اسپکتروفتومتر چیست؟ اصول کار، انواع، اجزا و مشخصات فنی دستگاه

اسپکتروفتومتر یا اسپکتروفوتومتر دستگاهی اپتیکی است که با تاباندن نور به نمونه در طول موج های مشخص و اندازه گیری مقدار نوری که از آن عبور یا بازتاب می شود، غلظت مواد را تعیین می کند. دستگاه اسپکتروفتومتر یکی از ابزارهای کلیدی و به نوعی قلب هر آزمایشگاه تجزیه است.

اسپکتروفتومتر شدت نور را پیش و پس از برهمکنش با نمونه اندازه گیری می کند. بر این اساس می توان نوع ترکیبات یک محلول را شناسایی کرد و غلظت مواد آن را با دقت بالا تعیین کرد. امروزه اسپکتروفتومترهای آزمایشگاهی در شیمی، زیست شناسی، پزشکی، داروسازی، صنایع غذایی، صنعت نفت، آب و فاضلاب و علوم محیطی کاربرد گسترده ای دارند.

در این مقاله با تعریف اسپکتروفتومتر، انواع آن، نحوه کار، اجزا و مشخصات فنی مهمی که کیفیت یک دستگاه را تعیین می کنند، آشنا می شوید. اگر قصد خرید دستگاه دارید، پس از این مقاله راهنمای خرید اسپکتروفتومتر را نیز بخوانید.

اسپکتروفتومتر چیست؟

به زبان ساده، اسپکتروفتومتر ابزاری است که با استفاده از ویژگی های نور و نحوه برهمکنش آن با مواد، ویژگی هایی مانند غلظت را تعیین می کند؛ بدون اینکه نیاز باشد اتم ها و مولکول ها را مستقیما ببینیم.

وقتی نور با یک ماده برهمکنش می کند، نوری که از ماده خارج می شود با نور تابیده شده یکسان نیست. بخشی از نور توسط ماده جذب یا بازتاب می شود و شدت آن تغییر می کند. با اندازه گیری این تغییر شدت در طول موج های مختلف، می توان فهمید ماده چه ویژگی هایی دارد و غلظت آن چقدر است.

نام اسپکتروفتومتر از دو بخش تشکیل شده است: اسپکترو به معنای طیف و فتومتر به معنای سنجش شدت نور. هر اسپکتروفتومتر یک اسپکترومتر یا تک رنگ ساز در خود دارد که طول موج ها را تفکیک می کند. برای آشنایی با تفاوت این دو، مقاله تفاوت اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر را بخوانید.

تاریخچه اسپکتروفتومتر

نخستین اسپکتروفتومتر تجاری با کاربرد گسترده، در اوایل دهه ۱۹۴۰ توسط آرنولد بکمن و همکارانش ساخته شد. این دستگاه زمان آنالیزهایی را که پیش تر هفته ها طول می کشید، به چند دقیقه کاهش داد. اسپکتروفتومترهای اولیه از منشور برای تفکیک نور استفاده می کردند، اما در سال های بعد، دستگاه های مجهز به توری پراش رایج شدند که دقت و انعطاف بیشتری داشتند. امروزه اسپکتروفتومترهای مدرن با آشکارسازهای آرایه ای کل طیف را در کسری از ثانیه ثبت می کنند.

انواع اسپکتروفتومتر بر اساس برهمکنش نور و ماده

وقتی نور به یک ماده می تابد، بسته به حالت فیزیکی، ضخامت و ترکیب شیمیایی ماده، ممکن است:

• عبور کند: در مواد شفاف مانند محلول ها و شیشه

• جذب شود: بخشی از نور در طول موج های خاص توسط ماده جذب می شود.

• بازتاب شود: در سطوح صیقلی یا مات، مانند فلزات، رنگ ها و پارچه ها

• پراکنده شود: وقتی ذرات کوچک یا ناهمواری ها جهت نور را تغییر می دهند.

