در این آموزش قصد داریم تا در خصوص برهم‌کنش‌ پرتوهای فرابنفش، مرئی و مادون قرمز با ماده به بحث بپردازیم. از آنجایی که این روش‌ها همگی از مواد نوری (اپتیکی) برای پخش و متمرکز کردن پرتو‌ها استفاده می‌کنند، آن‌ها را با نام طیف سنجی اپتیکی می‌شناسند. برای سادگی، می‌توان از عبارت «طیف‌ سنجی» (Spectroscopy) بدون استفاده از واژه اپتیک بهره برد. البته توجه داشته باشید که در این مقاله سعی داریم تا به زبان ساده، مروری کلی بر علم طیف سنجی داشته باشیم.

فارغ از نوع دستگاه‌های مورد استفاده، تمامی روش‌های طیف سنجی ویژگی‌های مشترک بسیاری دارند. قبل از این‌که به مثال‌های مشخص بپردازیم، بهتر است این ویژگی‌های مشترک و شباهت‌ها را با هم بررسی کنیم. تمرکز این مقاله بر ویژگی‌های مشترک در روش‌های طیف سنجی است چراکه با دانستن این ویژگی‌ها، فهم این دانش، ساده‌تر خواهد بود.

تابش الکترومغناطیس در طیف سنجی

«تابش الکترومغناطیس»‌ (Electromagnetic Radiation) نوعی از انرژی است که رفتار آن با هر دو خواص موج و ذره توصیف می‌شود. اگر نور را نوعی موج در نظر بگیرم، برخی از خواص تابش الکترومغناطیس همچون شکست آن‌ها به هنگام عبور از فضاهای مختلف را ساده‌تر می‌توان توصیف کرد. دیگر خواص همچون «گسیل» (Emission) و «جذب» (Absorption) را با در نظر گرفتن نور به عنوان ذره می‌توان توضیح داد. ذات اصلی تابش‌های الکترومغناطیس، از گذشته تا به امروز یعنی از زمان توسعه مکانیک کوانتوم در اوایل قرن نوزدهم، همچنان ناشناخته باقی مانده است. با این وجود، مفهوم دوگانگی موج-ذره، روش مناسبی برای توصیف تابش‌های الکترومغناطیس به شمار می‌آید.

خواص موجی تابش‌های الکترومغناطیس

تابش‌های الکترومغناطیس متشکل از نوسان میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی هستند که در فضا و در طول یک مسیر خطی با سرعت ثابت منتشر می‌شوند. در محیط خلاء، این پرتوها با سرعت نور $$(c)$$ و در حدود $$2.99792 \times 10 ^ 8$$ متر بر ثانیه انتقال می‌یابند. زمانی که تابش‌های الکترومغناطیس از محیطی به جز خلا عبور کنند، سرعت آن‌‌ها را با $$v$$ نشان می‌دهند که این سرعت، از سرعت $$c$$ کمتر است اما اختلافی ناچیز و زیر ده درصد دارد. البته مقدار سرعت نور را به طور معمول در حدود $$3 \times 10 ^ 8$$ متر بر ثانیه ذکر می‌کنند.

میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به صورت عمود برهم و با جهت انتشار موج، نوسان می‌کنند. تصویر زیر، نمونه‌ای از یک تابش الکترومغناطیس است که از یک نوسانگر میدان مغناطیسی و یک نوسانگر میدان الکتریکی تشکیل می‌شود.

طیف سنجی

یک موج الکترومغناطیس را با خواص اساسی مختلفی توصیف می‌کنند. این خواص عبارتند از: سرعت، «دامنه» (Amplitude)، فرکانس، زاویه فازی، قطبیدگی (قطبش) و جهت انتشار. به طور مثال، دامنه یک موج الکتریکی در حال نوسان را در هر نقطه در طول انتشار موج با رابطه زیر نشان می‌دهند:

$$A _ { \mathrm { t } } = A _ { \mathrm { e } } \sin ( 2 \pi \nu t + \Phi )$$

که در رابطه بالا:

  • $$A_t$$: بزرگی میدان الکتریکی در زمان $$t$$
  • $$A_e$$: ماکزیمم دامنه میدان الکتریکی
  • $$\nu$$: فرکانس موج
  • $$\Phi$$: زاویه فاز که توضیح می‌دهد $$A_t$$ در زمان $$t=0$$ می‌تواند مقداری به غیر صفر داشته باشد.

معادله مشابهی نیز برای میدان مغناطیسی به شکل زیر تعریف می‌شود:

$$A _ { \mathrm { t } } = A _ { \mathrm { m } } \sin ( 2 \pi \nu t + \Phi )$$

که در رابطه بالا، $$A_m$$، ماکزیمم دامنه میدان مغناطیسی است.

