3 تفاوت اسپکترومتر و اسپکتروفوتومتر (بررسی کامل و کاربردی)|بلورآزما
فهرست مطالب
دستگاه های اسپکترومتر و اسپکتروفوتومتر، دو ابزار رایج و غیرمخرب در حوزه طیف سنجی نوری هستندو با وجود تفاوت ها، معمولاً با یکدیگر اشتباه گرفته می شوند.
در علوم آزمایشگاهی و تحلیل مواد، ابزارهای گوناگونی برای بررسی مواد بر مبنای برهمکنش نور و ماده به کار می روند. از میان آنها، اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر، از پرکاربردترین و در عین حال پر چالش ترین تجهیزات هستند و به دلیل غیرمخرب بودن و سرعت و دقت بالای آنها در آنالیز، به روش های سنتی و یا آنالیزهای زمان بر ترجیح داده می شوند. اگرچه ماهیت بنیادی اسپکترومتر و اسپکتروفوتومتر یکی است، با این حال، بسیاری از کاربران، دانشجویان و حتی فعالان حوزه های آزمایشگاهی و صنعتی، این دو دستگاه را به اشتباه یکسان در نظر می گیرند. در حالی که تفاوت های مهمی در عملکرد، ساختار، نوع خروجی و کاربردهای تخصصی آنها وجود دارد.
شناخت دقیق تفاوت اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر نه تنها به انتخاب صحیح دستگاه کمک می کند، بلکه نقش بسیار مهمی در افزایش دقت و اعتبار نتایج، بهینه سازی هزینه ها، تطابق با استانداردها و الزامات رگولاتوری دارد. در این مقاله به صورت شفاف و کاربردی به بررسی تفاوت این دو ابزار نوری می پردازیم تا بتوانید متناسب با نیاز آزمایشگاهی یا صنعتی خود، تصمیم آگاهانه تری بگیرید.
اسپکترومتری یا طیف سنجی
به طور کلی طیف سنجی یا اسپکترومتری را می توان علم مطالعه مواد و اندازه گیری برخی از ویژگی های آنها از طریق آنالیز برهمکنش انرژی تابشی الکترومغناطیسی، امواج صوتی، نسبت بار به جرم ماده هدف و غیره تعریف کرد. طیف سنجی یکی از بنیادی ترین روش های آنالیز در علوم پایه و کاربردی است و به دلیل دقت بالا و تنوع کاربرد، در بسیاری از حوزه ها نقش کلیدی ایفا می کند و مبنای بسیاری از روش های آنالیز مدرن می باشد.
تعریف اسپکترومتر (طیف سنج)
به طور کلی، اسپکترومتر یا طیف سنج به هر دستگاهی اطلاق می گردد که به منظور تفکیک، اندازه گیری و تحلیل یک کمیت فیزیکی بر حسب یک متغیر طیفی طراحی شده باشد، به طوری که خروجی دستگاه، به صورت یک طیف (spectrum) ارائه می شود. این متغیر طیفی می تواند شامل طول موج، فرکانس، انرژی، نسبت جرم به بار، زمان پرواز و یا سایر پارامترهای فیزیکی قابل تفکیک باشد.
- طبق این تعریف، اسپکترومتری تنها محدود به طول موج تابش الکترومغناطیسی نیست و به طور کلی شامل هر سیستمی می شود بتواند شرایط زیر را داشته باشد:
یک پدیده فیزیکی را به اجزای جزئی و قابل تفکیک، تقسیم کند.
شدت یا فراوانی هر جزء را اندازه گیری کند.
و نتیجه به صورت یک تابع توزیع طیفی ثبت کند. - بر این اساس، انواع مختلفی از اسپکترومترها وجود دارد، از جمله:
اسپکترومتر جرمی که یون ها را براساس نسبت جرم به بار آنها تفکیک می کند.
اسپکترومتر نوری که شامل طیف های مختلفی از طول موج ها می شود (UV-Vis، NIR، فلورسانس، رامان و ...)
