برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۳۱ تا ۱۳۹۷/۰۷/۰۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۳,۴۷۴
  • بازدید این ماه ۲۷۷
  • بازدید امروز ۶
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۳۰۴
  • قبول شدگان ۲۴۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۲۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۴
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 2

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

دستگاه‌وری (Instrumentation) سامانه‌های فوتولومینسانس (PL)

دستگاه لومینسانس از بخش‌های متفاوتی تشکیل شده است. منبع، تکفام‌ساز، صافی، محفظه نمونه، آشکارساز و پردازنده این اجزاء هستند که به تفصیل و با جزئیات تکنیکی توضیح داده شده اند. منبع نوری باید پایدار بوده و شدت بالایی از تابش را فراهم آورد. در مقابل آشکارساز نیز باید با قدرتمندی تمام، نشر کم توان از ماده را به سیگنال الکتریکی تبدیل نموده و به پردازشگر گسیل دارد. انواع منابع، صافی ها و تکفام‌سازها آورده شده و معایب و مزایای هریک بررسی شده است.
1- مقدمه
یک دستگاه لومینسانس از بخش های اصلی مختلفی تشکیل شده‌است. این دستگاه شامل منبع (Source)، تکفام‌ساز (Monochromator) یا صافی (Filter) ، محفظه های نگهدارنده نمونه (Sample Holder)، آشکارسازهای بسیار حساس مثل لوله فوتوتکثیر کننده (Photomultiplier Tube) و سیستم های پردازش داده می باشد. انواع طراحی دستگاه‌های لومینسانس در مقاله " نکات عملی روش لومینسانس" آورده شده است. بر این اساس فلورومترها و اسپکتروفلورومترها دو طراحی دستگاهی برای روش فلوروسانس هستند که کارآیی مختلفی دارند. در این مقاله هریک از اجزای این دستگاه‌ به تفصیل توضیح داده شده است.

2- اجزای دستگاهی سامانه های لومینسانس

1-2- منبع برانگیختگی (Excitation Source)

