اسپکتروفتومتر چیست؟

اسفند ۲, ۱۳۹۹
هاله کرد حقی-کارشناس ارشد فتونیک
بدون نظرات

طیف سنجی UV-VIS به عنوان مهم‌ترین روش اسپکتروفتومتری در نظر گرفته می‌شود که بیشترین کاربرد را برای تجزیه و تحلیل انواع ترکیبات دارد. در این روش، نور با ماده وارد برهم‌کنش شده و تابش حاصل از برهم‌کنش توسط اسپکتروفتومتر اندازه‌گیری می‌گردد. اسپکتروفتومتر در دو نوع تک پرتو و دو پرتو ساخته می‌شود. اگر می‌خواهید در این زمینه اطلاعات بیشتری کسب کنید، این مطلب را تا انتها مطالعه بفرمایید.

اسپکتروفتومتر چیست و اساس کار آن به چه صورت است؟

طیف سنجی UV-VIS به عنوان قدیمی‌ترین تکنیک تحلیلی در نظر گرفته می‌شود که می‌تواند به عنوان تکنیک اسپکتروفتومتری تعریف شود. اسپکتروفتومتر شدت نور را در ناحیه فرابنفش (۴۰۰-۱۰۰ نانومتر) و مرئی (۷۵۰-۴۰۰ نانومتر)، به عنوان تابعی از طول موج اندازه‌گیری می‌کند. آنالیت، نور را در طول موج‌های خاصی (ناحیه UV-VIS) جذب می‌کند و سپس میزان تابش جذب شده توسط آنالیت اندازه‌گیری می‌شود. در واقع طیف به دست آمده، حاصل برهم‌کنش نور مرئی-فرابنفش با ماده است. در این طیف سنجی، جذب تابش در سطح انرژی الکترونی مولکول‌ها رخ می‌دهد (جذب مولکولی). بنابراین این روش به عنوان طیف سنجی الکترونی نیز شناخته می‌شود.

قبل از این که اجزای اصلی اسپکتروفتومتر را با هم مطالعه کنیم، بهتر است که یک تصویر از اسپکتروفتومتر را مشاهده کنیم تا به این دستگاه دید بهتری داشته باشیم.

دستگاه یووی ویز از چهار جز اصلی ساخته می‌شود:

منبع نور: در اسپکتروفتومتر معمولاً از دو دسته لامپ استفاده می‌شود. یکی در ناحیه مرئی و دیگری در ناحیه فرابنفش. متداول‌ترین منابع نور برای پرتو فرابنفش، لامپ‌های هیدروژن و لامپ دوتریم است و متداول‌ترین منابع برای تابش مرئی،‌ لامپ‌های رشته‌ای تنگستن و قوس کربن هستند.
مونوکروماتور: نور چند رنگی را به طول موج‌های مختلف تجزیه می‌کند.
نگهدارنده نمونه: وسیله‌ای است که نمونه در داخل آن قرار می‌گیرد. این وسیله انواع مختلفی دارد از جمله نگهدارنده کووت، لوله آزمایشگاه، فیلم نازک و …
آشکارساز: طی فرآیندی نور تابشی به آشکارساز، به سیگنال تبدیل شده و به صورت طیف در صفحه مانیتور ظاهر می‌گردد.

انواع اسپکتروفتومتر

در اصل دو نوع اسپکتروفتومتر وجود دارد: اسپتروفتومتر معمولی و آرایه دیودی.

اسپکتروفتومتر معمولی

شکل ۱ شماتیکی از اسپکتروفتومتر تک پرتو معمولی را نشان می‌دهد. نور چند رنگ از شکاف ورودی رد شده و به باریکه نور تبدیل می‌شود. سپس باریکه نور توسط یک المان پاشنده (به طور مثال منشور)، پراکنده می‌شود. طول موج مورد نظر توسط شکاف خروجی تعیین شده و نور تک رنگ از نمونه عبور می‌کند و در نهایت به سمت آشکارساز هدایت می‌شود.

