تمامی محصولات شرکت دارای حداقل 2 سال گارانتی و 15 سال خدمات پس از فروش می باشد arrow

اسپکتروفوتومتری مدرن
زمان مطالعه : 17 دقیقه

تاریخچه تحول و توسعه اسپکتروفوتومتری مدرن (قسمت 2)

تاریخچه جامع اسپکتروفوتومتری مدرن

در مقاله تاریخچه تحول و توسعه طیف سنجی نوری قسمت 1، به طور مفصل در مورد نحوه روند توسعه روش های کلاسیک طیف سنجی پرداختیم. در این مقاله، به اسپکتروفوتومتری مدرن می پردازیم.

اسپکتروفوتومتری چیست؟

اصطلاح اسپکتروفوتومتری، توسط انجمن اپتیک آمریکا، با عنوان اندازه گیری انرژی تابشی نسبی (تابعی از طول موج) تعریف شده است.

انرژی تابشی (امواج الکترومغناطیسی) یا مستقیماً از یک منبع ساطع کننده تأمین می شود و یا ممکن است توسط مواد جذب کننده منتقل، جذب یا منعکس شود.

اسپکتروفوتومتری، شاخه‌ ای از شیمی-فیزیک است که توانسته است جایگاه بسیار ویژه ای در علوم و صنایع مختلف جذب کند و کاربردهای زیادی در حوزه های مختلف علوم و صنعت دارد.

از جمله مزایای تکنیک اسپکتروفوتومتری می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • حذف روش های مقایسه ای سنتی برای آنالیز
  • کالیبراسیون مستقیم با چند اندازه گیری ساده
  • توانایی تعیین مستقل ترکیب مواد رنگی
  • ارزیابی دقیق خطاها
  • گسترش اندازه گیری مناطق نامرئی طیف (UV، IR و …)

روش های اسپکتروفتومتری مدرن

در قرن نوزدهم تلاش بسیاری از دانشمندان، به توسعه تدریجی طیف عناصر متعدد منجر شد، با این حال، بیشتر مدل های مدرن تا دهه 1900 توسعه نیافته بودند.

طیف‌ های ارتعاشی برای اولین بار به شکل نوارهای جذبی در ناحیه IR مورد مطالعه قرار گرفتند که در سال 1800، بعنوان اولین ناحیه غیرقابل مشاهده امواج الکترومغناطیسی توسط ویلیام هرشل کشف شد.

منشور شیشه‌ ای هرشل، تنها ابتدای محدوده طیفی IR را منتقل می‌ کرد، چیزی که ما اکنون آن را ناحیه فروسرخ نزدیک (NIR) می‌نامیم.

Herchel

شکل1- سیستم اسپکتروفوتومتری هرشل و کشف محدوده طیفی NIR

پس از چندین اصلاح، سرانجام ملونی (Melloni) توانست با استفاده از یک شکاف، یک عدسی سنگ نمک برای ارائه تصویری از شکاف، منشوری با موقعیت ثابت و یک ترموپیل شکاف‌ مانند، یک سیستم طیف‌ سنجی نوری را طراحی نماید.

نزدیک به چهار دهه، این دستگاه  ابزاری اساسی برای مطالعه تابش MIR باقی ماند، اما قدرت تفکیک محدودی داشت زیرا برای پوشش کامل آشکارسازی تشعشع، به شکاف‌ های پهن تری نیاز بود.

در سال 1880، ساموئل لنگلی (Samuel P. Langley) تصمیم گرفت تا با طراحی یک آشکارساز کوچک برای استفاده با شکاف‌ های باریک، که ظرفیت گرمایی پایینی نیز داشتند، بر این مشکل غلبه کند.

این آشکارساز که او آن را بالومتر نامید، از یک سیم پلاتین سیاه شده باریک بود که از یک بازوی پل وتستون تشکیل شده بود و مقاومت آن با دما تغییر می کرد.

با توسعه مکانیک کوانتومی و گسترش تکنولوژی، دانشمندان توانستند گذارهای اتمی استارک یا زیمن را به صورت رزونانس تنظیم کنند و در نتیجه، لیزرهای قابل تنظیم، به ویژه لیزرهای نوع رنگی، دامنه اندازه گیری های ممکن را تا حد زیادی گسترش داد.

