انواع چیدمان اسپکتروفوتومتر از نظر سیستم اپتیکی

منظور از چیدمان اسپکتروفوتومتر چیست؟

اسپکتروفوتومتر، یکی از محبوب ترین نوع طیف سنج جهت آنالیز کمی و کیفی مواد در تحقیقات علمی و آزمایشگاهی است و اجزای اپتیکی آن، در انواع مختلفی از پیکربندی ها (یا به اصطلاح چیدمان اسپکتروفوتومتر) ساختاربندی می شوند.

بسیاری از ویژگی‌ های ساختاری چیدمان اسپکتروفوتومتر، مانند نوع نصب قطعات و عناصر پراکنده کننده نور ورودی به سیستم، بر میزان وضوح و دقت نتایج خروجی تأثیر مستقیم و قابل توجهی دارند.

در حقیقت، نوع چیدمان اسپکتروفوتومتر، بر پیکربندی و اندازه شکاف‌ های ورودی و خروجی، عناصر پراکننده نور (ثابت یا متحرک) و بخش آشکارسازی درون سامانه (نوع آشکارساز) تأثیر می‌ گذارد و بنابراین تعیین می‌ کند که نور چگونه از دستگاه عبور کند.

بنابراین، انتخاب مناسب‌ ترین چیدمان اسپکتروفوتومتر یا مانت اپتیکی، متناسب با کاربرد ویژه بسیار مهم و کلیدی است و با توجه به عملکرد دستگاه های اسپکتروفوتومتر، چیدمان­ های گوناگونی طراحی و ساخته شده ­اند.

در این مقاله چند نوع رایج چیدمان اسپکتروفوتومتر که معمولاً برای طیف سنجی در محدوده طول موجی UV-Vis-NIR کاربرد دارند، ارائه شده است که به دو دسته کلی زیر تقسیم می شوند:

• طرح های رولند، که مبنای چیدمان اسپکتروفوتومتر بر اساس قرار گیری بر روی محیط دایره معروف رولند است.
• طرح های غیر رولند، که نحوه چیدمان اسپکتروفوتومتر دایره ای نیست.

سیستم اپتیکی با طرح رولند 

چیدمان اسپکتروفوتومتر رولند، نوعی چیدمان است که درساختمان آنها از یک توری پراش مقعر ثابت استفاده می شود و به تبع آن، اجزای طیفی دستگاه اسپکتروفوتومتر بر روی محیط دایره ای، معروف به دایره رولند، قرار می گیرند.

اسپکتروفوتومتر با سیستم اپتیکی طرح رولند، جهت اندازه گیری شدت نور به عنوان تابعی از طول موج و برای دستیابی به وضوح و دقت طیفی بالا  طراحی شده است.

دایره رولند، دایره ای با قطری برابر با شعاع انحنای توری پراش است و توری، آینه ها و شکاف ها در امتداد محیط این دایره قرار می گیرند و بسته به نوع آرایش دقیق آنها، انواع مختلفی از پیکربندی رولند وجود دارد.

انواع مختلفی از پیکربندی رولند بر اساس چیدمان دقیق توری و شکاف­ ها وجود دارد که برخی از آنها در شکل 3 نشان داده شده­ اند.

قدیمی ­ترین نوع نصب توری مقعر همان است که توسط خود رولند طراحی شده است و نام او را یدک می­ کشد (شکل 3-b).

در این چیدمان، توری و صفحه آشکارسازی به طور ثابت در دو انتهای مخالف هم بر روی قطر دایره رولند قررار می گیرند، شکاف ورودی ثابت می­ ماند و  شکاف خروجی آزاد است تا در امتداد دایره حرکت کند.

در مانت­ های Eagle (شکل‌ های 3-d و 3-e)، زوایای فرعی و پراش برابر یا تقریباً برابر است و شکاف ورودی، توری و شکاف خروجی همیشه بر روی دایره رولند قرار می­ گیرند و این مزیت را دارد که پراکندگی از نوع خطی است که در تعیین دقیق طول موج­ ها مفید است.

