اسپکتروفتومتر چیست؟

اسپکتروفتومتر یا طیف سنچ دستگاهی است که شدت نور را به صورت تابعی از طول موج اندازه گیری می کند. این دستگاه روش تجزیه دستگاهی است که در آن تابش الکترومغناطیسی در ناحیه مرئی و ماورابنفش جذب ماده می شود و از روی شدت جذب مقدار ماده تعیین می شود. منبع تابش نورسفید بر روی نمونه گازی، جامد یا مایع است و تجزیه گر منشور یا شبکه است.

در این روش با استفاده از میزان جذب نور تعیین غلظت می کند. با  استفاده از این وسیله امکان اندازه گیری نمونه های فوق العاده کوچک را دارد که از آن برای تجزیه و تحلیل عناصر مولکولی مانند دی ان ای و آر ان ای استفاده می شود.

اسپکتروفتومتر دستگاه پیچیده ای است که شدت نور را به صورت تابعی از طول موج اندازه گیری می کند.

چهار بخش اصلی اسپکتروفتومتر شامل منبع نور، نمونه، آشکارساز و مفسر می باشد. اسپکتروفتومتری روشی برای اندازه گیری این است که چه مقدار ماده شیمیایی نور را جذب می کند با سنجش شدت نور چون پرتو نور از طریق محلول نمونه عبور می کند. این مفهومی کلیدی است که هر ترکیبی نور را از طریق طیف معینی از طول موج جذب یا پراکنده می شوند.

این اندازه گیری برای سنجش میزان ماده شناخته شده به کار می رود. اسپکتروفتومتری یکی از مفیدترین روش های آنالیز کیفی در زمینه های مختلف مانند شیمی، فیزیک، بیوشیمی، مهندسی مواد، مهندسی شیمی و کاربردهای شیمیایی است.

اسپکتوفتومتر وسیله ای برای اندازه گیری میزان فوتون های (شدت نور) جذب شده است بعد از اینکه از محلول ساده رد می شود. با اسپکتوفتومتر میزان شناخته شده ای از ماده شیمیایی (غلظت) با سنجش شدت نور یافت شده تعیین می شود.

بسته به طیف طول موج منبع نوری می تواند در دو دسته طبقه بندی شوند: اسپکتوفتومتر یو وی (UV) از نور در طیف فرابنفش (۱۸۵ تا ۴۰۰نانومتر) و طیف نور مریی (۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر) در طیف تششع الکترومغناطیسی استفاده می کند .

اسپکتوفتومتر IR از طیف نور مادون قرمز (۷۰۰ تا ۱۵۰۰۰ نانومتر) در طیف تششع الکترومغناطیسی استفاده می کند. در اسپکتوفتومتری مریی، جذب یا انتقال ماده می تواند به وسیله رنگ مشاهده شده تعیین شود. برای نمونه محلولی که نور را در بالاتر از طیف مریی است و هیچ طول موج مریی را عبور نمی دهد به طور تئوری به رنگ سیاه است. از سویی دیگر اگر همه طول مرئی را عبور دهد و هیچ نوری را جذب نمی کند نمونه محلول به رنگ سفید است. اگر نمونه محلول رنگ قرمز را جذب کند برابر با ۷۰۰ نانومتر به رنگ سبز ظاهر می شود چون سبز رنگ مکمل قرمز است. اسپکتوفتومتر های مریی در عمل از منشوری برای خرد کردن طیف معینی از طول موج استفاده می کنند (فیلتر امواج نوری دیگر) به همین دلیل شعاع ویژه ای از نور از طریق نمونه محلول عبور می کند.

 اجزا دستگاه اسپکتروفتومتر

شش قسمت اصلی در ساختمان اسپکتروفتومترها وجود دارد که عبارت است از:

۱.منبع نور (Light Source)
۲.تکفام ساز (Monochromator)
۳.متمرکز کننده پرتو (Focusing Device)
۴.محل نمونه (Cuvet)
۵.آشکارساز (Detector)
۶.دستگاه نمایش خروجی (Display Device)

منبع نور (Light Source): منبع نور در اثر افزایش حرارت به کمک الکتریسیته در یک لامپ تأمین می‌شود. شرایط اصلی این منبع، شدت کافی، پایداری و پیوستگی اجزای آن است. برای تامین نور مرئی به منظور اندازه‌گیری، محلول‌های نسبتا رقیقی که تغییر در شدت رنگشان متناسب با تغییر در غلظتشان است، معمولا از لامپ‌های تنگستن با طول موج تولیدی بین nm 900-330 استفاده میشود.