مشاهده تداخل از یک شکاف توسط یانگ و توسعه توری پراش توسط فرانهوفر، اولین اندازه گیری دقیق طول موج را ممکن کرد. بهترین اندازه گیری های فراونهوفر تا هفت رقم قابل توجه دقیق بود.

در دهه 1880، رولند (Rowland) روش‌ های جدیدی را برای ساخت توری‌ های پراش ایجاد کرد و توری مقعر را معرفی کرد که دقت اندازه‌گیری طول موج را بهبود بخشید.

تقریباً در همان زمان، مایکلسون و دیگران، شروع به کار بر روی نوع متفاوتی از آنالایزر طیفی با استفاده از تداخل سنج کردند.

تداخل سنج ها، دستگاه‌ هایی هستند که در آن سطوح بازتابنده برای ایجاد تداخل پرتو نور با خود و ایجاد الگوی حاشیه‌ای استفاده می‌شود. اندازه گیری حاشیه ها تعیین طول موج مستقیم و دقیق را فراهم می کند.

در سال 1893، مایکلسون طول موج چندین خط کادمیوم را بر حسب نوار متر استاندارد، با دقتی بسیار بیشتر از کار های پیشین اندازه گرفت.

خواندن مقاله  انواع کابل فیبر نوری (0-100)

در طول دوره 1900-1905، C. Fabry و A. Perot با استفاده از نوع جدیدی از تداخل سنج متشکل از دو سطح منعکس کننده موازی، اندازه گیری های مایکسون را گسترش دادند.

نتایج آنها نتیجه‌ گیری مایکلسون را تأیید کرد و در سال 1907 منجر به ایجاد خط 6438 Å از یک لامپ کادمیوم به‌عنوان استاندارد اولیه طول شد که جایگزین متر استاندارد شد.

دهه اول قرن بیستم، مبانی نظریه کوانتومی و تفسیر سری های طیفی هیدروژن را به ارمغان آورد.

همانطور که تئوری کوانتومی توسعه می یافت، معادله موج شرودینگر برای یک سری از مدل‌ ها استفاده شد که با موفقیت زیادی برای بررسی ویژگی‌ طیف‌ های MIR استفاده شد.

در نتیجه این بررسی ها، طیف‌ های NIR که از ترکیب مدهای ارتعاشی سرچشمه می‌ گیرند و طیف های FIR به عنوان منشأ طیف های ارتعاشی با فرکانس پایین، معرفی شدند.

برای توضیح برهمکنش بین تابش الکترومغناطیسی و حرکات مولکولی، موضوع دوقطبی ها مطرح گردید و به قوانین انتخابی منجر شد که حالت های خاصی از دوران یا ارتعاش مولکلول ها در ناحیه IR را نشان می دهند.

برخی از ناموفقیت های سیستماتیک در توضیح پدیده ها، مانند عدم جذب تابش IR توسط مولکول های متقارن دو اتمی که توسط Tyndall مشاهده شد، به نوبه خود منجر به تحقیقات گسترده تری گردید و اطلاعاتی در مورد خواص تقارن مولکول ها ارائه شد.

مطالعات فلورسانس توسط استوکس آغاز گردید و در سال 1918 منجر به کشف تابش رزونانسی در ذرات بخار گردید (توسط R.W. Wood).

ملاحظات کلی تر در مورد مسائل تقارن و طیف سنجی ارتعاشی، در سال 1924 توسط برستر (C.J. Brester) معرفی شد و با استفاده از نظریه گروه ویگنر (Wigner) در سال 1930 سیستماتیک شد.

رفته رفته پیشرفت در علوم مرتبط با اسپکتروفوتومتری، کمک شایانی به درک ساختار هسته ای کرد. نظریه کلاسیک ریلی ( Rayleigh)، پیوستاری از انرژی‌ های چرخشی را فرض می‌کرد و بنابراین برای توضیح ساختار ریز، به نظریه کوانتومی نیاز بود.

موفقیت‌ نظریه کوانتومی در تفسیر طیف‌ های ارتعاشی-چرخشی، و  توسعه آن، به وضوح ساختار ریز چرخشی در طیف مولکول‌ های دو اتمی و چند اتمی کوچک بستگی داشت.

بدین منظور طی دهه 1910، رندال (H.M. Randall) اسپکتروفوتومترهایی با توری پراش نوع بازتابی ساخت که برای انتخاب مرتبه‌ های پراش منفرد، به منشورهایی در جلوی پیکربندی مجهز بودند.

