تفاوت اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر چیست؟ مقایسه کامل به زبان ساده

در آزمایشگاه ها و صنایع، ابزارهای گوناگونی برای بررسی مواد بر پایه برهمکنش نور و ماده استفاده می شوند. اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر از پرکاربردترین این ابزارها هستند و به دلیل سرعت، دقت و اغلب غیرمخرب بودن، جایگزین بسیاری از روش های سنتی و زمان بر شده اند.

این دو دستگاه پایه علمی مشترکی دارند و در بسیاری از موارد، یکی بخشی از دیگری است. به همین دلیل بسیاری از کاربران، دانشجویان و حتی کارشناسان آزمایشگاه، این دو را به اشتباه یکسان در نظر می گیرند. در حالی که تفاوت های مهمی در ساختار، عملکرد، نوع خروجی و کاربرد آنها وجود دارد.

شناخت دقیق این تفاوت ها به انتخاب درست دستگاه، افزایش دقت و اعتبار نتایج، کاهش هزینه ها و انطباق با استانداردها و الزامات آزمایشگاهی کمک می کند. در این مقاله این دو ابزار را به زبان ساده با هم مقایسه می کنیم.

پاسخ کوتاه: تفاوت اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر

• اسپکترومتر: نوری را که به آن می رسد، به طول موج های مختلف تفکیک می کند و شدت هر طول موج را اندازه گیری می کند. اسپکترومتر به اینکه این نور از کجا آمده کاری ندارد.

• اسپکتروفتومتر: یک دستگاه کامل است که منبع نور، محل نمونه و یک اسپکترومتر دارد. نور را به نمونه می تاباند و میزان جذب، عبور یا بازتاب نور توسط نمونه را نسبت به یک مرجع اندازه گیری می کند تا نتایج کمی، مانند غلظت، به دست آید.

به زبان ساده: هر اسپکتروفتومتر یک اسپکترومتر در خود دارد، اما هر اسپکترومتری اسپکتروفتومتر نیست.

طیف سنجی یا اسپکترومتری چیست؟

طیف سنجی علم مطالعه مواد از طریق بررسی برهمکنش آنها با امواج الکترومغناطیسی، ذرات یا امواج دیگر است. طیف سنجی یکی از بنیادی ترین روش های آنالیز در علوم پایه و کاربردی است و پایه بسیاری از روش های آنالیز مدرن را تشکیل می دهد.

اسپکترومتر چیست؟

اسپکترومتر یا طیف سنج به طور کلی به هر دستگاهی گفته می شود که یک کمیت فیزیکی را بر حسب یک متغیر طیفی تفکیک و اندازه گیری کند و نتیجه را به صورت یک طیف ارائه دهد. این متغیر می تواند طول موج، فرکانس، انرژی، نسبت جرم به بار یا زمان پرواز باشد.

بر اساس این تعریف، یک اسپکترومتر باید سه کار انجام دهد:

1. یک پدیده فیزیکی را به اجزای قابل تفکیک تقسیم کند.

2. شدت یا فراوانی هر جزء را اندازه گیری کند.

3. نتیجه را به صورت یک توزیع طیفی ثبت کند.

بنابراین اسپکترومترها فقط به نور محدود نیستند و انواع مختلفی دارند:

• طیف سنج جرمی: یون ها را بر اساس نسبت جرم به بار تفکیک می کند.

• اسپکترومتر نوری: نور را بر اساس طول موج تفکیک می کند و در ناحیه های فرابنفش، مرئی، فروسرخ و در روش هایی مانند فلورسانس و رامان استفاده می شود.

• اسپکترومترهای پرتو ایکس، نوترونی و ذرات پرانرژی

در ادامه این مقاله، منظور از اسپکترومتر، اسپکترومتر نوری است.

اسپکترومتر نوری چگونه کار می کند؟

یک اسپکترومتر نوری معمولا این اجزا را دارد:

1. شکاف ورودی: نور از طریق یک فیبر نوری یا عدسی به آن وارد می شود.

2. موازی ساز: آینه یا عدسی که نور را موازی می کند.

3. عنصر پاشنده: معمولا یک توری پراش یا منشور که نور را به طول موج های مختلف تفکیک می کند.

4. کانونی کننده: آینه یا عدسی که هر طول موج را روی آشکارساز متمرکز می کند.

5. آشکارساز: معمولا یک آشکارساز آرایه ای CCD یا CMOS که شدت همه طول موج ها را همزمان اندازه گیری می کند.

خروجی اسپکترومتر، طیف نوری است که به آن رسیده؛ یعنی شدت نور بر حسب طول موج. اسپکترومتر در تولید نور یا برهمکنش نور با ماده نقشی ندارد و فقط نوری را که وارد آن شده تحلیل می کند. برای آشنایی دقیق با این اجزا، مقاله اجزای طیف سنج نوری را بخوانید.

