انواع اسپکتروفتومتری(اسپکتروفتومتر، اسپکترومتر، رنگ سنج، نانودراپ، فتومتر)

انواع اسپکتروفتومتری(اسپکتروفتومتر، اسپکترومتر، رنگ سنج، نانودراپ، فتومتر)

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 حوزه طیف سنجی احتمالا کلماتی مانند اسپکترومتر، اسپکتروفتومتر و فتومتر را شنیده‌اید. اگر شما هم با شنیدن این اسامی سردرگم می‌شوید اصلا نگران نباشید. ما در این دانشنامه سعی کرده‌ایم که به طور کامل تفاوت این سه دستگاه را بیان کنیم. هم‌چنین انواع اسپکترفتومتری نیز در این مقاله بررسی شده است. پس اگر می‌خواهید دانش طیف سنجی خود را گسترش دهید، این مقاله به شما کمک خواهد کرد.
آنواع اسپکتروفتومتری

فهرست مطالب

اسپکتروفتومتری روشی است که نشان می‌دهد یک ماده شیمیایی چه مقدار از نور را جذب کرده و یا عبور داده است. اسپکتروفتومتر ابزاری است که میزان نور (فوتون) جذبی یا عبوری از نمونه را اندازه‌گیری می‌کند. با استفاده از این دستگاه می‌توان بعضی از مواد را شناسایی کرد و  غلظت را با اندازه گیری شدت نور به دست آورد.

طیف سنج مرئی- فرابنفش یا اسپکتروفتومتر از قسمت‌های مختلفی تشکیل شده است. هر یک از این قسمت‌ها وظایف مهمی را برعهده دارند. بنابراین در زیر به بررسی این قسمت‌ها می‌پردازیم. البته این بخش از مطالب را در ساخت دستگاه اسپکتروفتومتر به طور مفصل توضیح داده شده است.

اجزای تشکیل دهنده اسپکتروفتومتر

 

اسپکتروفتومتر از ۵ جز اصلی تشکیل شده است. در زیر این المان‌ها را معرفی کرده‌ایم. هم‌چنین به کاربردهای اصلی این ابزارها هم اشاره شده است.

منبع نوری: معمولا در ساخت اسپکتروفتومترها از لامپ‌های دوتریوم (ناحیه فرابنفش) و هالوژن-تنگستن (ناحیه مرئی) استفاده می‌شود.

المان پاشنده: این المان، نور را به اجزای تشکیل دهنده‌ خود تجزیه می‌کند. امروزه در اسپکتروفتومترها توری‌های بازتابی و هولوگرافی مورد استفاده قرار می‌گیرند. علت آن در المان پاشنده مقاله ساخت دستگاه اسپکتروفتومتر توضیح داده شده است.

محل قرارگیری نمونه: نمونه‌ها برای اندازه‌گیری در این دستگاه باید در ظروف مخصوص مانند کووت، لوله آزمایش و … ریخته شوند. در طیف سنج قسمتی تعبیه شده که این ظروف در آنجا قرار می‌‌گیرند. حتی از نمونه‌های جامد مانند فیلم نازک (thin film)، فیلترهای اپتیکی، زیرلایه‌های شیشه‌ای و پلیمری، مواد خشک‌شده روی زیرلایه و مواد درون لوله آزمایش نیز می‌توان طیف‌گیری کرد. برای این نوع نمونه‌‌ها کامپارتمنت‌هایی نیز طراحی شده است که جزو لوازم جانبی اسپکتروفتومتر محسوب می‌شوند.

یک یا چند آشکارساز برای اندازه‌گیری شدت نور: آشکارسازها سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند. در طیف سنج ها از آشکارسازهای CCD و بیشتر از آن از فتودیود و PMT استفاده می‌شود. از مزیت‌های استفاده از CCD‌ها در این مورد می‌توان به ویژگی‌هایی از جمله حساسیت بالا به نور، سرعت بالای پردازش، نویز کم و دوام بالا اشاره کرد.

سایر المان‌های اپتیکی مانند آینه‌ها یا لنزها: از المان‌های اپتکی مانند لنزها و آینه‌ها برای هدایت و متمرکز کردن نور در اسپکتروفتومترها استفاده می‌شود.

