مکانیزم انواع مختلف آشکارساز اسپکتروفتومتری

آشکارساز اسپکتروفتومتری دستگاهی است که شدت نور را در طول موج های مختلف اندازه گیری می کند تا خواص بازتاب یا عبور نور از یک ماده را تعیین کنند.

در زمینه اسپکتروفتومترها، اصطلاح "آشکارساز" به عنصر دریافت کننده نور اشاره دارد که انرژی نور را جذب می کند و در نتیجه باعث ایجاد تغییرات الکتریکی می شود.

آشکارسازهای نوری برای شناسایی و تشخیص آنالیت ها در نمونه استفاده می شوند، زیرا مولکول های مختلف دارای پیک جذب در طول موج های مختلف هستند.

شناخت انواع آشکارسازها و عملکرد آنها برای انتخابی که با هدف ما سازگار است ضروری است. در همین راستا، این مقاله انواع آشکارساز اسپکتروفتومتری، مزایا و محدودیت‌ های هر نوع مورد بحث قرار گرفته است.

آشکارساز اسپکتروفتومتری چیست؟

آشکارساز اسپکتروفتومتری دستگاهی است که برای اندازه گیری میزان جذب و عبور نور توسط یک ماده نمونه در طول موج های مختلف استفاده می شود.

این عناصر کلیدی، بر اساس این اصل کار می کنند که امواج الکترومغناطیسی با طول موج های مختلف را جذب کرده و امکان شناسایی و تعیین کمیت نمونه را فراهم می کند.

در حقیقت، آشکارساز اسپکتروفتومتری به عنصر دریافت کننده نور اشاره دارد که شدت نور منتقل شده با بازتابی را تشخیص می دهد و این داده ها را برای ثبت و نمایش به یک سنجشگر می فرستد.

برای آشکارسازی نور در اسپکتروفتومترها دو راه کلی وجود دارد:

• راه اول، شامل انتخاب طول موج جدا شده توسط توری پراش و عبور آن از شکاف خروجی و آشکارسازی آن توسط یک آشکارساز اسپکتروفتومتری یکپارچه است (تک رنگ ساز).
• راه دوم، شامل آشکارسازی تمام طیف جداشده به صورت همزمان است که ایده ویژه چند رنگ سازها است.

انواع مختلف آشکارساز اسپکتروفتومتری

آشکارساز اسپکتروفتومتری یک ابزار مهم در طیف سنجی است که در تبدیل نور به سیگنال‌ های الکتریکی متناسب استفاده می‌ شود و در حقیقت، پاسخ اسپکتروفتومتر را فراهم می‌ کند.

در سال های اخیر، آشکارسازهای مبتنی بر ویژگی‌ های انتقال بار الکتریکی به طور قابل توجهی توسعه یافته اند که هر نوع آشکارساز نوری مزایا و معایب خود را دارد و انتخاب آنها، به کاربرد خاصشان بستگی دارد.

انواع کلی آشکارسازهای نوری مورد استفاده در اسپکتروفتومترهای امروزی را می توان به پنج دسته اصلی زیر طبقه بندی کرد:

1. لوله های مولتی پلایر نوری (PMT): آشکارسازهای بسیار حساسی هستند که با استفاده از یک سری داینود، سیگنال یک فوتوکاتد را تقویت نموده و معمولاً در اسپکتروفتومتری فلورسانس و لومینسانس استفاده می شوند.
2. آشکارسازهای بار جفت شده (CCD): CCD ها از مجموعه ای از پیکسل های ریز برای تشخیص نور استفاده می کنند و بار از طریق چیپ منتقل شده، در گوشه ای از آرایه خوانده می شود.
3. آشکارسازهای آرایه دیودی (DAD): DAD ها برای تشخیص نور در چندین طول موج به طور همزمان، از آرایه ای از دیودها استفاده می کنند و معمولاً برای آنالیز مخلوط های پیچیده در سیستم های HPLC استفاده می شوند.
4. آشکارسازهای تبدیل فوریه فروسرخ (FTIR): این گروه برای تشخیص شدت نور در طول موج های مختلف یک تداخل سنج استفاده می شوند و معمولاً برای آنالیز گروه های عاملی موجود در ترکیبات آلی، در اسپکتروفتومترهای IR  به کار می روند.
5. حسگرهای CMOS: آشکارساز CMOS مخفف Complementary Metal-Oxide-Semiconductor است که  یک نوع فناوری نیمه هادی است که در ساخت مدارهای مجتمع (IC) استفاده می شود.

