یادآوری: همان‌طور که در مقاله‌ی اصول اولیه‌ی اندازه‌گیری UV-Vis گفتیم، اگر به یک ماده نور بتابیم، بخشی از نور منعکس می‌شود، بخشی جذب می‌شود و در نهایت بخشی هم از ماده عبور می‌کند. آن بخش از نور که جذب ماده می‌شود، موجب انتقال برخی الکترون‌های آن ماده از لایه‌ی پایین‌تر به لایه‌ی بالاتر می‌شود. بنابراین اگر بتوانیم میزان نور عبوری و منعکس‌شده را اندازه‌گیری کنیم، با توجه به این که میزان نور اولیه را می‌دانیم، مقدرا نور جذب‌شده مشخص می‌شود. در آخر با توجه به میزان نور جذب‌شده در آن طول موج خاص، تشخیص می‌دهیم که جنس ماده‌ی مورد نظر چیست.
برای خرید دستگاه اسپکتروفتومتر به صفحه مورد نظر مراجعه کنید.
دستگاه اسپکتروفتومتری چگونه کار می‌کند؟
دستگاه اسپکتروفتومتری یا همان UV-Vis یکی از تجهیزات آزمایشگاهی است که از با استفاده از یک منبع نور و یک یا چند دتکتور (آشکارساز)، میزان نور جذب‌شده توسط ماده، میزان نور منعکس‌شده و میزان نور عبورکرده را اندازه‌گیری کند. معمولا طول موج نوری این دستگاه بین 190 تا 900 نانومتر است. البته بعضی از اسپکتروفتومترها دارای طول موج‌های بالاتری هستند. مثلا بین 800 تا 3200 نانومتر.
اسپکتروفتومتر برند HACH از انواع دستگاه اسپکتروفتومتری است.
از طیف به دست‌آمده‌ی مانند شکل 1، می‌توان خواص فیزیکی و شیمیایی نمونه را به دست آورد.
کاربرد دستگاه اسپکتروفتومتری
در حالت کلی دستگاه اسپکتروفتومتری در موارد زیر استفاده می‌شود:
- تشخیص مولکول‌ها در نمونه‌های جامد و مایع
- مشخص کردن غلطت‌های مشخصی از مولکول در محلول
- تشخیص میزان عبور و جذب هر ماده (جامد یا مایع) در گستره‌ی طول موج
- اندازه‌گیری رنگ مواد و یا خواص بازتابی از سطح
- مطالعه‌ی فرآیندهای بیولوژیکی یا واکنش‌های شیمیایی
مطلب پیشنهادی: آیا می‌دانستید صدراپژوهش، بیش از شانزده سال که در زمینه‌ی تعمیر تجهیزات آزمایشگاهی سابقه دارد؟ برای مشاهده‌ی تعمیر دستگاه اسپکتروفتومتر کلیک کنید!
امروزه با تلفیق وسایل جانبی و نگه‌دارنده‌ها‌ی نمونه در دستگاه‌های اسپکتروفتومتری (UV-Vis)، انواع مختلفی از اندازه‌گیری قابل اجرا است و لوازم جانبی مختلفی برای هر نوع نمونه در حالت‌های مختلف وجود دارد.
در نظر داشته باشید با این که اسپکتروفتومتری (UV-Vis) در صد سال گذشته یک تکنیک تطبیق‌پذیر بوده و در رشته‌های مختلفی مورد استفاده قرار گرفته است، ولی به طور معمول برای تست و تحقیق مواد، شیمی، پتروشیمی، بیوتکنولوژی و آزمایشگاه‌های دارویی استفاده می‌شود.
ساختار دستگاه اسپکتروفتومتری
اجزای اصلی دستگاه اسپکتروفتومتری به شرح زیر هستند:
- منبع نور که یک طیف گسسته‌ی مشخص در طول موج مشخص تولید می‌کند.
- وسیله‌ای که طیف گسسته را به طول موج تبدیل می‌کند.
- محفظه‌ای برای نمونه که نور به آن تابیده می‌شود.
- یک یا چند دتکتور (آشکارساز) برای اندازه‌گیری شدت نور بازتاب‌شده یا عبورکرده.
