اسپکتروفتومتر

در دنیای امروزی، اسپکتروفتومترها به دلیل توانایی آنالیز دقیق و تفسیر طیف‌های نوری، از مختصرین و مؤثرترین روش‌ها برای بررسی خواص مواد به شمار می‌آیند.
با افزایش پیچیدگی فناوری‌ها و نیازهای متنوع صنایع، این دستگاه به عنوان ابزارهایی با دقت و قابلیت تنظیم بالا، به تحلیل و بررسی مواد در محیط‌های مختلف از آزمایشگاه‌های علمی تا خطوط تولید صنعتی، کمک نموده است.
اسپکتروفتومترها برای بررسی مواد، شناسایی ترکیبات، و کنترل کیفیت، ابزاری بی‌نظیر و ضروری محسوب می‌شوند که به توسعه‌ی دانش و بهبود فرآیندهای تولید و آزمایشگاهی کمک می‌کنند. 

اسپکتروفتومتر چیست؟

در میان تجهیزات آزمایشگاهی دستگاه اسپکتروفتومتر یا طیف سنج دستگاهی است که شدت نور را به صورت تابعی از طول موج اندازه گیری می کند  .

این کار با شکست پرتو نور به طیف طول موج ها و آشکار سازی شدت ها با دستگاه باردار و نمایش نتایج به صورت گراف انجام می شود .در حقیقت این روش با استفاده از میزان جذب نور ، تعیین غلظت می کند .این روش قابلیت اندازه گیری نمونه های فوق العاده کوچک را داشته لذا از ان برای تجزیه و تحلیل عناصر  مولکول های RNA,DNA استفاده می شود .

نور از بسته های بسیار کوچکی به نام فوتون تشکیل شده است که انرژی هر یک از انها به محض برخورد به یک الکترون منتقل می شود .تنها هنگامی انتقال رخ میدهد که انرژی فوتون ها برابر با انرژی مورد نیاز برای انتقال الکترون بعه لایه انرژی بعدی باشد .این پروسه که در آزمایش های محاسبه کیفیت و کمیت DNA موجود در محلول ها استفاده می شود ، پایه طیف بینی جذبی را تشکیل می دهد . به طور کلی نور با طول موج و انرژی خاص به نمونه تابانده شده و مقدار شخصی از انرزی آن جذب می شود .سپس با اندازه گیری انرژی رد شده از نمونه توسط یک فوتودتکتور ، مدار جذب تعیین می شود .

اسپکتروفتومتر آزمایشگاهی و اساس کار آن

طیف‌سنجی UV-VIS به عنوان یکی از قدیمی‌ترین روش‌های تحلیلی شناخته می‌شود که می‌توان آن را به عنوان یک نوع اسپکتروفتومتری تعریف کرد. در این روش، شدت نور در دو محدوده فرابنفش (۴۰۰-۱۰۰ نانومتر) و مرئی (۷۵۰-۴۰۰ نانومتر)، به عنوان تابعی از طول موج، اندازه‌گیری می‌شود. آنالیت مورد نظر نور را در محدوده‌های خاصی از طول موج (ناحیه UV-VIS) جذب کرده و میزان جذب نور توسط آنالیت اندازه‌گیری می‌شود. در واقع، طیف نهایی نتیجه تعامل نور مرئی-فرابنفش با ماده است.

•    عملکرد اسپکتروفتومتر آزمایشگاهی

عملکرد کرد این نوع از تجهیزات آزمایشگاهی به این صورت است : دو منبع نور UV,VIS برای اسپکتروفتومتر وجود دارد . متداول ترین منبع نور برای تولید نور مرئی یک لامپ هالوژن تنگستن با طول موج بین 200 و 340 نانومتر است . نور از میان نمونه عبور کرده و از طریق شکافی وارد اسپکتروفتومتر می شود .شکاف نازک باعث پراکنده شدن نور و پخش به خارج می شود ، از آنجا که دستگاه آزمایشگاهی اسپکتروفتومتر  تنها یک باریکه نور دارند ، در بیشتر موارد طول موج پرتو خوانده شده از نمونه دستخوش تغییر واقع می شود و برای اصلاح این امر ازآینه های مقعر استفاده می شود .بدین ترتیب که نور توسط آینه های مقعر به شبکه پراکنده کننده منعکس شده و دوباره به آینه مقعر دیگری منعکس می شود .این آینه کانونی نور را به سمت آشکار ساز متمرکز می کند .
طبق آخرین تحقیقات آزمایشگاهی تجهیزات آزمایشگاهی منبع UV می تواند لامپ هیدروژنی فشار بالا یا لامپ دوتریوم باشد .هنگامی که میزان جذب در طیف UV اندازه گیری می شود لامپ دیگر خاموش میشود و زمانی که اندازه گیری نور جذب در نور مرئی انجام میشود برعکس آن انفاق می افتد  که دلیل این امر جلوگیری از تداخل طول موج های غیر ضروری در نور منتشر شده از نمونه است.

