ساخت دستگاه اسپکتروفتومتر

ساخت دستگاه اسپکتروفتومتر

اشتراک گذاری در email
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در whatsapp
مطمئنا وقتی با اسپکتروفتومتر در حال طیف‌گیری هستید، به این فکر کرده‌اید که این دستگاه از چه اجزایی ساخته شده و هر یک از این المان‌ها چه کاری انجام می‌دهند. ما اینجا هستیم تا به این نوع از سوال‌های شما پاسخ دهیم. در این دانشنامه اجزای تشکیل دهنده یک اسپکتروفتومتر را در حالت کلی بررسی کرده‌ و عملکرد هر کدام را جداگانه توضیح داده‌ایم. پس در این مطلب همراه ما باشید.
اجزا اصلی دستگاه اسپکتروفتومتر

فهرست مطالب

اسپکتروفتومتر دستگاهی است که میزان جذب یا انتقال نور از داخل نمونه را به عنوان تابعی از طول ‌موج اندازه‌گیری می‌کند. اجزای اصلی طیف‌سنج UV-VIS‌ عبارتند از:

  1. منبع نوری با گستره طول‌موجی وسیع
  2. المان پاشنده
  3. محل قرارگیری نمونه
  4. یک یا چند آشکارساز برای اندازه‌گیری شدت نور
  5. سایر المان‌های اپتیکی مانند آینه‌ها یا لنزها

حالا که با اجزای اصلی اسپکتروفتومتر آشنا شدید به بررسی هر یک از این اجزا می‌پردازیم.

اسپکتروفتومتر دو پرتو
اسپکتروفتومتر دستگاهی است که میزان جذب یا انتقال نور از داخل نمونه را به عنوان تابعی از طول ‌موج اندازه‌گیری می‌کند.
شکل ۱: اسپکتروفتومتر دو پرتو لنا

منبع نوری

منبع نور ایده‌آل منبعی است که در تمامی طول‌موج‌ها یک شدت ثابت داشته باشد. همچنین در طولانی مدت دارای پایداری و نویز کم باشد. اما متأسفانه چنین منبعی وجود ندارد. در اسپکتروفتومتر UV-VIS، عموما از دو منبع نوری استفاده می‌شود: لامپ قوس دوتریوم (که به منظور سادگی به آن لامپ دوتریوم می‌گوییم) و لامپ تنگستن-هالوژن.

  • لامپ قوس دوتریوم (deuterium arc lamp)

این منبع در ناحیه فرابنفش و مرئی پیوستگی شدت خوبی دارد. نمودار شدت بر حسب طول موج لامپ دوتریوم در شکل ۲ نشان داده شده است. درست است که این لامپ‌ها نویز کمی دارند؛ اما همین نویز کم نیز روی عملکرد دستگاه اسپکتروفتومتر اثر می‌گذارد. با گذشت زمان شدت نور لامپ دوتریوم به طور پیوسته کاهش می‌یابد. طول نیمه عمر این منابع (مدت زمانی که شدت لامپ، به نصف مقدار اولیه خود کاهش می‌یابد) به طور متوسط در حدود ۱۰۰۰ ساعت است.

نمایش شدت لامپ دوتریوم بر حسب طول موج
شکل ۲: شدت لامپ قوس دوتریوم بر حسب طول‌موج
  • لامپ تنگستن-هالوژن

لامپ تنگستن-هالوژن، دارای شدت خوبی در ناحیه فرابنفش و مرئی است (شکل۳). این نوع لامپ‌ها نویز و رانش (Drift) کمی دارند. طول عمر مفید این منابع نوری به ده هزار ساعت می‌رسد.

