اسپکترومتری

اسفند ۵, ۱۳۹۹
هاله کرد حقی-کارشناس ارشد فتونیک
بدون نظرات

طیف سنجی مطالعه جذب، انتشار نور و سایر تشعشعات توسط ماده است که همگی به طول موج وابسته هستند. با روش اسپکترومتری و به وسیله چیدمان مناسب، می‌توان میزان جذب، عبور و سایر برهمکنش ‌های بین نور و ماده را تعیین کرد. در این مقاله به مفاهیم اسپکترومتری و کاربردهای آن پرداخته شده است. پس اگر به مباحث اسپکترومتری علاقه‌مند هستید، خواندن این مطلب به شما پیشنهاد می‌شود.

مقدمه

اسپکترومتری اندازه‌گیری برهمکنش نور و ماده، واکنش‌ها و اندازه‌گیری شدت و طول موج نور است. باید توجه داشت که اسپکتروسکوپی و اسپکترومتری متفاوت از یکدیگر هستند. با استفاده از اسپکترومتر میزان جذب، عبور، بازتاب و تجزیه و تحلیل منابع نوری انجام می‌گیرد.

جذب

فرض می‌کنیم الکترون‌ها به وسیله فنرها به اتم‌ها متصل شده‌اند. الکترون‌ها و فنرهای متصل به آن‌ها در فرکانس‌های خاص ارتعاش می‌کنند که به آن فرکانس طبیعی گفته می‌شود. وقتی نور با فرکانسی معین به یک اتم برخورد می‌کند، الکترون‌های آن اتم، مرتعش می‌شوند. حال اگر یک موج نوری با فرکانسی برابر با فرکانس طبیعی، به ماده‌‌ برخورد کند، الکترون‌ها انرژی نور را جذب می‌کنند و آن را به حرکت ارتعاشی تبدیل می‌کنند. الکترون‌ها در طی ارتعاش، با اتم‌های مجاور خود در مولکول‌ها در تعامل هستند و به این ترتیب انرژی ارتعاشی را به انرژی گرمایی تبدیل می‌کنند و جذب اتفاق می‌افتد. از آن جایی که اتم‌ها و مولکول‌های مختلف دارای فرکانس‌های طبیعی مختلفی هستند، فرکانس‌های مختلف نور را به طور انتخابی جذب می‌کنند.

از بُعدی دیگر، هنگامی که یک موج الکترومغناطیسی با مولکول برخورد می‌کند، بسته به طول موج تابش و ساختار مولکول، جذب می‌شود. به عبارتی دیگر، الکترون در آن مولکول تحریک شده و با جذب انرژی به مدار مولکولی بالاتر گذار می‌کند. با توجه به این که تمامی مواد حاوی الکترون هستند، در هر صورت بخشی از نور مرئی- فرابنفش جذب مولکول خواهد شد. در این نوع طیف سنجی، همان‌طور که در شکل ۱ نمایش داده شده است، پرتوهای خروجی از منبع نور پس از عبور از نمونه، وارد اسپکترومتر شده و طیف جذبی نمونه به دست می‌آید. از طیف جذبی برای تعیین غلظت، آنالیز مولکولی، کنترل فرآیند، مطالعات ساختاری و بنیادی استفاده می‌شود.

چیدمان طیف سنجی جذبی با اسپکترومتر — **شکل ۱: چیدمان طیف سنجی جذبی با استفاده از اسپکترومتر تیدا**

میزان فوتونی که از داخل کووت عبور کرده و به آشکارساز می‌رسد، به طول کووت و غلظت نمونه بستگی دارد. نور، وقتی از داخل کووت رد می‌شود، مقداری از آن جذب شده و مقداری عبور می‌کند. میزان نور انتقال یافته از داخل نمونه (T) را می‌توان از روابط زیر به دست آورد:

T (Transmittance) = I_t / I_۰

I_t، شدت نور عبوری از کووت و I_۰ شدت نور منبع است. میزان جذب نور نیز از رابطه زیر به راحتی قابل محاسبه است:

