تعریف کلی یک دستگاه اسپکتروفوتومتر

اسپکتروفوتومتر یک ابزار نوری برای اندازه گیری شدت نور نسبت به طول موج است. در حقیقت، یک دستگاه اسپکتروفوتومتر اساساً میزان دقیق بازتاب یا جذب نور در یک ماده مشخص را بیان می کند.

هنگامی که نور به یک ماده برخورد می کند، بسته به نوع و حالت ماده، ممکن است مقداری از آن نور از سطح آن بازتاب شود و یا توسط ماده جذب شده و مابقی از آن عبور کند.

بخش بازتاب شده، همانی است که چشمان ما می بیند (البته بخش مرئی آن را) و مغز ما آن را به عنوان رنگ ماده تفسیر می کند.

این تفسیر بصری ما، کیفی است و منوط به شرایط مشاهده‌ (کور رنگی، خستگی، سن و شرایط پزشکی) و ماهیت منبع نور در زمان مشاهده (نور خورشید در طول روز، لامپ های رشته ای، فلورسنت و ...) است. این متغیرها، ارزیابی بصری انسان و ارتباط رنگ را بسیار دشوار می کند.

دستگاه های اسپکتروفوتومتر، با انجام اندازه‌ گیری‌ های کمی نور بازتابی یا جذبی توسط یک ماده به عنوان تابعی از طول موج، این عدم قطعیت را برطرف می‌ کنند.

یک اسپکتروفوتومتر این کار را با تاباندن امواج الکترومغناطیسی به ماده نمونه، با استفاده از منابع نوری (مشابه با نور خورشید)، طی مراحل زیر انجام می‌ دهد:

• نور منعکس شده یا عبوری (جذبی-عبوری) از نمونه، جمع آوری شده و به یک عنصر پراکنده کننده (مانند توری پراش) منتقل می شود که آن را به طول موج های مختلف تفکیک می کند.
• سپس می توان این طول موج ها را به طور همزمان توسط آرایه ای از آشکارسازها اندازه گیری کرد.
• نمودار طیفی حاصل می‌تواند توسط توابع کالیبراسیون فیت یا برازش شود تا مختصات منحصر به فردی ایجاد کند که دقیقاً رنگ یا دیگر ویژگی های نمونه را توصیف کند.

مکانیزم های عملکرد کلی در اسپکتروفوتومتر

در یک دستگاه اسپکتروفوتومتر، انرژی الکترومغناطیسی که از نمونه جمع‌آوری می‌شود، از طریق دیافراگم (شکاف) وارد دستگاه می‌شود و توسط توری پراش به طول موج‌ های مجزا تفکیک می‌ شود (به زبان ساده، توری پراش، رنگ های نور سفید را به رنگ های رنگین کمانی جدا می کند).

سپس نور جدا شده، بر روی یک آشکارساز آرایه ای (مانند CCD ها) متمرکز می شود و شدت هر طول موج، توسط یک پیکسل از آرایه آشکارسازی اندازه گیری می شود.

سپس موارد ثبت شده توسط آشکارساز، ذیجیتالی شده و جهت خوانش، به بخش کامپیوتر ارسال می گردد و نتیجه طیفی است که شدت هر طول موج نور را نشان می دهد.

به زبان ساده، اسپکتروفوتومتر ابزاری است که به دانشمندان و محققان کمک می کند تا خواص نور و نحوه تعامل آن با مواد مختلف را مطالعه کنند.

به طور کلی، نحوه تعامل نور با ماده در اسپکتروفوتومترها دو نوع کلی است:

• جذب و عبور
• بازتاب

با اندازه گیری مقدار نور جذب شده یا بازتاب شده توسط یک نمونه در طول موج های مختلف، می توان اطلاعات ارزشمندی در مورد ترکیب و خواص نمونه به دست آورد.

یک اسپکتروفوتومتر جذبی میزان نور جذب شده توسط یک نمونه را در طول موج خاصی اندازه گیری می کند. در مقابل، یک اسپکتروفوتومتر بازتابی، مقدار نور بازتاب شده توسط نمونه را در طول موج مشخصی اندازه گیری می کند.

