دستگاه اسپکتروفتومتر یکی از ابزارهای اساسی در آزمایشگاه های تحلیلی است‎ که برای اندازه گیری غلظت مواد در طول موج های مختلف به کار می رود. دقت و کارایی یک دستگاه اسپکتروفتومتر قویاً به ساختار اپتیکی آن وابسته است؛ طراحی مسیر نوری، نوع شبکه پراش و سیستم آشکارسازی همگی کیفیت اندازه گیری و تکرارپذیری نتایج را تعیین می کنند.‎

بسیاری از کاربران ممکن است تفاوت بین اسپکتروفتومترهای تک پرتویی و دو پرتویی را ندانند و گاهی آنها را به اشتباه یکسان فرض کنند. در حالی که این دو دستگاه با وجود شباهت عملکرد کلی، از نظر سرعت و کیفیت آنالیز قابلیت های متفاوتی ارائه می کنند.‎ در این مقاله، به طور ویژه در مورد طراحی مسیرهای نوری که اسپکتروفتومترها را به دو گروه تک پرتویی و دو پرتویی تقسیم می کند، بحث خواهیم کرد. با ما همراه باشید.

یک‎ اسپکتروفتومتر‎ (تک‎ پرتویی‎ و‎ دو‎ پرتویی)‎ ‎چگونه‎ ‎کار‎ ‎می‎ ‎کند؟

دستگاه اسپکتروفتومتر ابزاری تحلیلی است که با توجه به برهمکنش‎ نور با‎ مواد در حالت های‎ مختلف‎ عمل می کند‎ و‎ بر این اساس، می‎ توان‎ غلظت‎ مواد‎ یا‎ نوع‎ ترکیبات‎ یک محلول‎ را‎ شناسایی کرد.‎ به‎ طور‎ کلی‎ هر دستگاه اسپکتروفتومتر از اجزای اصلی‎ زیر تشکیل می شود:

• منبع نور‎
• محل‎ نگهدارنده‎ ‎نمونه
• تفکیک کننده نور
• سیستم آشکارسازی‎ نور
• پردازشگر‎ نتایج خروجی

تمامی اسپکتروفتومترها، دارای یک منبع تولید امواج الکترومغناطیسی برای تاباندن‎ به ماده‎ در طول موج­ های مختلف هستند.‎ ‎تفکیک‎ ‎کننده‎ ‎،‎نور‎ ‎عبوری‎ ‎یا‎ ‎بازتابی‎ ‎از‎ ‎نمونه‎ ‎آنالیز‎ ‎را‎ ‎تجزیه‎ ‎کرده‎ ‎و‎ ‎به‎ ‎سمت‎ ‎آشکارساز‎ ‎ارسال‎ ‎می‎‎ ‎کند.‎ ‎آشکارساز‎ ‎وظیفه‎ ‎ثبت‎ ‎شدت‎ ‎نور‎ ‎تجزیه‎ ‎شده‎ ‎را‎ ‎دارد‎ ‎و‎ ‎سپس‎ ‎اطلاعات‎ ‎ثبتی‎ ‎را‎ ‎به‎ ‎یک‎ ‎پردازشگر‎ ‎می‎ ‎فرستد‎ ‎تا‎ ‎تبدیل‎ ‎آنالوگ‎ ‎به‎ ‎دیجیتال‎ ‎صورت‎ ‎بگیرد‎ ‎و‎ ‎اطلاعات‎ ‎قابل‎ ‎خوانش‎ ‎باشد.

امروزه، اسپکتروفتومترها را بر اساس تعداد مسیر نور منبع طبقه بندی می کنند که به نحوه تعامل نور با ماده نمونه مورد بررسی نیز اشاره دارد:

• اسپکتروفوتومتر تک پرتویی
• اسپکتروفوتومتر دو پرتویی

علیرغم شباهت ها و اصول عملکردی مشابه‎ این‎ دو‎ نوع، تفاوت هایی نیز با یکدیگر دارند که کاربرد آنها را متمایز می کند.‎ هرکدام از طرح های اپتیکی‎ تک پرتو و دو پرتو، چیدمان منحصر به فردی دارند و بر همین اساس، می توانند با مکانیزم و سرعت متفاوتی نتایج کمی و کیفی را ارائه نمایند.‎ انتخاب بین اسپکتروفتومترهای تک پرتویی و دو پرتویی به کاربردهای خاص مورد نظر کاربران بستگی دارد.

