از دستگاه اسپکتروفتومتر چه می دانید؟

دستگاه اسپکتروفتومتر یا طیف سنج نوری، ابزاری اپتیکی است که با عبور دادن نور از مواد مختلف در طول موج های مشخصی، به شناسایی برخی از ویژگی های مولکولی و ساختاری آنها می پردازد.به همین دلیل است که اسپکتروفتومتر، یکی از ابزارهای کلیدی و قلب هر آزمایشگاه تحلیلی است. در حقیقت، اسپکتروفتومتر ها، پس از عبور یا بازتاب نور از مواد  نمونه، تعداد یا شدت فوتون های جذب شده توسط آن ماده  را ثبت و اندازه گیری می کنند. با استفاده از این دستگاه ها، نوع ترکیبات یک محلول شیمیایی یا ترکیب شناخته شده و مقدار عناصر تشکیل دهنده (غلظت) را می توان با دقت بسیار خوبی تعیین کرد.

امروزه دستگاه های اسپکتروفتومتر، ابزارهای تحلیلی قدرتمندی هستند که در حوزه های مختلف علمی و صنعتی از جمله شیمی، زیست شناسی، پزشکی و علوم محیطی استفاده می شوند. این ابزارهای کاربردی، با اندازه گیری میزان جذب، گسیل یا پراکندگی نور در طول موج های خاص امکان تجزیه و تحلیل دقیق و سریع نمونه ها را فراهم می کنند. در هنگام خرید اسپکتروفتومتر، نیاز است که اطلاعات جامعی از عملکرد این نوع دستگاه ها و مشخصات فنی آنها داشته باشید. برای دریافت اطلاعات بیشتر و آشنایی با عملکرد و قابلیت های این دستگاه های  هایتک آزمایشگاهی با ما همراه باشید.

اسپکتروفتومتر ( spectrophotometer ) چیست؟

اسپکتروفتومتر، به شکل مدرن امروزی، در سال 1940 توسط آرنولد بکمن و همکارانش ساخته شد و با گذشت زمان، به اشکال پیچیده تری تکامل یافت و معرفی ابزارهای پراکننده نور و مبتنی بر منشور، تجزیه و تحلیل طیفی دقیق تری را برای دستگاه های اسپکتروفتومتر فراهم کرد. در نهایت، دستگاه های اسپکتروفتومتر مبتنی بر توری پراش رایج شدند که دقت و تطبیق پذیری بهتری را ارائه می کردند و به عنوان دستگاهی استاندارد برای آنالیز مواد، در بسیاری از آزمایشگاه های شیمی شناخته شدند.

به دلیل ابعاد ریز و کوانتومی اتم ها و مولکول ها، نمی توان آنها را با ابزارهای معمولی مشاهده کرد. بنابراین، اسپکتروفتومتر دستگاهی است که این امکان را به شما می دهد تا بتوانید بدون مشاهده مستقیم (از طریق چشم) داخل اتم یا مولکول، ویژگی آنها را تعیین کنید.

تعاریف متعددی برای دستگاه های اسپکتروفتومتر وجود دارد، اما به زبان ساده، اسپکتروفتومتر ابزاری است که به دانشمندان و محققان کمک می کند تا خواص نور و نحوه تعامل آن با مواد مختلف را مطالعه کنند. به عبارت دیگر، بسته به اینکه نور چه تعاملی با ماده دارد، نور فرودی اولیه (نوری که به محلول می تابد)، با نور پس از برهمکنش (نور عبوری از ماده) دیگر یکسان نیست و دچار تغییراتی می شود (تغییر شدت نور). با بررسی و آنالیز این نور تغییر یافته، می توان فهمید که ماده ای که با آن برهمکنش داشته است، چه ویژگی هایی دارد.

به دلیل همین مشخصه های منحصر به فرد اسپکتروفتومتر است که به طور گسترده ای برای آنالیزهای کمی (عددی) و کیفی، مانند تعیین غلظت یک ماده خاص در یک محلول استفاده می شود.

کاربردهای دستگاه اسپکتروفتومتر

کاربرد اسپکتروفتومتر تنها به موارد کمی محدود نمی شود، بلکه فراتر از این ها، می تواند برای تجزیه و تحلیل های کیفی، از جمله شناسایی مواد بر اساس طیف جذب آنها نیز به کار رود. این ویژگی، بیشتر در بخش های کنترل کیفی محصولات مختلف در صنایع مفید است. علاوه بر این، اسپکتروفتومتر ها نقش مهمی در علوم مختلف، از جمله تجزیه و تحلیل DNA، کشف دارو، نظارت بر محیط زیست، کنترل کیفیت آب و صنایعی تولید مواد غذایی و آشامیدنی دارند.

دستگاه های اسپکتروفتومتر، ابزاری مفید برای آموزش خواص نور و ماده نیز هستند. برای مثال، با استفاده از یک دستگاه اسپکتروفتومتر، افراد می توانند طیف جذب یک محلول را ببینند و با آنالیز ترکیبات مختلف و خواص مواد آشنا شوند.

• به طور کلی، برخی از کاربردهای عمده اسپکتروفتومترها عبارتند از:
  تعیین غلظت مواد
  تعیین ناخالصی ها و تشخیص تقلب در برخی ترکیبات، مانند زعفران، عسل، روغن و ...
  توضیح ساختار ترکیبات آلی و معدنی
  پایش محتوای اکسیژن محلول در آب های شیرین و اکوسیستم های دریایی
• پایش و کنترل کیفی سیستم های تصفیه آب و فاضلاب
• پایش و کنترل کیفی مواد محلول در صنایع
  تعیین خصوصیات مولکولی  پروتئین ها
  تشخیص گروه های عاملی و وزن مولکولی
  پایش محتوای تخلیه صنعتی در محیط زیست

انواع اسپکتروفتومتر بر اساس نوع برهمکنش نور و ماده

در بخش قبل گفته شد که اساس عملکردی یک سیستم اسپکتروفتومتر، برهمکنش نور و ماده با یکدیگر است. زمانی که پرتو الکترومغناطیسی به یک ماده می ­تابد، بسته به حالت فیزیکی ماده (جامد، مایع و یا گاز)، ضخامت و نوع ترکیبات شیمیایی سازنده ماده، می تواند به روش های مختلفی با ماده تعامل کند، از جمله: جذب و عبور (در مواد محلول و شفاف، مانند آب و شیشه)، بازتاب (مواد جامد و صیقلی، مانند فلزات) و پراکندگی (مواد جامد یا گاز مانند هوا).

وقتی که یک ماده در معرض تابش نور الکترومغناطیسی قرار می گیرد، اگر بسیار شفاف باشد، می تواند کل نور یا بخشی از آن را از خود عبور دهد. در مقابل اگر ماده ای تیره باشد، می تواند نور را جذب کند و اگر ماده براقی مانند فلز باشد، آن را بازتاب می کند. برهمکنش از نوع پراکندگی نیز زمانی رخ می دهد که ذرات کوچک یا بی نظمی‌های موجود در سطح یک ماده باعث تغییر جهت نور شود. برای جزئیات بیشتر در مورد هر کدام از این برهمکنش ها، بهتر است به مقاله "فرایند های جذب و عبور" مراجعه نمایید.