تکفام ساز :(Monochromator) این قسمت از دستگاه پرتو چند فام را به پرتو تکفام تبدیل می‌کند. این عمل ممکن است توسط منشور یا سیستم گریتینگ انجام شود. فیلترها شیشه‌های رنگی است که بخش وسیعی از پرتوها را جذب کرده و فقط طول موج‌های محدودی را عبور می‌دهد.

متمرکز کننده پرتو (Focusing Device): با ترکیبی از عدسی‌ها، شکاف بین دو تیغه باریک فلزی و آئینه‌ها در مسیر پرتو تابش، پرتوها موازی می‌شود و با تنظیم عرض شکاف می‌توان عرض پرتو را تنظیم کرد. هر چقدر عرض شکاف نور به کار رفته

کمتر باشد، کیفیت پرتوها بهتر خواهد بود.

محل نمونه (Cuvet): کووت‌ها قسمتی از دستگاه است که نمونه مورد نظر یا بلانک در آن قرار می‌گیرد. این بخش معمولا به صورت استوانه یا مستطیل بوده و از شیشه، کوارتز یا پلاستیک ساخته می‌شود. کووت‌های پلاستیکی و شیشه‌ای برای محدوده مرئی به کار می‌روند.

آشکارساز (Detector): دستگاه‌هایی است که یک نوع از انرژی را به نوع دیگری تبدیل می‌کند و معمولا به سه گروه اصلی تقسیم می‌شود : ۱- فتوالکتریک، ۲ – فتوشیمیایی ۳ – حرارتی. در دستگاه‌های اسپکتروفتومتر از آشکارسازهای فتوالکتریک استفاده می‌شود. فتوسل و فتو تیوب از ساده‌ترین آشکارسازها است. فتو ترانزیستورها و فتودیودها نیز برای این منظور استفاده می‌شود.

دستگاه نمایش خروجی =(Display Device) : این قسمت، می‌تواند یک گالوانومتر، صفحه ثبات، اسیلسکوپ یا صفحه نمایشگرکامپیوتر با نرم افزارهای متنوع باشد.

عملکرد دستگاه اسپکتروفتومتر

مسیر نور : در حال حاضر دو منبع نور UV و VIS برای اسپکتروفتومتر وجود دارد. متداول ترین منبع نور برای تولید نور مرئی یک لامپ هالوژن تنگستن با طول موج بین ۲۰۰ و ۳۴۰ نانومتر است. نور از میان نمونه عبور کرده و از طریق شکافی وارد اسپکتروفتومتر می شود. شکاف نازک باعث پراکنده شدن نور و پخش به خارج می شود، از آنجا که دستگاه ها تنها یک باریکه نور دارند، در بیشتر موارد طول موج پرتو خوانده شده از نمونه دستخوش تغییر واقع می شود و برای اصلاح این امر از آینه های مقعر استفاده می شود. بدین ترتیب که نور توسط آینه های مقعر به شبکه پراکنده کننده منعکس شده و دوباره به آینه مقعر دیگری منعکس می شود. این آینه کانونی نور را به سمت آشکارساز متمرکز می کند.

آینه هایی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند به سه دسته تقسیم می شوند.

اولین دسته از شیشه ساخته شده و برای خواندن جذب در طول موج های UV بیشتر از ۳۴۰ نانومتر استفاده می شود.

دسته دوم از سیلیس گداخته یا کوارتز ساخته شده و به علت شفافیت بسیار زیاد می تواند در اندازه گیری جذب طیف های UV و VIS (800-200 نانومتر) استفاده شود .

نوع سوم آینه های یک بار مصرف است که انواع مختلفی دارد.

یک نمونه از آن از پلی متا اکریلیت بوده و تنها برای اندازه گیری طول موج های ۲۸۰ تا ۸۰۰ نانومتر استفاده می شود.

طبق آخرین تحقیقات آزمایشگاهی، منبع UV می تواند لامپ هیدروژنی فشار بالا یا لامپ دوتریوم باشد. هنگامی که میزان جذب در طیف UV اندازه گیری می شود، لامپ دیگر خاموش می شود و زمانی که اندازه گیری جذب در نور مرئی انجام می شود برعکس این مساله اتفاق می افتد که دلیل این امر جلوگیری از تداخل طول موج های غیر ضروری در نور منتشر شده از نمونه است.