بر این اساس، دو گروه اصلی اسپکتروفتومتر وجود دارد:

• اسپکتروفتومتر جذبی عبوری

• اسپکتروفتومتر بازتابی

اسپکتروفتومتر جذبی عبوری

در اسپکتروفتومتر جذبی عبوری که رایج ترین نوع است، نور از نمونه (معمولا یک محلول درون کووت) عبور داده می شود و شدت نور عبوری توسط آشکارساز اندازه گیری می شود.

جذب و عبور نور چگونه رخ می دهد؟

الکترون ها در مولکول ها فقط در ترازهای انرژی مشخصی قرار دارند. مولکول فقط نوری را جذب می کند که انرژی آن با اختلاف انرژی دو تراز برابر باشد. بقیه طول موج ها از نمونه عبور می کنند. چون ساختار الکترونی و پیوندهای شیمیایی هر ماده متفاوت است، هر ماده طول موج های خاصی را بیشتر از بقیه جذب می کند. نمودار جذب بر حسب طول موج، طیف جذبی ماده است که مانند اثر انگشت آن عمل می کند.

به همین دلیل، اسپکتروفتومتر باید در محدوده طول موجی که ماده مورد نظر جذب دارد، کار کند.

عبور و جذب

عبور (T) نسبت شدت نور عبوری از نمونه (I) به شدت نور تابیده شده (I₀) است:

T = I / I₀

عبور بین صفر و یک است و معمولا به صورت درصد عبور (بین ۰ تا ۱۰۰ درصد) بیان می شود.

جذب (A) با لگاریتم عبور رابطه دارد:

A = −log T = log (I₀ / I)

نکات مهم:

• جذب از صفر (بدون جذب) شروع می شود و حد بالایی مشخصی ندارد؛ هر واحد افزایش جذب یعنی نور عبوری ده برابر کمتر شده است.

• جذب یکای درصد ندارد؛ حتی اگر ۹۹.۹ درصد نور جذب شود، جذب برابر با ۳ است.

• با افزایش غلظت یا طول مسیر، جذب به صورت خطی افزایش و عبور به صورت نمایی کاهش می یابد. به همین دلیل برای اندازه گیری غلظت از جذب استفاده می شود.

اسپکتروفتومترهای امروزی معمولا امکان نمایش نتایج به هر دو صورت جذب و درصد عبور را دارند.

اندازه گیری غلظت با قانون بیر لامبرت

رابطه جذب و غلظت با قانون بیر لامبرت بیان می شود:

A = ε × L × c

• A: جذب

• ε: ضریب جذب مولی که ویژگی ذاتی هر ماده در هر طول موج است.

• L: طول مسیر نور در نمونه، یعنی عرض کووت (معمولا ۱ سانتی متر)

• c: غلظت ماده

هرچه غلظت بیشتر یا کووت پهن تر باشد، مولکول های بیشتری در مسیر نور قرار دارند و جذب بیشتر است. برای آشنایی کامل با این قانون، مثال محاسبه و انحراف های آن، مقاله قانون بیر لامبرت را بخوانید.

منحنی کالیبراسیون

در عمل، غلظت نمونه مجهول با منحنی کالیبراسیون تعیین می شود:

1. چند محلول استاندارد با غلظت های مشخص تهیه می شود.

2. جذب آنها در یک طول موج ثابت (معمولا طول موج بیشینه جذب) اندازه گیری می شود.

3. نمودار جذب بر حسب غلظت رسم می شود که یک خط راست است.

4. جذب نمونه مجهول اندازه گیری شده و غلظت آن از روی خط تعیین می شود.

کاربردهای اسپکتروفتومتر جذبی عبوری

• تعیین غلظت مواد در محلول ها، از آنالیز آب و فاضلاب تا آزمایش های پزشکی

• شناسایی مواد: چون طیف جذبی هر ماده خالص منحصر به فرد است.