هر دو نوع اسپکتروفوتومتر به طور گسترده در تحقیقات علمی و کاربردهای صنعتی استفاده می شوند و نقش مهمی در زمینه هایی مانند شیمی، علم مواد، علوم محیطی و آنالیز مواد غذایی ایفا می کنند.

هر کدام از مکانیزم های جذبی و بازتابی تفاوت های عمده ای دارند که در بخش های بعد، به طور مفصل به آن می پردازیم.

مکانیزم کلی اسپکتروفوتومتر نوع جذبی

طیف‌ سنجی جذبی، که معمولاً با عنوان اسپکتروفوتومتری شناخته می‌شود، روشی تحلیلی است که بر اساس اندازه‌ گیری مقدار نور جذب شده توسط یک نمونه در طول موج معین انجام می‌ شود.

در دستگاه اسپکتروفوتومتر جذبی، نمونه در یک کووت یا لوله آزمایش قرار می گیرد و یک پرتو نور با طول موج مشخص از آن عبور می کند. مقدار نوری که از نمونه عبور می کند توسط یک آشکارساز در سمت دیگر کووت اندازه گیری می شود.

تفاوت بین شدت نور تابشی و نور عبوری برای محاسبه میزان جذب نمونه استفاده می شود که به غلظت ماده جاذب در نمونه مرتبط است.

ناحیه طول موجی که معمولاً استفاده می شود، از 190 تا حدود 1000 نانومتر است و محیط جذب کننده در دمای اتاق است. با این حال، در برخی موارد (به عنوان مثال در سنجش آنزیمی) اندازه گیری در دماهای بالاتر یا پایین تر از دمای اتاق نیز ممکن است.

هنگامی که یک پرتو نور به یک نمونه می تابد، مقداری از نور می تواند توسط آن جذب شود. پس از جذب، الکترون های تشکیل دهنده ماده نمونه، از سطح انرژی پایین تر به سطوح بالاتر برانگیخته می شوند.

یک مولکول برانگیخته، می تواند دارای مقادیر مجاز انرژی کوانتیده باشد که توسط قوانین مکانیک کوانتومی توصیف شده است. این مقادیر را «سطوح انرژی» مولکول می نامند که در سه گروه قرار می گیرند:

• سطوح انرژی الکترونی
• سطوح انرژی ارتعاشی
• سطوح انرژی چرخشی یا دورانی

سطوح انرژی الکترونی

در مولکول ها، سطوح اصلی انرژی در درجه اول توسط توزیع فضایی احتمالی الکترون‌ ها تعیین می‌ شود  که سطوح انرژی الکترونی نامیده می‌ شود. این اساس طیف‌ سنجی الکترونی است که برای مطالعه ساختار الکترونی و خواص مولکول‌ ها استفاده می‌ شود.

مقدار انرژی جذب شده در گذار الکترونی بین دو سطح انرژی از راطبه زیر به دست می آید:

hν=E2-E1

که E1 سطح انرژی مولکول قبل از جذب و E2 سطح انرژی آن پس از جذب تابش است. برای اکثر مولکول ها، طول موج های جذب مربوط به گذار بین حالت پایه و اولین حالت برانگیخته، در محدوده نور فرابنفش و نور مرئی قرار می گیرد.

اگر تمامی گذارها تنها بین پایین‌ ترین سطوح حالت پایه و اولین حالت برانگیخته باشد، طیف جذبی باریک و کاملاً مجزا تشکیل می‌ شود. با این حال، گذار از یک سطح الکترونی پایه به بسیاری از سطوح دیگر نیز می تواند رخ دهد.

سطوح انرژی ارتعاشی

سطوح انرژی ارتعاشی به حالت های انرژی کوانتیزه مرتبط با حرکت اتم ها در یک مولکول اشاره دارد. مولکول ها می توانند به روش های مختلفی ارتعاش کنند که هر حالت ارتعاشی، فرکانس و در نتیجه انرژی خاصی دارد.

