انواع دستگاه‌های طیف سنجی

انواع دستگاه‌های طیف سنجی

اشتراک گذاری در email
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در whatsapp
در عصر ما طیف سنجی به قدری گستره شده است که به جرات می‌توان گفت حداقل یک دستگاه طیف سنجی را در هر آزمایشگاهی می‌توان یافت. بنابراین ما تصمیم گرفتیم تا مقاله‌ای را به این موضوع اختصاص دهیم. در این مطلب ۷ نوع دستگاه طیف سنجی را بررسی خواهیم کرد و به مزایا، معایب و کاربرد هر یک خواهیم پرداخت. پس اگر می‌خواهید در این زمینه اطلاعات خوبی به دست آورید، با ما همراه شوید.
انواع دستگاه های طیف سنجی

فهرست مطالب

طیف سنجی روشی است که در آن از یک پرتو برای دست‌یابی به ساختار و خواص مواد استفاده می‌شود. طیف سنجی شامل تکنیک‌های گوناگونی است که در مطلب انواع روش‌های طیف سنجی به طور مفصل آن‌ها را شرح دادیم. در آن مطلب توضیح دادیم که طیف سنجی الکترومغناطیسی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. بنابراین در این مقاله آن دسته از دستگاه‌هایی را مورد مطالعه قرار می‌دهیم که پیش‌تر تکنیک‌ طیف سنجی آن‌ها را بیان کرده‌ایم. این طیف سنج‌ها شامل طیف سنج فرو شکست القایی لیزر، حلقه‌ای به پایین، فلورسانس، تبدیل فوریه فروسرخ، رامان، مرئی-فرابنفش و طیف سنج نشر نوری است.

طیف سنج فروشکست القایی لیزر (LIBS)

طیف سنجی LIBS یک روش طیف سنجی اتمی است و برای اندازه‌گیری غلظت عناصر اصلی در نمونه‌های جامد، مایع و گاز به کار می‌رود. در واقع طیف به دست آمده از این روش امضای شیمیایی یا اثر انگشت آن ماده است. همان طور که گفتیم هر طیف LIBS اطلاعات مربوط به غلظت همه عناصر را نشان می‌دهد. علاوه بر این برخی نسبت‌های ایزوتوپی و اطلاعات مربوط به ساختار اتمی ماده را نیز تعیین می‌کند.

یک ماده را در نظر بگیرید که نور لیزر بر آن تابیده می‌شود. اگر الکترون ماده یک فوتون را جذب کند، الکترون تحریک شده به تراز انرژی بالاتر گذار می‌‌کند. با توجه به این که الکترون در حالت تحریک شده ناپایدار است، به سطح انرژی پایین‌تر برمی‌گردد. در این فرایند الکترون یک فوتون از خود منتشر می‌کند. سطوح مختلف انرژی هر اتم باعث ایجاد فوتون با انرژی‌های متفاوت می‌شود.

حالا اگر انرژی وارد شده به اتم به اندازه کافی زیاد باشد؛ به طوری که  بتواند بر پتانسیل یونیزاسیون غلبه کند، الکترون‌ها از اتم جدا می‌شوند. در ابتدا دورترین الکترون‌‌ها نسبت به هسته از اتم جدا می‌شوند. زیرا دارای کمترین پتانسیل یونیزاسیون هستند. اما با وارد کردن انرژی بیشتر می‌توان به پتانسیل یونیزاسیون دوم و سوم غلبه کرد و الکترون‌های بیشتری را از اتم جدا کرد. یون‌ها در فرایند بازترکیب، الکترون‌ها را جذب می‌کنند و فوتون منتشر می‌کنند. فوتون‌های حاصل شده از این بازترکیب‌ها با توجه به انرژی مختلف یو‌ن‌ها و انتقال انرژی‌های مختلف، انرژی‌های متفاوتی دارند. به همین دلیل خطوط انتشار به دست آمده برای هر عنصر مشخص است و به وسیله‌ آن می‌توان عناصر را شناسایی کرد.

طیف لیبز آلومینیوم
نمودار ۱: نمونه‌ای از طیف LIBS آلومینیوم

LIBS بر اساس تشکیل پلاسما در دمای بالا رخ می‌دهد. در این طیف سنج یک لیزر پالسی با  نمونه برخورد می‌کند. در اثر این برخورد (طبق مطالب بالا) الکترون‌‌ها از اتم‌ جدا می‌شوند. در طی این فرایند حجم کمی از نمونه (چند میکروگرم و یا حتی نانوگرم) از بین می‌رود. زمانی که پالس لیزر متوقف می‌شود، پلاسما شروع به خنک شدن می‌کند. در طی فرایند خنک سازی پلاسما، الکترون‌ها و یون‌ها به حالت پایه سقوط می‌کنند و موجب می‌شود تا پلاسما با پیک‌های طیفی گسسته نور را منتشر کند. نور منتشر شده توسط آشکارساز جمع‌آوری شده و مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد. با شناسایی قله‌‌ها می‌توان به سرعت ترکیب شیمیایی نمونه‌ها را تعیین کرد. علاوه بر این از اطلاعات مربوط به شدت قله‌ها، غلظت و عناصر اصلی مشخص می‌گردد.

دستگاه طیف سنج LIBS

طیف سنج LIBS از سه المان اصلی تشکیل شده است:

  1. لیزر
  2. یک سیستم اپتیکی برای متمرکز کردن پرتو لیزری بر روی نمونه و یک سیستم اپتیکی دیگر برای جمع آوری نور منتشر شده توسط پلاسمای داغ
  3. طیف سنج و آشکار ساز

در ادامه هر یک از المان‌ها را توضیح خواهیم داد.

شکل ۱: شماتیک طیف سنج LIBS
شکل ۱: شماتیک طیف سنج LIBS

لیزر

لیزر در ساختمان این طیف سنج از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. اگر لیزر فمتوثانیه برای تحریک انتخاب شود، اثرات غیر حرارتی بر یونیزاسیون غلبه می‌کنند. زیرا پالس لیزر برای ایجاد اثرات حرارتی خیلی کوتاه است، بنابراین اثرات دیگری باید اتم‌ها را یونیزه کنند. به بیانی دیگر چون پالس لیزر خیلی کوتاه است به وسیله ایجاد گرما نمی‌تواند اتم‌ها را یونیزه کند. اما با توجه به اینکه لیزر فمتو ثانیه انرژی زیادی دارد به وسیله  فرایندهای دیگری مانند جذب چند فوتونی و یونیزاسیون ، تونل زنی و یونیزاسیون بهمنی، نمونه را تحریک می‌کند. با این مقدار انرژی، الکترون_حفره ایجاد شده باعث تابش اشعه X ، الکترون داغ و تابش نوری می‌شود. هم چنین در این فرایند نمونه ذوب نشده و لایه رسوبی ناشی از ذوب مواد بر سطح نمونه مشاهده نمی‌شود.

اما اگر لیزر از نوع لیزرهای نانو ثانیه باشد،‌ اثرات دیگری مشاهده می‌شود. زمان گرم شدن شبکه الکترون ۱۲-۱۰ ثانیه است. این زمان تقریبا کمتر از زمان پالس لیزر است. بنابراین اثرات حرارتی موجب یونیزاسیون اتم‌ها می‌شود. به طور خلاصه، انرژی لیزر نمونه را ذوب و بخار می‌کند و در انتها افزایش دما باعث یونیزه شدن اتم ها می‌شود. اگر تابش به اندازه کافی زیاد باشد، اثرات غیر حرارتی نیز ایجاد شده و هر دو نمونه را یونیزه می‌کنند. در این فرایند نمونه ذوب می‌شود. در این فرایند اگر نمونه جامد باشد، ذوب می‌شود. البته حجم نمونه ذوب شده بسیار کم (در حد چند میکروگرم یا حتی نانوگرم) است و عملا به نمونه آسیبی وارد نمی‌شود.

