آنچه در این مقاله میخوانید
اسپکتروفتومتر یا طیف سنج نوری ابزاری است که تعداد فوتون های جذب شده توسط ماده (شدت نور) را پس از عبور از محلول نمونه اندازه گیری می کند. همچنین با استفاده از اسپکتروفتومتر، نوع ترکیبات یک ماده شیمیایی شناخته شده و مقدار آنها (غلظت) را نیز می توان تعیین کرد.
امروزه اسپکتروفتومتر ها ابزارهای تحلیلی قدرتمندی هستند که در زمینه های مختلف علمی از جمله شیمی، زیست شناسی، پزشکی و علوم محیطی استفاده می شوند. آنها امکان تجزیه و تحلیل دقیق و سریع نمونه ها را با اندازه گیری جذب، گسیل یا پراکندگی نور در طول موج های خاص فراهم می کنند.
دستگاه اسپکتروفتومتر (طیف سنج نوری)، یکی از ابزار های کلیدی و قلب هر آزمایشگاه تحلیلی است. برای اطلاعات بیشتر و آشنایی با عملکرد و قابلیت های این دستگاه کاربردی با ما همراه باشید.
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 اسپکتروفتومتر تسهیل کرد.
در نهایت، دستگاه های اسپکتروفتومتر مبتنی بر توری پراش رایج شدند و دقت و تطبیق پذیری بهتری را ارائه کردند و به عنوان دستگاهی استاندارد برای آنالیز مواد، در بسیاری از آزمایشگاه های شیمی شناخته شدند.
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 با نور پس از برهمکنش دیگر یکسان نیست و دچار تغییراتی می شود. 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 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 که بتوانید بدون مشاهده مستقیم داخل اتم یا مولکول، ویژگی آنها را تعیین کنید.
به دلیل همین مشخصه های منحصر به فرد اسپکتروفتومتر، به طور گسترده برای آنالیزهای کمی (عددی)، مانند تعیین غلظت یک ماده خاص در یک محلول استفاده می شود.
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 کاربردهای متعددی از جمله تجزیه و تحلیل DNA، کشف دارو، نظارت بر محیط زیست، کنترل کیفیت آب و صنایعی مانند داروسازی و تولید مواد غذایی 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 آن با ترکیب و خواص مواد آشنا شوند.
در بخش قبل گفته شد که اساس عملکردی یک سیستم اسپکتروفتومتر، برهمکنش نور و ماده است. زمانی که تابش الکترومغناطیسی به ماده ای می تابد، بسته به حالت ماده، ضخامت و ترکیب شیمیایی ماده، می تواند به روش های مختلفی با ماده تعامل کند، از جمله جذب و عبور، بازتاب و پراکندگی.
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. اگر ماده ای تیره باشد، می تواند نور را جذب کند و اگر ماده براقی مانند فلز باشد، آن را بازتاب می کند.
پراکندگی نیز زمانی رخ می دهد که ذرات کوچک یا بی نظمیهای موجود در یک ماده باعث تغییر جهت نور شود. (برای جزئیات بیشتر 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 شده یا بازتاب آن توسط یک نمونه (ماده مورد آنالیز) در طول موج های مختلف، اطلاعات ارزشمندی در مورد ترکیب و خواص آن ارائه می دهند.
بنابراین بر اساس نحوه برهمکنش نور و ماده، دو گروه کلی از اسپکتروفتومتر وجود دارند:
برهمکنش نور با ماده
در مورد یک اسپکتروفتومتر 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 عبور نور توسط ماده مورد ارزیابی قرار می گیرد.
در این نوع از اسپکتروفتومتر، بخشی از نور توسط مولکول ها و یا اتم های 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 یک نمونه، مانند غلظت و یا نوع ترکیبات آن مشخص می شود.
جذب و عبور دو مفهوم کلیدی هستند که باید به طور دقیق تعریف شوند. جذب، تکنیکی است که برای اندازه گیری میزان قابلیت ماده در عبور دادن نور به کار می رود، در حالی که عبور، نور انتقال یافته توسط ماده را اندازه گیری می کند.
این روش بر این مبنا کار می کند 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.
بسته به نوع مولکول، تعداد الکترون ها و به تبع آن، آرایش الکترونی و پیوند های شیمیایی داخلی هر ماده 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، بازتاب و یا پراکندگی)، در طول موج های فعال مواد مورد بررسی، آنالیز های لازم را انجام دهد.
عملکرد نهایی دستگاه اسپکتروفتومتر به گونه ای است که در خروجی، توابعی از شدت نور برحسب طول موج یا فرکانس نشان 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، «اثر انگشت» یا مشخصه عناصر و ترکیبات مختلف هستند.
اسپکتروفتومتر ایرانی نوع جذبی OPAL
در یک اسپکتروفتومتر، برای محاسبه میزان جذب نور توسط نمونه، از قانون بییر-لامبرت استفاده می شود. 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.
