رنگ سنج آزمایشگاهی: تعریف، اصول، اجزا، کاربردها و مثال‌ها

فهرست مطالب نمایش

مقدمه‌ای بر رنگ سنج آزمایشگاهی

رنگ سنج به دستگاهی اطلاق می‌شود که در رنگ سنجی استفاده شده و به جذب طول موج خاصی از نور، ساطع شده توسط یک محلول نمونه مشخص کمک می‌کند.

Louis J. Duboscq آن را در سال 1870 اختراع کرد. از آن برای اندازه‌گیری میزان عبور و جذب نور هنگام گذر از یک مایع استفاده می‌شود. این ابزارها برای شناسایی رنگ و تعیین غلظت محلول استفاده می‌شوند. با مقایسه شدت رنگ یک ماده حل شده در یک محلول با یک محلول مرجع با غلظت شناخته شده، می‌توان غلظت ماده حل شده رنگی را در آن محلول تخمین زد.

اصول دستگاه رنگ سنج

هنگامی که یک پرتو نور تابشی با شدت I_o از محلول گذر می‌کند، بخشی از نور تابشی، منعکس (I_r) و بخشی جذب (I_a) می‌شود در حالی که نور تابشی باقی مانده از محلول عبور (I_t) می‌کند.

یعنی I_o= I_r + I_a + I_t

جهت اندازه‌گیری (I_o) در رنگ سنج، (I_r) حذف می‌شود و این امر برای محاسبه (I_a) کافی است. استفاده از سلول‌هایی با ویژگی‌های یکسان، مقدار ثابتی از بازتاب نور (I_r) را حفظ می‌کند. سپس (I_o) و (I_t) اندازه‌گیری می‌شوند.

عملکرد رنگ سنج بر اساس قانون Beer-Lambert است که می‌گوید مقدار نور جذب شده توسط یک محلول رنگی با غلظت محلول و مسافتی که نور در محلول طی می‌کند، نسبت مستقیم دارد.

A ∝ cl

A = ∈cl

که در آن:

A = جذب / چگالی نوری محلول

∈ = ضریب جذب

C = غلظت محلول

l = طول مسیر

مجموعه‌ای از عدسی‌ها در یک رنگ‌سنج، پرتویی از نور با طول موج خاصی را از میان محلولی که در دستگاه اندازه‌گیری قرار داده شده است، هدایت می‌کنند. این دستگاه رنگ را با استاندارد فعلی برای بررسی محلول، مقایسه می‌کند. سپس جذب یا درصد عبور با استفاده از یک ریزپردازنده محاسبه می‌شود. با اندازه‌گیری تفاوت بین میزان نور در منبع آن محلول با میزان نور پس از عبور از محلول مورد بررسی، می‌توان غلظت آن و میزان جذب نور را تعیین کرد.

چند محلول نمونه با غلظت‌های شناخته شده ابتدا تهیه و ارزیابی می‌شوند تا بتوان به وسیله آن غلظت یک نمونه ناشناخته را مشخص کرد. رسم میزان غلظت در مقابل میزان جذب روی یک نمودار، منحنی کالیبراسیون را ایجاد می‌کند. برای تعیین غلظت، نتایج نمونه ناشناخته با نتایج نمونه شناخته شده روی منحنی مقایسه می‌شوند.

