اساس کار دستگاه اسپکتروفتومتر UV-VIS
اسپکتروفتومتر یا طیف سنج مرئی و ماوراء بنفش و یا دستگاه UV-vis Spectrometer که گاهی UV هم نامیده می‌شود، دستگاهی برای اندازه گیری مقدار یک ماده بر اساس میزان جذب الکترومغناطیسی آن ماده می‌باشد. اغلب ماده مورد آنالیز در اسپکت بصورت مایع می باشند. تابش نور در دستگاه اسپکتروفتومتر مرئی با استفاده از لامپ تنگستن و در دستگاه UV با لامپ دوتریم انجام می‌گیرد. دستگاه اسپکتروفتومتر برای اندازه‌گیری کیفی و کمی رنج وسیعی از مواد در زمینه‌های مختلف علمی و تحقیقاتی مانند شیمی، بیوشیمی، داروسازی، مواد و محیط زیست بکار می‌رود.
به طور کلی میزان نور جذب شده در یک ماده در حالت مایع بستگی مستقیم با غلظت آن ماده در مایع دارد. در صورتی‌که نمونه آنالیز جامد باشد ابتدا باید در یک حلال شفاف حل شود تا قابل اندازه‌گیری باشد. حلال نمونه (معروف به شاهد) معمولاً بدون جذب در نظر گرفته می شود و یا در عمل جذب جزئی آن از جذب کلی (نمونه همراه با حلال) کم می شود. نمونه به همراه حلال معمولاً در یک ظرف شفاف شیشه ای و یا در یک ظرف از جنس کوارتز ریخته شده و در مقابل نور عبوری دستگاه اسپکتروفتومتر قرار می گیرد. این ظرف سل Cell و یا کوت Quvette نام دارد. البته با استفاده از افزونه‌‌هائی بر روی دستگاه طیف سنج می‌توان نمونه‌های جامد و یا گاز را هم آنالیز نمود.
در دستگاه اسپکتروفتومتر یا طیف سنج از لامپ تنگستن برای تولید نور مرئی و از لامپ دوتریم برای تولید نور ماوراء بنفش یا UV استفاده می‌شود. بازه طول موجی قابل اندازه‌گیری بصورت معمول در این دستگاه از ۱۱۰۰ نانومتر تا ۱۹۰ نانومتر می‌باشد . برای اندازه‌گیری نواحی خارج این بازه معمولاً از دستگاه‌های مجهزتری استفاده می‌شود. با توجه به اینکه مولکول خاص ممکن است در ناحیه کاملاً مشخصی از بازه طول موجی، نور را جذب نماید لذا نور تولید شده باید به طول موج‌های تشکیل دهنده تفکیک شده و قابل تنظیم در ناحیه مشخصی باشد. جهت تکفام نمودن نور در دستگاه اسپکتروفتومتر از منشور یا آینه گریتینگ Grating Mirror استفاده می‌شود.
اسپکتروفتومتر یا طیف‌سنج مرئی و ماوراء بنفش دستگاهی است که مستقیما برای اندازه‌گیری شدت نور در طول‌موج‌های مختلف استفاده می‌شود و می‌تواند درصد نور عبور یافته، جذب شده و یا بازتاب شده را به صورت تابعی از طول‌موج اندازه‌گیری نماید. در این دستگاه نور توسط یک منبع نور تولید شده و پس از گذشتن از میان نمونه مورد نظر، نور به صورت طیفی منتشر می‌شود سپس به وسیله سنسورها آشکارسازی می‌شود. خروجی اسپکتروفتومتر همیشه نموداری از شدت نور نسبت به طول‌موج است.
بخش‌های اصلی اسپکتروفتومتر عبارتند از:
- منبع نور
- منشور یا آینه گریتینگ
- مونوکروماتور
- آشکارساز
- پردازشگر
در شکل ۱ تصویر کلی از نحوه کار دستگاه اسپکتروفتومتر و اجزای آن نمایش داده شده است.
شکل ۱- تصویر کلی از نحوه کار دستگاه اسپکتروفتومتر و اجزای آن
منبع نور می‌تواند نور مرئی، مادون قرمز یا ماورا بنفش باشد در دستگاه اسپکتروفتومتر یا طیف‌سنج از لامپ تنگستن برای تولید نور مرئی و از لامپ دوتریم برای تولید نور ماوراء بنفش یا UV استفاده می‌شود. بازه طول‌موجی قابل اندازه‌گیری به صورت معمول در این دستگاه از ۲۰۰ نانومتر تا ۱۱۰۰ نانومتر می‌باشد. برای اندازه‌گیری نواحی خارج این بازه معمولاً از دستگاه‌های مجهزتری استفاده می‌شود. جهت تکفام نمودن نور در دستگاه اسپکتروفتومتر از منشور یا آینه گریتینگ استفاده می‌شود. این قسمت دستگاه نور مخلوط را به پرتوهای تک رنگ تجزیه می‌کند، نور تکفام شده از نمونه می‌گذرد و پس از جذب بخشی از آن و گذشتن از مجموعه‌ای از لنزها، شکاف‌ها، آینه‌ها و فیلترها به آشکارساز رسیده و پس از تفسیر شدن به صورت نموداری در خروجی قرار می‌گیرد. در انتهای مسیر نور، آشکارساز وجود دارد که وظیفه آن اندازه‌گیری شدت نور تابیده شده و انتقال اطلاعات به کنتوری است که آن‌ها را ثبت و مقدار را برروی LCD به اپراتور نمایش دهد.