A (Absorbance) = – log (T) = – log ( I_t/ I_۰ )

منظور از جذب، میزان فوتونی است که توسط نمونه جذب می‌شود. با در دست داشتن مقدار جذب، غلظت نمونه را با استفاده از قانون Beer-Lambert می‌توان تعیین کرد. این قانون بیان می‌کند، بین جذب و غلظت نمونه رابطه خطی وجود دارد که به شرح زیر است:

مطالعه مقاله اصول نگهداری و کالیبراسیون اسپکترومتر

A = ɛlc

در این فرمول A نشان دهنده جذب، ɛ نشان دهنده ضریب جذب، l طول مسیر عبور نور و c غلظت نمونه است. برای تعیین غلظت نمونه مجهول، از همان نمونه در غلظت‌های مختلف تهیه می‌شود و میزان جذب آن‌ها (هم نمونه مجهول و هم سایر نمونه‌ها) در یک طول موج مشخص اندازه‌گیری می‌گردد. با رسم نمودار خطی غلظت و جذب (نمودار ۱)، غلظت نمونه مجهول به دست می‌آید.

نمودار خطی جذب بر حسب غلظت — **نمودار ۱: نمودار جذب بر حسب غلظت**

بازتاب و عبور (انتقال)

بازتاب و عبور امواج نور به این دلیل اتفاق می‌افتد که فرکانس‌های امواج نوری با فرکانس‌های طبیعی ارتعاش اجسام، مطابقت ندارند. وقتی امواج نوری به جسمی برخورد می‌کنند،‌ الکترون‌‌های موجود در اتم‌ها شروع به لرزش می‌کنند؛ اما الکترون‌ها به جای ارتعاش با یک دامنه بزرگ،‌ برای مدت کوتاهی با دامنه‌های کوچک نوسان می‌کنند. سپس انرژی به صورت موج نوری بازتابیده می‌شود. شکل ۲ نحوه چینش اسپکترومتر TIDA برای به دست آوردن میزان عبور و بازتاب،‌ را نشان می‌دهد. پرتوی خروجی از منبع نور با محلول برخورد می‌کند. سپس به وسیله پروب بازتابی (عبوری)، نور بازتاب شده (انتقال یافته) از نمونه به سمت اسپکترومتر هدایت می‌شود و به این ترتیب طیف بازتابی یا عبوری به دست می‌آید. نمودار ۲، نمونه‌ای از طیف عبوری از یک فیلتر رنگی را نشان می‌دهد. از طیف بازتابی و انتقال برای تست غیر مخرب سطوح و لایه های نازک، کنترل کیفی محصولات دارویی، اندازه گیری کمی مقادیر مختلف در مواد غذایی، تشخیص و طبقه بندی انواع پلیمرها، شناسایی ترکیبات دارویی، تجهیزات تشخیصی قابل حمل برای قند و جریان خون، تعیین میزان چربی و پروتئین گوشت و … استفاده می‌گردد.

چیدمان آزمایش بازتابی با اسپکترومتر — **شکل ۲: چیدمان آزمایش عبوری (بازتابی) به وسیله طیف سنج TIDA**

نمایش طیف عبوری فیلتر لی — **نمودار ۲: طیف عبوری فیلتر رنگی. این طیف با استفاده از اسپکترومتر تیدا به دست آمده است.**

طیف سنجی نشری

از اسپکترومتر، برای تجزیه و تحلیل منابع نوری نیز استفاده می‌شود (شکل ۳). منبع نوری با استفاده از فیبر نوری به اسپکترومتر متصل می‌شود. نمودار ۳ طیف یک لامپ جیوه را نشان می‌دهد. از اسپکترومتری نشری در اندازه‌گیری توان تابشی لامپ‌ها و LED‌ها، اندازه‌گیری طول موج و ثبات در مرکز لیزر، اندازه گیری شدت شار تابشی، کنترل زمانی شدت در محدوده طول موجی UV/VIS/NIR با حساسیت بالا و … استفاده می‌شود.

