آشکارساز اسپکتروفتومتر چیست؟ مقایسه PMT، CCD، CMOS و آرایه دیودی

آشکارساز اسپکتروفتومتر حسگری است که شدت نور را در طول موج های مختلف اندازه گیری کرده و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. آشکارساز یکی از کلیدی ترین اجزای اسپکتروفتومتر است، چون حساسیت، دقت، سرعت، نویز و محدوده طول موج دستگاه تا حد زیادی به آن بستگی دارد.

شناخت انواع آشکارسازها و ویژگی های هر کدام، به انتخاب درست دستگاه، تفسیر دقیق نتایج و بهینه سازی اندازه گیری ها کمک می کند. در این مقاله با معیارهای انتخاب آشکارساز و انواع رایج آن در اسپکتروفتومترها آشنا می شوید. برای آشنایی با اصول کلی آشکارسازهای نوری، مقاله آشکارساز نوری را بخوانید.

آشکارساز اسپکتروفتومتر چیست؟

آشکارساز، واسط بین برهمکنش نور و نمونه و سیستم الکترونیکی دستگاه است. نور عبوری یا بازتابی از نمونه، پس از تفکیک طول موج ها، به آشکارساز می رسد و آشکارساز آن را به سیگنالی تبدیل می کند که پس از پردازش، به صورت جذب، عبور یا غلظت نمایش داده می شود. بدون عملکرد دقیق آشکارساز، هیچ نتیجه قابل اعتمادی به دست نمی آید.

آشکارسازها بر پایه اصول فیزیکی متفاوتی کار می کنند؛ مانند اثر فوتوالکتریک (در لوله های فتومولتی پلایر)، تولید زوج الکترون حفره در نیمه رساناها (در فتودیودها، CCD و CMOS) یا تغییر دما (در آشکارسازهای حرارتی فروسرخ).

دو روش آشکارسازی در اسپکتروفتومترها

• آشکارساز تکی: در اسپکتروفتومترهای تک رنگ ساز، فقط طول موج انتخاب شده توسط توری پراش از شکاف خروجی عبور کرده و به یک آشکارساز می رسد. برای ثبت طیف، طول موج ها یکی یکی اسکن می شوند.

• آشکارساز آرایه ای: در اسپکتروفتومترهای چندرنگ ساز، کل طیف تفکیک شده روی آرایه ای از هزاران پیکسل می افتد و همه طول موج ها همزمان اندازه گیری می شوند.

برای آشنایی با این دو نوع دستگاه، مقاله اجزای طیف سنج نوری را بخوانید.

معیارهای انتخاب آشکارساز

چون اسپکتروفتومترها از آنالیزهای ساده روزمره تا اندازه گیری های پژوهشی بسیار حساس کاربرد دارند، هیچ آشکارسازی بهترین گزینه برای همه کاربردها نیست. مهم ترین معیارهای انتخاب عبارت اند از:

حساسیت و بازده کوانتومی

حساسیت توانایی آشکارساز در تشخیص نورهای بسیار ضعیف است. بازده کوانتومی نشان می دهد چه درصدی از فوتون های رسیده به آشکارساز، به سیگنال الکتریکی تبدیل می شوند. برای اندازه گیری غلظت های بسیار کم یا نور ضعیف مانند فلورسانس، آشکارسازهای حساس با نویز کم مناسب ترند.

نسبت سیگنال به نویز

نسبت سیگنال به نویز کیفیت سیگنال را نشان می دهد. منابع اصلی نویز در آشکارسازها عبارت اند از جریان تاریک (سیگنال ناشی از گرما حتی بدون نور)، نویز شات (ناشی از ماهیت تصادفی رسیدن فوتون ها) و نویز خوانش (ناشی از مدارهای الکترونیکی). خنک کردن آشکارساز، جریان تاریک را به شدت کاهش می دهد.

محدوده طول موج

هر آشکارساز فقط در محدوده مشخصی از طول موج ها حساس است. محدوده آشکارساز باید با منبع نور و کاربرد دستگاه هماهنگ باشد.

سرعت پاسخ

در اندازه گیری های سریع یا پیوسته، مانند پایش سینتیک واکنش ها یا آشکارسازهای کروماتوگرافی، سرعت پاسخ آشکارساز اهمیت زیادی دارد. آشکارسازهای آرایه ای با ثبت همزمان کل طیف، برای این کاربردها بسیار مناسب هستند.

