تفاوت اسپکتروفتومتر تک پرتو و دو پرتو: مسیر نوری، مزایا و کاربرد

اسپکتروفتومتر یکی از ابزارهای اساسی آزمایشگاه های تجزیه است که با اندازه گیری جذب نور در طول موج های مختلف، غلظت مواد را تعیین می کند. دقت و کارایی یک اسپکتروفتومتر به شدت به ساختار اپتیکی آن وابسته است؛ طراحی مسیر نوری، نوع توری پراش و سیستم آشکارسازی همگی بر کیفیت اندازه گیری و تکرارپذیری نتایج اثر می گذارند.

یکی از مهم ترین تفاوت ها بین اسپکتروفتومترها، تعداد مسیرهای نوری آنهاست که دستگاه ها را به دو گروه تک پرتو و دو پرتو تقسیم می کند. بسیاری از کاربران تفاوت این دو را نمی دانند یا آنها را یکسان فرض می کنند، در حالی که این دو نوع از نظر پایداری، سرعت، دقت و قیمت قابلیت های متفاوتی دارند. در این مقاله این دو طراحی را با هم مقایسه می کنیم.

اسپکتروفتومتر چگونه کار می کند؟

هر اسپکتروفتومتر، صرف نظر از تک پرتو یا دو پرتو بودن، از این اجزای اصلی تشکیل شده است:

• منبع نور: معمولا لامپ دوتریوم برای ناحیه فرابنفش و لامپ هالوژن تنگستن برای ناحیه مرئی و فروسرخ نزدیک

• محفظه نمونه: محل قرار گرفتن کووت حاوی نمونه که نور در آن با ماده برهمکنش می کند

• تفکیک کننده طول موج: معمولا یک توری پراش که نور را به طول موج های مختلف تفکیک می کند

• آشکارساز: حسگرهای حساس به نور مانند فتودیود، لوله فتومولتی پلایر یا آشکارسازهای آرایه ای CCD و CMOS

• پردازشگر و نمایشگر: سیگنال آشکارساز را دیجیتال کرده و نتایج را به صورت طیف یا غلظت نمایش می دهد.

برای آشنایی دقیق تر با این اجزا، مقاله اجزای طیف سنج نوری را بخوانید.

مسیر نوری چیست؟

مسیر نوری مسیری است که نور از لحظه تولید در منبع تا رسیدن به آشکارساز طی می کند و شامل همه اجزای اپتیکی در این مسیر است.

اسپکتروفتومتر جذب را با مقایسه شدت نوری که از نمونه عبور می کند با شدت نوری که از یک شاهد (معمولا حلال خالص یا محلول بدون ماده مورد نظر) عبور می کند، محاسبه می کند. این مقایسه، اثر جذب حلال، بازتاب از دیواره کووت و ویژگی های خود دستگاه را حذف می کند و فقط جذب ناشی از ماده مورد نظر باقی می ماند. برای آشنایی با اصول محاسبه جذب، مقاله قانون بیر لامبرت را بخوانید.

مشکل این است که شدت لامپ و حساسیت آشکارساز با گذشت زمان ثابت نمی مانند. لامپ ها با گرم شدن، تغییر ولتاژ برق و پیر شدن، کمی نوسان و رانش دارند. اگر شدت لامپ بین اندازه گیری شاهد و نمونه تغییر کند، نتیجه خطا خواهد داشت. نحوه برخورد دستگاه با این مشکل، تفاوت اصلی طراحی تک پرتو و دو پرتو است.

انواع اسپکتروفتومتر بر اساس مسیر نوری

اسپکتروفتومتر تک پرتو

در اسپکتروفتومتر تک پرتو، نور فقط از یک مسیر عبور می کند و دستگاه معمولا یک محل برای کووت دارد. اندازه گیری در دو مرحله پشت سر هم انجام می شود:

1. کووت حاوی شاهد در دستگاه قرار می گیرد و شدت نور عبوری از آن (I₀) اندازه گیری می شود؛ به این مرحله صفر کردن دستگاه گفته می شود.

2. شاهد خارج شده و کووت حاوی نمونه قرار می گیرد و شدت نور عبوری (I) اندازه گیری می شود.

3. دستگاه از لگاریتم نسبت این دو شدت، جذب نمونه را محاسبه می کند.

مزایای اسپکتروفتومتر تک پرتو:

• نور بیشتر: چون پرتو تقسیم نمی شود، همه انرژی نور به نمونه و آشکارساز می رسد و نسبت سیگنال به نویز خوبی دارد.