اسپکت uv-vis
شکل ۱: اسپکتروفتومتر تک پرتو

علاوه بر این المان‌های اصلی، اجزای دیگری در ساخت طیف سنج‌ها به کار می‌روند. به عنوان مثال در اسپکتروفتومتر تک پرتو، علاوه بر منبع نور، محل قرارگیری نمونه، المان‌های اپتیکی، توری و آشکارساز المان‌های دیگری هم هستند که در پیکربندی از آن‌ها 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. 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.

تا این قسمت از مقاله با کلیات طیف سنج مرئی-فرابنفش آشنا شدید. حالا در ادامه قصد داریم تا انواع اسپکتروفتومتری را معرفی کنیم. در واقع اسپکتروفتومتری را از جهات مختلف می‌توان دسته بندی کرد. این دسته بندی‌ها شامل: بازه طول‌موجی و پیکربندی اسپکتروفتومتر هستند. که در زیر آن‌ها را معرفی کرده‌ایم.

پیکربندی اسپکتروفتومتر

 

بسته به نوع اسپکتروفتومتر (تک پرتو و دو پرتو)، نحوه چیدمان این اجزا متفاوت است. هم‌چنین چند جز دیگر نیز به المان‌های اصلی افزوده می‌شود.

اسپکتروفتومتر تک پرتو

در این نوع پیکربندی فقط یک محل برای قرارگیری نمونه وجود دارد. ابتدا نمونه مرجع در این محل قرار می‌گیرد و طیف‌گیری می‌شود. سپس به جای مرجع، نمونه در محل قرار می‌گیرد. به این ترتیب طیف نمونه نیز به دست می‌آید. با مقایسه شدت به دست آمده از نمونه و مرجع، طیف جذبی یا عبوری در صفحه نمایش‌گر نشان داده می‌شود.

این نوع اسپکتروفتومتر برای کاربردهایی در محدوده طول موج ۲۰۰ تا ۸۵۰ نانومتر مناسب است. انواع مختلفی از نمونه‌ها از جمله محلو‌ل‌های رنگی، اسید نوکلئیک، پروتئین‌ها و تعدادی مولکول آلی اغلب در این ناحیه مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند. اسپکتروفتومتر تک پرتو، بسته به نوع آزمایش و کاربردی که دارد، دارای مزایا و معایبی است که در زیر بیان شده‌اند.

مزایا

  1. از محاسن این سیستم می‌توان به سادگی، کوچکی و ارزانی آن اشاره کرد.
  2. برای کاربردهای عمومی بسیار مقرون به صرفه و کارآمد است.
  3. تعداد اجزای نوری کمتری برای انتقال نور به کار رفته است که سبب کاهش نویز می شود.

معایب

نمونه و مرجع در یک زمان مورد تجزیه و تحلیل قرار نمی‌گیرد. این سبب می‌شود تا زمان طیف‌گیری کمی افزایش یابد.

پیکربندی-اسپکتروفتومتر-تک-پرتو
شکل ۲: پیکربندی اسپکتروفتومتر تک پرتو

اسپکتروفتومتر دو پرتو

 

شکل ۳ 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 طیف سنج 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.

چیدمان-اسپکتروفتومتر-دو-پرتو
شکل ۳: چیدمان اسپتکروفتومتر دو پرتو

این نوع دستگاه هم دارای معایب و مزایایی است که در زیر به آن‌ها اشاره کرده‌ایم.

مزایا

  1. نمونه و مرجع به طور همزمان مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند. همین امر موجب پایداری سیستم طیف گیری می‌شود. در واقع اسپکتروفتومتر دو پرتو برای جبران تغییرات شدت منبع نور، بین اندازه‌گیری نمونه و مرجع ساخته شده است.
  2. نسبت توان مرجع و نمونه مرتبا بدست می‌آید.
  3. سرعت اسکن در طیف وسیعی از طول موج، سریع است.

معایب

نسبت به اسپکترفتومترهای تک پرتو گران‌تر است.