اسپکتروفتومتر ها نیز بر اساس نوع تعامل نور و ماده، متفاوت عمل می کنند و با اندازه گیری مقدار نور جذب شدهف پراکنده شده و یا بازتاب آن توسط یک نمونه (ماده مورد آنالیز) در طول موج های مختلف، اطلاعات ارزشمندی در مورد ترکیب و خواص مواد ارائه می دهند. در مجموع، بر اساس نحوه برهمکنش نور و ماده، دو گروه کلی از اسپکتروفتومتر وجود دارد و بر همین اساس، اجزای تشکیل دهنده آنها نیز می تواند متفاوت باشد.

1. اسپکتروفتومتر نوع جذبی-عبوری
2. اسپکتروفتومتر نوع بازتابی

اسپکتروفتومتر جذبی-عبوری

در مورد یک دستگاه اسپکتروفتومتر نوع جذبی-عبوری، ایده اصلی این است که نور از یک ماده (معمولاً یک محلول یا یک ماده شفاف) عبور داده می شود و میزان جذب و یا عبور نور از ماده توسط سیستم آشکارساز اپتیکی ثبت و اندازه گیری می شود و سپس توسط کارشناسان مورد مقایسه و ارزیابی قرار می گیرد.

در این نوع از اسپکتروفتومتر، اصل فیزیکی این پدیده بر این موضوع استوار است که بخشی از نور، که هم انرژی با لایه های الکترونی ماده مورد نظر هستند، توسط مولکول های تشکیل دهنده ماده جذب شده و مابقی آن، از نمونه عبور می کند. شدت پرتو قبل و پس از عبور از آن ماده اندازه گیری و ثبت می شود. با مقایسه این شدت ها، ویژگی های کلی نمونه مجهول، مانند غلظت و یا نوع ترکیبات آن مشخص می شود.

فرایند جذب و عبور

جذب و عبور دو مفهوم کلیدی در علم فیزیک هستند که باید به طور دقیق تعریف شوند.فرایند جذب، تکنیکی است که برای اندازه گیری میزان قابلیت ماده در عبور دادن نور به کار می رود، در حالی که عبور، میزان نور انتقال یافته توسط ماده نمونه را اندازه گیری می کند. با این حال، دقت داشته باشید که در طیف سنجی، روش جذبی-عبوری مکمل یکدیگر هستند و بر این مبنا عمل می کنند که هر مولکول یا ماده، می تواند طیف خاصی از امواج الکترومغناطیسی را جذب کند و مابقی طیف بدون اینکه تغییری در ماده ایجاد کند، از آن عبور می کند. بنابراین، هر دو پدیده را همزمان می توان در یک دستگاه به کار برد.

فرایند جذب زمانی اتفاق می افتد که نور به شکل دیگری از انرژی تبدیل می شود و هنگام عبور از یک محیط ناپدید می شود. در حالی که در فرایند عبور، نور می تواند به راحتی از یک محیط دیگر عبور کند. بسته به نوع مولکول، تعداد الکترون ها و به تبع آن، آرایش الکترونی و پیوندهای شیمیایی هر ترکیب متفاوت است و از این رو، طول موج های خاصی را بیشتر از بقیه جذب می کنند.

دستگاه اسپکتروفتومتر که امواج الکترومغناطیسی را آنالیز و آشکارسازی می­ کند، باید طوری طراحی شود که در فرکانس یا طول موج جذب ماده مورد آزمایش، فعال باشد. به عبارتی، یک دستگاه اسپکتروفتومتر باید بتواند براساس نوع برهمکنش نور با ماده (جذب و عبور)، در طول موج های فعال مواد مورد بررسی، آنالیز های لازم را انجام دهد و بازه های طول موجی مورد نیاز را پوشش دهد.

عملکرد نهایی دستگاه اسپکتروفتومتر به گونه ای است که در خروجی، توابعی از شدت نور برحسب طول‌ موج‌ یا فرکانس‌ گزارش داده می شود (طیف جذب یا عبور ماده مورد آنالیز). این طیف ها، اطلاعات مهمی را در مورد ساختار مولکولی موادی که امواج الکترومغناطیسی روی آنها متمرکز شده است، در اختیار ما قرار می ­دهند. به­ عبارتی، طیف های جذب یا عبور، «اثر انگشت» یا مشخصه­ عناصر و ترکیبات مختلف هستند.

چگونه غلظت یک ماده را با اسپکتروفتومتر جذبی-عبوری بسنجیم؟

برای محاسبه میزان جذب نور توسط نمونه در یک اسپکتروفتومتر، از قانون بییر-لامبرت (Beer-Lambert Law) استفاده می شود. بر طبق این قوانین، میزان عبور نور از درون یک محلول یا یک ماده شفاف، به مقدار نوری اطلاق می شود که به طور کامل از نمونه عبور کرده و به آشکارساز برخورد می کند و میزان عبور از رابطه  زیر به دست می آید:

(1)       T=I/Io

که در رابطه بالا، I0، شدت نور تابشی به ماده نمونه و I، شدت نور عبوری از نمونه است. دقت داشته باشید که مقادیر عبور عمدتاً به صورت درصد بیان می شوند.

در این نوع دستگاه ها، معمولاً برای اندازه‌ گیری‌ و محاسبه میزان جذب و عبور نمونه‌ ها، از قانون بییر-لامبرت برای تعیین غلظت نمونه (c) استفاده می گردد. در هنگام اندازه گیری میزان جذب، نور از درون یک کووت حاوی ماده نمونه مورد تحقیق عبور می کند و شدت نور پس از عبور از کووت، با نور پیش از عبور مقایسه می شود. هر چه کووت پهن تر باشد، نور توسط مولکول های بیشتری از نمونه بیشتری جذب شده و در مقابل، نور عبوری کمتری خواهیم داشت. از طرفی، هر چه غلظت مواد تشکیل دهنده نیز بیشتر باشد، امکان جذب بیشتری از نور وجود دارد.

بر این اساس، میزان جذب نور در ماده نمونه، به طول مسیر عبوری نور (L) و غلظت مواد تشکیل دهنده (c) وابسته است. بر طبق قانون بییر-لامبرت، میزان جذب نور توسط یک ماده از رابطه زیر حاصل می شود (در ساده ترین حالت):

(2)          A= ϵLc

A، میزان جذب نور توسط ماده است و ϵ ضریب تضعیف مولی یا ضریب خاموشی شناخته می شود که بسته به ماهیت هر ماده، متفاوت است.

میزان جذب (A)، با لگاریتم نسبت شدت نور پرتوهایی که وارد نمونه شده و از نمونه خارج می شوند (عکس میزان عبور، T)، متناسب است.

(3)        A = log₁₀ (I₀/I)

بنابراین، طبق معادلات (1) و (3)، مقدار جذب را می توان بر اساس میزان عبور بیان کرد:

(4)             A=-log₁₀ (T)

بر طبق معادله بالا مشخص است که وقتی تمام نوری که به جسم می رسد، توسط مواد تشکیل دهنده جذب گردد، مقدار عبور 0٪ و مقدار جذب 100٪ است و بالعکس. در شکل زیر نیز ارتباط عددی مقادیر جذب و عبور نمایش داده شده است.