رایج‌ترین لیزر مورد استفاده در LIBS، لیزر پالسی Nd: YAG است. در حالت اصلی طول‌موج لیزر ۱۰۶۴ نانومتر بوده و پهنای هر پالس آن ۱۵-۶ نانوثانیه است. این لیزر دارای هارمونیک‌هایی با طول‌موج‌های ۵۳۲، ۳۵۵ و ۲۶۶ نانومتر است. این هارمونیک‌ها انرژی کمتری دارند و پهنای هر پالس آن‌ بین ۴ تا ۸ نانومتر است. از لیزرهای دیگری هم می‌توان در طیف سنجی لیبز استفاده کرد. مانند لیزرهای CO۲ یا اگزایمر که به ترتیب در ناحیه IR و UV کار می‌کنند. از لیزرهایی بر مبنای فیبر یا Dye نیز استفاده می‌شود. این لیزرها می‌توانند پالس‌هایی با پهنای پیکوثانیه (۱۲- ۱۰) و یا فمتوثانیه (۱۵- ۱۰) ایجاد کنند.

هدایت نور لیزر از طریق المان‌های اپتیکی

در طیف سنج لیبز در دو قسمت از المان‌های اپتیکی استفاده می‌شود:

  1. ابتدا برای متمرکز کردن نور لیزر بر روی نمونه به منظور ایجاد پلاسما که از عدسی‌ استفاده می‌شود.
  2. سپس نور پلاسما به وسیله فیبر نوری و عدسی جمع‌آوری می‌گردد.

اسپکترومتر و آشکار ساز

نور حاصل شده از پلاسما از طریق شکاف(اسلیت) وارد اسپکترومتر می‌شود و توسط آینه‌ها و لنزها بر روی توری پراش متمرکز می‌گردد. توری پراش نور را به طول‌موج‌های تشکیل دهنده‌اش تجزیه می‌کند. در مرحله بعد یک عدسی نور پراکنده شده توسط توری را بر روی آشکارساز متمرکز می‌کند. بسته به نوع کاربرد LIBS در ساخت آن از آشکارسازهای مختلفی استفاده می‌شود. مثلا برای اندازه گیری شدت نور که نیازی به تجزیه و تحلیل طیفی نیست، می‌توان از PMT یا فوتودیودهای بهمنی استفاده کرد. یا برای اندازه‌گیری آزمایش‌های تفکیک زمانی (Time-resolved)، آشکارساز آرایه فوتودیود تشدید شده به کار گرفته می‌شود. در صورتی که به اطلاعات مکانی دو بعدی نیاز باشد، از آشکارسازهای CCD و ICCD استفاده می‌شود. در این طیف سنجی آشکارسازهای ICCD بهتر عمل می‌کنند. زیرا میزان سیگنال به نویز در ICCD بهتر است. هم چنین برای اندازه‌گیری‌ها از مرتبه نانوثانیه بهتر عمل می‌کند. تنها معایب استفاده از ICCD قیمت بسیار بالای آن است.

دستگاه طیف سنج LIBS
شکل ۲: دستگاه طیف سنج LIBS

در فرایند LIBS در ابتدا تابش به صورت پیوسته گسیل می‌شود. اما با گذشت یک مدت زمان مشخصی (Delay Time) پلاسما با قله‌‌های طیفی گسسته نور را منتشر می‌کند. یکی از مراحل فرایند در طیف‌گیری به وسیله این طیف سنج این است که بتوانیم بر تابش پیوسته LIBS غلبه کنیم. زیرا این تابش پیوسته هیچ اطلاعات مفیدی را ارائه نمی‌دهد. تابش پیوسته به پارامترهایی مانند طول‌موج لیزر، پهنای پالس لیزر، فشار محیط و یا ویژگی‌های نمونه بستگی دارد. فرایند پلاسما وابسته به طول موج با استفاده از دو لیزر Nd:YAG (1064 نانومتر در ناحیه IR) و اگزایمر (ناحیه UV) مورد بررسی قرار گرفته است. مرحله شروع تابش پیوسته پلاسما برای لیزر در ناحیه یووی حدود ۴۰۰ نانوثانیه و برای لیزر در ناحیه IR چندین میکروثانیه است. بنابراین برای غلبه بر این زمان از دستگاه‌هایی به نام Delay Generator استفاده می‌کنند (شکل ۳).

شکل 3: شماتیک طیف سنج LIBS به همراه Delay Generator
شکل ۳: شماتیک طیف سنج LIBS به همراه Delay Generator

طیف سنج LIBS در چندین نوع به بازار عرضه می‌گردد: طیف سنج LIBS دستی(handheld)، آزمایشگاهی و سیار (mobile). هر یک از این دستگاه‌‌ها کاربرد خاص خودشان را دارند. مثلا از مدل سیار می‌توان در کارخانه‌‌ها برای طیف‌گیری و آنالیز آنلاین استفاده کرد.

نمونه‌هایی از دستگاه‌های LIBS
شکل ۴: نمونه‌هایی از دستگاه‌های LIBS

استفاده از طیف سنج LIBS معایب و مزایایی دارد که در زیر به ‌آ‌ن‌ها اشاره کرده‌ایم.

مزایا:

  • در این طیف سنج، نمونه‌ها نیازی به آماده‌سازی ندارند.
  • بسیار سریع است.
  • امکان تجزیه و تحلیل هم‌زمان چند عنصر وجود دارد.
  • در فواصل دور می‌توان از آن استفاده کرد. مثلا در مریخ برای شناسایی عناصر موجود در خاک در فواصل دور از این طیف سنج استفاده می‌شود.
  • مستقل از فاز ماده است.  امکان طیف‌گیری از مواد جامد، مایع و گاز وجود دارد.

معایب:

  • هر پالس لیزر به طور دقیق با همان نقطه از نمونه برهمکنش ندارد. این امر اغلب با میانگین‌گیری از بسیاری از طیف‌های همان ماده برطرف می‌شود.
  • طیف سنج LIBS نمونه را تخریب می‌کند. اما این تخریب در حد چند میکروگرم و یا حتی نانوگرم است.
  • حد آشکارسازی LIBS بین(ppm) 1-30 است. البته مواردی هم بوده که بیشتر از (ppm) 100 و کمتر از (ppm) 1 به وسیله این طیف سنج شناسایی شده است.
  • به دلیل پیچیدگی سیستم دستگاه و استفاده از لیزر، قیمت آن گران است.

کاربردها

-از این طیف سنج در صنایع پتروشیمی به منظور اندازه‌گیری نسبت هوا به سوخت استفاده می‌شود.

-با توجه به ویژگیهای حساس و سریع، LIBS قابلیت شناسایی فلزات سنگین مانند Be ،Cd ،Cr ، Hg و Pb را دارد. این فلزات سمی معمولا در محیط زیست یافت می‌شوند.

-یکی از عجیب‌ترین و جالب‌ترین کاربردهای ابزار دقیق LIBS در انجام ماموریت‌های فضایی است. از این دستگاه در سطح سیارات برای اندازه‌گیری ترکیبات موجود در خاک و جو آن سیاره استفاده می‌کنند.

-این طیف سنجی در صنایع غذایی نیز کاربرد دارد. به طور مثال برای اندازه‌گیری آلودگی‌‌های موجود در گندم، جو و سایر گیاهان از آن استفاده می‌شود. همچنین این دستگاه می‌تواند به خوبی نشاسته موجود در مواد غذایی را نیز شناسایی کند. حتی مقدار نشاسته بسیار کم در حد ppm را می‌تواند تشخیص دهد. در شناسایی عناصری مانند K ، P ، Mg  و  Ca در گیاهان زراعی هم LIBS به کار گرفته می‌شود. به دلیل عدم نیاز به آماده سازی نمونه، ویژگی‌های غیر تماسی و پاسخ‌دهی سریع این روش در صنایع مختلفی به کار گرفته می‌شود. با توسعه سیستم‌های لیزر و ردیابی، LIBS در زمینه‌های مختلفی از جمله متالوژی، صنایع غذایی، پزشکی، پروژه مریخ و فضا و … از این روش استفاده شده است. همچنین از LIBS در کارخانه‌های تجاری مانند ساخت آهن و فولاد، برق حرارتی، دفع زباله و غیره استفاده می‌شود.

طیف سنج حلقه ای به پایین (CRDS)

طیف سنجی  حلقه ای به پایین روشی است که برای تجزیه و تحلیل جذب نوری اتم‌ها، مولکول‌ها و اجزای نوری به کار می‌رود. این تکنیک امکان تعیین تلفات کلی نوری در یک حفره بسته، متشکل از دو یا چند آینه را فراهم می‌کند. در این طیف سنج با بهبود بازتاب آینه‌ها می‌توان عملکرد طیف سنج را بهینه کرد.

