نام و نام خانوادگی:محمد مهدی محمودی وند                                                       تاریخ:31/01/1393

عنوان آزمایش:اسپکتروفتومتری

هدف آزمایش:اندازه گیری غلظت محلولCu²⁺ با روش اسپکتروفتومتری

مواد و ابزار لازم:محلول Cu²⁺ 1/0M ، محلول آمونیاک غلیظ ، آب مقطر ، دستگاه اسپکترومتری ، لوله آزمایش

تئوری آزمایش:

دستگاه طیف‌سنج نوری

طیف‌سنجی نوری یا اسپکتروفتومتری (به انگلیسی: Spectrophotometry) در شیمی، روشی است برای سنجش و مطالعه طیف الکترومغناطیسی. در این روش با استفاده از میزان اندازه جذب نور نمونه‌ها، غلظت آنها را تعیین می‌کند. همچنین از آن می‌توان برای تجزیه و تحلیل نمونه‌های دی‌ان‌ای و آران‌ای استفاده نمود.

این شیوه در دستگاه طیف‌سنج نوری با نام اسپکتروفوتومتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در اسپکتوفتومتری مریی، جذب یا انتقال ماده می تواند به وسیله رنگ مشاهده شده تعیین شود. برای نمونه محلولی که نور را در بالاتر از طیف مریی است و هیچ طول موج مریی را عبور نمی دهد به طور تئوری به رنگ سیاه است. از سویی دیگر اگر همه طول مرئی را عبور دهد و هیچ نوری را جذب نمی کند نمونه محلول به رنگ سفید است. اگر نمونه محلول رنگ قرمز را جذب کند برابر با ۷۰۰ نانومتر به رنگ سبز طاهر می شود چون سبز رنگ مکمل قرمز است. اسپکتوفتومتر های مریی در عمل از منشوری برای خرد کردن طیف معینی از طول موج استفاده می کنند (فیلتر امواج نوری دیگر) به همین دلیل شعاع ویژه ای از نور از طریق نمونه محلول عبور می کند.

فتومتري و اسپكتروفتومتري

 اسپكتروفوتومتر براي تعييين غلظت مواد موجود در محلول‌ها (محلول‌هاي بدن نظير خون) استفاده مي‌‌شود. دستگاه شامل سه قسمت مكانيكي، اپتيكي و الكترونيكي مي‌باشد. از لحاظ عملكرد كاري دستگاه شامل 2 قسمت است:

1-      قسمت اسپكترومتر يا همان طيف‌سنجي

2-      قسمت فوتومتر يا نورسنجي

اسپكترومتر بخشي از دستگاه است كه نور ثابت با دامنه مشخص به وجود مي‌آورد. شامل منبع نور، عدسي، شكاف‌ها و صافي (فيلتر) است. براي فيلتر نمودن از منشور يا Grating استفاده مي‌شود. بخش فوتومتر از قسمت‌هاي سنجش نور و ضبط آن تشكيل شده است. منظور از سنجش نور اندازه‌گيري مقدار روشنايي يا شدت نوري است كه منبع نور به نقطه معيني از فضا مي‌فرستد. معمولاً چشم انسان قادر است كه تساوي يا عدم تساوي دو صفحه روشن را به شرطي كه در مجاورت هوا قرار گيرد تشخيص دهد و در روشنايي متوسط اين تشخيص بهتر است. اگر ازدو منبع متفاوت نور به دو سطح مجاور بتابانيم چشم مي‌تواند تشخيص دهد كه كدام روشن‌تراست ولي قادر نيست مقدار اختلاف روشنايي را تعيين كند.

روشنايي يك صفحه به سه عامل بستگي دارد:

1-      شدت نور و عوامل مربوط به منبع نوراني

2-      فاصله بين منبع نوراني و صفحه روشن‌شده و وضع نسبي اين دو

3-      جنس و ساختمان صفحه روشن شده

قانون بي‌يي s Low)ُBeer)

مطابق قانون بي‌يي، بين مقدار جذب و غلظت ماده جاذب نور رابطه متقابل وجود دارد:

در رابطه   توان تشعشعي ورودي به نمونه، P توان تشعشعي خروجي از نمونه، a ضريب جذب نمونه، l طول مسير پيموده شده توسط نور و c غلظت ماده جاذب نور است.

در رابطه (2) فرمول به درصد عبور (Transmitance)نور از نمونه محاسبه شده است: 

در رابطه (3) فرمول مربوط به ميزان جذب نور توسط نمونه محاسبه شده است كه با ساده كردن آن رابطه (A) كه رابطه كليدي مورد استفاده در دستگاه فوتومتر است حاصل مي‌شود.

مطابق رابطه (4) بين ميزان جذب نور توسط نمونه و غلظت نمونه رابطه مستقيم وجود دارد. در اين رابطه، A متناسب با غلظت ماده جاذب نور خواهد بود. در نتيجه با در دست داشتن مقدار جاذب نور خواهد بود. در نتيجه با در دست داشتن مقدار جاذب ماده مورد نظر مي‌توان غلظت آن را تعيين كرد. اگر ميزان جذب خيلي بزرگ يا خيلي كوچك باشد خطاي سيستم فوتومتري قابل صرف‌نظر نخواهد بود.

مقايسه بين اسپكتروفتومتر و فتومتر:

در اسپكتر و فتومتر به وسيله منشور و يا توري پراش (Grating) نور مونوكروماتيك توليد مي‌شود، بنابراين در آنها طيف پيوسته است، در صورتي كه در فتومترها فيلتر نقش مونوكروماتور را بر عهده دارد و به همين دليل تغييرات طول موج گسسته است (به تعداد فيلترهاي دستگاه است) در فتومترها بسته به نوع كاربرد 6 الي 8 عدد فيلتر كه بيشترين كاربرد را در تشخيص آزمايشگاهي دارند، در دستگاه تعبيه مي‌شود و با اين چند عدد فيلتر مي‌توان بسياري از روش‌هاي اندازه‌گيري را با دقت خوبي انجام داد. استفاده از اسپكتروفتومترها بيشتر در كاربردهاي تحقيقاتي توصيه مي‌شود.

همانطور كه اشاره شد اسپكتروفوتومتر دستگاهي است كه از دو قسمت اسپكترومتر و فوتومتر تشكيل شده است.

