اسپکتروفوتومتر، یکی از محبوب ترین و‎ مهم‎ ترین‎ ابزارهای‎ آنالیز‎ اپتیکی‎ مواد‎ در تحقیقات علمی، آزمایشگاهی‎ و‎ صنعتی‎ است.‎دقت، تفکیک پذیری و بازده عملکردی آن تا حد زیادی به نوع پیکربندی آن وابسته است. به همین دلیل شناخت پیکربندی های مختلف اسپکتروفتومتر برای انتخاب، طراحی و یا استفاده صحیح از آنها ضروری است.‎ در این مقاله، به معرفی انواع پیکربندی های رایج اسپکتروفتومتر، ویژگی ها، مزایا و محدودیت های آنها می پردازیم. با ما همراه باشید.

منظور از پیکربندی‎ اسپکتروفوتومتر چیست؟

پیکربندی اسپکتروفتومتر یکی از عوامل کلیدی در تعیین دقت و محدوده کاربرد این دستگاه است. نحوه چیدمان اپتیکی‎ اجزا، مسیرهای عبور نور و روش تفکیک طول موج‎ ها، همگی در قالب پیکربندی اسپکتروفتومتر تعریف می شوند و نقش مستقیمی در کیفیت داده های طیفی حاصل دارند.‎ به زبان ساده، پیکربندی اسپکتروفتومتر مشخص می کند که نور چگونه از منبع تولید شده، چگونه تفکیک شود و در نهایت به آشکارساز برسد.

بنابراین، انتخاب مناسب‌ ترین چیدمان یا مانت اپتیکی، متناسب با کاربرد ویژه بسیار مهم و کلیدی است و‎ ‎در طی سال‎ ها، پیکربندی های مختلفی برای اسپکتروفتومترها توسعه یافته اند تا نیازهای متنوع آزمایشگاهی، صنعتی و تحقیقاتی را پوشش دهد. با وجود این، اغلب پیکربندی ها را می توان در دو گروه کلی زیر در نظر گرفت:

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

اهمیت‎ ‎پیکربندی‎‎ ‎اسپکتروفتومتر‎ ‎و‎ ‎کالیبراسیون

پیکربندی اسپکتروفتومتر و کالیبراسیون دو عامل اساسی در تضمین دقت، تکرارپذیری و صحت نتایج طیف سنجی هستند. حتی پیشرفته ترین آشکارسازها و منابع نوری، در صورت انتخاب نادرست پیکربندی‎ اپتیکی‎ یا کالیبراسیون نامناسب، نمی توانند نتایج قابل اعتمادی داشته باشند. از این رو، توجه همزمان به پیکربندی و کالیبراسیون اسپکتروفتومتر برای تمامی کاربردهای آزمایشگاهی و صنعتی ضروری است.
پیکربندی اسپکتروفتومتر نقش تعیین‌کننده ای در نحوه‌ انجام، دقت و پایداری کالیبراسیون اسپکتروفتومتر دارد. چیدمان اپتیکی دستگاه مشخص می کند که خطاهای سیستماتیک چگونه ایجاد می شوند و کالیبراسیون تا چه حد می تواند این خطاها را اصلاح کند. به همین دلیل، کالیبراسیون را نمی توان فرآیندی مستقل از پیکربندی اسپکتروفتومتر در نظر گرفت.
نوع پیکربندی اسپکتروفتومتر، از جمله استفاده از توری پراش مقعر یا تخت، تعداد و نوع آینه ها و عدسی ها، و نحوه‌ متمرکز شدن نور بر روی آشکارساز، مستقیماً بر کالیبراسیون طول موج اثر می گذارد. در پیکربندی هایی با مسیر نوری ساده تر، مانند برخی از طرح های رولند، تغییرات مکانیکی و حرارتی کمتر بوده و کالیبراسیون طول موج معمولاً پایدارتر است. در مقابل، در پیکربندی های غیر رولند با اجزای اپتیکی متعدد، حساسیت به ناترازی افزایش یافته و نیاز به کالیبراسیون دقیق تر و دوره‌ای کوتاه تر وجود دارد.
همچنین‎ پیکربندی اسپکتروفتومتر بر کالیبراسیون شدت (Intensity Calibration) تأثیر می گذارد. تلفات نوری ناشی از بازتاب ها، جذب نور توسط اجزای اپتیکی و تغییر بازده توری پراش، همگی تابعی از پیکربندی هستند. هرچه تعداد اجزای اپتیکی بیشتر باشد، پاسخ طیفی دستگاه پیچیده تر شده و فرآیند کالیبراسیون شدت اهمیت بیشتری پیدا می کند.
علاوه بر این، پیکربندی اسپکتروفتومتر تعیین می کند که چه نوع منابع مرجع و روش های کالیبراسیون قابل استفاده هستند. برخی پیکربندی ها امکان استفاده‌ مستقیم از لامپ های مرجع طول موج یا منابع پیوسته‌ شدت را فراهم می کنند، در حالی که در برخی دیگر، اصلاح های نرم افزاری وابستگی بیشتری به چیدمان اپتیکی دستگاه دارند.
در مجموع، انتخاب پیکربندی مناسب اسپکتروفتومتر می تواند فرآیند کالیبراسیون را ساده تر، پایدارتر و دقیق تر کند. بنابراین، در طراحی و بهره برداری از اسپکتروفتومترها، توجه به ارتباط مستقیم بین پیکربندی و کالیبراسیون، نقش کلیدی در تضمین صحت و تکرارپذیری داده های طیفی ایفا می کند.