تقریبا هر مولکول فاز گازی (به عنوان مثال، CO2 ، H2O ، H2S ، NH3) دارای یک طیف جذب منحصر به فرد مادون قرمز است. در فشار زیر اتمسفر، طیف مادون قرمز مجموعه‌ای از گازها به صورت خطوط باریک و گسسته مشخص می‌شوند. با توجه به این که هر مولکول طول‌موج خاصی را جذب می‌کند، ‌می‌توان مولکول‌‌ها مواد را شناسایی کرد. غلظت هر گونه نیز با اندازه‌گیری ارتفاع یک قله جذبی خاص تعیین می‌گردد. اما در طیف سنج‌ های مادون قرمز معمولی، گازهای کمیاب جذب بسیار کمی در این ناحیه دارند. بنابراین شناسایی آن‌‌ها با استفاده از طیف سنج مادون قرمز عملا ممکن نیست. این جاست که طیف سنج CRDS این محدودیت را از طریق طول مسیر موثر جبران می‌کند.حد آشکارسازی این طیف سنج، (ppm) 1 تا (ppb) 1 است.

طیف سنج CRDS
شکل ۵: شماتیک طیف سنج CRDS

در طیف سنج CRDS نور لیزر به یک حفره نوری تابیده می‌شود. این حفره نوری از آینه‌هایی با بازتاب بالا تشکیل شده است. به طوری که حد فاصل این آینه‌‌ها با گاز پر می‌شود. زمانی که نور لیزر وارد حفره نوری می‌شود، در آن به دام می‌افتد. بنابراین بین دو آینه بازتاب‌‌های متعددی را انجام می‌دهد و به این طریق طول مسیر افزایش می‌یابد. همین امر سبب افزایش حساسیت این طیف سنج می‌شود. شکل ۴ یک طیف سنج CRDS را نشان می‌دهد. حفره نوری به شکلی تنظیم می‌شود که متناسب با مدهای لیزر باشد که موجب تشدید سیگنال می‌شود. در مرحله بعدی نور لیزر قطع می‌شود تا میزان کاهش نور به دام افتاده تعیین گردد. کاهش نور تشدید شده ماهیت نمایی دارد که به آن سیگنال Ring Down گفته می‌شود. در حقیقت شدت نوری که از سطح حفره منتشر می‌شود، اندازه گیری می‌گردد. نام این طیف سنج هم از همین پدیده گرفته شده است. در طول این میرایی، هزاران بار نور بین آینه‌ها به عقب و جلو منعکس می‌شود. در هر انعکاس مقدار کمی از لیزر  به بیرون نشت می‌کند. که منجر به تجزیه نمایی انرژی لیزر در حفره می‌شود. این مقدار کم با یک آشکارساز سریعا اندازه گیری می‌شود. در این طیف سنج عموما از آشکار سازهای PMT استفاده می‌شود.

در این طیف سنج اندازه‌گیری‌ها نسبت به زمان انجام می‌گیرد، بنابراین CRDS مستقل از نوسانات شدت منبع نور است. همین امر سبب می‌شود تا نسبت سیگنال به نویز در اندازه‌گیری‌ها افزایش یابد.

مزایا:

  • حد آشکارسازی این طیف سنج، (ppm) 1 تا (ppb) 1 است.
  • این طیف سنج مستقل از نوسانات شدت منبع نور است.

معایب:

  • با وجود مزیت‌های این طیف سنج، محدودیت‌هایی هم برای استفاده از آن وجود دارد. آینه‌های مورد استفاده در این طیف سنج معمولا برای ناحیه طول‌موجی کوتاه مناسب هستند. علاوه بر این تنظیم دقیق آینه‌ها کار بسیار دشواری است. همان طور که گفته شد این طیف سنج برای اندازه‌گیری غلظت‌های بسیار کم مناسب است. بنابراین باید در اندازه‌گیری نمونه‌هایی با غلظت بالا نیز دقت کرد زیرا ممکن است سیگنال خروجی اشباع شده باشد.

کاربرد

این طیف سنج کاربرد فراوانی در زمینه نظارت بر محیط زیست برای شناسایی مولکول‌ها، رادیکال‌ها، ذرات آلاینده و معلق در هوا و همچنین ایزوتوپ‌های مولکول های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین در زمینه پزشکی نیز از این دستگاه استفاده می‌کنند. هنگام بازدم مولکول‌های گازی نفس انسان را هم به وسیله CRDS شناسایی می‌کنند. با این کار می‌توانند بیماری یا تغییر متابولیسم بدن را تشخیص دهند. علاوه بر این تجزیه و تحلیل فاز گازی در مطالعه واکنش‌های شیمیایی امکان بررسی جنبه‌ها و مکانیزم‌های مختلف در شیمی مولکولی را فراهم کرده است.

طیف سنج فلورسانس

در طیف سنجی فلورسانس، یک مولکول را بر اساس خواص فلورسنت آن تجزیه و تحلیل می‌کنند. از طیف سنج فلورسانس به طور معمول برای مطالعه تغییرات ساختاری در سیستم‌های همیوغ (Conjugated system)، مولکول‌های معطر، تغییرات ناشی از تغییر دما، pH، مقاومت یونی، حلال و .. استفاده می‌شود.

فلورسانس پدیده‌ای است که در آن سیستم مولکولی، انرژی جذب شده را به صورت نور منتشر می‌کند. زمانی که نور به یک ماده‌ تابیده می‌شود، الکترون‌های داخل مولکول تحریک شده و از حالت پایه به حالت برانگیخته می‌روند. در مرحله بعدی الکترون‌ها پس از یک تاخیر چند نانوثانیه‌ای (طول عمر فلورسانس) دوباره به حالت پایه سقوط می‌کنند و انرژی ذخیره شده خود را به صورت یک فوتون آزاد می‌کنند (شکل ۵). طبق قانون استوکس طول موج فوتون آزاد شده بلندتر از طول‌موج فوتون تابشی است (نمودار ۲).

دیاگرام فلورسانس
شکل ۶: الکترون در اثر تابش نور تحریک شده و به تراز بالاتر گذار می‌کند. در مرحله بعدی الکترون‌ پس از یک تاخیر چند نانوثانیه‌ای (طول عمر فلورسانس) دوباره به حالت پایه سقوط می‌کند و انرژی ذخیره شده خود را به صورت یک فوتون آزاد می‌کند.
تفاوت جذب و فلورسانس
نمودار ۲: تفاوت طیف جذب و طیف فلورسانس

دو نوع دستگاه برای طیف سنجی فلورسانس وجود دارد: فلورومتر که از فیلترها برای جداسازی نور فرودی و نور فلورسنت استفاده می‌کند و اسپکترو فلورمترهایی که از توری پراش برای جداسازی نور تابشی و نور فلورسنت استفاده می کنند. در هر دو دستگاه نور از یک المان تک رنگ ساز (توری پراش) یا فیلتر عبور می‌کند. سپس طول موج مورد نظر به سمت نمونه هدایت می‌شود. نور به وسیله مولکول‌های ماده جذب می‌شود. پس از آن نور فلورسانس بعد از عبور از نمونه در همه جهات منتشر می‌شود. در مرحله بعد نور فلورسنت با توری دوم برخورد می‌کند. در نهایت نور پراکنده شده توسط توری به آشکارساز می‌رسد. آشکار ساز در زاویه ۹۰ درجه نسبت به پرتو تابشی قرار می‌گیرد. در غیر این صورت نور عبوری یا پراکنده شده از ماده با آشکار ساز برخورد کرده و نتایج دچار خطا می‌شود.

المان‌هایی که در ساخت این دستگاه‌‌ها به کار رفته مانند طیف سنج جذبی است. یک طیف سنج فلورسانس (هر دو نوع) از ۴ جز تشکیل می‌شود:

  1. منبع نور
  2. فیلترها و مونوکروماتورها
  3. مبدل‌ها
  4. محل قرارگیری نمونه

منبع نور

مقدار سیگنال خروجی در اندازه‌گیری‌های لومینسانس مستقیما با انرژی منبع تابش متناسب است. به همین دلیل، در طیف سنج فلورسانس از منابع نوری با شدت بیشتری نسبت به لامپهای تنگستن یا دوتریم استفاده می‌شود. متداول‌ترین منبع نوری مورد استفاده در این دستگاه‌، لامپ بخار جیوه با فشار کم است. این منبع خطوط مفیدی را در طول‌موج‌های ۲۵۴، ۳۰۲، ۳۱۳، ۵۴۶، ۵۷۸، ۶۹۱ و ۷۷۳ نانومتر تولید می‌کند. این خطوط را می‌توان به وسیله فیلترهای تداخلی یا فیلترهای جذبی جدا کرد. برای مواردی که منبع نور پیوسته مورد نیاز است از لامپ آرک زنون با فشار بالا استفاده می‌کنند. این لامپ یک طیف پیوسته از ۳۰۰ تا ۱۳۰۰ نانومتر را فراهم می‌‌کند. از دیودهای منتشر کننده نور آبی (LED) نیز در طیف سنج‌های فلورسانس استفاده می‌شود. این لامپ ها در ناحیه ۴۵۰ تا ۴۷۵ نانومتر تابش دارند و برای تحریک برخی از فلوروفورها مناسب است.

