اسپکتروفتومتری

اسپکتروفتومتری

اشتراک گذاری در email
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در whatsapp
اسپکتروفتومتری روشی است که نشان می دهد یک ماده شیمیایی چه مقدار از نور را جذب کرده است. این کار را از طریق اندازه گیری شدت نوری که از نمونه محلول می گذرد، انجام می دهد. همچنین می تواند برای اندازه گیری غلظت یک ماده شیمیایی شناخته شده مورد استفاده قرار گیرد. اساس کار دستگاه های اسپکتروفتومتری به این صورت است که نور بر نمونه می تابد و با مولکول های ماده وارد اندرکنش می شود.

فهرست مطالب

اسپکتروفتومتری روشی است که نشان می دهد یک ماده شیمیایی چه مقدار از نور را جذب کرده است. این کار را از طریق اندازه گیری شدت نوری که از نمونه محلول می گذرد، انجام می دهد. اصل اساسی این سیستم این است که هر یک از ترکیبات شیمیایی، نور را در طول موج های خاصی جذب می کنند یا عبور می دهند. همچنین می تواند برای اندازه گیری غلظت یک ماده شیمیایی شناخته شده مورد استفاده قرار گیرد. اسپکتروفتومتری یکی از روش های مفید تجزیه و تحلیل کمّی در زمینه های مختلف مانند شیمی، فیزیک، بیوشیمی، مهندسی مواد و کاربردهای بالینی است. در واقع در هر آزمایشگاهی که در آن روی مواد شیمیایی کار می شود، حداقل یک اسپکتروفتومتر یافت می شود. به عنوان مثال در بیوشیمی از آن برای تعیین واکنش های کاتالیز شده آنزیم یا در کاربردهای بالینی آن برای بررسی خون یا بافت ها استفاده می شود.

دستگاه ها و مکانیزم

شکل ۱ ساختار اساسی اسپکتروفتومتر را نشان می دهد. این دستگاه از یک منبع نور، موازی ساز، مونوکروماتور، یک انتخاب کننده طول موج، کووت برای نمونه محلول، آشکارساز و یک صفحه نمایش دیجیتال تشکیل شده است.

شکل ۱: ساختار اصلی اسپکتروفتومترها

به طور کلی، اسپکتروفتومتر از دو دستگاه تشکیل شده اند. یک طیف سنج و یک فوتومتر. طیف سنج دستگاهی است که به طور معمول نور را پراکنده و اندازه گیری می کند. فوتومتر نشانگر آشکارساز فوتوالکتریک است که شدت نور را اندازه گیری می کند. البته چیدمان دیگری نیز وجود دارد که در این حالت مونوکروماتور بعد از نمونه قرار می گیرد و نور خارج شده از ماده را تجزیه می کند.

بررسی منابع نور مورد استفاده و انتخاب طول موج در اسپکتروفتومترها

یک طیف سنج به طور معمول برای اندازه گیری طول موج اشعه الکترومغناطیسی (نور) که با یک نمونه در اندرکنش است، استفاده می شود. نور تابشی می تواند منعکس، جذب یا از طریق نمونه منتقل شود. نحوه تغییر نور تابشی در طول اندرکنش با نمونه، ویژگی آن نمونه است. طیف سنج این تغییرات را در طیف وسیعی از طول موج های تابشی (یا در طول موج مشخص) اندازه گیری می کند.

شکل ۲: چیدمان کلی یک اسپکترومتر

در تمام طیف سنج ها سه مؤلفه اصلی وجود دارد. این مؤلفه ها بین ابزارهای مختلف، متفاوت هستند. اما به صورت کلی، اشعه الکترومغناطیسی را در یک محدوده مشخص باریک می کنند و سپس تشعشع الکترومغناطیسی حاصل را پس از اندرکنش با نمونه تشخیص می دهند.

منبع تابش

دو مدل منابع تابش وجود دارد که در طیف سنجی استفاده می شوند: منابع پیوسته و منابع خطی. حالت اول معمولاً لامپ ها هستند که طیف وسیعی از طول موج را ساطع می کنند که باید با استفاده از یک فیلتر، طول موج مورد نظر را عبور داده و بقیه فیلتر شوند. منابع دسته دوم دوم شامل لیزرها و لامپ های مخصوص هستند که برای انتشار طول موج های گسسته خاص طراحی شده اند.