نوعی دیگر از طیف سنج UV-VIS دو پرتو وجود دارد که به آن طرح اسپلیت-بیم split beam 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.

چیدمان اسپتکروفتومتر دو پرتو- پرتو اسپلیت
شکل ۴: چیدمان اسپتکروفتومتر دو پرتو- پرتو اسپلیت

شرکت تکسان اولین شرکت تولید کننده انواع دستگاه‌های طیف سنجی از جمله اسپکتروفتومتر است. این شرکت با استفاده از تجارب و دانش افراد اسپکتروفتومتر را در دو نوع تک پرتو و دو پرتو تولید می‌کند.

اسپکتروفتومتر-دو-پرتو
شکل ۵: اسپکتروفتومتر دو پرتو

اکنون می‌خواهیم اسپکتروفتومتر را از لحاظ بازه طول‌موجی مورد مطالعه قرار دهیم.

انواع اسپکتروفتومتری از نظر بازه طول‌موجی

اسپکتروفتومتر را می‌توان با توجه به طول‌موج و زمینه کاربرد به ۵ گروه تقسیم بندی کرد:

  1. اسپکتروفتومتر VIS (مرئی)
  2. اسپکتروفتومتر UV-VIS (مرئی-فرابنفش)
  3. اسپکتروفتومتر IR (مادون قرمز)
  4. اسپکتروفتومتر DRS (Diffuse Reflectance Spectroscopy)

اسپکتروفتومتر مرئی

در این نوع طیف سنج از نور مرئی (۷۰۰-۴۰۰ نانومتر) برای تجزیه و تحلیل مواد استفاده می‌شود. در گذشته استفاده از این اسپکتروفتومتر متداول‌تر بود. زیرا از منابع نوری ساده‌ای در ساخت آن استفاده می‌شد. علاوه بر این ظروف نمونه و سیستم نوری آن می‌توانستند از جنس شیشه باشند. زیرا شیشه در این ناحیه طول‌موجی هیچ جذبی ندارد. چیدمان این  نوع دستگاه‌‌ اغلب تک پرتو است. علاوه بر این نسبت به سایر اسپکتروفتومترها ارزان‌تر هستند و گاهی به صورت پرتابل (قابل حمل) نیز طراحی می‌شوند.

طیف نور مرئی فارسی
شکل ۶: طیف نور مرئی

از این طیف سنج برای شناسایی رنگدانه‌‌ها، رنگ‌ها و تغییر رنگ واکنش‌های شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این دستگاه طیف سنج مرئی در مطالعات فلورسانس، آلودگی‌های جوی، تصحیح رنگ مانیتور ویدیویی، تغییرات سم شناسی در گلبول‌‌های قرمز، شناسایی مولکول‌های زیستی، کنترل رنگ عکس، مقایسه رنگ الیاف در زمینه پزشکی قانونی و … به کار گرفته می‌شود. این اسپکتروفتومتر بیشتر در زمینه پزشکی قانونی، شیمی، داروسازی، صنایع غذایی کاربرد دارد.

اسپکتروفتومتر مرئی- فرابنفش

در ساخت این طیف سنج منابع نوری مرئی و فرابنفش به کار گرفته می‌شود. معمولا بین ناحیه ۲۰۰ تا ۸۵۰ طیف گیری صورت می‌گیرد. در واقع این بازه به منابع نوری و ساختار اسپکتروفتومتر بستگی دارد. ظروف مورد استفاده در این طیف سنج نباید از جنس شیشه باشد. زیرا شیشه در ناحیه فرابنفش نور را جذب می‌کند. به همین دلیل برای طیف‌گیری از ظروف کوارتز UV استفاده می‌کنند. این ظروف بازه وسیع‌تری از طول موج‌ها (۲۵۰۰-۱۹۰نانومتر) را از خود عبور می‌دهند.

این نوع اسپکتروفتومتر کاربرد وسیعی دارد و در اغلب زمنیه‌ها از این طیف سنج استفاده می‌شود. معمولا برای تعیین غلظت اسید نوکلئیک و پروتئین، اندازه‌گیری تراکم سلول باکتریایی، تجزیه و تحلیل موادی که دارای ترکیبات معطر هستند مانند مشتقات بنزن و … به کار می‌رود.

