اسپکتروفتومتری چیست و چه قسمت‌هایی دارد؟

رنگ‌ها در همه‌ جا هستند. ترکیب شیمیایی نور از طریق یک طیف الکترومغناطیسی در طول موج جذب، منتقل یا منعکس می‌شود. به همین دلیل است که هنگامی که نور از هر محلولی عبور می‌کند، بخشی از آن جذب محلول می‌شود. یکی از ابزاری که برای تجزیه و تحلیل نور به کار برده می‌شود اسپکتروفتومتری است. این دستگاه امکان تجزیه و تحلیل دقیق مواد را فراهم می‌کند. برای این که بهتر بدانید اسپکتروفتومتری چیست در این مقاله به شما اطلاعاتی داده‌ایم.

اسپکتروفتومتری چیست؟

اسپکتروفتومتری (Spectrophotometry) یا طیف‌سنج‌ نوری وسیله‌ای برای تحقیق، تجزیه و تحلیل نور طیف‌های مختلف و مواد آلی است. اسپکتروفتومتری در شیمی و بیوشیمی برای واکنش‌های کاتالیز شده با آنزیم به کار می‌رود. این دستگاه برای اندازه‌گیری کمی خواص بازتاب یا انتقال یک ماده به عنوان تابعی از طول موج می‌باشد. در این روش با استفاده از میزان اندازه جذب نور نمونه‌ها، غلظت آن‌ها را تعیین می‌کنند. همچنین این دستگاه در فیزیک، زیست شناسی و مطالعات بالینی مانند بررسی هماتولوژی و بافت‌ها نیز کاربرد دارد. 

این وسیله به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا نمونه‌های مختلف را بدون هیچ‌گونه تماس پوستی تجزیه و تحلیل کنند. طیف‌سنجی UV-VIS به عنوان قدیمی‌ترین تکنیک تحلیلی در نظر گرفته می‌شود اسپکتروفتومتر شدت نور را در ناحیه فرابنفش (۴۰۰-۱۰۰ نانومتر) و مرئی (۷۵۰-۴۰۰ نانومتر)، به عنوان تابعی از طول موج اندازه‌گیری می‌کند. آنالیت نور را در طول موج‌های خاصی (ناحیه UV-VIS) جذب می‌کند و سپس میزان تابش جذب شده توسط آنالیت اندازه‌گیری می‌شود. برای این که بهتر بدانید اسپکتروفتومتری چیست باید بگوییم که این وسیله از یک لوله کوچک به نام کووت استفاده می‌کند که ماده مورد نظر برای آزمایش در آن قرار می‌گیرد. در واقع طیف به دست آمده، حاصل برهم‌کنش نور مرئی-فرابنفش با ماده است. در این طیف‌سنجی، جذب تابش در سطح انرژی الکترونی مولکول‌ها رخ می‌دهد (جذب مولکولی). بنابراین این روش به عنوان طیف‌سنجی الکترونی نیز شناخته می‌شود.

روش‌های اسپکتروفتومتری در ناحیه مرئی – فرابنفش (UV/Visible)

1. روش رنگ‌سنجی اسپکتروفتومتری در ناحیه مرئی تابش

در ناحیه مرئی، جذب یا انتقال ماده می‌تواند به رنگ نمونه مربوط باشد. در این روش اگر محلولی هیچ طول موج مرئی را از خود عبور ندهد به آن رنگ سیاه می‌گویند. اگر همه طول موج مرئی را عبور دهد و هیچ نوری را جذب نکند به نمونه سفید می‌گویند، و اگر محلول رنگی داشته باشیم و نوری از آن عبور دهیم که مقداری از این نور جذب شود در این صورت این نور جذب شده دارای رنگ مکمل رنگ محلول می‌باشد، برای مثال اگر نمونه رنگ زرد را جذب کند به رنگ آبی ظاهر می‌شود چون آبی مکمل زرد است. در واقع در اسپکتروفتومتری مرئی باید طول موجی را انتخاب نمود که رنگ آن مکمل رنگ محلول باشد.
با توجه به اینکه محلول‌های رنگی در رنگ مکمل خود حداکثر جذب نور را دارند، مواد را در طول موج‌های مربوط به خود مورد بررسی قرار می‌دهند و شدت و ضعف این رنگ بستگی به مقدار ماده موجود در محلول دارد. بنابراین در دستگاه اسپکتروفتومتری مرئی به وسیله تجزیه‌گرها از جمله فیلتر، شبکه یا منشور، نور تک‌رنگ ایجاد می‌نمایند تا بتوان غلظت یک محلول رنگی را محاسبه کرد. در این دستگاه از فیلتر به عنوان مونوکروماتور استفاده می‌شود. بنابراین بخش محدودی از طول موج قابل دسترسی می‌باشد.