اجزای دیگری مانند آینه، لنز، فیبر نوری و … نیز درون دستگاه هست که وظیفه‌ی انتقال نور را بر عهده دارند.
منبع نور
یک منبع نور ایده‌آل، منبع نوری است که بتواند طول موج‌های ثابت را با نویز کم و ثبات بالا تولید کند. البته قطعا چنین منبع نوری وجود ندارد. در اینجا دو مدل منبع نور که از قدیم در دستگاه‌های اسپکتروفتومتری استفاده می‌شده است را معرفی می‌کنیم:
- لامپ دوتریوم که شدت خوب و پیوسته‌ای را در منطقه‌ی UV و شدت مناسبی را در منطقه‌ی مرئی فراهم می‌کند.
- لامپ هالوژن – تنگستن که شدت خوبی را در تمام محدوده‌ی مرئی و بخشی از طیف UV فراهم می‌کند.
اخیرا نیز لامپ زنون به صورت گسترده استفاده می‌شود که دارای مزایای بیشتری نسبت به دو لامپ فوق است.
لامپ دوتریوم
این لامپ از دشارژ شدن گاز دوتریوم استفاده می‌کند و بازده خوب و مناسبی از شدت نور در ناحیه ی UV ایجاد می‌کند (بین ۱۸۵ تا ۴۰۰ نانومتر). لامپ های دوتریوم نویز کمی ایجاد می‌کنند. البته در نظر داشته باشید که نویزهای لامپ معمولا کمترین فاکتور تاثیرگذار در نویز کل دستگاه است. شدت نور لامپ دوتریوم به صورت متناوب کم می‌شود. این لامپ‌ها نیمه‌عمر دارند که معمولا حدود ۱۰۰۰ ساعت است. در نتیجه مدام باید عوض شوند.
نیمه‌عمر مدت‌زمانی است که طول می‌کشد تا شدت نور از مقدار اولیه به نصف کاهش یابد.
لامپ هالوژن – تنگستن
این لامپ از فیلامان (رشته) استفاده می‌کند و به این صورت است که وقتی جریان از فیلامان عبور می‌کند، گرم می‌شود و و در نتیجه نور تولید می‌کند (مطابق تصویر شماره‌ی پنج). این لامپ در بخشی از طیف فرابنفش، کل ناحیه‌ی مرئی و محدوده‌ی پایین فروسرخ (NIR) شدت خوبی دارد (یعنی ۳۵۰ تا ۳۰۰۰ نانومتر)؛ همچنین نویز خیلی کمی دارد و معمولا طول عمر آن برابر با ۱۰۰۰۰ ساعت است.
در دستگاه اسپکتروفتومتر UV-Vis معمولا از هر دو مدل لامپ استفاده می‌شود و در صورت لزوم جای هرکدام از لامپ‌ها عوض می‌شود یا نور خارج شده از هر دو لامپ ترکیب می‌شود تا منبع نور واحدی را تشکیل دهد.
لامپ زنون
برخلاف دو مدل لامپی که در بالا ذکر شد و طیف نور ثابتی را ایجاد می‌کردند، لامپ زنون با فلش زدن در یک زمان کوتاه، نور ایجاد می‌کند. با توجه به این مطلب که لامپ فقط در زمان اندازه‌گیری نمونه کار می‌کند، بنابراین طول عمر زیادی دارد. در نظر داشته باشید که نمونه فقط در زمان آزمایش تحت تابش قرار می‌گیرد. این روشنایی کوتاه‌مدت لامپ برای اندازه‌گیری نمونه‌هایی که حساس به فوتوبلیچ هستند، مناسب است. فوتوبلیچ در نمونه‌های حساسی مشاهده شود که در برابر نور مداوم و ثابت، تخریب می‌شوند.
لامپ زنون شدت بالایی بین ۱۸۵ تا ۲۵۰۰ نانومتر را ایجاد می‌کند. در نتیجه به هیچ لامپ دیگری نیاز ندارد. ضمنا این لامپ می‌تواند سال‌ها بدون تعویض مورد استفاده قرار بگیرد و همین طور برخلاف دو لامپ دیگر به گرم شدن (Warmup) نیز نیازی ندارد. بنا بر همین دلالیل بیشتر از دو لامپ دیگر انتخاب می‌شود.
