اجزای اصلی طیف سنج های نوری

طیف ­سنج های نوری

طیف سنجی نوری (اسپکتروفتومتری) روشی برای تعیین میزان جذب نور توسط یک ماده شیمیایی، با اندازه گیری شدت نور عبوری از محلول نمونه مورد آزمایش است. این تکنیک می تواند برای اندازه گیری مقدار (غلظت) یک ماده شیمیایی شناخته شده نیز استفاده شود (بر اساس قانون بیر-لامبرت).

این روش، یکی از مفیدترین روش‌ های آنالیز کمی در زمینه‌ های مختلف از جمله شیمی، فیزیک، بیوشیمی، مهندسی مواد، آب و فاضلاب و کاربردهای پزشکی است.

اصل اساسی این است که هر ماده، نور را در محدوده طول موجی مشخصی جذب کرده یا از خود عبور می دهد. با استفاده از طیف سنج های نوری، می توان شدت نور عبوری یا جذبی را اندازه گیری کرد و اطلاعات ارزشمندی را در مورد ماده مورد آنالیز به دست آورد.

به­ طور کلی، طیف­ سنج ­های نوری بر اساس عملکرد آنها، به سه گروه تقسیم می­ شوند:

• طیف سنج های نوری تبدیل فوریه
• طیف سنج های نوری تک رنگ ساز
• طیف سنج های نوری چند رنگ ساز

سه نوع اصلی طیف سنج های نوری

نوع اول از بین طیف سنج های نوری، به طیف ­سنج­ های تبدیل فوریه معروف هستند که معمولاً در پیکربندی آنها از یک تداخل ­سنج مایکلسون و یک تقسیم ­کننده­ پرتو نور (برای ایجاد دو مسیر نوری) استفاده می ­شود.

در این نوع از اسپکتروفتومترها، برای اندازه‌ گیری طیف یک ماده به جای پراکندگی نور، از تداخل نور استفاده می‌ شود. اساس این تکنیک روابط فوریه بین تابع تداخل ماده مورد آنالیز و طیف آن است.

تبدیل فوریه به شما امکان می دهد طیف با دامنه زمانی را به طیف دامنه فرکانس تبدیل کنید. توجه داشته باشید که تفسیر طیف های حوزه زمانی برای آنالیزهای کمی و کیفی دشوار است، در حالی که طیف فرکانسی به راحتی قابل تفسیر است.

به منظور اندازه ­گیری شدت، ابتدا تابع شدت طیف بدست می ­آید و این تکنیک، تفکیک نوری (وضوح نوری) بسیار بالایی فراهم می­ کند.

شکل1- مکانیزم کلی طیف سنج های نوری نوع تبدیل فوریه

دو دسته­ دیگر، طیف­ سنج ­های نوری تک­ رنگ ­ساز و  چند رنگ­ ساز هستند که تقریباً ساز و کار مشابهی دارند. با این تفاوت که محدوده طول موجی که در هرکدام به آشکارساز می رسد، متفاوت است.

اسپکتروفتومترهای تک ­رنگ ­ساز، با یک طراحی ساده، معمولاً دارای یک توری پراش چرخشی هستند و طول موج خاصی (تک رنگ) را از تابش الکترومغناطیسی فرودی جدا می­ کنند.

پرتو تابشی می ­تواند از طیف وسیعی از طول موج ­ها تشکیل شده باشد، اما طول موج ­هایی که ناخواسته هستند (در آنالیز مورد نیاز نیستند) و از طریق عناصر اپتیکی جذب گردیده یا پراکنده می شوند.

در این نوع از طیف ­سنج ­های نوری، بسته به طول موج، پرتو نور ( امواج الکترومغناطیسی) به طور یکپارچه منتشر می­ شود و از ماده نمونه عبور می کند.

از طریق یک عنصر پراکننده ( مثل منشور یا یک توری پراش)، نور به طول موج های کوچکتر تفکیک می شود و از طریق یک دیافراگم تقسیم کننده (مانند یک فیلتر)، یک محدوده طول موج حداقلی از نور (یعنی یک رنگ خاص) انتخاب می­ شود.

در نهایت، طول موج انتخابی به آشکارساز رسیده و ثبت و خوانش می شود. طیف حاصل، اطلاعات مولکولی ماده مورد آنالیز را در اختیار کاربر قرار می دهد.