از آن زمان تا پس از جنگ جهانی دوم، آزمایشگاه او به دلیل تولید توری های پراش در اندازه‌ های بزرگ تر و  برای کارایی بالاتر، سرآمد توسعه و کاربرد تکنیک‌ های اسپکتروفوتومتری IR با وضوح بالا باقی ماند.

پیش از جنگ جهانی دوم، در سال 1939، ده‌ ها دستگاه اسپکتروفوتومتری مادون قرمز مورد استفاده قرار گرفتند (بیشتر در آزمایشگاه‌ های تحقیقاتی دانشگاهی و چند مورد اخیر در آزمایشگاه‌ های صنعتی یا دولتی).

کاربردهای آنالیز در  زمان جنگ، منجر به پیشرفت، بهبود و تقویت روش های الکترونیکی شد که ثبت طیف‌ ها را بسیار آسان‌ تر کرد.

در نهایت امکان بهره برداری از پتانسیل کامل سیستم های اسپکتروفوتومتری حاصل شد و در نتیجه تا سال 1947، بیش از 500 طیف سنج در حال استفاده بودند که عمدتاً برای آنالیز ساختار مولکولی استفاده می شدند.

در اوایل سال 1891، ساختار فوق ریز توسط A.A. Michelson مشاهده شده بود و به منظور توضیح این پدیده، در سال 1924 پائولی پیشنهاد کرد که هسته اتم دارای گشتاور مغناطیسی کوچکی است.

nuclear spin

شکل2- اسپین هسته

در سال 1935، مطالعه ناهنجاری های ساختار فوق ریز منجر به پیشنهاد وجود گشتاور چهار قطبی هسته ای شد. مطالعات بعدی ساختار فوق ریز اتمی برای اندازه گیری گشتاورهای بسیاری از هسته ها استفاده شده است.

خواندن مقاله  حوزه آموزش و نقش تکنیک اسپکترومتری

علاوه بر این، J.E. Rosenthal و G. Breit توانستند جابجایی‌های کوچک بین خطوط طیفی اتمی ایزوتوپ‌های مختلف را نشان دهند که ناشی از اثرات جرم و حجم هسته‌ ها است.

در سال 1928، رامان (Raman) و کریشنان ( Krishnan) در حین مطالعه بر روی پراکندگی نور خورشید که با استفاده از یک فیلتر شبه مونوکروماتور، پراکندگی نور غیرالاستیک در مولکول‌ ها و اثر فیزیکی را که اکنون نام رامان را یدک میکشد (پراکندگی رامان)، کشف کردند.

آنها نشان دادند که ماهیت این نور پراکنده به نوع نمونه موجود بستگی دارد. دانشمندان دیگر به سرعت اهمیت این پدیده را به عنوان یک ابزار تحلیلی و تحقیقاتی درک کردند و آن را اثر رامان نامیدند.

Raman3

شکل3- رامان و دستگاه اسپکتروفوتومتری او

لندزبرگ (Landsberg) و مندلیوم ( Mandelstam) نیز به طور مستقل در روسیه، این اثر را در پراکندگی نور در کوارتز مشاهده کردند و نتایج خود را اندکی پس از مقاله رامان و کریشنان منتشر کردند.

یکی از دلایل علاقه و توجه بسیار به این پدیده این بود که در آن زمان، الزامات آزمایشگاهی در حوزه طیف مرئی بسیار آسان تر از ناحیه IR برآورده می شد.

در این زمان، منابع نور تک رنگ با شدت مناسب، به شکل لامپ های تخلیه جیوه به صورت تجاری در دسترس بودند.

نمونه های مورد بررسی به راحتی در سلول های نمونه شیشه ای قرار داده می شد، عنصر پراکنده می توانست یک منشور شیشه ای یا یک توری پراش باشد و آشکارساز فیلم عکاسی از قبل موجود بود.

اسپکتروفوتومتری تک پرتو 

اولین دستگاه اسپکتروفوتومتری تجاری، در سال 1940، توسط بکمن (Arnold O. Beckman) و همکارانش در  آزمایشگاه فنی  او که در سال 1935 تأسیس شده بود، تولید شد که به شرکت ابزار بکمن و در نهایت بکمن کولتر تبدیل شد.

بکمن، با اختراع مدل A شروع کرد که در آن از یک منشور شیشه ای برای جذب نور UV استفاده شده بود (طرح Fery). با توجه به اینکه نتایج رضایت‌ بخشی به همراه نداشت.