در اغلب شرایط، سیگنال فوتولومینسانس به طور مستقیم با شدت نور تابشی به نمونه متناسب است. بنابراین یک منبع برانگیختگی ایده آل باید شدت نور پایدار و زیادی در طول موج برانگیختگی مورد نظر ایجاد کند. استفاده از لنزها و یا آینه های مناسب در منابع معمولی منجر می شود که بیشترین مقدار ممکن از نور منبع جمع آوری شده، تصویری از نور منبع به درون سل نمونه تابانده گردد. انعکاس دهنده های بیضوی شکل (Elliptical Reflector ) بیشترین کارایی را در جمع آوری نور منبع دارند. انعکاس دهنده ها و منبع می توانند به صورت واحدهای مستقل از یکدیگر عمل کنند و یا در مجموع یک واحد جدایی ناپذیر را تشکیل دهند. در فلورومترهای ساده از یک لامپ قوس الکتریکی جیوه ای با فشار پایین (Low Pressure Mercury Arc Lamp) استفاده می شود. این لامپ خطوط طیفی شدیدی در 254، 312 و 365 نانومتر ایجاد می کند که هر سه، طول موج های مناسبی برای برانگیختگی اکثر ملکول ها می باشند. در صورتی که این لامپ ها با ترکیبات لومینسانس کننده (Phosphors) پوشانده شوند، طول موج نشری در آن ها به مقادیر بالاتر جابجا می شود (به عنوان مثال از 254 به 280 نانومتر) و همینطور کاهش شدیدی در درخشندگی لامپ را در پی دارد. در اسپکتروفلورومترهای تجاری، متداولترین منبع، لامپ قوس الکتریکی زنون (Xenon Arc Lamp) با فشار بالا (در محدوده 75 تا 450 وات) می باشد. بعلاوه از لامپ های جیوه ای و زنون-جیوه با فشار بالا نیز استفاده می شود. میزان درخشندگی در طول موج های نشری جیوه بسیار بیشتر از درخشندگی لامپ زنون در همین طول موج‌هاست. لامپ های قوس الکتریکی به منابع تغذیه(Power Supply) بزرگی نیاز دارند که قادر باشد ولتاژ 15 تا 30 ولت و جریان های 5 تا 20 آمپر را ایجاد کند. معمولا منبع تغذیه طوری طراحی می شود که ولتاژ در نزدیکی قوس الکتریکی ثابت بماند تا جریان و در نتیجه درخشندگی ثابتی ایجاد شود. در لامپ های قوس الکتریکی در حین گرم شدن، قوس الکتریکی بین الکترودها جابجا می شود. به این پدیده سرگردانی قوس الکتریکی (Arc Wander) گفته می شود. سرگردانی قوس باعث تغییرات ناگهانی در سیگنال لومینسانس می شود؛ به خصوص زمانی که تصویر قوس الکتریکی بر یک روزنه (Slit Aperture) کوچک منعکس شود. در بعضی مواقع سرگردانی قوس را می توان با قرار دادن لامپ در یک میدان مغناطیسی متناوب کاهش داد. برای جلوگیری از خطر ناشی از تولید اوزون در لامپ های با فشار بالا، محفظه نگهداری لامپ باید با دقت مهر و موم شود. لامپ های قوس الکتریکی از جنس زنون که به صورت پالسی عمل می کنند به عنوان منابع برانگیختگی در لومینسانس بسیار مورد توجه هستند. این لامپ ها نسبت به لامپ های قوس الکتریکی که با جریان مستقیم کار می کنند درخشندگی نسبی بزرگتری در طول موج های کمتر از 300 نانومتر دارند. این لامپ ها برای اندازه گیری های فسفرسانس به شیوه Time Resolved مورد استفاده قرار می گیرند. لامپ های دوتریوم برای برانگیختگی در طول موج های کمتر از 300 نانومتر مناسب اند. در طول موج های کمتر از 300 نانومتر درخشندگی لامپ های قوس الکتریکی جیوه و زنون که با جریان مستقیم کار می کنند به شدت کاهش می یابد. ممکن است تصور شود که نور لیزرها به دلیل درخشندگی بیشتر، گزینه های مناسبتری در مقایسه با منابع معمولی در اندازه گیری های فلورسانس باشد. علاوه بر اینکه نیازی به استفاده از انتخابگر طول موج برانگیختگی نخواهد بود. در حال حاضر کاربرد لیزرها در سیستم های تجاری به جز در مواردی که هدف اندازه گیری طول عمر فلورسانس باشد محدود است. حد تشخیص (یکی از خصوصیات تجزیه ای روش که بیانگر توانایی دستگاه در آنالیز نمونه می باشد) برانگیختگی با لیزر معمولا در حد سیستم هایی است که در آن ها از منابع معمولی با شدت بالا استفاده می شود. در مقایسه با منابع معمولی، لیزرها گران تر و پیچیده ترند،نگهداری آن ها سخت تر بوده و پایداری کمتری دارند. بعلاوه تجزیه شدن نمونه به دلیل شدت های بالای نور لیزر یک مشکل اساسی تلقی می شود. لیزرها و لامپ های قوس الکتریکی که به صورت پالسی عمل می کنند به پردازنده هایی با قیمت های بالاتر و پیچیدگی بیشتر نیاز دارند. با این وجود اسپکتروفلورومتر های مبتنی بر لیزر در برخی از آزمایشگاه های تحقیقاتی ساخته شده اند. معروف ترین لیزرها عبارتند از: لیزر نیتروژن پالسی (337.1 نانومتر)، لیزر آرگون (488.8 و 514.6 نانومتر) و لیزرهای رنگی قابل تنظیم (Tunable Dye Lasers). طول موج حاصل از لیزر نیتروژن برای برانگیختگی بسیاری از گونه ها مناسب است. لیزرهای آرگون کاربرد های محدودتری دارند زیرا درصد مولکول هایی که توسط طول موج های نشر شده از این لیزرها برانگیخته می شوند کم است. لیزرهای رنگی مناسب ترین هستند زیرا در این نوع از لیزرها تنظیم طول موج برای هر مولکول خاصی امکان پذیر است. لیزرهای رنگی پالسی با پهنای پالس کمتر از 1 نانوثانیه برای اندازه گیری طول عمر لومینسانس بسیار مناسب هستند.

