تفاوت اسپکتروفتومتر تک پرتو و دو پرتو چیست؟

اسپکتروفتومترها ابزارهایی هستند که شدت نور جذب شده توسط مواد مختلف را در طول موج های مختلف اندازه گیری می کنند و بر این اساس می توان به برخی از خصوصیات ماده پی برد.

به طو کلی دو نوع اسپکتروفتومتر پرتویی وجود دارد: تک پرتو و دو پرتو که ابزاری کلیدی در شیمی تجزیه و آزمایشگاه ها هستند.

به طور کلی اسپکتروفتومترهای تک پرتو و دو پرتو، ابزار های تحلیلی هستند که برای شناسایی یا تأیید عناصر شیمیایی، ساختار شیمیایی یا آنالیز کمی غلظت عناصر موجود در یک نمونه استفاده می ­شوند.

علی رغم شباهت های کلیدی و اصول عملکردی مشابه اسپکتروفتومترهای تک پرتو و دو پرتو، تفاوت هایی نیز با یکدیگر دارند که کاربرد آنها را متمایز می کند.

انتخاب بین اسپکتروفتومترهای تک پرتو و دو پرتو به کاربرد خاص مورد نظر کاربر بستگی دارد. برای آشنایی بیشتر، بهتر است که با هر کدام از آنها و ساختارشان بیشتر آشنا شویم. با ما همراه باش

انواع اسپکتروفتومتر

همانطور که می دانید، دستگاه اسپکتروفتومتر ابزاری تحلیلی است که با توجه به حساسیت و جذب نور توسط مواد در حالت محلول عمل می کند.

بر این اساس، هر دستگاه اسپکتروفتومتر (تک پرتو و دو پرتو) از اجزای اپتیکی مختلفی تشکیل می شود:

• منبع نور
• هولدر نگهدارنده نمونه
• سیستم تفکیک کننده نور عبوری از ماده نمونه مورد آنالیز
• سیستم آشکارسازی
• نمایشگر نتایج خروجی

تمامی اسپکتروفتومترها، دارای یک منبع تولید امواج الکترومغناطیسی (نور) برای عبور از محلول و اندازه ­گیری شدت نور در طول موج­ های مختلف هستند.

طبق قانون بیر-لامبرت، هرچه غلظت مولکولی محلول نمونه بالاتر باشد، نور بیشتری توسط ذرات و مولکول های آن جذب خواهد شد.

نور حاصل از منبع نور به طرق مختلفی می تواند داخل سیستم حرکت کند و امروزه، اسپکتروفتومترها را می توان بر اساس تعداد مسیر نور منبع طبقه بندی می کنند که به نحوه تعامل نور با ماده نمونه مورد بررسی نیز اشاره دارد:

• اسپکتروفتومترهای تک پرتو
• اسپکتروفتومترهای دو پرتو

هرکدام از طرح های نوری 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.

اسپکتروفتومتر تک پرتو، با عبور پرتو نور از یک نمونه و اندازه گیری مقدار نوری که توسط نمونه در طول موج خاصی جذب می شود، کار می کند.

از سوی دیگر، یک اسپکتروفتومتر دو پرتو تابش ورودی نور را به دو پرتو جداگانه تقسیم می کند که یکی از آنها از نمونه عبور می کند و دیگری از محلول استاندارد مرجع عبور می کند.

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.

در ادامه، به طور جزئی به  تفاوت های این دو طرح نوری می پردازیم، اما بهتر است که ابتدا مقدمه ای از نحوه تعامل نور و ماده داشته باشیم تا درک تفاوت های تک پرتو و دو پرتو راحت تر باشد.

روش های اصلی برهمکنش نور با ماده

همانطور که می دانید، نور از ذرات کوچکی به نام فوتون تشکیل شده است که با اتم ها و مولکول های تشکیل دهنده مواد تعامل می کند و در نهایت ممکن است تغییراتی در خواص نوری آنها ایجاد شود.

به طور کلی، تعامل یا برهمکنش نور با ماده ممکن است به دو روش اصلی و کلی زیر رخ دهد:

• جذب و عبور
• بازتاب

فرایند جذب و عبور نور توسط ماده

در فرایند جذب و عبور، بخشی از نور توسط اتم ها یا مولکول های سازنده ماده جذب شده و موجب تغییر حالات انرژی الکترون های تشکیل دهنده آنها می شود.

پدیده جذب و عبور بیشتر برای مواد شفاف مانند محلول ها و مواد نازکی مانند شیشه اتفاق می افتد و بخشی از نور که توسط ماده جذب نمی شود، از مواد عبور می کند.