اسپکترومترهای مبتنی بر پرتو ایکس، نوترونی یا ذرات پر انرژی
وجه مشترک تمام این دستگاه ها، تحلیل طیفی داده ها برای شناسایی، تعیین یا بررسی ساختار ماده است، هرچند نوع منبع، روش تفکیک و روش آشکارسازی آنها متفاوت است. هدف ما در این مقاله، بررسی تفاوت های اسپکترومتر نوری و اسپکتروفتومتر می باشد.
اسپکترومتر نوری
فیزیک و تئوری دستگاه های اسپکترومتری که بر مبنای آنالیز تابش موج الکترومغناطیسی (نور) عمل می کنند، بر این اصل استوارند که مواد، به دلیل فرایندهای مختلف اتمی یا مولکولی، طول موج های منحصر به فردی را جذب یا نشر می کنند. با ثبت طول موج های منحصر به فرد گسیل شده یا عبوری از مواد، می توان اطلاعات ساختاری از مواد بدست آورد و دستگاه اسپکترومتر، جهت شناسایی و ثبت این طول موج های ویژه مورد استفاده قرار می گیرند و در فرایند گسیل یا جذب نور توسط ماده نقشی ندارد.
مطالعات شناسایی مواد به روش اسپکترومتری، گامی فراتر از این مرحله پیش برده اند و از دستگاه های اسپکتروفوتومتر برای تحلیل های کمی و کیفی شدت طول موج های ثبت شده و مقایسه آنها با یک مرجع استاندارد استفاده می کنند. در حقیقت، دستگاه های اسپکتروفتومتر، فرایند تحریک ماده و نشر یا عبور نور را نیز در دل خود دارند و اسپکترومتر، بخشی از پیکربندی آنها است. برای درک بهتر تفاوت های دو دستگاه اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر که شباهت های بسیاری نیز با یکدیگر دارند، ادامه مقاله را مطالعه بفرمایید.
ماهیت فیزیکی طیف سنجی نوری
با برهمکنش نور با ماده، بسته به انرژی تابش فرودی (یا طول موج) و نوع ماده، می توان ویژگی های مولکولی یا اتمی آن را بررسی کرد و علم طیف سنجی نوری (اسپکتروفوتومتری)، به این حوزه اختصاص دارد. همه ما می دانیم که مولکول های بسیار کوچک با هم ترکیب می شوند و ماده خاصی را تشکیل می دهند. مولکول ها خود از ذرات بسیار ریزتر، یعنی اتم ها تشکیل شده اند که حاوی الکترون هستند. از طرفی، می دانیم که نور یک تشعشع الکترومغناطیسی (موج) است، پدیده ای که می تواند حامل انرژی های متفاوتی باشد و شناخته شده ترین طیف آن، نور مرئی (بازه طول موجی حدود 300-800 nm) است.
هنگامی که موج الکترومغناطیسی (نور) با ماده برهمکنش می کند، بخشی یا کل انرژی اش را به ماده منتقل کرده و این انرژی می تواند توسط ذره جذب گردد. طبق مکانیک کوانتومی، الکترون های موجود در مولکول ها یا اتم ها با دریافت این انرژی، اصطلاحاً برانگیخته می شوند (با افزایش انرژی، از یک حالت انرژی به حالتی بالاتر می روند). تمامی مواد تمایل دارند که در شرایط تعادل، به حالت پایه خود باز گردند و به همین دلیل، در بازه زمانی بسیار کوتاهی (در حد فمتو ثانیه) انرژی دریافتی را به صورت طیفی از امواج الکترومغناطیسی گسیل می کنند.
چنین فعل و انفعالات مولکولی را می توان به راحتی در فرایندهایی مانند جرقه در فلزات خاص مشاهده کرد، زیرا این جرقه ها در طیف مرئی امواج الکترومغناطیسی تشکیل می شوند و با چشم قابل دیدن هستند. بررسی خواص تابش الکترومغناطیسی و برهمکنش آن با ماده، منجر به درک انواع طیف ها و در نتیجه تکنیک های مختلف طیف سنجی و کاربرد آنها در حل مسائل می شود.
