งานนำเสนอกำลังจะดาวน์โหลด โปรดรอ

งานนำเสนอกำลังจะดาวน์โหลด โปรดรอ

1 ผศ. สุชาดา จูอนุวัฒนกุล ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.

งานนำเสนอที่คล้ายกัน


งานนำเสนอเรื่อง: "1 ผศ. สุชาดา จูอนุวัฒนกุล ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย."— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1

2 1 ผศ. สุชาดา จูอนุวัฒนกุล ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

3 2 Instruments for Optical Spectroscopy Instruments for Optical Spectroscopy ส่วนประกอบพื้นฐานของเครื่องมือวิเคราะห์สำหรับ emission, absorption และ fluorescence spectroscopy เหมือนกัน ไม่ว่าจะ เป็นเครื่องมือที่ใช้กับ UV, visible หรือ IR radiation จึงมัก เรียกว่า optical instrument แม้ว่าจะใช้สำหรับช่วงสเปกตรัมที่ตา มองไม่เห็น

4 3 Instruments for Optical Spectroscopy Instruments for Optical Spectroscopy เครื่องมือสำหรับสเปกโทรสโกปี (spectroscopic instruments) ส่วนใหญ่ประกอบด้วย 5 ส่วน คือ 1. แหล่งกำเนิดรังสี (radiation source) 2. ตัวเลือกความยาวคลื่น (wavelength selector) 3. ภาชนะบรรจุตัวอย่าง (sample container) 4. ตัวตรวจวัดรังสี/ตัวแปลงรังสี (radiation detector/transducer) 5. ตัวประมวลสัญญาณ (signal processor) และอุปกรณ์อ่านผล (readout)

5 รูปที่ 1 ส่วนประกอบของเครื่องมือสำหรับ optical spectroscopy Absorption spectrometer Wavelength Selector Detector Source Sample Container Signal Processor and Readout Source & Sample Container Emission spectrometer Detector Wavelength Selector Signal Processor and Readout Fluorescence spectrometer Wavelength Selector (2) Source Sample Container Signal Processor and Readout Wavelength Selector (1) Detector

6 5 Instruments for Optical Spectroscopy Instruments for Optical Spectroscopy ในการวัด absorption รังสีจาก source จะผ่าน wavelength selector เพื่อให้ได้รังสีที่มีความยาวคลื่นตามต้องการ เมื่อรังสีที่ ได้ ผ่านตัวอย่างใน sample container จะเกิดการดูดกลืนรังสี detector จะทำหน้าที่ตรวจวัดรังสี จากนั้นประมวลสัญญาณและ อ่านผลด้วย signal processor และ readout ในเครื่องมือบางเครื่อง ตำแหน่งของ wavelength selector และ sample container อาจสลับกัน Absorption spectrometer Wavelength Selector Detector Source Sample Container Signal Processor and Readout

7 6 Instruments for Optical Spectroscopy Instruments for Optical Spectroscopy ในการวัด fluorescence รังสีจาก source ผ่าน wavelength selector (1) เพื่อเลือก excitation wavelength เมื่อรังสีผ่านตัวอย่าง analyte จะ ถูกกระตุ้นและเปล่ง fluorescence จากนั้นผ่าน wavelength selector (2) เพื่อเลือก emission wavelength แล้วตรวจวัด fluorescence ใน ทิศทางตั้งฉากกับรังสีจาก source Fluorescence spectrometer Wavelength Selector (2) Source Sample Container Signal Processor and Readout Wavelength Selector (1) Detector

8 7 Instruments for Optical Spectroscopy Instruments for Optical Spectroscopy เครื่องมือสำหรับวัด emission ไม่ต้องใช้ radiation source ตัวอย่างจะถูกป้อนเข้าสู่ plasma, flame หรือ heated surface ซึ่ง ให้พลังงาน ทำให้ analyte ในตัวอย่างเปล่งรังสี จากนั้นตรวจวัด รังสีที่เปล่งออกมา ประมวลสัญญาณและอ่านผล Source & Sample Container Emission spectrometer Detector Wavelength Selector Signal Processor and Readout

9 8 Optical Materials วัสดุที่ใช้ในการสร้าง windows, lenses, mirrors, prisms, sample containers ของ spectroscopic instruments ต้อง โปร่งใส (transparent) ในช่วงสเปกตรัมที่ใช้ ในช่วง visible นิยมใช้ silicate glass ในช่วง UV (<380 nm) ต้องใช้ fused silica หรือ quartz ในช่วง IR ใช้ halide salt (KBr, NaCl, AgCl)