مونوکروماتور ( تک فام ساز)
تمامی منابع نوری یک طیف پهن سفید ایجاد می‌کنند. این نور سفید از مونوکروماتور عبور می‌کند و در نتیجه‌ی این عبور، طول موج مشخص و دلخواه ما تولید می‌شود.
یک مونوکروماتور شامل بخش‌های زیر است:
- شکاف ورودی
- دستگاه پراکنده‌کننده‌ی نور که طول موج‌های مختلف را ایجاد می‌کند (مانند رنگین کمان) و توسط آن یک طول موج مشخص را می‌توان انتخاب کرد.
- شکاف خروجی که طول موج مشخص‌شده را به نمونه می‌رساند.
برای واضح‌تر شدن موضوع، یک اتاق را تصور کنید که نور خورشید از یک پنجره به داخل می‌تابد و به منشوری برخورد می‌کند. پس از برخورد به منشور یک رنگین‌کمان ایجاد می‌شود و بخشی از نورهای رنگین‌کمان از پنجره‌ی مقابل خارج می‌شود. حال وقتی منشور بچرخوانیم، رنگ‌های دیگر (طول موج های مختلف) نیز را خارج می‌شود.
حالت ایده آل به این صورت است که خروجی مونوکروماتور یک طول موج مشخص باشد؛ اما در واقعیت به این صورت است که یک طیف از طول موج‌ها را شامل می‌شود.
بیشتر دستگاه‌های اسپکتروفتومتر موجود در بازار شامل گریتینگ‌های هولوگرافیک (Holographic Gratings) به عنوان دستگاه پراکنده‌کننده هستند. این قطعات که از شیشه ساخته شده‌اند، دارای شیارهای بسیار نازکی هستند. ابعاد این شیارها باید کاملا یکسان باشد تا بتواند طول موج‌ها را پراکنده کند. در نهایت سطح شیشه با آلومینیوم پوشانده شده است تا یک سطح بازتابنده ایجاد کند.
وقتی نور به این شیارها برخورد می‌کند با زاویه های مختلفی انعکاس می‌یابد و طول موج‌های مختلف را ایجاد می‌کند. در نتیجه باید فیلتری باشد تا توانایی انتخاب طول موج دلخواه وجود داشته باشد و طول موج دلخواه را به آشکارساز برساند. این گریتینگ، نور را به طور هم‌زمان پراکنده و متمرکز می‌کند.
تک مونوکروماتور (Single monochromator)
این مدل مونوکروماتور برای همه‌ی منظورها و به عنوان سیستم نوری فشرده (جمع و جور) استفاده می‌شود. شکل 8 شمای کلی یک سیستم با تک مونوکروماتور را نمایش می‌دهد. تک مونوکروماتور توانایی تفکیک طول موج‌ها را به اندازه‌ی مونوکروماتور دوتایی ندارد؛ ولی قابل استفاده برای دستگاه‌های بسیار زیادی است. به طور مثال برای اندازه‌گیری نمونه‌هایی که پیک‌های جذب گسترده‌ای دارند، مناسب است.
مونوکروماتور دوتایی (Double monochromator)
این مونوکروماتور بیشتر در دستگاه‌های پیشرفته‌تر دیده می‌شود. در این مدل، دو مونوکروماتور به صورت سری قرار گرفته‌اند. نور تابیده شده توسط منبع نور به وسیله‌ی مونوکروماتور اول تقسیم، سپس نور باقی مانده دوباره توسط مونوکروماتور دوم تقسیم می‌شود. در نتیجه نوری که داخل سیستم منتشر می‌شود، کمتر است ولی دقت طیفی (توانایی انتخاب دقیق یک طول موج خاص) افزایش می‌یابد.
