تفاوت اسپکترومتری و اسپکتروسکوپی

اسپکتروسکوپی

اسپکتروسکوپی مطالعه میزان جذب و انتشار نور و سایر تشعشعات ماده است. این روش شامل تقسیم نور به طول موج های تشکیل دهنده خود است؛ مانند منشور که نور را به مؤلفه های خود تجزیه می کند. در حقیقت اسپکتروسکوپی به سبک قدیمی توسط یک منشور و صفحات فیلم عکاسی انجام شد. اسپکتروسکوپی مدرن از توری پراش برای پراکنده کردن نور استفاده می کند که بر روی آشکارساز ها CCD تعبیه شده است. این نمونه از آشکارساز ها را می توان در دوربین های دیجیتال مشاهده کرد. طیف های دو بعدی به راحتی از فرمت دیجیتال استخراج شده و برای تولید طیف های تک بعدی که دارای اطلاعات مفیدی نیز هستند مورد پردازش قرار می گیرند. اخیراً تعریف اسپکتروسکوپی گسترش پیدا کرده است و به مطالعه اندرکنش بین ذرات مانند الکترون ها، پروتون ها و یون ها و همچنین اندرکنش بین ذرات دیگر به عنوان تابعی از انرژی برخورد آن ها می پردازد.

اسپکتروسکوپی یک رشته تخصصی نیست و در سایر رشته ها هم کاربرد دارد. تصویربرداری با رزونانس مغناطیسی (MRI)، بررسی آرایش و خواص فیزیکی اجرام فضایی دور از طریق تجزیه و تحلیل طیف و طول موج آن ها، آزمایش دوپینگ در ورزش و دستگاه های اشعه X، همه توسط اسپکتروسکوپی انجام می گیرید.

انواع مختلف طیف سنجی با نوع انرژی تابشی که با ماده در اندرکنش است، مشخص می شود. در بسیاری از کاربردها، طیف با اندازه گیری تغییرات در شدت یا فرکانس این انرژی تابشی تعیین می شود. انواع اسپکتروسکوپی را می توان با توجه به ماهیت اندرکنش بین انرژی و ماده طبقه بندی کرد.

اسپکتروسکوپی نجومی

این نوع اسپکتروسوپی عمدتاً مربوط به تجزیه و تحلیل اشیاء موجود در فضا است. از تجزیه و تحلیل اسپکتروسکوپی ساده یک جسم نجومی، می توان طیف تابش الکترومغناطیسی را اندازه گرفت و طول موج آن را تعیین کرد. این اندازه گیری می تواند اطلاعات مفیدی در مورد ترکیب شیمیایی اجسام، دما، فاصله و سرعت (با استفاده از تابعی از طول موج آن ها و سرعت نور) را رائه دهد.

اسپکتروسکوپی جذبی

اسپکتروسکوپی جذبی شامل استفاده از تکنیک هایی اسپکتروسکوپی مولکولی است که میزان جذب اشعه در ماده را اندازه گیری می کند. ما می توانیم با آزمایش جذب عناصر خاص در طیف الکترومغناطیسی، ترکیب اتمی یک نمونه را تعیین کنیم. اسپکتروسکوپی جذبی به عنوان یک ابزار شیمیایی تحلیلی عمل می کند که می تواند تعیین کند ماده خاصی در یک نمونه وجود دارد یا خیر و همچنین مقدار کمی از ماده موجود را نیز تعیین می کند. طیف سنجی مادون قرمز و اشعه ماوراء بنفش در این نوع برنامه های کاربردی تحلیلی رایج است. در اسپکتروسکوپی UV-VIS استفاده از قانون بیر و لمبرت برای محاسبه غلظت یک مولکول خاص از میزان جذب اندازه گیری معمول است. روش های مختلف زیادی برای اندازه گیری طیف های جذب وجود دارد. متداول ترین آن، تاباندن پرتوی نور بر یک نمونه و تشخیص شدت اشعه ای است که از نمونه عبور می کند (شکل۱).