تفاوت های کلی تکنیک های جذب و عبور در یک اسپکتروفتومتر

1. در طیف سنجی نوری به روش انتقال، میزان عبور نور از یک نمونه را اندازه گیری می شود، در حالی که روش جذب، میزان نور جذب شده توسط ماده را نشان می دهد.
2. در حقیقت، تکنیک انتقال، به طور مستقیم مقدار کمی نور عبور یافته را اندازه گیری می کند، در حالی که در فرایند جذب، قابلیت ماده در عبور (میزان عبور دهی) محاسبه می شود.
3. محدوده عدد جذب بین صفر تا یک است، در حالی که مقدار عبور، از صفر به بالا است و معمولاً به صورت درصدی بیان می شود.
4. به دلیل رابطه اگاریتمی میزان جذب و عبور، با افزایش طول مسیر یا غلظت ماده، مقدار جذب به صورت تصاعدی کاهش می‌ یابد، در حالی که مقدار عبور، به صورت خطی افزایش می‌ یابد.

توجه داشته باشید که در اکثریت دستگاه های اسپکتروفتومتر مدرن، هر دو قابلیت جذب و عبور به طور همزمان مورد آنالیز قرار می گیرد و هر زمان که بخواهید می توانید دستگاه را بر روی حالت جذب یا عبور تنظیم کنید.

نمودار غلظت بر اساس قانون بیر-لامبرت

بر اساس معادلات بخش قبل، نمودار معمولی که قانون بییر-لامبرت را نشان می دهد، همواره خطی و همبستگی مثبت خواهد داشت، به طوری که محور x واحد غلظت و محور y مقدار جذب را نشان می دهند. در معادله خطی (2) معمولاً دو متغیر دیگر، یعنی ضریب خاموشی مولی و طول مسیر نوری، هر دو ثابت فرض می شوند (طول مسیر نوری که همواره ثابت است و در مورد ضریب مولی، از آنجایی که شرایط محیطی و دمایی تغییر نمی کند و ماده نمونه نیز تغییر ماهیتی خاصی ندارد، فرض می شود که ثابت است).

طبق همین معادله، با افزایش غلظت ماده، قدرت جذب آن نیز افزایش می یابد. این الگو منطقی است زیرا اگر غلظت افزایش یابد، به این معنی است که مولکول های بیشتری برای جذب نور وجود دارند و باعث افزایش میزان جذب نور می شود.

کاربرد اسپکتروفتومتر های جذبی-عبوری

امروزه توسعه اسپکتروفتومتر های نوع جذبی، تحقیقات علمی و آزمایشگاهی را متحول نموده و امکان آنالیزهای کمی و کیفی طیف گسترده ای از مواد و پدیده ها را فراهم کرده است. تکامل مداوم قطعات اپتیکی و الکترونیکی به کار رفته در این دستگاه ها، آنها را به ابزاری ضروری در آزمایشگاه‌های مدرن تبدیل کرده است که کاربرد های گوناگونی دارند.

تعیین غلظت مواد ناشناخته

برای تعیین غلظت ترکیبات نامشخصی از یک محلول، می توان از طیف های جذبی استفاده کرد، زیرا داده های جذب مجموعه ای از محلول های استاندارد با غلظت های مشخص، یک منحنی جذب استاندارد را ایجاد می کند و با اندازه گیری و مقایسه منحنی جذب ماده مجهول با این منحنی های استاندارد، غلظت آن تعیین می شود که بر مبنای قانون بییر-لامبرت عمل می کنند.

شناسایی یک ماده

هر ماده خالص، بسته به ساختار الکترونی و مولکولی آن، طیف جذب منحصر به فردی خواهد داشت. بنابراین، یک طیف جذبی  مانند اثر انگشت عمل کرده و به شناسایی مواد ناشناخته کمک می کند.

شناسایی گروه‌ های عاملی

برخی از گروه‌ های عاملی (یا به عبارتی نوع پیوندهای شیمیایی) دارای طیف های جذبی متفاوتی هستند. شناسایی آنها در یک طیف، به درک دقیق مواد کمک نموده و بعلاوه، نشان دهنده موفقیت آمیز بودن یک واکنش در یک آزمایش به خصوص نیز می باشد.

اسپکتروفتومتر های نوع بازتابی

اسپکتروفتومتر بازتابی، ابزاری اپتیکی است که برای اندازه‌ گیری خواص  مواد از طریق قابلیت بازتاب کنندگی مواد (خواص سطحی یک ماده) در طیف وسیعی از طول‌ موج‌ ها استفاده می‌ شود و میزان نور بازتاب شده از سطح نمونه را ارزیابی و آنالیز می کند.

فرایند بازتاب نور، بسته به نوع سطح و طول موج نور تابیده شده به سطح، در فرایندهای مختلفی می تواند انجام شود و هر فرایند، کاربرد ویژه خود را دارد و اگر سطوحی را آنالیز می کنید که کاملاً مات هستند، یک اسپکتروفتومتر بازتابی می تواند این کار را به خوبی انجام دهد.

از آنجایی که ابزار های بازتابی، طیف نور منعکس شده را اندازه می گیرند، دقیق ترین و قابل تکرارترین نتایج را برای سطوح صاف و مات ارائه می کنند. برای مثال، در یک نقاشی، الیاف یا یک بافت پوستی، رنگ‌ ها سطوح زیرلایه را می‌ پوشانند و بنابراین نمی‌ توان به طور دقیق بخش های زیرین را مورد قیاس چشمی قرار داد و این رنگ ها، کاندیدای خوبی برای اندازه گیری اسپکتروفتومتری به روش بازتاب هستند.

کاربردهای یک اسپکتروفتومتر نوع بازتابی

یکی از رایج ترین کاربردهای طیف سنجی بازتابی، اندازه گیری رنگ است. اندازه گیری رنگ در کاربردهای صنعتی مختلف مانند تعیین رنگ پارچه، کاغذ، میوه، نوشیدنی ها و پر پرندگان استفاده می شود.

اگرچه معمولاً نمی توانیم از طریق یک ماده پلاستیکی ببینیم، اما ممکن است توانایی عبور نور را تا حدی داشته باشد. اگر نوری با شدت بالا به آن بتابد، اسپکتروفتومتر عبوری انتخاب مناسبی است.اما اگر یک پردازشگر پلاستیک هستید که با مواد مات کار می‌کند، بهتر است که از اندازه‌ گیری بازتابی استفاده کنید. برای آنالیز دقت رنگ منسوجات و پارچه های نخی یا ضخیم نیز معمولاً از اسپکتروفتومترهای نوع بازتابی استفاده می شود.

با ارائه یک ارزیابی سریع و ایمن از بافت برای دیسپلازی و ایسکمی بدون برش، بر بسیاری از محدودیت‌ها در پردازش و تشخیص هیستوپاتولوژیک غلبه می‌کند، زیرا طیف‌سنجی انعکاسی شکلی از فناوری کاوشگر نقطه‌ای است که دارای مزایای سهولت عبور از کانال جانبی یک آندوسکوپ تشخیصی استاندارد می باشد. یک مثال استاندارد از کاربرد طیف سنجی بازتابی در حوزه پزشکی، هموگلوبین اکسیژن دار است که زمانی که نور سفید به آن می تابد، مقدار زیادی از نور آبی را جذب نموده و نور قرمز را بازتاب می کند و رنگ مشخص خود را می دهد. در مقابل، هموگلوبین بدون اکسیژن درجه بالاتری از نور قرمز را جذب کرده و آبی‌ تر به نظر می‌ رسد. بنابراین، اسپکتروفتومتر بازتابی اطلاعاتی در مورد غلظت هموگلوبین بافتی و وضعیت اکسیژن رسانی ارائه می دهد.