لیزرها نیز منابع نوری بسیار مناسبی برای این طیف‌سنج‌ها هستند. لیزرهای dye قابل تنظیم (Tunable dye laser) که توسط لیزر پالسی نیتروژن یا Nd:YAG پمپاژ می‌شوند، در ساخت فلوریمترها به کار می‌روند. البته استفاده از لامپ‌ها مرسوم‌تر است. به دلیل این که ارزان‌تر از لیزرها هستند. همچنین لیزرها در موارد خاصی کاربرد دارند. مثلا زمانی که نمونه‌ها بسیار کوچک هستند و یا حجم نمونه بسیار کم است و یا زمانی که به یک منبع نور بسیار تک رنگ برای تحریک نیاز است، از لیزر استفاده می‌شود.

فیلترها و مونوکروماتورها

از فیلترهای جذبی یا تداخلی در فلورومترها و از توری‌های پراش در اسپکترو فلورمترها برای انتخاب طول‌موج (هم طول‌موج تحریک و هم طول‌موج حاصل از تابش فلورسانس) استفاده می‌شود.

مبدل‌ها

سیگنال‌های به دست آمده از طیف سنج فلورسانس به طور معمول شدت بسیار کمی دارند. بنابراین، مبدل‌های حساسی در ساخت این دستگاه‌‌ها به کار می‌رود. تیوب‌های نوری (Photomultiplier tube (PMT)) از متداول‌ترین مبدل‌های طیف سنج فلورسانس هستند. مبدل‌ها گاهی اوقات برای بهبود نسبت سیگنال به نویز خنک سازی می‌شوند. دستگاه‌های انتقال شار، مانند CCD نیز برای اسپکتروفلورومتری استفاده می‌شوند. این نوع مبدل ها امکان ثبت سریع طیف های تحریک و انتشار را دارند.

تا این قسمت از مقاله اجزای اصلی طیف سنج فلورسانس را بررسی کردیم. اکنون هر یک از طیف سنج‌های فلورومتر و اسپکتروفلورومتر را به طور مجزا شرح می‌دهیم.

طیف سنج فلورومتر

فلورومترها یک روش نسبتا ساده و کم هزینه برای انجام تجزیه و تحلیل کمی فلورسانس را فراهم می‌کنند. همان طور که قبلا اشاره شد، از فیلترهای جذبی یا تداخلی برای محدود کردن طول‌موج‌های تحریکی و تابش فلورسنت استفاده می‌شود. شکل ۶ شماتیک یک فلورومتر را نشان می‌دهد. در این دستگاه از لامپ جیوه به عنوان منبع نور و دو عدد PMT به عنوان مبدل استفاده شده است. پرتو منبع نور در نزدیکی منبع به یک پرتو مرجع و یک پرتو نمونه تقسیم می‌شود. شدت پرتو مرجع به وسیله دیسک دیافراگم تضعیف می‌شود. به طوری که شدت آن تقریبا برابر با شدت تابش فلورسانس می‌شود. هر دو پرتو از فیلتر اصلی عبور می کنند. سپس پرتو مرجع به سمت PMT هدایت می‌شود. پرتوی نمونه توسط یک جفت عدسی بر روی نمونه متمرکز شده و باعث انتشار فلورسانس می‌شود. تابش منتشر شده از فیلتر دوم عبور کرده و بر روی PMT‌ مربوط به نمونه متمرکز می‌شود. سپس خروجی‌های الکتریکی از دو مبدل پردازش می‌شوند تا نسبت شدت نمونه به شدت مرجع محاسبه شود. به این ترتیب نتایج به دست می‌آیند.

شماتیک فلورومتر
شکل ۷: شماتیک فلورومتر

اسپکتروفلورومتر

شکل ۷ یک اسپکتروفلورومتر را نشان می‌دهد. نور به سمت یک تک رنگ ساز هدایت می‌شود و به طول‌موج‌های سازنده‌اش تجزیه می‌گردد و در نهایت طول‌موج خاصی انتخاب می‌گردد. سپس پرتو به وسیله تقسیم کننده نور به دو باریکه تقسیم می‌شود. یک باریکه به سمت نمونه هدایت می‌شود. باریکه دوم به سمت مرجع و PMT‌ مربوط به مرجع هدایت می‌شود. تابش فلورسانس حاصل، پس از پراکندگی از نمونه بار دیگر توسط مونوکروماتور تجزیه می‌شود. در نهایت توسط PMT‌ نمونه شناسایی می‌شود.

شماتیک اسپکتروفلورومتر
شکل ۸: شماتیک اسپکتروفلورومتر

اسپکتروفلورومتر نسبت به فلورومتر حساس‌تر است. زیرا باتوجه به این که در ساخت اسپکتروفلورومتر از توری استفاده شده است، نور را با دقت بالاتری تفکیک می‌کند. همچین دقت اسپکتروفلورومتر بیشتر است. در عوض چون ساختار اسپکتروفلورومتر پیچیده‌تر است، قیمت آن گران‌تر می‌شود.

در حالت کلی اسپکتروفلومتر به صورت قابل حمل (Portable)  و رومیزی و فلورومتر هم به صورت دستی (Hand held) به بازار عرضه می‌شوند. در ادامه می‌خواهیم مزایا و معایب طیف سنج فلورسانس را بررسی کنیم. توجه داشته باشید که این معایب و مزایا شامل هر دو مدل (طیف سنج‌های فلورومتر و اسپکتروفلورومتر) است.

مزایا:

  • حساسیت بالا
  • توانایی تشخیص سریع

معایب:

  • عیب اصلی طیف سنج فلورسانس این است که همه ترکیبات دارای طیف فلورسانس نیستند.

کاربردهای فلورسانس

  • در زمینه‌های بیوشیمی و شیمی برای تجزیه و تحلیل ترکیبات آلی
  • در پزشکی برای تمیز و تشخیص تومورهای بدخیم و خوش خیم پوست
  • تعیین کیفیت آب و شناسایی آلاینده‌ها
  • تعیین کاتیون‌های فلزی
  • کمی سازی پروتئین‌ها یا اسیدهای نوکلئیک

طیف سنج مادون قرمز (Infrared spectroscopy)

طیف سنجی مادون قرمز روشی است که در آن میزان جذب یا انتقال نور مادون قرمز از یک ماده اندازه‌گیری می‌شود. از طیف سنج مادون قرمز برای شناسایی ترکیبات ماده و اندازه‌گیری غلظت در بسیاری از نمونه‌ها استفاده می‌شود. سه ناحیه برای نور فروسرخ تعریف می‌شود که هر یک از این نواحی در طیف سنجی کاربرد خاص خود را دارند. این نواحی عبارتند از: ناحیه مادون قرمز نزدیک (Near Infrared (NIR))، مادون قرمز میانی (Mid Infrared (Mid-IR)) و ناحیه مادون قرمز دور (Far Infrared (Far-IR)). در جدول ۱ محدوده طول‌موجی این سه ناحیه نشان داده شده است. در بین این نواحی بازه ۱.۵ تا ۲.۵ میکرومتر پرکاربردتر است.

ناحیهطول‌موج (μm)
NIR۰.۷۸-۲.۵
Mid-IR۲.۵-۵۰
Far-IR۵۰-۱۰۰۰
ناحیه پر کاربرد۲.۵-۱۵
جدول ۱: نواحی نور مادون قرمز

NIR در جذب‌‌های خاص ضعیف است. اما در آزمایشگاه‌های کنترل کیفیت برای کاربردهای کمی و عددی به کار می‌رود. Mid-IR اطلاعاتی در مورد ساختار ترکیبات فراهم می‌کند. در نتیجه از آن به عنوان روشی برای شناسایی ترکیبات آلی استفاده می‌شود. برای Far-IR منابع نوری خاصی مورد نیاز است. بنابراین استفاده از این ناحیه بسیار محدود است.