نحوه طیف گیری جذبی از نمونه

شکل ۱: نحوه طیف گیری جذبی از نمونه

اسپکتروسکوپی زیست پزشکی

اسپکتروسکوپی زیست پزشکی نوعی طیف سنجی است که در علم پزشکی استفاده می شود. به عنوان مثال، اسپکتروسکوپی رزونانس مغناطیسی (یک تکنیک تخصصی مرتبط با تصویربرداری با رزونانس مغناطیسی) اغلب برای تشخیص و مطالعه تغییرات شیمیایی در مغز مورد استفاده قرار می گیرد که می تواند از افسردگی گرفته تا تومورهای فیزیکی و همچنین تجزیه و تحلیل ساختار متابولیکی ماهیچه ها را تشخیص دهد. این کار با نقشه برداری از طیف طول موج در مغز که مطابق با طیف شناخته شده است، انجام می شود و با تجزیه و تحلیل داده ها، الگوی ناهنجاری ها مشخص می شود.

اسپکتروسکوپی اشعه ایکس پراکندگی انرژی

اسپکتروسکوپی اشعه ایکس پراکندگی انرژی (که با نام های EDS / EDX نیز شناخته می شود) برای شناسایی و تعیین عناصر موجود در یک نمونه استفاده می شود. اساس کار EDS ظرفیت اشعه الکترومغناطیسی با انرژی بالا (اشعه X) برای خارج کردن الکترون های هسته (الکترون هایی که در خارجی ترین پوسته نیستند) از یک اتم است. این اصل به قانون موزلی معروف است. این قانون بیان می کند که ارتباط مستقیمی بین فرکانس نور آزاد شده و عدد اتمی وجود دارد. جدا کردن این الکترون ها از سیستم، باعث ایجاد حفره می شود و یک الکترون با انرژی بالاتر می تواند آن را پر کرده و انرژی آزاد کند و در پایین ترین سطح انرژی خود قرار می گیرید. این انرژی آزاد شده برای هر عنصر در جدول تناوبی منحصر به فرد است برای همین می توان از این روش برای تعیین عناصر استفاده کرد. در شکل زیر نمونه ساده ای از نحوه کار EDS نشان داده شده است. حروفK ، L و M به مقدار n الکترون های موجود در آن پوسته اشاره دارد (الکترون های K که به هسته نزدیکترین هستند، دارای تعداد الکترون های n = 1 هستند). α و β اندازه گذار را نشان می دهد. بنابراین گذار از M به L یا L به K به عنوان Lα یا Kα توصیف می شود، در حالی که گذار از M به K با Kβ نشان داده شده است.

اساس کار اسپکتروسکوپی اشعه ایکس پراکندگی انرژی

شکل ۲: اساس کار اسپکتروسکوپی اشعه ایکس پراکندگی انرژی

 میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ اسکن انتقال الکترونی (STEM) بر پایه EDS ساخته شده اند و برای تجزیه و تحلیل عنصری حل شده فضایی در مناطقی به قطر چند نانومتر به کار می روند.

اسپکترومتری

اسپکترومتری، اندازه گیری اثر متقابل نور و ماده و واکنش و اندازه گیری شدت تابش و طول موج است. به عبارت دیگر، اسپکترومتری روشی برای مطالعه و اندازه گیری طیف خاص است و از آن برای تجزیه و تحلیل طیف سنجی مواد نمونه استفاده می شود.