عملکرد کلی اسپکتروفتومتر

انواع مختلف اسپکتروفتومتر، بر اساس کاربرد و عملکرد مورد نظر، همگی با یکدیگر متفاوت هستند اما در کلیت، اجزا و عملکردهای مشابهی دارند که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت. به طور کلی برای خوانش طیف در یک اسپکتروفتومتر، مراحل زیر طی می شود:

1. ابتدا نور منبع (که می توانند انواع و بازه طول موجی مختلفی داشته باشند و به روش های مختلفی تأمین گردند)، با ماده مورد آنالیز برهمکنش می کند (جذب و عبور، بازتاب و ...).
2. در مرحله بعد، نور پس از برهمکنش با ماده، از طریق یک عنصر تفکیک کننده نور تجزیه می شود (مانند منشور یا توری پراش)، که نور را به "رنگین کمانی" از طول موج ها پراکنده می کند.
3. سپس، این طول موج های مجزای تفکیک شده (به صورت تک طول موجی یا طیف کامل) به سمت سیستم آشکارسازی هدایت می شوند تا مشخصات آنها ثبت گردد (مانند شدت یا چگالی شار فوتون).
4. در نهایت، اطلاعات اندازه گیری شده (شدت نور بازتابی یا عبوری)، دیجیتالی می شود تا بتوان به کاربر نمایش داد.
5. در هر اندازه گیری و برای هر طول موج، نمونه آزمایش باید با مقادیر اندازه گیری یک نمونه مرجع (استاندارد) مقایسه شود تا میزان شدت نور و دقت دستگاه کنترل شود.

قطعات مورد استفاده در یک اسپکتروفتومتر

منبع نور

اسپکتروفتومتر ها شدت نور را در طول موج های مختلفی اندازه گیری می کنند و بر این اساس، می توانند طیف های گوناگونی از مواد را آنالیز نمایند. برای اطمینان از اندازه گیری های دقیق و صحیح، استفاده از منابع نوری مناسب ضروری است که در ادامه، برخی از منابع نوری رایج برای اسپکتروفتومتر ها آورده شده است:

لامپ تنگستن هالوژن

این لامپ ها طیف پیوسته ای از نور مرئی و فروسرخ نزدیک را تأمین کرده و خروجی پایداری را در طول زمان ارائه می دهند. از این رو، این منابع نوری برای اسپکتروفتومتر های چند منظوره مناسب هستند.

لامپ دوتریوم

لامپ های دوتریوم، نور فرابنفش (UV) را در محدوده 190-400 نانومتر ساطع می کنند و در اسپکتروفتومتر ها معمولاً به عنوان منبع بخش UV و در ترکیب با یک لامپ تنگستن-هالوژن، برای پوشش طیف طول موجی کامل تر UV-Vis-NIR استفاده می شوند.

لامپ زنون

لامپ های زنون طیف وسیعی از نور از جمله نواحی UV، مرئی و مادون قرمز را تولید کرده، خروجی با شدت بالایی دارند و اغلب برای برنامه هایی که نیاز به حساسیت بالا یا اسکن سریع است، استفاده می شوند.با این حال، میزان نور سرگردان ابزاری در آنها بالاتر است و انرژی کمتری در طیف انتهای مرئی دور وجود دارد. با این وجود، برای اندازه گیری­ های عمومی ایده آل هستند.

LED (دیود ساطع کننده نور)

LED ها در طول موج های مختلفی در دسترس هستند که آنها را برای کاربرد های ویژه (بازه های طول موجی کم یا گسسته) مناسب می کند. آنها مزایایی مانند مصرف انرژی کم، طول عمر طولانی و اندازه کوچک را ارائه می دهند.

لامپ بخار جیوه

این لامپ ها خطوط قوی در طول موج های خاصی در نواحی UV و مرئی ساطع می کنند و معمولاً به دلیل خطوط انتشار قوی، به عنوان منابع کالیبراسیون شناخته می شوند.

توری پراش

منظور از تجزیه نور در طیف سنجی، تفکیک بازه های طول موجی پیوسته به بازه های بسیار کوچک تر یا تک طول موج است. در اسپکتروفتومتر های قدیمی، از منشورها به عنوان تجزیه کننده نور استفاده می شد، اما امروزه تقریباً در تمامی انواع مدرن، توری های پراش برای تولید اجزای طول موجی (تفکیک نور) جایگزین شده اند که انواع مختلفی دارند و به خوبی می توانند طول موج ها را  بر روی پیکسل های مختلف آشکارساز پخش کنند.

از جمله مزایای دستگاه اسپکتروفتومتر مجهز به توری پراش (در مقایسه با منشورها) می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. رزولوشن بهتر و بالاتر دستگاه
2. پراکندگی خطی بالاتر
3. پهنای باند دقیق و ثابت
4. طراحی مکانیکی ساده تر برای انتخاب طول موج
5. هزینه تولید کمتر

طبق تعریف، توری های پراش از خطوط یا شیارهایی بر روی یک بستر تشکیل شده اند و هر چه تعداد شیارها بیشتر باشد، قدرت تفکیک توری بیشتر خواهد بود. در حقیقت، چگالی این خطوط است که معیار میزان تفکیک کنندگی توری پراش است و باید متناسب با سیستم آشکارسازی و نوع اسپکتروفتومتر و چیدمان آن انتخاب شوند.

اگر چگالی خط توری بیش از حد مجاز سیستم آشکارسازی باشد، نور در نواحی اطراف آشکارساز نیز پخش می شود و در نتیجه دقت آنالیز را کم می کند (نور سرگردان به وجود می آید) و در صورت کم بودن چگالی نیز تمامی طیف پوشش داده نمی شود و در نتیجه، نتایج صحیحی حاصل نخواهد شد.

با استفاده از یک توری پراش به عنوان عنصر اصلی پراکننده­ طول موج، تمام بخش ­های طیف، از مادون قرمز دور تا فرابنفش دور، قابل تفکیک و آنالیز هستند. توجه داشته باشید که افزایش تعداد خطوط موجود در یک توری پراش، دقت پراکندگی نور را افزایش می­ دهد و بر همین اساس، انواع مختلفی دارند. برای مثال، توری پراش نوع مقعر، پراش و تصویر برداری را در یک عنصر ترکیب می کند و معمولاً در یک دستگاه اسپکتروفتومتر که از آشکارساز آرایه ای استفاده می کند، به کار می رود و از مزایای جالب توجه آن، در کنار استحکام، ابعاد کوچک و حذف قطعات متحرک، می توان به اندازه گیری موازی کل طیف اشاره کرد که باعث کاهش در زمان اندازه گیری می شود.

