في الكيمياء ، القياس الطيفي هو القياس الكمي لخصائص انعكاس أو انتقال المادة كدالة طول الموجة. وهو أكثر تحديدًا من مصطلح التحليل الطيفي الكهرومغناطيسي العام في أن القياس الطيفي يتعامل مع الضوء المرئي ، بالقرب من الأشعة فوق البنفسجية ، والأشعة تحت الحمراء القريبة ، ولكنه لا يغطي التقنيات الطيفية التي تم حلها في الزمن.

نظرة عامة
القياس الطيفي هو أداة تعتمد على التحليل الكمي للجزيئات اعتمادًا على كمية الضوء التي تمتصها المركبات الملونة. يستخدم القياس الطيفي photometers ، والمعروفة باسم spectrophotometers ، التي يمكن قياس شدة حزمة الضوء كدالة لونه (الطول الموجي). الميزات الهامة لمقاييس الطيف الضوئي هي عرض النطاق الطيفي (نطاق الألوان التي يمكنها نقلها من خلال عينة الاختبار) ، النسبة المئوية لنقل العينات ، المدى اللوغاريتمي لعينة الامتصاص ، وأحيانًا نسبة من قياس الانعكاس.

يستخدم مقياس الطيف الضوئي عادة لقياس النفاذية أو الانعكاس للحلول ، المواد الصلبة الشفافة أو غير الشفافة ، مثل الزجاج المصقول ، أو الغازات. على الرغم من أن العديد من المواد الكيميائية الحيوية ملوّنة ، كما هو الحال في ، فإنها تمتص الضوء المرئي وبالتالي يمكن قياسها بإجراءات قياس الألوان ، حتى أنه يمكن تحويل المواد الكيميائية الحيوية عديمة اللون إلى مركبات ملونة مناسبة لتفاعلات تشكيل اللون المكونة للون لمركبات ذات إنتاجية مناسبة للتحليل اللوني. ومع ذلك ، يمكن أيضًا تصميمها لقياس الانتشار على أي من نطاقات الضوء المدرجة التي تغطي عادة حوالي 200 نانومتر – 2500 نانومتر باستخدام ضوابط ومعايرة مختلفة. ضمن هذه النطاقات من الضوء ، هناك حاجة إلى معايرة على الجهاز باستخدام معايير تختلف في نوعها تبعاً لطول موجة التحديد الضوئي.

مثال على تجربة يستخدم فيها القياس الطيفي هو تحديد ثابت التوازن للحل. قد يحدث تفاعل كيميائي معين داخل المحلول في اتجاه أمامي وعكسي ، حيث تشكل المواد المتفاعلة المنتجات والمنتجات تتحلل إلى مواد تفاعل. في مرحلة ما ، يصل هذا التفاعل الكيميائي إلى نقطة توازن تسمى نقطة التوازن. من أجل تحديد تركيزات المواد المتفاعلة والمنتجات في هذه المرحلة ، يمكن اختبار نفاذية الضوء للحل باستخدام القياس الطيفي. كمية الضوء التي تمر عبر المحلول تدل على تركيز بعض المواد الكيميائية التي لا تسمح للضوء بالمرور.

يرجع إمتصاص الضوء إلى تفاعل الضوء مع الأنماط الإلكترونية و الذبذبية للجزيئات. يحتوي كل نوع من الجزيئات على مجموعة فردية من مستويات الطاقة المرتبطة بتركيبة الروابط الكيميائية والنواة ، وبالتالي يمتص ضوء الأطوال الموجية المحددة ، أو الطاقات ، مما ينتج عنه خصائص طيفية فريدة. هذا يعتمد على مكياج محدد ومميز.

يمتد استخدام مقاييس الطيف الضوئي على مختلف المجالات العلمية ، مثل الفيزياء وعلوم المواد والكيمياء والكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية. وهي تستخدم على نطاق واسع في العديد من الصناعات بما في ذلك أشباه الموصلات والتصنيع بالليزر والبصريات ، والطباعة وفحص الطب الشرعي ، وكذلك في مختبرات لدراسة المواد الكيميائية. غالبًا ما يستخدم القياس الطيفي في قياسات أنشطة الإنزيمات ، وتحديد تركيزات البروتين ، وتحديد الثوابت الحركية الإنزيمية ، وقياسات تفاعلات الربيطة الملزمة. في النهاية ، يستطيع مقياس الطيف الضوئي أن يحدد ، تبعاً للمراقبة أو المعايرة ، ما هي المواد الموجودة في الهدف ، وبالضبط عن طريق حسابات الأطوال الموجية الملاحظة.

