اسپکتروفتومتر مرئی و ماوراء بنفش چیست

اسپکتروفتومتر مرئی و ماوراء بنفش چیست
اسپکتروفتومتر یا طیف سنج مرئی و ماوراء بنفش و یا دستگاه UV-Vis Spectrometer که گاهی یو وی هم نامیده می شود، دستگاهی برای اندازه گیری مقدار یک ماده بر اساس میزان جذب الکترومغناطیسی آن ماده می باشد. اغلب ماده مورد آنالیز در اسپکت به صورت مایع می باشند. تابش نور در دستگاه اسپکتروفتومتر مرئی با استفاده از لامپ تنگستن و در دستگاه UV با لامپ دوتریم انجام می گیرد. دستگاه اسپکتروفتومتر برای اندازه گیری کیفی و کمی رنج وسیعی از مواد در زمینه های مختلف علمی و تحقیقاتی مانند شیمی، بیوشیمی، داروسازی، مواد و محیط زیست بکار می رود.

اساس کار دستگاه اسپکتروفتومتر
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 اندازه گیری 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 افزونه هائی بر روی دستگاه طیف سنج می توان نمونه های جامد و یا گاز را هم آنالیز نمود که در مقالات این بحث مفصل گفته خواهد شد.

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 می شود. بازه طول موجی قابل اندازه گیری به صورت معمول در این دستگاه از 1100 نانومتر تا 190 نانومتر می باشد. برای اندازه گیری نواحی خارج این بازه معمولاً از دستگاه های مجهزتری استفاده می شود. 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 موج های 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 می شود.

بخش های طیف سنج ماورا بنفش و مرئی

• منبع نور
• منشور یا آینه گریتینگ
• مونوکروماتور
• آشکار ساز، دتکتور یا فتودیود
• پردازشگر

شکل ذیل نشانگر تصویر کلی از نحوه کار این دستگاه است.
در دستگاه طیف سنج مرئی و ماوراء بنفش، بعد از عبور نور از داخل محلول نمونه نور باقیمانده داخل یک آشکار ساز از نوع Photomultiplier و یا Photodiode شده و پس از پردازش کامپیوتری به صورت یک عدد از صد با عنوان درصد عبور نور و یا لگاریتم آن با عنوان عدد جذب نور در نمایشگر ظاهر می شود. محاسبات جذب یا عبور نور از قانون لامبرت بیر پیروی می کند. از نظر ریاضی مقدار نور I0 از محیطی با طول X و غلظت C می گذرد، شدت نور باقیمانده I پس از گذشت از محیط عبارتست از:
I=I0e-KCX
در این رابطه K ثابت نسبی (ضریب جذب) خواهد بود.لذا جذب محیط یا همان A اینگونه حاصل می شود:
A=log (I0/I) =KCX

طیف سنج و یا اسپکتروفتومتر در دو نوع تک پرتوئی Singlr beam و دو پرتوئی Double Beam 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 می کند. از محاسن این سیستم سادگی، کوچکی و ارزانی آن است و از معایب آن خطای جزئی به دلیل عدم ثبات محیط اندازه گیری می باشد.

اما سیستم دو پرتوئی دارای دو پرتو تابیده شده است که همزمان یکی به سمت آشکار ساز می رود و دیگری از داخل نمونه می گذرد و اختلاف بین ایندو محاسبه می شود. از محاسن این سیستم دقت بیشتر در مقایسه با سیستم تک پرتوئی است و از معایب آن پیچیده بودن و قیمت گرانتر است. عکس ذیل سیستم شماتیک یک اسپکتروفتومتر 2 پرتوئی است.

اشعه ماوراء بنفش نور چیست؟
نور فرابنفش (Ultra Violet) که به اختصار UV گفته می شود، موجی است که در گستره ی امواج الکترومغناطیسی می باشد و طول موج آن در محدوده 10 تا 400 نانومتر بوده و این طول موج کوتاه تر از طول موج نور مرئی بوده و از طول موج پرتو ایکس بلندتر است. بنابراین انرژی این نور از انرژی پرتو ایکس کمتر و از انرژی نور مرئی بیشتر است.