•    اجزا اسپکتروفتومتر آزمایشگاهی

 منبع نور :

منبع نور می تواند نور مرئی ، مادون قرمز یا ماوراء بنفش باشد . پس از منبع نور یک تک فام ساز وجود دارد تا نور تولید شده را فیلتر و توسط یک منشور یا توری پراش طول موج های خاصی را انتخاب کند .پس از گذشتن نور تولید شده از داخل نمونه و جذب بخشی از آن پس از گذشتن از مجموعه ای از لنز ها ، شکاف ها ، آینه ها و فیلتر ها به سنسور ها رسیده و پس از تفسیر شدن به صورت نموداری در خروجی قرار می گیرد.

آشکار ساز :

در انتهای مسیر نور آشکارساز وجود دارد که وظیف آن اندازه گیری شدت نور تابیده شده از آینه ها و انتقال اطلاعات به کنتوری است که آنها را ثبت و مقدار را بر روی LCD به اپراتور نمایش دهد .امروزه دو نوع آشکارساز در اسپکتروفتومتر آزمایشگاهی UV/VIS متداول است : فتوتیوب و فتومالتی پلایر تیوب .

مفسر :

اسپکتروفتومتر های آزمایشگاهی می توانند خروجی خود را به صورت های مختلف نمایش دهند اما متداول تر است که آن را به صورت قابل کاربردی مانند نموداری از مقدار عبور یا مقدار جذب برچسب طول موج نمایش می دهند .

 مونوکروماتور:

جهت تجزیه نور چند رنگی به طول موج‌های مختلف.

انواع دیگر اسپکتروفتومتر های آزمایشگاهی : تک پرتو و دو پرتو .

در تجهیزات آزمایشگاهی اسپکتروفتومتر های تک پرتو اولین نسل اسپکتروفتومتر ها بوده و تمام نور از بین نمونه عبور می کند در این نوع برای اندازه گیری شدت نور تابشی باید به این نکته توجه داشت .این اسپکتروفتومتر ها ارزان هستند چرا که بخش های کمتری داشته و سیستم آنها پیچیدگی کمتری دارند .نسل جدید اسپکتروفتومتر های آزمایشگاهی نوع دوپرتو است .این نوع نور قبل از اینکه به نمونه برسد به دو پرتو مجزا تفکیک می شود که این مسئله یک امتیاز تلقی می شود زیرا خواندن منبع و نمونه به طور همزمان انجام   می شود .در برخی از اسپکتروفتومترهای دو پرتو دو آشکار ساز وجود دارد بدین ترتیب امکان اندازه گیری همزمان پرتوهای نمونه و مرجع فراهم می شود . سایر اسپکتروفتومترهای دو پرتو که تنها یک آشکارساز دارند از برشگر پرتو استفاده می کنند که این وسیله در هر لحظه یک پرتو را سد کرده و آشکارساز اندازه گیری پرتو نمونه و مرجع را به صورت یک در میان انجام میدهد .

انواع اسپکتروفتومتری از نظر بازه طول‌موجی
 

بسته به محدوده طول موج منبع نور، اسپکتروفتومترها به دو نوع مختلف تقسیم می‌شوند:
•    مرئی UV: استفاده از نور در محدوده فرابنفش (185 - 400 نانومتر) و محدوده مرئی (400 - 700 نانومتر).
•    IR: استفاده از نور در محدوده مادون قرمز (700 تا 15000 نانومتر).
 

نور  مرئی :

محدوده نور مرئی حدود 400-700 نانومتر است .اسپکتروفتومتر های ناحیه مرئی دقت و صحت متغیری دارند . برخی از آنها آشکارساز CCDبا پیکسل های کافی برای قرائت هر 10nm را دارند در حالیکه برخی دیگر می توانند در هر نانومتر چندین قرائت انجام دهند .این اسپکتروفتومترها می توانند از منابع نور سیمابی ،هالوژن ،LED یا ترکیبی از این منابع مثل LED تقویت شده با رشته های تنگستن استفاده کنند .