طراحی سیستم های اسپکترومتری نوع جذب و عبور، بر اساس قانون بیِر-لامبرت عمل می کند که برای محاسبه میزان جذب نور به کار می رود و درک خوبی از رفتار ماده جاذب ارائه می دهد.

قانون بیِر-لامبرت بیان می کند که مقدار نور جذب شده توسط ماده، متناسب با ضخامت و غلظت ماده است و با شدت نور نسبت معکوس دارد.

حاصل فرآیند جذب و عبور در طول موج های مجزا، الگویی از مقادیر جذب بر حسب طول موج است که به تعیین ساختاری مواد ناشناخته کمک می کند (طیف جذب و عبور).

طبق این قانون، مقدار جذب نور تک رنگ، متناسب با غلظت ماده جاذب است، بنابراین روشی برای تخمین کمی ماده نیز به حساب می آید.

فرایند بازتاب نور

انعکاس یا بازتاب نور به فرآیندی اطلاق می شود که در آن امواج نور به داخل جسم نفوذ نمی کنند و  از سطح آن پراکنده می شوند.

هنگام برخورد امواج نور با سطح، نوری که توسط مواد جذب نمی شود و نمی تواند از آن عبور کند، در محیط اطراف منعکس یا پراکنده می شود.

میزان بازتابی که رخ می دهد نیز به عوامل مختلفی از جمله نوع و جنس سطح ماده، طول موج و قطبش نور فرودی و زاویه تابش بستگی دارد.

سطوح صاف مانند فلزات و آینه ها بیشتر نوری را که به آنها برخورد می کند را به صورت آینه ای منعکس می کنند، در حالی که سطوح ناهموار نور را در جهات مختلف پراکنده می کنند.

اسپکتروفتومترهای تک پرتو و دو پرتو بر اساس فرایند جذب و عبور عمل می کنند و بنابراین، ادامه روند این مقاله بر پایه اسپکتروفتومترهای جذبی بیان شده است.

ابزار دقیق کلی یک اسپکتروفتومتر جذبی

عموماً قطعات اصلی دستگاه های اسپکتروفتومتر برای اندازه گیری میزان جذب و عبور منبع تابش توسط ماده نمونه مورد آنالیز و ارائه طیف نهایی، موارد زیر است:

1. منبع نوری (معمولاً لامپ های هالوژن-تنگستن یا هالوژن-دوتریوم در محدوده طول موجی مورد بررسی ماده)
2. کووت های نمونه و هولدرهای نگهدارنده آنها که مسیر ورود و خروج نور در آنها مشخص است
3. بخش اسپکترومتری که شامل عنصر پراکننده نور (تک رنگ ساز و پلی کروماتور)، مانند توری پراش است که نور را به طول موج های کوچکتر تجزیه می کند. طول موج های جزئی تر، بهتر آشکارسازی می شوند و اطلاعات دقیق تری از ماده ارائه می کنند.
4. آشکارساز نوری (مانند CCD ها و CMOS ها که به روزترین انواع هستند) و دیجیتالی کردن نتایج طیفی
5. نمایشگر طیف نهایی که 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.

👈در صورت علاقمندی، برای اطلاعات جزئی تر در مورد ابزار دقیق، می توانید به مقاله "اجزای اصلی در طیف سنج های نوری چه قطعاتی هستند؟" مراجعه کنید.

معیارهای انتخاب یک دستگاه تک پرتو و دو پرتو

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:

• تعداد مسیر نوری (تک پرتو و دو پرتو)
• 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 و دو پرتو بودن دستگاه اسپکتروفتومتر، می تواند تأثیر مستقیمی بر عوامل ذکر شده در بالا داشته باشد.

در این مقاله، نوع طراحی های رایج سیستم های اپتیکی و به طور ویژه تر، مورد مسیر نوری را به طور جزئی مورد بحث قرار می دهیم. با ما همراه باشید.

مسیرهای اپتیکی تک پرتو و دو پرتو

اساس کار دستگاه های اسپکتروفتومتری جذبی، تاباندن نور (با طول موج مشخص) به محلول نمونه مورد بررسی و بررسی تغییرات ایجاد شده در طیف جذبی و عبوری از آن ماده است.

برای اینکه دقت اندازه گیری در بیشترین مقدار ممکن باشد و صحت نتایج ارائه شده توسط دستگاه اسپکتروفتومتر تأیید شود، همواره باید طیف عبوری 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.

