آشکارساز اسپکتروفتومتر حسگر‎ یا‎ سنسوری‎ است که شدت نور را در طول موج های مختلف ثبت‎ و‎ اندازه گیری می کند.‎ در دستگاه های اسپکتروفتومتر، آشکارساز (Detector) یکی از کلیدی ترین اجزای سیستم محسوب می شود؛ چرا که وظیفه ثبت شدت طول موج ها و تبدیل انرژی تابشی عبوری یا بازتابی از نمونه به سیگنال الکتریکی قابل تحلیل و خوانش را بر عهده دارد. دقت، حساسیت، سرعت پاسخ و محدوده طول موج قابل اندازه گیری یک اسپکتروفتومتر، تا حد زیادی به آشکارساز مورد استفاده نیز بستگی دارد.‎ در‎ اسپکترومتری،‎ شناخت انواع آشکارسازها و عملکرد آنها برای انتخابی که با هدف ما سازگار باشد،‎ بسیار‎ ضروری است‎ و‎ شناخت آنها به انتخاب صحیح دستگاه اسپکتروفتومتر، تفسیر دقیق نتایج و بهینه سازی عملکرد اندازه گیری کمک می کند.‎ در همین راستا، این مقاله انواع آشکارساز اسپکتروفتومتر، مزایا و محدودیت‌ های هر نوع مورد بحث قرار گرفته است.

آشکارساز اسپکتروفتومتر چیست؟

آشکارساز اسپکتروفتومتر‎ یا‎ Spectrophotometer‎ Detector‎ ‎یکی از اجزای اصلی و تعیین کننده در عملکرد این دستگاه است که وظیفه دریافت تابش نوری خروجی از نمونه و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی را بر‎ عهده دارد.‎ این عنصر کلیدی، امکان شناسایی و تعیین کمیت نمونه را فراهم می کند.

در حقیقت، دقت، کیفیت داده های خروجی اسپکتروفتومتر (از جمله غلظت ماده، عدد جذب و ...) و تکرارپذیری نتایج، تا حد بسیار زیادی به نوع آشکارساز مورد استفاده بستگی دارد. هر دتکتور‎ نیز بر اساس یک اصل فیزیکی، مانند اثر فوتوالکتریک، تولید زوج الکترون-حفره (نوع نیمرسانا) و ... عمل کرده و پاسخ متفاوتی نسبت به شدت‎ و طول موج نور دریافتی دارد.‎ ‎ به طور خلاصه، دتکتور اسپکتروفتومتر نقش واسط بین برهمکنش نوری و سیستم الکترونیکی دستگاه ایفا می کند و بدون عملکرد دقیق آن، ارائه نتایج قابل تحلیل امکان پذیر نخواهد بود.

عموماً‎ برای آشکارسازی نور در اسپکتروفتومترها دو راه کلی وجود دارد:

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

معیار‎ ‎انتخاب‎ ‎آشکارساز‎ ‎در‎ ‎اسپکتروفتومتر

انتخاب آشکارساز اسپکتروفتومتر‎ مناسب بسیار مهم است و از آنجا که کاربردهای اسپکتروفتومتر از آنالیز ساده آزمایشگاهی تا اندازه گیری های دقیق تحقیقاتی و صنعتی را شامل می شود، بنابراین هیچ آشکارسازی بعنوان "بهترین گزینه برای همه کاربردها" وجود ندارد. در این بخش، مهم ترین معیارهای انتخاب یک آشکارساز بررسی می گردد.

حساسیت و نسبت سیگنال به نویز (SNR)

حساسیت آشکارساز، بیانگر قابلیت آن در تشخیص شدت های پایین نور است. برای مثال، در کاربردهایی با جذب کم یا غلظت های بسیار پایین مواد، آشکارسازهایی با نویز ذاتی کم و نسبت سیگنال به نویز بالا عملکرد بهتری دارند.

بازه طول موجی قابل اندازه گیری

هر دتکتور، محدوده مشخصی از طول موج ها را پوشش می دهد که به این نکته باید توجه نمود. تطابق بازه طول موجی آشکارساز با منبع نور و کاربرد دستگاه اسپکتروفتومتر عامل مهمی در انتخاب آن است.