کاربردهای اسپکترومتر نوری

اسپکترومتر برای بررسی هر نوری که می خواهیم طیف آن را بدانیم، استفاده می شود؛ برای مثال:

• اخترشناسی: تعیین ترکیب، دما و سرعت حرکت ستارگان و کهکشان ها از روی طیف نور آنها

• بررسی منابع نور: اندازه گیری طیف لامپ ها، LEDها و لیزرها

• طیف سنجی نشری: تحلیل نور گسیل شده از نمونه های برانگیخته در شعله، جرقه یا پلاسما

• پایش فرایندها: بررسی طیف پلاسما در ساخت تراشه یا نور گسیلی در فرایندهای صنعتی

• ساخت سیستم های طیف سنجی: اسپکترومتر به عنوان بخش اصلی در ساخت سیستم های جذبی، بازتابی، فلورسانس و رامان استفاده می شود.

اسپکتروفتومتر چیست؟

اسپکتروفتومتر دستگاهی است که شدت نور را در طول موج های مختلف به صورت نسبی اندازه گیری می کند؛ یعنی نوری را که از نمونه عبور، بازتاب یا پراکنده شده، با نور مرجع مقایسه می کند. واژه «فتومتر» در نام آن به معنای سنجش شدت نور است.

یک اسپکتروفتومتر معمولا این اجزا را دارد:

• منبع نور: مانند لامپ دوتریوم و لامپ هالوژن تنگستن

• محفظه نمونه: محل قرار گرفتن کووت یا نمونه که برهمکنش نور و ماده در آن رخ می دهد

• اسپکترومتر یا تک رنگ ساز: برای تفکیک طول موج ها

• آشکارساز

• پردازشگر و نرم افزار: که جذب، عبور یا بازتاب را محاسبه و به غلظت یا سایر نتایج کمی تبدیل می کند.

ویژگی کلیدی اسپکتروفتومتر این است که برهمکنش نور و ماده درون خود دستگاه و در شرایط کنترل شده رخ می دهد. دستگاه ابتدا شدت نور را با یک شاهد (I₀) و سپس با نمونه (I) اندازه گیری می کند و از نسبت آنها، جذب را محاسبه می کند. طبق قانون بیر لامبرت، جذب با غلظت ماده متناسب است و به این ترتیب غلظت نمونه تعیین می شود.

انواع اسپکتروفتومتر

اسپکتروفتومترها بر اساس نوع اندازه گیری به چند دسته تقسیم می شوند:

• اسپکتروفتومتر جذبی عبوری: رایج ترین نوع برای اندازه گیری غلظت محلول ها

• اسپکتروفتومتر بازتابی: برای اندازه گیری رنگ و بازتاب سطوح جامد، مانند رنگ ها، پارچه ها و پلاستیک ها

• اسپکتروفلوریمتر: برای اندازه گیری نور فلورسانس نمونه

و بر اساس محدوده طول موج:

• مرئی

• فرابنفش مرئی (UV-Vis)

• فرابنفش مرئی فروسرخ نزدیک (UV-Vis-NIR)

• فروسرخ

همچنین بر اساس مسیر نوری به انواع تک پرتو و دو پرتو تقسیم می شوند که در مقاله تفاوت اسپکتروفتومتر تک پرتو و دو پرتو توضیح داده شده است.

چرا اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر با هم اشتباه گرفته می شوند؟

مهم ترین دلیل این اشتباه این است که هر اسپکتروفتومتر، یک اسپکترومتر یا تک رنگ ساز در خود دارد که مسئول تفکیک طول موج هاست. همچنین در زبان روزمره و حتی در کاتالوگ برخی شرکت ها، این دو اصطلاح گاهی به جای هم استفاده می شوند. علاوه بر این، با اضافه کردن یک منبع نور و نگهدارنده کووت به یک اسپکترومتر فیبری، می توان یک سیستم اسپکتروفتومتری ساخت.

تفاوت های اصلی اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر

تفاوت در هدف اندازه گیری

• اسپکترومتر به این سوال پاسخ می دهد: «این نور از چه طول موج هایی و با چه شدتی تشکیل شده است؟»

• اسپکتروفتومتر به این سوال پاسخ می دهد: «این نمونه چه مقدار از نور را در هر طول موج جذب، عبور یا بازتاب می کند؟»

تفاوت در نوع خروجی

اسپکترومتر معمولا طیف خام ارائه می دهد که برای رسیدن به نتیجه نهایی، اغلب به پردازش و تفسیر تخصصی نیاز دارد. همچنین چون بخشی از نور در شکاف ورودی و اجزای اپتیکی از دست می رود، اسپکترومتر معمولی شدت مطلق نور را نشان نمی دهد؛ برای اندازه گیری شدت مطلق، به اسپکترومترهای کالیبره شده ای به نام اسپکترورادیومتر نیاز است.

اسپکتروفتومتر چون همیشه نمونه را با یک مرجع مقایسه می کند، نتایج نسبی و کمی دقیقی مانند جذب و غلظت ارائه می دهد که مستقیما برای آنالیزهای آزمایشگاهی و کنترل کیفیت قابل استفاده است.