نور ماورابنفش :

در تجهیزات آزمایشگاهی اسپکتروفتومتر های UV علاوه بر اینکه در طیف سنجی مایعات بسیار متداول است برای گازها و همچنین جامدات نیز استفاده می شود.نمونه را در محفظه مستطیلی مخصوص که معمولا یک سانتی متر پهنا دارد قرار می دهند .این محفظه که کاوت نامیده می شود می تواند شکل پلاستیک ، شیشه یا کوارتز داشته باشد . پلاستیک و شیشه ،UV را جذب می کنند از اینرو تنها  می توان آنها را برای اسپکتروفتومترهای نور مرئی استفاده کرد .

نور مادون قرمز :

اسپکتروفتومتر مادون قرمز در شناسائی مولکولی و ارتعاشات وابسته به ساختار آن استفاده می شود . ساختارهای شیمیایی متفاوت به دلیل تفاوت در انرژی های مربوط به هر طول موج راه های مختلفی در پاسخ به طول موج های مختلف دارند . به عنوان مثال مادون قرمز های برد متوسط تمایل به لرزش دورانی دارند در حالیکه مادون قرمز نزدیک با انرژی بالا تمایل به لرزش های هارمونیک مولکولی مانند جنبش دارد . در اسپکتروفتومتر های آزمایشگاهی IR متداول یک پرتو مادون قرمز مستقیما به نمونه می تابد و تمام طول موج های طیف نسبت به پرتو مرجع اندازه گیری می شود .به منظور تولید طیفی با کیفیت بالا ، باید پهنای طیف ورودی به آرامی اسکن شود .اسپکتروسکوپی IR با روش بسط تبدیل فوریه اصلاح می شود . قلب اسپکتروفتومترهای IR، تداخل سنج میلسون است . نور تابش شده از منبع IR به سمت سلول های نمونه هدایت می شود . نیمی از پرتو تابشی از آینه ثابت باز تابیده شده و نیم دیگر آن از آینه ای که مرتب در فاصله ای حدود 5/2 میکرومتر حرکت می کند منعکس می شود .

هنگامی که دوباره دو پرتو در آشکارساز با هم ترکیب می شوند و تداخل به وجود می آید ، حدود دو ثانیه یک اسکن از فاصله ورودی گرفته شده و در کامپیوتر ذخیره می شود .به همین ترتیب چندین اسکن دیگر نیز به طور همزمان به آن اضافه می شود .

با توجه به نوسانات و ارتعاشات حرارتی در آزمایشگاه و تجهیزات آزمایشگاهی بدیهی است که این امر ناممکن است . پس به منظور حل این مشکل از لیزر هلیم –نئون برای تاباندن به تداخل سنج میشلسون استفاده می شود و تداخل لیزر به عنوان فرکانس مرجع به کار گرفته می شود . کارائی FTIR از دستگاه های معمولی بیشتر است که می توان تنها با مقدار کمی از نمونه و در زمانی کوتاه به طیف عالی دست یافت .

ساختار اصلی اسپکتروفتومترها

این دستگاه در کل از دو بخش تشکیل شده است: یک طیف‌سنج و یک فتومتر. 

•    طیف‌سنج:

در این بخش، طیف مورد نظر از نور تولیدی، معمولاً پراکنده و اندازه‌گیری می‌شود. ابتدا، یک عدسی یک پرتو مستقیم از نور (فوتون) را ارسال می‌کند که از یک منشور عبور می‌کند تا آن را به چندین طول موج تقسیم کرده و طیف نور را باز کند. سپس، یک انتخابگر طول موج (شکاف) تنها طول موج‌های مورد نظر را ارسال می‌کند.

•    فتومتر:

پس از عبور محدوده طول موج مورد نظر نور از نمونه در کووت، فتومتر مقدار فوتون‌های جذب شده را تشخیص می‌دهد و سپس سیگنالی را به یک گالوانومتر یا نمایشگر دیجیتال ارسال می‌کند.
مقدار فوتون‌هایی که از کووت عبور می‌کنند و وارد آشکارساز می‌شوند، به طول کووت و غلظت نمونه بستگی دارد. با محاسبه شدت نور پس از عبور از کووت و شدت نور قبل از عبور از آن، می‌توان به میزان عبور نور (T) رسید. 