تاریخچه اسپکترومتری

مطالعه اسپکترومتری به دهه ۱۶۰۰ باز می گردد؛ زمانی که اسحاق نیوتن برای اولین بار فهمید که شیشه نور متمرکز شده را به رنگ های مختلف رنگین کمان تجزیه می کند. این طیف به خودی خود یک پدیده واضح و مشهود، اما قرن ها طول می کشد تا تحقیقات پیمایشی انجام شود تا مطالعه این پدیده به یک میدان منسجم تبدیل شود. هنگامی که نیوتن قوانین شکست و پراکندگی در نوری را توصیف کرد و طیف خورشیدی را مشاهده کرد، تمام آنچه او می دید یک باند مداوم از رنگ ها بود. در سال ۱۸۰۲، William Wollaston طیف سنج را بهبود بخشید و از یک لنز برای متمرکز کردن نور خورشید بر روی صفحه نمایش  استفاده کرد. با استفاده از این دستگاه، Wollaston دید که رنگ ها به طور یکنواخت پخش نمی شوند و برخی از محدوده های رنگ از بین رفته اند و به عنوان نوارهای تیره در طیف خورشیدی ظاهر می شوند. او به اشتباه این خطوط را به مرزهای طبیعی بین رنگ ها نسبت داد. در سال ۱۸۱۵ Joseph Fraunhofer با بررسی دقیق تر طیف خورشید، حدود ۶۰۰ خط تیره (رنگ های از دست رفته) پیدا کرد، که باعث شد دانشمندان فرضیه مرزی  رنگ ها را رد کنند (شکل ۳).

طیف مشاهده شده از خورشید

شکل ۳: طیف مشاهده شده از خورشید

از آنجا که هر اتم دارای طیف منحصر به فردی است، می توانیم از تجزیه و تحلیل طول موج ها در طیف نور استفاده کنیم تا آن ها را شناسایی کنیم، خصوصیات فیزیکی را تعیین کنیم و زنجیره ها و واکنش های شیمیایی را از درون چارچوب خود مورد تجزیه و تحلیل قرار دهیم.

برخی از روش های عملی که در آن از اسپکترومتری استفاده می کنیم در زیر آورده شده اند:

  • استفاده از طیف های منحصر به فرد برای شناسایی آرایش شیمیایی، دما و سرعت اجسام موجود در فضا.
  • برای غربالگری و تجزیه و تحلیل متابولیت و بهبود ساختار داروها از اسپکترومتری.
  • برای اندازه گیری مواد شیمیایی موجود در نمونه یا نانوذرات از طریق نسبت جرم به بار آن ها با استفاده از طیف سنج جرمی.

اسپکترومتر

طیف سنج یا اسپکترومتر هر ابزاری است که برای اندازه گیری تغییر خصوصیات فیزیکی در یک محدوده معین، یعنی یک طیف استفاده می شود. این دستگاه می تواند یک طیف نسبت جرم به بار در طیف سنج جرمی، تغییر فرکانس های رزونانس هسته ای در طیف سنج رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR)، یا تغییر در جذب و انتشار نور با طول موج در یک طیف سنج نوری باشد. طیف سنج جرمی، طیف سنج NMR و طیف سنج نوری سه نوع از رایج ترین طیف سنج ها است که در آزمایشگاه های تحقیقاتی در سراسر جهان یافت می شود.

طیف سنج طول موج و فرکانس نور را اندازه گیری می کند و به ما این امکان را می دهد تا اتم ها را در نمونه ای که در آن قرار می دهیم شناسایی و تحلیل کنیم.

چهار نوع اسپکترومتر اصلی وجود دارد:

  1. طیف سنج جرمی
  2. طیف سنج محور سه گانه نوترون
  3. طیف سنج تحریک یونی
  4. طیف سنج الکترون بازگشتی رادرفورد

طیف سنجی جرمی

طیف سنجی جرمی نمونه ای از نوعی اسپکترومتری است که جرم ماده را در یک نمونه شیمیایی از طریق نسبت جرم به بار آن ها اندازه گیری می کند. اساس این روش ها اندازه گیری نسبت جرم به بار (m/z) ذرات بارداری ست که تحت تاثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی حرکت می کنند. این روش برای تمامی ترکیبات، اتم و مولکول، که قابلیت تبدیل شدن به یون را داشته باشد، کاربرد دارد. تقریبا همه عناصر جدول تناوبی با این روش قابل شناسایی و اندازه گیری هستند. سه قسمت اصلی طیف سنج های جرمی عبارتند از:

  1. منبع یونی :(Ion source) برای یونیزه کردن نمونه که معمولا با کندن الکترون و تولید کاتیون همراه است.
  2. تجزیه گر جرمی :(Mass analyzer) برای جداسازی یون ها بر اساس نسبت جرم به بار
  3. آشکارساز :(Detector) برای اندازه گیری و شناسایی یون های جداسازی شده

  صرف نظر از پیکربندی انواع طیف سنج های جرمی، فرایند مشابهی شامل ورود نمونه به دستگاه، تبدیل نمونه به یون، سوق دادن یون ها تولید شده تحت تاثیر یک میدان الکتریکی یا مغناطیسی به سمت تجزیه گر جرمی، جداسازی یون ها در تجزیه گر جرمی، تبدیل انرژی یون ها به سیگنال الکتریکی در آشکارساز و شناسایی آن ها صورت می گیرد.