در مقابل، در صورت استفاده از توری پراش نوع صفحه ای یا تخت، لازم است از عناصر اپتیکی اضافی (آینه های کروی یا عدسی) برای جهت دهی یا متمرکز نمودن پرتو نور استفاده شود که باعث بزرگ تر شدن دستگاه ها نیز می شود.

آشکارساز

پس از مرحله قبل، نور تفکیک شده بر روی یک آشکارساز یا طیف نگار ثبت می ­شود و برای هر طول موج متفاوت، نور عبوری از شکاف بر روی آشکارساز، در موقعیت و شدتی متفاوت تصویر می ­شود. اگر برای این منظور، از یک آشکارساز منفرد مانند فتودیود استفاده شود، می توان طیف حاصل از توری پراش را به صورت مرحله ای اسکن کرد (معمولاً توری پراش می چرخد) که البته زمان اندازه گیری ممکن است بسیار زیاد باشد.

در اسپکتروفتومتر های مدرن معمولاً از آشکارساز های آرایه‌ ای، مانند سنسور های بار جفت شده (CCD) و CMOS ها استفاده می شود که مشکل اسکن طولانی مدت را حذف می کنند. در چنین سیستم هایی، توری  ثابت است و شدت هر طول موج نور توسط یک پیکسل متفاوت آرایه و به طور همزمان اندازه گیری می شود. آرایه های CMOS و CCD حساسیت و سرعت بالاتری در آشکارسازی دارند، اما آرایه های دیودی دینامیک بسیار بهتری را ارائه می دهند. از این رو،  انتخاب مناسب آشکارساز برای یک کاربرد خاص، می تواند عملکرد کل سیستم را بهبود بخشد.

به دلیل آرایه ای بودن این نوع آشکارساز ها، تمامی طول موج ها به طور همزمان اسکن می شوند و در نتیجه، هم زمان اندازه گیری و هم دقت اندازه گیری به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

لنزهای اسپکتروفتومتر

انواع مختلفی از لنز یا عدسی در دستگاه اسپکتروفتومتر استفاده می شود که هر کدام عملکرد منحصر به فرد خود را دارند. پیکربندی خاص و انواع لنزهای مورد استفاده در دستگاه های اسپکتروفتومتر بسته به طراحی و هدف اسپکتروفتومتری متفاوت است.

برخی از انواع لنزها یا عدسی های مورد استفاده در اسپکتروفتومتر ها عبارت اند از :

1. عدسی شیئی: این نوع عدسی، نور نمونه را به طور موثر جمع آوری کرده و آن را بر روی شکاف ورودی اسپکتروفتومتر متمرکز می کند.
2. عدسی موازی ساز: این عدسی تضمین می کند که پرتو نوری که از نمونه خارج می شود، موازی بوده و واگرا یا همگرا نمی شود که تلف شود. این نوع از عدسی ها، به تولید یک پرتو نور یکنواخت و ثابت در اندازه گیری های دقیق، بسیار مفید و کاربردی هستند.
3. عدسی استوانه ای: این عدسی برای تمرکز پرتو نور، تنها در یک جهت می گردد و در نهایت منجر به یک پرتو خطی یا شکاف مانند می شود. این نوع از عدسی ها، معمولاً برای اندازه گیری جذب در پیکربندی های اسپکتروفتومتر خاصی استفاده می شود.
4. عدسی کندانسور: این لنز برای تمرکز پرتو نور بر روی آشکارساز یا فتودیود استفاده می شود که شدت سیگنال نور را بهبود بخشیده و حساسیت اندازه گیری را افزایش می دهد.
5. عدسی مونوکروماتور یا تک رنگ ساز: این عدسی برای پراکنده کردن نور در طول موج های مجزا استفاده می شود و به انتخاب یک طول موج خاص برای آنالیز و دستیابی به خلوص طیفی کمک می کند.

پارامترهای مهم در طراحی یک دستگاه اسپکتروفتومتر

به طور کلی، معیارهای تعریف شده عملکرد ابزاری یک دستگاه اسپکتروفتومتر موارد زیر هستند:

1. محدوده طول موجی
2. پهنای باند طیفی ( رزولوشن)
3. نور سرگردان
4. صحت طول موج
5. تکرارپذیری طول موج
6. صحت فوتومتری
7. محدوده جذب فوتومتری
8. زمان اسکن
9. نسبت سیگنال به نویز

مهم است که این پارامتر ها، به صورت دوره ای بررسی شوند. البته یک دستگاه اسپکتروفتومتر مدرن، اغلب دارای تست های خود تشخیصی عملکرد، تحت عنوان کالیبراسیون هستند.

محدوده طول موجی

یک دستگاه اسپکتروفتومتر مجهز به آشکارساز آرایه ای، بسته به نوع منبع نوری که در آن تعبیه می گردد، طیف وسیعی از طول موج ها، از فرابنفش تا نور مرئی و فروسرخ را شامل می شود.منبع نور ایده‌ آل، منبعی است که در تمامی طول‌موج‌ های تحت پوشش خود، یک شدت ثابت داشته باشد و همچنین در طولانی مدت دارای پایداری و نویز کم باشد.

در یک دستگاه اسپکتروفتومتر UV-VIS-NIR، معمولاً از دو لامپ تنگستن و نوع دوتریومی استفاده می‌ شود و در حالت های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند:

• در حالت اول، نور دو منبع با یکدیگر ادغام شده و یک نور پهن باند تشکیل می‌‌شود.
• حالت بعدی این است که از یک سویچ برای انتخاب لامپ‌ها استفاده می‌ گردد.

دقت داشته باشید که در طراحی یک سیستم اسپکترفتومتر، اندازه دستگاه متناسب با محدوده طول موجی و وضوح نوری (رزولوشن) تعیین می شود.

پهنای باند طیفی و رزولوشن

تعاریف متعددی برای پهنای باند یک دستگاه اسپکتروفتومتر استفاده می شود:

• پهنای باند Δλ، به صورت اختلاف طول موج دو قله نزدیک به هم در یک طیف و با شدت یکسان تعریف می شود که می توان آنها را از هم تفکیک کرد (معیار رایلی). عمق (فرورفتگی) بین قله ها باید حداقل %19 حداکثر شدت باشد.
• تعریف کاربردی تر، مربوط به عرض یک خط طیفی باریک است. در حقیقت، پهنای باند طیفی برای عرض شکاف معین، پهنای طول موجی است که با شدت نیم پیک مطابقت دارد. این پهنای باند بر اساس معیار رایلی، حدود 4/5 مقدار رزولوشن است (FWHM).

طبق تعریف دوم، پهنای باند طیفی یک اسپکتروفتومتر تابعی از طراحی نوری، توان تفکیک رزولوشن توری پراش و هندسه پرتو است. در ابزارهای با کیفیت بالاتر، می توان با تغییر شکاف بین شکاف های خروجی پهنای باند طیفی را تنظیم کرد.

برای دو خط طیفی متناظر با دو طول موج کنار هم ( λ و λ+Δλ )، تفکیک یا رزولوشن مقیاسی از گستردگی یا توزیع طیف است، به گونه ای که هنوز بتوان با کاهش آن، دو خط را تشخیص داد. مطابق معیار توزیع رایلی، زمانی دو خط تفکیک پذیر نامیده می شوند که حداکثر کمینه خط اول ( λ) بر بیشینه خط دوم (λ+Δλ) منطبق شده باشد (شکل زیر را ببینید).