اسپکتروفتومتر مادون قرمز

۹۰۰-۱۵۰۰ نانومتر ناحیه کاری طیف سنج IR است. از این اسپکتروفتومتر بیشتر برای تجزیه و تحلیل ترکیبات آلی استفاده می‌شود. البته ذکر این نکته حائز اهمیت است که در طیف سنج های یووی-ویز اگر از لامپ هالوژن و دوتریوم استفاده شود، بازه طیف‌گیری علاوه بر ناحیه UV-VIS شامل مادون قرمز نزدیک (۹۰۰-۷۰۰) هم می‌شود. بنابراین برای انجام آزمایشات در ناحیه IR  نزدیک نیازی به تهیه این نوع طیف سنج‌ نیست و به راحتی می‌توان با استفاده از اسپکتروفتومتر مرئی-فرابنفش نتایج خوبی را به دست آورد. این نکته در مورد اسپکتروفتومتر مرئی نیز صادق است.

اسپکتروفتومتر DRS

طیف سنجی DRS (Diffuse Reflectance Spectroscopy) دستگاهی است که با استفاده از آن میزان نور بازتابی در ناحیه UV-VIS، مادون قرمز نزدیک و مادون قرمز میانی، از یک ماده به دست می‌آید. از این دستگاه برای اندازه‌گیری نور بازتابی از ذرات و پودرهای ریز ، مواد جامد و هم‌چنین میزان بازتاب از سطوح ناهموار استفاده می‌شود. در این روش طیف سنجی، طیف‌گیری به آسانی انجام می‌گیرد و نمونه نیاز به آماده سازی ندارد. همچنین از نمونه‌های کم نیز امکان طیف‌گیری وجود دارد.

تا این بخش از مقاله کلیات اسپکتروفتومتر و انواع آن را بررسی کردیم. در ادامه این طیف سنج را با دستگاه‌هایی نظیر نانودراپ، اسپکترومتر و فتومتر مقایسه کرده‌ایم.

تفاوت اسپکتروفتومتر و نانودراپ

هدف اصلی طراحی نانودراپ‌ها اندازه‌گیری غلظت اسید نوکلئیک در حجم بسیار کم (میکرولیتر) است. این دستگاه با استفاده از فیبر نوری و به کاربردن خصوصیات کشش سطحی طبیعی مایعات ساخته می‌شود. در واقع کشش سطحی مایعات موجب می‌شود تا مایع به فیبر بچسبد و یک مسیر نوری ایجاد می‌شود. در برخی از آزمایش‌ها مقدار نمونه بسیار کم است. به همین دلیل استفاده از اسپکتروفتومترهای معمولی محدودتر می‌شود. اساس کار نانودراپ دقیقا مانند طیف سنج UV-VIS است. تنها تفاوت نانودراپ با طیف سنج در این است که نمونه به طور مستقیم بر روی دستگاه قرار می‌گیرد. به طوری که دیگر نیازی به استفاده از کووت و سایر ظروف نیست. با قرار گرفتن نمونه بر روی دستگاه، به دلیل کشش سطحی مایعات، نمونه به فیبر نوری می‌چسبد. شکل ۷ نحوه قرار گیری نمونه و اثر کشش سطحی را نشان می‌دهد.

تفاوت اسپکتروفتومتر و نانودراپ
شکل ۷: نحوه عملکرد نانودراپ

امکان اسکن در تمامی طول‌موج‌‌ها در این دستگاه وجود دارد. همچنین مدت زمان اندازه‌گیری بسیار کوتاه است. زیرا مسیر نوری بسیار کوتاه‌تر از اسپکتروفتومتر است.

تفاوت اسپکتروفتومتر و فتومتر

فوتومتر دستگاهی است که میزان روشنایی نور یا شدت نور (واحد فیزیکی آن Cd یا کاندلا است) را در یک طول‌موج خاص اندازه‌گیری می‌کند. در مقابل، اسپکتروفتومتر دستگاهی است که میزان جذب و عبور را در طیف وسیعی از طول‌موج‌ها محاسبه می‌کند.