نمایش شدت لامپ هالوژن بر حسب طول موج
شکل ۳: شدت لامپ تنگستن-هالوژن برحسب طول‌موج

در بیشتر اسپکتروفتومترها برای اندازه‌گیری در محدوده UV-VIS، از هر دو لامپ استفاده می‌شود. در چنین دستگاه‌هایی دو حالت وجود دارد. در حالت اول نور دو منبع با یکدیگر ادغام شده و یک نور با باند پهن تشکیل می‌‌شود. حالت بعدی این است که از یک سویچ برای انتخاب لامپ‌ها استفاده می‌گردد. لامپ تنگستن-هالوژن در ناحیه مرئی شدت بیشتر و پایداری دارد. در مقابل، شدت لامپ دوتریوم در ناحیه فرابنفش بیشتر و پایدارتر است. می‌توان گفت این دو لامپ مکمل یکدیگرند. به همین دلیل در اسپکتروفتومترها از ترکیب این لامپ‌ها استفاده می‌شود.

لامپ زنون، یک منبع نوری جایگزین است که شدت آن در کل محدوده مرئی-فرابنفش پیوسته است. مشکلی که در رابطه با لامپ زنون وجود دارد نویز بالای آن نسبت به لامپ‌های دوتریوم و تنگستن-هالوژن است. در نتیجه این لامپ برای ساخت دستگاه اسپکتروفتومتر توصیه نمی‌شود.

المان پاشنده

المان‌های پاشنده، طول‌موج‌های مختلف نور را در زوایای مختلف پراکنده می‌کنند. هنگامی که نور از محلول نمونه عبور می‌کند، با این المان برخورد کرده و به مؤلفه‌های تشکیل دهنده‌اش تجزیه می‌شود. همچنین می‌توان از این روش برای انتخاب یک طول‌موج خاص نیز استفاده کرد. در طیف‌ سنج‌ های مرئی-فرابنفش از دو نوع المان پاشنده استفاده می‌شود. اصولا این المان‌ها منشور و توری هولوگرافی هستند.

منشور ساده و ارزان است. اما زوایای پراکندگی به دما حساس هستند. به عبارتی با افزایش یا کاهش دما ضریب شکست منشور نیز تغییر می‌کند. با عوض شدن ضریب شکست، زاویه‌ای که نور پراکنده می‌شود هم دچار تغییر می‌شود. از این رو کالیبراسیون دستگاه به هم می‌ریزد. به همین دلیل در بیشتر اسپکتروفتومترهای مدرن به جای منشور از توری هولوگرافی استفاده می‌شود. این توری‌ها از شیشه ساخته شده‌اند. به طوری که بر روی آن‌ شیارهای بسیار باریکی حک شده است. در گذشته این شیارها به صورت مکانیکی ایجاد می‌شدند، امروزه این هولوگرافی‌ها طی یک فرایند نوری تولید می‌شود. فاصله شیارها باید از طول موج مورد نظر بیشتر باشد. در غیر این صورت توری نمی‌تواند نور را تجزیه کند. یک پوشش آلومینیومی روی سطح شیشه، جهت بازتاب طول‌موج‌ها اعمال می‌شود.

توری‌های هولوگرافی بر خلاف منشورها نسبت به دما حساس نیستند. در این توری‌ها طول‌موج‌های مختلف بعد از پراکندگی هم‌پوشانی دارند. برای رفع این مشکل از توری‌های مقعر استفاده می‌‌کنند (شکل ۴ ب).

مقایسه منشور و توری در پراکندگی
شکل ۴: الف) منشور، ب) توری هولوگرافی

آشکارساز

آشکارساز در واقع سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. در حالت ایده‌آل یک آشکارساز باید نویز کم، حساسیت بالا و پاسخ خطی در محدوده وسیع داشته باشد. در اسپکتروفتومترها، به طور معمول از آشکارساز فوتومولتی پلایر (PMT)، آشکارساز فوتودیودی یا آشکارساز های چند کاناله استفاده می‌شود. در ادامه به هر یک از این آشکارسازها پرداخته‌ایم.