محفظه‌ی نمونه
در این محفظه، نمونه به صورتی قرار می‌گیرید که پرتوی مونوکروماتور از نمونه عبور کند. برای اندازه‌گیری جذب، نمونه‌های مایع در کووت قرار می‌گیرند که طول مسیر مشخصی دارند. کووت یک مکعب مستطیل برای نگه‌داری نمونه‌های مایع است (مانند شکل 10). جنس کووت‌ها از شیشه، کوارتز، پلاستیک یا مواد دیگر است که طول موج‌های مرئی و فرابنفش را انتقال می‌دهند. کووت استاندارد دارای طول مسیر 10 میلی‌متر است و از کوارتز ساخته شده است که بهترین انتقال را برای طول موج‌های فرابنفش دارد. کووت‌های پلاستیکی ارزان‌تر هم می‌توان استفاده کرد؛ ولی عموما طول موج‌های فرابنفش را انتقال نمی‌دهند و فقط زمانی مناسب هستند که اندازه‌گیری در ناحیه‌ی طول موج مرئی انجام شود. انواع مختلفی از کووت‌ها برای کاربردهای متنوع وجود دارد؛ از کووت‌هایی که برای حجم‌های کوچک ساخته شده‌اند گرفته تا کووت‌هایی که دارای طول مسیر بیشتری هستند و برای نمونه‌های رقیق استفاده می‌شود.
محفظه‌ی دستگاه UV-Vis معمولا یک جعبه‌ی مشکی‌رنگ به همراه یک درپوش است. علت رنگ سیاه داخل محفظه هم این است که نور سرگردان را جذب کند و مانع برخورد آن با نمونه شود.
نمونه‌های جامد می‌تواند در مکانی برای اندازه‌گیری ساده‌ی انتقال نگه‌داری شود. همچنین می‌تواند در زاویه‌های مختلف نشر، اندازه‌گیری شود. برای اندازه‌گیری‌های پیچیده‌تر مانند بازتاب‌های منتشرشده یا انتقال‌داده‌شده، لوازم جانبی دیگری نیز ممکن است به محفظه‌ی نمونه متصل شود.
اسپکتروفتومتر تک‌پرتویی (Single beam spectrophotometer)
ساده‌ترین اسپکتروفتومتر UV-Vis سیستم نوری تک پرتویی دارد. در این سیستم، نور از مونوکروماتور نشر می‌کند و از کووت انتقال می‌یابد و در نهایت به دتکتور می‌رسد. این ساختار ساده از اجزای نوری کمتری استفاده می‌کند و همین موضوع باعث کاهش هزینه‌ی ساخت می‌شود و همچنین اندازه‌ی دستگاه کوچک‌تر است.
با این حال، قبل از این که نمونه‌ی اصلی اندازه‌گیری شود، باید نمونه‌ی شاهد اندازه‌گیری شود. در نمونه‌های مایع، این اندازه‌گیری برای تعیین جذب کووت و حلال انجام می‌شود. با این سیستم، نمونه‌ی شاهد باید جدا از نمونه‌ی اصلی اندازه‌گیری شود. دقت بفرمایید که با توجه به اندازه‌گیری‌های جدا از هم برای نمونه‌ی اصلی و شاهد، این امکان وجود دارد که سیستم عملکرد متفاوتی در دو مرتبه داشته باشد و این تا حدی باعث پایین آمدن صحت نتایج می‌شود. این اتفاق معمولا زمانی رخ می‌دهد که بین اندازه‌گیری نمونه‌ی شاهد ونمونه‌ی اصلی، وقفه‌ی زیادی بیوفتند. در نتیجه هنگام استفاده از این سیستم، اندازه‌گیری‌ها باید به صورت مکرر و منظم انجام شود.
اسپکتروفتومتر دوپرتویی (Double beam spectrophotometer)
بسیاری از دستگاه‌های UV-Vis از این سیستم استفاده می‌کنند. در این سیستم نور منتشرشده از مونوکروماتور به دو پرتو تقسیم می‌شود که یکی از آن‌ها به نمونه‌ی شاهد می‌رسد و دیگری به نمونه‌ی اصلی. نور معمولا توسط یک تقسیم‌کننده‌ی نوری تقسیم می‌شود؛ مانند چرخی که می‌چرخد و دارای اجزای آینه‌شکل و یا آینه‌ی نیمه‌نقره‌اندود است که به آن تقسیم کننده‌ی پرتو (Beam Splitter) می‌گویند. حال هر یک از دو پرتو، از طریق مسیرهای مختلف به دو نمونه‌ی شاهد و اصلی می‌رسند. با توجه به این که هر دو پرتو از یک طول موج هستند، بنابراین نمونه‌ی شاهد و نمونه‌ی اصلی در یک زمان اندازه‌گیری می‌شوند که این موجب دقت بالاتر در اندازه گیری می‌شود و همینطور صحت را افزایش می‌دهد.