نور انرژي الكتروتكنيك است و داراي ذره موج است. اين امواج از روي طول موج آنها مشخص مي‌شود.

نور سفيد تركيبي است از امواج الكتروتكنيك با طول موج‌هاي متفاوت هر چه طول موج كوتاه‌تر باشد مقدار انرژي بيشتر است.

نور ماوراي بنفش با طول موج كوتاه‌تر داراي انرژي بيشتري از نورهاي مرئي است.

در طيف نور مرئي شدت نور در بخش‌هاي مختلف متفاوت است و بيشتر با طول موج‌هاي داراي حداكثر شدت در طيف نور مرئي است. (عرض باند)

نور هنگام عبور از محيطي به محيط ديگر شكسته مي‌شود. از اين خاصيت براي جدا كردن نور با طول موج مورد نياز استفاده ‌مي‌كنند.

هنگامي كه نور از سوراخ كوچكي عبور مي‌كند در صفحه مقابل لكه‌هاي تيره و روشن درست مي‌شود لكه‌هاي روشن از تداخل امواج هم‌فاز و لكه‌هاي تيره از امواج غير هم‌فاز به وجود مي‌آيد. هنگام عبور نور از شيء يا محلول مقداري انرژي از آن حذف شده و بقيه آن عبور مي‌كند براي جذب نور بر حسب رنگ محلول مورد آزمايش نوري با رنگ مكمل رنگ محلول از آن عبور مي‌دهند.

مثال: اگر محلولي را آبي ببينيم (سولفات مس) به اين دليل است كه رنگ محلول خود را كه زرد است جذب كرده و رنگ آبي آن به چشم مي‌خورد بنابراين اگر بخواهيم غلظت محلول سولفات مس را اندازه‌گيري كنيم رنگ مكمل آن رنگ زرد را مي‌تابانيم تا به وسيله آن جذب شود و از اين خاصيت استفاده كرده و به وسيله اسپكتروفوتومتر غلظت مواد را اندازه‌ مي‌گيريم.

اجزاي اسپكتروفوتومتر

1-    منبع انرژي الكتريكي

اين منبع برق مورد نياز دستگاه اعم از قسمت نوري، تقويت كننده‌ها و پردازشگرها را كه مولدهاي الكترونيكي هستند تأمين مي‌كند اين منبع در دستگاههاي قابل حمل يا پروتابل باطري مي‌باشد ولي اكثراً برق شهر است كه با گذشتن از ترانس رگوله مي‌شود. رگوله شدن برق حائز اهميت است چون به محض عوض شدن ولتاژ ورودي، كايبراسيون دستگاه به هم مي‌خورد و نتايج صميمي بدست نمي‌آيد.

2-    منبع انرژي نوراني

نوري كه بايد به محلول بتابد توسط لامپ الكتريكي توليد مي‌شود. اين نور بايد رگوله باشد تا به مرور زمان شدت نور كه در واقع همان فلو مي‌باشد تغيير نكند و نور ورودي به محلول ثابت باشد. نقش نور ايجاد منبع انرژي تشعشعي مي‌باشد. لامپ‌هاي تنگستن طول موج‌هاي زيادي را به طور ممتد توليد مي‌كنند كه جهت اندازه‌گيري در منطقه مرئي و بالاتر از طيف ماوراء بنفش (از 350 تا 700 نانومتر) مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در طول موج‌هاي پائين‌تر از 340 نانومتر، پوشش شيشه‌اي فيلامان شروع به جذب مي‌نمايد، همچنين در درجه حرارت به وجود آمده در اثر كار كردن مقداري از فلز تنگستن بخار شده و در حباب شيشه‌اي لامپ متراكم مي‌شود. سطح سياه ايجاد شده در لامپ از شدت انرژي تشعشعي مي‌كاهد و طيف نور خروجي را تغيير مي‌دهد.

چون لايه‌اي كه در اثر تبخير فلز ايجاد شده مثل يك فيلتر قسمتي از نور را جذب مي‌كند. اثر نامطلوب اين پوشش در دستگاهايي كه دو فوتوسل دارند مثل Auto Analyzer بيشتر است. فتوسل‌ها در زاويه قائم از يكديگر قرار گرفته‌اند و اين پوشش چون يكنواخت نيست مقدار عبور نور در جهات مختلف يكسان نيست در نتيجه تحريكات فتوسل‌ها نيز متفاوت مي‌شود.

لامپ دوتريم

هر طيف ممتد را در ناحيه ماوراء بنفش توليد مي‌نمايد و جهت اندازه‌گيري طول موج‌هاي 360-190 ناتومتر توصيه مي‌شوند. در طول موج‌هاي بالاتر، تشعشع بيش ازحد ممتد نمي‌باشد. همچنين از لامپ‌هاي هيدروژن، جيوه، گزنون جهت اندازه‌گيري طيف ناحيه ماوراء بنفش استفاده مي‌شود، طيف خارج شده از منبع نور با تغييرات درجه حرارت تغيير مي‌نمايد. بنابراين ولتاژ بايد به طور دقيق تنظيم شود تا اطمينان حاصل شود كه طيف نور بدون تغيير باقي مي‌ماند.

1-2 منابع تابش:

براي اينكه منبع تابش جهت اندازه‌گيري‌هاي جذب مناسب باشد، بايد برخي شرايط را دارا باشد. اولاً: بايد پرتويي كه توان كافي براي آشكارسازي و اندازه‌گيري فوري را دارا باشد. ثانياً منبع بايد تابش پيوسته‌اي را فراهم كند؛ يعني طيف آن بايد حاوي تمام طول موجها در ناحيه‌اي باشد كه در آن ناحيه‌، منبع مورد استفاده قرار مي‌گيرد. بالاخره، منبع بايد با ثبات باشد. توان پرتو تابش بايد در طول زمان لازم براي اندازه‌گيري هم  ثابت بماند. تنها تحت اين شرايط، اندازه‌گيري‌هاي جذبي تكرارپذيرند. بعضي از دستگاهها به نحوي طراحي شده‌اند كه مي‌توانند  را همزمان اندازه‌گيري كنند. در اينجا نوسانات بازده منبع هيچ مشكلي ايجاد نمي‌كند.

