دیدکلی

طیف سنجی در واقع جدا سازی و تفکیک فیزیکینور بر اساسطولموج است. یکی از دستگاههایی که به همین منظور بکار می‌رود، طیف سنج منشوری است.

 این طیف سنج که در ساخت آن ازمنشور استفاده شده است، نقاطی را در خروجی می‌دهد که بر اساس طول موج نور منبع از یکدیگرجدا شده‌اند. این تصاویر جداگانه تکرنگ هستند و تصاویری از شکاف به حساب می‌آیند.

گامی نو در کشف حیات در منظومه شمسی

 همانطور که میدانید لیزرها در ماموریت های فضائی استفاده های جدیدی پیدا کرده اند و برای بررسی یک موضوع خاص لیزرها میتوانند در وسیله ای به نام طیف سنج مورد استفاده قرار گیرند.

 یکی از کاربردهای طیف سنج، استفاده از آن برای تشخیص ترکیبات شیمیائی به وسیله نور است . به بیان دیگر وقتی پرتوی نوری از میان یک گاز عبور می کند گاز مورد نظر بر طول موج آن اثرات خاصی می گذارد . برای نمونه گازهای زیادی هستند که طول موج های مختلفی از نور را در خود جذب می کنند ؛ بنابراین نوری که از گاز عبور می کند، می تواند یک انگشت نگاری منحصر به فرد از آن گاز باشد و به کمک طیف سنج می توانیم به تشخیص نوع گاز مورد نظر بپردازیم.

وقتی یک طیف سنج نور خورشید از بالای یک شهر جذب می کند می توان تشخیص داد که هوای یک شهر شامل چه گازهایی است یا میزان آلودگی هوای آن شهر را بررسی کرد .

در حال حاضر نوع ویژه ای از طیف سنج لیزری می تواند به همه طرف پیش روی کند و میزان دقیق گاز موجود را اندازه بگیرد .

 حال به نظر شما مثلا این وسیله چه طور می تواند آثار حیات روی مریخ رو جست و جو کند؟ بله درسته ... یکی از راه ها برای جست و جوی حیات گاز متان است .

 متان گازی است که توسط موجودات زنده مثل باکتری ها ساخته می شود . حتی مقدار کمی از متان بر روی مریخ می تواند به این معنی باشد که برخی موجودات زنده در آن به خوبی و خوشی زندگی می کنند .

شایان به ذکر است که دانشمندان طیف سنج های ویژه ای را به عنوان قسمتی از یک مریخ نورد یا مامور سیار به مریخ می فرستند .

دانشمندان بر این باورند که فقط گاز ،طول موج ویژه ای از نور را جذب می کند ... بنابراین مانند تنظیم صدا در یک ایستگاه رادیوئی ،دانشمندان نیز طیف سنج های لیزری خود را روی آن طول موج خاص تنظیم می کنند.

لیزر طیف سنج با پرتوی خود یک سنگ را در فاصله دوری از مریخ نورد نشانه می رود و پرتوی خود را به آن گسیل می کند. این پرتو با فشار از میان هوای مریخ عبور کرده و به سنگ برخورد می کند و سپس باز می گردد. در نهایت این پرتوی برگشتی به چشم طیف سنج باز می گردد .

اگر در برگشت نور لیزر گسیل شده از سنگ نسبت به حالت قبل ضعیف تر شده باشد به این معنی است که متان موجود در هوای مریخ ، مقداری از انرژی این پرتو لیزر با طول موج مخصوص را جذب کرده است و مقدار انرژی جذب شده توسط متان نشان دهنده میزان متان موجود است .

یک لیزر ویژه :

ناسا در حال فرستادن یک طیف سنج لیزری مخصوص به مریخ در سال 2009 است که "طیف سنج لیزری تنظیمی" نام دارد و این طیف سنج یکی از ابزارهای مریخ نورد سیار " آزمایشگاه علمی مریخ " خواهد بود .

در این طیف سنج از سه نوع لیزر استفاده شده است ؛ این طیف سنج در طول موج های مشخصی برای تشخیص گازها مانند گاز متان  استفاده می شود . این طیف سنج بسیار کوچک و سبک و حساس است و می توان گفت که این طیف سنج وسیله ای ایده آل برای ماموریت های فضائی به مریخ و سایر سیارات خواهد بود .