• ساختار ساده تر، قطعات اپتیکی کمتر، ابعاد کوچک تر و قیمت کمتر

• مناسب برای اندازه گیری های روزمره در یک یا چند طول موج ثابت

محدودیت اسپکتروفتومتر تک پرتو:

• اگر شدت لامپ بین اندازه گیری شاهد و نمونه تغییر کند، خطا ایجاد می شود. به همین دلیل باید دستگاه پیش از کار به خوبی گرم شود و صفر کردن با شاهد به طور منظم تکرار شود.

• برای اندازه گیری های طولانی مدت، مانند پایش سینتیک واکنش ها، رانش لامپ می تواند مشکل ساز باشد.

اسپکتروفتومتر دو پرتو

در اسپکتروفتومتر دو پرتو، نور به دو مسیر تقسیم می شود:

• پرتو نمونه: از کووت حاوی نمونه عبور می کند.

• پرتو مرجع: از کووت حاوی شاهد عبور می کند.

دستگاه شدت هر دو پرتو را همزمان یا با فاصله زمانی بسیار کوتاه اندازه گیری کرده و از نسبت آنها، جذب را محاسبه می کند. چون هر نوسان یا رانش لامپ، آشکارساز یا الکترونیک، هر دو پرتو را به یک اندازه تحت تاثیر قرار می دهد، اثر آن در نسبت دو پرتو حذف می شود. به این ترتیب، دستگاه به طور خودکار تغییرات منبع نور را جبران می کند.

روش های تقسیم پرتو:

• تقسیم کننده پرتو: یک آینه نیمه شفاف که بخشی از نور را بازتاب و بخشی را عبور می دهد و هر دو پرتو را همزمان ایجاد می کند.

• چاپر چرخان: یک آینه یا دیسک چرخان که نور را به نوبت و با سرعت زیاد به مسیر نمونه و مسیر مرجع می فرستد. دو پرتو سپس با آینه ها دوباره ترکیب شده و به یک آشکارساز می رسند.

بسته به طراحی، نور ممکن است پیش از یا پس از عبور از تفکیک کننده طول موج به دو پرتو تقسیم شود. همچنین برخی دستگاه ها برای هر پرتو یک آشکارساز جداگانه دارند و برخی دیگر از یک آشکارساز مشترک استفاده می کنند.

مزایای اسپکتروفتومتر دو پرتو:

• پایداری بالا: جبران خودکار نوسانات و رانش لامپ و الکترونیک

• مناسب برای اندازه گیری های طولانی: مانند پایش سینتیک واکنش ها و اسکن های طولانی طیف

• نیاز کمتر به صفر کردن مکرر

• دقت و تکرارپذیری بیشتر در اندازه گیری های پژوهشی و دقیق

محدودیت اسپکتروفتومتر دو پرتو:

• چون نور تقسیم می شود، به هر مسیر نور کمتری می رسد.

• ساختار اپتیکی پیچیده تر، قطعات بیشتر و قیمت بالاتر

اسپکتروفتومتر شکافت پرتو

یک طراحی میانی نیز وجود دارد که گاهی شکافت پرتو یا نسبت گیر نامیده می شود. در این طراحی، بخش کوچکی از نور منبع به یک آشکارساز مرجع فرستاده می شود تا تغییرات شدت لامپ را به طور پیوسته پایش کند، اما شاهد و نمونه همچنان پشت سر هم در یک مسیر اندازه گیری می شوند. این طراحی بخشی از پایداری دستگاه های دو پرتو را با سادگی دستگاه های تک پرتو ترکیب می کند.

مقایسه اسپکتروفتومتر تک پرتو و دو پرتو

از نظر تاریخی، اسپکتروفتومترهای تک پرتو زودتر ساخته شدند و طراحی دو پرتو برای رفع مشکل ناپایداری منبع نور توسعه یافت. امروزه با پیشرفت لامپ ها، منابع تغذیه پایدار و الکترونیک، دستگاه های تک پرتو نیز پایداری بسیار خوبی دارند و برای بسیاری از کاربردها کاملا مناسب هستند.