في علم الفلك ، يشير مصطلح القياس الطيفي إلى قياس طيف جسم سماوي يتم فيه معايرة مقياس تدفق الطيف كدالة لطول موجة ، عادة بالمقارنة مع ملاحظة النجم القياسي الطيفي ، وتصحيحه من أجل الامتصاص. من الضوء من الغلاف الجوي للأرض.

التاريخ
بحلول عام 1940 ، كانت هناك عدة أجهزة طيف ضوئي متوفرة في السوق ، ولكن النماذج المبكرة لم تكن قادرة على العمل في الأشعة فوق البنفسجية. طور آرنولد أو. بيكمان نسخة محسنة في الشركة الوطنية للمختبرات الفنية ، فيما بعد شركة بيكمان للأدوات وفي النهاية بيكمان كولتر. تم تطوير النماذج A و B و C (تم إنتاج ثلاث وحدات من النموذج C) ، ثم النموذج D ، الذي أصبح DU. تم احتواء جميع الأجهزة الإلكترونية داخل صندوق العدادات ، ولديها مصباح هيدروجين جديد باستمرارية الأشعة فوق البنفسجية ، وأخرى أحادية اللون أفضل. تم إنتاج هذه الأداة من عام 1941 حتى عام 1976 مع التصميم نفسه بشكل أساسي ؛ أكثر من 30000 تم بيعها. كان سعر 1941 هو 723 دولاراً أمريكياً (ملحقات الأشعة فوق البنفسجية كانت خياراً مطروحاً بتكلفة إضافية). وقال بروس ميريفيلد الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء إنه “ربما كان أهم أداة تطورت على الدوام نحو تقدم العلوم البيولوجية”.

التصميم
هناك نوعان رئيسيان من الأجهزة: شعاع واحد وشعاع مزدوج. يقارن مطياف الشعاع المزدوج شدة الضوء بين مسارين ضوئيين ، أحدهما يحتوي على عينة مرجعية والآخر عينة الاختبار. يقيس مقياس الطيف الشعاعي الأحادي شدة الضوء النسبية للشعاع قبل وبعد إدخال عينة الاختبار. على الرغم من أن مقارنات المقارنة من أجهزة مزدوجة الحزمة أسهل وأكثر استقرارًا ، يمكن للأدوات ذات الحزم الفردية أن يكون لها نطاق ديناميكي أكبر وتكون أبسط وأضيق من الناحية البصرية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن بعض الأدوات المتخصصة ، مثل أجهزة القياس الطيفي المبنية على المجاهر أو التلسكوبات ، هي أدوات ذات شعاع منفرد بسبب التطبيق العملي.

من الناحية التاريخية ، تستخدم مقاييس الطيف الضوئي أحادي اللون يحتوي على مقضب حيود لإنتاج الطيف التحليلي. يمكن أن يكون المقضب متحركًا أو ثابتًا. إذا تم استخدام كاشف واحد ، مثل أنبوب ضوئي ضوئي أو صمام ثنائي ضوئي ، يمكن فحص القضبان تدريجياً حتى يتمكن الكاشف من قياس شدة الضوء عند كل طول موجة (والتي تتوافق مع كل “خطوة”). كما يمكن استخدام صفائف المكاشيف ، مثل الأجهزة المقترنة بشحنات (CCD) أو صفيفات photodiode (PDA). في مثل هذه الأنظمة ، يتم تثبيت الشبكة ويتم قياس كثافة طول موجة الضوء بواسطة كاشف مختلف في الصفيف. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم معظم أجهزة قياس طيف الأشعة تحت الحمراء الحديثة تقنية تحويل فورييه للحصول على المعلومات الطيفية. تسمى هذه التقنية مطيافية الأشعة تحت الحمراء Fourier transform.

عند إجراء قياسات الإرسال ، يقارن مقياس الطيف الضوئي كمياً من الضوء الذي يمر عبر حل مرجعي ومحلول اختبار ، ثم يقارن إلكترونياً شدة الإشارتين ويحسب النسبة المئوية لانتقال العينة مقارنة بالمعيار المرجعي. بالنسبة لقياسات الانعكاس ، يقارن مقياس الطيف الضوئي كمياً كمية الضوء التي تعكس من العينات المرجعية والاختبار. يتم تمرير الضوء من المصباح المصدر من خلال أحادي اللون ، الذي ينقل الضوء إلى “قوس قزح” من الأطوال الموجية من خلال موشور دوار وإخراج عروض نطاق ضيقة لهذا الطيف المنعرش من خلال شق ميكانيكي على جانب خرج من أحادي اللون. وترسل هذه النطاقات من خلال عينة الاختبار. ثم يتم قياس كثافة تدفق الفوتون (واط لكل متر مربع عادة) من الضوء المنقول أو المنعكس مع جهاز ضوئي ، جهاز مشحون الشحنة أو مستشعر ضوئي آخر. ثم تقارن قيمة النفاذية أو الانعكاس لكل طول موجة من عينة الاختبار مع قيم الإرسال أو الانعكاس من العينة المرجعية. تطبق معظم الأدوات دالة لوغاريتمية لنسبة النفاذية الخطية لحساب “الامتصاص” للعينة ، وهي قيمة تتناسب مع “تركيز” المادة الكيميائية التي يجري قياسها.

باختصار ، تسلسل الأحداث في مقياس الطيف الضوئي الحديث هو كما يلي:

يضيء مصدر الضوء إلى أحادي اللون ، وينحرف إلى قوس قزح ، وينقسم إلى حزمتين. ومن ثم يتم فحصها من خلال العينة والحلول المرجعية.
يتم إرسال أجزاء الطول الموجي للحوادث من خلال العينة أو الإشارة إليها أو تنعكس منها.
ينتج الضوء الناتج عن جهاز جهاز الكشف الضوئي ، الذي يقارن بين الكثافة النسبية للحزمتين.
تقوم الدارات الإلكترونية بتحويل التيارات النسبية إلى نسب انتقال خطية و / أو قيم الامتصاص / التركيز.
يجب معايرة العديد من أجهزة قياس الطيف الضوئي القديمة من خلال إجراء يُعرف باسم “التصفير” ، لتحقيق التوازن بين خرج التيار الخالي من الحزمتين في المكشاف. يتم تعيين إرسال المادة المرجعية كقيمة خطية (مسند) ، لذلك يتم تسجيل نقل جميع المواد الأخرى نسبة إلى المادة “الصفرية” الأولية. ثم يقوم مقياس الطيف الضوئي بتحويل نسبة الإرسال إلى “امتصاص” ، تركيز مكونات محددة لعينة الاختبار بالنسبة إلى المادة الأولية.

تطبيقات في الكيمياء الحيوية
القياس الطيفي هو تقنية مهمة تستخدم في العديد من التجارب البيوكيميائية التي تشمل الحمض النووي ، الحمض النووي الريبي ، وعزل البروتين ، وحركة الإنزيمات والتحليلات البيوكيميائية. يتضمن شرح موجز عن إجراء القياس الطيفي مقارنة امتصاص عينة فارغة لا تحتوي على مركب ملون على عينة تحتوي على مركب ملون. يمكن تحقيق هذا التلوين إما بصبغة مثل صبغة Coomasie Brilliant Blue G-250 التي تقاس عند 595 نانومتر أو بواسطة تفاعل إنزيمي كما يُرى بين β-galactosidase و ONPG (يتحول اللون الأصفر) إلى 420 nm. يستخدم مقياس الطيف الضوئي لقياس المركبات الملونة في منطقة الضوء المرئية (بين 350 نانومتر و 800 نانومتر) ، وبالتالي يمكن استخدامه للعثور على مزيد من المعلومات حول المادة التي تتم دراستها. في التجارب البيوكيميائية ، يتم اختيار خاصية كيميائية و / أو فيزيائية ويكون الإجراء المستخدم محددًا لتلك الخاصية من أجل الحصول على مزيد من المعلومات حول العينة ، مثل الكمية والنقاوة ونشاط الإنزيم ، إلخ. يمكن استخدام القياس الطيفي لعدد من التقنيات مثل تحديد الامتصاص الأمثل للأطوال الموجية للعينات ، وتحديد درجة الحموضة المثلى لاستيعاب العينات ، وتحديد تركيزات عينات غير معروفة ، وتحديد pKa للعينات المختلفة. القياس الطيفي هو أيضًا عملية مفيدة لتنقية البروتين ويمكن أيضًا استخدامه كطريقة لإنشاء مقايسات بصرية لمركب. يمكن أيضًا استخدام البيانات الطيفية بالاقتران مع معادلة بير لامبرت ، A = -log10T = εcl = OD ، من أجل تحديد العلاقات المختلفة بين النفاذية والتركيز ، والامتصاص والتركيز. لأن مقياس الطيف الضوئي يقيس الطول الموجي للمركب من خلال لونه ، يمكن إضافة مادة ربط صبغة بحيث يمكن أن تخضع لتغير اللون وقياسها. من الممكن معرفة تركيزات مكون مكون من اثنين باستخدام أطياف الامتصاص للحلول القياسية لكل مكون. للقيام بذلك ، من الضروري معرفة معامل الانقراض لهذا الخليط في أطوال موجتين ومعاملات الانقراض للحلول التي تحتوي على الأوزان المعروفة للمكونين. طورت أجهزة القياس الطيفي وتحسنت على مدى عقود واستخدمت على نطاق واسع بين الكيميائيين. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تخصيص مقاييس الطيف الضوئي لقياس قيم الامتصاص ذات طول موجي UV أو مرئي. تعتبر أداة دقيقة للغاية ، وهي أيضًا حساسة جدًا وبالتالي شديدة الدقة ، خاصةً في تحديد تغير اللون. هذه الطريقة مناسبة أيضًا للاستخدام في التجارب المعملية لأنها عملية بسيطة وغير مكلفة نسبيًا.

الطيف الضوئي المرئي للأشعة فوق البنفسجية
تُستخدم معظم أجهزة القياس الطيفي في مناطق الأشعة فوق البنفسجية والمناطق المرئية من الطيف ، كما تعمل بعض هذه الأدوات أيضًا في المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء أيضًا. يمكن تقدير تركيز البروتين عن طريق قياس OD عند 280 نانومتر بسبب وجود التريبتوفان والتيروزين والفينيل ألانين. هذه الطريقة ليست دقيقة جدا لأن تركيبة البروتينات تختلف بشكل كبير ولا تحتوي البروتينات التي لا تحتوي على أي من هذه الأحماض الأمينية على أقصى امتصاص عند 280 نانومتر. يمكن أن يتداخل تلوث الحمض النووي أيضًا. تتطلب هذه الطريقة مقياسًا ضوئيًا قادرًا على القياس في منطقة الأشعة فوق البنفسجية باستخدام كوارتز كوارتز.

يشمل التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية المرئية (UV-vis) مستويات الطاقة التي تثير التحولات الإلكترونية. امتصاص الضوء فوق البنفسجي يثير جزيئات موجودة في الدول المطلقة إلى الدول المثارة

يتم استخدام المنطقة المرئية 400 – 700 نانومتر الطيف الضوئي على نطاق واسع في علم قياس الألوان. ومن المعروف أن تعمل بشكل أفضل في نطاق 0.2-0.8 OD Ink المصنعين ، شركات الطباعة ، وبائعي المنسوجات ، وغيرها الكثير ، في حاجة إلى البيانات المقدمة من خلال قياس الألوان. فهي تأخذ قراءات في المنطقة من كل 5-20 نانومتر على طول المنطقة المرئية ، وتنتج منحنى انعكاس طيفي أو تدفق بيانات للعروض البديلة. يمكن استخدام هذه المنحنيات لاختبار مجموعة جديدة من تلوين لمعرفة ما إذا كانت مطابقة للمواصفات ، على سبيل المثال ، معايير الطباعة ISO.

لا يمكن لمقاييس طيف المنطقة التقليدية المرئية أن تكتشف ما إذا كان لون التلوين أو المادة الأساسية مضانًا. هذا يمكن أن يجعل من الصعب إدارة مشاكل الألوان إذا كان واحد أو أكثر من أحبار الطباعة على سبيل المثال فلوري. حيث يحتوي تلوين على تألق ، يتم استخدام الطيف الضوئي الفلوري الطيفي الطيفي. يوجد إعدادان رئيسيان لطيفي الطيف الضوئي البصري ، d / 8 (كروي) و 0/45. ترجع الأسماء إلى هندسة مصدر الضوء والمراقب والداخلية لغرفة القياس. يستخدم العلماء هذه الأداة لقياس كمية المركبات في العينة. إذا كان المركب أكثر تركيزًا ، فستمتص العينة الضوء الإضافي ؛ ضمن نطاقات صغيرة ، يحمل قانون بير لامبرت ويختلف الامتصاص بين العينات مع التركيز الخطي. في حالة قياسات الطباعة تستخدم عادة إعدادات بديلة – بدون / مع فلتر الأشعة فوق البنفسجية للتحكم بشكل أفضل في تأثير الأشعة فوق البنفسجية من بين الأوراق.