در این شرایط، قدرت تفکیک توری با عرض W به صورت زیر تعریف می­ شود:

λ/Δλ=mN×W

در اینجا، N×W  تعداد کل خطوط توری است که توسط نور پوشانده می­ شود. توجه داشته باشید که نمی­ توان m (مرتبه پراش) و N×W را مستقل از هم دانست. با این حال، علاوه بر کیفیت اپتیکی سطح توری و موقعیت شکاف، کیفیت قطعات اپتیکی ­ دیگر به کار رفته در دستگاه اسپکتروفتومتر و اندازه­ های شکاف ورودی و خروجی نیز نقشی اساسی دارند.

طبق تعریف FWHM، رزولوشن یک دستگاه اسپکتروفتومتر بر حسب عرض شکاف ورودی (W)، فاصله کانونی سیستم نوری و پراکندگی خطی توری (dl/dλ) پراش تعیین می شود:

Δλ=W.dλ/dl

λ/Δλ=W.dl   ⇒

این معادله زمانی استفاده شود که عرض شکاف ورودی برابر با عرض شکاف خروجی باشد. هرچه عرض شکاف کمتر باشد، رزولوشن بالاتر خواهد بود و خطا را به طور چشمگیری کاهش می‌ دهد. عرض شکاف متناسب با عرض باند طیفی است و هر تغییر در عرض شکاف را می توان به عنوان یک سطح از پیش تعیین شده پهنای باند طیفی تعیین کرد. در مقابل، کاهش عرض شکاف، انرژی نوری را در هنگام ورود به دستگاه اسپکتروفتومتر کاهش می دهد که می تواند میزان حساسیت دستگاه را مختل کند.

بیشترین تأثیر پهنای طیفی در هنگام اندازه گیری قله های بسیار باریک و تیز یا پیچیده یا جایی که دو یا چند قله بسیار نزدیک به هم هستند، مشهود می شود. معمولاً این پارامتر با وضوح پیکسل اشتباه گرفته می شود. وضوح پیکسل یا دیجیتال، پهنای طیفی است که توسط یک پیکسل از آرایه تشخیص داده می شود و با عرض پیکسل و پراکندگی طیف در آشکارسازهای آرایه ای تعیین می شود.

نور سرگردان

در یک دستگاه اسپکتروفتومتر، یک آشکارساز به کل انرژی نوری که به آن می رسد، بدون تبعیض بین طول موج های منفرد، پاسخ می دهد و نور سرگردان (Stray Light)، تابش طول موج های کاذب (به جز طول موج های انتخاب شده) است که به آشکارساز برخورد می کند. مهم ترین منبع خطای مرتبط با ابزار، نور سرگردان است که بر دقت سیستم اندازه گیری طیف سنجی تأثیر می گذارد و معمولاً ناشی از نقص توری پراش، گرد و غبار، اجزای آسیب دیده یا فرسوده، بازتاب محفظه دستگاه اسپکتروفتومتر یا خطاهای سایر عناصر نوری است.

این اثر در غلظت های بالاتر، قابل توجه تر می‌شود زیرا در چنین غلظت‌ هایی، نور سرگردان سهم بیشتری از کل نور دریافتی آشکارساز را تشکیل می دهد. به عبارت دیگر، در سطوح توان پایین، نور سرگردان باعث غیر خطی بودن سیگنال می شود و بنابراین محدوده اندازه گیری سیستم را محدود می کند.

میزان نور سرگردان، از روش های مختلفی تعیین می گردد:

1. در روش تست استاندارد ASTM، میزان نور سرگردان از طریق فیلترهای رنگی cut-off پهن-باند (long pass) اندازه گیری می شود.چنین فیلترهایی، طول موج هایی را که باید اندازه گیری انجام شود را جذب می کنند، اما طول موج های بالاتری را ارسال می کنند. بنابراین هر گونه عبور نور به زیر طول موج قطع فیلترها، ناشی از نور سرگردان خواهد بود و طبق تعریف، نور سرگردان، نسبت عبور نور در ناحیه طول موج مسدود شده در زیر لبه فیلتر به میزان عبور نور در ناحیه غیر مسدود است.

1. روش‌ دیگر اندازه گیری نور سرگردان که اغلب مورد استفاده قرار می‌ گیرد، از یک منبع نور تک رنگ (مثلاً لیزر He-Ne) استفاده می‌ کند. شدت های طول موج لیزر (تک رنگ) و طول موج دیگر ( بااختلاف 10 نانومتر از طول موج لیزر) اندازه گیری می شود که نسبت دومی به اولی، معیاری برای نور سرگردان سیستم است.

تکرارپذیری طول موج

تکرارپذیری طول موج، به توانایی یک دستگاه اسپکتروفتومتر برای تولید نتایج ثابت، در حین اندازه‌ گیری چندین باره یک طول موج (در مدت 1 دقیقه) اشاره دارد و یک ویژگی مهم برای ابزارهای مورد استفاده در طیف سنجی است. در حقیقت، تکرارپذیری طول موج، ثبات اندازه گیری طول موج است و عوامل متعددی وجود دارد که می تواند بر تکرارپذیری طول موج تأثیر بگذارد، از جمله:

• شرایط محیطی
• پایداری اجزای دستگاه
• روش های کالیبراسیون

برای دستیابی به تکرار پذیری طول موج بالا، دستگاه اسپکتروفتومتر باید دارای اجزای پایدار و دقیقی باشد (شامل منابع نور، اجزای نوری با کیفیت بالا و آشکارسازها) که بتواند شدت طول موج مورد نظر را در طول زمان حفظ کند. هر گونه نوسان یا ناپایداری در این اجزا می تواند باعث تغییر در طول موج اندازه گیری و عدم تکرارپذیری شود. برای بررسی تکرار پذیری طول موج در یک دستگاه اسپکتروفتومتر، معمولاً موارد زیر انجام می گردد:

• ابتدا یک منبع نور پایدار و تکرار پذیر، مانند یک لامپ کالیبراسیون یا یک لیزر تثبیت شده انتخاب می شود.
• سپس، منبع نور منتخب با شکاف ورودی طیف سنج تراز می گردد و یک طیف از منبع نور بدست می آید.
• در مرحله بعد، یک خط طیفی قابل توجه از طیف انتخاب گردیده (ترجیحاً یک خط باریک) و موقعیت آن با استفاده از نرم افزار طیف سنج ثبت می شود.
• مرحله قبل چندین بار تکرار می شود تا چند اندازه گیری از موقعیت خط طیفی بدست آید.
• میانگین و انحراف معیار موقعیت های خط طیفی به دست آمده محاسبه می شود.
• انحراف استاندارد نشانه ای از تکرار پذیری اندازه گیری طول موج طیف سنج را نشان می دهد. انحراف استاندارد کمتر، نشان دهنده تکرار پذیری بالاتر است.