ابزار دقیق کلی یک اسپکتروفتومتر‎ (تک‎ پرتو‎ ‎و‎ دو‎ پرتو) 

1. منبع نوری: معمولاً از‎ لامپ های هالوژن-تنگستن یا هالوژن-دوتریوم در محدوده طول موجی مورد بررسی ماده‎ ‎استفاده‎ ‎می‎ ‎شود.
2. هولدرهای نمونه: که مسیر ورود و خروج نور در آنها مشخص است‎ ‎و‎ ‎برهمکنش‎ ‎نور‎ ‎با‎ ‎ماده‎ ‎در‎ ‎این‎ ‎قسمت‎ ‎انجام‎ ‎می‎ ‎شود.
3. بخش اسپکترومتر: که شامل عنصر پراش نور مانند توری پراش است که نور را به طول موج های کوچک‎ تر تجزیه می کند. طول موج های جزئی تر، بهتر آشکارسازی می شوند و اطلاعات دقیق تری از ماده ارائه می کنند.
4. آشکارساز نوری: سنسورهای‎ حساس‎‎ به‎ نور‎ مانند CCD ها و CMOS ها که به روزترین انواع هستند.
5. پردازشگر: دیجیتالی کردن نتایج شدت‎ طیفی
6. نمایشگر: برای‎ نمایش‎ نتایج‎ کیفی‎ (مانند‎ طیف)‎ ‎یا‎ کمی‎ (مانند‎ غلظت)‎ است‎ و‎ می تواند مجزا باشد یا بر روی بخشی از دستگاه تعبیه شود. انواع دوم، سیستم بهینه تری بوده و از نظر کاربردی و اقتصادی بسیار به صرفه تر هستند.
7. 👈در صورت علاقمندی، برای اطلاعات جزئی تر در مورد ابزار دقیق، می توانید به مقاله "اجزای اصلی یک‎ طیف سنج نوری" مراجعه کنید.
8. 
   

مسیر اپتیکی چیست؟

اساس کار دستگاه های اسپکتروفتومتری، تاباندن نور (با طول موج مشخص) به نمونه مورد بررسی و بررسی تغییرات ایجاد شده در طیف عبوری‎ و بازتابی‎ از آن ماده است.‎ مسیر اپتیکی (Optical Path)، به مسیری گفته می شود که نور از لحظه تولید در منبع نوری اسپکتروفتومتر تا رسیدن به آشکارساز طی می کند و شامل تمامی اجزای اپتیکی می باشد.

می دانیم که منابع نور طول عمری دارند و پس از گذشت مدت زمانی، ممکن است به اندازه روز اول شدت نداشته باشند.‎ اگر شدت نور منبع، که کلیدی ترین جزء آنالیز است، کنترل نشود و یا دچار نقص باشد، تمام نتایج شما نادرست خواهد بود و بنابراین، اعتبار آنالیز شما زیر سوال خواهد رفت.

برای اینکه دقت اندازه گیری در بیشترین مقدار ممکن باشد و صحت نتایج ارائه شده توسط دستگاه اسپکتروفتومتر تأیید شود، همواره باید طیف حاصل‎ از نمونه با طیف حاصل از یک ماده مرجع استاندارد مقایسه شود.‎ ماده استاندارد یا مرجع، ماده ای است که تمام خصوصیات آن طبق استانداردهای بین المللی و ملی، مشخص است و بنابراین، با آنالیز آن می توان فهمید که دستگاه اسپکتروفتومتر به درستی کار می کند یا خیر.‎ با توجه به این موضوع، نور می تواند مسیرهای متفاوتی را در سیستم اسپکتروسکوپی طی کند تا این مقایسه و کنترل شدت آن انجام شود.

