کاربردها و ویژگی های اسپکترومتر بلورآزما

اسپکترومتر بلورآزما، دستگاهی برای تشخیص و آنالیز طول موج تابش الکترومغناطیسی است که معمولاً در طیف سنجی مولکولی استفاده می شود و طیف وسیعی از طول‌ موج‌ های الکترومغناطیسی، از پرتوهای فرابنفش تا فروسرخ را پوشش می دهند.

به طور گسترده‌ تر، اسپکترمتر بلورآزما با نام تجاری BloorSpec، ابزاری طیفی است که در آن نشر یا عبور تابش الکترومغناطیسی، بر اساس انرژی (طول موج) در یک طیف تفکیک می‌ شود و سپس، اندازه‌ گیری‌ ها در نقاط یا محدوده هایی از طیف تفکیک شده انجام می‌ گیرد.

در این مقاله، به ویژگی های اصلی و کاربردهای این دستگاه بسیار مهم در بسیاری از حوزه های صنعتی و آزمایشگاهی خواهیم پرداخت.

اجزای اسپکترومتر بلورآزما

به طور کلی اجزای اصلی در ساختمان اسپکترومتر بلورآزما، شامل یک شکاف ورودی برای نور تابشی، تجهیزات تفکیک و آشکارسازی و بخش الکترونیکی است.

این اسپکترومتر اپتیکی،تشعشعات ساطع شده از مولکول ها را هنگامی که پس از برانگیختگی، به حالت انرژی اولیه واپاشی می‌ کنند، آنالیز می‌ کنند که این تشعشات، نواحی طول موجی فرابنفش، مرئی و مادون قرمز را در بر می‌ گیرد.

شکاف ورودی

شکاف ورودی یک اسپکترومتر، جزء مهمی است که میزان و زاویه نور ورودی به دستگاه را کنترل می کند و به طور کلی، طراحی شکاف ورودی برای دستیابی به اندازه‌ گیری‌ های طیفی با کیفیت بالا حیاتی است. ویژگی های کلیدی شکاف ورودی عبارت اند از:

• عرض یا پهنا

• ارتفاع

• شکل

• جنس

• قابلیت تنظیم

عرض شکاف، ورودی میزان نوری که می تواند وارد اسپکترومتر شود را تعیین می کند. یک شکاف باریک، اجازه عبور نور کمتری را می دهد اما در عین حال، وضوح طیفی بهتری را ارائه می دهد.

قابلیت تنظیم شکاف، به کاربر اجازه می دهد تا عرض یا ارتفاع شکاف را تغییر دهد تا عملکرد دستگاه برای کاربردهای مختلف بهینه شود.

اسپکترومتر بلورآزما این قابلیت را دارد که شکاف ورودی با عرض های مختلف، قابل جایگزین و قابل تنظیم نیز هست (25, 50, 100 , 200 μm) و این موضوع، انعطاف آن را گسترش می دهد و در بسیاری از حوزه های کاربردی مناسب می کند.

ارتفاع شکاف ورودی، زاویه تابش نور بر روی توری یا منشور را تعیین می کند. یک شکاف بلند تر به نور اجازه می دهد تا با زاویه تندتری وارد سیستم شود، که می تواند وضوح طیفی را بهبود بخشد.

شکل شکاف ورودی می تواند بر کیفیت طیف به دست آمده تأثیر بگذارد. در اسپکترومتر بلورآزما، از شکاف های مستطیلی استفاده می شود که وضوح خوبی ارائه می دهند و رایج ترین نوع هستند.

جنس شکاف ورودی معمولاً از موادی با دوام و متناسب با خواص نوری آنها انتخاب می شود که متداول ترین آنها عبارت اند از فویل های فلزی، اسلایدهای شیشه ای یا صفحات کوارتز.

تجهیزات تفکیک کننده و آشکارسازی نور

در اسپکترومترهای معمولی یا در شرایطی که انتخاب دقیق طول موج مهم نیست، از فیلترهای نوری برای جداسازی طیف طول موجی استفاده می شود.

با این حال، در دستگاه های اسپکترومتر بلورآزما، برای انتخاب دقیق طول موج و تولید طیف، یک عنصر پراکنده (توری پراش) که نور را به طول موج‌ های تشکیل‌ دهنده آن جدا می‌ کند، به کار می رود.