بنابراین مدل B طراحی گردید که در این مدل، شیشه را به یک منشور کوارتز با پیکربندی Littrow تغییر دادند که به نتایج جذبی بهتری منجر شد.

از دو اسپکتروفوتومتر کوارتزی مدل B، یکی در فوریه 1941 به بخش شیمی دانشگاه کالیفرنیا لس آنجلس فروخته شد و دیگری در موزه تاریخی شرکت قرار دارد.

از آنجایی که مدل B بسیار فشرده بود (به ویژه در ناحیه فرابنفش)، با مدل C مجهز به درایو اسکرول جایگزین شد.

Beckman Model C Spectrophotometer.width 1000

شکل 4- اسپکتروفوتومتر بکمن مدل C

آخرین و محبوب ترین مدل، مدل D بود که اکنون به عنوان اسپکتروفوتومتر DU در محدوده UV-Vis شناخته می شود که حاوی بخش اسپکترومتری تک رنگ ساز و لامپ هیدروژن با پیوستار ماوراء بنفش بود و در ناحیه فرابنفش، وضوح بالاتر و نور سرگردان کمتری داشت.

در سال 1989، دکتر بکمن، مدال ملی علم را به دلیل رهبری خود در توسعه ابزارهای تحلیلی دریافت کرد.

در اواسط قرن نوزدهم، والش (Alan Walsh) و آلکِماد به طور مستقل روش ­های تحلیلی طیف ­سنجی اتمی نوع جذبی را منتشر کردند.

والش و طیف سنجی اتمی

شکل5- آلان والش، در کنار اسپکترومتر اتمی جذبی

در اوایل قرن بیستم، پیشرفت‌ های فناوری منجر به توسعه سیستم های اسپکتروفوتومتری پیچیده‌ تر شد، از جمله مواردی که از توری‌ های پراش به جای منشور استفاده می‌ شدند که امکان سرعت و دقت بیشتر در اندازه گیری های جذب را فراهم می کنند.

در سال 1979، هنگامی که تولید اسپکتروفوتومتر بکمن در سال 1976 متوقف شد، هولت پاکارد (Hewlett Packard) اولین اسپکتروفوتومتر آرایه دیودی تجاری موجود در بازار را به نام HP 8450A ایجاد کرد.

اسپکتروفوتومترهای آرایه‌ای دیودی با اسپکتروفوتومتر اصلی ساخته شده توسط بکمن متفاوت بودند، زیرا این اولین اسپکتروفوتومتر microprocessor-controlled نوع تک پرتو بود، اسپکتروفوتومتری که چندین طول موج را در یک زمان در ثانیه اسکن می کرد.

خواندن مقاله  اسپکتروفتومتری و کنترل کیفیت نوشیدنی ها (100% علمی)

از آن زمان، ساخت و استفاده از دستگاه های اسپکتروفوتومتری به شدت افزایش یافته و به یکی از نوآورانه ترین و پرکاربردترین ابزارهای زمان ما تبدیل شده است.

SINGLE BEAM Spectrophotometer

شکل 6- شماتیک کلی سیستم اسپکتروفوتومتری تک پرتو

اسپکتروفوتومتری دو پرتو

در اواسط قرن بیستم شاهد نوآوری‌ های بیشتری در حوزه اسپکتروفوتومتری جذبی بودیم، از جمله توسعه اسپکتروفوتومترهای دو پرتو، که امکان مقایسه جذب نمونه با ماده مرجع را فراهم می‌ کند.

در سال 1954، شرکت Applied Physics، اسپکتروفوتومتر Cary 14 (اولین اسپکتروفوتومتر دو پرتوی تجاری موجود) را راه اندازی کرد. طراحی پرتو دوگانه با اندازه‌گیری همزمان انتقال نمونه و حلال در طیف وسیعی از طول‌موج‌ های فرابنفش، مرئی و نزدیک مادون قرمز، آنالیز نمونه را بسیار ساده کرده و سرعت می‌ بخشید.

با توجه به اینکه توسعه کامپیوترها در دهه 1980، جمع آوری داده ها و کنترل ابزار را به طور قابل توجهی بهبود بخشید، Bausch & Lomb در همین سال، اسپکتروفوتومتر UV-Vis Spectronic 2000 را معرفی کردند (اولین اسپکتروفتومتر UV-Vis دو پرتو کنترل شده توسط ریزپردازنده).