طیف‌ سنجی ارتعاشی از این حالت‌ های ارتعاشی، برای مطالعه ساختار مولکولی و پیوندهای شیمیایی استفاده می‌ کند که معمولاً در محدوده طول موجی IR هستند.

سطوح انرژی دورانی

سطوح انرژی دورانی به حالت های انرژی کوانتیزه مرتبط با چرخش یک مولکول حول محور خود اشاره دارد و توسط ممان اینرسی مولکول تعیین می شود که می توان از آنها برای به دست آوردن اطلاعاتی در مورد هندسه و تقارن مولکولی استفاده کرد.

به طور کلیف انرژی کل یک مولکول در حالت پایه یا برانگیخته را می توان با دقت کافی، با معادله زیر تقریب زد:

E=Eel+Evib+Erot

جایی که: Eel انرژی الکترونی، Evib انرژی ارتعاشی و  Erot انرژی چرخشی است. جذب فوتون منجر به تغییر انرژی الکترونی می شود، که در نتیجه با تغییر در انرژی های ارتعاشی و چرخشی نیز همراه است.

در مایعات و جامدات خطوط دورانی پهن هستند و بنابراین با یکدیگر همپوشانی دارند، به طوری که هیچ ساختار چرخشی قابل تشخیص نیست.

قانون بیر-لامبرت

اندازه قله ها در یک طیف جذب، متناسب با غلظت است، بنابراین فرایند جذب می تواند برای آنالیزهای کمی استفاده شود.

قانون بیر-لامبرت که به نام قانون بیر-لامبرت-بوگر نیز شناخته می شود، جذب نور را به خواص ماده ای که نور از آن عبور می کند مرتبط می کند و به طور خاص، بیان می کند که مقدار نور جذب شده توسط یک نمونه جاذب، متناسب با غلظت و طول مسیر نور در آن است.

از نظر ریاضی، قانون را می توان به صورت زیر بیان کرد:

A = εcl

که در آن A جذب نمونه، ε جذب مولی است (معیار میزان شدت جذب نور توسط نمونه)، c غلظت گونه جاذب، و l طول مسیر نور از طریق نمونه است.

برای محاسبه شدت نور جذب شده در اسپکتروفوتومتر جذبی موارد زیر انجام می شود:

• شدت نور فرودی، پیش از عبور از نمونه، با استفاده از محلول های مرجع اندازه گیری می شود.
• شدت نور، پس از عبور از نمونه نیز اندازه گیری می شود.
• میزان جذب یا عبور نمونه، با استفاده از یکی از معادلات زیر محاسبه می شود:

Absorbance (A)=log(I0/I)

Transmittance (T)=log(I/I0)

که I0 شدت نور فرودی و I شدت نور عبوری از نمونه است.

مکانیزم کلی اسپکتروفوتومتر نوع بازتابی

در یک اسپکتروفوتومتر بازتابی، نمونه معمولاً یک سطح جامد است و دستگاه میزان نوری را که از سطح در یک زاویه و طول موج خاص منعکس می‌ شود را اندازه‌گیری می‌ کند. مقدار نور منعکس شده برای تعیین ویژگی هایی مانند رنگ، بافت و ترکیب ماده مورد آنالیز استفاده می شود.

برای محاسبه شدت نور در یک اسپکتروفوتومتر بازتابی، باید مقدار نوری که توسط نمونه منعکس می شود را اندازه گیری نموده و آن را با مقدار نور فرودی مقایسه کرد.

شدت نور در یک اسپکتروفوتومتر بازتابی، اغلب به صورت درصد نور منعکس شده از نمونه بیان می شود که به آن درصد بازتاب (%R) می گویند. فرمول محاسبه درصد بازتاب به صورت زیر است:

%R = (شدت نور فرودی / شدت نور بازتابی) x 100%

همانند اسپکتروفوتومتر نوع جذبی، در اینجا نیز برای اندازه گیری شدت نور، ابتدا شدت نور فرودی (یعنی منبع نور) را با استفاده از یک استاندارد مرجع اندازه گیری می کنند.