محدوده دینامیکی و خطی بودن

محدوده دینامیکی نسبت بیشترین به کمترین سیگنال قابل اندازه گیری است. خطی بودن پاسخ آشکارساز نسبت به شدت نور، دقت اندازه گیری های کمی را تعیین می کند. آشکارسازهایی با محدوده خطی گسترده، امکان اندازه گیری نمونه هایی با غلظت های مختلف را بدون خطای قابل توجه فراهم می کنند.

انواع آشکارساز اسپکتروفتومتر

۱. لوله فتومولتی پلایر (PMT)

لوله فتومولتی پلایر یا PMT یکی از حساس ترین آشکارسازهای نوری در نواحی فرابنفش، مرئی و فروسرخ نزدیک است. PMT یک لوله خلأ است که از یک فوتوکاتد و یک سری الکترود به نام داینود تشکیل شده است.

نحوه کار PMT:

1. فوتون به فوتوکاتد برخورد کرده و طبق اثر فوتوالکتریک، یک الکترون از آن جدا می کند.

2. الکترون با میدان الکتریکی به سمت داینود اول، که معمولا حدود ۱۰۰ ولت مثبت تر از کاتد است، شتاب می گیرد.

3. برخورد الکترون به داینود، چند الکترون ثانویه آزاد می کند.

4. این الکترون ها به سمت داینود بعدی شتاب می گیرند و هر کدام چند الکترون جدید آزاد می کنند.

5. این فرایند در حدود ۹ تا ۱۲ داینود تکرار می شود و یک بهمن الکترونی ایجاد می شود.

در نتیجه، یک فوتون می تواند در خروجی میلیون ها الکترون ایجاد کند؛ یعنی بهره PMT معمولا حدود ۱۰ به توان ۶ تا ۱۰ به توان ۷ است. به همین دلیل PMT حتی تک فوتون ها را تشخیص می دهد.

مزایا:

• حساسیت بسیار بالا و نویز کم برای نورهای ضعیف

• پاسخ بسیار سریع

• محدوده دینامیکی خوب

محدودیت ها:

• آشکارساز تکی است و برای ثبت طیف به اسکن طول موج نیاز دارد.

• به ولتاژ بالا، حدود ۵۰۰ تا ۱۵۰۰ ولت، نیاز دارد.

• قرار گرفتن در معرض نور شدید هنگام روشن بودن، به آن آسیب می زند.

• محدوده طول موج آن به جنس فوتوکاتد بستگی دارد و در فروسرخ حساسیت کمی دارد.

کاربرد: اسپکتروفلوریمترها، اندازه گیری لومینسانس و فسفرسانس، اسپکتروفتومترهای اسکن کننده با کیفیت بالا و طیف سنجی نشری.

۲. فتودیود و آرایه دیودی (DAD)

فتودیود سیلیکونی یک قطعه نیمه رسانا است که با جذب فوتون، زوج الکترون حفره تولید می کند و جریانی متناسب با شدت نور ایجاد می کند. فتودیودها ساده، ارزان و پایدار هستند و در اسپکتروفتومترهای ساده و فتومترها استفاده می شوند.

آرایه دیودی یا آرایه فتودیودی (DAD) مجموعه ای از صدها تا هزاران فتودیود است که در یک ردیف کنار هم قرار گرفته اند. هر فتودیود شدت نور را در یک طول موج مشخص اندازه گیری می کند و به این ترتیب کل طیف همزمان ثبت می شود.

مزایا:

• ثبت همزمان کل طیف در کسری از ثانیه

• بدون قطعه متحرک، چون توری پراش ثابت است

• محدوده دینامیکی خوب

• پایداری و تکرارپذیری بالا

محدودیت ها:

• حساسیت کمتر از PMT برای نورهای بسیار ضعیف

• جریان تاریک و نویز بیشتر نسبت به CCD خنک شده

کاربرد: آشکارسازهای HPLC که امکان ثبت کل طیف هر جزء جدا شده را فراهم می کنند و برای شناسایی ترکیبات در مخلوط های پیچیده بسیار مفیدند، و اسپکتروفتومترهای UV-Vis آرایه ای. برای آشنایی بیشتر، مقاله کروماتوگرافی را بخوانید.

۳. آشکارساز CCD

CCD یا قطعه بار جفت شده یک تراشه سیلیکونی با آرایه ای از پیکسل های حساس به نور است که به صورت یک بعدی یا دو بعدی چیده شده اند. هر پیکسل مانند یک خازن کوچک عمل می کند.

نحوه کار CCD:

1. فوتون ها به پیکسل ها برخورد کرده و الکترون آزاد می کنند.

2. الکترون ها در چاه پتانسیل هر پیکسل جمع می شوند. مقدار بار هر پیکسل با شدت نور رسیده به آن متناسب است.