10 9 Absorption และ fluorescence spectrometer ต้องมี external radiation source radiation source ที่ดีควร  มีเสถียรภาพ (stability) สูง นั่นคือ ให้ output power คงที่ radiant power ของ source จะแปรผันแบบ exponential กับ แรงดัน (ความต่างศักย์) ของแหล่งจ่ายไฟฟ้า ดังนั้นจึงมักใช้ ตัวคุมค่าแรงดัน (voltage regulator)  ให้รังสีที่มีความเข้ม (intensity) สูง สามารถตรวจวัดได้ง่าย  ให้รังสีที่มี spectral range กว้าง แหล่งกำเนิดรังสี (Spectroscopic Sources) แหล่งกำเนิดรังสี

11 แหล่งกำเนิดรังสีช่วงความยาวคลื่น (nm) ชนิดของสเปกโทรสโกปี Xenon arc lamp Molecular fluorescence H 2 and D 2 lamp UV molecular absorption Tungsten/halogen lamp 240-2,500UV/visible/near-IR molecular absorption Tungsten lamp350-2,200Visible/near-IR molecular absorption Nernst glower400-20,000IR molecular absorption Nichrome wire750-20,000IR molecular absorption Globar1,200-40,000IR molecular absorption ตารางที่ 1 Continuum Sources for Optical Spectroscopy

12 แหล่งกำเนิดรังสีช่วงความยาวคลื่น (nm) ชนิดของสเปกโทรสโกปี Hollow cathode lampUV/visAtomic absorption; atomic fluorescence Electrodeless discharge lamp UV/visAtomic absorption; atomic fluorescence Metal vapor lampUV/visAtomic absorption; atomic fluorescence; Raman LaserUV/vis/IRRaman; molecular absorption; molecular fluorescence ตารางที่ 2 Line Sources for Spectroscopy

13 12 ใน optical spectroscopy ใช้ทั้ง continuum sources และ line sources Continuum UV/Visible Sources  ในช่วง UV นิยมใช้ deuterium lamp และ hydrogen lamp  ในช่วง visible นิยมใช้ tungsten lamp แหล่งกำเนิดรังสี (Spectroscopic Sources) แหล่งกำเนิดรังสี

14 13 แหล่งกำเนิดรังสี (Spectroscopic Sources) แหล่งกำเนิดรังสี รูปที่ 2 (ก) deuterium lamp (ข) emission spectrum ของ deuterium lamp (ก)(ก) Wavelength, nm E (W cm  2.nm  1 ) (ข)

15 14 แหล่งกำเนิดรังสี (Spectroscopic Sources) แหล่งกำเนิดรังสี (ก) (ข) รูปที่ 3 (ก) tungsten lamp. (ข) emission spectrum ของ tungsten lamp Intensity Wavelength, nm

16 15 Wavelength Selectors ทำหน้าที่แยก polychromatic radiation (รังสีหลายความยาวคลื่น) ให้เป็น monochromatic radiation (รังสีความยาวคลื่นเดียว) ในทางปฏิบัติ รังสีที่ได้จะไม่ใช่ monochromatic radiation แต่จะมี ความยาวคลื่นในช่วงแคบๆ เรียกว่า band (แถบ) Wavelength Selector Polychromatic radiation Monochromatic radiation

17 wavelength Intensity polychromatic radiation source emission band Wavelength Selector Polychromatic radiation Monochromatic radiation Monochromatic radiation

18 รูปที่ 4 Output of a typical wavelength selector ความยาวคลื่น, nm % transmittance %T ความยาวคลื่นที่ระบุ Effective bandwidth 1/2 Peak height

19 18 Wavelength Selectors การแยกรังสีให้เป็นแถบแคบๆ  เพิ่ม selectivity และ sensitivity ของเครื่องมือ  ลดการเบี่ยงเบนจาก Beer’s law เนื่องจาก polychromatic radiation สำหรับการวัด absorption