• شناسایی برخی گروه های عاملی و پیگیری پیشرفت واکنش های شیمیایی

• سینتیک واکنش ها: پایش تغییر جذب با زمان

برای آشنایی با کاربردهای عملی، مقاله های کاربرد اسپکتروفتومتر در آب و فاضلاب ، کنترل کیفیت نوشیدنی ها با اسپکتروفتومتر و آنالیز زعفران با اسپکتروفتومتر را بخوانید.

اسپکتروفتومتر بازتابی

اسپکتروفتومتر بازتابی مقدار نور بازتاب شده از سطح نمونه را در طول موج های مختلف اندازه گیری می کند. این نوع دستگاه برای نمونه هایی مناسب است که نور از آنها عبور نمی کند؛ مانند سطوح مات، پودرها، پارچه ها، رنگ ها و کاغذ.

کاربردهای اسپکتروفتومتر بازتابی

• اندازه گیری رنگ: رایج ترین کاربرد؛ در صنایع نساجی، رنگ و پوشش، کاغذ، پلاستیک، غذایی و چاپ

• بررسی آثار هنری: تعیین اصالت و شناسایی رنگدانه ها بدون آسیب به اثر

• کشاورزی: بررسی سلامت گیاهان از روی بازتاب برگ ها

• پزشکی: بررسی بافت ها؛ برای مثال، هموگلوبین اکسیژن دار نور آبی و سبز را جذب و نور قرمز را بازتاب می کند، اما هموگلوبین بدون اکسیژن نور قرمز بیشتری جذب می کند و تیره تر و مایل به آبی دیده می شود. بنابراین طیف بازتابی بافت، اطلاعاتی درباره اکسیژن رسانی آن ارائه می دهد.

قاعده انتخاب ساده: اگر نمونه شما شفاف یا نیمه شفاف است، اسپکتروفتومتر جذبی عبوری و اگر مات است، اسپکتروفتومتر بازتابی انتخاب مناسب تری است.

اسپکتروفتومتر چگونه کار می کند؟

مراحل کلی اندازه گیری در یک اسپکتروفتومتر به این صورت است:

1. تولید نور: منبع نور، نوری در محدوده طول موج مورد نظر تولید می کند.

2. برهمکنش با نمونه: نور با نمونه برهمکنش می کند (جذب و عبور یا بازتاب).

3. تفکیک طول موج ها: یک توری پراش یا منشور، نور را به «رنگین کمانی» از طول موج ها تفکیک می کند.

4. آشکارسازی: آشکارساز شدت نور را در هر طول موج اندازه گیری می کند.

5. پردازش: سیگنال دیجیتال شده و نرم افزار جذب، عبور یا غلظت را محاسبه و نمایش می دهد.

در هر اندازه گیری، شدت نور عبوری از نمونه با شدت نور عبوری از یک شاهد (مانند حلال خالص) مقایسه می شود. نحوه این مقایسه، اسپکتروفتومترها را به دو نوع تک پرتو و دو پرتو تقسیم می کند که در مقاله تفاوت اسپکتروفتومتر تک پرتو و دو پرتو توضیح داده شده است.

اجزای اسپکتروفتومتر

منبع نور

برای اندازه گیری دقیق، منبع نور باید در محدوده طول موج کاری شدت کافی و پایداری خوبی داشته باشد. منابع رایج عبارت اند از:

• لامپ هالوژن تنگستن: طیف پیوسته در ناحیه مرئی و فروسرخ نزدیک با پایداری خوب

• لامپ دوتریوم: منبع اصلی ناحیه فرابنفش (حدود ۱۹۰ تا ۴۰۰ نانومتر). در اسپکتروفتومترهای UV-Vis و UV-Vis-NIR همراه با لامپ هالوژن تنگستن استفاده می شود.

• لامپ زنون: طیف گسترده از فرابنفش تا فروسرخ با شدت بالا. لامپ های زنون فلاش عمر طولانی دارند و فقط هنگام اندازه گیری روشن می شوند.