2-2- طول موج گزین ها (Wavelength Selection Devices)

در اسپکتروفلورومتر ها از تکفام‌ساز(Monochromator) و در فلورومترها از صافی (Filter) به عنوان انتخابگر طول موج استفاده می گردد. پیکربندی هر دو نوع دستگاه در شکل (1) نشان داده شده است.


filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2

شکل 1- دیاگرام نوری فلورومتر (الف) و اسپکتروفلورومتر (ب) تک پرتویی. در شکل االف، روزنه ها پهنای شکافی را که نور برانگیختگی از طریق آن بر سلول نمونه متمرکز می شود و همینطور پهنای نور نشری را که توسط آشکارساز دیده می شود تعیین می کنند. در شکل (ب) یک لنز بین تکفام ساز برانگیختگی و سلول نمونه قرار داده شده تا پرتو باریکی از نور برانگیختگی را به سلول نمونه بتاباند. لنز دیگری که پس از سلول نمونه قرار داده شده است، نور فلورسانس را به شکاف ورودی تکفام ساز نشری منعکس می کند.


طول موج مرکزی و پهنای باند (Band Pass) طول موج گزین های جذبی و نشری به نحوی انتخاب می شوند که سیگنال فلورسانس را به حداکثر و سیگنال زمینه را به حداقل برسانند. افزایش پهنای باند برانگیختگی با منابع پیوسته موجب افزایش توان تابشی برخوردی به نمونه می شود. به طور معمول پهنای باند برانگیختگی از 0.1 پهنای باند جذبی در نصف ارتفاع بزرگتر است.
در ابتدای امر ممکن است به نظر برسد که این امر می تواند منجر به غیر خطی بودن ارتباط سیگنال با غلظت آنالیت (Nonlinearity) بشود، همچنان که در اسپکتروسکوپی جذبی به دلیل وجود نور چند رنگ (Polychromatic) با این پدیده مواجه می شویم. این مسئله در غلظت های پایین آنالیت مشکلی ایجاد نمی کند. در واقع در غلظت های پایین از آنالیت توان تابشی جذب شده متناسب با غلطت آنالیت است، حتی اگر ضرائب جذب مولی طول موج های پهنای باند برانگیختگی متفاوت باشد. هر چه پهنای باند برانگیختگی کوچکتر باشد، گزینش پذیری بیشتر است. افزایش پهنای باند نشری با توجه به پهن تر بودن آن (100-20 نانومتر)، منجر به افزایش سیگنال فلورسانس می شود. هر چند تنظیم پهنای باند نشری باید به نحوی انجام شود که سیگنال آنالیت از سیگنال زمینه و پخش رامان (Raman Scattering) قابل تشخیص باشد. بنابراین دور از انتظار نخواهد بود اگر فیلتر ها را طول موج گزین هایی با توانایی بالا بدانیم. با توجه به بزرگتر بودن پهنای باند یک فیلتر در مقایسه با تکفام ساز، توانایی فیلتر 10 تا 100 برابر از تکفام ساز بیشتر است. علاوه بر آن سیستم های اپتیکی که برای فیلتر ها استفاده می شوند عملکرد سریعتری دارند. فیلتر های تقاطعی (Cut off Filter) و جذبی(Absorption band Filters)، گستره ی پهن تری از طول موج ها را عبور داده و برای جدا کردن یک یا دو خط طیفی از منابع جیوه ای با فشار پایین کافی هستند.این فیلترها قادرند گستره ی طول موجی را که در آن فلورسانس آنالیت اتفاق می افتد عبور دهند. پهنای باند باریک تر فیلتر های تداخلی (Interference Filter)، گزینش پذیری بیشتری نسبت به فیلتر های جذبی ایجاد می کند. در مقابل، توانایی فیلترهای تداخلی به دلیل عبور کمتر نور،کمتر است. نکته ای که در انتخاب فیلتر باید به آن توجه داشت این است که خود فیلترها خاصیت فلورسانی ضعیفی داشته باشند. در صورتی که به گزینش پذیری بالاتری نیاز باشد می توان از دو یا چند فیلتر استفاده کرد.