خواص کاربردی دیگری نیز برای توصیف رفتار یک موج الکترومغناطیسی مورد استفاده قرار می‌گیرند که از آن‌جمله می‌توان به طول موج اشاره کرد. طول موج که آن را با $$\lambda $$ نشان می‌دهند، به صورت فاصله بین دو قله موج تعریف می‌شود. طول موج را برای تابش‌های الکترومغناطیس همچون فرابنفش و نور مرئی، با واحد نانومتر و برای مادون قرمز با واحد میکرومتر بیان می‌کنند. رابطه بین طول موج و فرکانس در زیر آورده شده است:

$$\lambda = \frac { c } { \nu }$$

توجه داشته باشید زمانی که یک تابش الکترومغناطیس از فضای متفاوتی عبور کند، به طور مثال از هوا به آب، فرکانس آن ثابت می‌ماند. از‌ آنجایی که سرعت، وابسته محیط عبوری است، برای اینکه فرکانس ثابت باشد،‌ طول موج تغییر می‌کند. اگر به جای سرعت تابش الکترومغناطیس در خلاء، سرعت آن‌را در فضای عبوری بنویسیم و آن را با $$v$$ نشان دهیم، رابطه طول موج به صورت زیر خواهد بود. این تغییر در طول موج، پدیده شکست را که در ابتدا به آن اشاره کردیم، توضیح می‌دهد.

$$\lambda = \frac { v } { \nu }$$

واحد کاربردی دیگری که از آن برای توصیف تابش‌های الکترومغناطیس بهره می‌گیریم، «عدد موج» (Wavenumber) یا معکوس طول موج است. از این رابطه بیشتر برای توصیف اشعه فروسرخ استفاده می‌شود و واحد آن «برسانتیمتر» $$(cm^ {-1})$$ است:

$$\overline{ν} = \dfrac{1}{λ}$$

مثال

در سال 1817، «جوزف فرانهوفر» (Josef Franhofer) طیف تابشی نور خورشید را مورد مطالعه قرار دارد و طیفی پیوسته را با تعداد بسیار زیادی خطوط تیره مشاهده کرد. او این خطوط را با حروفی برچسب‌گذاری کرد. در سال 1859، «گوستاو کیرشهف» (Gustav Kirchhoff)، خطی را نشان داد و بیان کرد که این خط تیره به جهت جذب پرتو خورشید توسط اتم‌های سدیم ایجاد شده‌ است. طول موج این خط برابر با 589 نانومتر بود. فرکانس و عدد موج برای این خط را محاسبه کنید.

فرکانس: $$ν = \dfrac{c}{λ} = \mathrm{\dfrac{3.00×10^8\: m/s}{589×10^{−9}\: m} = 5.09×10^{14}\: s^{−1}}$$

عدد موج: $$\overline{ν} = \dfrac{1}{λ} = \mathrm{\dfrac{1}{589×10^{−9}\: m} × \dfrac{1\: m}{100\: cm} = 1.70×10^4\: cm^{−1}}$$

خواص ذره‌ای تابش الکترومغناطیس در طیف سنجی

زمانی که یک ماده، تابش الکترومغناطیس را جذب می‌کند، دچار تغییر انرژی می‌شود. برای سادگی فهم برهم‌کنش‌ها بین ماده و تابش الکترومغناطیس، فرض می‌کنیم که این تابش‌ها شامل پرتو‌هایی با ذره‌هایی دارای انرژی موسوم به «فوتون» (Photon) هستند. زمانی که یک فوتون توسط نمونه‌ای جذب شود، از بین می‌رود و انرژی آن به نمونه جذب می‌شود. انرژی فوتون که با ژول نشان می‌دهند را می‌توان به فرکانس، طول موج و عدد موج توسط رابطه زیر مرتبط کرد:

$$E = h \nu = \frac { h c } { \lambda } = h c \bar { \nu }$$

در رابطه بالا، $$h$$ ثابت پلانک و مقدار آن برابر با $$6.626 \times 10 ^ {-34}$$ ژول-ثانیه است.

مثال

انرژی فوتون برای خط تیره مثال قبل، موسوم به خط D سدیم را محاسبه کنید.

$$E = \frac { h c } { \lambda } = \frac { \left( 6.626 \times 10 ^ { – 34 } \mathrm { J } \cdot \mathrm { s } \right) \left( 3.00 \times 10 ^ { 8 } \mathrm { m } / \mathrm { s } \right) } { 589 \times 10 ^ { – 9 } \mathrm { m } } = 3.37 \times 10 ^ { – 19 } \mathrm { J }$$

طیف الکترومغناطیس

فرکانس و طول موج تابش‌های الکترومغناطیس، با یکدیگر متفاوت هستند. برای سادگی کار، تابش‌های الکترومغناطیس را به نواحی مختلفی موسوم به «طیف الکترومغناطیس» (Electromagnetic Spectrum) تقسیم می‌کنیم. این تقسیم‌بندی بر اساس نوع حالت گذار اتمی و مولکولی است که سبب جذب یا گسیل فوتون می‌شود و در تصویر زیر به این طیف اشاره شده است. توجه داشته باشید که مرز‌بندی بین نواحی مختلف طیف الکترومغناطیس به صورت گسسته نیست و هم‌پوشانی‌هایی بین این نواحی قابل مشاهده است.