2-2 منابع تابش مرئي

متداول‌ترين منبع تابش مرئي لامپ سيم تنگستن است. توزيع انرژي اين منبع تقريباً نزديك به توزيع انرژي جسم سياه است و بنابراين به دما بستگي دارد. دربيشتر دستگاههاي جذبي، دماي عملياتي سيم در حدود  kﹾ2870 است. بنابراين بخش عمده انرژي در ناحيه مادون قرمز نشر مي‌شود. يك لامپ سيم تنگستن براي نواحي طول موج بين 320 تا 2500 نانومتر مفيد است.

در ناحيه مرئي، بروندار انرژي يك لامپ تنگستن تقريباً با توان چهارم ولتاژ عملياتي تغيير مي‌يابد. در نتيجه كنترل دقيق ولتاژ براي يك منبع تابشي پايدار الزامي است. مبدلهايي با ولتاژ ثابت، يا تنظيم‌كننده‌هاي ولتاژ الكترونيكي غالباً براي اين منظور به كار مي‌روند. همچنين لامپ مي‌تواند به كمك يك باطري 6 ولتي عمل كند كه اگر اين باطري در شرايط خوبي نگهداري شود، يك منبع ولتاژ فوق‌العاده ثابتي را در اختيار مي‌گذارد.

3-2 منابع براي تابش ماوراء بنفش

طيف پيوسته در ناحيه ماوراء بنفش به سادگي با تحريك هيدروژن در فشار كم با يك تخليه الكتريكي توليد مي‌شود. دو نوع لامپ هيدروژن موجود است. در نوع با ولتاژ بالا، پتانسيلهاي 2000 تا 6000 ولت به كار گرفته مي‌شوند تا باعث تخليه بين الكترودهاي آلومينيوم گردند. اگرقرار باشد كه تابشهاي با شدتهاي بالا ايجاد شوند، سرد كردن لامپ به كمك آب سرد ضروري است. در لامپهاي با ولتاژ پائين، كماني بين يك سيم اندوده از اكسيد گرم شده، و يك الكترود فلزي ايجاد مي‌شود. براي حفظ اين كمان حدود 40 ولت dc لازم است.

هر دو لامپهاي دوتريم تحت شرايط مشابه اين حسن را نسبت به لامپ‌هاي هيدروژن دارند كه تابش پيوسته با شدت بيشتري توليد مي‌كنند.

3-    مونوكروماتور:

اين بخش شامل عدسيها و شكافها و صافيهاست. عدسيها براي متمركز كردن نور و شكافها براي باريك كردن پرتو به كار مي‌روند. چون هر ماده طول موج خاصي را جذب مي‌كند و از طرف ديگر منبع نور، نور سفيد توليد مي‌كند لذا نياز به صافي براي تك‌رنگ كردن نور داريم. صافي يك طول موجهاي خاصي را عبور داده و بقيه را عبور نمي‌دهد. براي فيلتر كردن از شيشه‌هاي رنگي يا منشور استفاده مي‌كنيم و همچنين از گريتينگ Grating هم براي فيلتر استفاده مي‌شود.

عملكرد شيشه‌هاي رنگي بدين صورت است كه براي هر نوري يك شيشه وجود دارد. چون در سيستم اسپكتروفتومتر از چندين طول موج استفاده مي‌شود به همين دليل تنها با شيشه‌هاي رنگي به مقصود نمي‌‌رسيم و بايد از منشور يا گريتينگ استفاده كنيم. اگر از منشور استفاده كنيم براي نور مرئي جنس منشور از شيشه و براي نور ماوراء بنفش از كوارتز است. زيرا افت نور ماوراء بنفش در شيشه خيلي زياد است.

براي ساختن گريتينگ روي شيشه كوچكي، آلومينيوم يا مس قرار مي‌دهند. (يك لايه خيلي نازك به وسيله بخارنشان) و براي آن شيارهاي ظريف ايجاد مي‌كنند. نور پس از برخورد به اين صفحه در اثر پديده پراش (Diffraction) تجزيه مي‌شود و يك طيف پيوسته از مؤلفه‌هاي نور مي‌دهد. سپس با استفاده از شكاف و گرداندن گريتينگ طول موج مورد نظر را از بقيه جدا مي‌كنند.

جهت انتخاب طول موج دلخواه، منشور يا سيستم گريتينگ چرخيده مي‌شود تا طول موج مناسب از شكاف خروجي هدايت شود.

نصف نور عبوريافته با رسم شدت نور خروجي از مونوكروماتور در مقابل طول موج و اندازه‌گيري پهناي قله در  ارتفاع قله بدست مي‌آيد. به طول كلي فيلتر ايده‌آل آن فيلتري است كه بتواند فقط نور مورد نظر را از خود عبور دهد و داراي كمترين نور ناخالص باشد. (Stray Hight) جنس فيلترها از شيشه‌هاي رنگي مي‌باشد كه از نمكهاي بعضي ازفلزات ساخته شده‌اند فيلترهاي قرمز از نمك كرونيم و فيلترهاي آبي ازنمك كبالت ساخته شده است.

الف- صافيها.

1-    انتخاب نور با صافيها

به سه دليل تابشي كه به يك ناحيه محدود از طول موجها محصور است در تكنيكهاي كمي به كار گرفته مي‌شود:

1-      احتمال تبعيت دستگاه جذب‌كننده از قانون بير به مقدار زيادي افزايش مي‌يابد.

2-      گزينش‌پذيري بيشتري را تضمين مي‌كند، زيرا از احتمال مزاحمت موادي كه در ساير نواحي عمل جذب را انجام مي‌دهند، كاسته مي‌شود.

3-      اگر تنها طول موجهايي كه به شدت جذب مي‌شوند به كار گرفته شوند، به ازاء افزايش جزئي در غلظت، تغيير بزرگتري در جذب مشاهده خواهد شد. بنابراين حساسيت بيشتري حاصل مي‌شود.

ازبين وسايل مختلفي كه نوارهاي محدود تابشي توليد مي‌كنند، صافيها ساده‌ترين و ارزان‌ترين هستند. دو نوع صافي جذبي و صافي تداخلي در دسترس است. مشخصات يك صافي مي‌تواند بر حسب طول موج حداكثر عبور و عرض مؤثر نوار شرح داده شود. عرض مؤثر نوار حدودي از طول موج را نشان مي‌دهد كه در آن عبور به نصف مقدار حداكثر خود كاهش داده مي‌شود.