سرعت پاسخ و زمان نمونه برداری

در اسپکتروفتومترهایی که آنالیزهای پیوسته یا سریع انجام می دهند، سرعت پاسخ دتکتور اهمیت بسیار بالایی دارد. آشکارسازهای آرایه ای معمولاً امکان ثبت چندین طول موج همزمان را دارند و برای این کاربردها بسیار مناسب می باشند.

پاسخ خطی

خطی بودن پاسخ آشکارساز نسبت به شدت نور دریافتی، دقت اندازه گیری های کمی را تعیین می کند. از این رو، دتکتورهایی با بازه خطی وسیع، امکان اندازه گیری غلظت های مختلف نمونه را بدون خطای قابل توجه، فراهم می کنند.

انواع مختلف آشکارساز اسپکتروفتومتر

آشکارساز اسپکتروفتومتر یک ابزار مهم در طیف سنجی است که در تبدیل شدت‎ تابش‎ به سیگنال‌ های الکتریکی متناسب نقش‎ دارد‎ و در حقیقت، پاسخگویی اسپکتروفتومتر به‎ آن‎ وابسته‎ است.‎ 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.‎ ‎ با توجه به تفاوت در کاربردهای آزمایشگاهی، صنعتی و تحقیقاتی آشکارسازها، انواع مختلفی از آنها در سامانه های اسپکتروفتومتری مورد استفاده قرار می گیرند که هر کدام بر مبنای اصول فیزیکی متفاوتی عمل می‎ ‎کنند.‎ ‎ در ادامه، پنج نوع رایج آشکارساز مورد استفاده در اسپکتروفتومتری معرفی می گردد:

• لوله های مولتی پلایر نوری (PMT): آشکارساز بسیار حساسی است‎ که با استفاده از یک سری داینود، سیگنال یک فوتوکاتد را تقویت نموده و معمولاً در اسپکتروفتومتر فلورسانس و لومینسانس استفاده می شود.
• آشکارساز بار جفت شده (CCD): CCD از مجموعه ای از پیکسل های ریز برای تشخیص نور استفاده می کند و بار از طریق چیپ منتقل شده، در گوشه ای از آرایه خوانش می شود.
• آشکارساز آرایه دیودی (DAD): DAD برای تشخیص نور در چندین طول موج به طور همزمان، از آرایه ای از دیودها استفاده می کنند و معمولاً برای آنالیز ترکیبات پیچیده در سیستم های HPLC مورد‎ ‎استفاده‎ ‎قرار‎ ‎می‎‎ ‎گیرند.
• آشکارساز تبدیل فوریه فروسرخ (FTIR): این گروه برای ثبت‎ شدت نور حاصل‎ از‎ ‎ یک تداخل سنج طراحی‎ شده‎ اند‎ و معمولاً برای آنالیز گروه های عاملی موجود در ترکیبات آلی، در اسپکتروفتومترهای IR  به کار می روند.
• آشکارساز 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 ‎(آشکارساز‎ ‎PMT‎ ‎)

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.‎ ‎در‎ ‎برخی‎ ‎منابع،‎ ‎لامپ‎ ‎فوتوالکترون‎ ‎نیز‎ ‎نامیده‎ ‎می‎ ‎شوند.

اساس عملکردی‎ آشکارساز‎ PMT‎ ‎، تبدیل فوتون های نور به سیگنال الکتریکی است و‎ 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 داینود اول (که 90 ولت مثبت تر از کاتد است)‎ شتاب‎ می‎ گیرند. برخورد الکترون 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 از‎ ‎ 10‎ ‎داینود، 100 الکترون از یک الکترون تولید می شود. با‎ این‎ وجود،‎ جریان الکترونی‎ حاصل نیاز به تقویت دارد.

