اسپکترومتر ، که با نام اسپکترومتر یا طیف سنج نیز شناخته می شود، برای اندازه گیری طول موج نور در طیف بزرگ از امواج الکترومغناطیسی به کار می رود ، اغلب کاربر ها و خریداران اسپکترومتر را با اسپکتروفتومتر اشتباه می گیرند که در ادامه مقاله کامل به دستگاه اسپکترومتر پرداخته ایم .

تعریف دستگاه اسپکترومتر

دستگاه اسپکترومتر (یا طیف سنج) ابزاری است که یک مشخصه فیزیکی را با جداسازی به اجزای تشکیل دهنده آن، با دستگاه اسپکترومتر اندازه گیری می کند.

در گسترده‌ ترین مفهوم، طیف سنج یا دستگاه اسپکترومتر به هر ابزاری گفته می‌شود که برای اندازه‌ گیری تغییرات یک مشخصه فیزیکی در یک محدوده معین، یعنی یک طیف، استفاده می‌شود و مطالعه این داده ها به عنوان علم طیف سنجی شناخته می شود.

در این مقاله قصد داریم که انواع کلی دستگاه اسپکترومتر را برحسب مشخصه ای که تفکیک می کنند ، شرح دهیم.

شناخت انواع اسپکترومتر و نوع کاربرد هرکدام کمک می کند که در هنگام انتخاب یا خرید دستگاه دقت لازم را داشته باشیم و بتوانیم مناسب ترین نوع را متناسب با کاربرد خاص پیدا کنیم ، با ما همراه باشید.

انواع دستگاه اسپکترومتر (طیف سنج) برحسب مشخصه اندازه گیری

طیف های حاصل از دستگاه اسپکترومتر، برحسب مشخصه ای که اندازه گیری می شود، می توانند انواع مختلفی داشته باشند:

• یک طیف نسبت جرم به بار، در یک طیف سنج جرمی
• تغییر فرکانس های تشدید هسته ای، در یک طیف سنج NMR
• تغییر در جذب و گسیل نور با طول موج، در یک طیف سنج نوری

همانطور که در بالا نیز به آن اشاره شد، معمولا کلمه اسپکترومتر ، به عنوان اسپکترومتر نوری شناخته شده تر هست ، اما در ادامه خواهیم دید که انواع مختلف دستگاه اسپکترومتر، ویژگی های متفاوتی از مواد را اندازه گیری می کنند و بر این اساس، انواع گوناگونی دارند:

1. طیف سنج های نوری (اسپکتروفتومتر)
2. طیف سنج های جرمی
3. طیف سنج های رزونانس مغناطیسی هسته
4. طیف سنج های الکترونی
5. طیف سنج های اشعه ایکس

دستگاه اسپکترومتر نوری (اسپکتروفوتومتر)

قدیمی‌ ترین و رایج‌ ترین نوع دستگاه اسپکترومتر، اسپکتروفوتومتر (یا طیف سنج نوری) است که ویژگی‌ های نوری مواد را در محدوده مشخصی از طیف امواج الکترومغناطیسی اندازه‌ گیری می‌کند.

فیزیک عملکردی این نوع اسپکترومتر بر این اساس است که با برهمکنش نور با ماده (اتم یا مولکول)، تغییراتی در انرژی الکترون های موجود در آنها اتفاق می افتد و به عبارتی دیگر، با جذب نور توسط یک مولکول، الکترون ­های آن پر انرژی تر شده و به حالت ناپایداری می رسند و برای پایداری و رسیدن به تعادل، معمولاً پس از کسر زمانی بسیار کوتاه، انرژی دریافتی را گسیل می کنند (در صورت یونیزه نشدن). با بررسی و آنالیز این بخش گسیل یافته توسط دستگاه اسپکترومتر، برخی از مشخصات مولکول تعیین می گردد.

مواد مختلف، بسته به آرایش الکترونی و شرایط محیطی دیگر، طیف مختلفی از امواج الکترومغناطیسی یا نور را جذب یا گسیل می کنند و از این رو، دستگاه اسپکترومتر که برای آنالیز آنها به کار می روند، بسته به کاربرد و مواد مورد آنالیز معمولاً با محدوده طیف الکترومغناطیسی که می توانند آنالیز انجام دهند، تعریف می ‌شوند.

برخی از طیف های عملکردی دستگاه اسپکترومتر نوری عبارتند از:

1. UV
2. Visable
3. UV-Visable
4. IR
5. NIR
6. MIR
7. Vis-NIR
8. UV-Vis-NIR

امروزه اسپکترومتر های  UV-Vis-NIR، با توجه به کاربرد های بسیاری که در زمینه‌ های مختلف علمی و صنعتی دارند، از جایگاه ویژه ای برخوردار هستند زیرا این گروه از اسپکترومتر ها، بازه وسیعی از نواحی طیفی فرابنفش، مرئی و فروسرخ نزدیک را به طور همزمان پوشش می دهند و بنابراین، آنالیز گسترده تری از مواد را نیز ارائه خواهند داد و برای کاربرد های تحقیقاتی گسترده بسیار مناسب هستند.

انواع اسپکترومتر نوری

هدف عملکردی هر دستگاه اسپکتروفتومتر ، اندازه گیری و ثبت مشخصات امواج الکترومغناطیسی برهمکنش کننده با ماده نمونه مورد آنالیز (در فرایند های جذب و عبور، انعکاس، پراکندگی) و یا بررسی تابش الکترومغناطیسی گسیل یافته از یک نمونه (در فرایند های فلورسانس و فسفرسانس) و آنالیز آنها می باشد.

همچنین این نوع از دستگاه اسپکترومتر، می ‌توانند بر اساس طراحی اپتیکی مکانیکی آنها و کاربرد مورد نظر یا ویژگی ‌های خاصی که ارائه می ‌دهند نیز متمایز شوند. یکی از این دسته بندی ها بر اساس تعداد مسیر نوری است که به دو دسته زیر تقسیم می شوند:

• تک پرتو
• دو پرتو

در اسپکترومتر نوری نوع تک پرتو، نور ورودی از منبع، تنها یک مسیر مستقیم را تا آشکارساز طی می کند و بنابراین در این نوع سیستم، نور از شدت خوبی برخوردار است.

در اسپکترومتر نوع دو پرتو، نور پیش از اینکه با ماده مورد آنالیز برهمکنشی داشته باشد، به دو پرتو مجزا تقسیم می شود و یکی از پرتو ها از ماده نمونه عبور کرده و سپس به آشکارساز می رسد. اما پرتو دوم، بدون هیچگونه برهمکنشی آشکارسازی می شود تا شدت نور کنترل گردد.

اسپکترومتر نوری در بسیاری از حوزه ها، از جمله در تحقیقات و بخش های تولید جهت اندازه‌گیری رنگ، آنالیز شیمیایی و کنترل کیفیت، آزمایش های دارویی، چک‌ آپ پزشکی، مشاهده رشد گیاهان، آزمایش دستگاه‌ های ساطع کننده نور، کنترل مواد غذایی و نوشیدنی ها، اندازه‌گیری میزان آلودگی، درجه بندی محصولات و غیره به کار می روند.

و در حال حاضر نیز دستگاه اسپکترومتر به طور فزاینده‌ ای در مراحل کنترل فرآیند، به عنوان مثال در صنایع نفت و پتروشیمی، آب و فاضلاب، کارخانجات رنگرزی، کارخانه های شیمیایی، صنایع نیمه هادی و فرآیند های آبکاری الکتریکی، جهت آنالیز در زمان واقعی و در محل فرایند مورد استفاده قرار می گیرند.

😍 برای اطلاعات بیشتر در مورد اسپکترومتر های نوری، می توانید "مقاله اجزای اصلی طیف سنج های نوری چه قطعاتی هستند" را مطالعه بفرمایید و یا به بخش محصولات مراجعه نمایید.

طیف سنج یا دستگاه اسپکترومتر جرمی

طیف سنج یا اسکترومتر جرمی، همانطور که از نام آن پیداست، برای آنالیز های جرمی استفاده می شود و طیف هایی تولید می کند که شدت را بر حسب تابعی از نسبت جرم به بار نشان می دهد.

مکانیزم کلی این نوع اسپکترومتر به این شکل است که ابتدا از طریق یونیزه کردن نمونه مورد آزمایش و تأمین انرژی جنبشی یون ها، از طریق میدان مغناطیسی (و میدان الکتریکی) به سمت سیستم آشکارسازی هدایت می شوند و بسته به نوع کاربرد و مشخصات طیف سنج، ساختار مسیر عبوری یون ها می تواند متفاوت و یا پیچیده باشد.

میزان انحراف یون هایی که نسبت جرم به بار کمتری دارند، بیشتر است و در مقابل، آنهایی که نسبت بالاتری دارند، کمتر منحرف می شوند و بنابراین تفکیک جرمی بدین شکل انجام می شود.

با تغییر در اندازه میدان مغناطیسی، یون‌ هایی با نسبت جرم به بار متفاوت، به سمت سیستم آشکارساز منحرف می‌ شوند و باری متناسب با تعداد یون‌ ها تولید می‌ کنند. با داشتن طیف حاصل، می توان از آن برای تعیین فراوانی نسبی ایزوتوپ های یک اتم، شناسایی ترکیبات شیمیایی یا استنتاج ساختار یک مولکول یا اتم خاص استفاده کرد.

دستگاه اسپکترومتر جرمی در عین اینکه تنها به مقادیر بسیاری کمی از نمونه (در حد نانو مول) برای آنالیز نیاز دارند، کاربرد های وسیعی برای شناسایی، تعیین خصوصیات، تأیید و تعیین کمیت مولکول‌ ها و اتم های کوچک تا بزرگ‌ دارند.

برای اطلاعات بیشتر در مورد انواع دستگاه اسپکترومتر جرمی، می توانید به مقاله "طیف سنجی جرمی چیست؟" مراجعه کنید.💐

طیف سنج رزونانس مغناطیسی هسته (NMR)

طیف ‌سنج‌ رزونانس مغناطیسی هسته‌ ای، یکی دیگر از از انواع دستگاه اسپکترومتر است که عمدتاً در شیمی آلی و بیوشیمی، برای به دست آوردن اطلاعات در مورد ساختار و ترکیب مولکول‌ ها و اتم ها استفاده می‌ شود.

در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی، برخی از هسته های اتم ها مانند آهنربا عمل می کنند و طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته تکنیکی برای مشاهده میدان‌ های مغناطیسی موضعی در اطراف این هسته ‌های اتمی است.

این تکنیک طیف سنجی بر اساس اندازه گیری جذب تابش امواج الکترومغناطیسی در ناحیه فرکانس رادیویی از حدود 4 تا 900 مگاهرتز عمل می کند.

جذب امواج رادیویی در حضور میدان مغناطیسی، با نوع خاصی از گذار هسته ای (از طریق فرایند تشدید) همراه است و به همین دلیل این نوع دستگاه اسپکترومتر، به طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته ای معروف است.

مفهوم فیزیکی و اساسی طیف ‌سنجی NMR این است که هسته‌ ها بار الکتریکی مثبت دارند و همانند الکترون های یک اتم و مولکول، دارای اسپین‌ هستند.

طبق این شرایط است که میدان مغناطیسی خارجی، با تحریک این اسپین ها امکان ایجاد گذار انرژی را فراهم می کند.

با هدایت طیف وسیعی از فرکانس‌ های امواج رادیویی به نمونه، هسته‌ ها در فرکانس‌ های مختلفی انرژی جذب کرده و گذار انرژی به صورت تشدیدی اتفاق می افتد.

به طور کلی، این گذار یا تغییر انرژی از سطوح انرژی پایین تر به بالاتر، معمولاً در یک مرحله مستقیم و سریع انجام می شود.

فرکانس رادیویی تشدید که برای جذب انرژی در هسته ها ضروری است، به دو عامل مهم و اساسی بستگی دارد (که مشخصه های نوع هسته هستند):

• محیط شیمیایی که هسته ها در آن قرار دارند (مثلاً تعداد هسته ها، اتم های نزدیک به آنها و مکان هسته ها در میدان)
• بزرگی میدان مغناطیسی اعمال شده

با بازگشت هسته به موقعیت پایه خود، انتشار انرژی در همان فرکانس رخ می دهد. این گذار انرژی، با یک سیگنال مطابقت دارد و با خوانش آن به روش‌ های مختلفی برای پردازش و تبدیل آن در قالب طیف NMR هسته مربوطه شناسایی می‌ شود.

سه مرحله متوالی طیف سنجی NMR

به طور کلی، طیف سنجی NMR شامل سه مرحله متوالی است:

1. هم ترازی (پلاریزاسیون) اسپین های هسته ای مغناطیسی در میدان مغناطیسی اعمال شده و ثابت
2. اغتشاش تراز اسپین های هسته ای توسط یک میدان مغناطیسی نوسانی ضعیف (معمولاً به عنوان پالس فرکانس رادیویی)
3. تشخیص و آنالیز امواج الکترومغناطیسی ساطع شده از هسته های نمونه در نتیجه این اغتشاش

شدت سیگنال NMR متناسب با تعداد هسته های درگیر در هر فرکانس تشدید است و محیط شیمیایی هسته های معمولی را می توان از اطلاعات بدست آمده با استفاده از طیف سنجی NMR ترسیم کرد.

شماتیک کلی از مکانیزم اسپکترومتر رزونانس مغناطیسی هسته :

جدا از ساختار مولکولی، طیف‌سنجی NMR می‌تواند تغییرات فاز، تغییرات ساختاری و پیکربندی، حلالیت و پتانسیل انتشار را نیز تعیین کند.

اسپکترومتر الکترونی

از بین دسته های مختلف دستگاه اسپکترومتر، طیف ‌سنج الکترونی به گروهی از تکنیک ها اطلاق می ‌شود که برای مطالعه خواص و رفتار الکترون ‌ها استفاده می ‌شوند و مبتنی بر آنالیز انرژی جنبشی یا تکانه‌ الکترون‌های ساطع شده از ماده هستند.

در این نوع دستگاه اسپکترومتر، بسته به تکنیک و طراحی سیستمی، تابش ذرات پرانرژی مانند فوتون های اشعه ایکس، الکترون های پرتو الکترونی یا فوتون های تابش فرابنفش به ماده نمونه، باعث گسیل شدن الکترون ها و فوتوالکترون های اوژه می شود.

این تکنیک ها، برای شناسایی و تعیین عناصر و ساختار های الکترونی سطح نمونه های آزمایشی استفاده می شوند که نمونه ها می توانند جامد، گاز یا مایع باشند. اطلاعات شیمیایی فقط از بالاترین لایه‌ های اتمی نمونه (عمق 10 نانومتر یا کمتر) به دست می‌ آید، زیرا انرژی الکترون‌ های اوژه و فوتو الکترون‌ ها بسیار کم است (eV 20-2000) و به همین دلیل، اسپکترومتر الکترونی بعنوان تکنیکی برای آنالیزهای شیمیایی سطحی در نظر گرفته می شود.

اسپکترومتر ‌های الکترونی در طیف وسیعی از تجهیزات علمی، از جمله شتاب‌ دهنده ‌های ذرات، میکروسکوپ ‌های الکترونی عبوری و ماهواره‌ های نجومی استفاده می‌ شوند.

انواع طیف ‌سنج الکترونی

جذب فوتون توسط ماده، باعث افزایش انرژی آن و در نتیجه، گسیل الکترون می شود و حفره ای در لایه­ های الکترونی سطحی اتم ایجاد می کند. حفره ایجاد شده، به روش های مختلفی می تواند مجدداً پر شود و زمانی که یک الکترون در لایه ای با سطح انرژی بالاتر، حفره را پر کند، یک فوتون ساطع می شود و در طول این فرایند، پرتوهای مشخصه متفاوتی تشکیل می شود که برای هر عنصر منحصر به فرد است.

دستگاه اسپکترومتر الکترونی انواع مختلفی دارد که هر کدام اصول عملکرد و کاربردهای خاص خود را دارند. در اینجا چند نوع رایج ذکر شده است:

اسپکترومتر آنالایزر انرژی

توزیع انرژی جنبشی الکترون ها را در یک محدوده انرژی خاص اندازه گیری می کند و از تکنیک های مختلفی مانند عدسی های الکترونی، میدان های مغناطیسی یا الکتریکی برای جداسازی و آنالیز انرژی الکترون ها استفاده می کند.

اسپکترومتر اتلاف انرژی الکترون (EELS)

این اسپکترومتر معمولاً به عنوان بخشی از یک میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) برای بررسی اتلاف انرژی الکترون ‌ها، در هنگام برهمکنش آنها با یک نمونه به کار می رود و اطلاعات مفیدی در مورد ترکیب نمونه، تحریکات الکترونیکی و ساختار الکترونی ارائه می دهد.

اسپکترومتر فوتوالکترون

انتشار الکترون ها را از سطح یک ماده که توسط فوتون های فرودی (معمولاً نور فرابنفش یا اشعه ایکس) القا می‌شوند، مطالعه می‌کنند. آنها انرژی جنبشی و تکانه فوتو الکترون ها را اندازه گیری می کنند تا اطلاعات ارزشمندی در مورد ساختار الکترونیکی مواد، انرژی های پیوندی و ترکیب شیمیایی ارائه دهند.

اسپکترومتر الکترونی اوژه (AES)

این نوع دستگاه اسپکترومتر برای تجزیه و تحلیل عناصر و ترکیبات شیمیایی سطحی یک ماده استفاده می شود که شامل تشخیص وآنالیز الکترون های اوژه است که پس از یونیزه شدن اتم ها و تحت فرآیند آرام سازی، ساطع می ‌شوند.

😍پیشنهاد می کنیم که برای اطلاعات جامع تر مقاله "طیف سنجی الکترونی چیست؟" را مطالعه بفرمایید.

اسپکترومتر اشعه ایکس

نوع پرکاربرد دیگر دستگاه اسپکترومتر، طیف سنج مبتنی بر پراش اشعه ایکس توسط مواد کریستالی (کریستالوگرافی اشعه ایکس) است که شناسایی ساختار بلور، جهت گیری سطوح اتمی در مواد و سایر اطلاعات فیزیکی و پزشکی در مورد نمونه ها را فراهم می کند.

یکی از کاربرد های این دستگاه اسپکترومتر، علم نجوم است زیرا از از طریق پرتو های ایکس می توان برای مطالعه کیهان استفاده کرد و این تکنیک طیف سنجی کمک بسیاری به شناخت دنیای خارج از جو زمین کرده است.

با تاباندن پرتوی پر انرژی از ذرات باردار مانند الکترون ها، پروتون ها یا پرتوی از اشعه ایکس، اتم ها را می توان برانگیخت و هنگامی که یک الکترون از پوسته داخلی یک اتم، با جذب انرژی بالا برانگیخته می شود، به سطح انرژی بالاتری که ناپایدار است، حرکت می کند. هنگامی که به سطح انرژی پایین باز می گردد، انرژی که قبلاً در اثر تحریک به دست آورده بود، به صورت فوتونی ساطع می شود که دارای طول موجی در محدوده طیفی اشعه ایکس است.

با آنالیز طیف ایکس حاصل که مشخصه عنصر مورد نظر است، اطلاعات ارشمندی پیرامون ساختار اتمی بدست می آید و لازم به ذکر است که هر عنصر می تواند چندین طول موج مشخصه داشته باشد.

روش تولید پرتو های ایکس

پرتو های ایکس به عنوان منابع نوری این نوع اسپکترومتر، به روش های مختلفی تولید می‌ شوند که هرکدام از آنها بسته به کاربرد مورد استفاده قرار می گیرند:

• کاهش سرعت الکترون ‌ها در ماده
• گذار های الکترونی نزدیک­ترین الکترون‌ ها به هسته­ داخلی
• استفاده از ایزوتوپ ­های رادیواکتیو
• از طریق بمباران ذرات آلفا یا سایر ذرات سنگین

مکانیزم عملکرد اسپکترومتر اشعه ایکس

به طو کلی، بخش های اصلی ابزار دقیق طیف سنج های اشعه ایکس شامل منبع نوری، انتخابگر طول موج (یا انرژی) و آشکارساز هستند و اجزای اصلی انواع مختلف دستگاه اسپکترومتر اشعه ایکس تقریباً در تمامی روش ها مشابه است، اما سیستم نوری برای هر کدام متفاوت خواهد بود که در بخش قبل توضیح داده شد.

این نوع از طیف سنج ها، بر اساس نوع انتخابگر، به دو دسته تقسیم می شوند:

اسپکترومتر اشعه ایکس مبتنی بر تفکیک انرژی

در این نوع، یک آشکارساز نیمه هادی انرژی فوتون های ورودی را اندازه گیری می کند و به طور گسترده در میکروسکوپ های الکترونی (که در آن تصویربرداری به جای طیف سنجی وظیفه اصلی است) استفاده می شود.

اسپکترومتر اشعه ایکس مبتنی بر پراکندگی طول موج

در این مدل ها، یک کریستال منفرد، فوتون ‌ها را طبق قانون براگ پراش می ‌کند و سپس توسط آشکارساز جمع‌ آوری می ‌شوند و با جابجایی کریستال پراش و آشکارساز نسبت به یکدیگر، می توان ناحیه وسیعی از طیف را آنالیز کرد.

فرایند های آنالیز اشعه ایکس نیز می تواند طی فرایند های مختلفی مورد ارزیابی قرار بگیرد:

• فرآیند جذب اشعه ایکس
• فرآیند فلورسانس اشعه ایکس
• فرآیند پراش اشعه ایکس

خلاصه کلی

اصطلاح دستگاه اسپکترومتر (طیف سنج)، یک عبارت کلی است و همانطور که در بالا مشاهده کردید، شامل حوزه های مختلفی می شود.

در این مقاله، به تعریف کلی دستگاه اسپکترومتر (طیف سنج) پرداختیم و پنج نوع کلی آنها را عنوان کردیم و طرز کار کلی هر نوع به صورت جزئی شرح داده شد.

و در آخر به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما را مشاهده کنید از جمله اسپکترومتر بلورآزما و در صورت نیاز، می توانید کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود نمایید.🌹

منتظر نظرات شما هستیم، تیم بلورآزما🌼

منابع و مراجع

doi org-1

doi org-2

wikipedia