2-    صافيهاي جذبي

صافي‌هاي جذبي به جذب كردن بعضي از قسمتهاي طيفها، تابش را محدود مي‌كنند. متداول‌ترين نوع آن مركب از يك شيشه رنگي و يا يك رنگ معلق در ژلاتين است كه بين در صفحه شيشه‌اي به شكل ساندويچ قرار دارد. شيشه رنگي اين حسن را دارد كه داراي پايداري حرارتي بيشتري است.

صافي‌هاي جذبي داراي عرض مؤثر نواري مي‌باشند كه شايد از 30 تا 250 نانومتر تغيير مي‌كند. صافي‌هايي كه باريك‌ترين عرض نوار را فراهم مي‌كنند، بخش قابل ملاحظه‌اي از تابش مورد نظر را نيز جذب مي‌كنند و ممكن است در پيكهاي نوار خود داراي عبوري معادل با 1/0 و يا حتي كمتر باشند. صافي‌هاي شيشه‌اي با ماكسيمم عبور در كل طول ناحيهمرئي به طور تجارتي در دسترس‌اند و نسبتاً ارزان‌اند.

صافي‌هاي قطع‌‍كننده در طول بخشي از طيف مرئي عبوري نزديك به 100 درصد دارند، امّا در طول بقيه طيف عبور آنها به سرعت به صفر تنزل مي‌كند. به وسيله جفت كردن يك صافي قطع‌كننده با يك صافي دوم، مي‌توان يك نوار باريك از طيف را جدا كرد.

3-    صافيهاي تداخلي

همانطور كه نام اين صافيها مي‌رساند، طرز كار اين‌ها بر تداخل نوري تكيه دارد تا نوارهاي نسبتاً باريك تابشي را توليد كند. يك صافي تداخلي مركب از يك دي‌الكتريك شفاف (اغلب كلسيم فلوئوريد و يا منيزيم فلوئوريد) است كه فضاي بين دو فيلم فلزي نيم‌شفاف اندودشده روي سطوح داخلي دو صفحه شيشه‌اي را اشغال مي‌كند. ضخامت اين لايه دي‌الكتريك با دقت كنترل مي‌شود و همين ضخامت است كه طول موج تابش عبور داده شده را معين مي‌سازد. وقتي كه يك پرتو عمودي از تابش موازي به اين صفوف لايه‌ها برخورد مي‌كند، قسمتي از آن از درون اولين لايه فلزي عبور مي‌كند، درحالي كه باقيمانده بازتابيده مي‌شود. قسمتي كه رد مي‌شود، در برخورد با دومين فيلم فلزي، تقسيم مشابهي را تحمل مي‌كند. اگر قسمت بازتابيده از اين برخورد دوم داراي طول موج مناسبي باشد، قسمتي از آن از سمت دروني اولين لايه، هم‌فاز با نور وارد شده با همان طول موج، بازتابيده مي‌شود. نتيجه اين است كه اين طول موج بخصوص تقويت مي‌شود، در حالي كه بيشتر بقيه طول موجهايي كه خارج از فاز هستند متحمل تداخل تخريبي مي‌شوند. صافي‌هاي تداخلي عموماً عرضهاي نواري بسيار باريكتر (به باريكي 10 نانومتر) و عبورهاي بيشتري ازطول موج مورد نظر را نسبت به صافي‌هاي نوع جذبي فراهم مي‌كنند. صافي‌هاي تداخلي كه نوارهاي تابشي از ناحيه ماوراء بنفش تا حدود ناحيه مادون قرمز را فراهم مي‌كنند، مي‌توانند خريداري شوند.

تكفام‌سازها

تكفام‌ساز وسيله‌اي كه تابش را به اجزاء سازنده آن تفكيك مي‌كند و اجازه مي‌دهد كه هر قسمت دلخواهي از طيف را از باقيمانده آن مجزا كنند. به طور كلي يك تكفام‌ساز حاوي يك دستگاه متشكل از شكافها، عدسي،ها و يك عنصر پاشان است كه مي‌تواند يك منشور يا يك شبكه پراش باشد.

نور از درون يك شكاف وارد مي‌شود، توسط يك عدسي موازي مي‌گردد، و سپس با زاويه‌اي به سطح منشور برخورد مي‌كند. شكست در هر دو سطح منشور به وقوع مي‌پيوندد؛ تابش پاشيده سپس بر روي سطحي كه كمي خميده است و حاوي شكاف خروجي است، متمركز مي‌شود. با چرخاندن منشور مي‌توان باعث خروج تابش با طول موج مورد نظر اين شكاف شد.

1-    پاشندگي با منشورها

ارتباط پيچيده‌اي كه همراه با پاشندگي يك تكفام‌ساز منشوري وجود دارد باعث مي‌شود كه يك توزيع غيرخطي از طول موجها، درطول صفحه شكاف خروجي مشاهده شود.

دو نوع از تكفام‌سازهاي منشوري معمولاً در دستگاهها براي اندازه‌گيري جذب تابش مورد استفاده قرار مي‌گيرند. تكفام‌ساز بونزن يك منشور 60 درجه‌اي را به نحوي به كار مي‌برد. شكاف ورودي در نقطه كانوني عدسي اول قرار گرفته است كه اين عدسي پرتو را قبل از آنكه به سطح منشور برخورد كند، موازي مي‌سازد. سپس عدسي دوم تابش پاشنده را بر روي سطحي كه حاوي شكاف خروجي است، متمركز مي‌سازد.

وقتي كه كوارتز كريستالي براي يك تكفام‌ساز از نوع بالا مورد استفاده قرار مي‌گيرد، به علت فعاليت نوري كوارتز يك منشور كورنو بايد به كار رود. يك پرتو تابش در حال عبور از درون كوارتز به دو پرتو قطبيده دوراني تقسيم مي‌شود كه سرعتهاي متفاوتي دارند. اين مشكل با ساختن يك منشور كورنو 60 درجه از دو منشور 30 درجه، يكي از كوارتز چپ گرد و ديگري از كوارتز راست گرد، رفع مي‌شود. به اين ترتيب تفاوت در سرعتهاي دو مسير جبران مي‌شود.