در نوع Paschen-Runge، از مجموعه ای از آینه های مقعر استفاده می شود و نور وارد شده به طیف‌ نگار پیش از رسیدن به آشکارساز، بین آینه‌ های اپتیکی به عقب و جلو بازتاب می‌ شود و به طور موثر طول مسیر و قدرت تفکیک دستگاه را افزایش می‌ دهد.

اجزای چیدمان اسپکتروفوتومتر رولند

یک اسپکتروفوتومتر با طرح رولند، معمولاً از اجزای زیر تشکیل می شود:

شکاف ورودی

شکاف ورودی یا اسلیت، امکان ورود یک پرتو باریک نور به داخل سیستم اسپکتروفوتومتر را می دهد.

عدسی/آینه موازی ساز

نور پس از عبور از شکاف ورودی، با استفاده از عدسی ها یا آینه ها هماهنگ می شود که موازی بودن پرتوها و ورود حداکثری نور را تضمین می کند.

توری پراش مقعر

ویژگی کلیدی اسپکتروفوتومتر رولند، توری پراش مقعر است. بر خلاف اسپکتروفوتومترهای سنتی که از توری های تخت یا منشورها استفاده می کنند، توری پراش مقعر در چیدمان اسپکتروفوتومتر با طرح رولند، به دلیل سطح خمیده اش امکان پراکندگی بهتر نور را فراهم می کند.

نور موازی شده سپس با توری پراش مقعر مواجه می شود که طور ویژه از شیارها یا خطوطی روی سطح منحنی آن طراحی شده است که نور ورودی را در طول موج های تشکیل دهنده آن پراکنده می کند.

این انحنا، توری پراش را قادر می سازد تا طول موج های پراکنده را با دقت بیشتری روی آشکارساز متمرکز کند و به همین دلیل، به طور قابل توجهی ابیراهی را کاهش می ­دهد.

لنز/آینه متمرکز کننده

پس از اینکه نور از طریق توری پراش تفکیک می شود، معمولاً یک لنز یا آینه فوکوس کننده طول موج انتخاب شده را به سمت آشکارساز هدایت می کند.

آشکارساز

آشکارساز، شدت نور را در طول موج خاص اندازه گیری کرده و آن را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند که تا بتوان طیف نهایی را برای آنالیز نمایش داد.

انواع چیدمان اسپکتروفوتومتر غیر رولند

در بسیاری از انواع چیدمان اسپکتروفوتومتر، چیدمان توری پراش و قطعات اپتیکی طیف گیری به صورت دایره ای نیست و حصول نتایج طیفی مشخص، در طرح های مختلفی صورت می گیرد.

به طور کلی سه نوع رایج از طرح های اپتیکی غیر رولند وجود دارند:

• طرح اپتیکی Ebert-Fastie
• طرح اپتیکی Czerny-Turner
• طرح اپتیکی Littrow 

چیدمان Ebert-Fastie

یکی از انواع چیدمان اسپکتروفوتومتر غیر رولند، طرح اپتیکی Ebert-Fastie است که شامل قطعاتی مانند شکاف های ورودی و خروجی، توری پراش (معمولاً از نوع تخت) و یک سیستم آشکارساز آرایه ای می­ باشد.

طرح های اولیه از این نوع چیدمان اسپکتروفوتومتر، ابتدا بر اساس دو آینه مقعر مجزا توسعه داده شد ه بودند که یکی از آینه ها برای همسو کردن پرتو فرودی و دیگری برای متمرکز کردن طیف پراشیده شده به کار می رفت.

با توسعه فناوری آینه های اپتیکی، از یک آینه مقعر بزرگ­ تر استفاده شد که ساختار را ساده ­تر کرده و یک اسپکتروفوتومتر فشرده تری تولید شد که در بسیاری از حوزه ها از جمله در رصدهای موشکی و فضایی برای کاربردهای نجومی و جوی استفاده می­ شود.

چیدمان اپتیکی Czerny-Turner

چیدمان اسپکتروفوتومتر نوع زرنی-ترنر یکی از محبوب‌ ترین و رایج ترین انواع پیکربندی­ های اپتیکی است که در آن دو  آینه‌ کروی موازی­ ساز و همگرا کننده به صورت مجزا و یک توری پراش استفاده می‌­ شود.

ساختمان این چیدمان به گونه ای طراحی می شود که ادوات نوری یک صفحه­ کانونی مسطح را ایجاد می‌ کنند که نور مسیری شبیه به شکل M یا W را دنبال می­ کند.

این طرح برای آشکارسازهای CCD بسیار مناسب است و مزایایی مانند وضوح بالا، دقت طول موج عالی و انعطاف‌پذیری در انتخاب توری های پراش با چگالی شیارهای مختلف برای محدوده‌های طیفی متنوع را ارائه می‌دهد.

طرح Czerny–Turner مسابه با طرح Ebert است، تنها با این تفاوت که توری تخت در همان صفحه­ ای قرار دارد که شکاف­ های ورودی و خروجی تعبیه شده اند و در نتیجه، وضوح طیفی بالایی را امکان­ پذیر می ­کند.

مانت Littrow

چیدمان اسپکتروفوتومتر با طرح Littrow متشکل از یک عدسی مقعر است که همزمان هم به عنوان یک موازی­ ساز و هم به عنوان یک همگرا کننده می کند.

در این چیدمان، ساختار کمی متفاوت است. نور تفکیک شده با استفاده از توری پراش، با استفاده از آینه ای که در زاویه ای خاص قرار داده شده است (زاویه لیترو)، به سمت خود توری منعکس می شود و بنابراین، امکان جداسازی و اندازه گیری بدون نیاز به اجزای نوری اضافی را فراهم می کند.

در این نوع پیکربندی، معمولاً استفاده از توری های پراش نوع بلیز استفاده می شود که کارایی بسیار بالایی در طول موج بلیز خود دارند و تفکیک قابل قبولی را ارائه می دهند.

با این حال، محدودیت طیفی و انعکاس­ های داخلی متعدد ( نور سرگردان) مشکلات بالقوه­ ای هستند که باعث شده است این پیکربندی محبوبیت کمتری نسبت به پیکربندی های دیگر داشته باشد.

نتیجه گیری

استفاده از یک توری پراش مقعر در چیدمان اسپکتروفوتومتر با طرح رولند، منجر به بهبود وضوح طیفی و به حداقل رساندن انحرافات در مقایسه با پیکربندی‌ های دیگر می‌شود.

این چیدمان، امکان انتخاب و اندازه‌ گیری دقیق طول موج‌ ها را فراهم می‌ کند، و آن را به ویژه برای کاربردهایی که نیاز به طیف‌ سنجی با وضوح بالا دارند، مانند ویژگی‌ های طیفی بسیار دقیق یا شناسایی خطوط جذب یا نشر با فاصله نزدیک، مناسب می‌ سازد.

با این وجود، چیدمان های دیگری نیز رایج هستند که بسته به محدوده طیفی و نوع کاربرد ویژه، عملکردهای به خصوصی دارند و به نیازهای آنالیز طیفی مواد کمک می کنند، از جمله طرح های زرنی-ترنر، لیترو و Ebert-Fastie.

در این مقاله سعی بر این شد که انواع چیدمان اسپکتروفوتومتر که رایج هستند را توضیح دهیم. امیداوریم که این مطلب برای شما مفیده بوده است.😍

به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که از بخش محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما نیز دیدن کنید و در صورت نیاز، می توانید کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود نمایید.💐

پیشنهاد می کنیم مقاله اسپکتروفتومتر را برسی کنید

منابع

wikipedia

K.A. More, Rowland Circles: An Overview

A. C. Thompson and D. Vaudhn, X-Ray Data Booklet