مبنای علمی عملکرد توری های پراش، تداخل های سازنده و ویرانگر است که برای جداسازی فضای نوری چند رنگ که بر روی توری تابیده می شود، استفاده می شود.

در بسیاری از اسپکترومترهای مدرن، بسته به نوع چیدمان و طراحی اپتیکی سیستم، برای متمرکز کردن نور، جلوگیری از هدر رفتن آن و همچنین افزایش شدت نور، از قطعاتی مانند آینه و عدسی ها نیز استفاده می شود.

آشکارساز آرایه CCD نوعی آشکارساز است که معمولاً در طیف سنج ها استفاده می شود و از یک آرایه دو بعدی از پیکسل ها تشکیل شده است که هر کدام می توانند نور را تشخیص داده و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل کنند.

هنگامی که نور به آرایه CCD برخورد می کند، باری تولید می کند که متناسب با مقدار نور شناسایی شده است. عملکرد کلی آنها در شکل 6 نمایش داده شده است.

در اسپکترومتر مدرن بلورآزما نیز از این نوع آشکارسازها استفاده شده است که علاوه بر ثبت دقیق شدت ها، سرعت بالایی را نیز رقم می زنند.

بخش الکترونیکی اسپکترومتر بلورآزما

اسپکترومتر ابزار پیچیده‌ ای است که برای اطمینان از اندازه‌ گیری‌ های دقیق، به کنترل دقیق سیستم الکترونیک آن نیاز دارد و برای کنترل آن، باید درک درستی از اجزای خاص و عملکرد آنها داشته باشید.

همچنین باید با زبان های برنامه نویسی و ابزارهای نرم افزاری مورد استفاده برای ارتباط با این وسایل الکترونیکی آشنا باشید و کدهای حاصل، باید پروتکل های ارتباطی خاص و مجموعه دستورات استفاده شده توسط هر جزء را در نظر بگیرد.

الکترونیک یک طیف‌ سنج معمولاً شامل سیستم‌ های پردازش و دریافت سیگنال، شاترهای الکترونیکی، موتورها و  فعال کننده ها برای کنترل حرکت اجزای نوری و رابط‌ های ارتباطی داده برای اتصال به رایانه یا سایر دستگاه‌ های خارجی است.

بسته به نوع قطعات استفاده، با استفاده از رابط های سخت افزاری مناسبی مانند USB، GPIB یا اترنت می توان به آن متصل شد. در اسپکترومتر بلورآزما، رابط های  USB 2, 3 با سرعت بالای 480 Mbps استفاده شده است که امکان برقرای ارتباط سریع سیستم نرم افزار و سخت افزار را فراهم می کند.

اگر اسپکترومتر، بخشی از یک سیستم بزرگتر است (مانند یک ابزار علمی یا فرآیند صنعتی)، ممکن است لازم باشد که الکترونیک آن را با سایر اجزاء یکپارچه کنید. این ممکن است شامل نوشتن کد اضافی یا پیکربندی پروتکل های ارتباطی بین سیستم ها باشد.

از آنجا که اسپکترومتر بلورآزما، طیف وسیعی از طول موج ها رو پوشش می دهد (170-1100 nm)، طوری طراحی شده است که به راحتی با دیگر سیستم ها ادغام می شود و بسیاری از ویژگی های آن، با توجه به کاربردهای خاص، قابل تنظیم است.

ویژگی های اپتیکی اسپکترومتر بلورآزما

برخی از ویژگی های نوری اسپکترومتر بلورآزما عبارتند از:

مسیر نوری

مسیر نوری به مسافت نور هنگام حرکت در ابزار، از جمله شکاف ورودی، توری پراش تا رسیدن به آشکارساز اشاره دارد.

در اسپکترومتر بلورآزما، طول مسیر و زوایای اجزای مختلف به دقت طراحی شده اند تا اطمینان حاصل شود که دستگاه به درستی کار می کند و اندازه گیری های دقیقی را برای نور ورودی ارائه می دهد.

محدوده طول موج

بازه طول موجی کلی است که یک دستگاه طیف سنج می تواند اندازه گیری کند که البته قویاً و به طور مستقیم به مشخصات توری پراش و سیستم آشکارسازی بستگی دارد.