نور خورشید دارای اشعه UV است که این اشعه UV شامل 10 درصد از تمام امواج منتشر شده از سطح خورشید می باشد. در هنگام جوشکاری قوس الکتریکی هم این اشعه تولید و منتشر می شود و هم چنین توسط لامپ سیاه و یا لامپ بخار جیوه هم می توان این اشعه را تولید کرد. از این نور فرابنفش می توان برای کاربردهایی نظیر ضدعفونی کردن آب و مواد خوراکی، تجهیزات پزشکی و صنعتی و... استفاده کرد.

اشعه فرابنفش به 3 دسته UVA و UVB و UVC تقسیم می شود که طول موج های آنها به شرح زیر می باشد:

UVA: 315-400 nm
UVB: 280-315 nm
UVC: 100-280 nm
نور خورشید شامل تمامی این طول موج های فرابنفش می باشد، اما در حدود 95 درصد از اشعه فرابنفش که به سطح زمین می رسد از نوع UVA است و به طور تقریبی تمامی UVC و بخش عمده UVB توسط لایه ازن، دی اکسید کربن، اکسیژن و بخار آب موجود در اتمسفر جذب می شود و به زمین نمی رسد. البته در سال های اخیر ضخامت لایه ازن به دلیل آلودگی های صنعتی و وجود گازهای گلخانه ای کاهش یافته و به همین دلیل میزان بیشتری از UVB و UVC از جو زمین عبور می کند و به زمین می رسد.

به صورت کلی میزان کم اشعه فرابنفش مفید و لازم است، زیرا می تواند برخی از باکتری ها را نابود کند و همچنین باعث تبدیل برخی از مواد شیمیایی موجود در سطح پوست به ویتامین D می شود. اما مقدار زیاد آن برای سلامتی مضر است. زیرا تابش فرابنفش دارای انرژی کافی برای شکستن پیوندهای شیمیایی می باشد و فوتون های فرابنفش چون انرژی بسیار بالایی دارند می توانند باعث فرآیند یونیزاسیون شود که در این فرآیند الکترون ها از اتم ها جدا شده و این تُهی شدگی بر ویژگی های شیمیایی اتم ها تأثیر گذاشته و آنها را وادار به شکل گیری یا شکستن پیوند های شیمیایی می کند. این فرآیند برای پردازش شیمیایی مفید است، اما می تواند آسیب هایی را به مواد و بافت های زنده وارد کند. این آسیب برای ضد عفونی کردن سطوح مفید است ولی دارای خطراتی برای پوست و چشم ها به وجود می آورد. لذا تابش های پر انرژی UVB و UVC تهدیدی برای سلامتی هستند.

علاوه بر منابع ذکر شده برای تولید نور فرابنفش، منابعی دیگر نظیر دستگاه های مخصوص برنزه کردن پوست، نورهای نامرئی، لامپ های درمانی، لامپ های مخصوص میکروب کشی، چراغ های هالوژن، لامپ های بخار جیوه، لامپ های تخلیه پر شدت، لامپ های فلوئورسنت و لامپ های نئون و برخی نورهای لیزری هم وجود دارند. هم چنین یکی از متداول ترین راه های تولید نور فرابنفش، عبور دادن جریان الکتریکی از بخار جیوه یا گازهای دیگر است.