طیف سنجی

فوتون‌ها منبعی از علائم

در بخش قبل، در خصوص خواص تابش الکترومغناطیس صحبت کردیم که این خواص عبارت بودند از: انرژی، سرعت، دامنه، فرکانس، زاویه فاز، قطبیدگی و جهت انتشار. محاسبات طیف‌ سنجی تنها زمانی میسر خواهد بود که برهم‌کنش‌های فوتون با نمونه، منجر به تغییر در یکی یا بیشتر از این خواص شوند. طیف سنجی را به طور معمول به دو دسته بسیار بزرگ از روش‌ها تقسیم می‌کنند. یکی از این دسته‌ها شامل انتقال انرژی بین فوتون و نمونه است که جدول زیر، فهرستی از مثال‌های این روش را ارائه می‌دهد:

نوع انتقال انرژی محدوده طیف الکترومغناطیس روش طیف‌ سنجی
جذب اشعه $$\gamma$$ «طیف‌ سنجی موسباور» (Mossbauer Spectroscopy)
اشعه $$X$$ طیف جذبی اشعه $$X$$
$$UV$$ و طیف مرئی طیف‌ سنجی جذب اتمی

طیف‌ سنجی ماورای بنفش

مادون قرمز طیف‌ سنجی مادون قرمز

طیف‌ سنجی رامان

مایکروویو طیف‌ سنجی مایکروویو
امواج رادیویی رزونانس اسپین الکترون

رزونانس مغناطیسی هسته

گسیل (برانگیختگی حرارتی) $$UV$$ و طیف مرئی گسیل اتمی
فوتولومینانس اشعه $$X$$ فلورسانس اشعه $$X$$
$$UV$$ و طیف مرئی فلورسانس

فسفرسانس

فلورسانس اتمی

پرتوافشانی شیمیایی $$UV$$ و طیف مرئی پرتوافشانی شیمیایی

طیف‌ سنجی جذبی

در «طیف‌ سنجی جذبی» (Absorption Spectroscopy)، یک فوتون توسط یک اتم یا مولکول جذب می‌شود. در اثر این جذب، حالت گذاری از انرژی پایین به انرژی بالاتر یا «حالت برانگیخته» (Excited State) وجود دارد. به طور مثال، در تصویر زیر نشان داده شده است که جذب یک فوتون از نور مرئی، یکی از الکترون‌های لایه ظرفیت اتم یا مولکول را به سطح انرژی بالاتری می‌رساند. لازم به ذکر است زمانی که مولکولی، اشعه مادون قرمز را جذب می‌کند، یکی از پیوندهای شیمیایی آن تغییری در انرژی ارتعاشی را تجربه می‌کند.

طیف سنجی

جذب و گسیل فوتون

تصویر بالا به صورت خیلی ساده، جذب و گسیل یک فوتون را توسط اتم یا مولکول نشان می‌دهد. زمانی که یک فوتون با انرژی $$h\nu$$ به اتم یا مولکولی برخورد کند، اگر اختلاف انرژی بین حالت پایه و برانگیخته موسوم به $$\Delta E$$، با انرژی فوتون برابر باشد، جذب رخ می‌دهد. این اتم یا مولکول برانگیخته می‌تواند فوتون آزاد کند و به حالت پایه خود برسد. در این حالت نیز، انرژی فوتون با اختلاف انرژی $$\Delta E$$ برابر است.

زمانی که ماده، تابش الکترومغناطیس را جذب می‌کند، تعداد فوتون‌هایی که از نمونه گذر می‌کنند کاهش می‌یابند. اندازه‌گیری این میزان کاهش، موسوم به «مقدار جذب» (Absorbance)، یک ابزار تحلیلی قوی است. توجه داشته باشید که هر یک از سطوح انرژی در تصویر قبل، مقدار مشخصی دارد چراکه این سطوح، کوانتیزه (کوانتیده) هستند.

همانطور که گفته شد، جذب تنها زمانی انجام می‌شود که انرژی فوتون با اختلاف انرژی بین دو سطح برابر باشد. نمودار مقدار جذب به عنوان تابعی از انرژی فوتون موسوم به «طیف مقدار جذبی» (Absorbance Spectrum) است که نمونه‌ای از این نمودار را برای نوعی آب‌میوه (زغال‌اخته) در تصویر زیر ملاحظه می‌کنید. رنگ‌های حاوی «آنتوسیانین» (Anthocyanin)، در آب‌میوه، نورهای مرئی با طول موج‌های آبی، سبز و زرد را جذب می‌کنند. در نتیجه، رنگ این آب‌میوه قرمز است.

طیف سنجی

زمانی که یک اتم یا مولکول برانگیخته، به حالت پایه انرژی برگردد، انرژی اضافی به طور معمول به شکل فوتون آزاد می‌شود که به این فرآیند، گسیل می‌گویند. راه‌های مختلفی وجود دارد که از طریق آن، یک اتم به حالت برانگیخته می‌رسد که شامل انرژی حرارتی، جذب یک فوتون یا به کمک یک واکنش شیمیایی است. به فرآیند گسیلی که بعد از جذب یک فوتون صورت بگیرد،‌ «فوتولومینانس» (Photoluminance) می‌گویند و اگر این گسیل توسط یک واکنش شیمیایی انجام شده باشد، با نام «پرتو‌افشانی شیمیایی» (Chemiluminescence) شناخته می‌شود. نمونه‌ای از طیف گسیل را در تصویر زیر می‌بینید.