طیف لامپ uv — **نمودار ۳: طیف لامپ UV. این طیف به وسیله اسپکترومتر TIDA به دست آمده است.**

فلورسانس

پدیده فلورسانس، به یک نوع لومینسانس اشاره دارد. به طور کلی لومینسانس، انتشار نور از یک مولکول است. فلورسانس و فسفرسانس، توانایی یک ماده در جذب نور و انتشار نور با طول موج بلندتر و در نتیجه انرژی کمتر است. در هر دو پدیده، ماده پس از قرار گرفتن در مقابل نور (عمدتا فرابنفش) تحریک شده، این انرژی را در خود ذخیره می‌کند و سپس آن انرژی را به صورت طیفی از امواج مرئی در طول مدت زمانی منتشر می‌کند. تفاوت بین فلورسانس و فسفرسانس در تداوم تابش آن‌ها است. اگر زمان حالت برانگیخته کمتر از ^۸-۱۰ ثانیه باشد، این پدیده فلورسانس و اگر این زمان بیشتر از ^۸-۱۰ ثانیه باشد، آن را فسفرسانس می‌نامند. به عبارتی فسفرسانس تحریک طولانی‌تر و در نتیجه تشعشع طولانی‌تری خواهد داشت و با قطع شدن منبع نور تابش تا مدتی ادامه دارد. مدت زمان تابش بسته به ماده، می‌تواند از چند ثانیه تا چند ساعت ادامه داشته باشد. ولی در پدیده فلورسانس، تابش آنی است و بلافاصله بعد از قطع نور، تابش نیز قطع می‌شود. در فلورسانس، الکترون با دریافت انرژی به تراز برانگیخته می‌رود. مقداری از انرژی خود را به صورت گرما (فونون) از دست می‌دهد و باقی انرژی خود را به صورت فوتون از حالت سینگلِت (singlet) برانگیخته آزاد می‌کند. طول موج نور فلورسانس بیشتر از طول موج تحریک است که به این پدیده جابه‌جایی استوکس می‌گویند.

مطالعه مقاله نقش اسپکترومتر در آنالیز پلاسما

Excitation: S_۰ + h?_ex → S_۱

Fluorescence (emission) : S_۱ → h?_em + S_۰ + Phonons

فلورسانس در نمودار ژابلونسکی — **نمودار ۴: دیاگرام جابلونسکی پدیده فلرسانس**

با استفاده از طیف سنج، می‌توان میزان فلورسانس مواد را اندازه‌گیری کرد. با توجه به این که نور فلورسانس در همه جهات منتشر می‌شود، فیبر نوری در زاویه ۹۰ درجه نسبت به پرتوی فرودی قرار می‌گیرد. این کار باعث می‌شود تا احتمال رسیدن نورهای عبوری و بازتابی به آشکارساز به حداقل برسد. طیف سنجی فلورسانس برای کاربردهای زیست محیطی (اندازه گیری PH محلول ها)، بیولوژی (کلروفیل II و کاروتنوئید)، مطالعه طیف فلورسانس نانو ذرات و … مورد استفاده قرار می‌گیرد.

زاویه مناسب طیف گیری در پدیده فلورسانس — **شکل ۴: برای طیف گیری از پدیده فلورسانس، اسپکترومتر در زاویه ۹۰ درجه نسبت به نور فرودی قرار می‌گیرد.**

جمع‌بندی

اسپکترومتری روشی است که در آن برهمکنش نور با ماده مورد بررسی قرار می‌گیرد. جذب، عبور، بازتاب و فلورسانس از جمله برهمکنش ‌هایی هستند که با در دست داشتن طیف آن‌ها اطلاعاتی از قبیل غلظت و ساختار مواد، ترکیبات داروها، میزان چربی و پروتئین گوشت، PH محلول‌‌ها و … مشخص می‌گردد. علاوه بر این با استفاده از اسپکترومتری می‌توان طیف نشری منابع نوری را نیز تعیین کرد و برخی از ویژگی‌های آن‌ها را به دست آورد.