نحوه استفاده از اسپکترو فتومتر آزمایشگاهی

کارشناسان فنی شرکت آرکا راد تجارت ( ARTECO ) این گونه استفاده از اسپکترو فتومتر آزمایشگاهی را شرح می دهند :

اسپکتروفتومترها مستقیما برای اندازه گیری شدت نور در طول موج های مختلف استفاده می شوند و می تواند نماینده در صد نور تابشی مخابره شده یا جذب شده باشد .با استفاده از این اطلاعات و مقایسه آن با با دانسیته ها و داده های به دست آمده می توان اسپکتروسکوپی را به عنوان یک ابزار استفاده کرد .مقایسه طیف ها برای تعیین غلظت جسم حل شده موجود در حلال مثال خوبی است . بدین ترتیب که با ثبت نور ارسال و دریافت شده در طول موج خاص و بررسی طول موج جذب شده توسط حلال می توان به غلظت آن پی برد . سپس آنالیز محلول با غلظت ناشناخته ، با داده های معلوم مقایسه شده و به کمک تناسب غلظت محاسبه می شود .این عمل برای محلول هایی که در انها جندین نوع حلال وجود دارد نیز قابل استفاده است و البته به دقت بیشتری در آنالیز طول موج ها احتیاج دارد . با توجه به حساسیت اسپکتروفتومتر آزمایشگاهی ، FTIR مناسب ترین و رضایت بخش ترین روش آماده سازی نمونه ، تبخیر ساده محلول نمونه در صفحه ای از نمک KBR و دست یافتن به طیف های فیلم نازک باقی مانده است .

این روش طیفی بسیار خوب با خط مبدا مسطح به وجود می آورد .

میان تجهیزات آزمایشگاهی اسپکتروفتومترهای آزمایشگاهی که منبع نور ندارند اما طیف های مبنی بر نور وارده را تولید می کنند      می توانند با روشی مشابه برای تعیین منبع نور استفاده شوند . می توان منحنی طیف های به دست آمده از منبع نوری نامعلوم را با اطلاعات منحنی های منبع نور مشخصی مقایسه کرد و منبع نور ناشناخته را شناسایی کرد .

کاربرد دستگاه اسپکتروفتومتر

کاربرد این دستگاه به موارد کمی محدود نمی‌شود، بلکه فراتر از آن، می‌تواند برای تحلیل‌های کیفی، از جمله شناسایی مواد بر اساس طیف جذب آنها نیز به کار رود. این ویژگی، به خصوص در بخش‌های کنترل کیفی محصولات مختلف در صنایع، بسیار مفید است.

علاوه بر این، نقش مهمی در تحلیل DNA، کشف دارو، نظارت بر محیط زیست، کنترل کیفیت آب و صنایعی مانند داروسازی و تولید مواد غذایی دارند. 

از دیگر کاربرد های اسپکتروفتومتر می توان به تعیین ثابت موازنه واکنش های یونی که در محلول  های آبی انجام می شود اشاره کرد . در ابتدا طیف های محلولی که تنها شامل یک واکنش دهنده است اندازه گیری می شود.سپس دیگر واکنش دهنده ها به آن اضافه      می شود و پس از هر بار افزایش ، طیف سنجی صورت می گیرد .این روش در صورتی به طور مطلوب کار می کند که طول موج جذب شده توسط محصول مقداری مشخص باشد .از آنجا که بیشتر محصولات از اضافه کردن چندین واکنشگر به دست می آیند ، زمانی که محلول اشباع شده و واکنش موازنه می شود نور های بیشتری جذب شده و افزایش نور جذب شده برابر ثابت موازنه است .
این دستگاه‌ها، ابزارهای مفید برای آموزش خواص نور و ماده نیز هستند. به عنوان مثال، با استفاده از این ابزار، افراد می‌توانند طیف جذب یک محلول را ببینند و با آنالیز آن، با ترکیب و خواص مواد آشنا شوند. برای تهیه این دستگاه با گروه آرکا راد تجارت تمای حاصل فرمائید
 

نکات دستگاه اسپکتروفتومتر آزمایشگاهی 
 

 در هنگام نصب دستگاه اسپکتروفتومتر آزمایشگاهی باید به نکات زیر توجه داشت :

• اسپکتروفتومتر آزمایشگاهی باید روی سطحی سفت و در محیطی خشک و تمیز نصب شود
• به جهت امکان جریان هوا در اطراف اسپکتروفتومتر آزمایشگاهی ، باید بین دستگاه و دیوارهای اطراف 50 میلیمتر فاصله باشد
• کابل برق دستگاه به پریز گراند شده با ولتاژ مناسب وصل شود .
• پس از اتصال آداپتور AC به برق ، خروجی آن باید به گونه ای به دستگاه وصل شود که منبع ذخیره DC در مسیر آن قرار گیرد
• در صورتی که خود دستگاه اسپکتروفتومتر فاقد پرینتر است ، باید از طریق پورت مخصوص آن را به پرینتر وصل کرد .
• پس از روشن کردن دستگاه  اسپکتروفتومتر مدتی صبر کرده تا دستگاه گرم شده و به پایداری حرارتی و الکترونیکی برسد .