به طور کلی، به‎ دلیل‎ تفاوت در‎ نوع مسیر‎ اپتیکی،‎ اسپکتروفتومترها به دو دسته تک پرتویی و دو پرتویی تقسیم می شوند.‎ مورد دو پرتو به دلیل مزایای متمایز آن برجسته تر شده و توجه ویژه ای را به خود اختصاص داده است. در حقیقت، پیشرفت در الکترونیک و سیستم ­های تشخیصی به محبوبیت بیشتر انواع اسپکتروفتومتر دو پرتو کمک کرده است.

اسپکتروفتومتر‎ تک پرتویی‎ ‎(Single-Beam)

انواع مختلف اسپکتروفتومتر تک پرتویی، برای اندازه ­گیری شدت نسبی نور قبل و بعد از عبور کردن از ماده نمونه مورد آزمایش‎ و‎ در‎ نتیجه‎ اندازه‎ گیری غلظت‎ استفاده می ­شود.‎ در حقیقت، لگاریتم نسبت شدت های قبل و بعد، مقدار جذب نور توسط ماده را نشان می ­دهد و عملکرد آن براساس استاندارد کردن، با توجه به ماده مرجع است.

در اسپکتروفتومتر تک پرتویی، نور تنها از طریق یک مسیر از ماده مورد آنالیز عبور می کند و بنابراین، تنها یک نگهدارنده در دستگاه وجود دارد.‎ بنابراین، ابتدا یک بار ماده مرجع و سپس ماده مجهول با دستگاه اندازه گیری می شوند و سپس نتایج ماده نمونه و نتایج ماده استاندارد مقایسه می شود تا دقیق ترین نتایج حاصل گردد.‎ در این نوع اسپکتروفتومتر، میزان آشکارسازی نور حاصل از برهمکنش‎ با‎ نمونه زیاد است، زیرا از یک پرتو نور غیر تقسیم شده استفاده می­ شود. بنابراین، انرژی بالایی در سرتاسر دستگاه اسپکتروفتومتر وجود دارد.

اسپکتروفتومتر‎ دو پرتویی

برخلاف اسپکتروفتومتر‎ تک پرتویی، در نوع‎ دو پرتویی نیازی به تعویض ماده مرجع نیست و همزمان با نمونه (یا نمونه های) مجهول، ماده استاندارد نیز در دستگاه قرار گرفته و آنالیز می شود.‎ در حقیقت، ساختار این دستگاه ها به گونه ای است که نور خروجی از منبع نور به دو قسمت تقسیم می گردد. یکی از پرتوها از ماده مورد آزمایش عبور می­ کند، در حالی که دیگری از ماده­ استاندارد مرجع می­ گذرد.‎ تنها تفاوت دو مسیر در این است که نوری که از ماده مرجع می گذرد، مستقیما به آشکارساز مرتبط با خودش می رسد (مسیر 1)، اما در مورد مسیر 2، نور از نمونه عبور کرده، تجزیه شده و در نهایت به آشکارساز می رسد.

دقت داشته باشید که بسته به‎ نوع پیکربندی و چیدمان، ممکن است نور بلافاصله پس از خروج از منبع نور به دو قسمت تقسیم می شود و یا اینکه پس از تفکیک طول موجی توسط یک عنصر پراکننده مانند تقسیم کننده پرتو، از دو مسیر اپتیکی مختلف عبور خواهد کرد.‎ مورد دوم رایج تر است و تعداد قطعات مورد استفاده در این روش کمتر خواهد بود و بنابراین، نویزهای دستگاه کمتر شده و دقت دستگاه افزایش می یابد.

در این نوع دستگاه ها، حداقل دو نگهدارنده نمونه در دستگاه تعبیه شده است که امکان آنالیز همزمان ماده مرجع و نمونه را فراهم می کنند.‎ البته امروزه دستگاه هایی طراحی و ساخته شده اند که بیش از دو هولدر نگهدارنده نمونه دارند. مانند اسپکتروفتومتر دو پرتویی مدل OPAL تولید شرکت بلورآزما که دارای‎ 5سل بوده و همزمان 4 نمونه قابل آنالیز است‎ (به‎ همراه‎ یک‎ ماده‎ مرجع).