1- لوله های مولتی پلایر نوری

لوله های مولتی پلایر نوری (یا به اختصار PMT) آشکارسازهای بسیار حساس نور در محدوده های فرابنفش، مرئی و فروسرخ نزدیک (UV-Vis-NIR) طیف امواج الکترومغناطیسی هستند.

PMT ها، از کلاس لوله های خلأ نوری هستند که برای تشخیص و تقویت نور استفاده می‌ شوند و از یک فوتوکاتد و به دنبال آن یک تقویت کننده الکترون به نام داینود تشکیل می شوند.

اساس عملکردی PMT ها، تبدیل فوتون های نور به سیگنال الکتریکی است زیرا با برخورد فوتون های نور به سطح حساس به نور این لوله ها (فوتوکاتد)، الکترون ثانویه ای ساطع می شود.

در حقیقت، فوتون پرانرژی اولیه یک الکترون را از فوتوکاتد خارج می کند و سپس، میدان های الکتریکی درون PMT، الکترون ها را به سمت سطح دیگری به نام داینود متمرکز کرده و شتاب می دهند.

پس از متمرکز شدن این الکترون های ثانویه در داینودها، آبشاری از الکترون های ثانویه ایجاد می شود که منجر به یک جریان الکتریکی قابل اندازه گیری در خروجی می شود.

الکترون های ساطع شده به سمت دینود اول شتاب می گیرند که 90 ولت مثبت تر از کاتد است. برخورد الکترونی به اولین داینود منجر به تولید چندین الکترون می شود.

این فرآیند به طور مداوم از یک داینود به داینود دیگر تکرار می شود و پس از عبور به 10 داینود، 100 الکترون از یک الکترون تولید می شود. جریان حاصل نیاز به تقویت دارد.

PMT ها حساسیت بالا، زمان پاسخ‌ دهی سریع‌ و محدوده دینامیکی خیلی خوبی را ارائه می‌کنند، که آنها را برای برنامه‌ های کم نور و تشخیص سریع سیگنال ایده‌ آل می‌ کند.

یکی دیگر از ویژگی های کلیدی این آشکارسازها، وضوح طول موج بالا به دلیل استفاده از عرض شکاف های باریک است اما در مواجهه با نور با شدت بالاتر، آسیب پذیر هستند.

2- آشکارساز اسپکتروفتومتری آرایه دیودی (DAD)

این نوع از آشکارساز اسپکتروفتومتری، برای تشخیص نور ساطع شده از یک نمونه، به مجموعه ای از فتودیودها متکی است که امکان اندازه گیری طول موج های متعدد را به طور همزمان فراهم می کنند.

این گروه از آشکارسازها، نیمرساناهایی حساس به نور با آرایه خطی هستند که شدت نور را در یک طول موج مشخص تشخیص می دهند که به آنها آرایه فوتودیود (DAD) نیز گفته می شود.

خروجی آرایه فتودیودها به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می شود که متناسب با جذب نمونه در هر طول موج است. این اطلاعات به یک کامپیوتر یا سیستم جمع آوری داده منتقل می شود و در آنجا پردازش و تجزیه و تحلیل می شود.

از آنجایی که یک آشکارساز اسپکتروفتومتری DAD از چندین آرایه دیودی گیرنده نور تشکیل می شود، از این رو برای ثبت اطلاعات در یک محدوده وسیع از طول موج ها در یک زمان بسیار مناسب است.

DAD ها حساسیت بالایی را ارائه می دهند و امکان تشخیص آنالیت های با غلظت پایین را در ماتریس های پیچیده فراهم می کنند.