به طور معمول در اسپکتروفلورومترها از تکفام سازهای با تفکیک پذیری (Resolution) متوسط استفاده می شود. تفکیک پذیری معادل 1 نانومتر برای اکثر کاربردها مناسب است.برای آنالیز کمی، پهنای شکاف بزرگ (0.5 تا 2 میلی متر) و پهنای طیفی 4 تا 20 نانومتر نیاز است.
پایین بودن تابش هرز(Stray Radiation) یکی از الزامات اندازه گیری های فلورسانس است. کسر کوچکی از نور منبع در طول موج های بلندتر می تواند به عنوان تابش هرز از تکفام ساز برانگیختگی عبور کرده، توسط نمونه پراکنده شود و با عبور از تکفام ساز نشری آشکاسازی شود. اثرات ناشی از تابش هرز با استفاده از توری های هولوگرافیک (Holographic Grating)، تکفام ساز های دوگانه(Double Monochromator) و یا صافی های تقاطعی به حداقل می رسد. در برخی مواقع یک فیلتر جذبی مادون قرمز بین منبع و تکفام ساز برانگیختگی گذاشته می شود تا نور شدید نشر شده در ناحیه مادون قرمز را که توسط لامپ های قوسی با فشار بالا نشر می شود مسدود کند. این امر منجر به کاهش گرم شدن نمونه و در نتیجه کاهش تخریب گرمایی فیلتر ها و شکاف ها می شود.