20 19 สภาพไว (Sensitivity) ของเครื่องมือหรือวิธี หมายถึง ความสามารถของเครื่องมือหรือวิธีในการจำแนกความแตกต่างของ ความเข้มข้นของ analyte ที่มีค่าน้อยๆ ปัจจัยที่มีผลต่อ sensitivity คือ 1. ความชัน (slope) ของ calibration curve : ถ้า calibration curve มีความชันมาก sensitivity จะสูง 2. สภาพทำซ้ำได้ (reproducibility) หรือความเที่ยง (precision) ของเครื่องมือวัด : ถ้า reproducibility หรือ precision สูง sensitivity จะสูง Sensitivity

21 20 ขีดจำกัดการตรวจวัด (Detection limit or Limit of detection, LOD) คือความเข้มข้นหรือน้ำหนักต่ำสุดของ analyte ที่สามารถตรวจวัดได้ที่ระดับความเชื่อมั่นที่กำหนด Detection limit ขึ้นกับอัตราส่วนของ analytical signal กับ ขนาดของการแปรปรวนของ blank signal Detection Limit

22 21 สัญญาณ (Signal) คือ ค่าเฉลี่ยของ output เครื่องมือวัด สัญญาณรบกวน (Noise) เป็นสัญญาณที่ไม่ควรมีหรือมีน้อยที่สุด เกิดจากการแปรปรวน ของ output ของเครื่องมือวิเคราะห์ วัดได้โดยใช้ค่าเบี่ยงเบน มาตรฐาน (standard deviation) ของสัญญาณ อัตราส่วนของสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (Signal-to-noise ratio, S/N) อัตราส่วนของค่าเฉลี่ยของ output / standard deviation ถ้า อัตราส่วนนี้มีค่าสูงแสดงว่าค่าที่วัดได้มีคุณภาพดี Signal, Noise

23 ตารางที่ 3 Wavelength Selectors for Spectroscopy ชนิดช่วงความยาวคลื่น (nm) หมายเหตุ ต่อเนื่อง Grating Monochromator100 – 40, lines/mm สำหรับ vacuum UV 50 lines/mm สำหรับ far IR Prism Monochromator120 – 30,000 ไม่ต่อเนื่อง Interference Filter200 – 14,000 Absorption Filter 380 – 750

24 23  ทำงานโดยการดูดกลืนรังสีจาก continuum source ทั้งหมด ยกเว้น band of radiation ที่ต้องการในช่วง visible  Filters ที่ใช้ในสเปกโทรสโกปีมี 2 ชนิดคือ 1. Interference filters 2. Absorption filters Radiation Filters ในการวัด absorption มักใช้ interfernce filters เนื่องจากสามารถส่งผ่านรังสีที่ ความยาวคลื่นที่ระบุได้มากกว่า absorption filters

25 24  เป็นแผ่นแก้วสี ทำงานโดยการดูดกลืน (absorption) รังสี  ใช้สำหรับเลือก band ในช่วง visible  effective bandwidths 30–250 nm ถ้า effective bandwidth ยิ่งแคบ %transmittance จะมีค่ายิ่ง น้อย Absorption Filters

26 25 Absorption Filter รูปที่ 5 absorption filter สีม่วงจะดูดกลืนแสงสีเขียว ในขณะที่ แสงสีม่วง (แดงและน้ำเงิน) ผ่านได้

27 26 Cut – off Filter Cut-off filter เป็น absorption filter ที่ดูดกลืนรังสีที่มีความยาวคลื่นสูง กว่าค่าหนึ่ง (Long pass filter) หรือต่ำกว่าค่าหนึ่ง (Short pass filter) Wavelength (nm) % Transmittance (%T) Short pass filter Long pass filter

28 27 Absorption Filter รูปที่ 6 Comparison of various types of filters for visible region

29 28 Absorption Filter  Filter ใช้ได้ง่าย ราคาถูก และทนทาน  Filter อันหนึ่งใช้แยก band ที่มีความยาวคลื่นเดียว ถ้าต้องการ เลือกความยาวคลื่นอื่นจะต้องเปลี่ยน filter ดังนั้นเครื่องมือที่ ใช้ filter มักใช้สำหรับวัดที่ความยาวคลื่นคงที่หรือเปลี่ยนความ ยาวคลื่นไม่บ่อยนัก

30 29 Interference Filters  ใช้ในช่วง UV, visible และ IR (จนถึงความยาวคลื่น 14  m)  ทำงานโดยอาศัยการแทรกสอดของแสง (optical interference)  effective bandwidths ค่อนข้างแคบ โดยทั่วไปคือ 5–20 nm