طیف سنجی

تصویر بالا، طیف نوعی ماده شیمیایی را نشان می‌دهد. این ماده، یک پیک گسترده (پهن) در طول موج ۴۰۰ نانومتری دارد. قله (پیک) تیزی که در طول موج 409 نانومتری وجود دارد، ناشی از منبع لیزر برای برانگیخته کردن ماده شیمیایی است. باند گسترده‌ای که در حدود ۵۰۰ نانومتری دیده می‌شود، باند گسیل ماده به شمار می‌آید. از آن‌جایی که ماده، نور آبی را جذب می‌کند، محلول شامل این ماده، در غیاب فوتولومینانس، رنگی زرد دارد. گسیل فوتولومینانس آن به رنگ سبز-آبی قابل مشاهده است.

دسته دوم روش‌های طیف سنجی

روش‌های طیف سنجی در دسته دوم، مربوط به تغییر در دامنه، زاویه فاز، قطبیدگی و جهت انتشار هستند که در نتیجه شکست، انعکاس، پراکندگی، «انکسار»‌ (Diffraction) یا «پخش‌شوندگی» (Diffusion) ماده بوجود می‌آیند. در جدول زیر،‌ روش‌های مختلف این نوع از طیف سنجی آورده شده است:

محدوده طیف الکترومغناطیس نوع برهم‌کنش روش طیف‌ سنجی
اشعه $$X$$ انکسار اشعه $$X$$
ماورا بنفش و طیف مرئی «تجزیه» (Refraction) «انکسارسنجی» (Refractometry)
«پراکندگی» (Scattering) «نفلومتری» (Nephelometry)
«پراش» (Dispersion) «پراش چرخشی نوری» (Optical Rotary Dispersion)

اجزای اصلی دستگاه طیف سنجی

روش‌های طیف سنجی که در دو جدول ارائه شدند،‌ از ابزارهایی استفاده می‌کنند که در بسیاری از اجزا مشترک هستند که از آن‌جمله می‌توان به منبع انرژی، ابزاری برای ایزوله کردن دامنه باریک طول موج، آشکارسازی برای اندازه گیری سیگنال و یک پردازشگر سیگنال جهت نمایش سیگنال برای بررسی ساده‌تر اشاره کرد. در ادامه نیز به این اجزای اصلی خواهیم پرداخت.

منبع انرژی در دستگاه طیف سنجی

تمامی اشکال طیف سنجی به منبعی از انرژی نیاز دارند. در طیف سنجی جذبی و پراکندگی، این انرژی از طریق فوتون‌ها تامین می‌شود. طیف‌سنجی‌های شامل گسیل و فوتولومینانس نیز از انرژی‌های حرارتی، فوتون یا شیمیایی استفاده می‌کنند تا آنالیت را به حالت مناسبی از برانگیختگی برسانند.

منبع تابش الکترومغناطیس

یک منبع تابش الکترومغناطیس باید خروجی را فراهم کند که شدید و پایدار باشد. این منابع را به صورت منبع «پیوستار» (Continuum) یا خطی طبقه‌بندی می‌کنند. یک منبع پیوستار، تابش‌ها را با دامنه‌ای وسیع از طول موج‌ها گسیل می‌کند که تغییرات ملایمی در شدت آن وجود دارد. در مقابل، یک منبع خطی، تابش‌ها را با طول موج‌های انتخابی گسیل می‌کند. در تصاویر زیر، منابع پیوستار و خطی نشان داده شده‌اند.

نمودار زیر مربوط به طیف گسیل‌ شده از یک LED آبی است. که یک گسیل پیوستار را از طول موج با دامنه 530 تا 640 نانومتر شامل می‌شود.

طیف سنجی

همچنین، نمودار زیر، طیف گسیل شده از یک «لامپ کاتدی توخالی» (Hollow Cathode Lamp) مس را نشان می‌دهد. این طیف شامل هفت خط مجزا است که دو خط اول تنها در حدود 0/4 نانومتر با یکدیگر تفاوت دارند و در نمودار به خوبی مشخص نیستند.