پیکربندی اسپکتروفتومتر‎ با طرح رولند 

پیکربندی 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 زیر‎ ‎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-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 d و 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 دستگاه‎ اسپکتروفوتومتر را می دهد.

عدسی/آینه موازی ساز

نور پس از عبور از شکاف ورودی، با استفاده از عدسی ها یا آینه ها تنظیم‎ و‎ موازی‎ تا ورود حداکثری نور را تضمین شود.

توری پراش مقعر

ویژگی کلیدی اسپکتروفوتومتر با‎ پیکربندی‎ رولند، توری پراش مقعر است. بر خلاف اسپکتروفوتومترهای سنتی که از توری های تخت یا منشورها استفاده می کنند، توری پراش مقعر در پیکربندی‎ اسپکتروفوتومتر 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 به‎ 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 بر‎ 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.‎ ‎در‎‎ برخی‎ ‎از‎ ‎سیستم‎‎ ‎ها‎ ‎نیز‎ ‎ممکن‎ ‎است‎ ‎نیازی‎ ‎ ‎نباشد.

آشکارساز

آشکارساز، شدت نور را در طول موج های‎ مختلف‎ ثبت و‎ اندازه گیری کرده (سیگنال‎ ‎آنالوگ)‎ و آن را به یک سیگنال الکتریکی دیجیتال‎ تبدیل می کند که تا بتوان طیف نهایی را برای آنالیز به‎ کاربر‎ نمایش داد.

انواع چیدمان اسپکتروفوتومتر غیر رولند

در بسیاری از انواع پیکربندی 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:

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

پیکربندی‎ ‎اسپکتروفتومتر‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ Ebert-Fastie

یکی از انواع‎ رایج‎ پیکربندی‎ 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 اپتیکی، ابتدا بر اساس دو آینه مقعر مجزا توسعه داده شد 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.

پیکربندی‎ ‎ اسپکتروفتومتر‎ Czerny-Turner

پیکربندی 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 مشابه 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.

پیکربندی‎ ‎ اسپکتروفتومتر‎ Littrow

پیکربندی 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 اپتیکی‎ 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 مرسوم‎ است‎‎ زیرا‎ راندمان‎ 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.

