اسپکترومتر (طیف سنج) چیست؟ معرفی ۵ نوع دستگاه اسپکترومتر

اسپکترومتر که به آن طیف سنج نیز گفته می شود، دستگاهی است که یک ویژگی فیزیکی را به اجزای تشکیل دهنده آن تفکیک کرده و شدت هر جزء را اندازه گیری می کند. رایج ترین نوع آن، اسپکترومتر نوری است که نور را به طول موج های مختلف تفکیک می کند و شدت هر طول موج را در محدوده گسترده ای از امواج الکترومغناطیسی اندازه گیری می کند.

بسیاری از کاربران و خریداران، اسپکترومتر را با اسپکتروفتومتر اشتباه می گیرند. در این مقاله به طور کامل با دستگاه اسپکترومتر، انواع آن و کاربرد هر نوع آشنا می شوید. برای مقایسه دقیق این دو دستگاه، مقاله تفاوت اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر را بخوانید.

اسپکترومتری چیست؟

اسپکترومتری یا طیف سنجی علم مطالعه مواد از طریق بررسی طیف آنهاست. طیف نشان می دهد یک ویژگی فیزیکی، مانند شدت نور، فراوانی یون ها یا جذب امواج رادیویی، چگونه با یک متغیر مانند طول موج، فرکانس، انرژی یا نسبت جرم به بار تغییر می کند. با تحلیل طیف یک ماده می توان ترکیب، ساختار و غلظت اجزای آن را تعیین کرد. اسپکترومتری یکی از بنیادی ترین روش های آنالیز در شیمی، فیزیک، زیست شناسی، پزشکی و صنعت است.

تعریف دستگاه اسپکترومتر

دستگاه اسپکترومتر یا طیف سنج، ابزاری است که یک ویژگی فیزیکی را با جداسازی آن به اجزای تشکیل دهنده اندازه گیری می کند. در گسترده ترین مفهوم، به هر ابزاری که تغییرات یک ویژگی فیزیکی را در یک محدوده مشخص، یعنی یک طیف، اندازه گیری کند، اسپکترومتر گفته می شود.

هر اسپکترومتر سه کار اصلی انجام می دهد:

1. یک پدیده فیزیکی را به اجزای قابل تفکیک تقسیم می کند.

2. شدت یا فراوانی هر جزء را اندازه گیری می کند.

3. نتیجه را به صورت یک طیف ثبت می کند.

شناخت انواع اسپکترومتر و کاربرد هر کدام کمک می کند هنگام انتخاب یا خرید دستگاه، مناسب ترین نوع را برای کاربرد خود پیدا کنید.

انواع دستگاه اسپکترومتر

طیف های حاصل از اسپکترومترها بسته به ویژگی ای که اندازه گیری می کنند، انواع مختلفی دارند؛ برای مثال:

• طیف شدت نور بر حسب طول موج در یک اسپکترومتر نوری

• طیف فراوانی یون ها بر حسب نسبت جرم به بار در یک اسپکترومتر جرمی

• طیف فرکانس های تشدید هسته ای در یک اسپکترومتر NMR

بر این اساس، پنج نوع اصلی اسپکترومتر عبارت اند از:

در زبان روزمره، منظور از اسپکترومتر معمولا اسپکترومتر نوری است.

۱. اسپکترومتر نوری (طیف سنج نوری)

اسپکترومتر نوری قدیمی ترین و رایج ترین نوع اسپکترومتر است. این دستگاه نوری را که به آن می رسد، به طول موج های مختلف تفکیک کرده و شدت هر طول موج را اندازه گیری می کند.

اسپکترومتر نوری چگونه کار می کند؟

1. نور از طریق یک فیبر نوری یا عدسی وارد شکاف ورودی می شود.

2. یک آینه نور را موازی کرده و به یک توری پراش می فرستد.

3. توری پراش نور را به طول موج های مختلف تفکیک می کند؛ هر طول موج با زاویه متفاوتی پخش می شود.