اجزا دستگاه رنگ سنج

منبع نور: منبع نور باید انرژی با شدت کافی تولید کند تا کل طیف مرئی (380 تا 780 نانومتر) را پوشش دهد. معمولاً از لامپ‌های تنگستن به عنوان منبع نور برای اندازه‌گیری در طیف مرئی و محدوده نزدیک به فروسرخ استفاده می‌شود. لامپ هالوژن دوتریوم (Halogen deuterium) برای اندازه‌گیری در محدوده UV (200 تا 900 نانومتر) مناسب است.
روزنه: نور ناخواسته یا سرگردان (Stray light) را با اجازه دادن به عبور یک پرتو نور از میان آن، کاهش می‌دهد.
عدسی متمرکز کننده (Condenser lens): پرتوی موازی نور از عدسی متمرکز کننده پس از عبور نور از روزنه‌های روی آن خارج می‌شود.
مونوکروماتور (Monochromator): نور تک‌رنگ (Monochromatic) را از نور چند رنگ (Polychromatic) فیلتر می‌کند، یعنی طول موج‌های نوری ناخواسته را جذب می‌کند و فقط نور تک‌رنگ را مجاز می‌کند. مونوکروماتورها سه نوع هستند: منشور، گریتینگ (Grating) و عدسی شیشه‌ای.
منشور: تجزیه نور را هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر تسهیل می‌کند.
عدسی شیشه‌ای: به طور انتخابی نور را در محدوده‌های مشخصی از طول موج‌ها پخش می‌کند.
گریتینگ‌ها: از گرافیت ساخته شده‌اند و نور را در طول موج‌های مختلف جدا می‌کند.
کووت (Cuvette) (سلول نمونه): نور تک‌رنگ مربوط به فیلتر، از محلول نمونه رنگی قرار داده شده در کووت عبور می‌کند. شکل آن‌ها از مربع و مستطیل تا گرد متغیر است و قطر ثابت آن‌ها 1 سانتی‌متر است. کووت‌ها بر اساس موادی که از آن‌ها ساخته شده‌اند به سه نوع تقسیم می‌شوند: کووت شیشه‌ای، کوارتزی (Quartz) و پلاستیکی.
کووت‌های شیشه‌ای ارزان هستند و نور با طول موج 340 نانومتر را جذب می‌کنند.
کووت‌های کوارتزی ورود نورهای UV و محدوده مرئی را تسهیل می‌کنند.
کووت‌های پلاستیکی ارزان‌تر هستند، به راحتی خراشیده می‌شوند و طول عمر کمتری دارند.
فتوسل (Photocell) یا فوتودیتکتور (Photodetector): این دستگاه‌های حساس به نور با تبدیل انرژی نوری به انرژی الکتریکی، شدت نور را اندازه‌گیری می‌کنند.
گالوانومتر: سیگنال الکتریکی تولید شده در فتوسل، توسط یک گالوانومتر شناسایی و اندازه‌گیری می‌شود. گالوانومتر چگالی نوری (Optical density (OD)) و درصد انتقال را نمایش می‌دهد.

انواع رنگ سنج

برخی از انواع رنگ سنج به شرح زیر است:

چگالی‌سنج (Densitometer): چگالی یک ماده را تعیین می‌کند.
اسپکتروفتومتر (Spectrophotometer): بازتاب و گذردهی طیفی یک سطح را اندازه‌گیری می‌کند.
رنگ سنج سه محرکی (Tristimulus): برای اندازه‌گیری محرک یک رنگ بر حسب مقادیر سه محرکی استفاده می‌شود.

روش کار رنگ سنج

با چرخاندن دکمه سوئیچ پاور در جهت عقربه‌های ساعت (به سمت راست) دستگاه را روشن کنید. 15 دقیقه جهت آماده‌سازی رنگ سنج برای تثبیت منبع نور و آشکارساز مورد نیاز است.
پس از آماده‌سازی، دکمه کنترل طول موج را روی طول موج مناسب تنظیم کنید.
کلید کنترل MODE را فشار دهید تا چراغ کنار “Transmittance” روشن شود و حالت نمایش به Transmittance تغییر یابد.
از دکمه کنترل صفر برای تنظیم T-factor نمایشگر روی 0.0٪ استفاده کنید. این تنظیم را زمانی انجام دهید که از خالی بودن محفظه نمونه و بسته بودن درب آن مطمئن باشید.
محلول شاهد را در یک کووت قرار دهید تا زمانی که به بالای علامت مثلثی در کناره کووت برسد. برای خلاص شدن از شر هر گونه مایع یا اثر انگشت در قسمت بیرونی کووت، آن را با کیم‌وایپ (Kimwipe) پاک کنید. هر دو این موارد مانع از حرکت نور شده و منجر به خوانش نادرست می‌شوند.
لوله را به آرامی اما کاملاً داخل محفظه کووت قرار دهید، به طوری که خط راهنمای عمودی در سمت راست شما باشد. اکنون باید با چرخاندن کووت 90 درجه در جهت عقربه‌های ساعت، خط راهنمای روی کووت با خط راهنمای روی محفظه نمونه هم‌راستا شود. این روش کووت را در برابر خط و خش در قسمت‌های انتقال نوری محافظت می‌کند. اندازه‌گیری‌های اشتباه می‌تواند ناشی از خراش روی کووت باشد. درب محفظه را ببندید.
صفحه نمایش را با استفاده از دکمه کنترل Transmittance/Absorbance روی 100.0% تنظیم کنید.
کلید کنترل MODE را فشار دهید و چراغ نشانگر وضعیت را به Absorbance تغییر دهید. اگر کالیبراسیون Transmittance به درستی انجام شده باشد، نمایشگر باید 0.0 را نشان دهد. نیازی به تنظیم بیشتر نیست. اگر از قبل این مقدار را نشان نمی‌دهد، از دکمه کنترل Transmittance/Absorbance استفاده کنید تا نمایشگر را روی 0.0 تنظیم کنید. صفحه نمایش را با استفاده از کلید MODE به Transmittance برگردانید.
قبل از انجام این کار، روند قبلی را برعکس کنید تا کووت را با چرخاندن 90 درجه‌ای در خلاف جهت عقربه‌های ساعت از محفظه خارج کنید. باید محلولی را که می‌خواهید میزان جذب نوری آن را تست کنید در یک کووت دیگر قرار دهید. مانند قبل، آن را در داخل محفظه قرار دهید.

الف. به طور مستقیم از صفحه نمایش دیجیتال، مقدار %T value را بخوانید.

ب با استفاده از کلید MODE، Absorbance را انتخاب کنید، سپس مقدار A value را مستقیماً از صفحه نمایش دیجیتال بخوانید. یک بار دیگر Transmittance را انتخاب کنید.

فرآیندی را که برای قرار دادن کووت در محفظه نمونه انجام دادید جهت برداشتن آن، معکوس کنید. درب محفظه را ببندید.

کاربردهای رنگ سنج

در صنایع چاپ برای ارزیابی کالیبر جوهر و کاغذ چاپ استفاده می‌شود.
از این دستگاه‌ها در صنایع غذایی و فرآوری مواد غذایی استفاده می‌شوند.
اغلب در آزمایشگاه‌ها و بیمارستان‌ها برای تعیین ترکیب بیوشیمیایی نمونه‌هایی مانند خون، ادرار، مایع مغزی نخاعی، پلاسما، سرم و غیره استفاده می‌شود.
در صنایع نساجی و رنگ استفاده می‌شود.
فروشندگان الماس همچنین ویژگی‌های بصری سنگ‌های قیمتی را با استفاده از رنگ سنج بررسی می‌کنند.
این ابزارها همچنین در صنایع آرایشی برای اندازه‌گیری سطح محافظت محصولات مراقبت از پوست در برابر اشعه ماوراء بنفش، استفاده می‌شوند.
آن‌ها برای ارزیابی خلوص آب و بررسی وجود مواد شیمیایی مانند سیانید (Cyanide)، آهن، فلوئور (Fluorine)، کلر، مولیبدن (Molybdenum) و غیره استفاده می‌شوند.
آن‌ها برای ارزیابی کنتراست رنگ و روشنایی صفحه نمایش در دستگاه‌های تلفن همراه، رایانه‌ها و تلویزیون‌ها به کار می‌روند تا بهترین تجربه تماشا را به مردم ارائه دهند.
رنگ سنج همچنین در بخش داروسازی برای شناسایی کالاها و داروهای نامرغوب به کار می‌رود.
نمونه‌های خون با استفاده از رنگ سنج برای تعیین میزان هموگلوبین موجود، آزمایش می‌شوند.

مزایای رنگ سنج

رنگ سنج یک وسیله سریع و مقرون به صرفه برای ارزیابی کیفیت است.
رنگ سنج بررسی کمی مواد شیمیایی رنگی را ساده می‌کند.
نتایج در کمتر از یک ثانیه در دسترس هستند.
چهار باتری AA در یک رنگ سنج قابل حمل می‌تواند بین 100 تا 300 مرتبه اندازی‌گیری کند.

معایب رنگ سنج

پروسه تعیین غلظت مواد بی‌رنگ پر زحمت می‌شود.
رنگ سنج در طیف فرابنفش یا مادون قرمز کار نمی‌کند زیرا فقط جذب طول موج را در محدوده نور مرئی (400 نانومتر تا 700 نانومتر) اندازه‌گیری می‌کند.
برای اندازه‌گیری جذب باید به جای یک طول موج مشخص، یک محدوده طیف تنظیم شود.
اندازه‌گیری‌ها ممکن است روی سطوحی که نور را منعکس می‌کنند، چالش‌برانگیز باشد.

موارد احتیاط

بهتر است در حین اندازه‌گیری، محیط خارجی دستگاه ثابت نگه داشته شود. به عنوان مثال، بهتر است هنگام اندازه‌گیری از سوسوهای نوری محیط اجتناب کنید.
از ورود مایعات، پودرها یا ذرات جامد خارجی به کالیبر اندازه‌گیری یا داخل دستگاه جلوگیری کنید. از تماس با ابزار و برخورد با آن خودداری کنید.
نباید در محیط‌های مرطوب یا نزدیک بخار آب استفاده شود. برای جلوگیری از آسیب رساندن به دستگاه، باید آن را در فضای خشک و خنک نگه‌داری کرد.
یک مجموعه تمیز از کووت‌ها باید استفاده شود. کووت‌ها را تا بالای علامت مثلثی یا به اندازه دو سوم پر کنید. برای محلول شاهد، همیشه از همان کووت استفاده کنید. برای نمونه همیشه از کووت دیگری استفاده کنید.
برای اینکه گرما از بین برود و سیم‌ها و سوکت‌ها به راحتی در دسترس باشند، به فضای کافی (حداقل سه اینچ) در اطراف دستگاه نیاز داریم.

نمونه های دستگاه‌های رنگ سنج

رنگ سنج آزمایشگاهی CLR-S (Bioevopeak)

ترکیب روشنایی استاندارد (Standard illuminant) CIE نور D65 با میدان دید گسترده 10 درجه، X10، Y10 و Z10، یک منبع نور نمونه را تشکیل می‌دهند.
اندازه‌گیری خودکار رنگ منعکس شده از یک ماده به شکل تخته‌ای، پودری و دانه‌ای.
چاپگر و رابط LCD RS232.

رنگ سنج آنالیز آب Checker® HC (HANNA Instruments)

دقیق‌تر و کاربرپسندتر از کیت‌های آزمایش شیمیایی می‌باشد.
به دست آوردن نتایج در مورد کلر آزاد با زدن یک تک دکمه آسان شده است.
برای آزمایش محیط، استخرها و چشمه‌های معدنی عالی است.

رنگ سنج آنالیز محیطی pHotoFlex® (Xylem Analytics)

کدورت 0.01 تا 1100 NTU (Nephelometric Turbidity Unit) را مطابق با DIN ISO 27027 اندازه‌گیری می‌کند.
همه کاره با روش‌های منحصر به فرد NH3 و CO2 می‌باشد.
جهت اندازه‌گیری pH و کدورت، ترکیب ویژه‌ای دارد.
بیش از 180 برنامه برای پارامترهای استاندارد دارد.

رنگ سنج آزمایشگاهی WPA CO7000 (Biochrom)

Biochrom WPA CO7000 یک رنگ سنج قابل حمل است که توسط پزشکان و تکنسین‌های پزشکی در کلینیک‌های کوچک و متوسط استفاده می‌شود.
مناسب برای محیط‌های صحرایی و گرمسیری می‌باشد.
برای آنالیز رنگ سنجی بیولوژیکی مناسب است.

همچنین بخوانید:

منبع

مترجم: صادق حسینی‌کیا

از این مطلب چقدر راضی بودید؟

روی ستاره کلیک کنید تا نظرتون ثبت بشه