وظیفه اسپکتروفوتومتر در دستگاه تبدیل انرژی فوتون به انرژی الکتریکی می‌باشد. قابل ذکر است که میزان جریان الکتریکی متناسب با انرژی فوتون خارج شده از نمونه می‌باشد. استفاده از دو نوع آشکارساز در اسپکتروفتومترUV/VIS متداول است: فتوتیوب و فتومالتی پلایر تیوب.
فتوتیوب یا فتوسل با تولید یک جریان الکتریکی عمل می‌کند. وقتی یک فوتون به کاتد سلول ضربه بزند، الکترون به سمت آند رانده شده و بدین ترتیب جریان الکترونی به وجود می‌آید که مقدار آن به میزان انرژی فوتون بستگی دارد. تیوب فتومالتی پلایر که بسیار حساستر است بر اساس قانون اثر فتوالکتریک پلانک عمل می‌کند. فوتون‌ها به سطح حساس تیوب ضربه زده و الکترون‌های اولیه را به حرکت در می‌آورند، با برخورد این الکترون‌ها با سطح بعدی الکترون‌های ثانویه نیز رها می‌شوند. این روال به همین ترتیب ادامه پیدا می‌کند تا به آند برسند و جریان الکتریکی راه بیفتد. جریان تولید شده چندین بار تقویت می‌شود تا بتواند انرژی بسیار پایین یک فوتون را آشکارسازی و ثبت کند.
اسپکتروفتومترها می‌توانند خروجی خود را به صورت‌های مختلف نمایش دهند، اما متداولتر است که آن را به کامپیوتر وصل کرده و برای آنالیز داده‌ها از نرم‌افزار استفاده کنند و آن را به صورت قابل کاربردی مانند نموداری از مقدار عبور یا مقدار جذب برحسب طول‌موج نمایش می‌دهند.
محل نمونه قسمتی از دستگاه است که نمونه مورد نظر یا بلانک در آن قرار می‌گیرد. این بخش معمولا به صورت استوانه یا مستطیل بوده و از شیشه کوارتز یا پلاستیک ساخته می‌شود که به آن کووت می‌گویند. پلاستیک و شیشه UV را جذب می‌کنند از این رو تنها می‌توان از آن‌ها را برای اندازه‌گیری در ناحیه مرئی استفاده کرد. برای اندازه‌گیری در ناحیه UV کووت‌های کوارتز استفاده می‌شود. در شکل ۲ تصویری از یک کووت کوارتز نشان داده شده است.
شکل ۲- تصویری از یک کووت کوارتز
طیف‌سنج و یا اسپکتروفتومتر در دو نوع تک پرتوئی و دو پرتوئی موجود است. سیستم تک پرتوئی نور جذب شده بعد از گذاشتن نمونه در دستگاه را با نور اصلی قبل از گذاشتن نمونه در دستگاه مقایسه می‌کند. از محاسن این سیستم سادگی، کوچکی و ارزانی آن است و از معایب آن خطای جزئی به دلیل عدم ثبات محیط اندازه‌گیری می‌باشد.
اما سیستم دو پرتوئی دارای دو پرتو تابیده شده است که همزمان یکی به سمت آشکارساز می‌رود و دیگری از داخل نمونه می‌گذرد و اختلاف بین این دو محاسبه می‌شود. از محاسن این سیستم دقت بیشتر در مقایسه با سیستم تک پرتوئی است و از معایب آن پیچیده بودن و قیمت گرانتر است.
با استفاده از دستگاه طیف‌سنج نورمرئی-فرابنفش، می‌توان موارد زیر را برای آنالیزهای کمی بررسی کرد:
- بررسی خواص جذبی و عبوری یک ماده در یک بازه طول‌موجی
- بررسی تغییرات جذب و عبور در یک طول‌موج مشخص در یک بازه زمانی
- بررسی میزان جذب در چند طول‌موج مشخص
- اندازه‌گیری گاف انرژی
- شناسایی کیفی و کمی یک یا چند گونه خاص در یک مخلوط
- اندازه‌گیری غلظت محلول