4. آینه دوم طول موج های تفکیک شده را روی یک آشکارساز آرایه ای CCD یا CMOS متمرکز می کند.

5. آشکارساز شدت همه طول موج ها را همزمان اندازه گیری می کند و نرم افزار طیف را نمایش می دهد.

برای آشنایی دقیق با این قطعات، مقاله اجزای طیف سنج نوری را بخوانید.

اسپکترومتر نوری چه اطلاعاتی می دهد؟

وقتی نور با ماده برهمکنش می کند، ماده بسته به ساختار اتمی و مولکولی خود، طول موج های مشخصی را جذب، عبور، بازتاب، پراکنده یا گسیل می کند. اسپکترومتر نوری با ثبت طیف نوری که از نمونه عبور کرده، بازتاب شده یا از آن گسیل شده است، اطلاعاتی درباره ترکیب و غلظت ماده ارائه می دهد. بر همین اساس، اسپکترومتر نوری پایه روش های مختلفی است:

• طیف سنجی جذبی: با اضافه کردن منبع نور و نگهدارنده نمونه، یک اسپکتروفتومتر ساخته می شود که جذب نور توسط نمونه را اندازه گیری می کند.

• طیف سنجی بازتابی: برای اندازه گیری رنگ و بازتاب سطوح

• طیف سنجی نشری: برای تحلیل نور گسیل شده از شعله، جرقه یا پلاسما

• طیف سنجی فلورسانس و رامان

• اندازه گیری منابع نور: مانند لامپ ها، LEDها و لیزرها

محدوده های طیفی اسپکترومتر نوری

اسپکترومترهای نوری معمولا با محدوده طول موجی که پوشش می دهند، شناخته می شوند:

• UV: فرابنفش

• Vis: مرئی

• UV-Vis: فرابنفش و مرئی

• NIR: فروسرخ نزدیک

• MIR: فروسرخ میانی

• Vis-NIR: مرئی و فروسرخ نزدیک

• UV-Vis-NIR: فرابنفش، مرئی و فروسرخ نزدیک

اسپکترومترهای UV-Vis-NIR به دلیل پوشش همزمان سه ناحیه طیفی، امکان آنالیز گسترده تری از مواد را فراهم می کنند و برای کاربردهای پژوهشی و صنعتی متنوع بسیار مناسب هستند.

اسپکترومتر نوری و اسپکتروفتومتر

اسپکترومتر نوری فقط نوری را که به آن می رسد تحلیل می کند و منبع نور و محفظه نمونه ندارد. اسپکتروفتومتر یک دستگاه کامل با منبع نور، محفظه نمونه و یک اسپکترومتر داخلی است که جذب یا عبور نور توسط نمونه را نسبت به یک مرجع اندازه گیری می کند. اسپکتروفتومترها بر اساس مسیر نوری به دو نوع تک پرتو و دو پرتو تقسیم می شوند که در مقاله تفاوت اسپکتروفتومتر تک پرتو و دو پرتو توضیح داده شده است.

کاربردهای اسپکترومتر نوری

• آنالیز شیمیایی و کنترل کیفیت در آزمایشگاه ها و کارخانه ها

• اندازه گیری رنگ در صنایع رنگ، نساجی، پلاستیک و غذایی

• صنایع دارویی و آزمایشگاه های پزشکی

• کشاورزی: بررسی رشد و سلامت گیاهان

• آزمایش منابع نور مانند LEDها، لامپ ها و لیزرها

• پایش آلودگی و آنالیز آب و فاضلاب

• پایش آنلاین فرایندها در صنایع نفت و پتروشیمی، آب و فاضلاب، رنگرزی، صنایع شیمیایی، نیمه رسانا و آبکاری

• اخترشناسی: تعیین ترکیب، دما و سرعت ستارگان

۲. اسپکترومتر جرمی (طیف سنج جرمی)

اسپکترومتر جرمی طیفی تولید می کند که فراوانی یون ها را بر حسب نسبت جرم به بار (m/z) نشان می دهد.