تكفام‌ساز ليترويك منشور 30درجه دارد كه در طول محور عمودي خود با نقره پوشانده شده است. بنابراين تابش از همان سطحي كه وارد مي‌شود، خارج مي‌گردد امّا درجه شكست آن با يك منشور 50 درجه است. منشورهاي ليترو به طور وسيعي مورد استفاده قرار مي‌گيرند، زيرا كه باعث فشردگي ساختمان دستگاه مي‌شوند. مضافاً، برگشت مسير در چنين منشوري هر گونه اثر فعاليت نوري را از ميان مي‌برد، بنابراين احتياجي به ساختن منشور از دو قطعه نيست.

2-    پاشندگي با شبكه پراش:

پاشندگي تابش ماوراء بنفش، مرئي و مادون قرمز مي‌تواند با عبور پرتو از درون يك شبكه عبوري يا توسط بازتابش از يك شبكه بازتاب حاصل شود. يك شبكه عبوري مركب از يك سري شيارهاي موازي بسيار نزديك به هم است كه بر روي يك قطعه شيشه يا يك ماده شفاف ديگر كشيده شده است. يك شبكه مناسب براي استفاده ازناحيه ماوراء بنفش و مرئي در حدود 15000 خط در هر اينچ دارد. اين مسئله بسيار مهم است كه در طول چند اينچي يك شبكه نوعي، حتماً اين خطوط به فاصله‌هاي دقيقاً مساوي رسم شده باشند. براي توليد چنين شبكه‌هايي احتياج به دستگاههايي است كه بسيار استادانه ساخته شده باشند و در نتيجه قيمت اين شبكه‌ها گران است. شبكه‌هاي المثني ارزانترند. اين شبكه‌ها با استفاده از يك شبكه اصلي به عنوان قالب براي توليد تعداد زيادي المثني‌هاي پلاستيك ساخته مي‌شود. محصولات اين فرآيند در عين حال كه طرز كارشان نسبت به شبكه اصلي در سطح پائين‌تري قرار دارد، ولي براي بسياري از موارد استفاده كافي‌اند.

 وقتي كه تابش از يك شكاف به يك شبكه عبوري تابيده شود، هر يك از شيارها مانند يك منبع نور جديد عمل مي‌كند. تداخل بين تعداد زيادي از پرتوها، منجر به پاشيدگي تابش به طول موجهاي سازنده تابش مي‌شوند. اگر تابش پاشيده را بر روي يك سطح مسطح متمركز كنيم، طيفي به دست مي‌آيد كه شامل يك سري از تصاوير شكاف ورودي است.

شبكه‌هاي بازتاب، خط كشيدن بر روي يك سطح فلزي صيقلي شده و يا با نشاندن يك فيلم نارك از آلومينيوم به كمك تبخير بر روي سطح يك شبكه المثني، به دست مي‌آيند. براي اينكه تداخل سازنده اتفاق افتد لازم است كه تساوي زير برقرار باشد:                                                          

امّا به آساني مي‌توان ديد كه                 

در اينجا d فاصله بين خطوط كشيده شده و i زاويه پرتو فرودي با خط عمود است. همچنين مشاهده مي‌شود كه:

در اينجا  زاويه بازتابش و علامت منفي به اين خاطر بروز مي‌كند كه طبق قرارداد، علامت زاويه بازتابش عكس علامت زاويه فرود است. بنابراين شرايط براي تداخل سازنده عبارت‌اند از:

3-    شكافها

شكافهاي يك تكفام‌ساز نقش مهمي را در تعيين كيفيت آن ايفا مي‌كنند. دو فك شكاف با ماشين كردن دقيق دو قطعه از فلز ساخته مي‌شوند تا لبه‌هاي تيزي را توليد كنند. دقت مي‌شود تا اطمينان حاصل گردد كه لبه‌هاي شكاف دقيقاً موازي يكديگر هستند و در يك صفحه قرار دارند.

در بعضي تكفام‌سازها دهانه‌هاي دو شكاف ثابت است. معمولاً فاصله بين فكها مي‌تواند به كمك يك مكانيستم ميكرومتري تنظيم شود. شكاف ورودي به عنوان منبع تابش عمل مي‌كند و تصوير آن بر روي سطح حاوي شكاف خروجي متمركز مي‌شود. اگر منبع تابش مركب از چند طول موج جدا از هم باشد، يك سوي تصاوير به صورت خطوط روشن بر روي اين صفحه ظاهر مي‌شوند كه هر يك داراي طول موج معيني است. با چرخاندن عنصر پاشان، مي‌توان يك خط بخصوص را بر روي شكاف خروجي متمركز كرد. اگر شكافهاي ورودي و خروجي داراي اندازه‌هاي يكسان باشند (كه اغلب همينطور است) وقتي كه تكفام‌ساز مطابق با طول موج تابش تنظيم بشود، به طور نظري تصوير شكاف ورودي درست روي دهانه شكاف خروجي مي‌افتد. حركت پايه تكفام‌ساز در يك جهت يا جهت ديگر منجر به كاهش مداوم در شدت نشر مي‌شود. وقتي كه تصوير شكاف ورودي با تمام عرضش جابجا شود، مقدار شدت نشر به صفر مي‌رسد.

عرض مؤثر نوار يك تكفام‌ساز به قدرت پاشندگي منشور و شبكه و همچنين به عرض شكافهاي ورودي و خروجي بستگي دارد. بيشتر تكفام‌سازها مجهز به شكافهاي قابل تغييرند. به نحوي كه عرض مؤثر نوار بتواند تغيير كند. هر جا كه تفكيك نوارهاي جذبي باريك مورد نياز باشد، استفاده از مينيمم عرض شكاف توصيه مي‌شود. از طرف ديگر هر چه شكاف باريكتر باشد، كاهش مشهود در توان تابشي نشرشده مشاهده مي‌شود و اندازه‌گيري دقيق اين توان مشكلتر مي‌گردد.

بنابراين مي‌توان ازشكافهاي عريض‌تري براي تجزيه‌هاي كمي استفاده كرد. اين امر براي كارهاي كيفي كه در آنها جزئيات طيفي اهميت دارد، توصيه نمي‌شود.