3-2- محفظه های نگهداری نمونه (Sample Compartment or Sample Cells)
محفظه نگهداری نمونه شامل یک نگهدارنده سلول نمونه (Cell Holder) می باشد که باعث می شود مکان سلول نمونه به شکل تکرارپذیری ثابت باشد. همانند دستگاه های جذب مکولی، در فلورومترها و اسپکتروفلورومترها امکان قرار گیری چندین نگهدارنده و همچنین امکان کنترل دمای سلول و همینطور هم زدن محلول درون سلول فراهم شده است. انواع مختلفی از سلول های نمونه در این دستگاه ها استفاده می شوند . در مورد فلورومترهای ساده، سلول هایی به شکل لوله آزمایش مورد استفاده قرار می گیرند. در اغلب اوقات از سلول های مربعی شکل با ابعاد 4.3×1×1 سانتیمتر استفاده می شود. بر خلاف سلول های جذبی که از دو سمت مخالف صیقل داده می شوند این سلول ها از هر چهار طرف صیقلی هستنند. جنس سلول های لومینسانس در برخی موارد از شیشه معمولی و در اغلب موارد از سیلیکای سنتزی جوش خورده (Fused Silica) با کیفیت بالامی باشد. سلول هایی که از جنس سیلیکای جوش خورده ساخته می شوند، قادرند درصد زیادی از طول موج های ناحیه UV را از خود عبور دهند. این سلول ها کمترین میزان فلوسانس را از ساختار خود نشان می دهند. در مورد محلول های با حجم کم، سلول هایی با ابعاد میکرو طراحی شده است. در مواردی مثل آشکارسازهای دستگاه کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا (به مقاله HPLC مراجعه شود)، که محلول حاوی آنالیت، یک جریان پیوسته دارد، از سلول های جریان پیوسته (Flow Cell) با حجم کم استفاده می شود. تمامی انواع سلول هایی که برای فلورسانس ذکر شد، برای اندازه گیری های فسفرسانس در دمای اتاق و شیمی لومینسانس مناسب می باشند. در صورتی که اندازه گیری در دماهای پایین انجام شود، سلول های با طراحی خاص نیاز است.
برانگیختگی و نشر در سلول های لومینسانس با سه شکل هندسی متفاوت می تواند انجام شود که در شکل 3 به نمایش درآمده است. در شکل الف، نور نشر شده در زاویه 90 درجه نسبت به نور برانگیختگی اندازه گیری می شود. در این حالت سیگنال ناشی از پراکندگی کمترین شدت را داشته و به همین دلیل فرم الف بیشترین کاربرد را دارد. بعلاوه، سهم فوتولومینسانس مربوط به دیواره سلول حداقل است زیرا دیواره هایی که از سلول به صورت مستقیم تحت تابش نور منبع قرار می گیرند به طور مستقیم توسط آشکارساز دیده نمی شوند، بلکه تنها لومینسانس مربوط به حجم کوچکی از نمونه در مرکز سلول مشاهده می شود. این امر در محلول هایی که جذب زیادی دارند مشکل ساز است. چراکه قبل از رسیدن نور به مرکز سلول مقدار زیادی از آن جذب می شود. به این اثر، پیش فیلتر  ( Prefilter Effect) گفته می شود. در صورتی که مقدار زیادی از سیگنال نشر شده قبل از خروج از سلول، توسط مولکول های آنالیت سر راه جذب شود، به این اثر،Post filter Effect گفته می شود. در شکل 3-ب برانگیختگی و نشر در یکی از چهار دیواره ی سلول نمونه انجام می شود(Frontal Geometry). بنابراین تضعیف سیگنال لومینسانس توسط جاذب ها کاهش می یابد . این شکل فضایی برای محلول های با جذب قوی و جامدات غیرشفاف مناسب است. شکل 3-ج، فرم هم راستا (In line Geometry) را نشان می دهد که در آن نور نشر شده در زاویه 180 درجه نسبت به نور برانگیختگی اندازه گیری می شود. این حالت کمتر مورد استفاده قرار می گیرد چرا که طول موج گزین باید سیگنال برانگیختگی را از از سیگنال ضعیف نشری تشخیص دهد. در صورتی که طول موج برانگیختگی و نشر یکسان باشد می توان پروفایل طیف جذبی را به دست آورد.

4-2- آشکارساز (Detector)
حساسیت پایین بسیاری از آشکارسازهای تجاری مانع از کاربرد آن ها به عنوان آشکاساز فلورومترها و اسپکتروفلورومتر ها می باشد چرا که توان تابشی سیگنال نشر شده بسیار کم است. در اندازه گیری های تک طول موجی به طور معمول از فوتولوله تکثیر کننده (Photo Multiplier Tube-PMT) به عنوان آشکارساز استفاده می شود. سطح جریان تاریکی(Dark Current) و نوفه جریان تاریکی در این آشکارسازها پایین است. برای روبش کامل طیف نشری، از آشکارسازهای چند کانالی (Multichannel Detector) همانندآرایه های دیودی (Diode Array) استفاده می شود. این امر به خصوص برای مطالعات سینتیک و شیمی لومینسانس که در آن ها غلظت گونه های لومینسانس کننده (و در نتیجه سیگنال لومینسانس) با زمان تغییر می کند مناسب می باشد. استفاده از آرایه های دیودی در اسپکتروفوتومترها متداول تر از اسپکتروفلورومترها می باشد.

filereader.php?p1=main_8bf058fe053a152f0  filereader.php?p1=main_9c3abe44e6ee11295    filereader.php?p1=main_50278324f01fd6708

شکل 2- الف) فرم زاویه 90 درجه، ب) فرم تاجی (Frontal Geometry) و ج) فرم هم راستا (In line Geometry)


5-2-پردازش داده (Signal Processing)