از این طیف سنج در کره خاکی خودمان هم میتوانیم استفاده کنیم :

 - کمک کردن به پزشکان برای تشخیص بیماری ها

 - قسمتی از سیستم های کنترلی گردشی برای جلوگیری از تصادفات اتومبیل ها

ساخت طیف سنج منشوری

جهت ساخت این نوع طیف سنج به سهعدسیهمگرا و منشور پاشنده و صفحه آشکار ساز نیاز است. به این ترتیب که ابتدا درمقابل منبع گسترده ،‌ عدسی جمع کننده قرار می‌گیرد تا نورها را بر روی شکاف متمرکزکنیم. نورها پس از عبور از شکاف دوباره واگرا می‌شوند. دوباره توسط عدسی دیگری سعیمی‌کنیم که این پرتوها را روی منشور متمرکز کنیم. منتها می‌خواهیم نورها بطور موازیبه سطح منشور برسند. این عدسی بهفاصله کانونیخود عدسی از شکاف نوری قرار میگیرد. پرتوهایی که بطور موازی به سطح منشور می‌رسند، پس از عبور از منشور بر حسبرنگهای تشکیل دهنده منبع گسترده از یکدیگر جدا می‌شوند. اگر بخواهیم تصویری بر رویصفحه آشکار ساز داشته باشیم، باید عدسی جمع کننده را بعد از منشور قرار دهیم. بدینترتیب تصاویر حاصل از رنگهای دیگر همپوشی نمی‌کنند.

محدودیت در قدرت تفکیک

محدودیت درقدرت تفکیکعبارت است ازپراشنور توسط یکی از اجزا. هرگاه ابعاد همه عدسیهای موجود در سیستم بزرگتر از وجوهمنشور باشد، در آن صورت تفکیک دستگاه توسط اندازه منشور تعیین می‌شود. در طیف سنجی،توان تفکیکبه صورت نسبت طول موج مشاهده شدهبه کوچکترین تفاضل طول موجی است.

رابطه بین مشخصات هندسی منشور و توان تفکیک

توان تفکیک می‌تواند بابکارگیری یک منشور بسیار پاشنده با یک زاویه راس و یک طول قاعده بزرگ افزایش یابد. ولی فاصله کانونی عدسیها تاثیری در توان تفکیک ندارند، مشروط بر اینکه از لحاظ پراشمحدود شده باشد. در این هندسه کمینه انحراف و زاویه شکست با نصف زاویه راس برابراست.

ترسیم هندسی طیف سنج منشوری

هندسه لیتر

پرتو ورودی از شکاف بر روی عدسی موازی ساز جمع شده است که بعداز عبور پرتوها از منشور توسط عدسی دیگر به آشکار ساز نمی‌رسد بلکه پرتو بعد ازعبور از منشور به سطحآینهتخت برخورد کرده و بعد ازانعکاسدوباره داخل منشور می‌شود و پرتوهابه عدسی برخورد کرده و بر روی سطح آشکار ساز جمع می‌شوند.

روش دوم

در این روش نور بعد از عبور از شکاف بر روی سطح عدسی جمع کنندهفرود می‌آید و توسط عدسی موازی ساز به سطح منشور جمع می‌شوند. این بار از منشورباریکتر استفاده شده و سطح پشتی منشور آینه است. دوباره نورها پاشیده شده و به سطحآشکار ساز می‌رسند. حسن این روش نسبت به روش قبلی این است که حجم این دستگاه کمتراست.

مزیت طیف سنج منشوری

این طیف سنجها از سادگی معقولانه تری برخوردارند وهیچ یک از مشکلات انواع همپوش که در طیف سنج نوری با آنها مواجه هستیم در این طیفسنجها وجود ندارند، ولی منشورها با توان تفکیک بالا می‌توانند گران قیمت باشند.

چکيده مقالهطيف‌سنجي جرمي دستگاهي است کهمولکول‌هاي گازي باردار را بر اساس جرم آنها دسته‌بندي مي‌کند. دستگاه طيف‌سنججرمي، مولکول‌ها و يون‌هاي گازي باردار را بر حسب جرم آنها در ميدان آهنربايي ازيکديگر جدا و اندازه‌گيري مي‌کند. طيف جرمي حاصل جهت تعيين وزن مولکولي دقيق،‌شناسايي اجسام و تعيين درصد ايزوتوپ‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد. مهمترين مزيتاين طيف سنجي نسبت به ساير روش‌ها از قبيل TEM، XRD، UV-Vis، IR، اسپکتروسکپي رامانو TGA اين است كه براي تعيين ترکيبات به طور مستقيم از روش‌هاي فوق نمي‌تواناستفاده کرد. اما از روش MS مي‌توان استفاده نمود.