دلایل‎ ‎استفاده‎ ‎از‎ ‎پیکربندی‎ ‎های‎ ‎شناخته‎ ‎شده‎‎ ‎در‎‎ تولید‎ ‎اسپکتروفتومتر

• دلیل اینکه بیشتر سازندگان و کاربران از پیکربندی های شناخته شده اسپکتروفتومتر استفاده می کنند، به ترکیبی از عوامل علمی، عملی و اقتصادی باز می گردد:
  عملکرد اثبات شده و قابل اعتماد
  پیکربندی های رایج، سال ها در کاربردهای آزمایشگاهی و صنعتی استفاده شده اند و رفتار اپتیکی آن‌ها به خوبی شناخته شده است و می توان با اطمینان بیشتری به دقت و پایداری نتایج تکیه کرد.
  سهولت تنظیم و کالیبراسیون
  در پیکربندی های شناخته شده، روش های استانداردی برای تنظیم و کالیبراسیون اسپکتروفتومتر وجود دارد. این موضوع زمان راه اندازی دستگاه را کاهش داده و احتمال بروز خطاهای ناشی از تنظیمات نادرست را کمتر می کند.
  کاهش ریسک خطاهای اپتیکی
  طراحی های استاندارد، خطاهای رایج مانند ابیراهی ها، ناهمراستایی اجزا و انحراف طول موج را به حداقل می‌رساند. در نتیجه کیفیت رزولوشن طیفی و دقت اندازه گیری قابل پیش‌بینی تر است.
  پشتیبانی فنی و منابع آموزشی گسترده
  پیکربندی های مرسوم ارائه شده در کتاب ها، مقالات علمی و راهنماهای فنی به طور کامل توضیح داده شده اند. این منابع آموزش کاربران، عیب یابی و نگهداری دستگاه را ساده تر می کند.
  صرفه اقتصادی و سهولت ساخت
  استفاده از پیکربندی های شناخته شده هزینه طراحی، تست و تولید را به طور چشمگیری کاهش می دهد. همچنین قطعات و تجهیزات مورد نیاز برای این طرح ها به راحتی در دسترس هستند.
  به‌طور خلاصه، استفاده گسترده از پیکربندی‌های شناخته‌شده به این دلیل است که دقت، پایداری، قابلیت تنظیم و کالیبراسیون، و ریسک کمتر را همزمان فراهم نموده و برای اغلب کاربردهای اسپکتروفتومتری انتخابی مطمئن به شمار می آیند.
  آیا این کار استاندارد است؟
  بله، این کار کاملاً استاندارد است و در حوزه اسپکتروفتومتری به‌عنوان یک رویه پذیرفته شده علمی و صنعتی شناخته می شود. در استانداردهای بین‌المللی و رویه های آزمایشگاهی، معمولاً استفاده از پیکربندی های شناخته شده اسپکتروفتومتر توصیه یا فرض گرفته می شود، چون این پیکربندی ها دارای رفتار اپتیکی قابل پیش بینی هستند و روش های مشخصی برای تنظیم و کالیبراسیون اسپکتروفتومتر دارند. به همین دلیل، بسیاری از استانداردهای اندازه گیری، دقت دستگاه را بر اساس چنین طراحی هایی تعریف می کنند.
  از نظر تولیدکنندگان دستگاه نیز این یک رویه استاندارد است؛ زیرا:
  عملکرد دستگاه با پیکربندی های مرسوم قابل تضمین است
  امکان کالیبراسیون مطابق با استانداردهای مرجع وجود دارد
  نتایج دستگاه با سایر اسپکتروفتومترها قابل مقایسه می شود
  همچنین در مقالات علمی و کاربردهای صنعتی، استفاده از پیکربندی های استاندارد نتایج قابل تکرار و قابل استنادی ارائه می کند. به همین دلیل، هرچند طراحی های نوآورانه ممکن است وجود داشته باشند، اما در عمل استفاده از چیدمان های اپتیکی شناخته شده بعنوان یک رویکرد استاندارد و معتبر در اسپکتروفتومتری پذیرفته شده است.
  

نتیجه گیری

در این مقاله سعی بر این شد که انواع پیکربندی‎ اسپکتروفوتومتر که رایج هستند را توضیح دهیم. امیداوریم که این مطلب برای شما مفیده بوده است.😍‎ استفاده از یک توری پراش مقعر در پیکربندی‎ 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.

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.💐‎ برای‎ اطلاع‎ از‎ جزئیات‎ عملکرد‎ دستگاه‎ اسپکتروفتومتر‎ می توانید‎ مقاله اسپکتروفتومتر را برسی کنید.

منابع

wikipedia

K.A. More, Rowland Circles: An Overview

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