چیدمان داخلی اسپکتروفتومتر تک پرتو — **شکل ۱: اسپکتروفتومتر تک پرتوی پلی کروماتیک**

از این مدل برای اندازه‌گیری میزان جذب در یک نقطه از طیف استفاده می‌شود ولی برای اندازه‌گیری ترکیبات مختلف در طول موج های مختلف یا به دست آوردن طیف نمونه‌ها باید به دنبال یک روش جایگزین بود. زیرا برای چنین اندازه‌گیری‌هایی باید قسمت‌هایی از مونوکروماتور چرخانده شود که این مسئله به دلیل غیرقابل تکرار بودن، مناسب نیست.

اسپکتروفتومتر آرایه دیودی

شکل ۲، شماتیک اسپکتروفتومتر آرایه دیودی را نشان می‌دهد. نور پلی کروماتیک از نمونه عبور کرده و به سمت شکاف ورودی هدایت می‌شود. بخش پلی کروماتور نور عبوری از نمونه را بر روی آرایه دیودی پراکنده می‌کند. هر دیود یک باند باریک از طیف را اندازه‌گیری می‌کند. بخش پلی کروماتور شامل شکاف ورودی و المان پاشنده است. از آن‌جا که موقعیت نسبی نمونه و المان پاشنده در مقایسه با اسپکتروفتومتر معمولی،‌ معکوس می‌شود؛ اغلب از این مدل به عنوان اپتیک معکوس یاد می‌شود.

مطالعه مقاله کاربرد طیف سنج در آنالیز آثار هنری

چیدمان داخلی اسپکتروفتومتر تک پرتو برای آرایه دیودی — **شکل ۲: اسپکتروفتومتر تک پرتوی آرایه دیودی**

پیکربندی اسپکتروفتومتر

اسپکتروفتومتر به دو صورت تک پرتو و دو پرتو ساخته می‌شود که در زیر به هر یک از این پیکربندی‌ها به صورت جداگانه پرداخته شده است.

اسپکتروفتومتر تک پرتو

هر دو اسپکتروفتومتر معمولی و آرایه دیودی به صورت تک پرتو طراحی می‌شوند. البته باید در نظر داشت که آرایه دیودی برای این طراحی مناسب‌تر است؛ زیرا طیف‌ها خیلی سریع به دست می‌آیند و فاصله زمانی که نمونه و رفرنس جابه‌جا می‌شود،‌ به حداقل می‌رسد. شکل ۳ سیستم نوری اسپکتروفتومتر تک پرتو را نشان می‌دهد. این سیستم شامل یک آرایه دیودی ۱۰۲۴ عنصری است. از شاتر برای به حداقل رساندن واکنش‌های فتوشیمیایی و برای جلوگیری از ورود نور به دستگاه حین تعویض رفرنس با نمونه استفاده می‌شود. با شروع اندازه‌گیری، شاتر به طور خودکار باز می‌شود و نور از رفرنس عبور می‌کند. زمانی که شخص رفرنس را با نمونه جابه‌جا می‌کند، شاتر بسته شده و بدین ترتیب از رسیدن نور به آشکارساز جلوگیری می‌کند.

اسپکتروفتومتر دو پرتو

شکل ۴، ساختار دستگاه اسپکتروفتومتر دو پرتو را نشان می‌دهد. در این طراحی نور ابتدا وارد مونوکروماتور شده و سپس به سمت چاپر هدایت می‌شود. چاپر مسیر نوری را بین نمونه و رفرنس سوئیچ می‌کند و با سرعتی می‌چرخد که اندازه‌گیری‌های بین نمونه و رفرنس چندین بار در ثانیه اتفاق می‌افتد.

نوعی دیگر از طیف سنج UV-VIS دو پرتوی معمولی وجود دارد که به آن طرح پرتو-اسپلیت گفته می‌شود. این مدل همانند اسپکتروفتومتر دو پرتو است با این تفاوت که به جای چاپر از اسپلیتر استفاده شده است. وقتی پرتو به اسپلیتر می‌رسد به دو باریکه تقسیم می‌شود. این باریکه‌ها هم‌زمان به نمونه و رفرنس می‌رسند (شکل ۵).

در شکل ۶ طراحی اسپکتروفتومتر دو پرتوی آرایه دیودی نشان داده شده است. دلیل اینکه در این مدل از دو عدد آشکارساز استفاده شده این است که هر یک از آشکارسازها بتوانند بازه وسیعی از طول موج‌ها را شناسایی کنند.

چیدمان داخلی اسپکتروفتومتر دو پرتو — **شکل ۶: اسپکتروفتومتر دو پرتو آرایه دیودی**

هر یک از اسپکتروفتومترها با توجه به ساختار و نحوه چیدمان اپتیکی دارای معایب و مزایایی هستند که در آکادمی طیف سنجی به آن‌ها پرداخته‌ایم. پیشنهاد می‌کنیم سایر مطالب ما را دنبال کنید.

مطالعه مقاله شناسایی خاک به کمک طیف سنجی

اندازه‌گیری یک طیف

میزان برهم‌کنش نور با ماده (انتقال یا جذب) با اندازه‌گیری شدت تابش فرودی I_۰ (بدون نمونه) و شدت نور انتقال یافته I (از نمونه) تعیین می‌شود. برای اندازه‌گیری طیف،‌ اسپکتروفتومتر به طور خودکار شدت نور عبوری از رفرنس با شدت نور عبوری از نمونه را مقایسه می‌کند و طیف جذبی و عبوری (در برخی موارد بازتابی) را محاسبه می‌کند. انتقال، کسری از نور است که از داخل نمونه عبور می‌کند و از رابطه زیر به دست می‌آید:

Transmittance (T) = I / I_۰

رابطه بین انتقال و جذب را می‌توان به شرح زیر نشان داد:

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

طبق قانون Beer-Lambert، رابطه بین جذب و غلظت نمونه، یک رابطه خطی است که به صورت زیر بیان می‌شود:

A= ɛlc

در رابطه بالا ɛ ضریب جذب، l طول مسیر نوری و c غلظت نمونه است.

جمع‌بندی

طیف سنج UV-VIS، دستگاهی است که میزان نور عبوری از داخل یک محلول را اندازه‌گیری می‌کند. به بیانی دیگر، برای اندازه‌گیری شدت امواج الکترومغناطیسی نسبت به طول موج‌های خاص (مرئی-فرابنفش) مورد استفاده قرار می‌گیرد. طیف سنج یووی-ویز، در دو نوع معمولی و آرایه دیودی ساخته می‌شود. در نوع معمولی، نور ابتدا توسط المان پاشنده تجزیه می‌شود و سپس با نمونه برخورد می‌کند؛ اما در مدل آرایه دیودی، نور از نمونه عبور کرده و پس از آن توسط توری پراش (یا منشور) پراکنده می‌شود و در نهایت به سمت آشکارساز هدایت می‌شود. اسپکتروفتومتر بر اساس چیدمان اپتیکی به دو دسته تقسیم می‌شود: تک پرتو و دو پرتو. در مدل تک پرتو، نور یک بار از رفرنس عبور می‌کند. پس از آن رفرنس برداشته شده و نمونه در آن جایگاه قرار می‌گیرد. این بار نور از داخل نمونه عبور می‌کند و اندازه گیری‌ها صورت می‌گیرد. در نهایت شدت نور عبوری از رفرنس با شدت نور عبوری از نمونه مقایسه می‌شود و میزان جذب به دست می‌آید. در اسپکتروفتومتر دو پرتو نور به دو پرتو شکافته می‌شود و همزمان از دو مسیر مجزا عبور می‌کند. یک پرتو از نمونه و پرتو دیگر از رفرنس عبور می‌کند. در نهایت میزان جذب محاسبه می‌شود. در صورت تمایل به کسب اطلاعات بیشتر از جزئیات عملکرد اسپکتروفتومترهای تک و دو پرتو با کارشناسان ما تماس بگیرید. نمونه دیگری از سیستم‌های اسپکتروفتومتر را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید. مشاهده این صفحه می‌تواند اطلاعات شما را در زمینه اسپکتروفتومتری افزایش دهد.