اسپکتروفتومترهای تک پرتو و دو پرتو بلورآزما

بلورآزما هر دو نوع اسپکتروفتومتر را تولید می کند. اسپکتروفتومترهای بلورآزما از آشکارساز آرایه ای CMOS استفاده می کنند که کل طیف را همزمان ثبت می کند و برای ثبت طیف به اسکن مکانیکی نیاز ندارد:

• AURORA (تک پرتو): گزینه ای ساده و اقتصادی برای آنالیزهای روزمره آزمایشگاهی، کنترل کیفیت و آنالیز آب

• OPAL (دو پرتو): دارای پنج محل کووت که امکان اندازه گیری چهار نمونه همراه با یک مرجع را فراهم می کند؛ مناسب برای پژوهش، اندازه گیری های طولانی و آزمایشگاه هایی با تعداد نمونه زیاد

• ONYX (پرتابل): برای اندازه گیری های میدانی در ناحیه مرئی

برای مشاهده مشخصات فنی کامل و دانلود کاتالوگ، به صفحه محصولات مراجعه کنید.

کدام نوع برای شما مناسب تر است؟

اسپکتروفتومتر تک پرتو را انتخاب کنید اگر:

• بیشتر اندازه گیری های شما در یک یا چند طول موج ثابت و کوتاه مدت است.

• کاربرد شما کنترل کیفیت روزمره، آنالیز آب با ریجنت ها یا آموزش است.

• بودجه محدودی دارید.

اسپکتروفتومتر دو پرتو را انتخاب کنید اگر:

• به اسکن کامل طیف یا اندازه گیری های طولانی مدت، مانند سینتیک آنزیمی، نیاز دارید.

• بالاترین پایداری و دقت برای شما اهمیت دارد، مانند آزمایشگاه های پژوهشی و دارویی.

• تعداد نمونه های زیادی را به طور منظم اندازه گیری می کنید.

نوع مسیر نوری تنها یکی از معیارهای انتخاب اسپکتروفتومتر است. عوامل دیگری مانند محدوده طول موج، پهنای باند طیفی، نور سرگردان، دقت فوتومتری، نرم افزار و خدمات پس از فروش نیز اهمیت زیادی دارند. برای بررسی کامل این معیارها، راهنمای خرید اسپکتروفتومتر را بخوانید.

سوالات متداول

تفاوت اصلی اسپکتروفتومتر تک پرتو و دو پرتو چیست؟

در تک پرتو، شاهد و نمونه پشت سر هم در یک مسیر اندازه گیری می شوند، اما در دو پرتو، نور به دو مسیر تقسیم می شود و شاهد و نمونه همزمان اندازه گیری می شوند تا نوسانات لامپ به طور خودکار جبران شود.

آیا اسپکتروفتومتر دو پرتو همیشه دقیق تر است؟

در اندازه گیری های طولانی و اسکن طیف، پایداری بیشتری دارد. اما برای اندازه گیری های کوتاه مدت روزمره، یک اسپکتروفتومتر تک پرتو خوب که به درستی گرم و صفر شده باشد، نتایج بسیار دقیقی ارائه می دهد.

در اسپکتروفتومتر دو پرتو چه چیزی در مسیر مرجع قرار می گیرد؟

شاهد؛ یعنی حلال خالص یا محلولی که همه اجزای نمونه به جز ماده مورد نظر را دارد.

انواع اسپکتروفتومتر کدام اند؟

بر اساس مسیر نوری: تک پرتو، دو پرتو و شکافت پرتو؛ و بر اساس محدوده طول موج: مرئی، فرابنفش مرئی و فرابنفش مرئی فروسرخ نزدیک.

چرا باید اسپکتروفتومتر تک پرتو را پیش از کار گرم کرد؟

چون شدت لامپ در دقایق اول روشن شدن پایدار نیست و تغییر آن بین اندازه گیری شاهد و نمونه باعث خطا می شود.

جمع بندی

مسیر نوری یکی از عواملی است که بر دقت، پایداری و سرعت اسپکتروفتومتر اثر مستقیم دارد. در اسپکتروفتومتر تک پرتو، نور از یک مسیر عبور می کند و شاهد و نمونه پشت سر هم اندازه گیری می شوند؛ این دستگاه ها ساده تر، ارزان تر و دارای نور بیشتر هستند اما به نوسانات لامپ حساس اند. در اسپکتروفتومتر دو پرتو، نور به دو مسیر نمونه و مرجع تقسیم می شود و نوسانات منبع نور به طور خودکار جبران می شوند؛ این دستگاه ها برای اندازه گیری های طولانی، اسکن طیف و کاربردهای پژوهشی مناسب تر هستند. انتخاب بین این دو به نوع کاربرد، تعداد نمونه ها، دقت مورد نیاز و بودجه بستگی دارد.

منابع

• Encyclopedia of Modern Optics, Elsevier, 2005