2. روش اسپکتروفتومتری در ناحیه (UV- VISIBLE)

در دستگاه‌های اسپکتروفتومتری مرئی – فرابنفش، اساس اندازه‌گیری بر پایه تابش نور به آنالیت مورد آنالیز در طول موج‌های مختلف و بررسی میزان جذب و عبور آن می‌باشد. محدوده جذب در این ناحیه از 190 تا 1000 نانومتر می‌باشد. در این روش با استفاده از قانون بیر – لامبرت می‌توان غلظت نمونه مورد آنالیز را اندازه‌گیری نمود.

اندازه‌گیری یک طیف

میزان برهم‌کنش نور با ماده (انتقال یا جذب) با اندازه‌گیری شدت تابش فرودی I_۰ (بدون نمونه) و شدت نور انتقال یافته I (از نمونه) تعیین می‌شود. برای اندازه‌گیری طیف،‌ اسپکتروفتومتر به طور خودکار شدت نور عبوری از رفرنس با شدت نور عبوری از نمونه را مقایسه می‌کند و طیف جذبی و عبوری (در برخی موارد بازتابی) را محاسبه می‌کند. انتقال کسری از نور است که از داخل نمونه عبور می‌کند و از رابطه زیر به دست می‌آید:

Transmittance (T) = I / I_۰

رابطه بین انتقال و جذب را می‌توان به شرح زیر نشان داد:

Absorbance (A) = – log (T) = – log ( I / I_۰)

طبق قانون Beer-Lambert، رابطه بین جذب و غلظت نمونه، یک رابطه خطی است که به صورت زیر بیان می‌شود:

A= ɛlc

در رابطه بالا ɛ ضریب جذب، l طول مسیر نوری و c غلظت نمونه است.

اسپکتروفتومتری چگونه کار می‌کند؟

اسپکتروفتومتری یک روش استاندارد و به صرفه برای اندازه‌گیری میزان جذب نور ماده یا مقدار مواد شیمیایی در یک محلول مشخص است. این وسیله برای آزمایش از پرتوهای نور استفاده می‌کند. این پرتوها از نمونه عبور می‌کنند. نور در هر ماده و هر طول موج خاصی می‌تواند جذب شود یا از آن رد شود. این وسیله از دو بخش اساسی تشکیل شده است. یک بخش طیف‌سنج و بخش دیگر نورسنج نام دارد. از وسیله طیف‌سنج برای اندازه‌گیری طول موج استفاده می‌شود. قسمت بعدی که نورسنج نام دارد، برای اندازه‌گیری مقدار و شدت نوری که از ماده می‌گذرد استفاده می‌شود. علاوه‌براین، دو جزء اصلی دستگاه قسمت‌های دیگری نیز دارند. از دیگر قسمت‌های دستگاه می‌توانیم منبع نور، محفظه نمونه، آشکارساز، یک نمایشگر دیجیتال و یک بسته نرم‌افزاری برای تجزیه و تحلیل داده‌ها را نام ببریم.

قسمت‌های مختلف اسپکتروفتومتری

برای دانستن اینکه اسپکتروفتومتری چیست، بهتر است که با قسمت‌های مختلف این وسیله آشنا شوید. ما در این بخش در مورد قسمت‌های مختلف این وسیله توضیح داده‌ایم.

1. منبع نور

همان‌طور که گفتیم اسپتکتروفتومترها برای کار به نور متکی هستند؛ به همین دلیل بسیار مهم است که دستگاه منبعی برای تامین نور داشته باشد. به دلیل گسترده بودن و متفاوت بودن نمونه‌ها، منابع نوری نیز می‌توانند متفاوت باشند. منبع نور می‌تواند طیف وسیعی از طول موج‌های مرئی ، UV و IR را برای دستگاه تولید کند.