بهبود تکرارپذیری طول موج را می توان از طریق روش های زیر به دست آورد:

کالیبراسیون

کالیبراسیون های منظم را با استفاده از یک ماده مرجع شناخته شده انجام دهید تا مطمئن شوید که دستگاه اندازه گیری های دقیقی را ارائه می دهد. بررسی کالیبراسیون بر روی دستگاه، با استفاده از استاندارد های شناخته شده، مانند خطوط انتشار اتمی یا ویژگی های جذب در گازها، معمول است.

تثبیت

ابزار را در محیطی پایدار با دما، رطوبت و ارتعاش کنترل شده نگه دارید زیرا این کار، تغییرات ناشی از عوامل محیطی را به حداقل می رساند.

تعمیر و نگهداری

تعمیر، نگهداری منظم، تمیز کردن ابزار و تعویض اجزای فرسوده نیز می تواند در به حداقل رساندن هرگونه تغییر کمک کند.

آموزش

اطمینان حاصل کنید که اپراتورها برای استفاده از ابزار و پیروی از روش های عملیاتی استاندارد، به درستی آموزش دیده اند.

کنترل کیفیت

بررسی های معمول کنترل کیفیت را انجام دهید تا مطمئن شوید که دستگاه مطابق با مشخصات کار می کند. داشتن یک فرآیند کنترل کیفیت قوی می‌تواند این اطمینان را حاصل کند که اندازه‌گیری‌ ها در طول زمان سازگار و دقیق هستند.

دقت فوتومتریک

دقت فتومتریک، به میزان دقت اندازه گیری روشنایی یا شدت نور اشاره دارد. به عبارت دیگر، دقت فوتومتریک بیان می کند که یک دستگاه اسپکتروفتومتر چقدر می‌ تواند کل میزان نوری که بر روی آشکارساز  می‌ تابد را با دقت اندازه‌ گیری کند. به عبارت دیگر، دقت فوتومتریک تفاوت بین میزان جذب اندازه ­گیری شده و مقدار استاندارد تعیین شده است. عواملی که می توانند بر دقت فتومتریک یک دستگاه اسپکتروفتومتر تأثیر بگذارند عبارت اند از:

• میزان حساسیت آشکارساز مورد استفاده
• کالیبراسیون
• کیفیت و تمیزی سیستم اپتیک
• عوامل محیطی مانند نور محیط یا تغییرات دمایی

دقت فتومتریک یک سیستم اسپکتروفتومتر را می توان با مقایسه داده های طیفی به دست آمده از دستگاه و مقادیر استاندارد شناخته شده اندازه گیری کرد که روش اندازه گیری، معمولاً شامل مراحل زیر است:

1- منبع نور کالیبره شده

برای اندازه گیری دقت فوتومتریک، یک منبع نور کالیبره شده (مانند یک لامپ تنگستن هالوژن یا یک لامپ دوتریوم) به عنوان استاندارد مرجع مورد نیاز است.

2- اندازه گیری طیف مرجع

با استفاده از منبع نور کالیبره شده به عنوان ورودی، طیف مرجع را با دستگاه اسپکتروفتومتر اندازه گیری کنید. طیف مرجع باید نشان دهنده خروجی واقعی منبع نور باشد.

3- محاسبه ضریب تصحیح

طیف مرجع را با مقادیر استاندارد شناخته شده مقایسه کنید و فاکتورهای تصحیح مورد نیاز برای تنظیم خوانش های اندازه گیری طیفی را محاسبه کنید.

4- اندازه گیری طیف نمونه

طیف نمونه را با استفاده از تنظیمات و شرایط طیف سنج مشابه اندازه گیری مرجع اندازه گیری کنید.

5- اعمال ضریب تصحیح

ضریب تصحیح محاسبه شده در مرحله 3 را برای اندازه گیری های به دست آمده در مرحله 4 اعمال کنید تا داده های فتومتریک تصحیح شده را به دست آورید.

محدوده اندازه گیری فتومتریک (جذب)

میزان جذب  (A)، که با عنوان چگالی نوری (OD) نیز شناخته می شود، به مقدار نور جذب شده توسط یک محلول نمونه گفته می شود. در یک دستگاه اسپکتروفتومتر، حد جذب یا محدودیت چگالی نوری به حداکثر مقدار نوری اطلاق می‌ شود که می‌ تواند توسط محلول نمونه جذب شود، پیش از اینکه آشکارساز اشباع شود و سیگنال دیگر خطی نباشد.

در اسپکتروفتومتری، اشباع آشکارساز زمانی اتفاق می‌ افتد که شدت نور ورودی، از حداکثر قابلیت تشخیص آشکارساز بیشتر شود و زمانی اتفاق می افتد که سیگنال خیلی قوی باشد. در این صورت، آشکارساز اندازه گیری دقیقی نخواهد داشت و بنابراین می تواند منجر به مخدوش شدن یا از بین رفتن بخشی از داده ها شود.

تأثیر اشباع آشکارساز در اندازه گیری طیفی، قویاً به نوع آشکارساز مورد استفاده و نحوه عملکرد آن در ثبت سیگنال ها بستگی دارد. این فرایند اشباع می‌ تواند به اثرات Blooming منجر شود، جایی که بار به پیکسل‌ های مجاور سرازیر می‌ شود و منجر به تخمین بیش از حد سیگنال می‌ گردد. در برخی از آشکارسازها، مانند سنسورهای با بار جفت شده (CCD)، اشباع می‌ تواند باعث قطع شدن شدید سیگنال شود و در نتیجه، ممکن است اطلاعات مربوط به شدت نور فرودی از بین برود.

برای جلوگیری از اشباع آشکارساز، مهم است که از آشکارسازهایی استفاده کنید که محدوده دینامیکی به اندازه کافی بالایی برای کنترل سطوح سیگنال مورد انتظار داشته باشند. علاوه بر این، تضعیف یا فیلتر مناسب نور ورودی نیز می تواند به کاهش شدت سیگنال دریافتی آشکارساز کمک کند.

اطمینان از رقیق شدن مناسب نمونه یا در صورت امکان استفاده از کووت هایی با طول مسیر کوتاه‌ تر  نیز مهم است. با رسیدن به مقدار حدی جذب، مقادیر جذب اندازه گیری شده به صورت غیرخطی تبدیل می شود و تعیین دقیق غلظت نمونه را غیرممکن می کند و دیگر نمی توان از قانون بیر-لامبرت استفاده کرد. بنابراین، مهم است که محدودیت های دینامیکی اسپکتروفتومتر را به دقت در نظر بگیرید و گام های مناسب برای بهینه سازی اندازه گیری هر نمونه جداگانه بردارید.

نسبت سیگنال به نویز

نسبت سیگنال به نویز (SNR) یک فاکتور بسیار مهم در اسپکتروفتومتری است. توانایی اسپکتروفتومتر برای اندازه گیری دقیق، به کیفیت سیگنال بدست آمده از آشکارساز و مدارهای الکتریکی بعدی بستگی دارد.S/N نشان دهنده شدت سیگنال S تقسیم بر عرض نویز N خط مبنا است. به عبارت دیگر، مقادیر بزرگ تر S/N قدرت سیگنال بهتری را نسبت به نویز نشان می دهد و حساسیت بهتری ایجاد می کند. در حقیقت، نسبت سیگنال به نویز (SNR) معیاری از کیفیت سیگنال را ارائه می دهد. به عبارت دقیق تر، SNR میانگین توان موجود در سیگنال را با میانگین توان موجود در نویز مقایسه می کند، که شامل هر سیگنالی از منابعی غیر از منبع سیگنال هدف می شود.