آشکارسازهای PMT

از آشکارسازهای PMT‌ معمولا در جایی استفاده می‌شود که شدت نور کم است. در PMTها از یک کاتد حساس به نور استفاده می‌شود. ابتدا فوتون با فوتوکاتد برخورد می‌کند و در اثر پدیده فوتوالکتریک، الکترون آزاد می‌شود. در طول تیوب PMT از چند داینود استفاده شده است. در اثر برخورد هر الکترون با این داینودها، چندین الکترون از آن‌ها ساطع می‌شود. به همین ترتیب، تعداد الکترون‌ها با برخورد به این داینودها افزایش می‌یابد (شکل ۵). اگر در یک آشکارساز PMT‌ از ۹ عدد داینود استفاده شود، شدت نور به اندازه ۱۰۶ بار تقویت می‌شود. این ‌آشکارسازها در سطح نور کم، دارای حساسیت بالایی هستند. علاوه بر این در کل محدوده UV-VIS نیز از حساسیت بالایی برخوردارند.

آشکارسازهای PMT
شکل ۵: آشکار PMT. تعداد الکترون‌ها در هر بار برخورد با داینودها، افزایش می‌یابد.

امروزه به طور فزاینده‌ای از آشکارسازهای فوتودیودی در اسپکتروفتومترها استفاده می‌شود. این آشکارسازها دارای دامنه دینامیکی وسیع‌تری هستند و نسبت به آشکارسازهای PMT قدرت بیشتری دارند. این آشکارسازها از مواد مختلفی از جمله سیلیکون، ژرمانیوم و ایندیوم گالیوم آرسنید ساخته می‌شوند.

آشکارسازهای Photodiode

در شکل ۶ یک فوتودیود معمولی نشان داده شده است. فوتودیود یک دستگاه نیمه هادی با اتصال P-N است که فوتون‌ها (نور) را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. لایه P دارای حفره و لایه N دارای الکترون است. حرکت الکترون‌ها از ناحیه نوع N به ناحیه نوع P  و حرکت حفره‌ها از ناحیه نوع P به سمت ناحیه نوع N، سبب ایجاد ناحیه تخلیه می‌شود. در این ناحیه به دلیل حرکت الکترون‌ها و حفره‌ها، یک ولتاژ داخلی در محل پیوند و در پی آن یک میدان قوی به وجود می‌آید. اگر ولتاژ معکوس به این سیستم اعمال شود، ناحیه تخلیه بزرگ‌تر می‌شود. حال یک فوتون را در نظر بگیرید که با این آشکارساز برخورد می‌کند. اگر فوتون انرژی کافی داشته باشد در ناحیه تخلیه یک جفت الکترون-حفره آزاد می‌کند. با توجه به این‌ که در این ناحیه یک میدان قوی ایجاد شده، الکترون‌ها و حفره‌ها در جهت‌ مخالف هم به حرکت درمی‌آیند. الکترون‌ها به سمت پتانسیل مثبت (کاتد) و حفره‌ها به سمت پتانسیل منفی (آند) جریان پیدا می‌کنند. این حامل‌های بار متحرک، جریان را در فوتودیود به وجود می‌آورند که به آن جریان فوتوکارنت (photocurrent) می‌گویند. جریان تولید شده با توان نور تابشی متناسب است. فوتودیودهای قدیمی در ناحیه UV حساسیت کمی داشتند اما این مشکل در آشکارسازهای مدرن اصلاح شده است. محدوده تشخیص برای این فتودیودهای سیلیکونی، تقریبا ۱۷۰ تا ۱۱۰۰ نانومتر است.

آشکارسازهای Photodiode
شکل ۶: سطح مقطع فوتودیود نوع P-N

در برخی از اسپکتروفتومترهای مدرن به جای یک آشکارساز، از چند فتودیودها استفاده می‌شود. فوتودیودها به صورت سری، در کنار هم، روی یک بلور سیلیکونی قرار می‌گیرند.