در اسپکترومترهای تولیدی شرکت بلورآزما، از توری های پراش با کیفیت روز دنیا و آرایه های خطی CCD استفاده شده است که بنابراین امکان آنالیز طیف وسیعی را برای کاربر فراهم می کند. ضمن اینکه بسته به نیاز کاربر می توان بازه ها را کم یا زیاد کرد و به تبع آن، رزولوشن دستگاه را نیز تغییر داد.

وضوح طیفی (رزولوشن)

وضوح طیفی یک طیف سنج به توانایی آن در تمایز بین دو طول موج یا مؤلفه فرکانسی مجاور هم در یک طیف اشاره دارد.

به طور کلی، قدرت تفکیک طیفی یک طیف سنج به عوامل مختلفی از جمله نوع توری یا سایر عناصر پراکننده، فاصله کانونی، اندازه شکاف و فناوری آشکارساز بستگی دارد.

وضوح طیفی بالاتر را می توان با فواصل کانونی بیشتر، شکاف های بزرگتر به دست آورد، اما این پیشرفت ها، معمولاً به قیمت کاهش توان نوری و افزایش قطعات اپتیکی و در نتیجه، افزایش هزینه انجام می شود.

دقت اسپکترومترهای بلورآزما، حداقل 5 nm است و بسته به نیاز کاربردی خاص، تا کمتر از 0.01 nm نیز میتوان ارتقاء داد.

نور سرگردان

نور ناخواسته ای است که وارد سیستم طیف سنج شده و در مقدار سیگنال اندازه گیری شده اختلال ایجاد می کند و در نتیجه، دقت نتایج را کاهش می دهد.

نور سرگردان می‌ تواند از منابع مختلفی مانند بازتاب‌ های درون دستگاه، پراکندگی نور از قطعات اپتیکی یا سطوح، یا نشت نور حاصل شود و برای به حداقل رساندن نور آن، استراتژی‌های مختلفی استفاده می‌ شود.

در طراحی مکانیکی اسپکترومتر بلورآزما، علاوه بر بهینه‌ سازی چیدمان و تراز بودن قطعات، از پوشش‌ های آندایز شده (پوشش های سیاه رنگ) و مواد جاذب نیز برای کاهش بازتاب های داخل دستگاه استفاده شده است.

این نوع طراحی، کمک شایانی به جلوگیری از ورود و تولید طول موج های ناخواسته کمک کرده (کمتر از 0.01%) و نسبت سیگنال به نویز را بهبود بخشیده است.

یکی از روش های رایج برای اندازه گیری نور سرگردانT استفاده از فیلتر چگالی خنثی است. این شامل قرار دادن یک فیلتر چگالی خنثی با کیفیت بالا در مقابل شکاف ورودی طیف‌ سنج است. فیلتر باید دارای مقدار تضعیف شناخته شده ای باشد تا بتوان میزان نور عبوری از فیلتر را به دقت تعیین کرد.

سپس طیف سنج برای اندازه گیری شدت نور تضعیف شده عبوری از فیلتر تنظیم می شود که به آن اندازه گیری مرجع می گویند. سپس بدون تغییر تنظیمات، فیلتر برداشته شده و شدت نور ورودی دوباره اندازه گیری می شود که به آن اندازه گیری نمونه گفته می شود.

نسبت اندازه گیری نمونه به اندازه گیری مرجع مقداری برای نور سرگردان می دهد. این نسبت به صورت درصد بیان می شود و در حالت ایده آل باید تا حد امکان پایین باشد.

نسبت سیگنال به نویز

نسبت سیگنال به نویز (SNR)، معیاری برای سنجش کیفیت داده های طیفی است که یک دستگاه اسپکترومتر تولید می کند که در حقیقت، نسبت دامنه سیگنال نمونه به انحراف معیار نویز در اندازه گیری است.

نسبت سیگنال به نویز بالا نشان می دهد که سیگنال بسیار قوی تر از نویز است، به این معنی که داده های طیفی دقیق هستند. در مقابل، SNR پایین نشان دهنده این است که نویز، نسبتاً قوی تر از سیگنال است، که می تواند تشخیص تغییرات کوچک در داده های طیفی را دشوار کند.