در یک دستگاه اسپکتروفتومتری، سیگنال مورد نظر شامل توان نوری در یک طول موج معین است که توسط توری پراش به آشکارساز هدایت می شود و SNR از منابع متعددی اعم از الکتریکی و نوری ناشی می شود. SNR بر اساس موارد زیر محاسبه می شود:

SNR = Ī²_sig / σ²_n = (RṖ_opt)² / σ² _n1 + σ² _n2 + σ² _n3 +…… +σ² _nN 

که در آن قدرت یا توان نوری متوسط ​​در سیگنال مورد نظر است و به واریانس منبع i ام جریان نویز در A² اشاره دارد که میانگین توان را در یک سیگنال تصادفی بر اساس نظریه تبدیل فوریه توصیف می‌ کند. به منظور بهبود SNR در یک دستگاه طیف سنجی، در امکان سنجی های طراحی باید قدرت سیگنال اندازه گیری را افزایش داد و در عین حال منابع نویز را تا حد امکان به حداقل رساند.

منابع نویز

1-نویز تاریک: که معمولاً به آن نویز حرارتی نیز گفته می‌ شود، از تغییر تعداد الکترون‌ های موجود برای هدایت جریان، حتی بدون برخورد نور به آشکارساز، ناشی می‌ شود. انرژی حرارتی حاصل از گرمایش محیط، حامل های اضافی را تولید می کند که در جریان نویز سهیم می شوند.

2-نویز شات: که از تغییر در تعداد فوتون‌ هایی که به آشکارساز برخورد می‌ کنند، حاصل می شود، با این فرض که تمام فوتون‌ ها به الکترون‌ هایی تبدیل می‌ شوند که به جریان کمک می‌ کنند. بنابراین، بزرگی نویز شات، به تابش توان نوری روی آشکارساز بستگی دارد. بزرگی نسبی نویز شات و نویز حرارتی به شدت به دمای محیط، مقدار در آشکارسازی و مقاومت مورد استفاده برای تبدیل جریان الکتریکی به ولتاژ برای پردازش بستگی دارد.

3-نویز الکترونیکی اضافی: که گاهی اوقات به عنوان نویز بازخوانی نیز شناخته می شود، از مداری که مستقیماً در پشت آشکارساز قرار دارد، ایجاد می شود که فیلتر اولیه و مقیاس بندی سیگنال را فراهم می کند. این نویز را می توان به عنوان جریان نویز اضافی یا با استفاده از یک اندازه گیری مدل سازی کرد.

5-نویز الگوی ثابت: از تغییر در پاسخ به نور فرودی در یک آرایه آشکارساز ناشی می شود. این تغییرات عمدتاً از تفاوت‌ های بازده کوانتومی ناشی از تفاوت‌ ها در ناحیه دیافراگم و ضخامت آشکارسازهایی که در طول ساخت رخ داده است، نشأت می‌ گیرد. تنها اسپکتروفتومتر هایی که از یک آرایه آشکارساز خطی برای تمایز بین طول موج ها استفاده می کنند، از این منبع نویز رنج می برند.

6-نویز حاصل از نور سرگردان: نقص در ساختار توری پراش و مسیریابی تصادفی نور از آینه های "خاموش" روی DMD می تواند منجر به ورود نور از طریق مسیرهایی به آشکارساز شود که حاوی هیچ نوع اطلاعات مفیدی نیست.

بنابراین، نور سرگردان به عنوان یک روشنایی پس زمینه عمل می کند که باید پیش از اینکه خروجی یک آشکارساز با اطمینان به عنوان یک سیگنال حامل اطلاعات شناسایی شود، از آن فراتر رود.

بهبود نسبت سیگنال به نویز

چندین روش طراحی و اندازه‌ گیری، بر اساس ماهیت منابع نویز، می‌تواند SNR را در یک دستگاه اسپکتروفتومتر بهبود ببخشد و منجر به اندازه‌ گیری با کیفیت بالاتر و دقیق تر شود. برای مثال، افزایش توان عملیاتی سیستم نوری، قدرت سیگنال موجود در آشکارساز را افزایش می‌ دهد. به علاوه، استفاده از گریتینگ های هولوگرافیک، که دارای عیوب بسیار کمتری نسبت به گریتینگ های خط دار هستند، می تواند نور سرگردان تولید شده توسط سیستم نوری را کاهش دهد.

یک خنک کننده ترمو الکتریک (TEC) متصل به هر آشکارساز، دمای موثر آشکارساز را کاهش می دهد و بنابراین می تواند تأثیر آن بر SNR را کاهش دهد. استفاده از TEC به ویژه در مورد برخورد سیگنال نوری کم بر روی آشکارساز مؤثر است، زیرا سیگنال آشکارساز در مدت زمان طولانی یکپارچه می شود تا کل قدرت سیگنال نوری جمع آوری شده را افزایش دهد.

از آنجایی که این فرآیند جریان های نویز را نیز یکپارچه می کند، قدرت نویز یکپارچه می تواند قدرت سیگنال بهبود یافته را تحت تأثیر قرار دهد. سیستم‌ های TEC نویز را به حد کافی پایین می‌ آورند و زمان‌ های ادغام طولانی‌ تر، در افزایش SNR موثر است.

سخن پایانی

در این مقاله، ابتدا تعریف دقیقی از دستگاه اسپکتروفتومتر ارائه دادیم و مکانیزم آنها را بر اساس دو دسته بندی نوع جذبی-عبوری و بازتابی توضیح دادیم. سپس، عملکرد کلی دستگاه های اسپکتروفتومتر و اجزای تشکیل دهنده آن را شرح دادیم. در نهایت نیز پارامترهای کلیدی که در انتخاب یک دستگاه اسپکتروفتومتری موثر هستند را معرفی نمودیم.

اسپکتروفتومتر یک ابزار علمی است که برای اندازه گیری مقدار نور جذب شده یا ارسال شده توسط یک نمونه در طول موج های مختلف استفاده می شود. این به طور گسترده در زمینه های مختلف از جمله شیمی، بیوشیمی، علوم محیطی و پزشکی استفاده می شود. و در دو گروه کلی جذبی-عبوری و بازتابی دسته بندی می شوند که هر کدام کاربردهای ویژه خود را دارند.

در ادامه، پارامترهای کلیدی که تعیین کننده کیفیت یک دستگاه اسپکتروفتومتر هستند و هر خریداری باید از آنها اطلاع داشته باشد، به طور جزئی موردی بررسی قرار گرفت. امیدواریم که با خوندن این مقاله حوصله تون سر نرفته باشه ☺️

به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که در صورت تمایل، محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما را نیز مشاهده کنید و در صورت نیاز، می توانید کاتالوگ هر محصول ( مثل ریجنت و... ) را به صورت جداگانه دانلود کنید🌷

منابع

Wikipedia

Basics of spectral measurments, Issued by: JETI Technische Instrumente GmbH, Jena, May 2005

ScienceDirect