آشکارسازهای CCD

مشهورترین آشکارسازهای چند کاناله برای طیف‌سنجی، آشکارسازهای CCD (Charge Coupled Devices) هستند. CCDها پیکسل‌هایی از جنس سیلیکون هستند که به صورت مستطیل شکلی کنار هم قرار گرفته‌اند. اساس کار این ابزارها پدیده فتوالکتریک است. فوتون‌‌ها ابتدا با سطح صفحه سیلیکونی برخورد می کنند. سپس طبق پدیده فتوالکتریک، الکترون‌‌های آزاد تولید می‌شوند. خازن‌های ویفری برای جمع کردن بارهای آزاد شده به این صفحات سیلیکونی متصل می شوند. نور ورودی توسط شاتر کنترل می گردد. با باز شدن شاتر، نور بر سطح سیلیکونی می‌تابد. تا زمانی که شاتر باز است، الکترون های بیشتری از سطح سیلیکون آزاد می‌شوند. با بسته شدن شاتر این فرایند خاتمه می‌یابد. ولتاژ خازن نشان دهنده تعداد الکترون‌هایی است که توسط خازن جمع گردیده است. این اطلاعات در مراحل بعدی به کامپیوتر منتقل می‌شود. کل این ساختار یک پیکسل را تشکیل می‌دهد. CCDها از هزاران پیکسل به صورت آرایه‌ای تشکیل شده‌اند. CCD ها برای اندازه گیری نور بسیار کم، حساس هستند. این آشکارسازها ناحیه بین فرابنفش نزدیک تا مادون قرمز نزدیک را پوشش می دهند.

این آشکارسازها نسبت به آشکارسازهای دیگر گران‌تر است. اما حساسیت بالا به نور، سرعت بالای پردازش، نویز کم و دوام بالا از مزایای استفاده از CCDها است. در اسپکتروفتوترهای لنا (ساخت تکسان) از این آشکارسازها استفاده شده است.

المان‌های اپتیکی

از المان‌های اپتکی مانند لنزها و آینه‌ها برای هدایت و متمرکز کردن نور در اسپکتروفتومترها استفاده می‌شود. لنزهای ساده، ارزان هستند اما دارای ابیراهی رنگی هستند. به عبارتی طول‌موج‌های مختلف دقیقا در یک نقطه از فضا متمرکز نمی‌شوند. با این حال می‌توان این ابیراهی را با طراحی دقیق اصلاح کرد و در ساخت اسپکتروفتومترها از آن‌ استفاده نمود.لنزهای آکروماتیک (achromatic)، از ترکیب چند لنز ساخته می‌شوند. این لنزها دارای شیشه‌های مختلف‌ با ضریب شکست‌های متفاوتی هستند. ترکیب آن‌ها موجب از بین رفتن ابیراهی رنگی می‌شود (معمولا در دوربین‌های عکاسی به کار می‌روند). این نوع لنزها عملکرد بسیار خوبی دارند اما قیمت آنها بسیار گران است.

ساخت آینه‌های مقعر نسبت به لنزهای آکروماتیک، هزینه کمتری دارد. علاوه بر این، آینه‌ها ابیراهی رنگی ندارند. اما چون سطح آن‌ها با آلومینیوم پوشانده (coat) شده است، به مرور زمان کارایی خود را از دست می‌دهند. به دلیل این که پوشش آلومینیومی به راحتی خورده می‌شود.

۵-۱۰ درصد نور در هر سطح المان اپتیکی، از طریق جذب و یا بازتاب از بین می‌رود. بنابراین در طراحی اسپکتروفتومترها تا حد امکان سعی می‌شود که از المان‌های نوری کمتری استفاده شود. در ساخت اسپکتروفتومترهای شرکت تکسان نیز از این اصل استفاده شده است.

تا اینجا اجزای اصلی اسپکتروفتومتر را معرفی کردیم. بسته به نوع اسپکتروفتومتر (تک پرتو و دو پرتو)، نحوه چیدمان این اجزا متفاوت است و چند اجزای دیگر به اجزای اصلی افزوده می‌شود.