بنابراين براي بدست آوردن تابش با يك عرض مؤثر نوار شاخص، بايد شكافهاي خيلي باريكتري را در طول موجهاي بلند در مقايسه با طول موجهاي كوتاه به كار گرفت.

4- تابش مزاحم

تابش خارج شده از يك تكفام‌ساز معمولاً ممكن است با مقادير كمي از تابشهايي با طول موجهاي كاملاً متفاوت با آنچه دستگاه براي آن طول موج تنظيم شده است، آلوده شده باشد چندين منبع براي اين تابش ناخواسته وجود دارد. بازتابشهاي پرتو از سطح قطعات نوري مختلف و از سطح محفظه تكفام‌ساز در اين مسئله مشاركت دارند. پخش به وسيله گرد و غبار موجود در هوا و يا روي سطوح قطعات نوري نيز مي‌تواند باعث رسيدن تابش سرگردان به شكاف خروجي شود. به طور كلي،با گذاشتن موانعي در نقاط مناسب در داخل تكفام‌ساز، و با اندودن سطوح داخلي آن با رنگ سياه يكدست، اثرات مزاحم به حداقل كاهش داده مي‌شود. به علاوه روي شكافهاي تكفام‌ساز به كمك پنجره‌هايي گرفته مي‌شود تا از ورود گرد و غبار و بخارات به داخل دستگاه جلوگيري به عمل آيد.

4-    تكفام‌سازي مضاعف

بسياري از تكفام‌سازي نوين حاوي دو عنصر پاشان هستند، يعني دو منشور، در شبكه و يا يك منشور در يك شبكه. اين ترتيب به نحو قابل ملاحظه‌اي از مقدار تابش سرگردان مي‌كاهد و همچنين پاشندگي و تفكيك طيفي بيشتري را فراهم مي‌سازد. مضافاً، اگر يكي از عناصر پاشان، شبكه باشد، طول موجهاي با مرتبه‌هاي بالاتر به وسيله عنصر دومي حذف مي‌شوند.

4- كووت (Cuvett)

كووت‌ها لوله‌هاي شيشه‌اي يا كوارتزي مخصوص گذراندن نمونه در دستگاه هستند. كه اين لوله‌ها بايد حتماً تميز باشند، تا جذب نور فقط مربوط به رنگ محلول بود و مربوط به جرم‌هاي روي شيشه نباشد. با عبور از محلول مقداري از نور جذب مي‌شود و مقداري عبور مي‌كند.

مانند مواد سازنده قسمتهاي نوري يك تكفام‌ساز، سلولها يا كووتها كه نمونه‌ها را در خود نگاه مي‌دارند نيز بايد از موادي ساخته شوند كه تابش را در ناحيه طيفي مورد نظر از خود عبور دهند. بنابراين، براي كار در ناحيه ماوراء بنفش زير 350 نانومتر، كوارتز يا سيلس گداخته شده مورد نيازند. اين مواد همچنين در ناحيه مرئي و تا حدود µ3 در ناحيه مادون قرمز نيز شفاف هستند. شيشه‌هاي سيليكاتي مي‌توانند در ناحيه بين 350 نانومتر و µ2 به كار گرفته شوند. در بعضي موارد نيز از ظروف پلاستيكي در ناحيه مرئي استفاده مي‌شود.

به طور كلي بهترين سلولها پنجره‌هايي دارند كه كاملاً عمود بر جهت پرتو مي‌باشند تا بدين ترتيب ضايعات بازتابش را به حداقل برسانند. بيشتر دستگاها يك جفت سلول دارند كه با توجه به مسير نور و مشخصات عبور، به نحوي جور شده‌اند كه امكان مقايسه دقيق توان عبور داده شده از نمونه و حلال را فراهم مي‌سازند. متداول‌ترين طول cm1 است. سلول‌هاي جفت‌شده و مدرج با اين اندازه، توسط منابع تجارتي مختلف در دسترس‌اند.

سلولهاي باطول مسيرهاي ديگر از cm1/0 و كمتر از cm10 هم مي‌توانند خريداري شوند. فاصله‌گيريهاي شفاف براي كوتاه كردن طول مسير سلولها، ازيك سانتي‌متر به 1/0 سانتي‌متر نيز در دسترس‌اند.

كووت‌ها ممكن است گرد يا مربع باشند. كووت‌هاي مربع‌شكل نسبت به كووت‌هاي گرد ترجيح داده مي‌شوند. زيرا هنگام حركت نور روي سطوح دايره‌اي مقداري از نور در اثر انعكاس يا انحراف از بين مي‌رود. روي كووت‌ها علامت مخصوص مشخص مي‌باشد كه هنگام قرار دادن در دستگاه بايد علامت فوق به سمت خواننده باشد. براي يكدست كردن يا كاليبراسيون كووت‌ها از روش زير مي‌توان استفاده كرد:

الف- محلول يك ماده رنگي پايدار را در غلظتي مناسب طوري تهيه كنيد كه در طول موج خاصي به طور تقريب T%50 را قرائت نمايد.

ب- دستگاه را روي طول موج خاصي جهت اندازه‌گيري تنظيم و آن را با بلانك رفرانس (Blank Refrence) روي T%100 تنظيم نمائيد.

ج- محلول را داخل كووت ريخته و T% قرائت كنيد. سر لوله را بسته تا ميزان جابه‌جائي T مشخص شود.

د- محلول را به كووت خشك قابل آزمايش ريخته ومجدداً T% را قرائت نمائيد. چنانچه درصد خطا بالاتر از T %5/0 باشد آن كووت قابل استفاده نيست.

مي‌توان كووت‌ها را چرخاند تا بهترين وضعيت حاصل شود و بهتر است دو سطح بالاي كووت‌ها را علامت‌گذاري كرد تا به طور صحيح در اسپكتروفتومتر قرار گيرند.

هنگامي كه اندازه‌گيري در بخش مرئي طيف (به طور تقريب در حدود 700-350 نانومتر) انجام مي‌گيرد. كووت‌هاي پلاستيكي يكبار مصرف يا شيشه‌اي ترجيح داده مي‌شوند و در طول موجهاي پائين‌تر در حد ماوراء بنفش از كووت‌هاي كوارتز يا سيليكات استفاده مي‌شود.