می دانیم که منابع نور طول عمری دارند و پس از گذشت مدت زمانی، ممکن است به اندازه روز اول شدت نداشته باشند. بنابراین، بیشترین فایده و الزام آنالیز ماده استاندارد، کنترل نور منبع است.

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.

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، بسته به نوع طراحی و پیکربندی سیستم اپتیکی، اسپکتروفتومترهای جذبی به دو دسته تک پرتو و دو پرتو 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.

تک پرتو

انواع مختلف اسپکتروفتومترهای تک پرتو، برای اندازه ­گیری شدت نسبی نور قبل و بعد از عبور کردن از ماده نمونه مورد آزمایش 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.

چهار جزء اصلی اسپکتروفتومتر تک پرتو، منبع نور پایدار، نگهدارنده نمونه مورد آزمایش، بخش اسپکترومتری (تک رنگ ساز یا چند رنگ ساز) و سیستم آشکارسازی هستند که در شکل زیر نمایش داده شده اند.

نمونه مجهول درون کووت ریخته شده و سپس، جهت قرار گرفتن در معرض نور منبع و  آنالیز، در هولدر تعبیه شده در داخل دستگاه قرار داده می شود.

بسته به نوع ماده، از کووتی با شکل و جنس متناسب با آن باید استفاده کرد. به عبارت دیگر، کووت مورد استفاده نباید در ناحیه طول موجی مورد آنالیز، جذب نور داشته باشد.

منبع نور، معمولاً  یک لامپ منحصر به فرد و متناسب با محدوده طول موجی مورد بررسی نمونه است و تمامی نور از ماده مورد آنالیز عبور داده می شود.

پس از جذب نور توسط نمونه، به سمت تک ­رنگ ­ساز (یا چند رنگ ساز) هدایت می ­شود که طول موج مورد نظر را جدا کرده و سپس توسط سیستم آشکارسازی دریافت می گردد.

در نهایت، اندازه­ گیری­ ها به صورت نسبت شدت نور قبل و بعد از عبور نور از نمونه صورت می­ گیرد و طیف جذب ارائه می شود.

اما همانطور که در بخش قبل نیز گفتیم، ابتدا باید ماده استانداردی را با دستگاه انالیز کنیم تا از صحت شدت نور اطمینان حاصل کنیم.

در اسپکتروفتومتر تک پرتو، نور تنها از طریق یک مسیر از ماده مورد آنالیز عبور می کند و بنابراین، تنها یک هولدر 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 اسپکتروفتومترها، میزان آشکارسازی تک پرتو نور پس از عبور از نمونه زیاد است، زیرا از یک پرتو نور غیر تقسیم شده استفاده می­ شود. بنابراین، انرژی بالایی در سرتاسر دستگاه اسپکتروفتومتر وجود دارد.

دو پرتو

برخلاف نوع تک پرتو، در اسپکتروفتومتر دو پرتو 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 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.

بنابراین، 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 8 سل بوده و همزمان 8 نمونه قابل آنالیز است.

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 جذب نور در آن 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.

در این نوع طراحی اپتیکی، 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.

انواع اسپکتروفتومتر دو پرتو به طور گسترده در تحقیقات، آزمایشگاه های کنترل کیفیت و آزمایشگاه های دارویی و بالینی استفاده می شوند.

تفاوت­ های اساسی اسپکتروفتومترهای تک ­پرتو و دو پرتو

• طرح های تک پرتو، پیش از دو پرتو 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 پرتو حساسیت بالایی را نشان می­ دهند، زیرا کل انرژی پرتو نور از ماده نمونه عبور داده می ­شود.
• در مورد دستگاه های دو پرتو، 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 پرتو، تصحیح جذب برای نمونه مرجع نیز به طور خودکار انجام می ­شود تا دقت اندازه ­گیری بالاتر برود.
• در طراحی تک پرتو، 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.

سخن پایانی

در تکنیک اسپکتروفتومتری، پیش از اندازه گیری ماده نمونه مجهول، در ابتدا یا همزمان با نمونه، آنالیز ماده مرجع نیز انجام می شود.

این کار به این دلیل است که انرژی منابع نور به طور مداوم کنترل شود و نتایج خروجی دقیق تر باشد و صحت نتایج را تضمین می کند.

بر این اساس، دستگاه های تک پرتو 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 پرتو)، 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.

مسیری که نور از منبع تا سیستم آشکارسازی طی می کند، یکی از پارامترهایی است که می تواند بر دقت و سرعت دستگاه و نتایج خروجی تأثیر مستقیمی داشته باشد.

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.

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