نمای کلی اسپکتروفتومتر سینگل بیم
شکل ۷: اسپکتروفتومتر تک پرتو، ساخت شرکت تکسان

ساختار یک اسپکتروفتومتر تک پرتو را در نظر بگیرید (شکل ۸). علاوه بر منبع نور، محل قرارگیری نمونه، المان‌های اپتیکی، توری و آشکارساز از المان‌های دیگری هستند که در پیکربندی از آن استفاده می‌شود. یکی از این المان‌ها، شکاف (Slit) است. عرض شکاف، یکی از مهم‌تربن پارامترهایی است که در ساخت اسپکتروفتومتر به کار می‌رود. این المان علاوه بر وضوح طیفی،‌ میزان انرژی نور تابشی به نمونه را نیز کنترل می‌کند. بنابراین میزان نویز به طور قابل توجهی تحت تأثیر عرض شکاف قرار می‌گیرد. هرچه عرض شکاف بیشتر باشد،‌ نویز و به دنبال آن وضوح طیفی در سیستم کاهش می‌یابد. از طرفی هرچه عرض این شکاف کوچک‌تر باشد، نویز و به دنبال آن وضوح طیفی نیز افزایش می‌یابد. به همین دلیل اندازه شکاف باید بهینه باشد.

المان دیگری که در ساختار اسپکتروفتومتر می‌توان یافت، شاتر است. از شاتر برای به حداقل رساندن واکنش‌های فتوشیمیایی و جلوگیری از ورود نور به دستگاه، حین تعویض رفرنس با نمونه استفاده می‌شود. با شروع اندازه‌گیری شاتر به طور خودکار باز شده و نور از رفرنس عبور می‌کند. زمانی که کاربر رفرنس را با نمونه جابه‌جا می‌کند، شاتر بسته می‌شود. در نتیجه از رسیدن نور به آشکارساز جلوگیری می‌شود.

ساختار یک اسپکتروفتومتر تک پرتو
شکل ۸: پیکربندی اسپکتروفتومتر تک پرتو

شکل ۹ ساختار اسپکتروفتومتر دو پرتو را نشان می‌دهد. در این دستگاه علاوه بر شکاف، از چاپر (به جای شاتر در اسپکتروفتومتر تک پرتو) نیز استفاده شده است. با توجه به این که این طیف‌سنج به صورت دو پرتو است، از شاتر استفاده نمی‌شود. 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.

در اسپکتروفتومترهای دو پرتو نمونه و مرجع به طور هم‌زمان مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند. همین امر موجب پایداری سیستم طیف گیری می‌شود. در واقع این مدل اسپکتروفتومتر برای جبران تغییرات شدت منبع نور، بین اندازه‌گیری نمونه و مرجع ساخته شده است.

ساختار اسپکتروفتومتر دو پرتو
شکل ۹: ساختار اسپکتروفتومتر دو پرتو

جمع‌بندی

اسپکتروفتومتر دستگاهی است که میزان جذب یا عبور نور از نمونه را محاسبه می‌کند. از ۵ جزء اصلی تشکیل شده است. این اجزا عبارتند از: منبع نور، محل قرارگیری نمونه، المان‌های اپتیکی، توری و آشکارساز. البته باید افزود که شکاف هم یکی از المان‌های مهم به کار رفته در اسپکتروفتومتر است. علاوه بر این‌ موارد ابزارهای دیگری نیز با توجه به پیکربندی اسپکتروفتومتر در ساخت آن به کار می‌روند. به طور مثال در اسپکتروفتومتر تک پرتو از شاتر برای کنترل نور استفاده می‌شود. در اسپکتروفتومتر دو پرتو، ابزاری به اسم چاپر نور را بین نمونه و رفرنس سوئیچ می‌کند. برای اطلاعات بیشتر در مورد مشخصات فنی اسپکتروفتومترهای تک پرتو و دو پرتو، روی هر یک از آن‌ها کلیک کنید.

منابع

  1. https://kutt.it/lxn6P2
  2. https://kutt.it/RwhlXe
  3. https://kutt.it/bqVRqz
  4. https://kutt.it/hui6e3
  5. https://kutt.it/VgvhO6
Nullam ut non Praesent ipsum ut Curabitur quis