نكات اساسي كه در استفاده از كووت‌ها، بايد به آنها عمل كرد عبارتنداز:

الف- هرگز قسمت پايين كووت را با دست نگيريد چون نور از اين قسمت كووت عبور مي‌كند.

ب- موقع استفاده از كووت‌ها آنها را با پارچه نرمي كه پرز ندارد پاك كنيد.

ج- كووت‌ها را دو بار با محلول مورد آزمايش آبكشي كنيد.

د- محلول داخل كووت بايد عاري از حباب هوا باشد.

هـ- روي هر كووت علامت مخصوصي وجود دارد و موقعي كه كووت را در اسپكتروفتومتر مي‌گذارند بايد علامت مخصوص آن به طرف خواننده باشد.

و- از همان مسيري كه كووت را داخل اسپكتروفتومتر قرار داده‌اند از همان مسير آن را خارج مي‌كنيد.

ز- وقتي از دستگاه استفاده نمي‌شود دريچه روي محفظه كووت را ببنديد.

ح- كووت را نبايستي با محلول تميزكننده قوي شست حتي در محلول‌هاي ضعيف‌تر به مدت طولاني قرار ندهيد.

ط- در صورت اجبار بعضي مواقع لازم است كه داخل كووت را با سوآپ (Swap)پنبه‌اي تميز كرد.

ي- از كووت‌هاي كاليبره نشده استفاده نكنيد.

ك- بايد اندازه كووت و حجم محلول اندازه‌گيري مناسب باشد تا نور كافي براي جذب‌شدن به آن برسد.

ل- پس از اتمام كار، كووت‌ها را با ديترجنب (Detergent) ملايم شسته سپس با آب معمولي و آب ديونيزه تميز، و به شكل وارونه روي جالوله‌اي پلاستيكي گذاشته تا خشك شوند. كووت‌ها را بلافاصله بعد از استفاده بايد تميز و هرگز نبايد آنها را درون محلول ديترجنت غوطه‌ور نمود 

5- آشكارسازي تابش، شناساگرها (Detector)

در دستگاههاي اوليه، جهت اندازه‌گيري جذب تابش از روشهاي بصري يا عكاسي براي آشكارسازي استفاده مي‌شده است. اين روش‌ها تقريباً به طور كامل توسط اسباب‌هاي فوتوالكتريك جانشين شده‌اند كه انرژي همتابشي را به يك علامت الكتريكي تبديل مي‌كند. بحث ما محدود به آشكارسازي‌هايي از اين نوع است.

براي اينكه يك آشكارساز مفيد باشد بايد در مقابل انرژي تابشي در گستره وسيعي از طول موجها عكس‌العمل نشان دهد. مضافاً بايد به ترازهاي پائين توان تابش حساسيت داشته باشد، سريعاً در مقابل تابش عكس‌العمل نشان دهد، توليد علامتي الكتريكي كند كه بتواند به آساني تقويت شود و داراي تراز اغتشاش نسبتاً پائيني باشد (براي پايداري). بالاخره لازم است كه علامت توليدشده مستقيماً مناسب با توان پرتوي باشد كه به آشكارساز برخورد مي‌كند. يعني:

G= kp+k               (4-2)

در اينجا Gعكس‌العمل الكتريكي آشكارساز برحسب واحد جريان، مقاومت يا emf است.

ثابت kحساسيت آشكارساز را برحسب عكس‌العمل الكتريكي به ازاء هر واحد توان تابشي اندازه مي‌گيرد. بسياري از آشكارسازها يك عكس‌العمل ثابت كوچك به نام جريان سياه k دارند. اين در زماني است كه هيچ تابشي به سطح آنها برخورد نمي‌كند‍. دستگاههاي با اين نوع آشكارسازها كه عكس‌العمل جريان سياه دارند، معمولاً مجهز به يك مداير جبران‌كننده مي‌باشند تا علامتي ناهمسو ايجاد كنند كه kرا به صفر كاهش دهد. بنابراين تحت شرايط معمولي مي‌توان نوشت:

در اينجا G و نشان‌دهنده عكس‌العمل الكتريكي آشكارساز در مقابل تابشي است كه به ترتيب از محلول و حلال عبور مي‌كند. بنابراين جذب با رابطه زير داده مي‌شود:

سه نوع وسيله فوتو الكتريك اصلي براي آشكارسازي تابش به كار مي‌رود: (1) سلولهاي فوتو ولتايي كه در آنها انرژي تابش، جرياني را در سطح تماس بين يك نيم‌رسانا و يك فلز ايجاد مي‌كند. (2) فوتو لوله كه در آن تابش باعث فوتونشر الكترون‌ها از يك سطح جامد مي‌شود. (3) سلولهاي فوتو رسانا كه در آنها جذب تابش توسط يك نيم‌رسانا باعث تغييري در مقاومت الكتريكي مي‌شود. سلولهاي فوتو رسانا باعث تغييري در مقاومت الكتريكي مي‌شود. سلولهاي فوتو رسانا اصولاً براي آشكارسازي تابش در ناحيه 750 تا 3500 نانومتر به كار گرفته مي‌شوند.

6- الكتريك‌سنج

نقش اين قسمت قرائت انرژي الكتريكي خروجي از آشكارسازي و سپس نمايش داده‌ها به شكل فايل تغيير مي‌باشد. به طور معمول داده‌ها را بر حسب عبور نور يا جذب نمايش مي‌دهند. بعضي دستگاهها قادرند داده‌ها را به طور مستقيم بر حسب واحد غلظت ثبت نمايند. وسايل قرائت عبارتند از سيستم متريك، سيستم ديجيتال، سيستم چاپگر، سيستم ثبات يا چارت نواري كه عبور نور يا جذب را به شكل خط ترسيم مي‌نمايد. در اسپكتروفتومتر‌هاي ساره از سيستم گالوانومتر جهت قرائت انرژي حاصل از فتوتيوپ استفاده مي‌شود. گالوانومتر از يك مغناطيس دائم به شكل نعل اسب و سيم‌پيچ ظريف و يك عقربه و صفحه مدرج تشكيل شده است. جريان خروجي از آشكارساز از سيم‌پيچ گالوانومتر عبور كرده و باعث ايجاد ميدان الكتريكي مي‌شود در اثر برآيند دو ميدان موجود (ميدان مغناطيسي ثابت و ميدان الكتريكي بوجودآمده بر اثر جريان خروجي آشكارساز) عقربه‌اي كه به سيم‌پيچ فوق متصل مي‌باشد حركت مي‌كند. صفحه مقابل عقربه را درجه‌بندي كرده و از روي آن مقدار داده موجود در محلول را اندازه‌‌گيري مي‌نمايند.