• LED: در طول موج های مشخص؛ کم مصرف، کوچک و با عمر طولانی؛ مناسب برای دستگاه های پرتابل و کاربردهای با طول موج ثابت

• لامپ بخار جیوه: خطوط نشری باریک و مشخص؛ بیشتر برای کالیبراسیون طول موج استفاده می شود.

در اسپکتروفتومترهای UV-Vis-NIR، نور دو لامپ دوتریوم و هالوژن یا با هم ترکیب می شود یا با یک سوئیچ بین آنها جابه جا می شود. برای آشنایی کامل، مقاله انواع منبع نوری را بخوانید.

توری پراش

در اسپکتروفتومترهای قدیمی، از منشور برای تفکیک نور استفاده می شد. امروزه تقریبا همه دستگاه ها از توری پراش استفاده می کنند که این مزایا را دارد:

• تفکیک بهتر

• پاشندگی خطی یکنواخت تر

• پهنای باند ثابت تر در طول طیف

• طراحی مکانیکی ساده تر

• هزینه تولید کمتر

توری پراش سطحی با شیارهای موازی بسیار نزدیک است. هرچه چگالی شیارها بیشتر باشد، نور بیشتر پخش می شود و تفکیک بیشتر است. چگالی شیار باید با اندازه آشکارساز و محدوده طول موج دستگاه هماهنگ باشد: اگر پاشندگی بیش از حد زیاد باشد، بخشی از طیف بیرون از آشکارساز می افتد و محدوده طول موج کاهش می یابد؛ و اگر بیش از حد کم باشد، تفکیک کافی به دست نمی آید.

• توری تخت: به آینه ها یا عدسی های جداگانه برای موازی و کانونی کردن نور نیاز دارد، مانند چیدمان چرنی ترنر.

• توری مقعر: پراش و کانونی کردن را در یک قطعه انجام می دهد و برای دستگاه های فشرده با آشکارساز آرایه ای مناسب است.

برای آشنایی کامل با انواع توری پراش، مقاله اجزای طیف سنج نوری را بخوانید.

آشکارساز

• آشکارساز تکی: مانند فتودیود یا لوله فتومولتی پلایر. در این حالت، توری پراش می چرخد و طول موج ها یکی یکی اسکن می شوند که زمان بر است.

• آشکارساز آرایه ای: مانند سنسورهای CMOS، CCD و آرایه فتودیودی. در این دستگاه ها توری پراش ثابت است و هر طول موج روی یک پیکسل متفاوت می افتد. بنابراین کل طیف همزمان و در کسری از ثانیه ثبت می شود، بدون اینکه دقت کاهش یابد.

آرایه های CMOS و CCD حساسیت و سرعت بالایی دارند و آرایه های فتودیودی معمولا محدوده دینامیکی بیشتری دارند. انتخاب آشکارساز مناسب نقش مهمی در عملکرد کل سیستم دارد. برای اطلاعات بیشتر، مقاله آشکارساز نوری را بخوانید.

عدسی ها و آینه ها

در اسپکتروفتومترها از عدسی ها و آینه ها برای هدایت نور استفاده می شود:

• عدسی یا آینه جمع کننده: نور را جمع کرده و روی شکاف ورودی متمرکز می کند.

• عدسی یا آینه موازی ساز: پرتو نور را موازی می کند تا یکنواخت به توری پراش برسد.

• عدسی استوانه ای: نور را فقط در یک جهت متمرکز می کند و پرتویی خطی شکل ایجاد می کند.

• عدسی یا آینه کانونی کننده: نور تفکیک شده را روی آشکارساز متمرکز می کند.

برای ناحیه فرابنفش باید از عدسی های کوارتزی یا آینه ها استفاده کرد، چون شیشه معمولی نور فرابنفش را جذب می کند. برای اطلاعات بیشتر، مقاله های لنز اسپکتروفتومتر و آینه اپتیکی را بخوانید.