تا اوایل سال ۱۹۸۰ از توری‌های پراش در ساخت طیف سنج مادون قرمز استفاده می‌شد. اما با پیشرفت تکنولوژی ساخت دستگاه‌ها متحول شد. امروزه همه طیف سنج‌ های مادون قرمز از نوع تبدیل فوریه (Fourier transform (FT)) هستند.

انرژی فوتون‌های مادون قرمز برابر انرژی ارتعاشی مولکول‌ها است. وقتی نور فروسرخ با ماده برخورد می‌‌کند، موجب ارتعاش یک پیوند می‌شود. به بیانی دیگر فرکانس (انرژی) تابش جذب شده برابر با فرکانس (انرژی) ارتعاش مولکول است. بنابراین اساس کار طیف سنج IR، جذب نور مادون قرمز توسط ماده است.

به صورت کلی طیف سنج مادون قرمز به دو دسته تقسیم می‌شود: طیف سنج‌های مادون قرمز تبدیل فوریه، که هم‌ زمان کل بازه طیفی را با استفاده از اندازه‌گیری‌های تداخل‌سنجی، تجزیه و تحلیل می‌کنند و دسته دوم که در ساختار آن‌ها از فیلترها یا تک رنگ سازها استفاده شده است.

طیف سنج‌های مادون قرمز شامل المان پراکندگی

در گذشته بیشتر از این طیف سنج‌ها استفاده می‌کردند. ساختمان این طیف سنج مانند اسپکتروفتومتر است. در این دستگاه‌‌ها نور مادون قرمز توسط یک آینه تقسیم کننده نور به دو باریکه تقسیم می‌شود. یکی از آن‌ها از مرجع و دیگری از نمونه عبور می‌کند. سپس نور عبوری از نمونه و رفرنس به سمت یک آینه چاپر هدایت می‌شود. چاپر با سرعت مشخصی می‌چرخد و یک بار نور عبوری از مرجع و بار دیگر نور عبوری از نمونه را از خود عبور می‌دهد. به این ترتیب پرتوهای عبوری با توری پراش برخورد می‌‌کنند و در نهایت به سمت آشکار ساز هدایت می‌شوند. شدت نور عبوری از نمونه با شدت نور عبوری از مرجع مقایسه شده و طیف مادون قرمز نمونه به دست می‌آید.

طیف سنج‌های مادون قرمز تبدیل فوریه (Fourier transform IR (FTIR))

طیف سنج‌های FTIR جای طیف سنج‌های مادون قرمز قدیمی را گرفته‌اند. طیف سنج FTIR به دو صورت تک پرتو و دو پرتو ساخته می‌شود. در مدل تک پرتو (مانند اسپکتروفتومتر تک پرتو) یک محل برای قرار گیری کووت وجود دارد. به این صورت که ابتدا مرجع مورد آزمایش قرار می‌گیرد. سپس نمونه و مرجع با هم تعویض می‌شوند. به این ترتیب طیف‌گیری انجام می‌شود.

در این نوع طیف سنج بین منبع نور و محل قرارگیری نمونه یک تداخل سنج قرار می‌گیرد. معمولا از تداخل سنج مایکلسون استفاده می‌شود. به این قسمت Interferometer گفته می‌شود. ۱) ابتدا پرتو نور IR وارد تداخل سنج می‌شود. سپس توسط تقسیم کننده پرتو (Beam splitter (BS)) به دو قسمت تقسیم می‌شود. باریکه اول با آینه ثابت برخورد کرده و به سمت ‌BS بازتاب می‌شود. باریکه دوم نیز از طریق BS به سمت آینه متحرک هدایت می‌شود. سپس به سمت تقسیم کننده پرتو منعکس می‌گردد. هنگامی که دو باریکه در تقسیم کننده پرتو دوباره به هم می‌رسند؛ اگر طول مسیر باریکه‌ اول و دوم با هم برابر باشد در این صورت یک تداخل سازنده ایجاد می‌شود. اما اگر طول مسیر باریکه‌‌ای که به سمت آینه متحرک در حرکت است، به اندازه λ/۲ از باریکه دیگر کمتر یا بیشتر باشد، در این صورت تداخل از نوع ویرانگر است. این تداخل سازنده یا ویرانگر از طریق آینه متحرک کنترل می‌شود. با حرکت آینه با سرعت ثابت، سیگنال در آشکارساز به صورت سینوسی تغییر می‌کند و هر بار که اختلاف راه دو پرتو مضرب صحیحی از طول‌موج باشد، مقدار ماکزیمم (تداخل سازنده) ثبت می‌شود. ۲) در مرحله دوم باریکه اول و دوم بعد از بازترکیب توسط المان‌های اپتیکی به سمت نمونه هدایت می‌شوند. نور IR از داخل نمونه (یا مرجع) عبور می‌‌کند و با نمونه وارد برهم‌کنش می‌شود. سپس نور عبوری به کمک المان‌های اپتیکی روی مبدل IR متمرکز می‌شود و مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد. شکل ۸ این فرآیند را نشان می‌دهد.

شماتیک طیف سنج تک پرتو FTIR
شکل ۸: شماتیک طیف سنج FTIR‌ تک پرتو

باید توجه داشت که در این تداخل سنج هر طول موج با یک فرکانس منحصر به فردی مشخص می‌شود. به طوری که این فرکانس تابعی از طول‌موج تابشی و سرعت آینه متحرک است. بنابراین همه طول‌موج‌ها به صورت کد گذاری شده توسط تداخل سنج ثبت می‌شوند. برای رمز گشایی از این کدها از تبدیل فوریه استفاده می‌کنند. به این ترتیب طیف جذبی مادون قرمز به دست می‌آید. برای همین است که به این طیف سنج FTIR‌ گفته می‌شود.

شکل ۹، FTIR‌ دو پرتو را نشان می‌دهد. در این طیف سنج دو مکان برای قرارگیری کووت وجود دارد. در یکی نمونه و در دیگری مرجع قرار می‌گیرد. همانند سیستم تک پرتو در FTIR دو پرتو نیز، پرتو ابتدا وارد تداخل سنج می‌شود و همه مراحل در داخل تداخل سنج مانند سیستم تک پرتو تکرار می‌شود. پس از آن پرتو خارج شده از تداخل سنج به آینه متحرک M1 برخورد می‌کند. این آینه در یک موقعیت پرتو را به داخل سلول مرجع و در موقعیت دیگر آن را به داخل سلول نمونه هدایت می‌کند. آینه M2 با M1 همگام سازی می‌شود. به طوری که به صورت متناوب پرتو مرجع و پرتو نمونه از طریق لنزها روی مبدل IR‌ متمرکز می‌شوند.

شماتیک طیف سنج دو پرتو FTIR
شکل ۹: شماتیک طیف سنج FTIR‌ دو پرتو

طیف سنج‌های امروزی بسیار سریع‌تر از مدل‌های قدیمی هستند. نمودار ۳ نمونه‌ای از طیف مادون قرمز برای استون را نشان می‌دهد.

طیف مادون قرمز استون
نمودار ۳: طیف IR استون

هم اکنون که با طیف سنج مادون قرمز آشنایی بیشتری پیدا کرده‌اید. مزایا، معایب و کاربرد این نوع از طیف سنج ها را بررسی می‌کنیم.

مزایا:

  • طیف سنج IR بسیار سریع است و در کسری از ثانیه نتایج حاصل از طیف‌گیری به دست می‌آید.
  • این دستگاه از وضوح طیفی بالایی برخودار است.
  • غیر مخرب است.
  • حساسیت بالایی دارد.

معایب:

  • برای برخی از نمونه‌ها نمی‌توان از این طیف سنج استفاده کرد. برای مثال در نمونه‌هایی که حاوی آب است، این دستگاه کاربردی ندارد. به این علت که آب نور IR را به شدت جذب می‌کند.
  • طیف به دست آمده از این طیف سنج بسیار پیچیده است.
  • این طیف سنج برای آزمایش‌های کمی و عددی مناسب نیست. زیرا در شرایطی که غلظت‌ نمونه بسیار کم یا بسیار زیاد است، نتایج دچار خطا می‌شوند.