یک آشکارساز اسپکتروفتومتری نوع آرایه دیودی، نسبت به یک لوله فوتومولتی پلایر حساسیت کمتری دارد اما اندازه گیری همزمانی از طول موج های مختلف ارائه می دهد.

در این آشکارساز نسبت به لوله فوتومولتی پلایر، با تغییر طول موج هیچ تغییری در عملکرد نوری  ایجاد نمی شود که همین امر سبب شده است که برای ثبت طیف UV-Vis و دستگاه های HPLC مفید باشد.

علی رغم اینکه راندمان کوانتومی بالایی دارد، وجود جریان تاریک نسبی و نویز بالا ممکن است اختلال ایجاد کند. بنابراین انتخاب آن بر اساس نوع کاربرد ضروری است.

آشکارسازهای بار جفت شده (CCD)

عملکرد کلی CCD، مشابه با آشکارسازهای آرایه دیودی است، با این تفاوت که به جای دیود از خازن های نوری استفاده می کند که به صورت تک یا دو بعدی مرتب شده اند.

آشکارساز اسپکتروفتومتری نوع CCD، یک تراشه سیلیکونی است که دارای مجموعه‌ ای از آرایه های حساس به نور است (پیکسل).

اصطلاح بار جفت شده در CCD، در واقع به روشی اشاره دارد که از طریق آن بسته های بار روی تراشه، از فوتوسایت ها به سمت بازخوانی حرکت می کنند.

هنگامی که فوتون های نور (یا به اصطلاح فوتوسایت ها) به سطح پیکسل برخورد می کنند، الکترون هایی تولید می کنند که توسط چاه پتانسیل مواد نیمه هادی پیکسل، به دام می افتند.

این کار، باعث ایجاد باری می شود که متناسب با شدت نور ورودی است و یک مبدل آنالوگ به دیجیتال، بار هر فوتوسایت را به یک مقدار دیجیتال تبدیل می کند.

آشکارسازهای CCD طی فرایندی خاص، این توانایی را دارند که بارها را بدون نابودی در سراسر چیپ منتقل کنند که کیفیت و حساسیت بالایی را رقم می زند.

در حقیقت، یک تراشه سیلیکونی در CCD وجود دارد که نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. تراشه یک فوتون را جذب کرده و یک الکترون آزاد می کند.

این تراشه، توسط الکترودهایی پوشانده شده است که الکترون ها را در پیکسل ها یا آرایه ای از الکترون ها نگه می دارند، به طوری که ایجاد بارها با الگوی نور فرودی مطابقت دارد.

در واقع، برای خواندن بار، CCD از یک سری الکترود استفاده می کند که یک چاه پتانسیل ایجاد می کند که در امتداد سطح آشکارساز حرکت می کند.

با عبور چاه از روی هر پیکسل، بار را جمع کرده و به تقویت کننده خروجی منتقل می کند. این فرآیند برای تمام پیکسل ها تکرار می شود و سیگنالی تولید می کند که می تواند برای ایجاد یک تصویر دیجیتال پردازش شود.

از این رو، همین مزیت حساسیت بالای آنها به نور است که آنها را برای ثبت تصاویر و طیف و تشخیص سیگنال های با شدت نور بسیار کم بسیار مفید است.

CCD می تواند نور ساطع شده را از کمترین تا بالاترین طول موج به طور همزمان تشخیص دهد و نسبت به آشکارسازهای آرایه دیودی نویز کمتر و حساسیت بالاتری دارد.

به دلیل حساسیت بالا و توانایی تشخیص طیف گسترده ای از طول موج ها، معمولاً آشکارسازهای CCD در اسپکتروفتومترهای UV-Vis استفاده می شوند.

آشکارساز اسپکتروفتومتری نوع CMOS

حسگرهای CMOS تراشه‌ های پیشرفته‌ ای هستند که در اوخر دهه 1980 تا اوایل دهه 1990، به عنوان یک فرآیند تولید نیمه هادی پایدار، به خوبی کنترل شدند و امروزه، تقریباً در تمام ریزپردازنده ها به عنوان یک فرآیند پایه محسوب می شوند.

