6 تفاوت کلی دستگاه های اسپکترومتر و اسپکتروفوتومتر
دستگاه های اسپکترومتر و اسپکتروفوتومتر، دو ابزار رایج و غیرمخرب در حوزه طیف سنجی هستند که با وجود تفاوت ها، معمولاً با یکدیگر اشتباه گرفته می شوند.
در بین رشته های علمی و آزمایشگاهی تخصصی صنایع مختلف، اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر به دلیل قابلیت آزمایش غیرمخرب و سرعت و دقت بالای آنها در آنالیز به روش های سنتی و یا آنالیزهای زمانبر ترجیح داده می شوند.
اگرچه ماهیت بنیادی اسپکترومتر و اسپکتروفوتومتر یکی است، با این حال، در کاربردهایی متفاوت از یکدیگر هستند.
به طور کلی طیف سنجی یا اسپکترومتری را می توان علم مطالعه ماده و خواص آن از طریق تجزیه و تحلیل انرژی تابشی الکترومغناطیسی، امواج صوتی، نسبت بار به جرم ماده هدف و غیره تعریف کرد که در بسیاری از زمینه های علمی کاملاً ضروری است.
در برخی از علوم، از جمله فیزیک، نجوم و شیمی دانشمندان از اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر برای ارزیابی خصوصیات موادی که نور ساطع می کنند، استفاده می کنند.
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 تولید یا منتشر می کنند.
با ثبت طول موج های منحصر به فرد گسیل شده 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.
برخی از مطالعات شناسایی مواد به روش اسپکترومتری، گامی فراتر از این مرحله پیش برده اند و از دستگاه های اسپکتروفوتومتر برای تحلیل های هم کمی و هم 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 دارد و اسپکترومتر، بخشی از دستگاهوری آن 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 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 بازگردند 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.
تفاوت های بنیادین 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.
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 اندازه گیری های شدت طیفی و سیستم آشکارسازی جهت خوانش طیف نهایی است.
در یک 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
- 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
طبق موارد بالا، بسته به اینکه اتم یا مولکول ماده مورد بررسی در برهمکنش شرکت می کند، اسپکتروفتومرها به دو دسته کلی اتمی و مولکولی نیز تقسیم می شوند.
اسپکتروفتومتر جذبی
اسپکتروفوتومتری نوع جذبی، فرآیندی است که در آن جذب و عبور نور (به صورت تک رنگ یا یک طیف چند رنگی) از ماده نمونه، بر حسب نسبت توان تابشی دو پرتو (پرتو جذبی و عبوری) به صورت تابعی از طول موج طیفی اندازه گیری می شود.
به طور کلی، اسپکتروفوتومترهای جذبی از اجزای اساسی زیر تشکیل شده اند که به طور شماتیک در شکل زیر نمایش داده شده است:
- منبع تابش (نور)
- سیستم نوری (تک رنگ ساز یا چند رنگ ساز)
- بخش نمونه
- آشکارساز
- فیلترها (در صورت لزوم)
- بخش خوانش طیف خروجی
عملکرد قطعات داخل یک اسپکتروفوتومتر به این شکل است که نور 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 چرخش 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 خواهیم داشت. انتخاب طول موج مهم است و در طول آزمایش نباید تغییر کند.
- یک نمونه شفاف عبور 100% دارد، در حالی که یک نمونه کدر قسمت قابل توجهی از پرتوهای نور را منحرف می کند (یا جذب می کند) و درصد عبور کمتری خواهد داشت.
- هر چه چگالی ماده بیشتر باشد، درصد عبور کمتر است.
- اگر جذب در نواحی فرابنفش یا مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی رخ دهد، محلول بی رنگ به نظر می رسد. اما اگر جذب در ناحیه مرئی طیف رخ دهد، محلول رنگی دیده می شود.
اندازه گیری کمی میزان جذب و عبور، بر اساس قانون بیر-لامبرت محاسبه می شود که نسبت شدت تابش جذب شده در اثر عبور از ماده ای همگن (بدون پراکندگی) را متناسب با تعداد (غلظت) مولکول های ماده جاذب که نور از آن عبور عنوان می کند.