نحوه کار آن به این صورت است:

1. نمونه یونیزه می شود.

2. یون ها با یک میدان الکتریکی شتاب می گیرند.

3. یون ها در میدان های مغناطیسی یا الکتریکی بر اساس m/z جدا می شوند. یون های با m/z کمتر بیشتر منحرف می شوند.

4. یون ها به آشکارساز می رسند و سیگنالی متناسب با تعداد آنها ایجاد می کنند.

از طیف جرمی برای شناسایی ترکیبات شیمیایی، تعیین ساختار مولکول ها و اندازه گیری فراوانی ایزوتوپ ها استفاده می شود. اسپکترومترهای جرمی به مقدار بسیار کمی از نمونه نیاز دارند و در داروسازی، پزشکی، محیط زیست، صنایع غذایی و پزشکی قانونی کاربرد گسترده ای دارند. برای اطلاعات کامل، مقاله طیف سنجی جرمی را بخوانید.

۳. اسپکترومتر رزونانس مغناطیسی هسته (NMR)

اسپکترومتر NMR عمدتا در شیمی آلی و بیوشیمی برای تعیین ساختار مولکول ها استفاده می شود.

برخی هسته های اتم، مانند هیدروژن ۱ و کربن ۱۳، ویژگی ای به نام اسپین هسته ای دارند و در میدان مغناطیسی مانند آهنرباهای کوچک رفتار می کنند. البته همه هسته ها این ویژگی را ندارند؛ برای مثال کربن ۱۲ و اکسیژن ۱۶ اسپین هسته ای ندارند و در NMR دیده نمی شوند.

طیف سنجی NMR سه مرحله اصلی دارد:

1. هم ترازی: اسپین های هسته ای در یک میدان مغناطیسی قوی و ثابت هم راستا می شوند.

2. برانگیختگی: یک پالس امواج رادیویی اسپین ها را از حالت تعادل خارج می کند.

3. آشکارسازی: هسته ها هنگام بازگشت به تعادل، سیگنال رادیویی گسیل می کنند که ثبت و با تبدیل فوریه به طیف NMR تبدیل می شود.

فرکانس تشدید هر هسته به دو عامل بستگی دارد:

• قدرت میدان مغناطیسی دستگاه

• محیط شیمیایی هسته؛ یعنی اتم ها و پیوندهای اطراف آن

دستگاه های NMR در فرکانس هایی از چند ده مگاهرتز تا بیش از یک گیگاهرتز (برای هسته هیدروژن) کار می کنند. شدت سیگنال با تعداد هسته ها متناسب است. NMR علاوه بر ساختار مولکولی، اطلاعاتی درباره تغییرات فاز، پیکربندی مولکول ها و دینامیک آنها نیز ارائه می دهد. برای اطلاعات کامل، مقاله طیف سنجی NMR را بخوانید.

۴. اسپکترومتر الکترونی (طیف سنج الکترونی)

اسپکترومتر الکترونی به گروهی از دستگاه ها گفته می شود که انرژی جنبشی الکترون های گسیل شده از ماده را اندازه گیری می کنند. در این روش ها، نمونه با پرتو ایکس، نور فرابنفش یا پرتو الکترون بمباران می شود و الکترون هایی از اتم های سطح نمونه جدا می شوند.

چون این الکترون ها انرژی نسبتا کمی (حدود ۲۰ تا ۲۰۰۰ الکترون ولت) دارند، فقط الکترون هایی که از لایه های بسیار سطحی (عمق حدود ۱۰ نانومتر یا کمتر) گسیل می شوند، بدون اتلاف انرژی از نمونه خارج می شوند. به همین دلیل، اسپکترومترهای الکترونی ابزارهای اصلی آنالیز شیمیایی سطح هستند.