سپس، نمونه را در مسیر نور فرودی قرار داده و شدت نوری که از نمونه منعکس می‌ شود را با استفاده از آشکارساز اندازه‌ گیری می‌ کنند. در نهایت، از فرمول بالا برای محاسبه درصد بازتاب نمونه استفاده می شود.

اگر سطوح اندازه گیری کاملاً مات باشند، یک اسپکتروفوتومتر بازتابی می تواند دقیق ترین و قابل تکرارترین نتایج را برای سطوح صاف و مات ارائه دهد.

تفاوت های ساختاری اسپکتروفوتومتر جذبی و بازتابی

درک تفاوت در ویژگی‌ های جذبی و بازتابی نمونه‌ های مورد بررسی هنگام پیکربندی سیستم طیفی بهینه برای اندازه‌گیری آن ویژگی‌ ها بسیار مهم است. از این رو، در اینجا ساختارهای هر دو نوع اسپکتروفوتومتر جذبی و بازتابی را مورد ارزیابی قرار می دهیم.

ساختار اسپکتروفوتومتر نوع جذبی

انواع مختلف اسپکتروفوتومترهای نوع جذبی، ساختار مشخص و یکسانی دارند. در تمامی آنها، موج الکترومغناطیسی به نمونه تابیده می شود و بخشی از آن جذب می گردد. با انداز گیری شدت نوری فرودی و عبوری از ماده، اطلاعات مورد نظر به دست می آید.

بر اساس محدوده طول موج عملکردی، انواع مختلفی از اسپکتروفوتومتر جذبی وجود دارد، از جمله:

• طیف سنجی UV-Vis: این نوع،میزان جذب نور در نواحی فرابنفش و مرئی طیف الکترومغناطیسی را اندازه گیری می کند.
• طیف سنجی IR: این گروه، جذب تابش فروسرخ توسط پیوندهای شیمیایی در یک نمونه را اندازه گیری می کنند.
• طیف‌ سنجی رامان: این دسته، پراکندگی نور توسط مولکول‌ ها را در یک نمونه اندازه‌گیری می‌ کنند که می‌توان از آن برای شناسایی ترکیبات شیمیایی استفاده کرد.
• طیف سنجی جذب اشعه ایکس (XAS): که جذب اشعه ایکس توسط اتم ها در نمونه را اندازه گیری می کند و اطلاعاتی در مورد ساختار موضعی اتم ارائه می دهد.
• طیف‌ سنجیNMR: که جذب امواج رادیویی توسط هسته‌ های اتمی در نمونه را اندازه‌ گیری نموده و اطلاعاتی در مورد محیط شیمیایی اطراف هسته ارائه می‌ کند.

ساختار اسپکتروفوتومتر بازتابی

تکنیک‌ های بازتاب بیشتر برای نمونه‌ هایی استفاده می شود که آنالیز آنها به روش جذب و عبور مرسوم دشوار است و معمولاً سطح آنها مورد بررسی قرار می گیرد.

در کل، تکنیک های بازتاب را می توان به دو دسته تقسیم کرد:

• بازتاب داخلی
• بازتاب خارجی

در روش بازتاب داخلی، برهمکنش تابش الکترومغناطیسی در اسپکتروفوتومتر روی سطح مشترک بین نمونه و محیطی که ضریب شکست بالاتری دارد، مورد مطالعه قرار می‌گیرد، در حالی که روش بازتاب خارجی از تابش منعکس شده از سطح نمونه ناشی می‌ شود.

طیف‌ سنجی به روش بازتاب داخلی (IRS):

طیف سنجی به روش بازتاب داخلی، یک  روش غیر مخرب است و می تواند برای جامدات، مایعات و پودرها استفاده شود.

در این تکنیک، نور با زاویه ای بیش از زاویه بحرانی وارد می شود و یک موج ناپایدار در سطح بازتاب ایجاد می کند و نمونه در تماس با سطح بازتابنده یا در مجاورت آن قرار می گیرد. از برهمکنش این موج ناپایدار با نمونه، می توان یک طیف را با آماده سازی کم یا بدون آماده سازی نمونه ثبت کرد.