توجه به این نکته مهم است که بسته به نوع اندازه گیری انجام شده و شرایطی که داده ها تحت آن به دست می آیند، SNR می تواند متفاوت باشد زیرا انواع مختلف تابش های نمونه، ممکن است سطوح مختلفی از سیگنال به نویز تولید کنند و یا در طول موج های طولانی تر، به دلیل شدت نور کمتر، کاهش یابد.

نسبت سیگنال به نویز در دستگاه های اسپکترومتر بلورآزما، 500:1 است که نشان می دهد داده های طیفی حاصل از این دستگاه، از دقت بالایی برخوردار هستند.

طراحی اپتیکی

طرح اپتیکی اسپکترومتر بلورآزما از نوع Czerny-Turner است، نوعی طراحی نوری که معمولاً در طیف سنج ها استفاده می شود.

این طرح، از دو آینه مقعر تشکیل شده است که آینه اول نور را از شکاف ورودی دریافت می کند و آن را به یک پرتو موازی می رساند و آینه دوم نور پراکنده را از یک شبکه پراش بر روی شکاف خروجی یا آشکارساز متمرکز می کند.

طرح Czerny-Turner به دلیل توانایی آن در تصحیح انحرافات و کاهش اندازه ابزار نسبت به سایر طرح ها ارجحیت دارد. استفاده از آینه های مقعر نیز نیاز به عناصر انکساری را که مستعد جذب و پراکندگی هستند (تولید نور سرگردان)، از بین می برد.

در عمل، طرح Czerny-Turner می‌تواند طیف‌ های با کیفیتی تولید کند، اما برای عملکرد مناسب نیاز به تراز و کالیبراسیون دقیق دارد. علاوه بر این، وضوح و توان عملیاتی دستگاه را میتوان با تعدادی از عوامل از جمله کیفیت بالای قطعات اپتیک، اندازه شکاف ورودی و ویژگی‌ های شبکه پراش محدود کرد.

کاربردهای اسپکترومتر بلورآزما

کاربردهای رایج اسپکترومتر بلورآزما عبارتند از:

آنالیز شیمیایی: اسپکترومترهای بلورآزما به طور گسترده (به صورت مجزا یا در قالب طیف سنج نوری) در آزمایشگاه های شیمیایی، برای شناسایی و تعیین کمیت ترکیب شیمیایی مواد مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.

نجوم: در نجوم نیز از طیف سنج ها (که اسپکتروسکوپ نیز گفته می شوند) برای مطالعه خواص ستارگان و دیگر اجرام آسمانی استفاده می شود. با تجزیه و تحلیل نور ساطع شده از این اجرام، ستاره شناسان می توانند دما، ترکیب و سرعت آنها را تعیین کنند.

پایش محیطی: طیف سنج ها در پایش محیطی برای شناسایی آلاینده ها در هوا، آب و خاک استفاده می شوند. با تجزیه و تحلیل طیف جذب یا انتشار این مواد، دانشمندان می توانند غلظت آنها را تعیین کرده و منابع بالقوه آلودگی را شناسایی کنند.

تشخیص پزشکی: از این طیف سنج ها، برای اهداف تشخیصی نیز استفاده می شود. به عنوان مثال، یک طیف سنج می تواند برای تجزیه و تحلیل ترکیب شیمیایی نمونه های خون یا ادرار برای تشخیص بیماری هایی مانند دیابت یا سرطان استفاده شود.

علم مواد: با آنالیز تابش بازتابی، عبوری و یا جذبی یک ماده، دانشمندان می توانند ترکیب شیمیایی، ساختار و خواص فیزیکی آن مانند ضریب شکست و سختی آن را تعیین کنند.

طیف‌ سنج‌ ها اغلب در دستگاه‌ های دیگر برای اجرای برنامه‌ های خاص ادغام می‌ شوند. برخی از نمونه های این دستگاه ها عبارتند از:

طیف سنج های جذبی

نوری که توسط یک ماده جذب می شود، می تواند بینشی در مورد ساختار اتمی و موکلولی آن ارائه دهد. به عنوان مثال، پیک هایی که در طیف جذبی یک مولکول مشاهده می شود، مربوط به جدایی انرژی بین اوربیتال های الکترونی است.