آموزش کار با دستگاه اسپکتروفتومتر

برای استفاده از دستگاه ، مراحل زیر را دنبال کنید:
•    روشن کردن دستگاه: ابتدا دکمه پاور را فشار داده و صبر کنید تا دستگاه به طور کامل روشن شود و آماده به کار شود.
•    تعیین طول موج: با استفاده از دکمه‌ها یا دستگیره‌های موجود روی دستگاه، طول موج مورد نظر را تعیین کنید.
•    تعیین شدت نور: نمونه مورد نظر را در جای مناسب دستگاه قرار داده و با استفاده از دکمه‌های مناسب، شدت نور را تنظیم کنید.
•    ثبت طیف: با فشار دادن دکمه “اسکن” یا “شروع”، طیف نور از طول موج مورد نظر ثبت خواهد شد. هنگامی که طیف ثبت شد، از دکمه “توقف” برای متوقف کردن فرآیند استفاده کنید.
•    ذخیره داده‌ها: در صورتی که دستگاه این امکان را دارد، می‌توانید داده‌ها را در حافظه داخلی ذخیره کنید. برای ذخیره داده‌ها از دکمه‌های مناسب استفاده نمایید.
•    تحلیل داده‌ها: پس از ثبت طیف نور، می‌توانید با استفاده از نرم‌افزار مربوطه، طیف را تحلیل کرده و از آن برای شناسایی و اندازه‌گیری مواد مختلف استفاده کنید.

سخن آخر

دستگاه‌های اسپکتروفتومتر نقش بسیار مهمی در انواع مختلفی از صنایع و زمینه‌های تحقیقاتی ایفا می‌کنند. این دستگاه‌ها ابزارهای بسیار قدرتمندی هستند که برای تجزیه و تحلیل ترکیبات شیمیایی، شناسایی مواد، اندازه‌گیری غلظت مواد مختلف، و بررسی خواص نوری مورد استفاده قرار می‌گیرند.
با پیشرفت فناوری، این ابزار¬ها مدرن از امکانات و قابلیت‌های بیشتری برخوردار شده‌اند. این دستگاه‌ها معمولاً دارای نرم‌افزارهای پیشرفته‌ای هستند که امکانات تحلیل داده را بهبود می‌بخشند و به کاربران امکان می‌دهند طیف‌های نوری را به صورت دقیق‌تر و سریع‌تر تحلیل کنند.
در نتیجه، اسپکتروفتومترها به عنوان ابزارهایی اساسی در کارخانه‌ها، آزمایشگاه‌ها، مراکز تحقیقاتی و آموزشی، و صنایع مختلفی از جمله شیمی، بیوشیمی، فیزیک، پزشکی، محیط زیست، و فناوری‌های نوین به کار می‌روند و به دانشمندان و محققان امکان تحقیق و پژوهش در زمینه‌های گوناگون را فراهم می‌کنند.

سوالات متداول

1. چگونه اسپکتروفتومتر کار می‌کند؟
این دستگاه نور را از نمونه‌های مختلف عبور داده و سپس مقدار نور جذب یا عبوری را اندازه‌گیری می‌کند.

2. برای چه اهدافی از اسپکتروفتومتر استفاده می‌شود؟
این ابزار برای تجزیه و تحلیل ترکیبات شیمیایی، شناسایی مواد، اندازه‌گیری غلظت مواد و مطالعه خواص نوری مواد استفاده می‌شود.

3. چه نوع ترکیباتی می‌توان با استفاده از اسپکتروفتومتر تجزیه کرد؟
دستگاه قادر به تجزیه و تحلیل انواع مختلف ترکیبات شیمیایی از جمله مواد آلی، معدنی، و بیولوژیکی است.

4. آیا اسپکتروفتومتر فقط برای آزمایشگاه‌ها مناسب است؟
   خیر، می¬توان در صنایع مختلف از جمله شیمی، بیوشیمی، پزشکی، محیط زیست و غذایی نیز استفاده نمود.