طیف سنجی

در جدول زیر، فهرستی از معمول‌ترین منابع تابش الکترومغناطیس آورده شده است:

منبع محدوده طول موج کاربرد
لامپ‌های $$H_2$$ و $$D_2$$ منبع پیوستار از 160-380 نانومتر جذب مولکولی
لامپ تنگستن منبع پیوستار از 320-2400 نانومتر جذب مولکولی
لامپ زنون منبع پیوستار از 200-1000 جذب مولکولی
لامپ نرنست منبع پیوستار از 0/4-20 میکرومتر جذب مولکولی
«گلوبار» (Globar) منبع پیوستار از 1-40 میکرومتر جذب مولکولی
«سیم نیکروم» (Nichrome Wire) منبع پیوستار از 0/75-20 میکرومتر جذب مولکولی
لامپ کاتدی توخالی منبع خطی در طیف مرئی/ماورا بنفش جذب مولکولی
لامپ بخار جیوه  منبع خطی در طیف مرئی/ماورا بنفش فلورسانس مولکولی
لیزر  منبع خطی در طیف مرئی/ماورا بنفش/مادون قرمز جذب مولکولی و اتمی، فلورسانس و پراکندگی

منبع انرژی حرارتی

از اصلی‌ترین منابع انرژی حرارتی می‌توان به شعله و پلاسما اشاره کرد. شعله‌ از احتراق یک سوخت و یک اکسنده برای دستیابی به دمای 1700 تا 3100 درجه سانتیگراد استفاده می‌کند. پلاسما که گازی گرم و یونیزه است، دمایی در حدود 5700 تا 9700 درجه سانتیگراد را تامین می‌کند.

منابع شیمیایی انرژی

واکنش‌های گرماده را می‌توان به عنوان منبعی از انرژی در نظر گرفت. در پرتوافشانی شیمیایی، آنالیت (ماده مورد نظر) را به کمک واکنش‌های شیمیایی به حالات انرژی بالاتر می‌رسانند. به هنگام برگشت به حالت انرژی پایه،‌ آنالیت، پرتوهای مشخصی را گسیل می‌کند. اگر این واکنش شیمیایی، حاصل از واکنش‌های بیولوژیکی یا آنزیمی باشد، به گسیل پرتوهای آن، «زیست‌تابی» (Bioluminescence) می‌گویند. «چراغ‌های اضطراری» (Light Sticks) و روشنایی کرم شب‌تاب، نمونه‌هایی از پرتوافشانی شیمیایی و زیست‌تابی هستند.

انتخاب طول موج در طیف سنجی

فرض کنید نمونه‌ای از ماده را به همراه چندین محلول استاندارد داشته باشیم که به صورت جداگدانه در لوله‌های آزمایش ریخته شده باشند. همانطور که در تصویر نشان داده شده است، بعد از اضافه کردن معرف (ریجنت) و فرصت دادن به نمونه برای تغییر رنگ، یک کارشناس، رنگ محلول را با عبور یک نور طبیعی از ته لوله و مشاهده محلول از بالا ارزشیابی می‌کند. با تطبیق رنگ نمونه با محلول استاندارد،‌ کارشناس می‌تواند غلظت ماده مورد نظر در نمونه را پیدا کند.

طیف سنجی

در تصویر بالا که به روش «نسلر» (Nessler) معروف است،‌ نور از پایین به نمونه و محلول استاندارد تابیده می‌شود و تغییر رنگ ایجاد شده، تفاوت دو محلول را آشکار می‌سازد. برای دستیابی به غلظت ماده نمونه،‌ باید محلول‌های استاندارد مختلفی را مورد آزمایش قرار داد تا رنگ هر دو محلول با یکدیگر مطابقت داشته باشند و از طریق اطلاعات محلول استاندارد بتوان به غلظت آنالیت پی برد.

در تصویر بالا، تمامی طول موج‌های منبع نوری، از داخل نمونه گذر می‌کنند. اگر تنها یک ذره جاذب وجود داشته باشد مشکلی نخواهیم داشت. اما اگر دو جزء در نمونه، طول موج‌های مختلفی را جذب کنند، در آن‌صورت تحلیل مقداری به کمک روش نسلر امکان‌پذیر نخواهد بود. در حقیقت می‌خواهیم طول موجی را انتخاب کنیم که آنالیت ما تنها آن را جذب کند. متاسفانه امکان جداسازی و ایزوله کردن یک طول موج تنها در منابع پیوستار وجود ندارد.

انتخاب‌گر طول موج

همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، یک «انتخاب‌گر طول موج» (Wavelength Selector) از یک باند باریک تابش گذر می‌کند. این انتخاب‌گر، با «طول موج اسمی» (Nominal Wavelength)، «پهنای باند موثر» (Effective Bandwidth) و یک توان تابش توصیف می‌شود. پهنای باند موثر را به صورت پهنای تابش در وسط توان ماکزیمم ( Maximum Throughput) تعریف می‌کنند.

طیف سنجی

یک انتخاب‌گر ایده‌آل، توان تابش بالا و پهنای باند محدود (باریک) دارد. دلیل نیاز به توان تابش بالا در این است که سبب می‌شود تا فوتون‌های بیشتری از انتخاب‌گر گذر کنند. در نهایت، این امر موجب تقویت سیگنال و کاهش «نویز زمینه» (Background Noise) خواهد بود. پهنای باند موثر محدود، تفکیک (دقت) بیشتری را به همراه دارد.