فرآیند طیف سنج جرمی

شکل ۴: فرآیند طیف سنج جرمی

طیف سنج محور سه گانه نوترون

طیف سنجی سه محور با تعیین طول موج می تواند انتقال انرژی را تعیین کند. برای دستیابی به این هدف، نوترون ها قبل و بعد از برخورد با نمونه مشخص می شوند. این سه فرآیند (تک رنگ سازی، اندرکنش نمونه و آنالیز) سه محور طیف سنج سه محور را تشکیل می دهند.

طرز کار طیف سنج نوترونی سه محوره در شکل ۵ نشان داده شده است. پرتوی نوترونی سفید تولید شده در راکتور شکافت، به یک تک رنگ ساز کریستالی منفرد برخورد می کند. با توجه به بازتاب Bragg، نوترون هایی با طول موج یا انرژی خاص انتخاب می شوند. این انرژی با چرخاندن کریستال حول محور اول از این سه محور ممکن است متغیر باشد.

طرز کار طیف سنج نوترونی سه محوره

شکل ۵: طرز کار طیف سنج نوترونی سه محوره

نوترون های با طول موج تعریف شده از پرتوی سفید با استفاده از تک رنگ ساز کریستالی M (محور اول) انتخاب می شوند. طول موج یا انرژی تابشی نوترون ها به ماده تک رنگ ساز و زاویه M2ɵ بستگی دارد. پرتوی تک رنگ با نمونه S برخورد می کند. جهت گیری نمونه با توجه به پرتوی فرودی می تواند با چرخش نمونه حول محور دوم تغییر یابد. نمونه را می توان به صورت دلخواه در هر سه جهت در فضای واقعی هدایت کرد. نمونه S با زاویه S2ɵ پراکنده می شود. در نمونه، نوترون ها پراکنده می شوند و ممکن است انرژی خود را از دست بدهند. نوترون هایی که تحت زاویه پراکندگی صفر پراکنده شده اند و انرژی نهایی مشخصی دارند، در ردیاب D که در پشت کریستال آنالیزگر قرار دارد، شناسایی شده اند. بازتاب Bragg در آنالیزگر انرژی مورد نظر را انتخاب می کند که ممکن است با چرخش کریستال آنالیزگر و آشکارساز اطراف محور سوم طیف سنج متغیر باشد. این نوع طیف سنج جهانی ترین نوع از همه طیف سنج های نوترونی است.

تغییر انرژی فرودی، انرژی نهایی، زاویه پراکندگی و جهت گیری نمونه اجازه می دهد تا شدت پراکندگی در اکثر نقاط دلخواه در فضای چهار بعدی اندازه گیری شود که با انتقال حرکت (Q) و انتقال انرژی hω بین نوترون و نمونه اندازه گیری می شود. . مقدار اندازه گیری شده، تابع S(Q,W) است که تبدیل فوریه تابع همبستگی فضا-زمان G(r,t) است.

طیف سنج تحریک یونی

طیف سنج تحرک یونی، یک روش تجزیه ای با حد تشخیص کم و پاسخ سریع است. در این نوع طیف سنجی ابتدا نمونه به بخار تبدیل شده و مولکول های آن باردار می شوند. یون ها در یک لوله رانش (Drift Tube) توسط میدان الکتریکی رانده می شوند. سپس یون ها با عبور از یک شاتر گرید (shutter Grid) بصورت دسته ای وارد ناحیه رانش می شوند. در آنجا نیز تحت میدان الکتریکی در فشار اتمسفر رانده می شوند. یون های کوچک با سرعت بیشتر و یون های بزرگ با سرعت کمتری رانده می شوند. بدین ترتیب یون های مختلف در طی حرکت از هم جدا شده و به ترتیب به آشکار ساز می رسند و طیف تحرک یونی را پدید می آورند. زمان هر پیک نشان دهنده نوع ماده و شدت آن مقدار ماده را می دهد. شمای دستگاهIMS  در شکل زیرآمده است. سرعت یون ها از روی زمان پیک بدست می آید که تحرک یونی را نشان می دهد و از روی آن به نوع گونه می توان پی برد.