روشهاي كنترل اسپكتروفتومتر

1-    تنظيم طول موج:

تنظيم طول موج بدين منظور صورت مي‌گيرد كه بتوان طول موج نشان داده شده توسط دستگاه را با طول موج انتخابي دستگاه ثابت كرد. بهتر است كه طول موج به صورت روزانه كنترل شود ولي اگر منبع نور تغيير كند تنظيم طول موج اجباري است. يك روش جهت تنظيم طول موج استفاده از فيلترهاي شيشه‌اي كمياب مانند ديديميوم اكسيد هوليوم مي‌باشد. فيلتر ديديميوم داراي باند جذبي وسيعي مي‌باشد و با استفاده از آن مي‌توان طول موج دستگاههاي با نور عبور يافته وسيع را تنظيم كرد. فيلتر اكسيدهوليوم داراي باند جذبي تند مي‌باشد كه به طور دقيق در منطقه مرئي و ماوراء بنفش (650-280 نانومتر) قرار گرفته و با استفاده از آن مي‌توان طول موج را در دستگاههاي با نور عبوريافته باريك را تنظيم كرد

2-    كنترل خطي:

كنترل خطي به اين منظور صورت مي‌گيرد تا حساسيت آشكارساز در حد وسيعي از طول موج به كار رفته دستگاه (حد طول موج مفيد اندازه‌گيري) ثابت شود. معمولي‌ترين روش جهت تأييد خطي استفاده ازمحلول‌هايي است كه از قانون بير تبعيت مي‌نمايند. محلول با غلظت شناخته‌شده رقيق، طوري كه حداقل سه غلظت از آن بدست آيد. جذب هر رقت در طول موج مشخص در مقابل محلول رفرانس (Refrence) قرائت مي‌شود. ميزان جذب روي محور عمودي و غلظت روي محور افقي روي كاغذ خطي رسم مي‌شود چنانچه حساسيت آشكارسازي خطي باشد، نقاط ترسيم‌شده تشكيل خط مستقيم را مي‌دهند. توصيه‌ مي‌شود كه كنترل خطي به طور هفتگي صورت گيرد.

منحني‌هاي جذب را مي‌توان هر هفته مقايسه نمود تا بتوان تعيين كرد كه آيا شيب خط با گذشت زمان تغيير كرده است يا نه. اثر كهنه شدن لامپ منبع را مي‌توان از روي تغيير در خطي بودن مشخص كرد.

بخش‌هاي مختلف دستگاه فتومتر

دستگاه فتومتر بر مبناي كاربرد آن مي‌تواند در اشكال مختلف يافت شود. ولي در تمامي انواع آن قسمت‌هاي اساسي زير مشترك هستند.

الف- منبع نور                            ب- محل نگهداري نمونه     ج- چرخ فيلتر                                               د- آشكارساز نوري   

م- تقويت‌كننده              ن-مبدل آنالوگ به ديجيتال و- پردازشگر و كنترل‌كننده                     هـ- صفحه كليد               

ي- صفحه نمايش     

توضيح مشخصات و عملكرد بخش‌هاي مختلف سيستم به شرح ذيل است:

منبع نور: منبع نور بايد توانايي توليد طول موج‌هاي لازم جهت انجام آزمايش‌هاي مختلف را داشته باشد. شرايطي كه اين منبع بايد داشته باشد عبارتند از:

1- شدت نور كافي: شدت نور لامپ بايد به حد كافي باشد تا نسبت سيگنال به نويز سيستم در حد مطلوب قرار گيرد. در اين صورت تأثيرپذيري سيستم از نويزهاي موجود كمتر خواهد بود.

2- پايداري: بايد مقدار انرژي نوراني لامپ در فاصله زماني كه براي اندازه‌گيري توان تشعشعي ورودي به نمونه و توان تشعشعي خروجي از آن لازم است، تغيير نكند با توجه به اهميت تثبيت نور لامپ در طول انجام آزمايش، از مداري جهت تثبيت نور استفاده شده است كه توضيحات مربوط به آن در بخش الكترونيك دستگاه آمده است.

3- طيف لامپ بايستي پيوسته باشد يعني اگر براي ناحيه مرئي به كار مي‌رود، تمام طول موج‌هاي اين ناحيه را توليد كند. به طور كلي استفاده از لامپ تنگستن هالوژن با شيشه كوارتز در كاربردهاي پزشكي مناسب باشد.

علت وجود هالوژن درون لامپ اين است كه در حالت عادي تنگستن از فيلمان بخار مي‌شود و لبه به جدار حباب مي‌چسبد. در حضور هالوژن، تنگستن نقطه تصعيد پائين‌تري پيدا مي‌كند در نتيجه مجدداً بخار شده و به فيلمان بر مي‌گردد. اين امر موجب مي‌شود كه لامپ تنگستن در طول عمر مفيد خود، نور نسبتاً يكنواختي داشته باشد. نكته قابل توجه ديگر در مور منبع نور اين است كه فيلمان لامپ بايد تا حد ممكن كوچك انتخاب شود.

ظرف حاوي نمونه كووت :

ظروفي كه نمونه ريخته مي شود سل (cell) يا كووت ناميده مي شود و معمولاً به شكل 1 بتواند  و يا مكعب مي باشد . مشخصه اپتيكي كدوت بايد به نحوي باشد كه مشخصه نور ورودي به سر كودت و يا خروجي از آن را تغير ندهد  معمولاً قطر كووت  يعني طولي كه نوراز از آن عبور مي كند ، cm 1 است. كووت  بايد كاملاً بي رنگ بوده و سطح دو طرف آن نيز موازي باشد  و قسمتي از سطح آن كه در معرض نور قرار مي گيرد از تماس مصون نگه داشته شود.

نكته قابل توجه در مورد كووت اين است كه استفاده از سلولهاي استوانه اي باعث  كاهش دقت دستگاه مي گردد ، زيرا مسير پيموده شد

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: