طیف سنج یک ابزار علمی است که برای تجزیه و تحلیل طیف تابش های الکترومغناطیسی استفاده می شود، می تواند طیفی از تابش ها را به عنوان یک طیف نگار نشان دهنده توزیع شدت نور با توجه به طول موج نمایش دهد (محور y شدت است، محور x طول موج است. / فرکانس نور).نور به طول موج‌های تشکیل‌دهنده‌اش در داخل طیف‌سنج با شکاف‌کننده‌های پرتو، که معمولاً منشورهای انکساری یا توری‌های پراش هستند، متفاوت است. شکل 1.
شکل 1 طیف لامپ و نور خورشید (سمت چپ)، اصل تقسیم پرتو توری و منشور (راست)
طیف‌سنج‌ها نقش مهمی در اندازه‌گیری طیف وسیعی از تابش نوری دارند، چه با بررسی مستقیم طیف گسیل یک منبع نور و چه با تجزیه و تحلیل بازتاب، جذب، انتقال یا پراکندگی نور پس از برهمکنش آن با یک ماده.پس از برهمکنش نور و ماده، طیف تغییر در یک محدوده طیفی خاص یا یک طول موج خاص را تجربه می‌کند و خواص ماده را می‌توان با توجه به تغییر در طیف، به‌صورت کیفی یا کمی آنالیز کرد، مانند آنالیز بیولوژیکی و شیمیایی ترکیب و غلظت خون و محلول های ناشناخته، و تجزیه و تحلیل مولکول، ساختار اتمی و ترکیب عنصری مواد شکل 2.
شکل 2 طیف جذب مادون قرمز انواع مختلف روغن
طیف‌سنج که در ابتدا برای مطالعه فیزیک، نجوم، شیمی اختراع شد، اکنون یکی از مهمترین ابزارها در بسیاری از زمینه‌ها مانند مهندسی شیمی، تجزیه و تحلیل مواد، علوم نجومی، تشخیص پزشکی و سنجش زیستی است.در قرن هفدهم، اسحاق نیوتن توانست نور را به نوارهای رنگی پیوسته با گذراندن پرتوی نور سفید از یک منشور تقسیم کند و برای اولین بار از کلمه "Spectrum" برای توصیف این نتایج استفاده کرد. شکل 3.
شکل 3 آیزاک نیوتن طیف نور خورشید را با یک منشور مطالعه می کند.
در آغاز قرن نوزدهم، دانشمند آلمانی جوزف فون فراونهوفر (فرانکوفر)، همراه با منشورها، شکاف‌های پراش و تلسکوپ، طیف‌سنجی با دقت و دقت بالا ساخت که برای تجزیه و تحلیل طیف انتشارات خورشیدی استفاده شد. شکل 4. او برای اولین بار مشاهده شد که طیف هفت رنگ خورشید پیوسته نیست، بلکه دارای تعدادی خطوط تیره (بیش از 600 خط مجزا) است که به نام معروف "خط فرانکنهوفر" شناخته می شود.او متمایزترین این خطوط را A، B، C…H نام برد و حدود 574 خط بین B و H برشمرد که مربوط به جذب عناصر مختلف در طیف خورشیدی است. شکل 5. در همان زمان، فراونهوفر همچنین ابتدا از توری پراش برای بدست آوردن طیف خط و محاسبه طول موج خطوط طیفی استفاده کرد.
شکل 4. یک طیف سنج اولیه، که با انسان مشاهده می شود
شکل 5 خط Fraun Whaffe (خط تیره در روبان)
شکل 6 طیف خورشیدی، با بخش مقعر مربوط به خط Fraun Wolfel
در اواسط قرن نوزدهم، فیزیکدانان آلمانی کیرشهوف و بونسن، با هم در دانشگاه هایدلبرگ، و با ابزار شعله‌ای جدید بونسن (مشعل Bunsen) کار کردند و اولین تحلیل طیفی را با ذکر خطوط طیفی خاص مواد شیمیایی مختلف انجام دادند. (نمک) پاشیده شده در شعله مشعل بونسن انجیر.7. آنها به بررسی کیفی عناصر با مشاهده طیف پی بردند و در سال 1860 کشف طیف هشت عنصر را منتشر کردند و وجود این عناصر را در چندین ترکیب طبیعی مشخص کردند.یافته های آنها منجر به ایجاد شاخه مهمی از شیمی تحلیلی طیف سنجی شد: تجزیه و تحلیل طیف سنجی.