استفاده از اسپکترومترها در آنالیز و تفکیک نور، می تواند اطلاعاتی را در مورد ماهیت پیوندهای شیمیایی موجود در ماده نشان دهد. همچنین مقدار نور جذب شده توسط یک نمونه، می تواند اندازه گیری کمی از غلظت مولکول های جذب کننده در نمونه را از طریق قانون بیر-لامبرت ارائه دهد.

تعیین ساختار LED، لیزر و موارد دیگر

طیف طول موج ساطع شده از منابع نور مصنوعی مانند لوله های فلورسنت، لامپ های هالوژن، LED ها و لیزرها مناسب بودن آنها را برای یک کاربرد مشخص تعیین می کند.

نورپردازی داخلی عموماً به طیف وسیعی از طول‌ موج‌ ها نیاز دارد. برای مثال، LED‌های نمایشگرهای رنگی باید نور رنگی خالصی را در طول موج مشخصی ساطع کنند و یا اینکه طول موج یک لیزر خاص تعیین می‌کند که سیگنال‌ ها تا چه اندازه می‌ توانند طی ارتباط فیبر نوری استفاده شوند.

اسپکترومتر بلورآزما، می تواند طیف های نوری از باند UV-A تا مادون قرمز نزدیک را ثبت، آشکارسازی و اندازه گیری کند.

دستگاه های فتوولتائیک

دستگاه های فتوولتائیک کارآمد، نیاز به تطبیق طیف جذب دستگاه با طیف انتشار منبع (معمولاً خورشید) دارند. در مرحله اول، اسپکترومتر بلورآزما امکان اندازه گیری مستقیم طیف منبع را فراهم می کند.

طیف "استاندارد" خورشید برای سلول های خورشیدی به خوبی مستند شده است، با این حال، با توجه به مکان جغرافیایی، زمان روز، فصل و آب و هوا می تواند متفاوت باشد. اسپکترومتر بلورآزما امکان اندازه گیری واقعی طیف تابش خورشیدی را فراهم می کند.

ثانیاً، می توان از این اسپکترومتر برای اندازه گیری طیف جذب مواد فتوولتائیک و مقایسه آن با تشعشع فرودی نیز استفاده کرد.

اندازه گیری بازده بازتاب پوشش های اپتیکی

در مواد اپتیکی، اغلب پوشش‌های لایه ای نازکی اعمال می‌ شود تا نحوه تعامل نور با سطح را تغییر دهند. این پوشش ها عموماً به شکل یک لایه فلزی برای ایجاد آینه و یا لایه هایی از مواد دی الکتریک شفاف هستند که برای افزایش یا کاهش انعکاس سطح به تأثیرات تداخلی متکی هستند.

پوشش های دی الکتریک، بعنوان پوشش های ضد انعکاسی بر روی عینک، لنز دوربین، لیزر و میکروسکوپ استفاده می شوند. اسپکترومترهایی با قابلیت هایی مانند اسپکترومتر بلورآزما را می‌توان برای تعیین کمیت اثربخشی پوشش و چگونگی تغییر آن با طول موج استفاده کرد.

تشخیص فلورسانس

اندازه‌ گیری‌ های فلورسانس مکمل جذب هستند (و عموماً بسیار حساس‌ تر) و می‌توانند اطلاعاتی در مورد حالت‌های ارتعاشی یک مولکول ارائه دهند.

آنها همچنین می توانند برای شناسایی مواد ناخالص ، آلاینده ها، شناسایی مواد و مشاهده تغییرات در یک محیط شیمیایی استفاده شوند.

مولکول های فلورسنت به طور گسترده ای در مطالعات بیولوژیکی برای "برچسب" دار کردن سلول ها یا پروتئین های خاص استفاده می شود و آنها را بیشتر قابل مشاهده می کند. از دستگاه های اسپکترومتر برای اندازه گیری طیف فلورسانسی این مولکول ها می توان استفاده کرد.

برای دیدن مشخصات فنی این دستگاه و مقایسه آن با دیگر برندهای مشابه و هم تراز، می توانید به بخش محصولات مراجعه نمایید و در صورت نیاز، می توانید کاتالوگ محصولات را نیز دانلود کنید.

منابع

Wikipedia