تاثیر باند موثر بر تفکیک

در تصویر زیر اثر پهنای باند موثر محدود بر «تفکیک» (Resolution) و نویز نشان داده شده است. طیفی که پهنای‌باند موثر محدودی دارد، تفکیک بهتری بدست می‌دهد و به ما کمک می‌کند تا به طور مشخص، سه پیک را در طیف تشخیص دهیم اما می‌بینیم که سیگنال ما نویز بیشتری دارد. در مقابل، طیفی که پهنای باند موثر آن بزرگتر است، نویز کمتری دارد اما هیچ تفکیک مشخصی را نمی‌توان بین سه پیک شناسایی کرد. به طور معمول برای تحلیل کیفی، تفکیک، مهم‌تر از نویز و پهنای باند موثر کوچک‌تر، مطلوب‌تر است. در مقابل، در تحلیل کمی، نویز کمتری مد نظر قرار می‌گیرد.

طیف سنجی

انتخاب طول موج به کمک فیلتر‌ها

ساده‌ترین روش برای ایزوله کردن یک باند محدود تابش، استفاده از فیلترهای جذبی یا «فیلترهای تداخلی» (Interference Filters) است. فیلترهای جذبی، به صورت انتخابی، تابش‌ها را از یک منطقه محدود (باریک) طیف الکترومغناطیس جذب می‌کنند. فیلترهای تداخلی از تداخل «سازنده» (Constructive) یا «تخریبی» (Destructive) برای ایزوله کردن طول موج‌ها استفاده می‌کنند.

یک نمونه ساده از فیلتر جذبی، شیشه‌ای رنگی است. به طور مثال، یک فیلتر بنفش، رنگ مکمل سبز را از ۵۰۰-۵۶۰ نانومتر حذف می‌کند. فیلترهای تجاری، پهنای باند موثری بین 30 تا 250 نانومتر فراهم می‌کنند و حداقل توان آن‌ها در حدود ۱۰ درصد شدت منبع گسیل‌کننده است. فیلترهای تداخلی، گران‌تر از فیلتر‌های جذبی هستند و پهنای باند موثری بین 10-20 نانومتر دارند و حداقل توان آن‌ها ۴۰ درصد ذکر می‌شود.

انتخاب طول موج به کمک مونوکروماتورها

استفاده از فیلترها با محدودیت همراه است. از آن‌جایی که یک فیلتر تنها یک طول موج اسمی دارد، اگر بخواهیم سنجشی بر اساس دو طول موج مختلف داشته باشیم باید از دو فیلتر مختلف استفاده کنیم. یک «مونوکروماتور» (Monochromator)، روشی جایگزین برای انتخاب باند محدود تابش است و همچنین این امکان را دارد که بتوانیم به طور پیوسته طول موج اسمی را تغییر دهیم.

شمای کلی از یک مونوکروماتور در تصویر زیر نشان داده شده است. تابش‌های منبع از طریق یک شکاف به مونوکروماتور وارد می‌شوند. تابش‌ها توسط یک «آینه موازی کننده» (Collimating Mirror) دریافت می‌شوند که در نهایت، پرتوهای تابشی را به «توری پراش» (Diffraction Grating) انعکاس می‌دهد. توری پراش، یک سطح انعکاس‌دهنده است که از تعداد زیادی شیارهای موازی تشکیل شده است. توری پراش، پرتوها را پراکنده می‌کند و آینه دومی، این پرتوها را بر روی یک سطح مسطح شکافدار متمرکز می‌کند. در برخی مونوکروماتورها از یک منشور به جای توری پراش استفاده می‌شود.

طیف سنجی

پرتو پس از خروج از مونوکروماتور، از یک آشکارساز عبور می‌کند. همانطور که در تصویر نشان داده شده است، یک مونوکروماتور،‌ منبع تابش «چندرنگ» (Polychromatic) را در ورودی شکاف دریافت می‌کند و آن را به یک پرتو «تک‌رنگ» (Monochrimatic) با پهنای باند موثر محدود تبدیل می‌کند. اینکه چه طول موجی از مونوکروماتور خارج شود، به کمک چرخش توری پراش مشخص می‌شود. هرقدر شکاف خروجی باریک‌تر باشد، پهنای باند موثرِ باریک‌تر با تفکیک بیشتری خواهیم داشت.

مونوکروماتورها را به دو دسته «طول موج ثابت» (Fixed Wavelength) یا «پیمایشی» (Scanning) طبقه‌بندی می‌کنند. در یک مونوکروماتور طول موج ثابت، می‌توان به کمک چرخش توری پراش، طول موج را انتخاب کرد. به طور معمول، یک مونوکروماتور طول موج ثابت، زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که نیاز به تحلیل کمی یک یا دو طول موج داشته باشیم. یک مونوکروماتور پیمایشی شامل مکانیسمی حرکتی است که به طور پیوسته توری پراش را می‌چرخاند و سبب عبور طول‌ موج‌های مختلف و خروج از شکاف می‌شود. از این نوع مونوکروماتورها به منظور بدست آوردن طیف‌های مختلف بهره می‌گیرند و اگر در حالت طول موج ثابت استفاده شوند، برای تحلیل‌های کمی نیز کاربرد دارند.