(1) T=I/Io
I0، شدت نور تابشی به نمونه و I، شدت نور عبوری از نمونه است و مقادیر عبور عمدتاً به صورت درصد محاسبه می شوند.
در این نوع دستگاه ها، معمولاً برای اندازه گیری و محاسبه مقدار جذب نمونه ها از قانون بیر-لامبرت استفاده می شود و می توان از آن برای تعیین غلظت نمونه (c) استفاده کرد.
در اندازه گیری 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 از نمونه بیشتری عبور می کند و نور عبوری کمتری خواهیم داشت. بنابراین، میزان جذب نور در ماده نمونه، به طول مسیر (L) وابسته است. بر طبق قانون بیر-لامبرت داریم:
(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.
نور عبوری از نمونه
میزان جذب، با لگاریتم نسبت شدت نور پرتوهایی است که وارد نمونه شده و از نمونه خارج می شوند، متناسب است.
(3) A = log10 (I0/I)
میزان جذب مختلف توسط مواد نمونه
بنابراین، طبق معادله (1)، مقدار جذب را می توان بر اساس میزان عبور بیان کرد:
(4) A=-log10 (T)
طبق معادله بالا مشخص است که وقتی تمام نوری که به جسم می رسد، جذب آن شود، مقدار عبور 0٪ و مقدار جذب 100٪ است و بالعکس.
مقادیر جذب و عبور در اسپکتروفتومتر
البته توجه داشته باشید که در بسیاری از دستگاه های اسپکتروفتومتر مدرن امروزی، 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.
بر اساس معادلات بخش قبل، نمودار معمولی که قانون بیر-لامبرت را نشان می دهد همواره خطی و همبستگی مثبت خواهد داشت. 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.
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.
نمودار خطی غلظت در اسکتروفتومتری جذبی
توسعه اسپکتروفتومتر های نوع جذبی، تحقیقات علمی را متحول کرده است و امکان تجزیه و تحلیل کمی و کیفی طیف گسترده ای از مواد و پدیده ها را فراهم کرده است. تکامل مداوم قطعات اپتیکی و الکترونیکی، آنها را به ابزاری ضروری در آزمایشگاههای مدرن تبدیل کرده است و کاربرد های متفاوتی دارند.
برای تعیین غلظت ترکیبات نامشخصی از یک محلول، می توان از طیف های جذبی استفاده کرد و داده های جذب مجموعه ای از محلول های استاندارد با غلظت های مشخص، یک منحنی جذب استاندارد را ایجاد می کند.
با اندازه گیری و مقایسه منحنی جذب ماده مجهول با این منحنی های استاندارد، غلظت آن تعیین می شود که بر مبنای قانون بیر-لامبرت عمل می کنند.
آنالیز آب توسط اسپکتروفتومتر
هر ماده خالص بسته به ساختار الکترونی و مولکولی آن، طیف جذب منحصر به فردی خواهد داشت. بنابراین، یک طیف جذبی به شناسایی مواد ناشناخته کمک می کند.
برخی از گروه های عاملی (یا به عبارتی نوع پیوندهای شیمیایی) دارای طیف های جذبی متفاوتی هستند.
شناسایی آنها در یک طیف، نشان دهنده این است که آیا آن گروه عاملی در ترکیب وجود دارد یا خیر. بعلاوه، نشان دهنده موفقیت آمیز بودن یک واکنش در یک آزمایش به خصوص نیز می باشد.
اسپکتروفتومتر بازتابی، تکنیکی است که برای اندازه گیری خواص بازتابی مواد در طیف وسیعی از طول موج ها استفاده می شود و میزان نور بازتاب شده از سطح نمونه را ارزیابی می کند.
بازتاب نور، بسته به نوع سطح و طیف نور تابیده شده، در فرایند های 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 طیفی نور منعکس شده را 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 بازتاب هستند.
عملکرد اسپکتروفتومتر نوع بازتابی
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 در یک اسپکتروفتومتر
شماتیک کلی از عملکرد یک اسپکتروفتومتر جذبی-عبوری
اسپکتروفتومتر ها شدت نور را در طول موج های مختلف اندازه گیری می کنند و برای اطمینان از اندازه گیری های دقیق، استفاده از منابع نوری مناسب ضروری است و در ادامه برخی از منابع نوری رایج برای اسپکتروفتومتر ها آورده شده است:
این لامپ ها طیف پیوسته ای از نور مرئی و فروسرخ نزدیک را تأمین می دهند و این گروه از منابع نوری، خروجی پایداری را در طول زمان ارائه می دهند و برای اسپکتروفتومتر چند منظوره مناسب هستند.
لامپ های دوتریوم نور فرابنفش (UV) را در محدوده 190-400 نانومتر ساطع می کنند و معمولاً به عنوان منبع بخش UV در ترکیب با یک لامپ تنگستن-هالوژن، برای پوشش طیف طول موجی کامل استفاده می شوند.