جریان فوتوآندی حاصل از فوتولوله تکثیر کننده ابتدا به ولتاژ تبدیل می شود. ولتاژ حاصل توسط تقویت کننده های عملیاتی(Operational Amplifier) تقویت شده و سیگنال خروجی توسط یک ولت متر دیجیتالی به نمایش در می آید. به منظور کاهش سوق (Drift) و نوفه دستگاه، می بایست از قطعات الکترونیکی آنالوگ با کیفیت بالا استفاده کرد. برای افزایش نسبت سیگنال به نوفه، مدت زمان جمع آوری داده (Integration Time) در گستره ی 0.1 تا 10 ثانیه انتخاب می شود. سرد کردن فوتولوله تکثیرکننده منجر به کاهش جریان تاریکی و نوفه شده و در نتیجه نسبت سیگنال به نوفه افزایش می یابد. در برخی از اسپکتروفلورومترها، منبع برانگیختگی به وسیله ی برشگر مکانیکی (Mechanical Chopper) مدوله شده و سیگنال حاصل پردازش می شود. به این ترتیب می توان بین سیگنال تاریکی، جریان تاریکی  f-1و نوفه تقویت کننده تمایز قایل شد. همانند اسپکتروفوتومترها، کابرد میکروکامپیوترها در دستگاه های لومینسانس توانایی این دستگاه ها را به طرز چشمگیری بهبود می دهد. کنترل پارامترهایی مثل سرعت اسکن طول موج، گستره ی اسکن طول موج، پهنای شکاف و زمان جمع آوری داده توسط صفحه کلید فراهم شده است. داده های حاصل از اندازه گیری بعد از ذخیره در کامپیوتر، توسط گزینه هایی که در نرم افزار آنالیز دستگاه وجود دارد مورد پردازش بیشتر قرار می گیرد. به عنوان مثال امکان انجام عملیاتی مثل کم کردن سیگنال شاهد، محاسبه و یا نمایش طیف مشتق، فیت کردن داده های کالیبراسیون و محاسبه غلظت آنالیت، محاسبه اطلاعات آماری، و هموار کردن طیف ها (Smoothing). همینطور نرم افزارهای خاصی در دسترس اند که قابلیت کاربردهای خاصی را فراهم می کنند مثل مطالعات سینتیکی، آشکارسازی در کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا و آنالیز مخلوط ها.

3- نتیجه‌گیری
از جمله ویژگی هایی که در مورد دستگاه های کارامد برای انالیز ترکیبات فلورسانس کننده حائز اهمیت می باشد می توان به چند مورد اشاره کرد:
 1) حساسیت بالا به این مفهوم که دستگاه بتواند غلظت های بسیار کم را نشان دهد.
 2) سرعت اسکن بالا از این نقطه نظر که حجم زیادی از داده های مورد نیاز را در مدت زمان بسیار کمی جمع آوری کند، این مسئله موجب آسیب کمتری به نمونه در اثر تابش نور می شود.
 3) تطبیق پذیر باشد به این مفهوم که بسته به نوع استفاده ای که از دستگاه می شود برای نمونه هایی با حالت های فیزیکی متفاوت بتوان از آن استفاده کرد، علاوه بر اینکه دسترسی به گستره ی وسیعی از بازه های زمانی، طول موجی و دمایی را فراهم کند.

یکی از متداواترین منابع مورد استفاده در فلورومترها، لامپ های جیوه ای با فشار پایین هستند. این منابع بسیاری از طول موج های مورد نیاز را برای برانگیختگی ترکیبات فلورسانس کننده به صورت گسسته فراهم می کنند. از فیلترهای جذبی به طور معمول در فلورومترها مورد استفاده قرار می گیرد. از جمله منابع پیوسته متداول در اسپکتروفلورومترها لامپ های قوس الکتریکی زنون با فشار بالا می باشند. در اسپکتروفلورومترها از یک یا دو مونوکروماتور های توری استفاده می شود.

منابـــع و مراجــــع

1. Ingle J. D., JR., Crouch S. R., "Spectrochemical analysis", USA: Prentice-Hall Inc, (1988).