31 30 รูปที่ 7 Schematic cross section of an interference filter. Interference Filters White radiation Narrow band of radiation Transparent dielectric layer of low refractive index (CaF 2, MgF 2 ) Transparent dielectric layer of low refractive index (CaF 2, MgF 2 ) Semitransparent metal film Glass plate

32 31 Interference Filters Interfernece filter ประกอบด้วยวัสดุไดอิเล็กตริก (dielectric) ที่บางมาก (ส่วนใหญ่ใช้ CaF 2, MgF 2 ) ทั้งสองด้านเคลือบด้วยฟิล์ม ของโลหะที่บางพอที่รังสีที่ตกกระทบครึ่งหนึ่งจะผ่านไปได้และอีก ครึ่งหนึ่งถูกสะท้อนกลับ ด้านนอกประกบด้วยแผ่นแก้วหรือวัสดุโปร่ง แสงอื่นๆ 2 แผ่นเพื่อป้องกันด้านในจากบรรยากาศไดอิเล็กตริก (dielectric) ความหนาของ dielectric layer จะเป็นตัวกำหนดความยาวคลื่น ของ transmitted radiation จึงต้องควบคุมอย่างระมัดระวัง

33 32 Interference Filters Dielectric คือ สารที่เป็นฉนวนไฟฟ้า (nonconductors) เพราะไม่ มีอิเล็กตรอนอิสระหรือมีน้อยมาก โดยทั่วไป dielectric จะโปร่งใส (optically transparent) ซึ่งตรงข้ามกับของแข็งที่นำไฟฟ้าซึ่งจะ ดูดกลืน (absorb) หรือสะท้อน (reflect) แสงได้ดี

34 33 t t A B Interference Filter รูปที่ 8 Schematic to show the conditions for constructive interference  White radiation Reflected radiation Reflected radiation  Transmitted radiation Transmitted radiation

35 34 Interference Filter เมื่อลำแสงขนานตกกระทบ interference filter โดยทำมุม  กับ เส้นตั้งฉากที่จุด 1 ของชั้นโลหะชั้นแรก รังสีบางส่วนจะสะท้อนกลับ และบางส่วนจะผ่านไปยังชั้นโลหะชั้นที่ 2 ส่วนที่ผ่านไปนี้ เมื่อชน โลหะชั้นที่ 2 ที่จุด 1 จะแยกเป็น 2 ส่วนเช่นเดียวกัน รังสีที่สะท้อนกลับจากชั้นโลหะชั้นที่ 2 บางความยาวคลื่นจะ สะท้อนที่ด้านในของชั้นโลหะชั้นที่ 1 และร่วมเฟสกับรังสีที่เข้ามา ใหม่ซึ่งมีความยาวคลื่นเท่ากัน ทำให้เกิดการแทรกสอดเสริม (constructive interference) และผ่าน filter ไปได้ ในขณะที่ความ ยาวคลื่นอื่นซึ่งต่างเฟสกัน เกิดการแทรกสอดทำลาย (destructive interference)

36 35 Interference Filter ความยาวคลื่นของรังสีที่ผ่าน interference filter ( max ) ขึ้นกับ ความหนาของไดอิเล็กตริกดังสมการ max = t = ความหนาของไดอิเล็กตริก  = ดัชนีหักเห (refractive index) ของไดอิเล็กตริก n = เลขจำนวนเต็ม เรียกว่า interference order 2tn2tn

37 36 Interference Filter รูปที่ 9 Interfernce filter สีเขียวจะยอมให้แสงสีเขียวผ่านได้

38 37 รูปที่ 10 Effective bandwidths for two types of filters Wavelength, nm %T 1/2 Peak height Effective bandwidth ~10 nm Interference filter Absorption filter Effective bandwidth ~50 nm Interference filter ให้ transmitted radiation ที่มี bandwidth แคบกว่า และมี % transmission สูงกว่า absorption filter แต่มีราคาสูงกว่า Radiation Filters

39 38 ส่วนประกอบของ monochromators 1.ช่องแสงเข้า (entrance slit) 2.กระจก/เลนส์ทำแสงขนาน (collimating mirrors/lens) 3.ตัวกลางกระจายแสง (dispersing medium) ได้แก่ ปริซึม (prism) เกรตติง (grating) 4.กระจก/เลนส์โฟกัส (focusing mirrors/lens) 5.ช่องแสงออก (exit slit) และ ระนาบโฟกัส (focal plane) นอกจากนี้ ยังมี entrance และ exit windows Monochromators