آشکار ساز : در انتهای مسیر نور، آشکارساز وجود دارد که وظیفه آن اندازه گیری شدت نور تابیده شده از آینه ها و انتقال اطلاعات به کنتوری است که آنها را ثبت و مقدار را بر روی LCD به اپراتور نمایش دهد. امروزه دو نوع آشکارساز در اسپکتروفتومتر UV / VIS متداول است :

فتوتیوب و فتومالتی پلایر تیوب

فتوتیوب یا فتوسل با تولید یک جریان الکتریکی عمل می کند. وقتی یک فوتون به کاتد سلول ضربه بزند، الکترون به سمت آند رانده شده و بدین ترتیب جریان الکترونی به وجود می آید که مقدار آن به میزان انرژی فوتون بستگی دارد.

تیوب فتومالتی پلایر که بسیار حساس تر است به قانون اثر فتوالکتریک پلانک استناد دارد. فوتون ها به سطح حساس تیوب ضربه زده و الکترون های اولیه را به حرکت در می آورند، با برخورد این الکترون ها با سطح بعدی الکترون های ثانویه نیز رها می شوند. این روال به همین ترتیب ادامه پیدا می کند تا به آند برسند و جریان الکتریکی راه بیفتد. جریان تولید شده چندین بار تقویت می شود تا بتواند انرژی بسیار پایین یک فوتون را آشکار سازی و ثبت کند.

دستگاه باردار (CCD) : آشکارساز در بیشتر اسپکتروفتومتر ها یک دستگاه باردار خطی(CCD) است. CCD نوعی سنسور است که نور را حس می کند و از مدار های مجتمعی مشتمل بر جفت خازن های کوپل شده حساس به نور تشکیل شده است. این خازن ها شدت نور دریافتی را حس کرده و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. آشکار ساز خطی CCD مشابه دامنه طول موج ها در اسپکتروفتومتر دستی است. هر پیکسل در CCD نشان دهنده طول موج خاصی از نور است و فوتون های جذب شده بیشتر، سیگنال های الکتریکی بیشتری تولید می کند. بنابراین سیگنال های الکتریکی خروجی CCD در هر پیکسل، برابر نسبت شدت نور در طول موج متناظر است.

مفسر: اسپکتروفتومتر ها می توانند خروجی خود را به صورت های مختلف نمایش دهند، اما متداول تر است که آن را به کامپیوتر وصل کرده و برای آنالیز داده ها از نرم افزار استفاده کنند و آن را به صورت قابل کاربردی مانند نموداری از مقدار عبور یا مقدار جذب برحسب طول موج نمایش می دهند.

انواع دیگر اسپکتروفتومتر ها

تک پرتو و دو پرتو

اسپکتروفتومتر ها به دو دسته تقسیم می شوند : تک پرتو و دو پرتو.

اسپکتروفتومتر های تک پرتو اولین نسل اسپکتروفتومتر ها بوده و تمام نور از بین نمونه عبور می کند، در این نوع برای اندازه گیری شدت نور تابشی باید به این نکته توجه داشت. این اسپکتروفتومتر ها ارزان هستند چرا که بخش های کمتری داشته و سیستم آنها پیچیدگی کمتری دارند.

نسل جدید اسپکتروفتومتر ها نوع دو پرتو است. در این نوع نور قبل از این که به نمونه برسد به دو پرتو مجزا تفکیک می شود که این مسئله یک امتیاز تلقی می شود زیرا خواندن منبع و نمونه به طور همزمان انجام می شود. در برخی از اسپکتروفتومتر های دو پرتو، دو آشکارساز وجود دارد بدین ترتیب امکان اندازه گیری همزمان پرتو های نمونه و مرجع فراهم می شود. سایر اسپکتروفتومتر های دو پرتو، که تنها یک آشکارساز دارند از برشگر پرتو استفاده می کنند که این وسیله در هر لحظه یک پرتو را سد کرده و آشکارساز اندازه گیری پرتو نمونه و مرجع را به صورت یک در میان انجام می دهد.

نور مرئی

محدوده نور مرئی حدود ۷۰۰-۴۰۰ نانومتر است. اسپکتروفتومتر های ناحیه مرئی دقت و صحت متغیری دارند. برخی از آنها آشکارساز CCD با پیکسل های کافی برای قرائت هر nm10 را دارند، در حالیکه برخی دیگر می توانند در هر نانومتر چندین قرائت انجام دهند. این اسپکتروفتومتر ها می توانند از منابع نور سیمابی، هالوژن، LED یا ترکیبی از این منابع مثل LED تقویت شده با رشته های تنگستن استفاده کنند.