کاربردها:

  • واکنش‌های پلیمریزاسیون (polymerization Reaction)
  • واکنش‌های فشار بالا
  • واکنش‌های هیدروژناسیون (Hydrogenation Reaction)
  • هیدروفرمولاسیون یا سنتز (Hydroformylation)
  • مکانیزم‌های واکنش گریگنارد (Grignard reaction)
  • هالوژناسیون ((Halogenation Reaction))
  • بیوکاتالیز و تجزیه آنزیمی
  • واکنش‌های کاتالیز شده
  • سنتز شیمیایی

طیف سنج رامان (Raman Spectrometer)

طیف سنجی رامان یک روش تحلیلی است که در آن از نور پراکنده برای اندازه‌گیری حالت‌های انرژی ارتعاشی یک نمونه استفاده می‌شود. در این طیف سنجی نور لیزر با نمونه برخورد می‌کند. در اثر این برخورد نور لیزر پراکنده می‌شود. بیشتر نور پراکنده شده در همان طول‌موج منبع لیزر باقی می‌ماند. این پراکندگی به پراکندگی ریلی معروف است. درصد بسیار کمی از نور با طول‌موج متفاوتی پراکنده می‌شود. که به این پراکندگی، اثر رامان گفته می‌شود (شکل ۱۰). پراکندگی رامان به ساختار شیمیایی آنالیت بستگی دارد.

تفاوت پراکندگی رایلی و رامان
شکل ۱۰: تفاوت پراکندگی ریلی و رامان

پراکندگی رامان در واقع نشان دهنده پیوندهای درون یک مولکول است. همین منجر می‌شود تا طیف رامان برای یک ساختار مولکولی منحصر به فرد باشد. اصطلاحا طیف رامان یک ساختار مولکولی، اثر انگشت (fingerprint) آن ساختار به حساب می‌آید و منحصر به فرد است. بنابراین به وسیله این دستگاه می‌توان مواد مختلف را آنالیز و شناسایی کرد. از طرف دیگر شدت یک طیف مستقیما با غلظت ماده متناسب است. پس می‌توان نتیجه گرفت که به وسیله طیف سنج رامان می‌توان اندازه گیری‌ها را به صورت کمی و کیفی داشت. نمودار ۴ یک نمونه از طیف رامان را نشان می‌دهد. این طیف به وسیله میکروسکوپ رامان اقتصادی ۵۳۲ تکفام به دست آمده است. شرکت تکسان با بهره‌گیری از دانش و تجارب افراد برای اولین بار در ایران توانسته طیف سنج رامان را در انواع مدل‌ها تولید و به بازار عرضه کند.

طیف رامان مولتی وال سی ان تی (Multi wall CNT) به وسیله رامان تکرام 532 نانومتر
نمودار ۴: طیف رامان مولتی وال سی ان تی (Multi wall CNT) به وسیله رامان تکرام ۵۳۲ نانومتر

در طیف سنج رامان، ابتدا نور لیزر به آینه دیکروئیک (dichroic mirror) برخورد می‌کند و درصد زیادی از آن را به سمت نمونه بازتاب می‌کند. نورلیزر توسط عدسی روی نمونه متمرکز شده و بعد از برخورد با نمونه، پراکنده می‌گردد. نور پراکنده ‌شده که شامل نور لیزر و حاوی اطلاعات طیف رامان است، به وسیله همان عدسی‌ شیئی به سمت آینه دیکروئیک هدایت می‌شود. کل نور، به جز درصد کمی از طول موج لیزر از آن عبور کرده و با فیلتر برخورد می‌کند. طول‌موج لیزر که ناشی از پراکندگی ریلی است توسط فیلتر، حذف می‌گردد اما مابقی طول‌موج‌ها (طیف رامان) از این فیلتر عبور می‌کنند. نور فیلتر شده به وسیله شکاف و سپس به کمک عدسی بر روی آینه کاو متمرکز می‌شود. آینه نور را به سمت توری پراش بازتاب می‌کند و نور در اثر برخورد با توری تجزیه می‌شود. نور تجزیه ‌شده به وسیله آینه کاو دوم بر روی آشکارساز متمرکز می‌شود.

شماتیک طیف سنج رامان
شکل ۱۱: شماتیک طیف سنج رامان

طیف سنج رامان در مدل‌های مختلفی به بازار عرضه می‌گردد. اساس کار طیف سنج رامان در همه مدل‌‌ها برابر است. در ادامه انواع مدل‌های این طیف سنج را بررسی خواهیم کرد.

مدل‌های طیف سنج رامان

طیف سنج رامان در مدل‌های مختلفی ساخته می‌شود. طیف سنج میکروسکوپ رامان، طیف سنج رامان، رامان دستی (Hand held)، رامان کانفوکال و رامان پرتابل از جمله پرکاربردترین مدل‌های این طیف سنجی هستند. این مدل‌ها در طول‌موج‌های مختلف (۵۳۲، ۱۰۶۴، ۷۸۵ نانومتر و …) تولید می‌شوند. برخی از این طیف سنج‌ها فقط دارای یک طول‌موج هستند و بعضی دیگر هم‌زمان چند طول‌موج را شامل می‌شوند (دو لیزره و سه لیزره). شرکت تکسان، اولین شرکت ایرانی است که‌ طیف سنج رامان را در انواع مدل‌ها از جمله میکروسکوپ رامان، و رامان پرتابل در طول موج ها و مدل‌‌های مختلف تولید می‌کند.

اساس کار همه مدل‌‌های طیف سنج رامان یکی است. برای اینکه با همه مدل‌ها آشنا شوید در زیر به طور مختصر هر یک از طیف سنج‌های رامان را شرح داده‌ایم.

میکروسکوپ رامان

میکروسکوپ رامان چیست؟ در حقیقت این دستگاه از ترکیب تکنولوژی شناسایی شیمیایی توسط طیف سنجی رامان و میکروسکوپ نوری معمولی، ساخته شده است. از این روش با استفاده از روش نقشه برداری نقطه‌ای برای ثبت نقشه‌های رامان و برای نشان دادن توزیع فضایی اجزای مختلف شیمیایی یا اطلاعات در نمونه استفاده می‌شود. ترکیب رامان با میکروسکوپ نوری امکان بررسی شیمیایی کوچکترین شی (کمتر از ۰.۵ میکرومتر) را فراهم می‌کند. همین امر سبب می‌شود تا تغییرات جزیی از جمله جهت‌گیری، تبلور، اجزا و … در ریز ساختارها مورد بررسی قرار گیرد. از مزایای این طیف سنجی این است که برای اندازه‌گیری‌ها به نمونه بسیار کمی نیاز است. هم‌چنین برای تشخیص ناهمگنی‌ها در برخی نواحی می‌توان از این دستگاه استفاده کرد. وجود میکروسکوپ، امکان تولید تصاویر رنگی کاذب بر اساس طیف رامان نمونه را نیز فراهم می‌کند. این تصاویر توزیع اجزای شیمیایی منفرد، چند شکلی و مراحل و تغییر در تبلور را نشان می‌دهند. در واقع می‌توان گفت طیف سنج میکروسکوپ رامان یکی از بهترین و مقرون به صرفه‌ترین مدل‌های طیف سنجی رامان است. به طوری که در اکثر آزمایشگاه‌ها، صنایع، کارخانه‌ها و … به راحتی می‌توان از این دستگاه استفاده کرد.

میکروسکوپ رامان تکرام
شکل ۱۲: میکروسکوپ رامان تکرام

ایجاد تصاویر رنگی با استفاده از میکرو رامان، بسیار ساده است. از هر قسمت نمونه (در یک بازه و با فاصله مشخص) طیف‌های رامان گرفته می‌شود که اطلاعات مکانی را به داده‌های رامان اضافه می‌کند. در این فرایند، نمونه ذره به ذره زیر لیزر جابه‌جا می‌شود و نور لیزر بر روی یک نقطه متمرکز می‌شود. این عمل تا زمانی ادامه می‌یابد که کل منطقه مورد نظر به اصطلاح نقشه برداری شود. اطلاعات مکانی به دست آمده می‌تواند یک، دو یا سه بعدی باشد. بنابراین امکان کاوش شیمیایی در نمونه را فراهم می‌کند. با استفاده از این اطلاعات می توان همگن بودن، توزیع اجزا یا اطلاعات مربوط به ذرات و سایر آلاینده‌ها را به دست آورد.