عادة ما يتم تحضير العينات في الترعة ؛ اعتمادًا على المنطقة محل الاهتمام ، قد يتم تشييدها من الزجاج أو البلاستيك (منطقة الطيف المرئي) ، أو الكوارتز (منطقة طيف الأشعة فوق البنفسجية المثيرة للاهتمام).

تطبيقات
تقدير تركيز الكربون العضوي المذاب
امتصاص خاص للأشعة فوق البنفسجية لمقياس الروائح
اختبار بيال لتركيز البنتوز
تطبيق تجريبي
كما هو موضح في قسم التطبيقات ، يمكن استخدام القياس الطيفي في التحليل النوعي والكمي للحمض النووي ، والرنا ، والبروتينات. يمكن استخدام التحليل النوعي واستخدام أجهزة قياس الطيف الضوئي لتسجيل أطياف المركبات عن طريق مسح مناطق الطول الموجي العريضة لتحديد خصائص الامتصاص (كثافة اللون) للمركب عند كل طول موجة. إحدى التجارب التي يمكن أن توضح الاستخدامات المختلفة التي يمكن أن يكون لها الطيف الضوئي المرئي هي فصل β-galactosidase من خليط من بروتينات مختلفة. إلى حد كبير ، من الأفضل استخدام القياس الطيفي للمساعدة في تحديد كمية التنقية التي خضعت لها العينة بالنسبة إلى تركيز البروتين الكلي. من خلال تشغيل كروماتوغرافي تقارب ، يمكنك عزل B-Galactosidase ويمكن اختبار ذلك من خلال تفاعل العينات المجمعة مع ONPG وتحديد ما إذا كانت العينة قد تحولت إلى اللون الأصفر. بعد هذا الاختبار العينة في 420 نانومتر للتفاعل محددة مع ONPG وعلى 595 لفحص برادفورد يمكن تقييم كمية التنقية كميا. بالإضافة إلى هذا يمكن استخدام القياس الطيفي جنباً إلى جنب مع التقنيات الأخرى مثل الرحلان الكهربائي SDS-Page من أجل تنقية وعزل عينات مختلفة من البروتين.

طيف الأشعة تحت الحمراء
تختلف مقاييس الطيف الضوئي المصممة لمنطقة الأشعة تحت الحمراء اختلافًا تامًا بسبب المتطلبات الفنية للقياس في تلك المنطقة. أحد العوامل الرئيسية هو نوع المحسسات الضوئية المتوفرة في مناطق طيفية مختلفة ، ولكن قياس الأشعة تحت الحمراء يمثل تحديًا أيضًا نظرًا لأن كل شيء يُصدر الأشعة تحت الحمراء كإشعاع حراري ، خاصة عند أطوال موجية تتعدى 5 ميكرومترات تقريبًا.

هناك مشكلة أخرى تتمثل في أن بعض المواد مثل الزجاج والبلاستيك تمتص ضوء الأشعة تحت الحمراء ، مما يجعلها غير متوافقة كوسط بصري. المواد البصرية المثالية هي الأملاح ، والتي لا تمتص بقوة. قد يتم تلطيخ عينات الأشعة الطيفية للأشعة تحت الحمراء بين قرصين من بروميد البوتاسيوم أو الأرض مع بروميد البوتاسيوم ويتم ضغطهما في بيليه. عند قياس المحاليل المائية ، يتم استخدام كلوريد الفضة غير القابل للذوبان في بناء الخلية.

مقياس الإشعاعية الطيفية
تم تصميم أجهزة قياس الطيف ، والتي تعمل تقريبًا مثل أجهزة قياس الطيف الضوئي في المنطقة المرئية ، لقياس الكثافة الطيفية للماعين. قد تتضمن التطبيقات تقييم وتصنيف الإضاءة للمبيعات من قبل الشركة المصنعة ، أو للعملاء لتأكيد المصباح الذي قرروا شراءه ضمن مواصفاتهم. المكونات:

يضيء مصدر الضوء على أو عبر العينة.
ينقل النموذج الضوء أو يعكسه.
يكتشف المكشاف مقدار الضوء الذي ينعكس أو ينتقل من خلال العينة.
ثم يقوم المكشاف بتحويل كمية الضوء المنقولة أو المنقولة إلى رقم.