نور ماورا بنفش

اسپکتروفتومتر هایUV علاوه بر اینکه در طیف سنجی مایعات بسیار متداول است، برای گاز ها و همچنین جامدات نیز استفاده می شود. نمونه را در محفظه مستطیلی مخصوص که معمولا یک سانتیمتر پهنا دارد قرار می دهند. این محفظه که کاوت(Cuvvette) نامیده می شود می تواند شکل پلاستیک، شیشه یا کوارتز داشته باشد. پلاستیک و شیشه، UV را جذب می کنند از اینرو تنها می توان آنها را برای اسپکتروفتومتر های نور مرئی استفاده کرد.

نور مادون قرمز

اسپکتروفتومتر مادون قرمز در شناسایی مولکولی و ارتعاشات وابسته به ساختار آن استفاده می شود. ساختار های شیمیایی متفاوت، به دلیل تفاوت در انرژی های مربوط به هر طول موج، راه های مختلفی در پاسخ به طول موج های مختلف دارند. به عنوان مثال مادون قرمز های برد متوسط، تمایل به لرزش دورانی دارند، در حالیکه مادون قرمز نزدیک(با انرژی بالا) تمایل به لرزش هارمونیک مولکولی مانند جنبش دارد. در اسپکتروفتومتر های IR متداول یک پرتو مادون قرمز مستقیما به نمونه می تابد و تمام طول موج های طیف نسبت به پرتو مرجع اندازه گیری می شود. به منظور تولید طیفی با کیفیت بالا، باید پهنای طیف ورودی به آرامی اسکن شود. اسپکتروسکوپی IR با روش بسط تبدیل فوریه اصلاح می شود. قلب اسپکتروفتومتر های IR، تداخل سنج میشلسون است که در شکل ۳ نشان داده شده است. نور تابش شده از منبع IR به سمت سلول های نمونه هدایت می شود. نیمی از پرتو تابشی از آینه ثابت باز تابیده شده و نیم دیگر آن از آینه ای که مرتبا در فاصله ای حدود ۵/۲ میکرومتر حرکت می کند منعکس می شود. هنگامی که دوباره دو پرتو در آشکارساز با هم ترکیب می شوند و تداخل به وجود می آید، حدود دو ثانیه یک اسکن از فاصله ورودی گرفته شده و در کامپیوتر ذخیره می شود. به همین ترتیب چندین اسکن دیگر نیز به طور همزمان به آن اضافه می شود. با توجه به نوسانات و ارتعاشات حرارتی در آزمایشگاه بدیهی است که این امر ناممکن است. پس به منظور حل این مشکل از لیزر هلیم-نئون برای تاباندن به تداخل سنج میشلسون استفاده می شود و تداخل لیزر به عنوان فرکانس مرجع به کار گرفته می شود. کارائی FTIR از دستگاه های معمولی بیشتر است که می توان تنها با مقدار کمی از نمونه و در زمانی کوتاه به طیفی عالی دست یافت.

نکات نصب دستگاه اسپکتروفتومتر

در هنگام نصب دستگاه اسپکتروفتومتر باید به نکات زیر توجه داشت :

۱- اسپکتروفتومتر باید روی سطحی سفت و در محیطی خشک و تمیز نصب شود.

۲- به جهت امکان جریان هوا در اطراف اسپکتروفتومتر، باید بین دستگاه و دیوار های اطراف ۵۰ میلیمتر فاصله باشد.

۳- کابل برق دستگاه به پریز گراند شده با ولتاژ مناسب وصل شود.

۴- پس از اتصال آداپتور AC به برق، خروجی آن باید به گونه ای به دستگاه وصل شود که منبع ذخیره DC در مسیر آن قرار گیرد.

۵- در صورتی که خود دستگاه فاقد پرینتر است، باید از طریق پورت مخصوص آن را به پرینتر وصل کرد.

۶- پس از روشن کردن دستگاه مدتی صبر کرده تا دستگاه گرم شده و به پایداری حرارتی و الکترونیکی برسد.

جهت استعلام قیمت و مشاوره فرم زیر را تکمیل نمایید تا کارشناس مربوطه در اسرع وقت با شما تماس بگیرد.