لامپ های الکترود از یک محفظه بسته شده ساخته شده اند که داخل محفظه آن را از گاز خاصی پر می کنند. جریان الکتریکی از طریق الکترود عبور می کرده و گاز داخل محفظه را تحریک می کند. تحریک گاز موجب می شود تا لامپ تابشی در طول موج یا طیف وسیعی از طول موج ها نور ساطع کند. این گازها شامل آرگون، زنون، هیدروژن یا دوتریوم و لامپ های تنگستن هستند که در محدوده زیر تابش اشعه می کنند.

شکل ۳: محدوده تابشی لامپ های الکترودی

از لامپ های غیر الکترود به عنوان منبع خطی استفاده می شود که حاوی گاز و قطعه ای از فلز هستند که طول موج خاصی را ساطع می کنند. یونیزاسیون گاز در اثر تابش (معمولاً در فرکانس رادیویی یا مایکروویو) رخ می دهد. سپس اتم های فلزی با استفاده از انرژی تحریکی گاز، تحریک می شوند. در نتیجه تابش در طول موج بسیار خاصی تولید می شود.

منابع لیزری بر اساس تحریک خارجی یک ماده خاص کار می کنند به طوری که فوتون های هم انرژی به سمت ماده هدف گیری می شوند. این امر باعث تولید فوتون در داخل ماده می شود و با بازتابش نور لیرز به این ماده فوتون های بیشتری تولید می شود. از آنجا که تمام فوتون ها از انرژی یکسانی برخوردار هستند، همه در یک سطح قرار دارند و همین سبب می شود تا انرژی و طول موج تقویت شود. در نهایت فوتون ها در یک پرتو باریک متمرکز شده و به سمت نمونه هدایت می شوند.

شکل ۴: ساختار لیزرها

انتخاب طول موج

دو روش برای کاهش باریکه تابش الکترومغناطیسی به طول موج مطلوب وجود دارد: پراکنده یا غیر پراکندگی.

عناصر غیر پراکنده

عناصر انتخاب طول موج، مواد غیر پراکنده ای هستند که محدوده های ناخواسته طول موج از منبع نور تابشی را فیلتر می کنند، از این طریق تنها محدوده مشخصی از طول موج را می توان عبور داد. به عنوان مثال، فیلترهای UV (همانطور که در دوربین ها استفاده می شود) اشعه ماوراء بنفش (۱۰۰-۴۰۰ نانومتر) جذب می کنند، اما اجازه می دهند طول موج های دیگر منتقل شوند. این نوع فیلترها اکنون در طیف سنج های مدرن رایج نیستند زیرا عناصر دقیق تری برای باریک شدن تابش فرودی در دسترس است.

همچنین فیلترهای تداخل وجود دارد که طول موج را با ایجاد اثرات تداخل بین تابش فرودی و امواج منعکس شده در هر یک از مرزهای ماده در فیلتر، انتخاب می کنند. این فیلتر دارای لایه هایی از ماده دی الکتریک، فیلم های فلزی نیمه شفاف و شیشه است. تابش فرودی با عبور از لایه ها با توجه به خواص هر ماده تقسیم می شود. اگر نور فرودی که به لایه فلزی دوم می رسد دارای طول موج مورد نظر باشد با نوری که در آن ناحیه بازتاب شده، تداخل سازنده خواهد داشت و از فیلتر عبور خواهد کرد. این روش به طور مؤثری طول موج های خاص را جدا و تقویت می کند در حالی که طول موج های دیگر از طریق تداخل مخرب فیلتر می شوند.

شکل ۵: فیلتر کردن نور فرودی

تداخل سنج ها جزء سیستم های غیر پراکنده ای هستند که از بازتابنده ها (معمولاً آینه ها) برای هدایت اشعه فرودی در یک مسیر مشخص قبل از ترکیب مجدد و یا متمرکز پرتو استفاده می کنند. برخی سیستم ها همچنین دارای یک شکاف پرتو هستند که پرتوی تابشی را تقسیم می کند و قبل از ترکیب مجدد و هدایت به سمت آشکارساز هر قسمت را در مسیری متفاوت هدایت می کند. در این نوع از تداخل ‌سنج ها جبهه موج اولیه شکافته شده و این جبهه ها همچون چشمه امواج ثانویه بکار می‌روند. جبهه های امواج ثانویه با هم تداخل کرده و نقش فریزهای تداخلی را بر روی پرده بوجود می‌آورند. آنچه سبب ایجاد تداخل می‌شود اختلاف مسیر بین دو پرتو نوری در راه رسیدن به پرده است و این عاملی است که سبب ایجاد اختلاف فاز بین دو پرتوی نوری می‌شود.