PMT ها حساسیت بالا، زمان پاسخ‌ دهی سریع‌ و محدوده دینامیکی خیلی خوبی را ارائه می‎ کنند‎ و‎ همین ویژگی،‎ آنها را برای آنالیزهای 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 آشکارساز اسپکتروفتومتر، 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 دتکتورها، نیمرساناهایی حساس به نور با آرایه خطی هستند که شدت نور را در یک طول موج مشخص تشخیص می دهند و‎ 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 اسپکتروفتومتر 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.‎ دتکتور‎ های‎ DAD‎ ‎حساسیت بالایی داشته و بنابراین،‎ امکان تشخیص آنالیت های با غلظت پایین را در ماتریس های پیچیده فراهم می کنند.‎

یک آشکارساز اسپکتروفتومتر 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.‎ با‎ این‎ وجود،‎ علی رغم اینکه راندمان کوانتومی بالایی که‎ دارد، وجود جریان تاریک نسبی و نویز بالا ممکن است در‎ عملکرد‎ آن‎ اختلال ایجاد کند. بنابراین انتخاب آن بر اساس نوع کاربرد ضروری است.

3-آشکارساز بار جفت شده (CCD)

عملکرد کلی‎ دتکتور ‎ CCD‎ ‎، مشابه با آشکارسازهای آرایه دیودی است، با این تفاوت که در‎ ساختمان آنها‎ به جای دیود، از خازن های نوری استفاده می شود که به صورت تک یا دو بعدی کنار‎ هم‎ چیده‎ می شوند.‎‎ ‎در‎ ‎حقیقت،‎ ‎ آشکارساز اسپکتروفتومتر نوع CCD، یک تراشه سیلیکونی است که دارای مجموعه‌ ای از آرایه های حساس به نور است (پیکسل).‎ اصطلاح بار جفت شده در CCD‎ نیز‎ 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 قابلیت‎ را دارند که بارها را بدون نابودی، در سراسر چیپ منتقل کنند که این‎ ویژگی،‎ 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 کرده‎ است.‎ CCD می تواند نور ساطع شده را از کمترین تا بالاترین طول موج به طور همزمان تشخیص دهند‎ و نسبت به آشکارسازهای آرایه دیودی نویز کمتر و حساسیت بالاتری دارد.‎ ‎ به همین‎ دلیل، معمولاً در اسپکتروفتومترهای UV-Vis استفاده می شوند.

4-‎ آشکارساز اسپکتروفتومتر‎ 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 دتکتورهای CCD که برای تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال به مبدل خارجی آنالوگ به دیجیتال نیاز دارند، آشکارساز اسپکتروفتومتر CMOS امکان‎ انجام این تبدیل را بر روی تراشه خود سنسور دارند.‎ این امر باعث می شود که آشکارساز CMOS نسبت به سنسور CCD دارای قدرت کارآمدتری باشد 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 بهتر‎ 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.‎ 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 CMOS سرعت آن‎ است 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.

5-‎ 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 آشکارساز‎ اسپکتروفتومتر، معمولاً‎ در‎ ‎ اسپکتروفتومترهای FTIR به‎ کار می رود.‎ با عبور نور فروسرخ‎ 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 سنج FTIR، انواع مختلفی از آشکارساز FTIR وجود‎ دارد‎ که هر نوع، بسته به کاربرد خاص، مزایا و معایب ویژه‎ خود را دارد. از جمله:

• آشکارساز‎ ‎ FTIR‎ ‎نوع‎ حرارتی
• آشکارساز‎ ‎ FTIR‎ ‎نوع فوتورسانا
• آشکارساز‎ ‎ FTIR‎ ‎نوع 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 این‎ نوع‎ آشکارساز، 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 دیگر‎ 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 اسپکتروفتومتر در این است که دتکتور‎ 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،‎ به‎ ویژه‎ در‎ اسپکتروفتومترها‎ استفاده می شوند که هر یک از آنها بسته به نیاز، در موقعیت ها و نمونه های مختلفی قابل استفاده هستند.‎ آشکارساز اسپکتروفتومتر از مهمترین اجزای این سیستم محسوب می شود. همانطور که بررسی گردید، آشکارسازهای مختلف بر اساس اصول فیزیکی متفاوتی عمل می کنندو هر یک ویژگی ها، مزایا و محدودیت های ویژه ای دارد.

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.💐

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".