40 39 จากรูปที่ 11 เมื่อแสงจากแหล่งกำเนิดซึ่งประกอบด้วย 2 ความ ยาวคลื่นคือ 1 และ 2 ( 1 > 2 ) เข้าสู่ monochromator ทาง ช่องเล็กๆ (entrance slit) จะถูกทำให้เป็นลำแสงขนานโดย กระจก/เลนส์เว้า (concave mirror/lens) เมื่อลำแสงขนานตก กระทบพื้นผิวของเกรตติงหรือปริซึมจะเกิดการกระจายเชิงมุม (angular dispersion) ออกเป็น 2 ลำแสง จากนั้นแต่ละลำแสงจะ ถูกโฟกัสด้วยกระจก/เลนส์เว้าอีกอันหนึ่งลงบนระนาบโฟกัส (focal plane) AB การหมุนเกรตติงหรือปริซึมจะทำให้ลำแสงที่มีความ ยาวคลื่นที่ต้องการ ( 2 ) ถูกโฟกัสลงบน exit slit เข้าสู่ detector Monochromators

41 40 รูปที่ 11 (a) Czerny-Turner grating monochromator. ( 1 > 2 ) Concave mirror Entrance slit Exit slit Reflection grating A B Focal plane 2 1 Collimating mirror Focusing mirror Dispersing medium

42 41 รูปที่ 11 (b) Bunsen prism monochromator. ( 1 > 2 ) 2 1 Entrance Collimating Prism slit lens Focusing lens Exit slit Focal plane A B Monochromators

43 42  effective bandwidth ของ monochromator ขึ้นกับ  ขนาดและคุณภาพของตัวกลางกระจายแสง  ความกว้างของช่องแสงเข้า (slit width)  ความยาวโฟกัส (focal length)  effective bandwidth ของ monochromator ที่น่าพอใจสำหรับ การวิเคราะห์ปริมาณส่วนใหญ่คือ 1 – 20 nm  monochromators บางชนิดสามารถปรับ slit width ได้ การใช้ slit แคบจะลด effective bandwidth แต่ขณะเดียวกันก็ทำให้ กำลังของแสงที่ผ่านออกมาลดลงด้วย ในทางปฏิบัติ effective bandwidth ต่ำสุดจึงถูกจำกัดโดย sensitivity ของ detector Monochromators

44 43  การวิเคราะห์คุณภาพ (qualitative analysis) ต้องใช้ slit แคบ และ bandwidth ต่ำที่สุดเพื่อให้ได้สเปกตรัมที่ประกอบด้วย peak แคบๆ  การวิเคราะห์ปริมาณ (quantitative analysis) ต้องใช้ slit ที่ กว้างขึ้นเพื่อให้ระบบตรวจวัด (detector system) ไม่ต้องใช้ กำลังขยายมากนัก ซึ่งจะให้ reproducibility of response สูง กว่า Monochromators

45 44 Prism  เมื่อแสงผ่านปริซึมจะเกิด การหักเห (refraction) เนื่องจาก ดัชนีหักเห (refractive index) ของปริซึมและอากาศแตกต่างกัน  เนื่องจากดัชนีหักเหขึ้นกับความยาวคลื่น แสงความยาวคลื่น ต่างๆ จึงถูกหักเหได้ไม่เท่ากัน และกระจายออกจากกัน แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าจะถูกหักเหได้มากกว่า

46 45 รูปที่ 12 การเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหเมื่อความยาวคลื่นเปลี่ยนแปลง ดัชนีหักเห,  ความยาวคลื่น, (  m) Prism

47 46 Prism White light red violet normal 2222 i r longer shorter 1111 1111 รูปที่ 13 การกระจายแสงโดยปริซึม แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าจะถูกหักเหได้มากกว่า

48 47 Prism  ปริซึมที่ใช้ในช่วง visible ทำด้วยแก้ว ปริซึมที่ใช้ในช่วง UV ทำด้วย quartz / fused silica (ใช้ในช่วง visible ได้ด้วย)  การกระจายแสงของปริซึมบนระนาบโฟกัสไม่ใช่การกระจายเชิง เส้น (nonlinear dispersion) , nm Quartz prism A B