عملکرد اسپکترومتر و اسپکتروفوتومتر
اسپکترومتر و اسپکتروفوتومتر، در کنار یکدیگر و یا به صورت مجزا در حوزه هایی از جمله فیزیک، شیمی، زیست شناسی، متالورژی، گیاه شناسی، داروسازی و صنایع مربوطه دیگر به کار برده می شوند. گاهی اصطلاحات اسپکترومتر و اسپکتروفوتومتر به اشتباه به جای یکدیگر مورد استفاده قرار می گیرند و منجر به خطا در درک مفهومات علمی و حتی انتخاب اشتباه آنها می شود. نمی توان این خطا ها را به طور کامل از بین برد، اما می توان با آگاهی از این مفاهیم، به درک بهتری دست یافت و دقیق تر به مسائل نگاه کرد.
عملکرد این دو دستگاه زمانی گیج کننده تر می شود که دیده می شود اسپکتروفوتومترها، در داخل پیکربندی بندی خود دارای یک طیف سنج (اسپکترومتر) نیز هستند. دانستن تفاوت اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر که اولی تنها طول موج تابشی مواد را ثبت می کند و دومی علاوه بر ثبت طیف، نسبت تشعشعات را نیز به صورت کمی و کیفی اندازه گیری می کند، ضروری است.
دستگاه اسپکتروفتومتر
به طور کلی، یک دستگاه اسپکتروفتومتر شامل یک منبع نور، وسیله ای برای جمع آوری نور برهمکنش کننده با ماده مورد آزمایش، یک طیف سنج برای تفکیک نور برهمکنش کننده و سیستم آشکارسازی جهت اندازه گیری، و نمایشگر جهتت خوانش طیف نهایی است. در یک دستگاه اسپکتروفوتومتر، طیف سنج یا اسپکترومتر یکی از بخش های اصلی را تشکیل می دهد و بیشترین مسئولیت را برای اندازه گیری طیفی بر عهده دارد.
یکی از موارد مهمی که اسپکتروفتومتر را متمایز می کند این است که برهمکنش نور و ماده در داخل همین دستگاه صورت می گیرد و در نهایت نور برهمکنش یافته، مورد آنالیز طیفی و در نهایت آشکارسازی قرار می گیرد. بسته به کاربرد اسپکتروفوتومتر، بر مبنای فیزیکی مختلفی طراحی می شوند، از جمله: اندازه گیری میزان جذب طول موج معینی از امواج الکترومغناطیسی، بازتاب، عبور یا پراکندگی آنها توسط ماده. به طور کلی، بر اساس نوع برهمکنش انرژی تابشی و ماده، سه نوع اسپکتروفوتومتر وجود دارد:
- اسپکتروفوتومتر جذبی-عبوری
- اسپکتروفوتومتر نوع گسیلی یا نشری
- اسپکتروفوتومتر نوع بازتابی یا پراکندگی
اسپکتروفوتومترها بسته به محدوده طول موجی تابش فرودی (منبع تابش) و نحوه تولید آن نیز به دسته های مختلفی طبقه بندی می شوند:
- اسپکتروفوتومتر بر پایه جرقه یا قوس
- اسپکتروفوتومتر بر پایه نور مرئی
- اسپکتروفوتومتر بر پایه فرایند فلورسانس
- اسپکتروفوتومتر بر پایه شعله
- اسپکتروفوتومتر بر پایه امواج فرابنفش
- اسپکتروفوتومتر بر پایه امواج مادون قرمز
- اسپکتروفوتومتر بر پایه امواج اشعه ایکس
- اسپکتروفوتومتر بر پایه تابش حرارتی
عملکرد قطعات داخل یک اسپکتروفوتومتر به این شکل است که نور منبع پس از برهمکنش با ماده (جذب-عبور، بازتاب یا گسیل) به سمت یک شکاف ورودی متمرکز می شود (معمولاً از طریق یک سیستم عدسی). پس از عبور پرتوهای نور از داخل شکاف، معمولاً یک توری پراش (یا یک منشور) وجود دارد که نور سفید را به طول موج های اجزای آن تفکیک می کند. با جهت گیری مناسب توری پراش، طول موج های خاص از طریق شکاف خروجی به سمت یک سیستم آشکارسازی منتقل می شود. البته در برخی از اسپکترفتومترهای مدرن، توری پراش ثابت است و ساختارهای مختلفی برای تفکیک نور وجود دارد. آشکارساز نیز خروجی الکتریکی را به یک مقدار دیجیتالی خاص تبدیل می کند و در نهایت طیف یا خروجی های مورد نظر را خواهیم داشت.