محفظه نمونه و کووت

نمونه در یک کووت درون محفظه نمونه قرار می گیرد که باید در برابر نور محیط کاملا بسته باشد. جنس کووت باید با محدوده طول موج سازگار باشد: کووت کوارتز برای ناحیه فرابنفش و کووت شیشه ای یا پلاستیکی برای ناحیه مرئی.

مشخصات فنی مهم اسپکتروفتومتر

کیفیت یک اسپکتروفتومتر با چند پارامتر اصلی تعیین می شود:

• محدوده طول موج

• پهنای باند طیفی و تفکیک

• نور سرگردان

• صحت طول موج

• تکرارپذیری طول موج

• صحت فوتومتری

• محدوده فوتومتری

• نسبت سیگنال به نویز

• زمان اسکن

این پارامترها باید به طور دوره ای بررسی شوند. بسیاری از اسپکتروفتومترهای امروزی آزمون های خودکار برای بررسی عملکرد دارند.

محدوده طول موج

محدوده طول موج به نوع منبع نور، توری پراش و آشکارساز بستگی دارد. اسپکتروفتومترها معمولا در این محدوده ها عرضه می شوند:

• مرئی: حدود ۳۴۰ یا ۴۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر

• UV-Vis: حدود ۱۹۰ تا ۱۱۰۰ نانومتر

• UV-Vis-NIR: فرابنفش تا فروسرخ نزدیک

منبع نور ایده آل در همه طول موج ها شدت یکسان، پایداری طولانی مدت و نویز کم دارد. اندازه دستگاه نیز متناسب با محدوده طول موج و تفکیک مورد نیاز طراحی می شود.

پهنای باند طیفی و تفکیک

پهنای باند طیفی پهنای محدوده طول موجی است که دستگاه در هر لحظه اندازه گیری می کند و معمولا به صورت پهنای کامل در نیم بیشینه (FWHM) یک خط طیفی بسیار باریک تعریف می شود. هرچه پهنای باند کمتر باشد، تفکیک بیشتر است.

تفکیک توانایی دستگاه در جدا دیدن دو قله نزدیک به هم است. طبق معیار رایلی، دو قله زمانی تفکیک پذیر هستند که بیشینه یکی روی نخستین کمینه دیگری قرار گیرد؛ در این حالت فرورفتگی بین دو قله حدود ۱۹ درصد بیشینه است.

قدرت تفکیک یک توری پراش از این رابطه به دست می آید:

λ / Δλ = m × N

که m مرتبه پراش و N تعداد کل شیارهای روشن شده توری است.

پهنای باند طیفی دستگاه به عرض شکاف و پاشندگی توری بستگی دارد:

Δλ ≈ w × (dλ/dx)

که w عرض شکاف و dλ/dx عکس پاشندگی خطی است. هرچه شکاف باریک تر باشد، تفکیک بهتر است، اما نور کمتری وارد دستگاه می شود و حساسیت کاهش می یابد. کیفیت سایر قطعات اپتیکی نیز روی پهنای باند اثر دارد.

اثر پهنای باند به ویژه در اندازه گیری قله های باریک یا قله های نزدیک به هم آشکار می شود.

نکته مهم: پهنای باند طیفی (تفکیک اپتیکی) را نباید با تفکیک پیکسلی یا گام دیجیتال اشتباه گرفت. تفکیک پیکسلی، محدوده طول موجی است که هر پیکسل آشکارساز آرایه ای پوشش می دهد یا گامی است که نرم افزار داده ها را با آن نمایش می دهد. این عدد معمولا بسیار کوچک تر از پهنای باند واقعی است و نشان دهنده توانایی واقعی دستگاه در تفکیک قله ها نیست.

نور سرگردان

آشکارساز به همه نوری که به آن می رسد پاسخ می دهد و نمی تواند طول موج ها را از هم تشخیص دهد. نور سرگردان نوری با طول موج ناخواسته است که به آشکارساز می رسد. این نور معمولا از نقص های توری پراش، گرد و غبار، قطعات فرسوده یا بازتاب های داخلی دستگاه ناشی می شود و یکی از مهم ترین منابع خطا در اسپکتروفتومتری است.