رامان پرتابل

طیف‌سنج رامان پرتابل، دستگاه قابل حملی است که برای شناسایی و تجزیه تحلیل مواد به کار می‌رود و اساس کار آن دقیقا مانند طیف سنج رامان آزمایشگاهی است. اما معمولا رامان قابل حمل در اندازه‌ای ساخته می‌شود که حمل آن آسان‌تر گردد. وزن کم و اندازه مناسب رامان پرتابل در کنار حفظ رزولوشن و بازه اندازه‌گیری طیفی به محبوبیت این دستگاه افزوده است.

از مزایای این دستگاه می‌توان به قیمت ارزان و وزن کم طیف سنج اشاره کرد. در برخی موارد استفاده از دستگاه رامان بسیار دشوار و گاهی غیر ممکن است. مثلا اگر نقاشی بر روی یک دیوار رسم شده باشد، بدون آسیب زدن به نقاشی نمی‌توان با میکروسکوپ رامان اندازه‌گیری را انجام داد. اما به وسیله رامان پرتابل به راحتی می‌توان نمونه را آنالیز کرد.

رامان پرتابل
شکل ۱۳: رامان پرتابل شرکت تکسان

رامان کانفوکال

طیف سنجی رامان کانفوکال در واقع یک تکنیک برای تصویر برداری سه بعدی است. از این تکنیک حتی در برخی از میکروسکوپ‌های نوری غیر طیف‌ سنجی نیز استفاده می شود. بیشترین استفاده از این نوع میکروسکوپ‌های کانفوکال در زمینه میکروسکوپی فلورسانس و در حوزه‌های بیولوژی مرسوم است.

شماتیک کلی طیف سنج رامان کانفوکال
شکل ۱۴: شماتیک کلی طیف سنج رامان کانفوکال

در تکنیک کانفوکال، نور منبع ابتدا بر روی یک روزنه کانونی می‌شود. سپس نور واگرا شده از روزنه به آینه دیکروئیک (فیلتر ریلی) برخورد می‌کند و توسط یک لنز روی نمونه کانونی می‌شود. در نقطه کانون، نور برگشته توسط آن نقطه، توسط لنز جمع‌آوری می‌شود و پس از عبور تقسیم‌گر، بر روی روزنه آشکارساز کانونی می‌شود. در نهایت نور حاصل از پراکندگی رامان وارد آشکار ساز می‌شود. نکته مهم در این تکنیک این است که تنها نقاطی از نمونه توسط آشکارساز ثبت می‌شوند که در نقطه کانونی قرار گیرند. نقاطی که خارج نقطه کانونی باشند، نمی‌توانند از روزنه آشکارساز عبور کنند و توسط آشکارساز ثبت نمی‌شوند. این دستگاه فقط در مواردی مورد استفاده قرار می‌گیرد که به یک تصویر سه بعدی از نمونه نیاز داشته باشیم. همچنین قیمت آن در مقایسه با سایر مدل‌ها بسیار گران‌تر است.

طیف سنج رامان دستی

طیف سنج رامان دستی در اندازه‌های بسیار کوچکی نسبت به سایر مدل‌‌ها تولید می‌شود. بیشتر برای کنترل کیفیت مواد اولیه مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما با توجه به اندازه کوچک آن رزولوشن پایینی دارد.

با توجه به این که با انواع مدل‌های طیف سنج رامان آشنا شدید می‌خواهیم مزایا و معایب کلی این طیف سنج را شرح دهیم. توجه کنید که این مزایا،معایب و کاربردها شامل همه مدل‌‌های این دستگاه است.

مزایا:

  • طیف سنجی رامان بسیار سریع است.
  • نیازی به آماده‌سازی نمونه ندارد.
  • نمونه را تخریب نمی‌کند.
  • نمونه‌ها را هم به صورت کمی و هم به صورت کیفی آنالیز می‌کند.
  • بسیاری از مواد آلی و غیر آلی را می‌توان با این دستگاه مورد تجزیه و تحلیل قرار داد. هم‌چنین مواد معدنی با طیف سنجی رامان به راحتی قابل طیف‌گیری هستند.
  • برخلاف طیف سنج IR در ناحیه مادون قرمز جذب ندارد. بنابراین نمونه‌هایی که حاوی آب هستند را به راحتی می‌توان با این دستگاه طیف‌گیری کرد.
  • از روی ویال شیشه‌ای یا کووت می‌توان از نمونه‌ها طیف‌گیری کرد. این کار زمانی بسیار مفید که نمونه مورد نظر سمی باشد.
  • با استفاده از این طیف سنج می‌توان مواد جامد، مایع، گاز و ژل را مورد تجزیه و تحلیل قرار داد.
  • از طیف سنج رامان برای طیف‌گیری از نمونه‌ها در حجم بسیار کم نیز می‌توان استفاده کرد.

معایب:

  • طیف سنج رامان برای فلزات یا آلیاژها قابل استفاده نیست.
  • در مواردی طیف رامان به قدری ضعیف است که تجزیه و تحلیل مواد را دشوار می‌کند. البته رامان به قدری محبوب و قدرتمند است که این مشکل را می‌توان به وسیله انواع طیف سنجی رامان به راحتی حل کرد.

کاربردها:

از طیف سنجی رامان در شیمی برای شناسایی مولکول‌ها، مطالعه پیوندهای شیمیایی و پیوندهای درون مولکولی استفاده می‌شود. از آن جا که فرکانس‌های ارتعاشی، مخصوص پیوندهای شیمیایی و تقارن مولکول است، رامان برای شناسایی مولکول‌ها به شیوه اثر انگشت (fingerprint) عمل می‌کند.

در فیزیک حالت جامد، از طیف سنجی Raman برای توصیف مواد، اندازه‌گیری دما و یافتن جهت کریستالوگرافی نمونه استفاده می‌شود. از طیف سنجی رامان می‌توان برای مشاهده سایر برانگیختگی‌های فرکانس پایین ماده جامد مانند پلاسمون‌ها، مگنون‌ها و تحریکات شکاف ابررسانا نیز استفاده کرد.

در فناوری نانو، می‌توان از میکروسکوپ رامان برای تجزیه و تحلیل نانوسیم‌ها برای درک بهتر ساختار آن ها استفاده کرد.

در شیمی حالت جامد و صنعت داروسازی، می‌توان از طیف سنجی رامان برای شناسایی مواد فعال دارویی (API) و شناسایی اشکال پلی مورفیک آن‌ها، در صورت وجود بیش از یک مورد، استفاده کرد.

در زیست شناسی و پزشکی، طیف سنجی رامان کاربردهای گسترده ای دارد. می‌توان آن را برای شناسایی انواع سرطان‌ها،‌ تعیین توالی DNA، تشخیص انواع بیماری‌ها، کشف داروهای تقلبی بدون باز کردن بسته بندی آن‌ها، مطالعه غیرتهاجمی بافت بیولوژیکی و … به کار برد.

به طور خلاصه، طیف سنجی رامان را می توان در زمینه های علوم جنایی، باستان شناسی، ‌زمین شناسی، صنایع مواد غذایی و غیره به کار برد.

طیف سنج UV-VIS یا اسپکتروفومتر (Spectrophotometer)

طیف سنجی UV-VIS یا اسپکتروفتومتری روشی است که میزان جذب یا عبور نور از یک نمونه را نشان می‌دهد. تعریفی که گفته شد در واقع روش طیف سنجی UV-VIS را بیان می‌‌کند. اما هدف ما این است که بیان کنیم اسپکتروفتومتر چیست، چه کاربرد، مزایا و معایبی دارد؟ بنابراین در ادامه به این سوالات پاسخ خواهیم داد.

اسپکتروفتومتر دستگاهی است به وسلیه‌ آن می‌توان میزان نور جذبی یا عبوری از یک ماده را به دست آورد. اما قبل از پرداخت به اساس کار اسپکتروفتومتر مدل‌های طیف سنج UV-VIS را شرح می‌دهیم. زیرا عملکرد هر مدل متفاوت است. اما در نظر داشته باشید که اساس کلی دستگاه یکی است. طیف سنج یووی ویز در دو مدل تک پرتو و دو پرتو ساخته می‌شود. اساس کلی کار دستگاه به این صورت است که ابتدا شدت نور مرجع اندازه‌گیری می‌شود. سپس میزان نور عبوری (جذبی) از نمونه به دست می‌آید. شدت نور نمونه و مرجع مقایسه شده و طیف عبوری (جذبی) ماده به دست می‌آید. نمودار ۵ طیف جذبی کافئین در آب را نشان می‌دهد.