تداخل‌سنج‌ها در طیف سنجی

یک «تداخل‌سنج» (Interferometer) روشی جایگزین برای انتخاب طول موج ارائه می‌دهد. این ابزار،‌ به جای فیلتر یا پراکنده کردن تابش الکترومغناطیس، به تمامی طول موج‌ها اجازه می‌دهد تا به طور همزمان به آشکارساز برسند. پرتو تابشی از منبع، به روی یک «پرتوشکن»  (Beam Splitter) متمرکز می‌شود که نیمی از پرتو‌ها را به یک آینه ثابت منعکس می‌کند و نیم دیگر را به آینه‌ای متحرک انتقال می‌دهد. پرتو تابشی، مجددا در پرتوشکن ترکیب خواهد شد و تداخل‌‌های سازنده و تخریبی، شدت پرتو در آشکارساز را برای هر طول موج تعیین می‌کنند. با تغییر محل آینه، طول موج نور دریافت‌کننده بیشترین تداخل تخریبی و سازنده نیز تغییر می‌کند. سیگنال در آشکارساز، شدت پرتو را به صورت تابعی از محل آینه متحرک بر حسب زمان یا مکان نشان می‌دهد. نتیجه حاصل، موسوم به «تداخل‌نگاره» (Interferogram) یا طیف حوزه زمانی است. این طیف حوزه زمانی توسط تبدیل فوریه به یک طیف دامنه فرکانسی تبدیل می‌شود که شدت پرتو را به عنوان تابعی از انرژی تابش نشان می‌دهد.

طیف سنجی

در مقایسه با مونوکروماتور، یک تداخل‌سنج دو مزیت اساسی دارد. اولین ویژگی که آن را با نام «ویژگی ژاکویینو» (Jacquinot’s Advantage) می‌شناسند، «توان» (Throughput) منبع تابش است. از آن‌جایی که تداخل‌سنج، شکاف ندارد و اجزای اپتیکی کمتری در آن وجود دارند تا تابش‌ها پراکنده شوند و از بین بروند،‌ توان تابشی که به آشکارساز می‌رسد، ۸۰ تا ۲۰۰ برابر نسبت به مونوکروماتور بیشتر است. در نتیجه این امر، نویز کمتری خواهیم داشت.

ویژگی دوم موسوم به «ویژگی فلژیت» (Fellgett’s Advantage) است که موجب صرف زمان کمتر برای دست‌یابی به طیف مورد نظر خواهد بود. به دلیل اینکه آشکارساز، کلیه فرکانس‌ها را به طور همزمان کنترل می‌کند، یک طیف کامل در حدود 1 ثانیه ثبت می‌شود اما در مقایسه، مونوکروماتور پیمایشی به زمانی در حدود ۱۰ تا ۱۵ دقیقه برای این کار نیاز دارد.

آشکارسازها در طیف سنجی

در روش نسلر که برای مشخص کردن غلظت یک ماده به کار می‌رفت، چشم کارشناس، نقش آشکارساز را ایفا می‌کرد تا عمل تطبیق رنگ نمونه با محلول استاندارد را انجام دهد. البته چشم انسان، دید محدودی دارد و فقط در دامنه طیف مرئی عمل می‌کند و دقت بالایی هم ندارد. آشکارساز‌های مدرن، یک «مبدل» (Transducer) حساس را مورد استفاده قرار می‌دهند که سیگنال حاوی فوتون را به سیگنال‌های قابل اندازه‌گیری الکتریکی تبدیل می‌کند. در حالت ایده‌ال، سیگنال آشکار ساز $$(S)$$، تابعی خطی از قدرت تابش الکترومغناطیس $$(P)$$ است:

$$S = k P + D$$

در رابطه بالا:

  • $$k$$: حساسیت آشکارساز
  • $$D$$: «جریان تاریکی» (Dark Current) آشکارساز یا جریان زمینه‌ به هنگامی است که از رسیدن تابش الکترومغناطیس به آشکارساز جلوگیری می‌کنیم.

دو دسته بزرگ از مبدل‌های طیف سنجی وجود دارند: «مبدل‌های حرارتی» (Thermal Transducer) و «مبدل‌های فوتونی» (Photon Transducer). جدول زیر نمونه‌های مختلفی از مبدل‌ها را نشان می‌دهد. لازم به ذکر است که واژه «مبدل»‌ (Transducer)، به تمامی دستگاه‌هایی اطلاق می‌شود که خواص شیمیایی یا فیزیکی را به یک سیگنال قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کنند. به طور مثال، شبکیه چشم انسان یک مبدل است که فوتون‌ها را به پالس‌های الکتریکی عصبی تبدیل می‌کند.

مبدل طبقه‌بندی دامنه طول موج سیگنال خروجی
فوتوتیوب فوتون 1000-200 نانومتر سیگنال جریان
«افزاینده فوتوالکتریک» (Photomultiplier) فوتون 1000-110 نانومتر سیگنال جریان
فوتودیود Si فوتون 1100-250 نانومتر سیگنال جریان
فوتوکنداکتور فوتون 6000-750 نانومتر تغییر در مقاومت
سلول فتوولتائی فوتون 5000-400 نانومتر سیگنال جریان یا ولتاژ
تروکوپل حرارتی 40-0/8 میکرومتر سیگنال ولتاژ
ترمیستور حرارتی 1000-0/8 میکرومتر تغییر در مقاومت
«بادی» (Pneumatic) حرارتی 1000-0/8 میکرومتر جابجایی غشایی
پیروالکتریک حرارتی 1000-0/3 میکرومتر سیگنال جریان

مبدل‌های فوتونی

«فوتوتیوب‌ها» (Phototubes) و «افزاینده‌های فوتوالکتریک» (Photomultipliers)، دارای سطح حساس به فوتون هستند که تابش‌های فرابنفش، مرئی و نزدیک به مادون قرمز را جذب و جریان الکتریکی متناسب به تعداد فوتون‌های رسیده به مبدل تولید می‌کنند. سایر آشکارسازهای فوتون از نیمه‌هادی‌ها به عنوان سطوح حساس بهره می‌گیرند. زمانی که یک نیمه‌هادی، فوتونی را جذب کند، الکترون‌های لایه ظرفیت به طرف «باند رسانش» (Conduction Band) نیمه‌هادی حرکت و جریانی قابل اندازه‌گیری تولید خواهند کرد.

گروه‌های فوتودیود ممکن است به صورت یک آرایه خطی شامل 64-2048 فوتودیود مجزا تشکیل شوند که هر دیود، پهنای برابر با 25 میکرومتر خواهد داشت. به طور مثال، یک آرایه خطی از 2048 دیود به فضایی خطی برابر با 51/2 میلیمتر نیاز دارد. با قرار دادن آرایه فوتودیودها در طول مونوکروماتور، می‌توان یک دامنه کامل از طول موج‌ها را مورد بررسی قرار داد.

افزاینده فوتوالکتریک

تصویر زیر یک افزاینده فوتوالکتریک را نشان می‌دهد. فوتون، یک «کاتد گسیل نوری» (Photoemissive Cathode) ‌را مورد حمله قرار می‌دهد و سبب تولید الکترونی می‌شود که به طرف «دینود» (Dynode) با بار مثبت شتاب می‌گیرد. برخورد این الکترون‌ها با دینودها، الکترون‌های دیگری را تولید می‌کند که به طرف دینود دیگر شتاب‌گیری می‌کنند. در نهایت، حدود $$10^6$$ تا $$10^7$$ الکترون در هر فوتون به آند می‌رسند و موجب تولید جریان الکتریکی می‌شوند.

طیف سنجی

مبدل‌های حرارتی در طیف سنجی

فوتون‌های مادون قرمز، انرژی کافی ندارند تا بتوانند به کمک مبدل‌های فوتونی، جریان الکتریکی قابل اندازه‌گیری تولید کنند. در نتیجه، از مبدل‌های حرارتی برای طیف سنجی مادون قرمز بهره می‌گیرند. جذب فوتون‌های مادون قرمز توسط یک مبدل حرارتی، دمای آن‌را افزایش می‌دهد و موجب تغییر یکی با بیشتر از خواص مشخص آن می‌شود.

به طور مثال، یک «مبدل بادی» (Pneumatic Transducer)، لوله‌ای کوچک از گاز زنون به همراه یک پنجره شفاف مادون قرمز در یک طرف و غشایی انعطاف‌پذیر در بخش دیگر است. فوتون‌ها به داخل لوله وارد و توسط یک سطح سیاه جذب می‌شوند و دمای گاز را افزایش می‌دهند. دما در داخل لوله نوسان دارد، همچنین گاز منبسط و منقبض می‌شود و غشای انعطاف‌پذیر شروع به حرکت به سمت داخل و خارج می‌کند. درنهایت، با جابجایی‌های غشا، سیگنال الکتریکی تولید خواهد شد.

پردازشگرهای سیگنال در طیف سنجی

سیگنال الکتریکی تولیدی توسط مبدل، به یک پردازشگر سیگنال فرستاده می‌شود تا به شکلی تبدیل شود که فهم آن برای کارشناس راحت باشد. پردازشگرهای سیگنال شامل دستگاه‌های اندازه‌گیری آنالوگ یا دیجیتال، ثبت‌کننده‌ها و کامپیوترها هستند. یک پردازشگر سیگنال را برای کالیبره کردن پاسخ‌های آشکارساز، تقویت سیگنال مبدل، حذف نویز یا تبدیل ریاضی سیگنال نیز مورد استفاده قرار می‌دهند. اگر شبکیه را به عنوان مبدل سیگنال در نظر بگیریم، مغز انسان نیز یک پردازشگر خواهد بود.

اگر مطلب بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

بر اساس رای 15 نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«سهیل بحرکاظمی» دانش‌آموخته کارشناسی ارشد رشته مهندسی نفت از دانشگاه علوم و تحقیقات تهران است. به عکاسی و شیمی آلی علاقه دارد و تا امروز تولید مطالب متنوعی از مجله فرادرس را در حوزه‌های شیمی، هنر و بازاریابی به عهده داشته است. او اکنون به عنوان دبیر ارشد مجله علمی-آموزشی فرادرس فعالیت می‌کند.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

برچسب‌ها