اثر نور سرگردان در جذب های بالا شدیدتر است. وقتی نمونه بیشتر نور را جذب می کند، نور سرگردان سهم بزرگ تری از نور رسیده به آشکارساز را تشکیل می دهد و جذب کمتر از مقدار واقعی اندازه گیری می شود. در نتیجه، منحنی کالیبراسیون از حالت خطی خارج می شود و محدوده اندازه گیری محدود می شود.

روش های اندازه گیری نور سرگردان:

• فیلترها یا محلول های قطع کننده: طبق روش های استاندارد، از فیلترها یا محلول هایی استفاده می شود که نور را در زیر یک طول موج مشخص کاملا جذب و طول موج های بلندتر را عبور می دهند؛ برای مثال، محلول کلرید پتاسیم برای بررسی نور سرگردان در حدود ۲۰۰ نانومتر. هر نوری که در ناحیه قطع شده اندازه گیری شود، نور سرگردان است.

• منبع تک رنگ: با یک منبع نور تک رنگ، مانند لیزر هلیوم نئون، شدت نور در طول موج لیزر و در طول موجی کمی دورتر اندازه گیری می شود. نسبت این دو، معیاری از نور سرگردان است.

استفاده از توری های هولوگرافیک که نقص های کمتری دارند، نور سرگردان را کاهش می دهد.

صحت طول موج

صحت طول موج میزان تطابق طول موج نمایش داده شده توسط دستگاه با طول موج واقعی است. این پارامتر با استفاده از استانداردهایی با قله های مشخص بررسی می شود؛ مانند فیلتر یا محلول اکسید هولمیوم که قله های تیزی در چند طول موج مشخص در نواحی فرابنفش و مرئی دارد، یا خطوط نشری لامپ دوتریوم (مانند ۴۸۶.۰ و ۶۵۶.۱ نانومتر) و لامپ جیوه.

تکرارپذیری طول موج

تکرارپذیری طول موج توانایی دستگاه در نشان دادن همان طول موج در اندازه گیری های تکراری است. عوامل موثر بر آن عبارت اند از:

• شرایط محیطی مانند دما و ارتعاش

• پایداری اجزای دستگاه

• روش های کالیبراسیون

روش بررسی تکرارپذیری طول موج:

1. یک منبع نور پایدار با خطوط باریک، مانند لامپ کالیبراسیون یا لیزر پایدار، انتخاب می شود.

2. طیف منبع نور ثبت شده و موقعیت یک خط طیفی باریک تعیین می شود.

3. این اندازه گیری چندین بار تکرار می شود.

4. میانگین و انحراف معیار موقعیت خط محاسبه می شود. انحراف معیار کمتر یعنی تکرارپذیری بیشتر.

راه های بهبود تکرارپذیری طول موج:

• کالیبراسیون منظم با استانداردهای شناخته شده

• پایدار نگه داشتن محیط از نظر دما، رطوبت و ارتعاش

• نگهداری منظم، تمیز کردن و تعویض قطعات فرسوده

• آموزش کاربران و پیروی از روش های استاندارد

• کنترل کیفیت دوره ای

صحت فوتومتری

صحت فوتومتری میزان تطابق جذب اندازه گیری شده با مقدار واقعی است. عوامل موثر بر صحت فوتومتری عبارت اند از:

• خطی بودن پاسخ آشکارساز

• کالیبراسیون دستگاه

• کیفیت و تمیزی قطعات اپتیکی

• نور سرگردان

• عوامل محیطی مانند نور محیط و تغییرات دما

صحت فوتومتری با اندازه گیری مواد مرجع با جذب مشخص و مقایسه نتیجه با مقدار گواهی شده بررسی می شود. مواد مرجع رایج عبارت اند از:

• فیلترهای شیشه ای چگالی خنثی با جذب گواهی شده برای ناحیه مرئی؛ برای آشنایی با این فیلترها، مقاله تضعیف کننده نوری را بخوانید.