شکل2- طیف سنج های نوری نوع تک رنگ ساز

در مقابل، طیف ­سنج­ های نوری چندرنگ ­ساز، سیستم ­هایی با آشکارسازهای چند کاناله هستند که معمولاً در چیدمان آنها هیچ کدام از اجزای طیف ­سنج نمی­ چرخد و توری ثابت است و کل طیف طول موجی، بر روی یک آشکارساز آرایه­ ای پخش می­ شود.

توری را نیز می ­توان بسته به نوع پیکربندی سیستم، از نوع تخت یا مقعر انتخاب کرد که در ادامه بیشتر به آن خواهیم پرداخت.

شکل 3- طیف سنج های نوری نوع چند رنگ ساز

اجزای اصلی طیف ­سنج های نوری

شکاف ورودی و خروجی

همان­طور که پیش از این نیز اشاره شد، طیف ­سنج های نوری سیستم تصویربرداری هستند که تعداد زیادی طول موج تک ­رنگ یا چند رنگ را بر روی صفحه­ آشکارساز تصویر می­ کنند.

اندازه شکاف ورودی و خروجی، در عملکرد طیف­ سنج های نوری بسیار مهم است زیرا عامل مهمی در تعیین تفکیک یا توان تفکیک است.

معمولاً نوری که وارد دستگاه اسپکتروفتومتر می‌ شود، از طریق یک فیبر یا عدسی بر روی شکاف ثابت تراز گردیده و متمرکز می‌شود. شکاف­ های با عرض بزرگ، شدت بالا را ممکن می­ کنند، اما عرض طیفی بالایی خواهند داشت.

شکل4- شماتیکی از نقش شکاف های ورودی و خروجی در طیف­ سنج های نوری تک­ رنگ ­ساز

توری پراش

توری های پراش، یکی دیگر از مهم­ ترین بخش های طیف­ سنج های نوری هستند که الگویی تکرار شونده با فاصله­ یکنواخت از خطوطی می باشند که فاز یا دامنه­ نور فرودی را تحت تأثیر قرار می ­دهند و بسته به زاویه­ تابش نور، الگوهای طیفی روی سطح تصویربرداری در پشت توری قابل تشخیص است.

طیف­ های نوری حاصل از توری پراش به این دلیل قابل تشخیص هستند که زاویه­ پراش به طول موج نور بستگی دارد و نور با طول موج بلندتر، معمولاً زاویه پراش بزرگ­تری را نشان می­ دهد (شکل­ 5).

به طور دقیق ­تر، یک طول موج منفرد ممکن است به طور همزمان چندین زاویه­­ پراش گسسته را نمایش دهد که به عنوان مرتبه ­های پراش شناخته می­ شوند (شکل 6).

این بدان معنی است که یک توری، یک پرتو چند رنگی فرودی را به اجزای طول موج تشکیل دهنده­ آن جدا می­ کند و بنابراین گفته می ­شود که نور پراکنده شده است (بر اساس قانون براگ).

شکل5- عملکرد کلی یک توری پراش در طیف سنج های نوری

شکل6- مرتبه های پراش

سه نوع رایج توری پراش

جدای از چگالی خط، توری بیش از همه با مقطع عرضی شیار آن تعریف می­ شود زیرا پروفیل­ های مناسب می­ توانند بازده پراش را بهینه کنند و در حال حاضر سه شکل مختلف توری پراش استفاده می­ شود:

• توری سینوسی
• توری بِلِیز
• توری لَمینار

شکل7- شماتیک توری پراش بلیز

شکل8- شماتیک توری­ پراش سینوسی

شکل9- شماتیک توری پراش لَمینار

با تنظیم زاویه­ تابش و فاصله­ شکاف از توری پراش، محدوده­ طول­ موجی و توان تفکیک طیف ­سنج های نوری تعیین می­ شود و انتخاب یک توری پراش مناسب، یک عامل کلیدی در بهینه­ سازی طیف­ سنج های نوری، برای حصول بهترین نتایج طیفی در کاربردهای خاص است.

آشکارساز

نقش آشکارساز در طیف سنجی این است که شدت نور منتقل شده از توری پراش را تشخیص دهد و داده ­های حاصل را برای ثبت و نمایش به یک سنجش­گر  بفرستد.