2. تک‌فام ساز یا مونوکروماتور 

یکی‌دیگر از این وسیله‌ها تک‌فام سازها هستند. تک‌فام ساز یک دستگاه اپتیکی است که پهناي باریکی از طول‌موج‌ها را از نوري با طیف گسترده انتخاب می‌کند. در دستگاه‌هایی که از اشعه‌های UV، مرئی و مادون قرمز استفاده می‌کنند، تک‌فام ساز به کار گرفته می‌شود.

3. فضای نمونه

فضای نمونه در واقع قسمتی از دستگاه است که نمونه مورد نظر در آن قرار می‌گیرد و بر روی آن آزمایش‌های مختلف انجام می‌شود. فضای نمونه می‌تواند یک کووت باشد که از مواد مختلفی مانند شیشه یا کوارتز ساخته شده است.

4. آشکار ساز

آشکار ساز در واقع عنصر دریافت کننده نور است که انرژی نور را به خود جذب می‌کند. در اسپکتروفتومترهای معمولی، بیشتر اوقات از لوله‌های فتوضربی و فوتودیودها استفاده می‌شود. این وسیله انرژی نور را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند که قابل جذب و بررسی است.

5. نمایشگر دیجیتال

درباره این موضوع که اسپکتروفتومتری مدل‌های امروزی آن با مدل‌های قدیمی چه تفاوتی دارند، باید بدانید که یکی از تفاوت‌های مدل‌های جدید با مدل‌های قدیمی این است که مدل‌های جدید، نمایشگر دارند. نمایشگر در دستگاه برای تغییر در تنظیمات ابزار و تنظیم پارامترها استفاده می‌شود. همچنین از آن می‌توان برای دیدن نتایج نیز استفاده کرد. در واقع نمایشگر برای راحتی بیشتر در دستگاه نصب شده است و تاثیری در کارکرد آن ندارد.

6. تحلیل داده‌ها

علاوه بر قسمت‌های سخت‌افزاری با قسمت نرم‌افزاری آن نیز آشنا شوید. قسمت نرم‌افزاری دستگاه کمک می‌کند تا دستگاه توانایی این را داشته باشد که هر نوع محاسباتی را انجام دهد. ویژگی نرم‌افزاری دستگاه کمک می‌کند تا دستگاه با توجه به پارامترهای خود بتواند داده‌ها را پردازش کند و نتیجه نهایی را ارائه دهد.

انواع اسپکتروفتومتر

• اسپکتروفتومتر معمولی

در این اسپکتروفتومتری، نور چند رنگ از شکاف ورودی رد شده و به باریکه نور تبدیل می‌شود. بعد از آن باریکه نور توسط یک المان پاشنده (مثلا منشور)، پراکنده می‌شود. طول موج مورد نظر توسط شکاف خروجی تعیین شده و نور تک رنگ از نمونه عبور می‌کند و در نهایت به سمت آشکارساز هدایت می‌شود. از این مدل برای اندازه‌گیری میزان جذب در یک نقطه از طیف استفاده می‌شود ولی برای اندازه‌گیری ترکیبات مختلف در طول مو‌ج‌های مختلف یا به دست آوردن طیف نمونه‌ها باید به دنبال یک روش جایگزین بود. زیرا برای چنین اندازه‌گیری‌هایی باید قسمت‌هایی از مونوکروماتور چرخانده شود که این مسئله به دلیل غیرقابل تکرار بودن، مناسب نیست.

• اسپکتروفتومتر آرایه دیودی

در این اسپکتروفتومتری، نور پلی‌کروماتیک از نمونه عبور کرده و به سمت شکاف ورودی هدایت می‌شود. بخش پلی‌کروماتور نور عبوری از نمونه را بر روی آرایه دیودی پراکنده می‌کند. هر دیود یک باند باریک از طیف را اندازه‌گیری می‌کند. بخش پلی‌کروماتور شامل شکاف ورودی و المان پاشنده است. از آن‌جا که موقعیت نسبی نمونه و المان پاشنده در مقایسه با اسپکتروفتومتر معمولی،‌ معکوس می‌شود؛ اغلب از این مدل به عنوان اپتیک معکوس یاد می‌شود.

پیکربندی اسپکتروفتومتر

• اسپکتروفتومتر تک‌پرتو

هر دو اسپکتروفتومتر به صورت تک‌پرتو طراحی می‌شوند. البته آرایه دیودی برای این طراحی مناسب‌تر است؛ زیرا طیف‌ها خیلی سریع به دست می‌آیند و فاصله زمانی که نمونه و رفرنس جابه‌جا می‌شود،‌ به حداقل می‌رسد. دستگاه‌های تک‌پرتوی می‌توانند دامنه دینامیکی بیشتری داشته باشند و از لحاظ اپتیکی ساده‌تر و فشرده‌تر هستند. علاوه‌بر‌این، بعضی از ابزارهای تخصصی مانند طیف‌نورسنج‌هایی که بر روی میکروسکوپ‌ها یا تلسکوپ‌ها نصب شده‌اند، به دلیل عملی شدن، تک‌پرتویی هستند.

• اسپکتروفتومتر دو پرتو

در این طراحی نور ابتدا وارد مونوکروماتور شده و سپس به سمت چاپر هدایت می‌شود. چاپر مسیر نوری را بین نمونه و رفرنس سوئیچ می‌کند و با سرعتی می‌چرخد که اندازه‌گیری‌های بین نمونه و رفرنس چندین بار در ثانیه اتفاق می‌افتد. نوعی دیگر از طیف‌سنج UV-VIS دو پرتوی معمولی وجود دارد که به آن طرح پرتو-اسپلیت گفته می‌شود. این مدل همانند اسپکتروفتومتر دو پرتو است با این تفاوت که به جای چاپر از اسپلیتر استفاده شده است. وقتی پرتو به اسپلیتر می‌رسد به دو باریکه تقسیم می‌شود. این باریکه‌ها هم‌زمان به نمونه و رفرنس می‌رسند.

چگونه دستگاه اسپکتروفتومتر طیف جذبی نمونه را تجزیه و تحلیل می‌کند؟

برای تحلیل طیف جذبی نمونه با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر، نمونه ابتدا با یک منبع نوری تابش داده می‌شود. سپس نوری که از نمونه عبور کرده و نوری که توسط نمونه جذب شده با طیف رنگی خاصی همراه هستند که به خصوصیات شیمیایی و فیزیکی ماده مرتبط است و با استفاده از یک‌سری شیشه‌های خاصی که جهت طیف رنگی را تنظیم می‌کنند، به یک دتکتور می‌رسد. دتکتور سعی در ثبت نوری که به دستگاه می‌رسد و از نمونه جذب شده است دارد و این اطلاعات به صورت یک طیف جذبی ثبت می‌شود. اطلاعات توسط دتکتور به کامپیوتر منتقل می‌شوند و با استفاده از نرم‌افزار کنترل، طیف جذبی تحلیل می‌شود. نرم‌افزار کنترل قادر است به صورت خودکار طیف جذبی را با استفاده از مدل‌های ریاضی تحلیل کند و اطلاعاتی در مورد خواص فیزیکی و شیمیایی نمونه را ارائه دهد.

به طور کلی، تحلیل طیف جذبی نمونه با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر، بر اساس اصل جذب و انتشار نور در ماده صورت می‌گیرد و این روش یکی از مهم‌ترین روش‌های تحلیل شیمیایی و فیزیکی است.

یک طیف‌سنج با اسپکتروفتومتری چه تفاوتی دارد؟

عملکرد طیف سنج و اسپکتروفتومتری در واقع عملکرد بسیار مشابهی دارند؛ اما تفاوت‌های زیادی بین این دو وجود دارد. یک طیف‌سنج، تنها بخشی از اسپکتروفتومتری و یکی از اجزاء آن است؛ اما هنگامی که به تنهایی مورد استفاده قرار بگیرد نمی‌تواند کاربردی داشته باشد.