در سال 1987، Pye Unicam Corporation، اولین اسپکتروفتومتر UV-Visible با ماوس و رابط گرافیکی را معرفی کرد (اسپکتروفتومتر UV-Vis PU-8700).

Double beam spectrophotometer

شکل 7- شماتیک کلی اسپکتروفوتومتری دو پرتو

نتیجه گیری

اسپکتروفوتومتری نوع جذبی، وسیله ای است که نوری با طول موج های خاص (یک طیف) را به یک نمونه می تاباند و سپس با استفاده از بخش طیف سنجی (طیف نگار)، میزان نور عبوری از نمونه را اندازه گیری می کند.

این دستگاه ها به ویژه برای اندازه گیری تغییرات غلظت در طول زمان مفید هستند، زیرا می توان آنها را با استفاده از استانداردهای غلظت شناخته شده کالیبره کرد.

با اندازه گیری هر طول موج نور به صورت جداگانه، می توان یک طیف جذب کامل را ترسیم کرد که نوع و غلظت مواد شیمیایی را در یک محلول نشان می دهد.

خوانش مستقیم سیگنال، ضبط خودکار، حساسیت بالای دستگاه های اسپکتروفوتومتری، همراه با پایداری خوب و سادگی کار از ویژگی­ های برجسته بسیاری از  ابزارهای طیف سنجی تجاری است.

قابل پیش‌بینی است که پیشرفت‌ در تکنولوژی های دیگر مانند صنعت الکترونیک، اپتیک و مکانیک، تأثیر بسیار زیادی در پیشرفت تکنولوژی های مرتبط با طیف سنجی کاربردی و نظری و تسهیل گسترش استفاده از این منابع دارد.

به مرور زمان و با پیشرفت تکنولوژی های علوم دیگر (مانند الکترونیک و مکانیک)، تجهیزات اندازه گیری طیف سنجی مدرن روز به روز کوچک تر و مقرون به صرفه تر شدند.

پیشرفت‌ های اخیر در حوزه اسپکتروفوتومتری جذبی، بر کوچک‌ سازی و قابلیت حمل این دستگاه ها متمرکز شده‌ اند که امکان اندازه‌گیری‌ های میدانی و آزمایش‌ های نقطه‌ ای (فرایندی) را فراهم می‌ کند.

علاوه بر این، استفاده از تکنیک های پیشرفته آنالیز داده ها مانند شیمی سنجی، دقت و قابلیت اطمینان اندازه گیری جذب را بهبود بخشیده است.

بنابراین، علاوه بر حوزه های کلاسیک در آنالیز، بیشتر و بیشتر در زمینه های کاربردی جدید استفاده می شوند. از جمله کاربردهای طیف‌ سنجی مدرن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • تولید و آنالیز رنگ
  • آنالیز شیمیایی و کنترل کیفیت
  • آزمایش‌ های دارویی
  • چک‌ آپ پزشکی
  • مشاهده و بررسی رشد گیاهان
  • آزمایش دستگاه‌ های ساطع کننده نور
  • کنترل مواد غذایی
  • اندازه‌ گیری میزان آلودگی آلودگی آب و هوا

در حال حاضر، اسپکترومتری مدرن به طور فزاینده‌ای در مراحل کنترل فرآیند، به عنوان مثال در کارهای رنگرزی، کارخانه های شیمیایی، تصفیه آب و فاضلاب، صنایع نیمه هادی و فرآیندهای آبکاری الکتریکی کاربرد دارد.

منابع و مراجع

The Historical Development of Experimental Techniques in Vibrational Spectroscopy

Spectrophotometric Methods in Modern Analytical Chemistry

Astronomical Spectroscopy: An Introduction to the Atomic and Molecular Physics of Astronomical Spectra

A history of atomic absorption spectroscopy

wikipedia

چه امتیازی به این مقاله می دهید؟

رای شما:

5 / 5. تعداد رای: 2


افزودن دیدگاه و پرسش جدید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

5 مقاله اخیر

مقالات منتشر شده در ساعاتی قبل

زمان مطالعه : 10 دقیقه
زمان مطالعه : 14 دقیقه
زمان مطالعه : 16 دقیقه
زمان مطالعه : 12 دقیقه
زمان مطالعه : 14 دقیقه
Insert math as
Block
Inline
Additional settings
Formula color
Text color
#333333
Type math using LaTeX
Preview
\({}\)
Nothing to preview
Insert