طیف سنج تحرک یونی

شکل ۶: طیف سنج تحرک یونی

طیف سنج الکترون بازگشتی رادرفورد

تکنیک پس پراکندگی رادرفورد (RBS )، یکی از آنالیزهای مورد استفاده در تعیین مشخصات لایه‌های نازک استفاده می باشد که یک روش غیر مخرب برای آنالیز ترکیب عناصر و گاهی ضخامت یک چندلایه ای می باشد و  بر اساس تغییر رفتار نمونه بعد از برخورد یک پرتو یونی با آن تحلیل می شود.
این تکنیک اولین بار توسط شخصی به نام ارنست رادرفورد مورد مطالعه قرارگرفت. او پراکندگی حاصل از دافعه کولنی بین یون ها و هسته را اولین بار مورد بررسی قرار داد. وی برای این کار، با استفاده از برخورد یون های هلیوم روی سطح طلا نتایج جالبی در خصوص طبیعت اتم ها و از جمله هسته موجود در آنها، بدست آورد.
این تکنیک به پاس تلاش های وی، طیف سنجی پس پراکندگی رادرفورد نام گرفت که اختصاراً به نام RBS شناخته می شود.
برای بمباران سطح نمونه از یک پرتو یونی سبک با انرژی بالا استفاده می شود که قطر آن معمولاً ۱ الی ۳ میلیمتر می باشد. این پرتوها می‌توانند تا چند میکرون به عمق نمونه(شامل یک یا چند لایه) نفوذ کرده، باعث کندوپاش جزیی اتم‌های سطح شوند. با توجه به اینکه میزان انرژی انتقال یافته به اتم نمونه بستگی به نسبت بین جرم های یون برخوردی و اتم سطح نمونه دارد، ترکیب شیمیایی نمونه با اندازه گیری انرژی یون های پراکنده قابل تشخیص است و به عبارت دیگر، از تحلیل افت انرژی یون های بازگشتی می توان اطلاعاتی راجع به ضخامت لایه و نوع عناصر به دست آورد.

تفاوتی بین اسپکترومتری و اسپکتروسکوپی

اسپکتروسکوپی علم مطالعه اندرکنش بین ماده و انرژی تابش شده است. این مطالعه خصوصیات جذب ماده یا رفتار جذب ماده در معرض تابش الکترومغناطیسی را مورد مطالعه قرار می دهد. طیف سنجی نتیجه ای به بار نمی آورد ، این فقط رویکرد نظری به علم است. از طرف دیگر ، اسپکترومتری روشی است که برای بدست آوردن اندازه گیری کمی طیف استفاده می شود. این کاربرد عملی که در آن نتایج حاصل می شود، برای تعیین جذب ، تراکم نوری یا انتقال کمک می کند.  به طور خلاصه، اسپکتروسکوپی علمی نظری است و اسپکترومتری سنجش عملی در اندرکنش ماده در سطح اتمی و مولکولی است.

Reference

https://www.thoughtco.com/definition-of-spectroscopy-605676

https://chem.libretexts.org/Courses/Franklin_and_Marshall_College

https://www.atascientific.com.au/spectrometry

https://nmi3.eu/neutron-research/techniques-for-/dynamics/three-axis-spectroscopy.html

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4331213

0 0 رای ها
رأی دهی به مقاله
اشتراک در
اطلاع از
guest
0 نظرات
بازخورد (Feedback) های اینلاین
View all comments
0
افکار شما را دوست دارم، لطفا نظر دهیدx
()
x