نکات استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر

• دستگاه اسپکتروفتومتر باید روی یک سکو با سطح صاف و بدون شیب و بالاتر از سطح زمین قرار گیرد.
• دستگاه اسپکتروفتومتر نباید در نزدیکی دستگاه‌هایی که امواج الکترومغناطیس و امواج الکتریکی شدید تولید می‌کنند قرار گیرد.
• در هنگام راه‌اندازی دستگاه اسپکتروفتومتر و وصل آن به برق باید از UPS یا ثابت‌کننده جریان و محافظ برق استفاده نمود.
• بعد از روشن شدن دستگاه، حداقل زمان لازم برای پایداری دستگاه 15 دقیقه می‌باشد. پس از این مدت دستگاه گرم شده و به پایداری حرارتی و الکترونیکی می‌رسد و برای استفاده آماده می‌باشد.
• از ریختن نمونه در داخل سل هولدر و روی دستگاه خودداری نمایید. همچنین پس از استفاده از دستگاه، باید دستگاه و سل‌های مربوطه را تمیز و روی دستگاه کاور کشید.

سوالات متداول

• کاربردهای اسپکتروفتومتر چیست؟

اسپکتروفتومتری در اندازه‌گیری کیفی و کمّی انواع ترکیبات آلی، معدنی و یون‌های فلزی به کار می‌رود. تعیین غلظت مواد، اندازه‌گیری فعالیت آنزیم‌های مختلف، کلسترول، تری‌گلیسیرید، قند، لیپوپروتئین‌ها، اوره، کراتین و ترکیبات مشابه، انواع آنالیت‌های با بالینی و تحقیقاتی، انواع داروها و همه یون‌های فلزی، با اسپکتروفتومتری امکان پذیر است. همچنین این دستگاه قابلیت اندازه‌گیری غلظت نمونه‌های فوق العاده کوچک را داشته و لذا از آن برای تجزیه عناصر مولکول‌های RNA استفاده می‌شود. بنابراین کاربرد اصلی آن در آزمایشگاه بیوشیمی می‌باشد. 

• اسپکتروفتومتر برای طول موج‌های ثابت چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟

طول موج ثابت بصورت یک یا چندگانه اندازه‌گیری شده و نتیجه اندازه‌گیری مانند سایر انواع اندازه‌گیری‌ها، در قالب ضریب جذب یا عبور گزارش داده می‌شود. برای دستیابی به نتایج نهایی (برای مثال غلظت یک ماده) محاسبات متعددی انجام می‌پذیرد.

• کاربرد طول موج ثابت در صنعت شیمیایی به چه شکل است؟

اسپکتروسکوپی جذب UV یکی از بهترین روش‌هایی است که برای اندازه‌گیری محلول‌های آلی کاربرد دارد. قله‌های اضافی که در طول موج های خاصی ظاهر می‌شوند حاکی از وجود ناخالصی در نمونه موردنظر است. کنترل خلوص الکل، بارزترین کاربردهای طول موج در صنعت شیمی است.

• کاربرد اندازه‌گیری طول موج ثابت در صنایع غذایی و آشامیدنی چیست؟

دستگاه اسپکتروفتومتر در صنایع غذایی و آشامیدنی برای کنترل و بهبود کیفیت و قوام محصولات بکار می‌رود. علاوه‌براین، اثرات مواد بسته‌بندی و نگهدارنده‌ها و همچنین فرایندهای تخریب شیمیایی را می‌توان با بوسیله اسپکتروفتومتری UV/VIS مشاهده نمود. یکی از رایج‌ترین کاربردهای اسپکتروفتومتری بررسی خلوص روغن زیتون است. با استفاده از این روش روغن زیتون به سه بخش “فرابکر”، “بکر” و “معمولی” طبقه‌بندی می‌شود. 

نتیجه‌گیری

امروزه وسایل و تجهیزات بسیار زیادی در آزمایشگاه و صنایع مختلف وجود دارند که از آن‌ها می‌توان در بررسی چیزهای مختلف استفاده کرد. یکی از این وسایل پرکاربرد اسپکتروفتومتری‌ها هستند. این وسیله برای تحقیق درباره نور، تجزیه و تحلیل آن و طیف‌های مختف نور به کار گرفته می‌شود و در شیمی، بیوشیمی، فیزیک و بسیاری از شاخه‌های دیگر کاربرد دارد. درباره اینکه اسپکتروفتومتری چیست و چه بخش‌هایی دارد، در این مقاله مطالبی را به طور مفصل بیان کردیم.