ثابت شده است که در لوله های فلوئورسنت تابش فرابنفش با طول موج 254 نانومتر یعنی در بازه ی UVC همراه با نور آبی تولید می شود و با عبور جریان الکتریکی از بخار جیوه نشر می یابد. این تابش فرابنفش نامرئی می باشد، اما انرژی بیشتری در مقایسه با نور مرئی ساطع شده دارد. انرژی حاصل از نور فرابنفش توسط روکش فلوئورسنت درون لامپ فلوئورسنت جذب می شود و سپس مجددا در قالب نور مرئی منتشر می گردد. لوله های مشابه اما بدون روکش فلوئورسنت می توانند باعث نشر نور فرابنفشى شوند که می تواند نقش موثری در ضد عفونی کردن سطوح ایفا کند. زیرا اثر یونیزه کننده تابش فرابنفش می تواند بسیاری از باکتری ها را از بین ببرد. در مقابل بعضی از مواد مانند گیاهان و مواد معدنی و قارچ ها و میکروب ها و مواد شیمیایی ارگانیک می توانند نور فرابنفش را جذب کنند. این عمل جذب باعث افزایش سطح انرژی الکترون های موجود در مواد شده و این الکترون ها می توانند با بازگشت به سطح انرژی پایین تر در یک سری مراحل جزئی، قسمتی از انرژی جذبی شان را به صورت نور مرئی ساطع کنند. بنابراین از این مواد که چنین خاصیتی را دارند می توان در جلیقه های نجات و تابلوها و سایر مکان هایی که مساله دیده شدن در آنها حائز اهمیت است استفاده کرد.

تأثیرات نور فرابنفش بر سلامتی چیست؟
اشعه فرابنفش برای چشم انسان نامرئی است. وجود اشعه فرابنفش در خورشید باعث آفتاب سوختگی می گردد و مواجهه طولانی مدت با آن می تواند موجب سرطان پوست گردد. از دیگر اثرات این اشعه می توان از تأثیراتی نام برد که بر چشم انسان می گذارد، بدین صورت که این اشعه باعث خشکی چشم و کاهش حس قرنیه می شود. گاهی سلول ها همراه با DNA جهش یافته، در اثر پرتو های خورشید که دارای پرتو فرابنفش می باشند، به سلول های مشکل دار تبدیل می شوند که این سلولها نمی میرند اما به عنوان سلول های سرطانی گسترش می یابند. دانشمندان می گویند نور فرابنفش باعث وارد آمدن آسیب های تصادفی در DNA می شود، به طوری که سلول ها توانایی اجتناب از مرگ را کسب می کنند که نتیجه کسب این توانایی سلول ها سرطان پوست خواهد بود. هرچه فردی تعداد دفعات بیشتری دچار آفتاب سوختگی شود، خطر ابتلا به سرطان پوست در آن فرد بیشتر می شود. به طوری که بر اساس اعلام بنیاد سرطان پوست، خطر ابتلا به مرگبارترین نوع سرطان پوست (موسوم به ملانوما) در افرادی که پنج بار یا بیشتر دچار آفتاب سوختگی شده اند، دو برابر می شود.

تجهیزات اندازه گیری تشعشعات فرابنفش کدام است؟
1-اسپکتروآنالایزرها:
این دستگاه ها طیف را می توانند اندازه بگیرند و دستگاه هایی دقیق و پیچیده و گران قیمت هستند و برای کار کردن با آنها نیاز به آموزش هست. این دستگاه ها قابلیت اندازه گیری Eeff یا شدت موثر را دارند و هم می توانند در تک تک طول موج ها اندازه گیری شدت را انجام دهند و هم در بازه هایی که ما برایشان تعریف می کنیم.

2- یو وی مترها (یو وی سنج ها):
دستگاه سنجش uv، نسبت به اسپکترو آنالایزرها ارزان تر و ساده تر هستند و کاربرد گسترده تری دارند و بسته به نوع اشعه فرابنفش پراب متفاوت دارند. یعنی بسته به اینکه می خواهند UVA و یا UVB و یا UVC را اندازه بگیرند، پراب آنها متفاوت می باشد. دستگاه سنجش uv، برخی از پارامترها را اندازه نمی گیرد و نمی تواند تک طول موج را اندازه بگیرد و شدت کل را در کل بازه مثلا یا UVA و یا UVB و UVC را اندازه می گیرند و این سبب می شود دقت اندازه گیری کمتر باشد.