تفاوت اسپکتروفتومتر و فتومتر
شکل ۸: دستگاه فتومتر

بیشتر فوتومترها با استفاده از  photoresistor یا فتودیود، سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند. به کمک این دستگاه می‌توان غلظت محلول را نیز به دست آورد. به این صورت که نور تک رنگ به محلول تابانده می‌شود. محلول مقداری فوتون‌های نور را جذب می‌کند. بنابراین شدت نور پس از عبور از نمونه کم می‌شود. میزان انتقال نور از رابطه زیر به دست می‌آید:

Transmitance (T)= I/I۰

که در این رابطه I شدت تابش اولیه و I۰ شدت نور انتقالی است. میزان جذب را نیز از رابطه بالا می‌توان محاسبه کرد:

Absorbance (A)= – log (T) = – log (I/I۰)

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

A= εlc

در رابطه بالا ɛ ضریب جذب، l طول مسیر نوری و c غلظت نمونه است. به این ترتیب با در دست داشتن شدت نور تابشی و شدت نور عبوری، می‌توان میزان جذب، عبور و غلظت یک نمونه را محاسبه کرد.

میزان جذب و غلظت نمونه
شکل ۹: میزان جذب و غلظت نمونه با هم یک رابطه خطی دارند.

تفاوت اسپکتروفتومتر و اسپکترومتر

 

اسپکترومتر صرفا نوری را که از شکاف وارد دستگاه می‌شود، تجزیه و تحلیل می‌کند. البته ذکر این نکته حائز اهمیت است که با استفاده از طیف‌سنج می‌توان میزان نور جذبی، عبوری، بازتابی و فلورسانس را به دست آورد. برای این کار، باید چیدمان اپتیکی آزمایش مورد نظر روی میز آماده گردد (البته تجهیزاتی مانند منبع نور، فیبر و … مورد نیاز  است). اسپکترومتر برای تجزیه و تحلیل منابع نوری نیز به کار می‌رود.

طیف سنج
شکل ۱۰: اسپکترومتر تیدا شرکت تکسان

اسپکتروفتومتر ترکیبی از منابع نوری و اسپکترومتر است. برای محاسبه میزان جذبی و عبوری نیازی به چیدمان اپتیکی نیست و همه المان‌ها در داخل دستگاه جای گرفته‌اند.

جمع‌بندی

 

در این مقاله به طور کلی اسپکتروفتومتر را معرفی کردیم. اجزای سازنده‌اش را بررسی کردیم و وظیفه هر یک از این اجزا را به طور مختصر بیان کردیم. علاوه بر این گفتیم که این دستگاه در دو نوع تک پرتو و دو پرتو تولید می‌شود. هم‌چنین اسپکتروفتومتر را با دستگاه‌هایی مانند دستگاه نانودراپ‌، فتومتر و اسپکترومتر مقایسه کردیم. نانودراپ در واقع مانند اسپکتروفتومتر است. تنها تفاوت آن‌ها در این است که در نانودراپ نمونه مستقیما بر روی دستگاه قرار می‌گیرد. فتومتر هم دستگاهی است که برای اندازه‌گیری شدت نور به کار می‌رود و در نهایت اسپکترومتر دستگاهی است که نور را تجزیه و تحلیل می‌کند و جزیی از طیف سنج UV-VIS است.

همه دانشنامه‌ها و مطالب سایت ما در کانال تلگرام تکسان نیز منتشر می‌شوند. برای این که به راحتی به همه مطالب دسترسی داشته باشید کانال ما را دنبال کنید.

منابع

  1. https://kutt.it/IPxDni
  2. https://kutt.it/ttTU9z
  3. https://kutt.it/94UC9L
  4. https://kutt.it/p2ZijU
  5. https://kutt.it/8219AZ
  6. https://kutt.it/Q6VfOY
  7. https://kutt.it/eFJDpz
  8. https://kutt.it/gf5UbB
  9. https://kutt.it/mw6FB7
  10. https://kutt.it/QD0gSs