برخلاف سنسورهای CCD که برای تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال به مبدل خارجی آنالوگ به دیجیتال نیاز دارند، آشکارساز اسپکتروفتومتری CMOS توانایی انجام این تبدیل را بر روی تراشه خود سنسور دارند.

این امر باعث می شود که آشکارسازهای CMOS نسبت به سنسورهای CCD دارای قدرت کارآمدتری باشند و بتوان آنها را در شرایط کم نور و دماهای پایین نیز استفاده کرد.

فناوری CMOS از ماسفت های نوع p و n استفاده می کند تا امکان سوئیچینگ کارآمد و مصرف انرژی کمتری را فراهم کند.

این ترانزیستورها به گونه ای چیده شده اند که اجازده دارند دروازه های منطقی تشکیل دهند که می توانند برای ساخت مدارهای دیجیتال مختلف ترکیب شوند.

در یک حسگر CMOS، بار پیکسل حساس به نور به یک ولتاژ در محل پیکسل تبدیل می‌شود و سیگنال از طریف ردیف و ستون ها، به مبدل‌ های دیجیتال به آنالوگ تراشه (DAC) چندگانه می‌شود.

در اصل، CMOS یک دستگاه دیجیتال است و هر سایت، در اصل یک فتودیود و سه ترانزیستور است که عملکردهای تنظیم مجدد یا فعال کردن پیکسل، تقویت و تبدیل بار، و انتخاب یا چندگانه سازی را انجام می دهند.

در واقع عنصر کلیدی در آشکارسازهای CMOS، فوتودیود پین شده (PPD) می باشد که یک ساختار آشکارساز نوری با تأخیر کم، نویز کم، راندمان کوانتومی بالا و جریان تاریک کم است.

در اکثر آشکارسازهای CMOS چندین ترانزیستور در هر فوتوسایت وجود دارد و در هر پیکسل، بار مستقیماً به واسطه ترانزیستورهای موجود به ولتاژ تبدیل می شود. سیگنال های ولتاژ بار در یک ردیف، با استفاده از مدارهای انتخابی ردیف و ستون خوانده می شوند.

یکی از مزایای آشکارساز اسپکتروفتومتری CMOS سرعت آنهاست و از آنجایی که هر پیکسل تقویت‌ کننده خاص خود را دارد، می‌ توان آنها را به‌ جای متوالی به‌صورت موازی خواند، که امکان نرخ فریم سریع‌ تر را فراهم می‌کند.

علاوه بر این، به دلیل اینکه مدار تبدیل سیگنال روی همان تراشه سنسور قرار دارد، نویز کمتری در طول انتقال به سیگنال وارد می شود.

آشکارسازهای تبدیل فوریه فروسرخ (FTIR)

آشکارسازهای مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) عناصر اپتیکی هستند که برای اندازه گیری جذب یا عبور تابش مادون قرمز توسط یک نمونه استفاده می شوند.

این نوع از آشکارسازها، در ارتباط با یک اسپکتروفتومتر FTIR کار می کنند که پرتوی از نور مادون قرمز را تولید می کند که از طریق نمونه هدایت می شود.

با عبور نور از نمونه، مقداری از آن توسط مولکول های موجود در نمونه جذب می شود و بقیه عبور می شود. میزان جذب بستگی به پیوندهای شیمیایی خاص موجود در نمونه دارد.

بر اساس نوع کاربرد و نوع طیف سنجی FTIR، انواع مختلفی از آشکارساز اسپکتروفتومتری نوع FTIR موجود است که هر نوع، بسته به کاربرد خاص مزایا و معایب خاص خود را دارد. از جمله:

• آشکارسازهای حرارتی
• آشکارسازهای رسانای نوری
• آشکارسازهای فتوولتائیک

به عنوان مثال، آشکارسازهای حرارتی معمولاً حساس‌ تر از انواع دیگر هستند، اما برای کارکرد مؤثر به خنک‌ سازی تا دمای پایین نیاز دارند.