معرفی دستگاه یو وی لایت متر UV-340:
این دستگاه سنجش uv، برای اندازه گیری شدت اشعه UV در واحد میکرو وات بر سانتی متر مربع به کار می رود و در محیط های صنعتی برای بازرسی قطعات فنی به وسیله لامپ ماورابنفش و مطابقت دادن آن با استانداردها کاربرد زیادی دارد. هم چنین از این یو وی متر می توان در بخش های کنترل کیفیت کارخانه ها و تولیدات فلزی و بازرسی های فنی و مهندسی استفاده کرد. دستگاه UVA سنج دارای پراب گیرنده طول موج فرابنفش و شمارشگر، پردازنده مرکزی، صفحه کلید و مانیتور می باشد و یک دستگاه حرفه ای و با کیفیت بالا برای اندازه گیری طول موج های UVA و UVB می باشد که قابل استفاده در مراکز صنعتی و دانشگاهی می باشد.این یو وی سنج دارای میکروپروسسور قوی می باشد و سنسور آن دارای فیلتر اصلاح کننده می باشد. از جمله کاربردهای این دستگاه سنجش uv استفاده از آن به منظور اندازه گیری اشعه ماورابنفش در جوشکاری و استرلیزه کردن به وسیله اشعه ماورابنفش و اتاق ظهور عکس و خشک کردن چسب ها و پوشش ها و رنگ ها به وسیله اشعه ماورابنفش و هم چنین کاربردهای آزمایشگاهی از جمله هواشناسی و ویروس شناسی و میکروبیولوژی و تحقیقات بر روی DNA و... می باشد.

معرفی دستگاه یو وی لایت متر UVA-365:

یو-وی لایت متر Lutron مدل UVA-365، توانایی اندازه گیری نور ماورابنفش UVA را که در رنج 315 تا 400 نانومتر قرار می گیرد دارد. این یو وی لایت متر یک دستگاه حرفه ای بوده و ریزپردازنده استفاده شده در آن موجب شده است که این دستگاه سنجش uv دقت بسیار بالایی داشته باشد. سنسور این یو وی لایت متر دارای فیلتر تصحیح بوده که مجددا باعث افزایش دقت این یو وی متر شده است. یو وی لایت متر UVA-365 توانایی ثبت و بازخوانی مقادیر حداکثر و حداقل را دارا می باشد و چون این دستگاه سنجش uv در صورت عدم استفاده برای چند دقیقه به صورت خودکار خاموش می شود سبب شده است که طول عمر این دستگاه افزایش یابد. این یو وی لایت متر توسط باتری 9 ولتی تغذیه می شود و قابلیت اتصال به کامپیوتر را از طریق کابل RS232 دارد.

معرفی دستگاه یو وی لایت متر UVC-254:
یو وی لایت متر Lutron مدل UVC-254، نور ماورابنفش را در رنج 100 تا 280 نانومتر با طول موج کوتاه اندازه می گیرد و این دستگاه سنجش uv، یک دستگاه حرفه ای با دقت و کیفیت بالا می باشد. بالا بودن دقت این یو وی سنج به دو دلیل می باشد. ابتدا اینکه این یو وی لایت متر دارای ریزپردازنده می باشد و در مرحله دوم سنسور این دستگاه نیز دارای فیلتر تصحیح می باشد و این دو عامل باعث افزایش دقت این دستگاه یو وی متر گردیده است.

یو وی لایت متر UVC-254، توانایی ثبت و بازخوانی مقادیر حداکثر و حداقل را دارا می باشد و چون این دستگاه سنجش uv در صورت عدم استفاده برای چند دقیقه به صورت خودکار خاموش می شود سبب شده است که طول عمر این دستگاه افزایش یابد. این یو وی لایت متر توسط باتری 9 ولتی تغذیه می شود و قابلیت اتصال به کامپیوتر را از طریق کابل RS232 دارد.