• محلول های دی کرومات پتاسیم در اسید برای ناحیه فرابنفش

محدوده فوتومتری

محدوده فوتومتری بازه جذبی است که دستگاه در آن با دقت قابل قبول و به صورت خطی اندازه گیری می کند. در جذب های بسیار بالا، نور بسیار کمی به آشکارساز می رسد. در این حالت، نور سرگردان و نویز سهم بزرگی از سیگنال را تشکیل می دهند و رابطه جذب و غلظت از حالت خطی خارج می شود. به همین دلیل، بیشتر اسپکتروفتومترها جذب را تا حدود ۳ یا ۴ اندازه گیری می کنند، اما بهترین دقت در محدوده حدود ۰.۱ تا ۱ به دست می آید.

برای نمونه های با جذب بالا:

• نمونه را رقیق کنید.

• از کووت با طول مسیر کوتاه تر استفاده کنید.

اشباع آشکارساز مسئله متفاوتی است که در نور شدید رخ می دهد؛ مثلا هنگام اندازه گیری شاهد یا نمونه های با جذب بسیار کم با زمان ادغام طولانی. در این حالت، سیگنال آشکارساز از حداکثر توان آن بیشتر می شود و داده ها قطع یا مخدوش می شوند. در برخی آشکارسازهای آرایه ای مانند CCD، بار اضافه به پیکسل های مجاور سرریز می کند که به آن اثر بلومینگ گفته می شود. برای جلوگیری از اشباع، باید زمان ادغام را کاهش داد، از آشکارسازی با محدوده دینامیکی کافی استفاده کرد یا شدت نور را با تضعیف کننده کاهش داد.

نسبت سیگنال به نویز

نسبت سیگنال به نویز (SNR) نسبت قدرت سیگنال مورد نظر به قدرت نویز است. هرچه این نسبت بیشتر باشد، حساسیت دستگاه و توانایی آن در اندازه گیری غلظت های کم بیشتر است. SNR از این رابطه به دست می آید:

SNR = I²(سیگنال) / (σ²₁ + σ²₂ + σ²₃ + ...)

که در آن صورت کسر توان سیگنال و مخرج مجموع واریانس منابع مختلف نویز است.

منابع نویز

1. نویز تاریک (حرارتی): حتی بدون نور، انرژی گرمایی در آشکارساز حامل های بار اضافه ایجاد می کند و جریان ناخواسته ای تولید می شود.

2. نویز شات: از ماهیت تصادفی رسیدن فوتون ها به آشکارساز ناشی می شود و به شدت نور بستگی دارد.

3. نویز الکترونیکی یا خوانش: از مدارهای الکترونیکی پشت آشکارساز که سیگنال را تقویت و پردازش می کنند، ایجاد می شود.

4. نویز الگوی ثابت: از تفاوت حساسیت پیکسل های مختلف یک آشکارساز آرایه ای ناشی می شود که در فرایند ساخت ایجاد شده است.

5. نویز ناشی از نور سرگردان: نور سرگردان مانند یک روشنایی زمینه عمل می کند که سیگنال مفید باید از آن بیشتر باشد.

راه های بهبود نسبت سیگنال به نویز

• افزایش نور عبوری از سیستم اپتیکی برای تقویت سیگنال

• استفاده از توری های هولوگرافیک برای کاهش نور سرگردان

• خنک کردن آشکارساز با خنک کننده ترموالکتریک برای کاهش نویز تاریک؛ این روش به ویژه در نورهای ضعیف و زمان های ادغام طولانی موثر است.

• میانگین گیری از چند اندازه گیری

زمان اسکن

زمان اسکن مدت زمان لازم برای ثبت کل طیف است و به نوع آشکارساز و تفکیک دستگاه بستگی دارد. دستگاه های آرایه ای کل طیف را در کسری از ثانیه ثبت می کنند، اما دستگاه های اسکن کننده ممکن است چند دقیقه زمان نیاز داشته باشند. دو پارامتر مرتبط عبارت اند از:

• زمان نمونه برداری: زمانی که مبدل آنالوگ به دیجیتال برای خواندن سیگنال نیاز دارد.