انواع اسپکترومتر الکترونی

• اسپکترومتر فوتوالکترون (XPS و UPS): الکترون هایی را که با تابش پرتو ایکس یا فرابنفش از سطح جدا می شوند، تحلیل می کند و اطلاعاتی درباره عناصر سطح، حالت شیمیایی و انرژی پیوندها ارائه می دهد.

• اسپکترومتر الکترون اوژه (AES): وقتی یک الکترون از لایه داخلی اتم جدا می شود، الکترونی از لایه بالاتر جای خالی را پر می کند و انرژی آزاد شده یا به صورت فوتون پرتو ایکس گسیل می شود یا الکترون دیگری به نام الکترون اوژه را از اتم جدا می کند. تحلیل الکترون های اوژه برای آنالیز عنصری سطح استفاده می شود.

• اسپکترومتر اتلاف انرژی الکترون (EELS): معمولا بخشی از میکروسکوپ الکترونی عبوری است و میزان انرژی از دست رفته الکترون ها هنگام عبور از نمونه را اندازه گیری می کند.

• آنالایزرهای انرژی الکترون: با استفاده از میدان های الکتریکی یا مغناطیسی، الکترون ها را بر اساس انرژی جدا می کنند و بخش اصلی همه این دستگاه ها هستند.

اسپکترومترهای الکترونی در علم مواد، صنعت نیمه رسانا، شتاب دهنده های ذرات، میکروسکوپ های الکترونی و حتی ماهواره های پژوهشی استفاده می شوند. برای اطلاعات بیشتر، مقاله طیف سنجی الکترونی را بخوانید.

۵. اسپکترومتر اشعه ایکس

اسپکترومترهای اشعه ایکس طیف پرتوهای ایکس گسیل شده یا جذب شده توسط نمونه را اندازه گیری می کنند و برای آنالیز عنصری مواد بسیار پرکاربرد هستند.

اصول کار

وقتی یک اتم با پرتو پرانرژی مانند الکترون، پروتون یا پرتو ایکس بمباران می شود، ممکن است یک الکترون از لایه داخلی اتم جدا شود. سپس الکترونی از لایه بالاتر جای خالی را پر می کند و اختلاف انرژی به صورت یک فوتون پرتو ایکس گسیل می شود. انرژی این پرتو برای هر عنصر منحصر به فرد است و به آن پرتو ایکس مشخصه گفته می شود. هر عنصر می تواند چندین خط مشخصه داشته باشد.

روش های تولید پرتو ایکس

• کاهش سرعت الکترون ها در ماده (تابش ترمزی)

• گذارهای الکترونی در لایه های داخلی اتم

• ایزوتوپ های رادیواکتیو

• بمباران با ذرات آلفا یا پروتون

برای آشنایی بیشتر با تولید پرتو ایکس، مقاله اشعه ایکس پزشکی را بخوانید.

انواع اسپکترومتر اشعه ایکس

• پاشنده انرژی (EDS): یک آشکارساز نیمه رسانا انرژی هر فوتون را مستقیما اندازه گیری می کند. این روش سریع است و به طور گسترده همراه با میکروسکوپ های الکترونی روبشی استفاده می شود.

• پاشنده طول موج (WDS): یک بلور پرتوهای ایکس را طبق قانون براگ بر اساس طول موج پراشیده می کند و با چرخاندن بلور و آشکارساز، طیف ثبت می شود. این روش تفکیک و دقت بیشتری دارد.

روش های اصلی آنالیز با اشعه ایکس

• فلورسانس اشعه ایکس (XRF): نمونه با پرتو ایکس برانگیخته شده و پرتوهای ایکس مشخصه گسیل شده از آن تحلیل می شوند. XRF برای آنالیز سریع و غیرمخرب عناصر در فلزات، آلیاژها، خاک، سیمان و معادن بسیار رایج است.

• جذب اشعه ایکس: برای بررسی ساختار الکترونی و محیط اطراف اتم ها

• پراش اشعه ایکس (XRD): برای تعیین ساختار بلوری مواد استفاده می شود. XRD در واقع یک روش پراش است و ساختار بلور را مشخص می کند، اما اغلب در کنار روش های طیف سنجی اشعه ایکس معرفی می شود.