دستگاه اسپکترومتر (ویژه تفکیک تابش الکترومغناطیسی)
در بسیاری از حوزه های علمی یا تحقیقاتی، دستگاه های اسپکترومتر جهت اندازه گیری و ثبت طیف تابشی الکترومغناطیسی ساطع شده ضروری هستند. برای مثال، اخترشناسان از اسپکترومتر برای بررسی و پیدا کردن دمای یک جسم در فضا، اندازهگیری سرعت حرکت آن و حتی تخمین وزن جسم استفاده می کنند. به طور کلی، محققان از اسپکترومتر نوری بیشتر برای جمعآوری اطلاعات در مورد ماده نمونه ای که بیشتر نور مرئی، فرابنفش یا مادون قرمز منتشر میکند، استفاده میکنند.
بر خلاف اسپکتروفوتومتر، دستگاه اسپکترومتر نمی تواند نتیجه ای ایجاد کند، تنها می تواند اطلاعاتی را گردآوری و ثبت کند که توسط بخش ها یا دستگاه های دیگر تحلیل و بررسی می شود.
یک اسپکترومتر، نور حاصل از یک فرایند یا نور گسیلی از یک جسم را دریافت کرده، آن را از شکافی عبور می دهد و سپس آن را بر روی یک عنصر پراکننده ارسال می کند. مقداری از نور که از شکاف عبور نمی کند، به طور کلی ناشناخته است، بنابراین تخمین شار مطلق به عنوان تابعی از طول موج دشوار می شود. در حقیقت، یک اسپکترومتر، تنها طیف انتشار یا جذب را ثبت می کند.
دستگاه اسپکترومتر هیچ کاری با فرایند منبع نور و برهمکنش آن با ماده ندارد. یعنی کاری به این ندارد که نور وارد شده به سیستم، به چه نحوی تولید شده است و فقط کار آنالیز را انجام می دهد. اما اینکه تابش الکترومغناطیسی درچه محوده طول موجی باشد مهم است.
تفاوت های اسپکتروفتومتر و اسپکترومتر
در بخش قبل نیز دیدیم که اسپکترومتر، بخشی از اسپکتروفوتومتر است که اندازه گیری طیف را بر عهده دارد. در حقیقت، می توان با کمک دستگاه اسپکترومتر، طیف وسیعی از سیستم های طیف سنجی از جمله رامان، جذب و عبور، بازتابی و فلورسانس را راه اندازی کرد. لازم به ذکر است که اسپکترومتر، جدا از اسپکتروفوتومترها، در سایر ابزارهای تحلیلی نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
تفاوت های اصلی اسپکتروفتومتر و اسپکترومتر
تفاوت اصلی اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر در هدف اندازه گیری، نوع داده خروجی و دامنه کاربرد آنهاست. در قدم اول، اسپکترومتر یک مفهوم کلی و خانواده گسترده ای از دستگاه های آنالیز است که در بخش های قبل به طور مفصل توضیح داده شد.