49 48 GratingsGratings เกรตติงแยกแสงโดยอาศัยหลักการแทรกสอดเสริมและการ แทรกสอดทำลายของรังสี เกรตติงที่ใช้ในช่วง UV / visible มักมี 300 – 2000 ช่อง/mm ที่นิยมใช้ที่สุดคือเกรตติงที่มี 1200 – 1400 ช่อง/mm

50 49 Echellette Grating เป็น reflection grating ชนิดหนึ่งที่นิยมใช้กันมาก ช่องด้าน หนึ่งมีหน้ากว้างและอีกด้านหนึ่งหน้าแคบ (ดังรูปที่...) ซึ่งจะทำให้ การเลี้ยวเบน (diffraction) ของมีประสิทธิภาพสูง การสะท้อน แสง (reflection) จะเกิดขึ้นที่หน้ากว้าง อาจถือว่าแต่ละ board face เป็น point source of radiation ให้ reflected beam 1, 2, 3 ซึ่ง interfere ซึ่งกันและกัน ถ้าจะ ให้เกิด constructive interference path lengths ต้องต่างกัน เป็นจำนวน n เท่าของ wavelength of incident beam GratingsGratings

51 50 Grating Equation n = (CB + BD) CB = d sin i BD = d sin r n = d (sin i + sin r ) รูปที่ 14 (a) Diffraction of radiation from a grating. Grating normal d r 1 3 Diffracted beams at reflected angle r D Monochromatic beams at incident angle i i A B C GratingsGratings

52 51 เมื่อลำแสงขนานของ monochromatic radiation ตกกระทบ เกรตติงที่มุมตกกระทบ i กับเส้นปกติของเกรตติง จะเกิดการ เลี้ยวเบน (diffraction) ของแสงเนื่องจากเกรตติงสะท้อนแสง diffracted beam อาจเกิดการแทรกสอด (interfernce) ซึ่งกัน และกัน การแทรกสอดเสริม (constructive interfernce) จะสูงสุดที่ มุมสะท้อน r ซึ่งสัมพันธ์กับความยาวคลื่น ( ) ดังสมการ n = d(sin i + sin r ) n = อันดับการเลี้ยวเบน (diffraction order) =  1,  2,  3, … d = ระยะระหว่างพื้นผิวที่เกิดการสะท้อน i = มุมตกกระทบ (incident angle) r = มุมสะท้อน (reflected angle) GratingsGratings

53 52 จากสมการ n = d(sin i + sin r ) แสดงว่า มีความยาวคลื่น หลายค่าสำหรับมุมเลี้ยวเบน r แต่ละค่า เช่น ถ้าพบ first-order line (n = 1) ความยาวคลื่น 800 nm ที่มุม r จะพบ second-order (400 nm) และ third-order (267 nm) lines ที่มุมนี้ด้วย GratingsGratings

54 53 รูปที่ 14 (b) Diffraction of radiation from a grating. d Diffracted beams at various reflected angle r st order nd order 3 rd order Incident beam (200 – 800 nm)GratingsGratings

55 54 โดยทั่วไป first-order line จะมีความเข้มสูงสุด เราสามารถ ออกแบบให้เกรตติงให้ first-order line 90% ของ incident power higher-order lines อาจถูกกำจัดโดยใช้ filters เช่น แก้วซึ่ง ดูดกลืนรังสีที่ความยาวคลื่นต่ำกว่า 350 nm ใช้กำจัด higher-order radiation ที่ได้ออกมาพร้อมกับ first-order radiation ในช่วง visible ได้ GratingsGratings

56 55 ข้อดีของ monochromator ที่ใช้ echellette grating เมื่อเทียบ กับ prism monochromator คือการกระจายของรังสีบนระนาบโฟกัส เป็นกระจายเชิงเส้น (linear dispersion) ทำให้การออกแบบ monochromator ทำได้ง่าย GratingsGratings , nm Grating A B

57 56 Concave Gratings concave grating เป็นเกรตติงที่มีพื้นผิวเว้า monochromator ที่ ใช้ concave grating ไม่ต้องมี collimating และ focusing mirrors หรือ lenses เพราะเกรตติงที่มีพื้นผิวเว้าสามารถกระจายและโฟกัส รังสีบน exit slit ได้ monochromator ที่ใช้ concave grating จึงมี ข้อดีคือราคาถูกกว่า นอกจากนี้ การลดจำนวน optical surfaces จะ ทำให้พลังงานของรังสีที่ผ่านออกจาก monochromator สูงขึ้น GratingsGratings