پرتو عبوری از ماده­ مرجع، انرژی لامپ را کنترل می­ کند (جهت تأیید و تضمین صحت اندازه گیری)، در حالی که پرتو عبوری از نمونه مجهول، منعکس کننده­ میزان برهمکنش نور با‎ ماده است.‎ دو پرتو می توانند دوباره ترکیب شده (معمولاً توسط آینه های اپتیکی) و به سمت آشکارساز هدایت شوند. با مقایسه شدت دو پرتو، دستگاه می تواند میزان جذب نمونه را محاسبه کند.

این چیدمان اثرات ناشی از نوسانات شدت لامپ، نوسانات الکتریکی و مکانیکی که هر دو پرتوهای نمونه و مرجع را به طور مساوی تحت تأثیر قرار می­ دهند، را جبران می­ کند.‎ آشکارسازها به طور همزمان، هر دو بخش مرجع و نمونه را آشکارسازی می­ کنند و طبیعتاً با توجه به همین نمونه­ گیری همزمان، تعداد اجزا در این نوع اسپکتروفتومتر افزایش می­ یابد.

مزیت‎ ‎چیدمان‎ ‎دو‎ ‎پرتویی

در طراحی اپتیکی‎ دو‎ پرتویی، اطمینان بیشتری در اندازه گیری میزان جذب حاصل می شود، دستگاه بسیار سریع تر عمل کرده و به دلیل عدم استفاده از قطعات متحرک، نتایج تکرار پذیرتر و پایدارتری ارائه می‌ دهد.‎ به دلیل اتوماتیک بودن و چند سل بودن دستگاه های دو پرتو، دیگر نیازی به تعویض کووت نمونه و مرجع برای هر بار آنالیز وجود ندارد و همزمان می توان چندین نمونه را بررسی کرد.‎ همین امر سرعت آنالیز را به طور قابل توجهی بالا می برد که برای آنالیز در حجم بالا و در زمان واقعی (برای مواد تغییر پذیر)، پارامتری بسیار تاثیرگذار می باشد.

تفاوت­ اسپکتروفتومترهای تک ­پرتویی و دو پرتویی

• دستگاه‎ های‎‎ تک پرتویی، پیش از دو پرتویی ابداع شده اند و قدمت بالاتری دارند؛ در حقیقت، انواع دو پرتو، تکمیل شده نوع تک پرتو هستند.
• از آنجایی که در دستگاه های تک ­پرتو تنها یک مسیر نوری وجود دارد که از نمونه می­ گذرد، بنابراین معمولاٌ برای کالیبراسیون شدت نور نیاز به تعویض دستی کووت مرجع با کووت نمونه دارد.
• انواع تک پرتویی حساسیت بالایی را نشان می­ دهند، زیرا کل انرژی پرتو نور از ماده نمونه عبور داده می ­شود.
• در مورد دستگاه های دو پرتویی، به دلیل تقسیم نور و کنترل نور منبع، اطمینان بیشتری در اندازه ­گیری میزان جذب حاصل می ­شود.
• مدل های دو پرتو، بسیار سریع‌ تر عمل کرده و نتایج تکرارپذیرتری ارائه می‌ دهند (به دلیل عدم استفاده از قطعات متحرک و امکان استفاده از سل های چندگانه).
• مدل های تک پرتو فشرده ­تر بوده و از نظر پیکربندی ساده ­تر و کوچک تر هستند. در نتیجه نویز دستگاهی کمتری ایجاد می­ شود و بنابراین قیمت کمتری نیز خواهند داشت.
• در نوع دو پرتویی، تصحیح جذب برای نمونه مرجع نیز به طور خودکار انجام می ­شود تا دقت اندازه ­گیری بالاتر برود.
• در طراحی تک پرتویی، ممکن است نوساناتی در انرژی لامپ وجود داشته باشد.
• در نوع دو پرتو، به دلیل اصلاحاتی در نوسانات نور سرگردان، تغییرات شدت پرتو و نویزهای الکتریکی حداقل مقدار ممکن است. در نتیجه، پایداری طیفی بیشتری وجود دارد.
• 
  