یک اسپکترومتر بر مبنای نور، جهت تفکیک طول موج (بسته بهخ بازه طول موج قابل پوشش دستگاه) به کار می¬رود و عملاً کاری با نحوه تولید نور ورودی به سیستم ندارد. در حالی که یک دستگاه اسپکتروفتومتر، از طریق تابش نور به مواد، اندازه گیری کمی و کیفی انجام می دهد و نور را با ماده مورد آنالیز برهمکنش داده و سپس آن را تحلیل می کند.
از نظر خروجی داده نیز تفاوت مهمی بین اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر وجود دارد. یک اسپکترومتر معمولاً یک طیف خام یا تحلیلی ارائه می کند که نیازمند تفسیر تخصصی یا تغییراتی جهت آنالیز می باشد. در حالی که اسپکتروفتومتر داده های پردازش شده و کمی ارائه می کند که مستقیماً برای آنالیزهای آزمایشگاهی و کنترل کیفیت در حوزه های مختلف قابل استفاده هستند.تفاوت کاربردی اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر نیز در نوع مسئله¬ای است که هر دستگاه باید حل کند. زمانی که هدف تحلیل عمیق طیفی، شناسایی ماهیت ماده یا بررسی ساختاری باشد، اسپکتروفتومتر به کار می رود. در حالی که اسپکتروفتومتر برای اندازه گیری ای کمی مورد استفاده قرار می گیرد.
از نظر کاربرد عملی، اسپکترومتر بیشتر در تحقیقات پیشرفته، آنالیزهای تخصصی و مطالعات سیستمی، جهت مشاهده طیف، بررسی پیک ها، شناسایی ترکیبات و تحلیل تغییرات پیچیده یک سیستم به کار می رود. به همین دلیل در حوزه هایی مانند تحقیقات دانشگاهی، فیزیک، نجوم، آنالیز مواد و پژوهش های پیشرفته به کار می رود.
در مقابل، اسپکتروفتومتر ابزاری کاربر محور و نتیجه گرا می باشد که تمرکز آن بر اندازه گیری مقدار جذب، عبور یا بازتاب نور در طول موج های مشخص است. این ویژگی باعث شده است که دستگاه اسپکتروفتومتر انتخاب اصلی در آزمایشگاه ها و کنترل کیفی باشد، جایی که دقت عددی، سرعت انجام تست و قابلیت تکرار اهمیت بالاتری نسبت به تحلیلی طیفی دارد.
نتیجه گیری
اسپکترومتر و اسپکتروفوتومتر، دو مفهومی هستند که گاهی با یکدیگر اشتباه گرفته می شوند، در صورتی که تفاوت های مهمی با یکدیگر دارند. یک دستگاه اسپکترومتر برای ثبت شدت تابش ماده مورد استفاده قرار می گیرد، اما یک اسپکتروفوتومتر، خود از منبع نوری تشکیل شده است که آن را به ماده مورد آزمایش می تاباند و اندازه گیری انجام می دهد.
- در واقع در یک اسپکتروفوتومتر، ابتدا نور تابیده شده با ماده برهمکنش می کند و سپس نور حاصل از برهمکنش، مورد آنالیز و طیف گیری قرار می گیرد (توسط اسپکترومتر) و در نهایت توسط بخش آشکارسازی، خوانش می شود. در حالی که یک اسپکترومتر تنها به صورت کیفی آنالیز می کند.
در نتیجه اگر هدف شما تحلیل طیفی، شناسایی ساختار یا بررسی ویژگی های بنیادی ماده باشد، اسپکترومتر انتخاب مناسبی است؛ اما اگر هدف اندازه گیری کمی، سریع و تکرارشونده است، اسپکتروفتومتر کاربردی تر خواهد بود.
پیشنهاد می کنیم برای درک بیشتر از جزئیات اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر، مقالات "اسپکتروفوتومتر چیست" و "اسپکترومتر" را برسی کنید. امیدواریم که مفید بوده باشد.