فرآيند دستگاه

در داخل دستگاه خلائي به ميزان mmHg 10^-5- 10^-6  برقرار است. مقدار کمي از نمونه (حدود 1µ) توسط يک لوله ازدريچة کوچکي وارد منبع يونش مي‌شود. نمونه در اثر گرما و خلاء موجود به صورت گازدرآمده و با جرياني از الکترون‌هاي پرانرژي (حدود 70-ev50) به طرف آند مقابل شتابگرفته و جذب آن مي‌شود. در نتيجه بمباران الکتروني، جزئي از مولکول‌هاي نمونه (حدود 0/1 درصد) يونيزه مي‌شود. در اولين مرحله مطابق واکنش زير يک الکترون از M خارج شدهو يک کاتيون يک ظرفيتي مي‌دهد که وزن آن برابر وزن مولکول جسماست.
^-e^-→M⁺+2e   
در اثر افزايش انرژيالکترون‌هايي که به نمونه برخورد مي‌کنند، يون⁺M به کاتيون‌هاي يکظرفيتي کوچک‌تري شکسته مي‌شود. يون‌هاي مثبت حاصل از طريق شتاب‌دهنده و نيروي دافعهقطب مثبت آن و همچنين به دليل تفاوت در فشار موجود بين محل ورود نمونه و فضاي سمتراست دستگاه به سمت روزنه کوچکي هدايت شده و پس از گذشتن از آن جريان يون‌ها از بيندو قطب يک آهنرباي قوي که جهت ميدان آن عمود بر مسير يون‌ها است عبور مي‌کند،کاتيون‌هاي موجود به نسبت جرم بر بار (m/e) منحرف شده و از يکديگر جدا مي‌شوند.

ذرات جدا شده پس از برخورد با يک صفحة عکاسي به صورت خطوطي ظاهرمي‌شوند.

دستگاه طيف‌سنج جرمي، مولکول‌ها و يون‌هاي گازي باردار را بر حسب جرمآنها در ميدان آهنربايي از يکديگر جدا و اندازه‌گيري مي‌کند. طيف جرمي حاصل جهت تعيين وزن مولکولي دقيق،‌ شناسايي اجسام و تعيين درصد ايزوتوپ‌ها مورد استفاده قرارمي‌گيرد. شکل (1) قسمت‌هايي از يک طيف‌سنج جرمي را نشان مي‌دهد.

روش GC- MS

روش ديگر براي وارد ساختن نمونه به دستگاه طيف‌سنج جرمي، استفاده ازکروماتوگراف گازي است. کروماتوگراف گازي در بخش مربوطه توضیح داده شده است. دردستگاه GC-MS اجزاي يک مخلوط به ترتيب توسط يک ستون کروماتوگرافي از هم جدا مي‌شوندو پس از حذف گاز حاصل، وارد منبع يونش طيف سنج جرمي مي‌گردند.

کاربردها

اطلاعاتی که می توان از طیف سنج جرمی بدست آورد شامل موارد ذیلاست:
شناسائی ترکیبات خالص آلی، تعیین وزن مولکولی و فرمول تجربی ترکیب، حضور یاعدم حضور گروههای عاملی در ترکیبات آلی، پایداری انواع مختلف یونها. برای مطالعهبیشتر می توان به مراجع [2 و3] مراجعه نمود.

همچنین براي آناليز ترکيب و پايداريدر فاز محلول می توان از MS استفاده کرد. به عنوان مثال براي تعيين ساختار ترکيباتشاخه‌اي نانومقياس با ابعاد 1/5nm  مي‌توان از روش طيف‌سنج جرمي با تکنيک يونشالکترواسپري (ESI) استفاده کرد.

همچنين از روش طیف سنجی به طور وسيعي درتجزيه ترکيبات آلي، بيولوژيک،‌ پليمري حاوی نانو ذرات طلا، فلورين‌ها و ترکيباتشاخه‌ائي مورد استفاده قرار مي‌گيرد و مي‌توان ساختار ترکيبات بيولوژيک در محلول رابررسي كرد .

مهمترين مزیت اين طیف سنجی بنسبت به ساير روش‌ها از قبيل TEM، XRD، UV-Vis، IR، اسپکتروسکپي رامان و TGA اين است كه براي تعيين ترکيبات به طور مستقيماز روش‌هاي فوق نمي‌توان استفاده کرد. اما از روش MS مي‌توان استفاده نمود.

مراجع :

[1]. D. A. Skoog, D. M. West Holt, "Principle of Instrumental Analysis", Saunders College Publishing, Sixth edition, 1994.
[2].E. Stenhagen, S. Abrahamsson ,F. W. Mclafferty, "Registry of Mass Spectral Data", Wiley New York, Vol. 4, 1974.
[3]. Aldermaston, Eight Peak Index of Mass Spectra, 2 ed, Mass Spectroscopy Data Center, Reading, United Kingdom, 1974.
[4]. J. J. Gaumet,† G. A. Khitrov, and G. F. Strouse, Mass Spectrometry Analysis of the 1.5 nm Sphalerite-CdS Core of [Cd2S14(SC6H5)36âDMF4], NANO LETTERS, 2, 375-379 , 2002
[5]. H. Inoue, H.; Ichiroku, N.; Torimoto, T.; Sakata, T.; Mori, H.; Yoneyama, H. Langmuir, 10, 4517, 1994