آشکارساز یا دتکتور (Detector)
وظیفه‌ی دتکتور در دستگاه UV-Vis این است که نور عبورکرده از نمونه را دریافت و به سیگنال الکترونیکی تبدیل کند. دتکتور باید پاسخ خطی با نویز کم و حساسیت بالا در برابر طیفی از طول موج‌ها ایجاد کند. اسپکتروفتومترها معمولا دارای دتکتور فوتودیود (Photodiode) یا فوتومالتی پلایر (Photomultiplier tube) هستند. انواع دتکتورهای تخصصی‌تر نیز در دستگاه‌های پیشرفته‌تر برای پوشش‌دادن طول موج‌های مختلف یا حساس‌تر کردن دستگاه استفاده می‌شوند.
هر دتکتوری حساسیت و طول موج‌های مختلفی را در بر می‌گیرد. برای سیستم‌هایی با دتکتورهای متعدد، هر دتکتور با توجه به طول موج انتخابی جایگزین می‌شود.
دتکتور فوتومالتی پلایر، PMT (Photomultiplier tube)
این دتکتور (تصویر شماره‌ی دوازده) شامل تقویت‌کننده‌هایی در بدنه‌ی لوله‌ای شکل خود هست که کار تبدیل سیگنال را انجام می‌دهد. طبیعت مواد کاتدی به گونه‌ای است که حساسیت طیفی ایجاد می‌کند. هر PMT، حساسیت خوبی برای طول موج‌های محدوده‌ی مریی-فرابنفش (بین ۲۰۰ تا ۹۰۰ نانومتر) دارد. این دتکتور می‌تواند حساسیت بالا در سطح نور کم را فراهم کند. برای نمونه‌های رقیق، بیشتر نوری که به نمونه برخورد می‌کند، به دتکتور می رسد. برای اندازه‌گیری با صحت بالا بین نمونه و شاهد، دتکتور باید نویز سیگنال پایین در نور با شدت بالا داشته باشد.
دتکتور دیود سیلیکونی (Si)
دتکتورهای فوتودیود سیلیکونی (تصویر شماره‌ی سیزده) به صورت گسترده در دستگاه‌های مدرن استفاده می‌شود. این دتکتورها دامنه‌ی دینامیکی گسترده‌تری از دتکتورهای PMT را در بر می‌گیرند. در یک فوتودیود، نوری که روی یک ماده‌ی نیمه‌ی هادی می‌افتد، اجازه‌ی جریان یافتن به الکترون از آن قسمت تا خازن را می‌دهد. در نتیجه‌ی آن، خازن تخلیه می‌شود. مقداری از انرژی برای شارژ مجدد خازن در فواصل زمانی مشخص با شدت نور نیاز است. محدوده ی تشخیص برای این آشکارسازها بین ۱۷۰ تا ۱۱۰۰ نانومتر است.
فوتودیود ایندیوم گالیم آرسنید،Indium gallium arsenide) InGaAs )
این دتکتور بهترین تشخیص را در طول موج مرئی و نزدیک به فروسرخ (مادون قرمز نزدیک) NIR دارد. پرتوهای باریک بین ۸۰۰ تا ۱۷۰۰ نانومتر و پرتوهای پهن بین ۸۰۰ تا ۲۵۰۰ نانومتر را شناسایی می‌کند. این دتکتور حساسیت بالایی در طول موج NIR دارد.
دتکتور سولفید سرب، PbS (Lead sulfide)
این آشکارساز، متدوال‌ترین دتکتور برای ناحیه‌ی NIR در دستگاه‌های اسپکتروفتومتری است و حساسیت آن بین ۱۰۰۰ تا ۳۵۰۰ نانومتر است.
در دستگاه‌های پیشرفته معمولا از دتکتور PMT استفاده می‌شود تا کل طیف طول موج‌ها را تشخیص دهد؛ همینطور اگر فرکانس‌های NIR نیاز باشد، امکان دارد با دتکتور InGaAs ترکیب شود.