در تداخل سنج فابری پرو، شیشه نیمه نقره اندود یا آلومینیوم اندود که از نظر نوری تخت هستند، سطوح بازتابنده مرزی را تشکیل می‌دهند. پرتو از طریق تیغه‌ای که بطور جزئی نقره اندود شده وارد می‌شود و در فاصله بین دو تیغه چندین بار بازتابیده می‌شود. پرتوهای تراگسیلیده به وسیله یک عدسی جمع شده و به کانونی روی یک پرده هدایت می‌شوند، که در آنجا با هم تداخل کرده و لکه های روشن یا تاریک را تشکیل می دهند.

شکل ۶: تداخل سنج فابری پرو

تداخل سنج مایکلسون، از یک تقسیم‌کننده باریکه یا نیم آینه و دو آینه تشکیل شده است. تقسیم‌کننده، نور را به دو مسیر عمود بر هم تقسیم می‌کند و هر یک از آن‌ها، در طول مسیر از یک آینه بازتابیده می‌شوند. از آنجا که دو پرتو بازتابی از دو آینه، می‌توانند طول مسیرهای متفاوتی را طی کنند، می‌توان طرح تداخلی که نتیجه این اختلاف راه نوری است را مشاهده کرد. این تداخل‌سنج با تقسیم نور به دو قسمت و امکان دست کاری در مسیر یکی از آن‌ها، می‌تواند به ارزیابی آنچه که در مسیر یکی از آینه‌ها اتفاق افتاده، بپردازد. به عنوان مثال اگر طول یکی از مسیرها را زیاد کنیم،  ممکن است با افزایش طول این مسیر و کاهش همدوسی نسبی بین دو مسیر، طرح تداخل به تدریج محو شود. به این ترتیب  می‌توانیم با استفاده از این روش، طول همدوسی نور تابیده را بدست بیاوریم.

شکل ۷: تداخل سنج مایکلسون

تداخل سنج های دیگر به روشی مشابه کار می کنند، اما زاویه آینه ها را به جای موقعیت آن ها تغییر می دهند. این تغییرات در تداخل سنج سایناک یا تداخل سنج ماخ زندر مشاهده می شود.

عناصر پراکنده

این عناصر با پراکنده کردن پرتوهای تابشی به صورت مکانی و ایجاد طیفی از طول موج ها کار می کنند. در یک منشور پرتوی نور به دلیل ضریب شکست مواد پراکنده می شود. به عنوان مثال، هنگامی که نور سفید بر روی یک منشور می تابد، نور سفید به دلیل تفاوت ضریب شکست محیط و هوا به رنگین کمانی از رنگ ها تجزیه می شود. این نتیجه وابستگی طول موج به ضریب شکست منشور است.

شکل ۸: وابستگی طول موج به ضریب شکست منشور

از توری پراش نیز برای تجزیه نور به طول موج های مؤلفه خود استفاده می شود. انعکاس نور از سطح زاویه دار باعث می شود طول موج ها از طریق تداخل سازنده در زاویه های پراش وابسته به طول موج پراکنده شوند.

شکل ۹: توری پراش

آشکارساز

آشکار ساز ها مبدل هایی هستند که خروجی آنالوگ طیف سنج را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند که با استفاده از یک کامپیوتر قابل مشاهده و تجزیه و تحلیل است. دو نوع آشکار ساز وجود دارد: آشکارسازهای فوتونی و آشکارسازهای حرارتی.

  1. آشکار ساز فوتونی

اساس کار آشکارسازهای فوتونی به این صورت است که وقتی فوتون ها با آشکار ساز برخورد می کنند، الکترون ها جریان تولید می کنند. سلول های فتوولتائیک ها، فوتوتیوب ها و مبدل انتقال بار نمونه هایی از این نوع آشکار سازها هستند.

  • آشکار ساز حرارتی

آشکارساز های حرارتی به دلیل جذب فوتون، تغییر دما در ماده را تشخیص می دهند. ترموکوپل ها با اندازه گیری اختلاف دما بین یک جفت اتصالات (معمولاً مرجع در برابر نمونه) کار می کنند و عموماً برای طول موج های ناحیه مادون قرمز استفاده می شوند. اختلاف دما مربوط به اختلاف پتانسیل یعنی سیگنال خروجی است. مبدل های Pyroelectric در منطقه مادون قرمز استفاده می شوند و از ماده دی الکتریک استفاده می کنند که با تغییر دمای ناشی از جذب تابش، جریان تولید می کنند.