• زمان ادغام: مدت زمانی که آشکارساز آرایه ای نور را جمع آوری می کند؛ مشابه سرعت شاتر دوربین. زمان ادغام طولانی تر، سیگنال قوی تری ایجاد می کند، اما خطر اشباع را افزایش می دهد.

اسپکتروفتومترهای بلورآزما

بلورآزما نخستین تولیدکننده ایرانی اسپکتروفتومترهای مبتنی بر آشکارساز آرایه ای CMOS است. این دستگاه ها از چیدمان اپتیکی چرنی ترنر استفاده می کنند و کل طیف را همزمان و بدون اسکن مکانیکی ثبت می کنند:

• AURORA: اسپکتروفتومتر تک پرتو برای آنالیزهای روزمره و کنترل کیفیت

• OPAL: اسپکتروفتومتر دو پرتو با چند محل کووت برای پژوهش و آزمایشگاه هایی با نمونه زیاد

• ONYX: اسپکتروفتومتر پرتابل برای اندازه گیری های میدانی

برای آشنایی بیشتر، مقاله اسپکتروفتومتر ایرانی بلورآزما را بخوانید. برای مقایسه مدل ها و انتخاب دستگاه مناسب، راهنمای خرید اسپکتروفتومتر را ببینید و کاتالوگ محصولات را از بخش محصولات دانلود کنید.

سوالات متداول درباره اسپکتروفتومتر

اسپکتروفتومتر چیست؟

دستگاهی که با اندازه گیری مقدار نور جذب، عبور یا بازتاب شده توسط نمونه در طول موج های مختلف، غلظت و ویژگی های مواد را تعیین می کند.

اسپکتروفتومتر چه کاربردی دارد؟

اندازه گیری غلظت مواد در محلول ها، شناسایی ترکیبات، اندازه گیری رنگ، آنالیز آب و فاضلاب، کنترل کیفیت در صنایع غذایی و دارویی و آزمایش های پزشکی و زیستی.

تفاوت جذب و عبور چیست؟

عبور نسبت نور خارج شده از نمونه به نور تابیده شده است، اما جذب لگاریتم منفی عبور است و با غلظت رابطه خطی دارد.

اجزای اصلی اسپکتروفتومتر کدام اند؟

منبع نور، محفظه نمونه، توری پراش، عدسی ها و آینه ها، آشکارساز و پردازشگر.

مهم ترین مشخصات فنی یک اسپکتروفتومتر کدام اند؟

محدوده طول موج، پهنای باند طیفی، نور سرگردان، صحت و تکرارپذیری طول موج، صحت فوتومتری، محدوده فوتومتری و نسبت سیگنال به نویز.

جمع بندی

اسپکتروفتومتر دستگاهی است که با اندازه گیری نور جذب، عبور یا بازتاب شده توسط نمونه، غلظت و ویژگی های مواد را تعیین می کند. اسپکتروفتومترهای جذبی عبوری برای محلول ها و نمونه های شفاف و اسپکتروفتومترهای بازتابی برای سطوح مات و اندازه گیری رنگ استفاده می شوند. اساس اندازه گیری غلظت، قانون بیر لامبرت است که جذب را با غلظت و طول مسیر نور مرتبط می کند. اجزای اصلی دستگاه شامل منبع نور، توری پراش، آشکارساز، عدسی ها و آینه ها هستند و کیفیت آن با پارامترهایی مانند محدوده طول موج، پهنای باند طیفی، نور سرگردان، صحت طول موج و فوتومتری و نسبت سیگنال به نویز تعیین می شود. شناخت این پارامترها به انتخاب دستگاه مناسب و انجام اندازه گیری های دقیق کمک می کند.