3. پس از پایان زمان اندازه گیری، بارها با اعمال ولتاژهای متوالی به الکترودها، پیکسل به پیکسل به سمت یک تقویت کننده خروجی در گوشه تراشه منتقل می شوند. واژه بار جفت شده به همین نحوه انتقال بار اشاره دارد.

4. یک مبدل آنالوگ به دیجیتال که معمولا خارج از تراشه قرار دارد، سیگنال هر پیکسل را دیجیتال می کند.

ویژگی مهم CCD، انتقال بارها بدون اتلاف قابل توجه در کل تراشه است که کیفیت و یکنواختی بالایی ایجاد می کند.

مزایا:

• نویز بسیار کم، به ویژه در CCDهای خنک شده

• حساسیت بالا برای نورهای ضعیف

• یکنواختی بالا بین پیکسل ها

• نسخه های نازک شده با تابش از پشت، حساسیت بسیار خوبی در فرابنفش دارند.

محدودیت ها:

• سرعت خوانش کمتر از CMOS

• مصرف انرژی بیشتر

• در نور بسیار شدید، بار اضافه به پیکسل های مجاور سرریز می کند که به آن اثر بلومینگ گفته می شود.

کاربرد: طیف سنجی رامان، اندازه گیری نورهای بسیار ضعیف و اسپکتروفتومترهای UV-Vis آرایه ای.

۴. آشکارساز CMOS

حسگرهای CMOS از همان فناوری ساخت تراشه های الکترونیکی و ریزپردازنده ها استفاده می کنند. این فناوری از ترانزیستورهای نوع p و n استفاده می کند و مصرف انرژی بسیار کمی دارد.

نحوه کار CMOS: هر پیکسل CMOS یک فتودیود همراه با چند ترانزیستور دارد که وظیفه تنظیم مجدد پیکسل، تبدیل بار به ولتاژ، تقویت و انتخاب پیکسل برای خوانش را بر عهده دارند. به این نوع حسگر، حسگر پیکسل فعال گفته می شود. برخلاف CCD، بار هر پیکسل در همان پیکسل به ولتاژ تبدیل می شود و سیگنال ها از طریق مدارهای انتخاب ردیف و ستون خوانده می شوند. مبدل های آنالوگ به دیجیتال نیز روی همان تراشه قرار دارند.

یکی از عناصر کلیدی در حسگرهای CMOS پیشرفته، فتودیود پین شده است که نویز کم، جریان تاریک کم و بازده کوانتومی بالا دارد.

مزایا:

• سرعت بالا: چون هر پیکسل تقویت کننده خود را دارد و پیکسل ها را می توان موازی خواند.

• مصرف انرژی بسیار کم

• امکان قرار دادن مدارهای کنترل، مبدل و پردازش روی همان تراشه

• ابعاد کوچک و هزینه کمتر

• نویز کمتر در مسیر انتقال سیگنال، چون تبدیل سیگنال روی همان تراشه انجام می شود.

محدودیت ها:

• در برخی انواع، یکنواختی کمتر بین پیکسل ها که به آن نویز الگوی ثابت گفته می شود و با نرم افزار اصلاح می شود.

کاربرد: حسگرهای CMOS امروزه در بسیاری از اسپکتروفتومترها و طیف سنج های آرایه ای جایگزین CCD شده اند. اسپکتروفتومترهای بلورآزما نیز از آشکارساز آرایه ای CMOS استفاده می کنند. برای آشنایی کامل، مقاله سنسور CMOS را بخوانید.

۵. آشکارسازهای فروسرخ نزدیک

سیلیکون نور با طول موج بیشتر از حدود ۱۱۰۰ نانومتر را آشکار نمی کند. برای ناحیه فروسرخ نزدیک، از آشکارسازهای ساخته شده از نیمه رساناهایی با گاف انرژی کمتر استفاده می شود:

• ایندیم گالیم آرسنید (InGaAs): رایج ترین آشکارساز فروسرخ نزدیک، حساس در حدود ۹۰۰ تا ۱۷۰۰ نانومتر و در انواع ویژه تا ۲۵۰۰ نانومتر. به صورت تکی و آرایه ای عرضه می شود و برای کاهش نویز معمولا خنک می شود.

• سولفید سرب (PbS): در اسپکتروفتومترهای UV-Vis-NIR اسکن کننده برای ناحیه فروسرخ نزدیک تا حدود ۳۰۰۰ نانومتر استفاده می شود.

۶. آشکارسازهای فروسرخ میانی (FTIR)

در طیف سنج های FTIR، آشکارساز شدت نور خروجی از تداخل سنج را اندازه گیری می کند. برای آشنایی با این دستگاه ها، مقاله طیف سنجی فروسرخ را بخوانید. دو گروه اصلی آشکارسازهای فروسرخ میانی عبارت اند از:

آشکارسازهای حرارتی

در آشکارسازهای حرارتی، خود عنصر آشکارساز تابش فروسرخ را جذب کرده و کمی گرم می شود. این تغییر دما به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. رایج ترین نوع در FTIR، آشکارساز پیروالکتریک DTGS است که با تغییر دما، بار الکتریکی روی سطح آن ایجاد می شود.

• مزایا: کار در دمای اتاق بدون نیاز به خنک سازی، پاسخ یکنواخت در محدوده گسترده طول موج و قیمت مناسب

• محدودیت: حساسیت و سرعت کمتر

آشکارسازهای فوتونی

در آشکارسازهای فوتونی، فوتون فروسرخ مستقیما یک الکترون را از نوار ظرفیت به نوار رسانش نیمه رسانا منتقل می کند. این آشکارسازها دو نوع دارند:

• فوتورسانا: با جذب نور، تعداد حامل های بار و در نتیجه رسانایی ماده افزایش می یابد و این تغییر اندازه گیری می شود.

• فوتوولتائیک: جذب نور در یک پیوند نیمه رسانا مستقیما جریان یا ولتاژ ایجاد می کند.

رایج ترین آشکارساز فوتونی در FTIR، تلورید کادمیوم جیوه (MCT) است. آنتیمونید ایندیم (InSb) نیز استفاده می شود.

• مزایا: حساسیت و سرعت بسیار بیشتر از آشکارسازهای حرارتی؛ مناسب برای میکروسکوپ فروسرخ و اندازه گیری های سریع

• محدودیت: نیاز به خنک سازی تا دمای بسیار پایین، معمولا با نیتروژن مایع، چون گاف انرژی این مواد بسیار کم است و در دمای اتاق، گرما به تنهایی حامل های بار زیادی ایجاد می کند.

انتخاب آشکارساز بر اساس کاربرد

سوالات متداول

آشکارساز اسپکتروفتومتر چیست؟

حسگری که شدت نور عبوری یا بازتابی از نمونه را در طول موج های مختلف اندازه گیری کرده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.

حساس ترین آشکارساز اسپکتروفتومتر کدام است؟

لوله فتومولتی پلایر (PMT) که با تقویت میلیون ها برابری، حتی تک فوتون ها را تشخیص می دهد.

تفاوت CCD و CMOS چیست؟

در CCD بارها به یک خروجی مشترک منتقل و آنجا خوانده می شوند، اما در CMOS بار هر پیکسل در همان پیکسل به ولتاژ تبدیل می شود. CMOS سریع تر و کم مصرف تر است و CCD معمولا نویز کمتری دارد.

چرا آشکارساز MCT باید خنک شود؟

چون گاف انرژی آن بسیار کم است و در دمای اتاق، گرما به تنهایی حامل های بار زیادی تولید می کند که نویز را به شدت افزایش می دهد.

اسپکتروفتومترهای بلورآزما از چه آشکارسازی استفاده می کنند؟

از آشکارساز آرایه ای CMOS که کل طیف را همزمان و بدون نیاز به اسکن مکانیکی ثبت می کند.

جمع بندی

آشکارساز یکی از مهم ترین اجزای اسپکتروفتومتر است که حساسیت، دقت، سرعت و محدوده طول موج دستگاه را تعیین می کند. آشکارسازها به دو گروه تکی و آرایه ای تقسیم می شوند. لوله فتومولتی پلایر حساس ترین آشکارساز تکی است و برای نورهای ضعیف و فلورسانس استفاده می شود. آرایه های دیودی، CCD و CMOS کل طیف را همزمان ثبت می کنند؛ آرایه دیودی در HPLC، CCD در رامان و نورهای ضعیف و CMOS در اسپکتروفتومترهای آرایه ای امروزی رایج هستند. برای ناحیه فروسرخ نزدیک از InGaAs و برای FTIR از آشکارسازهای حرارتی DTGS یا فوتونی MCT استفاده می شود. انتخاب آشکارساز مناسب به حساسیت مورد نیاز، محدوده طول موج، سرعت و هزینه بستگی دارد.

برای آشنایی با اسپکتروفتومترهای بلورآزما، به بخش محصولات مراجعه کنید.

منابع

• J. R. Janesick, Scientific Charge-Coupled Devices, SPIE Press

• E. R. Fossum, Active Pixel Sensors: Are CCDs Dinosaurs?, Proc. SPIE 1900, 1993

• E. R. Fossum and D. B. Hondongwa, A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors, IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2014