شکل ۱۰: مقایسه آشکارسازهای فوتونی و حرارتی

مقایسه اسپکتروفتومتر تک پرتو و دو پرتو

اسپکتروفتومتر در دو نوع تک پرتوئی Single beam و دو پرتوئی Double Beam موجود است.

مکانیزم سیستم تک پرتو

مکانیزم سیستم تک پرتویی به این صورت است که پرتو نوری که از نمونه موجود در کووت می گذرد با پرتوی اولیه قبل از عبور از کووت مقایسه می شود و میزان جذب به دست می آید (شکل۱۱). از محاسن این سیستم سادگی، کوچکی و ارزانی آن و از معایب آن خطای جزئی به دلیل عدم ثبات محیط اندازه گیری است.

شکل ۱۱: سیستم شماتیک اسپکتروفتومتر تک پرتو

مکانیزم سیستم دو پرتو

سیستم دو پرتوئی دارای دو پرتو تابیده شده است که همزمان یکی به سمت آشکار ساز می رود و دیگری از داخل نمونه می گذرد و اختلاف بین این دو محاسبه می شود که در زیر به تحلیل این سیستم به طور کامل پرداخته ایم. از مزایای این سیستم دقت بیشتر در مقایسه با سیستم تک پرتویی است و از معایب آن پیچیده بودن و قیمت گران تر است. شکل ۱۲ شماتیک کلی سیستم دو پرتو را نشان می دهد.

شکل ۱۲: طراحی نمادین اسپکتروفتومتر دوپرتو

دیسک های چرخان

هر دیسک از تعدادی بخش مختلف تشکیل شده است. دیسکی که در اینجا به توضیح آن پرداخته ایم، از سه بخش تشکیل شده است (دیسک های مختلف ممکن است شامل چندین بخش باشند).

شکل ۱۳- دیسک چرخان

نوری که از توری و شکاف پراش خارج می شود به دیسک چرخان برخورد می کند و یکی از سه مورد زیر ممکن است رخ دهد.

  1. اگر به قسمت شفاف برخورد کند ، مستقیماً از آن عبور کرده و از داخل سلول که حاوی نمونه است عبور می کند. سپس این نور بر روی دیسک چرخان دوم تابیده می شود. این دیسک به گونه ای در حال چرخش است که وقتی نور از دیسک اول می رسد، با بخش آینه شده دیسک دوم برخورد می کند. در این قسمت نوربه سمت آشکارساز هدایت می شود. نور مسیر قرمز را در شکل زیر طی می کند.

شکل ۱۴- مسیر نوری بعد از خروج از قسمت شفاف دیسک چرخان

۲.اگر پرتوی اصلی از شکاف به قسمت آیینه شده دیسک چرخان برخورد کند، در این صورت نور مسیر سبز رنگ را طی خواهد کرد. بعد از برخورد به آینه از یک سلول مرجع عبور می کند. سرانجام نور به دیسک دوم می رسد. این دیسک طوری می چرخد که نور به بخش شفاف آن برخورد می کند و مستقیماً به سمت آشکار ساز هدایت می شود.

شکل ۱۵- مسیر نوری بعد از خروج از قسمت آینه ای دیسک چرخان

اگر نور به بخش تاریک اولین دیسک برخورد کند، مسدود می شود و در مدت زمان اندکی هیچ نوری وارد دستگاه نمی شود.۳.

به این صورت تجزیه و تحلیل نمونه صورت می گیرد.

سلول های مرجع و نمونه

این سلول های مستطیل شکل یا از جنس پلاستیک و یا از جنس کوارتز هستند. این سلول ها به گونه ای طراحی شد اند که نور، طولی به اندازه ۱ سانتی متر را در درون آن ها طی می کند. سلول نمونه حاوی محلول ماده ای است که مورد آزمایش قرار می گیرد و معمولاً بسیار رقیق است. حلال به گونه ای انتخاب شده است که مقدار قابل توجهی از نور را در محدوده طول موج مورد نظر ما جذب نمی کند (۲۰۰ – ۸۰۰ نانومتر). سلول مرجع فقط حاوی حلال خالص است.