در آشکارساز حرارتی FTIR، یک پرتوی فروسرخ به نمونه تابش می شود و نمونه مقداری از انرژی را جذب می کند. در نتیجه دمای آن کمی افزایش می یابد و باعث انبساط آن می شود.

این انبساط توسط یک عنصر حساس مانند ترمیستور یا سنسور پیزوالکتریک تشخیص داده می شود که انبساط را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.

آشکارسازهای فوتورسانا نسبت به آشکارسازهای حرارتی حساسیت کمتری دارند، اما می توان آنها را در دمای اتاق نیز مورد استفاده قرار داد.

در یک آشکارساز FTIR فوتورسانا، تابش مادون قرمز به نمونه باعث می‌شود الکترون‌های موجود در مواد نیمه‌رسانا برانگیخته شده و از باند ظرفیت به نوار رسانش حرکت کنند.

افزایش رسانندگی، باعث ایجاد یک عدم تعادل بار موقت در ماده می شود که یک میدان الکتریکی ایجاد می کند که بارها را جدا کرده و یک جریان الکتریکی قابل اندازه گیری ایجاد می کند.

آشکارسازهای فوتورسانا معمولاً از موادی مانند تلورید کادمیوم جیوه (MCT) یا آنتی‌مونید ایندیم (InSb) ساخته می‌ شوند و اغلب نیاز به خنک‌ سازی تا دمای برودتی دارند.

یک آشکارساز فتوولتائیک هنگامی که در معرض یک پرتو مادون قرمز قرار می گیرد، جریانی متناسب با شدت تابش فرودی تولید می کند که متناسب با مقدار انرژی جذب شده توسط آشکارساز است.

سپس این جریان به یک ولتاژ تبدیل شده (که متناسب با مقدار انرژی جذب شده توسط آشکارساز است) و توسط یک پیش تقویت کننده اندازه گیری می شود.

آشکارساز PV معمولاً از مواد نیمه هادی مانند سیلیکون یا ژرمانیوم ساخته می شود و در دمای اتاق کار می کند.

بر خلاف انواع دیگر آشکارسازهای FTIR، آشکارسازهای فتوولتائیک نیازی به خنک کننده ندارند و می توانند و نسبتاً فشرده تر هستند که استفاده از آنها را راحت‌ تر می‌ کند، اگرچه حساسیت و نسبت سیگنال به نویز کمتری نسبت دیگر انواع داشته باشند.
یکی از مزیت‌های آشکارسازهای فتوولتائیک FTIR، محدوده طیفی وسیع آنهاست که از نواحی فروسرخ نزدیک تا فروسرخ دور طیف امواج الکترومغناطیسی را در بر می‌گیرد.

تفاوت بین این دو آشکارساز اسپکتروفتومتری در این است که نوع فوتورسانا بر اساس افزایش رسانندگی الکتریکی ناشی از افزایش تعداد حامل های آزاد تولید شده هنگام جذب فوتون (تولید جریان) عمل می کند، در حالی که جریان فتوولتائیک در نتیجه جذب فوتون تولید می شود.

سخن پایانی

آشکارسازهای مختلفی در ابزار دقیق طیف سنجی استفاده می شود که هر یک از آنها بسته به نیاز، در موقعیت ها و نمونه های مختلفی قابل استفاده هستند.

از طرفی، حجم نمونه موجود، غلظت آنالیت و نوع واکنش در انتخاب آشکارساز اسپکتروفتومتری نقش مهمی دارند و تشخیص باید در غلظت های بسیار پایین نمونه ها نیز انجام شود.

امیداوریم که این مطلب برای شما مفیده بوده 😍 به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما را نیز مشاهده کنید و در صورت نیاز، می توانید کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود نمایید.💐

پیشنهاد می کنیم که مقاله اسپکتروفتومتر را نیز بررسی کنید.

منابع و مراجع

Wikipedia

"Charge-Coupled Devices"

Blouke, Morley M. "Active pixel sensors: are CCDs dinosaurs?"

Hondongwa, D. B. (2014). "A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors".