المطياف هو أداة علمية تستخدم لتحليل طيف الإشعاعات الكهرومغناطيسية، ويمكنه عرض طيف من الإشعاعات على شكل مطياف يمثل توزيع شدة الضوء بالنسبة لطول الموجة (المحور الصادي هو الشدة، والمحور السيني هو الطول الموجي / تردد الضوء).يتم فصل الضوء إلى الأطوال الموجية المكونة له داخل المطياف بواسطة مجزئات الحزمة، والتي عادة ما تكون منشورات انكسارية أو شبكات حيود (الشكل 1).
الشكل 1: طيف المصباح الكهربائي وضوء الشمس (يسار)، ومبدأ تقسيم الشعاع للشبك والمنشور (يمين)
تلعب أجهزة المطياف دورًا مهمًا في قياس نطاق واسع من الإشعاع البصري، سواء عن طريق الفحص المباشر لطيف الانبعاث لمصدر الضوء أو عن طريق تحليل انعكاس الضوء أو امتصاصه أو انتقاله أو تناثره بعد تفاعله مع مادة ما.بعد تفاعل الضوء والمادة، يتعرض الطيف للتغير في نطاق طيفي معين أو طول موجي محدد، ويمكن تحليل خصائص المادة نوعيا أو كميا حسب التغير في الطيف، مثل التحليل البيولوجي والكيميائي تركيب وتركيز الدم والمحاليل غير المعروفة، وتحليل الجزيء والتركيب الذري والتركيب العنصري للمواد الشكل 2.
الشكل 2: أطياف امتصاص الأشعة تحت الحمراء لأنواع مختلفة من الزيوت
تم اختراعه في الأصل لدراسة الفيزياء وعلم الفلك والكيمياء، وأصبح الآن أحد أهم الأدوات في العديد من المجالات مثل الهندسة الكيميائية وتحليل المواد والعلوم الفلكية والتشخيص الطبي والاستشعار الحيوي.في القرن السابع عشر، تمكن إسحاق نيوتن من تقسيم الضوء إلى شريط ملون متواصل عن طريق تمرير شعاع من الضوء الأبيض من خلال منشور واستخدم كلمة "الطيف" لأول مرة لوصف هذه النتائج (الشكل 3).
الشكل 3: يدرس إسحاق نيوتن طيف ضوء الشمس باستخدام منشور.
في بداية القرن التاسع عشر، قام العالم الألماني جوزيف فون فراونهوفر (فرانكوفر)، بالاشتراك مع المنشورات وشقوق الحيود والتلسكوبات، بصنع مطياف ذو دقة ودقة عالية، والذي تم استخدامه لتحليل طيف الانبعاثات الشمسية الشكل 4. لوحظ لأول مرة أن طيف ألوان الشمس السبعة ليس متواصلا، بل يحتوي على عدد من الخطوط الداكنة (أكثر من 600 خط منفصل)، ويعرف باسم "خط فرانكنهوفر" الشهير.وقام بتسمية أكثر هذه الخطوط تميزًا A وB وC...H وأحصى حوالي 574 خطًا بين B وH والتي تتوافق مع امتصاص العناصر المختلفة على الطيف الشمسي (الشكل 5). وفي الوقت نفسه، كان فراونهوفر أيضًا أول من استخدم محزوز الحيود للحصول على أطياف الخط وحساب الطول الموجي للخطوط الطيفية.
الشكل 4. مطياف مبكر، يُنظر إليه مع الإنسان
الشكل 5: خط Fraun Whaffe (خط داكن في الشريط)
الشكل 6. الطيف الشمسي، مع الجزء المقعر المطابق لخط فراون ولفيل
في منتصف القرن التاسع عشر، عمل الفيزيائيان الألمانيان كيرشوف وبونسن معًا في جامعة هايدلبرغ، وباستخدام أداة اللهب المصممة حديثًا (موقد بنسن) وقاما بأول تحليل طيفي من خلال ملاحظة الخطوط الطيفية المحددة للمواد الكيميائية المختلفة. (الأملاح) رشها في لهب بنسن الموقد التين.7. قاموا بالفحص النوعي للعناصر من خلال مراقبة الأطياف، وفي عام 1860 نشروا اكتشاف أطياف العناصر الثمانية، وحددوا وجود هذه العناصر في عدة مركبات طبيعية.أدت النتائج التي توصلوا إليها إلى إنشاء فرع مهم من الكيمياء التحليلية الطيفية: التحليل الطيفي
الشكل 7: رد فعل اللهب
في عشرينيات القرن العشرين، استخدم الفيزيائي الهندي سي.في. رامان مقياس الطيف لاكتشاف تأثير التشتت غير المرن للضوء والجزيئات في المحاليل العضوية.ولاحظ أن الضوء الساقط ينتشر بطاقة أعلى وأسفل بعد التفاعل مع الضوء، وهو ما سمي فيما بعد بتشتت رامان الشكل 8. إن تغير الطاقة الضوئية يميز البنية المجهرية للجزيئات، لذلك يستخدم التحليل الطيفي لنثر رامان على نطاق واسع في المواد والطب والكيمياء. وغيرها من الصناعات لتحديد وتحليل النوع الجزيئي وبنية المواد.
الشكل 8: تتحول الطاقة بعد تفاعل الضوء مع الجزيئات
في الثلاثينيات من القرن العشرين، اقترح العالم الأمريكي الدكتور بيكمان لأول مرة قياس امتصاص أطياف الأشعة فوق البنفسجية عند كل طول موجي بشكل منفصل لرسم خريطة طيف الامتصاص الكامل، وبالتالي الكشف عن نوع وتركيز المواد الكيميائية في المحلول.يتكون مسار ضوء امتصاص الإرسال هذا من مصدر الضوء ومقياس الطيف والعينة.يعتمد معظم تكوين المحلول الحالي واكتشاف التركيز على طيف امتصاص الإرسال.هنا، يتم تقسيم مصدر الضوء على العينة ويتم مسح المنشور أو الشبكة للحصول على أطوال موجية مختلفة (الشكل 9).
الشكل 9 مبدأ الكشف عن الامتصاص -
في الأربعينيات من القرن العشرين، تم اختراع أول مطياف الكشف المباشر، ولأول مرة، حلت الأنابيب المضاعفة الضوئية (PMTs) والأجهزة الإلكترونية محل مراقبة العين البشرية التقليدية أو فيلم التصوير الفوتوغرافي، والتي يمكنها قراءة الكثافة الطيفية مباشرة مقابل الطول الموجي (الشكل 1). 10. وهكذا، تم تحسين مقياس الطيف كأداة علمية بشكل كبير من حيث سهولة الاستخدام والقياس الكمي والحساسية على مدى فترة من الزمن.
الشكل: 10 أنبوب المضاعف الضوئي
في منتصف القرن العشرين وأواخره، كان تطور تكنولوجيا المطياف جزءًا لا يتجزأ من تطوير مواد وأجهزة أشباه الموصلات الإلكترونية الضوئية.في عام 1969، اخترع ويلارد بويل وجورج سميث من مختبرات بيل CCD (الجهاز المزدوج الشحن)، والذي تم تحسينه وتطويره بعد ذلك إلى تطبيقات التصوير بواسطة مايكل ف. تومبست في السبعينيات.ويلارد بويل (يسار)، فاز جورج سميث بجائزة نوبل لاختراعهما CCD (2009) كما هو موضح في الشكل 11. في عام 1980، اخترع نوبوكازو تيرانيشي من شركة NEC في اليابان صمام ثنائي ضوئي ثابت، مما أدى إلى تحسين كبير في نسبة ضوضاء الصورة و دقة.لاحقًا، في عام 1995، اخترع إيريك فوسوم من ناسا مستشعر الصور CMOS (أشباه الموصلات المعدنية المكملة)، والذي يستهلك طاقة أقل 100 مرة من مستشعرات الصور CCD المماثلة وله تكلفة إنتاج أقل بكثير.
الشكل 11. ويلارد بويل (يسار)، جورج سميث وCCD (1974)
في نهاية القرن العشرين، ومع التحسن المستمر في تكنولوجيا معالجة وتصنيع الرقائق الإلكترونية الضوئية لأشباه الموصلات، خاصة مع تطبيق صفيف CCD وCMOS في أجهزة قياس الطيف (الشكل 12)، أصبح من الممكن الحصول على نطاق كامل من الأطياف تحت تعريض واحد.بمرور الوقت، وجدت أجهزة قياس الطيف استخدامًا واسع النطاق في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك، على سبيل المثال لا الحصر، اكتشاف/قياس الألوان، وتحليل الطول الموجي بالليزر، والتحليل الطيفي الفلوري، وفرز LED، ومعدات استشعار التصوير والإضاءة، والتحليل الطيفي الفلوري، ومطياف رامان، والمزيد. .
الشكل 12: شرائح CCD المختلفة
في القرن الحادي والعشرين، نضجت تكنولوجيا تصميم وتصنيع أنواع مختلفة من أجهزة قياس الطيف تدريجيًا واستقرت.مع تزايد الطلب على أجهزة قياس الطيف في جميع مناحي الحياة، أصبح تطوير أجهزة قياس الطيف أكثر سرعة ومخصصًا للصناعة.بالإضافة إلى مؤشرات المعلمات الضوئية التقليدية، قامت الصناعات المختلفة بتخصيص متطلبات حجم الحجم ووظائف البرامج وواجهات الاتصال وسرعة الاستجابة والاستقرار وحتى تكاليف أجهزة قياس الطيف، مما يجعل تطوير مقياس الطيف أكثر تنوعًا.
وقت النشر: 28 نوفمبر 2023