به­ طور کلی، برای آشکارسازی نور در طیف سنج های نوری دو راه وجود دارد:

• راه اول، شامل انتخاب طول­ موج جداشده توسط توری پراش و عبور آن از شکاف خروجی و آشکارسازی آن توسط یک آشکارساز یک­پارچه است و این ایده معمولاً در طیف سنج های نوری تک­ رنگ ­ساز استفاده می ­شود.
• راه دوم، شامل آشکارسازی تمام طیف جداشده به ­صورت همزمان است و این ایده ویژ­ه طیف سنج های نوری­ چندرنگ­ ساز است.

در اسپکتروفتومترهای مدرن معمولاً از آشکارسازهای نوع  بار جفت شده (CCD) استفاده می­ شود که آرایه­ ای از خازن­ های نوری هستند (طیف­ نگار نیز نامیده می ­شوند). این نوع حسگرها، سطوح صافی دارند و بنابراین می­ توانند بهترین تمرکز را در بیش از دو نقطه فراهم کنند.

در برخی آشکارسازهای مدرن نیز از آشکارسازهای نوع CMOS ( نیم‌رسانای اکسید-فلز مُکمِّل) بعنوان جایگزینی برای CCDها استفاده می­ شود که این حسگرها نیز در فرایندی مشابه با  CCDها، فوتون‌ ها را تبدیل می‌ کنند اما سرعت­ بالاتری نسبت به آنها دارند.

هر دوی این آرایه ­های آشکارسازی، از پیکسل­ هایی تشکیل شده ­اند که هر پیکسل نشان ­دهنده­ بخشی از طیف است که به صورت الکترونیکی و با استفاده از نرم ­افزار، با شدت معینی ترجمه و نمایش داده شده است.

شکل 10- عملکرد یک آشکارساز آرایه­ ای CCD

شکل11- یک آرایه­ ی CMOS

نقش آشکارساز ها در طیف سنج های نوری

با توجه به نقش مهم آشکارسازها در طیف سنج های نوری، حسگرهای CMOS، مزیت­ هایی نسبت به نوع CCD دارند که در زیر، به برخی از مهم­ترین آنها اشاره شده است:

• ادغام توابع همراه روی همان قالب سنسور تصویر، ایجاد قابلیت دوربین روی چیپ یا سیستم روی چیپ
• مصرف توان پایین
• کاهش اندازه سیستم تصویربرداری، در نتیجه­ یکپارچگی و کاهش مصرف انرژی
• توانایی استفاده از خطوط تولید یکسان CMOS به عنوان جریان اصلی منطق و ساخت دستگاه حافظه
• صرفه جویی در مقیاس برای تولید تصویرگر CMOS.

شکل12- تفاوت ساختاری CCD و CMOS

خلاصه

در این مقاله، به انواع کلی طیف سنج های نوری پرداختیم که بطور کلی در سه دسته جای می گیرند:

• طیف سنج های نوری نوع تبدیل فوریه
• طیف سنج های نوری تک رنگ ساز
• طیف سنج های نوری چند رنگ ساز

و در بخش های بعدی، به اجزای اصلی یک طیف سنج نوری پرداختیم:

• شکاف های ورودی و خروجی که تأثیر مستقیمی بر وضوح و تفکیک اسپکتروفتومترها دارند
• توری های پراش که عامل پراکننده نور هستند
• و آشکارسازها که وظیفه ثبت طول موج ها و طیف را دارند.

در آخر به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که از بخش محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما نیز دیدن کنید و در صورت نیاز کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود کرده و حتی برای دوستان خود بفرستید.

امیدواریم که این مقاله مفیده بوده است😍

پیشنهاد می کنیم مقاله اسپکتروفتومتر را برسی کنید

منابع و مراجع

Palmer, Diffraction Grating Handbook (Newport Corporation, Rochester, NY, ed. 6, 2005).

C. Thompson and D. Vaudhn, X-Ray Data Booklet, 2nd ed. (Lawrence Berkeley Laboratory, 2001).

Jacob Baker, CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation, 3^rd Edition. IEEE Press Series on Microelectronic Systems, 2019. ISBN 978-0-470-88132-3

G. Loewen, Diffraction Gratings and Applications (Marcel Dekker, 1997).

A. More, Encyclopedia of Modern Optics, 2005, Pages 324-336.

M. Daltrini, M.Machida, Multichannel detector for ion temperature determination in vacuum ultraviolet spectrum, 2007.

Grabarnik, A. Emadi, H. Wu, G. De Graaf, R.F. Wolffenbuttel, “Concave diffraction gratings fabricated with planar lithography,” Micro.

wikipedia