تئوری اسپکتوفتومتری

با مراجعه به شکل ۱ و ۱۶، مقدار فوتون هایی که از داخل کووت و آشکارساز عبور می کنند، به طول کووت و غلظت نمونه بستگی دارد. با دانستن شدت نور عبوری از نمونه می توان میزان انتقال نور را محاسبه کرد. انتقال، بخشی از نور است که از داخل نمونه عبور می کند. انتقال را می توان با استفاده از معادلات زیر محاسبه کرد:

Transmittance(T)=It/I۰

که در این رابطه، I۰ شدت نور اولیه، I شدت نور عبوری است. از آن جایی که جذب و عبور مرتبط با هم هستند، میزان جذب را می توان از رابطه زیر به دست آورد:

Absorbance(A)=−log (T)=−log (It/I۰)

در واقع میزان جذب، همان مقدار فوتون هایی است که توسط نمونه جذب شده اند. با توجه به معلوم بودن میزان جذب از معادله فوق، می توان غلظت نمونه ناشناخته را با استفاده از قانون Beer-Lambert تعیین کرد. شکل ۱۶ عبور نور از داخل یک نمونه را نشان می دهد. طول l برای قانون بیر و لامبرت استفاده شده که در زیر شرح داده شده است.

شکل ۱۶: پرتوی نوری با شدت I۰ وارد محلولی با طول l می شود و با شدت It از محلول خارج می شود.

قانون بیر لامبرت

این قانون بیان می کند که، از آن جایی که غلظت هر عنصر، در میزان جذب طول موج آن تأثیر دارد، از این پدیده برای تعیین غلظت و برخی خواص دیگر ماده استفاده می شود. با افزایش غلظت، میزان جذب در طول موج مشخص افزایش و با کاهش غلظت، میزان جذب کاهش و مقدار نور عبوری افزایش می یابد. به همین دلیل، قانون بیر فقط در صورت وجود رابطه خطی قابل اعمال است. قانون بیر به شکل زیر نوشته می شود:

A=ϵlc

ɛ بیانگر ضریب جذب ماده است،  lطول نمونه را نشان می دهد و c بیانگرغلظت و A میزان جذب نور (بدون واحد) است. ضریب جذب به عنوان یک ثابت داده می شود و برای هر مولکول متفاوت است. از آنجایی که جذب هیچ واحدی ندارد، ضریب ϵ باید واحدهای طول و غلظت را حذف کند. در نتیجه ، واحدϵ ،  .L · mol · cmطول مسیر در واحد سانتی متر اندازه گیری می شود. زیرا از آنجا که یک طیف سنج استاندارد از یک کووت به طول ۱ سانتی متر استفاده می کند، همیشه فرض می شود l برابر ۱ سانتی متر است. در نتیجه با توجه به اینکه ضریب جذب و طول مسیر مشخص است، می توان غلظت c نمونه را محاسبه کرد.

کاربردها

اسپکتروسکوپی UV-Visible از اهمیت بسیاری برخوردار است. زیرا در بیشتر مواد حتی محلول های بی رنگ، جذب بیشتر در ناحیه فرابنفش رخ می دهد. بنابراین، اسپکتروسکوپی UV-Visible برای تجزیه و تحلیل اکثر نمونه ها بسیار کاربردی است. اسپکتروفتومترها در زمینه های مختلفی به کار گرفته می شوند و در آزمایشگاه های علمی و امکانات تولیدی یافت می شوند. به عنوان مثال در محیط تولید از آن ها برای کنترل کیفیت همه چیز از لباس گرفته تا انتشار نور هنگام تولید LED استفاده می شود. اسپکتروفتومترها توسط آزمایشگاه های تحلیلی برای شناسایی و تعیین کمیت نمونه های میکروسکوپی اعم از سینتیک، تطبیق رنگ ها، تعیین کیفیت سنگ های قیمتی و مواد معدنی، تعیین رنگ جوهر یا رنگ استفاده می شوند. به این ترتیب، اسپکتروفتومتر ابزاری بسیار انعطاف پذیر با کاربردهای مختلف است. برخی دیگر از کاربردهای اسپکتروفتومتر شامل موارد زیر است:

تشخیص غلظت مواد
تشخیص ناخالصی ها
تشخیص ساختار ترکیبات آلی
نظارت بر میزان اکسیژن محلول در اکوسیستم های آب شیرین و دریایی
تعیین خصوصیات پروتئین ها
تشخیص گروه های عملکردی (functional group)
تجزیه و تحلیل گاز تنفسی در بیمارستان ها
تعیین وزن مولکولی ترکیبات

Reference

https://chem.libretexts.org

https://chem.libretexts.org

https://chem.libretexts.org

Aenean consectetur non amet, eleifend ut odio