرار (1.93 ، 1.19 ، 0.55 و 0.31) ميجا هرتز كمصادر للإشعاع. تم جمع أطياف الانبعاثات من البلازما بواسطة مطياف USB2000 ، و تحليلها بالإستعانة بقاعدة بيانات الإطياف الذرية الصادرة عن المعهد الوطني للمواصفات والتقانة (NIST). أضيفت كمية صغيرة من مسحوق بروميد البوتاسيوم إلى عينات مسحوق صمغ ATR و ضغطت إلى طبقة رقيقة و تم تحليلها باستخدام مطياف FTIR في نطاق يتراوح بين 400 و 4000 سم-1 وتم جمع الطيف. تم تحضير المحاليل باستخدام خمسة أوزان مختلفة (0.3 و 0.7 و 0.10 و 0.15 و 0.20) جم مذابة في 5 مل من المذيبات المختلفة (الماء المقطر والإيثانول والميثانول) وبالتالي تم تسجيل طيف الإمتصاص الخاص بصمغ الراديانا بإستخدام مقياس الطيف الضوئي المصغر 1240 للأشعة فوق البنفسجية لدراسة الخصائص البصرية الكمية. أظهرت نتائج التحليل الطيفي للانهيار المستحث بالليزر أن صمغ الراديانا يحتوي على العناصر الاتيه: الأرجون ، الحديد ، الثوريوم ، السكانديوم ، الكربون ، الصوديوم ، التيتانيوم ، الكالسيوم ، الزينون ، الكروم ، الأوكسجين ، الفاناديوم ، المغنيسيوم ، الكبريت ، الكوبالت ، المنغنيز، التنجستن و الهيدروجين باستخدام ليزر النيتروجين بالإضافة إلى النيتروجين ، الألمنيوم ، النيون ، النحاس ، الكربتون ، النيوديميوم ، البروم ، الكلور ، الإنديوم و البوتاسيوم التي تم العثور عليها بكثافة متفاوتة في جميع العينات باستخدام الليزر الأزرق على نطاق المستوى الجزئي للعناصر داخل الصمغ. أكدت نتائج تحليل الصمغ وجود عناصر ثقيلة كالحديد , التيتانيوم و الكروم. ومن المهم أيضا ملاحظة وجود أيونات بعض العناصر في حالات تأكسد مختلفة مثل Mg+3 ,V+2 ,Xe+3 ,Ca+3 Na+2, C+3, Cr+2, Ti+2, Ar+2 Mn+2,Co+2 ,Fe+3, Fe+2 , S+2 . وتعتبر بعض هذه العناصر مفيدة لصحة جسم الإنسان مثل الفاناديوم ، المغنيسيوم , الكالسيوم والبوتاسيوم ، في حين أن هنالك عناصر مثل النحاس ، الحديد ، الكوبالت ، الكروم ، الألمنيوم و التيتانيوم التي قد تكون ضارة إذا استخدمت بجرعات عالية . تم تحليل أطياف الإمتصاص لصمغ (ATR) باستخدام برنامج Origin 9 وتم حساب الخصائص البصرية. وجد أن امتصاص العينات عند الطول الموجي (200-315) nm يزداد مع زيادة أوزان العينات في النطاق (2.427-3.771) a.u , (0.141-0.275) a.u و (0.151-0.789) a.u بينما تم العثور على معامل الامتصاص في النطاق (5.568-8.735) cm-1 , (0.264-0.634) cm-1 و (0.297-1.819) cm-1 , معامل التوهين (9.28×10-6-1.643×10-5) , (4.411×10-7-1.059×10-6) و (4.913×10-7-3.003×10-6) ، تتراوح النفاذية بين (0.69-0.961) ، (0.530-0.768) و (0.161-0.634) عند الطول الموجي (318-500) nm , الإنعكاس (0.204) , (0.194-0.118) و (0.199-0.127) عند الطول الموجي (240-430) nm معامل الانكسار (2.144-2.164) , (1.568-2.083) و (1.628-2.121) ، تراوح ثابت العزل الكهربائي الحقيقي بين (4.620-4.646) , (2.461-3.579) و (2.652 -4.504) ، وثابت العزل الكهربائي التخيلي (9.227×10-6- 1.486×10-5) ، (1.379×10-6-4.424×10-6) و (1.608×10-6-1.223×10-5) عند (235-400) nm ، الموصلية الكهربائية (105×2.498-105×4.425) Ω.cm-1 ، Ω.cm-1 (1.563×105-2.104×105) و(×1051.625 -×1052.095)Ω.cm-1 ووجد أن نطاق فجوة الطاقة بين (4.111-2.947) eV , (5.695-5.373) eV و (5.795-5.566) eV لمحاليل الماء المقطر والإيثانول والميثانول على التوالي. تشير هذه النتائج إلى أن صمغ (ATR) مادة ممتازة يمكن استخدامها في الأجهزة المختلفة والتصنيع لأنها تمنع انتقال الأشعة فوق البنفسجية وتسمح بمرور الضوء المرئي. تظهر أطياف FTIR وجود نفس المجموعات الوظيفية في عينات الصمغ ، باستثناء بعض الحزم التي تشير إلى وجود بعض الزمر الخاصة بالعينة. مجموعات الثيول والكيتونات والألكوكسيدات المعدنية لها اهتزازات محددة عند 2601.71 سم-1 و 1831.77 سم-1 و 636.59 سم-1 ترجع إلى S-H , C = O و TiO المتعلقة بالعينة الأولى و الثانيه و الثالثه على التوالي. الحزم عند 750 - 810 سم-1 ، 1050 - 1150 سم-1 ، 2100 - 2250 سم-1 ، 3100 - 3500 سم-1 و 3200 - 3500 سم-1 ، المقابلة ل C-H ، C-O ، C≡C ، N-H و O-H تمتد الاهتزازات على التوالي و تمثل وجود العطريات ، الألكوكسي ، الألكينات ، الألكينات ، الأميدات والكحول وهي المجموعات الوظيفية الأكثر شيوعا. يمكن أن يستخدم صمغ الراديانا في الصناعات الدوائية والغذائية بسبب خصائصه الفيزيائية والكيميائية الفريدة.