معیارهای انتخاب یک اسپکتروفتومتر

انتخاب دستگاه اسپکتروفتومتر متناسب با کاربری مورد نظر، امر مهمی است که نیازمند توجه ویژه است و برای این مهم، باید پارامترهای متعددی را در نظر گرفت.‎ برخی از معیارهای مهمی که در هنگام انتخاب و خرید یک اسپکتروفتومتر مناسب باید در نظر گرفته شوند، موارد زیر هستند:

• نوع مسیر نوری (تک پرتویی یا دو پرتویی)
• محدودیت­ های تشخیص
• چگالی، شکل یا اندازه­ محصول یا محصولات مورد بررسی
• محدوده­ طول موجی مورد بررسی
• محدوده­ آنالیز (دقت یا رزولوشن)
• توان عملیاتی نمونه (آنالیز تک سل یا چند سل بطور همزمان)
• کیفیت داده ­ها (صحت داده های نتایج)
• هزینه ابزار و مواد مصرفی مرتبط (کیفیت قطعات دستگاه)
• گزینه­ های قابل تنظیم یا از پیش تعیین شده (توابع کالیبراسیون و ...)
• زمان اندازه ­گیری و اسکن
• نرم افزار (کاربر پسند و آسان)

تمامی این موارد، به نوع پیکربندی، جنس و کیفیت قطعات مورد استفاده در سیستم، نرم افزار آنالیز و نوع طراحی سیستم اپتیکی بستگی دارند.‎ تک پرتو یا دو پرتو بودن دستگاه اسپکتروفتومتر، می تواند تأثیر مستقیمی بر عوامل ذکر شده در بالا داشته باشد.

سخن پایانی

مسیری که نور از منبع تا سیستم آشکارسازی یک‎ دستگاه‎ اسپکتروفتومتر‎ طی می کند، یکی از پارامترهایی است که می تواند بر دقت و سرعت دستگاه و نتایج خروجی تأثیر مستقیمی داشته باشد.‎ دستگاه های تک پرتویی تنها تنها یک مسیر نوری دارندو بنابراین، معمولاً تنها یک نگهدارنده نمونه در آنها تعبیه می شود و تنها امکان آنالیز یک ماده را در آن واحد دارند.‎ بنابراین، ابتدا ماده مرجع یا استاندارد توسط دستگاه آنالیز شده و سپس نمونه واقعی بررسی می شود و نتایج با یکدیگر مقایسه می گردد.

در اسپکتروفتومترهای مدرن تر امروزی (نوع دو پرتویی)، معمولاً تعداد نمونه های قابل آنالیز بیشتر از یک مورد است و بنابراین دو مسیر نوری در سیستم وجود خواهد داشت.‎ در این مورد، ماده مرجع و نمونه همزمان آنالیز شده و نتایج به طور اتوماتیک مقایسه گردیده و کمیت های خروجی ارائه می شوند.

هر دو چیدمان تک پرتو و دو پرتو، در عین برخی شباهت های کلی، تفاوت های بسیار کلیدی و مهمی دارند که آنها را از نظر کاربردی متمایز می کند که در این مقاله به آن پرداختیم.‎ ‎ درک این موارد، به کاربر کمک می کند که انتخاب بهتر و دقیق تری از اسپکتروفتومتر مورد نیاز در کاربرد خاص خود را داشته باشد.

امیدواریم که این مقاله مفید بوده است و برای انتخاب یک سیستم اسپکتروفتومتری متناسب با کاربردتان، موارد مهم را لحاظ کنید ☺️‎ به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که مشخصات فنی دستگاه های اسپکتروفتومتر در بخش محصولات آمده است و می توانید تفاوت های کلیدی دو مدل دستگاه تک پرتو و دوپرتو تولیدی شرکت بلورآزما را ببینید.‎ در صورت نیاز، می توانید کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود کنید. پیشنهاد می کنیم مقاله اسپکتروفتومتر را نیز برای اطلاعات تکمیلی، برسی کنید.

منابع و مراجع

• A. More, Encyclopedia of Modern Optics, 2005, Pages 324-336.
• C. Thompson and D. Vaudhn, X-Ray Data Booklet, 2nd ed.
• Wikipedia