لامپ های زنون طیف وسیعی از نور از جمله نواحی UV، مرئی و مادون قرمز را تولید می کنند و آنها خروجی با شدت بالایی دارند و اغلب برای برنامه هایی که نیاز به حساسیت بالا یا اسکن سریع است، استفاده می شوند.
LED ها در طول موج های مختلفی در دسترس هستند که آنها را برای کاربرد های ویژه (بازه های طول موجی کم) مناسب می کند. آنها مزایایی مانند مصرف انرژی کم، طول عمر طولانی و اندازه کوچک را ارائه می دهند.
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 به کار می روند.
در اسپکتروفتومتر های قدیمی، از منشور بعنوان تجزیه کننده نور استفاده می شد، اما امروزه تقریباً در تمامی انواع مدرن از توری پراش برای تولید طیف طول موجی (تفکیک نور) استفاده می کنند و بر روی پیکسل های مختلف آشکارساز پخش می شود.
از جمله مزایای دستگاه اسپکتروفتومتر مجهز به توری پراش (در مقایسه با منشورها) می توان به موارد زیر اشاره کرد:
توری های پراش، طبق تعریف از خطوط یا شیار بر روی یک بستر تشکیل شده اند که چگالی این خطوط است که معیار میزان تفکیک کنندگی توری است و باید متناسب با سیستم آشکارساز 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 و در صورت کم بودن چگالی نیز تمامی طیف پوشش داده نمی شود.
تأثیر چگالی خط توری پراش در آنالیز نهایی یک اسپکتروفتومتر
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 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.
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 بسیار در زمان اندازه گیری می شود.
در صورت استفاده از توری پراش نوع صفحه ای یا تخت، لازم است از عناصر نوری اضافی (آینه های کروی یا عدسی) برای جهت دهی یا متمرکز نمودن پرتو استفاده شود.
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 زیاد باشد.
سیستم اسپکتروفتومتر دارای آشکارساز منفرد و توری چرخان
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.
سیستم کلی آشکارسازهای آرایه ای
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.
انواع مختلفی از لنز یا عدسی در دستگاه اسپکتروفتومتر استفاده می شود که هرکدام عملکرد منحصر به فرد خورد را دارند. پیکربندی خاص و انواع لنزهای مورد استفاده بسته به طراحی و هدف اسپکتروفتومتری متفاوت است.
انواع عدسی در یک اسپکتروفتومتر
لنزهای کندانسور و استوانه ای
در این مقاله، ابتدا تعریف دقیقی از دستگاه های اسپکتروفتومتر ارائه دادیم و مکانیزم آنها را بر اساس دو دسته بندی نوع جذبی-عبوری و بازتابی توضیح دادیم. سپس، عملکرد کلی و اجزای یک اسپکتروفتومتر را شرح دادیم. امیدواریم که با خوندن مقاله اسپکتروفتومتر 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🌷
Basics of spectral measurments, Issued by: JETI Technische Instrumente GmbH, Jena, May 2005
مقالات منتشر شده در ساعاتی قبل
اسپکتروفتومتر های بلورآزما عالیه ، مخصوصا ریجنت هایی که روی دستگاه هست
سلام خوشحالیم که از اسپکتروفتومتر بلورازما رضایت داشته اید
سلام ممنون از پشتیبانی بلورازما برای دستگاه اسپکتروفتومتر 🙏
سلام خوشحالیم که از پشتیبانی دستگاه اسپکتروفتومتر بلورازما رضایت داشته اید
سلام اسپکتروفتومتر بلورآزما خیلی خوب بود مخصوصا پشتیبانی که دارند.
سلام خوشحالیم که از پشتیبانی اسپکتروفتومتر بلورازما رضایت داشته اید
واقعا مقاله اسپکتروفتومتر کامل و جامعی بود دمتون گرم
مطالب اموزنده و مفیدی بود، بنده میتونم فایل pdf این مقاله رو از شما دریافت کنم؟
به زودی این آپشن هم اضافه خواهد شد. با بلورآزما همراه باشید.
ممنون بابت مطالب مفیدتون
خوشحالیم که مفید بوده
مقاله مفیدی بود. ممنون
خیلی خوشحالیم که مفید بوده.
لطفا از محصولات و مقالات ما هم دیدن کنید.
برای خرید اسپکتروفتومتر چه راهی باید اقدام کنیم؟؟
لطفا با پشتیبانی بلورآزما تماس بگیرید: 021-28422196
چه برای خرید و چه برای مشاوره، تیم بلورآزما همکاری لازم را خواهد داشت.
برای خرید و انتخاب اسپکتروفتومتر متناسب با کاربری خود، با روابط عمومی شرکت بلورآزما تماس بگیرید. 021-28422196
سلام مقاله اسپکتروفتومتر خوبی بود
ممنون
لطفا از مقالات و محصولات بلورآزما هم دیدن کنید.