شکل 7 واکنش شعله
در دهه 20 قرن بیستم، فیزیکدان هندی سی وی رامان از یک طیف سنج برای کشف اثر پراکندگی غیرالاستیک نور و مولکول ها در محلول های آلی استفاده کرد.او مشاهده کرد که نور فرودی پس از برهمکنش با نور با انرژی بالاتر و کمتری پراکنده می شود که بعداً به نام پراکندگی رامان شکل 8 نامیده می شود. تغییر انرژی نوری ریزساختار مولکول ها را مشخص می کند، بنابراین طیف سنجی پراکندگی رامان به طور گسترده در مواد، پزشکی، شیمیایی استفاده می شود. و سایر صنایع برای شناسایی و تجزیه و تحلیل نوع مولکولی و ساختار مواد.
شکل 8 انرژی پس از برهمکنش نور با مولکول ها تغییر می کند
در دهه 30 قرن بیستم، دانشمند آمریکایی دکتر بکمن برای اولین بار پیشنهاد کرد که جذب طیف های فرابنفش را در هر طول موج به طور جداگانه اندازه گیری کند تا طیف جذب کامل را ترسیم کند، در نتیجه نوع و غلظت مواد شیمیایی در محلول را آشکار کند.این مسیر نور جذبی شامل منبع نور، طیف سنج و نمونه است.بیشترین ترکیب محلول فعلی و تشخیص غلظت بر اساس این طیف جذب انتقال است.در اینجا، منبع نور بر روی نمونه تقسیم می شود و منشور یا گریتینگ برای به دست آوردن طول موج های مختلف اسکن می شود. شکل 9.
شکل 9 اصل تشخیص جذب -
در دهه 40 قرن بیستم، اولین طیف‌سنج تشخیص مستقیم اختراع شد و برای اولین بار، لوله‌های ضرب‌کننده نوری PMT و دستگاه‌های الکترونیکی جایگزین مشاهده سنتی چشم انسان یا فیلم عکاسی شدند، که می‌توانست مستقیماً شدت طیف را در برابر طول موج بخواند. 10. بنابراین، طیف سنج به عنوان یک ابزار علمی به طور قابل توجهی از نظر سهولت استفاده، اندازه گیری کمی و حساسیت در طول دوره زمانی بهبود یافته است.
شکل 10 لوله فوتو ضرب
در اواسط تا اواخر قرن بیستم، توسعه فناوری طیف سنج از توسعه مواد و دستگاه های نیمه هادی نوری جدا نشد.در سال 1969، ویلارد بویل و جورج اسمیت از آزمایشگاه های بل، CCD (دستگاه همراه با شارژ) را اختراع کردند که سپس توسط مایکل اف.ویلارد بویل (سمت چپ)، جورج اسمیت برنده جایزه نوبل شد برای اختراع CCD (2009) که در شکل 11 نشان داده شده است. در سال 1980، نوبوکازو ترانیشی از NEC در ژاپن یک فتودیود ثابت اختراع کرد که نسبت نویز تصویر را بسیار بهبود بخشید و وضوح.بعدها، در سال 1995، اریک فوسوم ناسا، سنسور تصویر CMOS (نیمه هادی اکسید فلزی مکمل) را اختراع کرد که 100 برابر کمتر از سنسورهای مشابه CCD انرژی مصرف می کند و هزینه تولید بسیار پایین تری دارد.
شکل 11 ویلارد بویل (سمت چپ)، جورج اسمیت و CCD آنها (1974)
در پایان قرن بیستم، پیشرفت مداوم فناوری پردازش و ساخت تراشه‌های الکترونیکی نوری نیمه هادی، به ویژه با استفاده از آرایه CCD و CMOS در طیف‌سنج‌ها در شکل 12، دستیابی به طیف کاملی از طیف‌ها تحت یک نوردهی ممکن می‌شود.با گذشت زمان، طیف‌سنج‌ها کاربرد گسترده‌ای در طیف وسیعی از کاربردها پیدا کرده‌اند، از جمله، اما نه محدود به تشخیص/اندازه‌گیری رنگ، آنالیز طول موج لیزری، و طیف‌سنجی فلورسانس، مرتب‌سازی LED، تجهیزات سنجش تصویر و نور، طیف‌سنجی فلورسانس، طیف‌سنجی رامان، و موارد دیگر. .
شکل 12 تراشه های مختلف CCD
در قرن بیست و یکم، تکنولوژی طراحی و ساخت انواع طیف سنج به تدریج به بلوغ و تثبیت رسیده است.با افزایش تقاضا برای طیف‌سنج‌ها در تمام جنبه‌های زندگی، توسعه طیف‌سنج‌ها سریع‌تر و خاص‌تر شده است.علاوه بر شاخص‌های پارامتر نوری مرسوم، صنایع مختلف نیازهای سفارشی اندازه حجم، عملکردهای نرم‌افزار، رابط‌های ارتباطی، سرعت پاسخ، پایداری و حتی هزینه‌های طیف‌سنج‌ها را دارند که باعث می‌شود توسعه طیف‌سنج متنوع‌تر شود.
زمان ارسال: نوامبر-28-2023