طیف سنجی اشعه ایکس در اخترشناسی نیز کاربرد مهمی دارد و تلسکوپ های فضایی پرتو ایکس، اطلاعات ارزشمندی درباره ستارگان، سیاهچاله ها و کهکشان ها فراهم می کنند.

چگونه اسپکترومتر مناسب را انتخاب کنیم؟

• هدف آنالیز: برای آنالیز ترکیبات شیمیایی و غلظت محلول ها، اسپکترومتر نوری یا اسپکتروفتومتر؛ برای شناسایی دقیق مولکول ها، اسپکترومتر جرمی؛ برای تعیین ساختار، NMR؛ برای آنالیز سطح، اسپکترومتر الکترونی؛ و برای آنالیز عنصری فلزات و مواد، اسپکترومتر اشعه ایکس

• محدوده طیفی: در اسپکترومترهای نوری، محدوده طول موج باید ناحیه مورد نیاز کاربرد شما را پوشش دهد.

• تفکیک و حساسیت: متناسب با جزئیات مورد نیاز طیف و غلظت نمونه ها

• سرعت اندازه گیری: برای پایش آنلاین فرایندها اهمیت بیشتری دارد.

• نرم افزار و پشتیبانی

اسپکترومتر بلورآزما

بلورآزما اسپکترومتر نوری با آشکارساز آرایه ای CMOS و چیدمان اپتیکی چرنی ترنر تولید می کند که پایه اسپکتروفتومترهای AURORA و OPAL نیز هست. برای مشاهده مشخصات فنی و دانلود کاتالوگ، به صفحه اسپکترومتر بلورآزما و بخش محصولات مراجعه کنید.

سوالات متداول درباره اسپکترومتر

اسپکترومتر چیست؟

دستگاهی که یک ویژگی فیزیکی، مانند نور یا یون ها، را به اجزای تشکیل دهنده آن تفکیک کرده و شدت هر جزء را به صورت یک طیف اندازه گیری می کند.

طیف سنج با اسپکترومتر چه تفاوتی دارد؟

هیچ تفاوتی ندارند؛ طیف سنج معادل فارسی اسپکترومتر است.

اسپکترومتری چیست؟

علم مطالعه مواد از طریق بررسی طیف آنها که برای تعیین ترکیب، ساختار و غلظت مواد استفاده می شود.

انواع اسپکترومتر کدام اند؟

اسپکترومتر نوری، جرمی، رزونانس مغناطیسی هسته (NMR)، الکترونی و اشعه ایکس.

تفاوت اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر چیست؟

اسپکترومتر طیف نوری را که به آن می رسد اندازه گیری می کند، اما اسپکتروفتومتر منبع نور و محفظه نمونه دارد و جذب یا عبور نور توسط نمونه را نسبت به یک مرجع اندازه گیری می کند.

جمع بندی

اسپکترومتر یا طیف سنج، اصطلاحی کلی برای دستگاه هایی است که یک ویژگی فیزیکی را به اجزای آن تفکیک کرده و به صورت طیف اندازه گیری می کنند. پنج نوع اصلی اسپکترومتر عبارت اند از: اسپکترومتر نوری که نور را بر اساس طول موج تفکیک می کند و رایج ترین نوع است؛ اسپکترومتر جرمی که یون ها را بر اساس نسبت جرم به بار جدا می کند؛ اسپکترومتر NMR که ساختار مولکول ها را از روی رفتار هسته ها در میدان مغناطیسی تعیین می کند؛ اسپکترومتر الکترونی که برای آنالیز سطح مواد استفاده می شود؛ و اسپکترومتر اشعه ایکس که برای آنالیز عنصری به کار می رود. انتخاب نوع مناسب به هدف آنالیز، نوع نمونه و اطلاعات مورد نیاز بستگی دارد.

منابع

• منابع داخلی و مستندات فنی بلورآزما