تفاوت در کاربرد

• اسپکترومتر بیشتر در پژوهش های پیشرفته، فیزیک، نجوم، بررسی منابع نور، طیف سنجی نشری و ساخت سیستم های طیف سنجی سفارشی استفاده می شود؛ جایی که هدف، مشاهده و تحلیل طیف، بررسی قله ها و تغییرات پیچیده یک سیستم است.

• اسپکتروفتومتر ابزاری کاربرمحور و نتیجه گرا است و انتخاب اصلی آزمایشگاه های تجزیه، کنترل کیفیت، آنالیز آب و فاضلاب، زیست شناسی مولکولی و صنایع غذایی و دارویی است؛ جایی که دقت عددی، سرعت و تکرارپذیری اهمیت بیشتری دارند.

البته این مرز مطلق نیست. برای مثال، در طیف سنجی نشری پلاسما (ICP-OES)، یک اسپکترومتر نتایج کمی بسیار دقیقی ارائه می دهد؛ اما در آنجا نیز نتایج کمی با کالیبراسیون با استانداردها به دست می آیند.

اصطلاحات مشابه

کدام دستگاه را انتخاب کنیم؟

اسپکترومتر انتخاب مناسبی است اگر:

• می خواهید طیف یک منبع نور مانند لامپ، LED، لیزر یا پلاسما را بررسی کنید.

• قصد دارید یک سیستم طیف سنجی سفارشی (مثلا فلورسانس، رامان یا بازتابی) بسازید.

• کار شما پژوهشی است و به انعطاف پذیری بالا نیاز دارید.

اسپکتروفتومتر انتخاب مناسبی است اگر:

• هدف شما اندازه گیری غلظت مواد در محلول هاست.

• به نتایج سریع، کمی و تکرارپذیر برای کنترل کیفیت یا آنالیزهای روزمره نیاز دارید.

• با روش های استاندارد و ریجنت های اسپکتروفتومتری، مانند آنالیز آب، کار می کنید.

برای بررسی کامل معیارهای انتخاب، راهنمای خرید اسپکتروفتومتر را بخوانید.

اسپکترومتر و اسپکتروفتومترهای بلورآزما

اسپکتروفتومترهای بلورآزما، مانند AURORA و OPAL، بر پایه یک اسپکترومتر داخلی با چیدمان چرنی ترنر و آشکارساز آرایه ای CMOS ساخته شده اند که کل طیف را همزمان ثبت می کند. همچنین بلورآزما منبع نور دوتریوم هالوژن برای ساخت سیستم های طیف سنجی سفارشی عرضه می کند. برای مشاهده مشخصات محصولات، به صفحه محصولات مراجعه کنید.

سوالات متداول

تفاوت اصلی اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر چیست؟

اسپکترومتر طیف نوری را که به آن می رسد اندازه گیری می کند، اما اسپکتروفتومتر منبع نور و محل نمونه دارد و جذب، عبور یا بازتاب نور توسط نمونه را نسبت به یک مرجع اندازه گیری می کند.

آیا اسپکتروفتومتر اسپکترومتر دارد؟

بله، هر اسپکتروفتومتر یک اسپکترومتر یا تک رنگ ساز در خود دارد که طول موج ها را تفکیک می کند.

آیا می توان با اسپکترومتر غلظت را اندازه گیری کرد؟

با اضافه کردن یک منبع نور پایدار، نگهدارنده کووت و نرم افزار مناسب، می توان یک سیستم اسپکتروفتومتری ساخت و غلظت را اندازه گیری کرد.

تفاوت اسپکتروفتومتر و فتومتر چیست؟

فتومتر یا کالریمتر شدت نور را فقط در یک یا چند طول موج ثابت اندازه گیری می کند، اما اسپکتروفتومتر می تواند در طول موج های مختلف و در یک محدوده گسترده اندازه گیری کند.

آیا طیف سنج جرمی هم اسپکترومتر است؟

بله، طیف سنج جرمی نوعی اسپکترومتر است، اما به جای طول موج نور، یون ها را بر اساس نسبت جرم به بار تفکیک می کند.

جمع بندی

اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر دو ابزار مرتبط اما متفاوت هستند. اسپکترومتر نوری که به آن می رسد را به طول موج های مختلف تفکیک کرده و شدت هر طول موج را اندازه گیری می کند و به منشأ نور کاری ندارد. اسپکتروفتومتر یک دستگاه کامل با منبع نور، محفظه نمونه و یک اسپکترومتر داخلی است که جذب، عبور یا بازتاب نور توسط نمونه را نسبت به یک مرجع اندازه گیری می کند و نتایج کمی مانند غلظت ارائه می دهد. اگر هدف شما بررسی طیف منابع نور یا ساخت سیستم های پژوهشی است، اسپکترومتر و اگر هدف شما اندازه گیری کمی، سریع و تکرارپذیر غلظت مواد است، اسپکتروفتومتر انتخاب مناسب تری است.

منابع

• Atomic and Molecular Spectroscopy