به زبان ساده تر، بازتاب داخلی زمانی اتفاق می‌افتد که پرتوی از امواج الکترومغناطیسی از یک محیط چگال‌ تر (با ضریب شکست بالاتر، n1) به محیطی با چگالی کمتر (با ضریب شکست کمتر، n2) وارد می‌ شود.

هنگامی که زاویه تابش بزرگتر از زاویه بحرانی است (که تابعی از ضریب شکست دو محیط است)، تمام تشعشعات فرودی به طور کامل در سطح مشترک منعکس می شوند و منجر به بازتاب داخلی کل می شود.

در حقیقت، انعکاس داخلی کلی نور در سطح مشترک بین دو محیط با ضریب شکست متفاوت، یک "موج ناپایدار" ایجاد می کند که به محیط با ضریب شکست پایین تر نفوذ می کند.

این میدان ناپایدار، یک موج غیر عرضی در امتداد سطح نوری است که شدت آن با افزایش فاصله به محیط کاهش می‌یابد، بنابراین میدان فقط در مجاورت سطح وجود دارد. معادله این موج ناپایدار نمایی را می توان به صورت زیر بیان کرد:

Iev=I0 exp(-Z/P)

جایی که Z فاصله نرمال با رابط نوری است، P عمق نفوذ (طول مسیر) و I0 شدت در z = 0 است.

طیف سنجی به روش بازتاب خارجی:

اسپکتروفوتومتر نوع بازتاب خارجی یک تکنیک غیر مخرب و بدون تماس است. در این تکنیک که به بازتاب چشمی نیز معروف است، نور از یک نمونه صاف (آینه مانند) منعکس می شود تا طیف آن ثبت شود.

این تکنیک، به ویژه برای اندازه گیری ضخامت لایه، ضریب شکست و همچنین ثبت طیف لایه های نازک بر روی لایه های فلزی مفید است.

انعکاس خارجی دو نوع کلی بازتاب را پوشش می دهد:

• انعکاس آینه وار (منظم)
• انعکاس پراکنده (پخش شونده)

اولی معمولاً با انعکاس از سطوح صاف و صیقلی مانند آینه همراه است و دومی به انعکاس از سطوح ناهموار مرتبط است. در عمل، هر دو نوع انعکاس می توانند در یک زمان اتفاق بیفتند، اما با درصدهای متفاوت.

در بازتاب آینه ای، زاویه تابش پرتو نور فرودی، برابر با زاویه بازتاب است، در حالی که در بازتاب پراکنده نور بازتابی تمایل به بازتاب در تمامی جهات دارد.

خلاصه

اسپکتروفوتومتر نوع جذبی، بر اساس میزان جذب ماده مورد آنالیز عمل می کند، در حالی که نوع بازتابی، نور بازتابیده از سطح مواد را اندازه گیری می کند.

در طیف‌ سنجی بازتابی پراکنده، هیچ رابطه خطی بین شدت نور منعکس شده (شدت باند) و غلظت وجود ندارد، بر خلاف طیف‌ سنجی جذبی که در آن شدت طیف با غلظت نسبت مستقیم دارد. در مقایسه، بازتاب می تواند برای تعیین ساختار شیمیایی و خواص گونه های سطحی استفاده شود.

از نظر ساختاری نیز انواع مختلفی دارند که به طور مفصل در بخش های قبل به آن پرداخته شد. در هنگام خرید و انتخاب اسپکتروفوتومتر، لازم است که به این تفاوت های کلیدی دقت شود.

امیدواریم که این مقاله مفیده بوده است.😍

از شما کاربر عزیز دعوت می کنیم که از بخش محصولات نیز دیدن کنید. در صورت نیاز می توانید کاتالوگ محصولات را نیز به صورت رایگان دانلود کنید.💐

پیشنهاد می کنیم مقاله اسپکتروفتومتر را برسی کنید

منابع و مراجع

wikipedia

José Torrent & Vidal Barrón, Diffuse Reflectance Spectroscopy.

PP Handbook , Peter Blum , November, 1997.