طیف جذبی کافئین در آب
نمودار ۵: طیف جذبی کافئین در آب

در اسپکتروفتومتر تک پرتو، یک مکان برای قرارگیری نمونه وجود دارد. بنابراین ابتدا مرجع در محل قرارگیری نمونه قرار می‌گیرد. اندازه‌گیری‌ها از مرجع انجام می‌شود. سپس مرجع و نمونه مورد آزمایش تعویض می‌شوند. نور از طریق منبع نوری با نمونه برخورد می‌کند. در اثر برهم‌کنش نور با ماده برخی از طول‌موج‌ها جذب و برخی از ماده عبور می‌کنند. نور عبوری از ماده با توری برخورد می‌کند و به طول‌موج‌های تشکیل دهنده‌اش تجزیه می‌شود. سپس به وسیله‌ المان‌های اپتیکی به سمت آشکارساز هدایت می‌شود. نور عبوری از نمونه و مرجع با هم مقایسه می‌شوند و نتیجه به صورت طیف جذبی یا عبوری در نمایش‌گر نشان داده می‌شود. دلیل استفاده از مرجع این است که اثرات محلول، ظرف نمونه یا سایر المان‌ها از طیف اصلی حذف شود. شکل ۱۵ ساختار یک اسپکتروفتوتر تک پرتو را نشان می‌دهد.

شماتیک اسپکتروفتومتر تک پرتو
شکل ۱۵: شماتیک اسپکتروفتومتر تک پرتو

در اسپکتروفتومتر دو پرتو ، دو جایگاه قرارگیری برای نمونه وجود دارد. در این مدل مرجع و نمونه به طور هم‌زمان مورد آزمایش قرار می‌گیرند. شکل ۱۶ اسپکتروفتومتر دو پرتو را نشان می‌دهد.

شماتیک اسپکترومتر دو پرتو
شکل ۱۶: شماتیک اسپکترومتر دو پرتو

اسپکتروفتومتر دو پرتو  و تک پرتو به طور کامل در مقاله اسپکتروفتومتر چیست بررسی شده است.

به وسیله اسپکتروفتومتر می‌توان غلظت محلول‌ها را هم به دست آورد. برای محاسبه غلظت از قانون بیر لامبرت استفاده می‌شود. در مطلب اساس کار اسپکتروفتومتر به طور کامل نحوه به دست آوردن غلظت شرح داده شده است. به همین دلیل ما برای جلوگیری از تکرار مکرات از توضیح این موضوع در این قسمت پرهیز کردیم.

اسپکتروفتومتر هم مانند دستگاه رامان توسط شرکت تکسان در دو مدل تک پرتو و دو پرتو به بازار عرضه می‌گردد. برای اطلاعات بیشتر در مورد سایر دستگاه‌های این شرکت می‌توانید با کارشناسان ما تماس بگیرید. اکنون نوبت به توضیح مزایا، معایب و کاربردها می‌رسد.

مزایا:

  • طیف سنج UV-VIS بسیار سریع است.
  • این دستگاه دقت بالایی دارد.
  • در اکثر زمینه کاربرد دارد.

معایب:

  • از اجسام مات (نمونه‌هایی که نور را از خود عبور نمی‌دهند) نمی‌توان به وسیله این دستگاه طیف‌گیری کرد.

کاربرد:

  • زیست شناسی: تجزیه و تحلیل رشد سلول، تشخیص و سنجش RNA، DNA، آلیگونوکلئوتید، پروتئین و …
  • شیمی: محاسبه غلظت، نظارت بر واکنش
  • فیزیک: محاسبه چگالی نوری، رنگ سنجی
  • داروسازی:‌ آنالیز دارویی
  • آزمایشگاه‌های کنترل کیفیت، آنالیزهای معمولی در واحدهای تولیدی، QA/QC
  • و در علوم دیگر برای شناسایی ویژگی‌های انواع مواد

طیف سنج نشر نوری (Optical emission spectroscopy(OES))

طیف سنجی نشر نوری نوع رایجی از طیف سنجی است که برای تعیین عناصر اساسی در فلزات به کار می‌رود. به طیف سنج نشر نوری، کوانتومتر هم گفته می‌شود.  

اساس کار طیف سنج OES نشر نور است. در این دستگاه طبق شکل ۱۷ یک جرقه الکتریکی با جریان بالا به وسیله الکترود به نمونه اعمال می‌شود. به دلیل وجود اختلاف پتانسیل بین الکترود و فلز تخلیه الکتریکی رخ می‌دهد. در اثر این تخلیه الکتریکی نمونه گرم شده و پلاسما در آن مکان تشکیل می‌شود. گرما موجب می‌شود تا بخشی از نمونه بخار شود. اتم‌‌های تبخیر شده در پلاسما انرژی را جذب می‌کنند و الکترون‌‌های آن‌ها با هر بار جرقه زدن به حالت‌های انرژی بالاتر می‌روند. در مرحله بعدی الکترون‌های تحریک شده به حالت پایه بازمی‌گردند و فوتون منتشر می‌کنند. نور منتشر شده به سمت توری پراش هدایت می‌شود و به طول‌موج‌های تشکیل دهنده‌ خود تجزیه می‌شود. سپس شدت نور هر طول‌موج توسط آشکارساز اندازه‌گیری می‌گردد.

شماتیک طیف سنج OES
شکل ۱۷: شماتیک طیف سنج OES

شدت اندازه‌گیری شده در طی این فرایند متناسب با غلظت عناصر موجود در نمونه است. از آن جا که هر عنصر بر اساس ساختار الکترونی خود طول‌موج‌های خاصی را منتشر می‌کند، می‌توان با مشاهده این طول‌موج‌ها ترکیب اصلی نمونه را تعیین کرد. نمودار ۶ طیف OES آهن فرسوده را نشان می‌دهد.

مزایا:

  • یکی از بهترین طیف‌سنج‌ها برای آنالیز فلزات است.

معایب:

  • در اثر جرقه زدن بخشی از نمونه تخریب می‌شود.

کاربردهای OES:

  • آنالیز انواع فولادها از جمله فولادهای آلیاژی، فولادهای ضد سایشی منگنز بالا، فولادهای ساده کربنی و…
  • آنالیز و بررسی انواع چدن‌ها همچون چدن‌های خاکستری، داکتیل و…
  • تعیین میزان آلومینیوم محلول و غیرمحلول در فولادها
  • اندازه‌گیری میزان سرب در برنج‌های سرب دار
  • شناسایی و تعیین میزان هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن موجود در تیتانیوم
  • آنالیز و بررسی انواع آلیاژهای آلومینیوم مانند آلیاژهای آلومینیوم-لیتیوم
  • تعیین ترکیب شیمیایی به روش کوانتومتری
  • شناسایی مواد فلزی و مطابقت آن با استانداردها و آلیاژهای تجاری رایج
  • شناسایی عناصر ناخواسته

جمع بندی

در این مقاله به طور کلی انواع دستگاه‌‌های طیف سنجی نوری را بررسی کردیم. طیف سنج‌های مورد مطالعه در این مطلب عبارتند از: طیف سنج فروشکست القایی لیزر، طیف سنج حلقه‌ای به پایین، طیف سنج مادون قرمز، طیف سنج رامان، اسپکتروفتومتر و طیف سنج نشر نوری. برای هر یک از این طیف سنج‌ها نحوه کار، کاربردها، مزایا و معایب بیان کردیم.

ما علاوه بر دانشنامه و مقالات، آموزش‌هایی از نرم‌افزارهای مورد نیاز طیف سنجی مانند اوریجین را تهیه می‌کنیم و در اختیار شما قرار می‌دهیم. شما می‌توانید با مراجعه به آپارات شرکت تکسان از این آموزش‌ها نیز بهره‌مند شوید.

منابع

  1. https://zaya.io/khhjr
  2. https://zaya.io/kgv1d
  3. https://zaya.io/kyy57
  4. https://zaya.io/0e09t
  5. https://zaya.io/hpw3n
  6. https://zaya.io/vsv34
  7. https://zaya.io/rjoqv
  8. https://zaya.io/5af6g