در طول موج ثابت و طول مسیر نور ثابت، چگالی نوری متناسب با غلظت مولکول های جذب کننده نور است و بنابراین، مستقیماً می توان چگالی نوری را با استفاده از یک اسپکتروفوتومتر خواند.
A=log(I/I0)=ε.L.c
اسپکترومتر
در بسیاری از رشته های علمی، 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 برای جمع‌آوری اطلاعات در مورد ماده نمونه ای که بیشتر نور مرئی، فرابنفش یا مادون قرمز منتشر می‌کند، استفاده می‌کنند.
بر خلاف اسپکتروفوتومتر، 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 یک جسم را می گیرد، 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، طیف انتشار را اندازه گیری می کند، زیرا نور بر روی شکاف ورودی آن متمرکز شده، پراکنده شده و در طول موج های مختلف ثبت می شود.
اسپکترومتر هیچ کاری با منبع نور و برهمکنش ان با ماده ندارد. یعنی کاری به این ندارد که نور وارد شده به سیستم، به چه نحوی تولید شده است و فقط کار انالیز ان را انجام می دهد.
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.
به عنوان مثال، اخترشناسان از اسپکترومتر برای یافتن دمای یک جسم در فضا، اندازه گیری سرعت حرکت آن و حتی تخمین وزن جسم استفاده می کنند.
همچنین دانشمندان از اسپکترومتر برای تعیین ترکیب عناصر موجود بر روی زمین یا فضا استفاده می کنند.
در حوزه پزشکی نیز دانشمندان اغلب از اسپکترومتر برای شناسایی آلاینده ها، سموم موجود در جریان خون یا حتی بیماری ها استفاده می کنند.
بازه آنالیز
باز آنالیز طول موجی در اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر، شامل بخش وسیعی از طیف الکترومغناطیسی، از پرتوهای ایکس با طول موج کوتاه تا امواج مایکروویو با طول موج بلند می شود که رایج ترین آنها بازه طول موجی بین 200 تا 2500 نانومتر را پوشش می دهند.
نتیجه گیری
اسپکترومتر و اسپکتروفوتومتر، کاربردهای گسترده ای در بسیاری از رشته ها از جمله: فیزیک، شیمی، زیست شناسی، متالورژی، گیاه شناسی، داروسازی و صنایع مربوطه دارند و گاهی این دو با یکدیگر اشتباه گرفته می شوند.
- یک اسپکترومتر برای ثبت 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.
- همانطور که در شکل های بالا نیز قابل مشاهده است، اسپکتروفوتومتر به دلیل گسترده تر بودن عملکردش، ساختار پیچیده و فنی تری دارد.
- در 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.
- یک اسپکترومتر، تنها طیف ورودی را ثبت می کند و به شما می گوید که کدام طول موج نور جذب می شود و کدام طول موج نور منعکس می شود.
- در حالی که یک اسپکتروفوتومتر، شدت نسبی نور جذب شده یا منعکس شده در طول موج خاصی از نور را اندازه گیری می کند و بر این اساس، خواصی از ماده قابل شناسایی خواهد بود.
- اسپکترومتر تنها به صورت کیفی آنالیز می کند، در حالی که اسپکترفتومتر هر دو اندازه گیری کیفی (نسبت شدت) و کمی (عدد جذب) را ارائه می دهد.
به طور خلاصه، در حالی که هر دو دستگاه اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر برای اندازه‌گیری نور استفاده می شوند، یک اسپکترومتر برای جمع آوری اطلاعات در مورد یک ماده بر اساس نوری که می تابد استفاده می شود.
در حالی که یک اسپکتروفتومتر برای اندازه گیری شدت تابش الکترومغناطیسی در طول موج های مختلف، عدد جذب و غلظت ماده استفاده می شود.
پیشنهاد می کنیم برای درک بیشتر از جزئیات اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر، مقاله اسپکتروفتومتر را برسی کنید. امیدواریم که مفید بوده باشد.