58 57 Halographic Gratings holographic grating เป็นเกรตติงที่ผลิตจาก laser technology โดยใช้เทคนิคเชิงแสง (optical technique) [ไม่ใช่เทคนิคเชิงกล (mechanical technique) ที่ใช้ผลิตเกรตติงทั่วไป] ทำให้เกิดเกรต ติงบนพื้นผิวเรียบหรือพื้นผิวเว้า optical instruments สมัยใหม่ใช้ holographic gratings กันมาก ขึ้น เนื่องจากเกรตติงชนิดนี้มีความสมบูรณ์ของรูปร่างและขนาดของ ช่องมากกว่า ทำให้เกิดการกระเจิงแสง (scattering) หรือเกิดภาพ ซ้อนน้อยลง GratingsGratings

59 58 Sample Container

60 59 Sample Container ภาชนะบรรจุตัวอย่าง ซึ่งเรียกว่า cell หรือ cuvette ต้องทำจาก วัสดุที่โปร่งใส (transparent) ต่อรังสีในช่วงที่สนใจและมี path length ที่เหมาะสม  quartz / fused silica ใช้ในช่วง UV (< 350 nm) และ อาจใช้ในช่วง visible จนถึง 3,000 nm (3  m) ในช่วง IR  silicate glass ใช้ในช่วง 350–2,000 nm เพราะมี ราคาถูก กว่า quartz นอกจากนี้อาจใช้ plastic cell ในช่วง visible  ผลึก sodium chloride ใช้ในช่วง IR

61 60 Cell materialwavelength UV - Visible SiO nm - 4  m soft glass 350 nm  m Pyrex 300 nm  m Vycor 280 nm  m Infrared NaCl (rock salt) 15  m KBr 27  m Irtran mm Crystal quartz4 mm KCl20 mm TlBr - TlCl30 mm ตารางที่ 4 Cell material Sample Container

62 61 รูปที่ 15 Sample cell types. Standard spectrophotometric cell (1-cm pathlength) Micro- sample cell Cylindrical cell (long pathlength) 22.5 mm Test tube-shaped cell Flow cell (for automated sample delivery) Zee-shaped flow cell (for use in HPLC detection) From column Quartz windows UV source Detector To waste

63 62 Sample Container  Cells ที่ดีต้องมี windows ที่ตั้งฉากกับทิศทางของลำแสงเพื่อ ลดการสูญเสียรังสีเนื่องจากการสะท้อน  Cell path length ที่ใช้กันมากที่สุดในช่วง UV และ visible คือ 1 cm นอกจากนี้อาจใช้ 0.1 – 10 cm  Cell รูปทรงกระบอก มีราคาถูก แต่มีข้อเสียคือความหนาของ ผนังเซลล์ที่เป็นผิวโค้งอาจไม่สม่ำเสมอ การใส่ cell ลงใน cell holder จึงต้องใส่ให้อยู่ในตำแหน่งเดียวกันทุกครั้ง (โดย ทำเครื่องหมายบน cell ไว้) เพื่อหลีกเลี่ยงการแปรผันของ path length และ reflection losses ที่ผิวโค้ง

64 63 Sample Container  รอยนิ้วมือ ไข หรือรอยเปื้อนอื่นๆ บนผนังเซลล์จะทำให้ ลักษณะเฉพาะในการส่งผ่านแสงของเซลล์เปลี่ยนไป ดังนั้น จึงต้องล้างเซลล์ให้สะอาดก่อนและหลังใช้ และไม่สัมผัส window ของเซลล์หลังจากล้างสะอาดแล้ว  เซลล์ที่เป็นคู่กัน (matched cell) ต้องไม่ทำให้แห้งโดยการให้ ความร้อนในเตาอบหรือใช้เปลวไฟ เพราะทำให้เซลล์เกิดความ เสียหายและ path length เปลี่ยนแปลง  เซลล์ที่เป็นคู่กัน (matched cell) ต้องเทียบมาตรฐาน (calibrate) ซึ่งกันและกันอย่างสม่ำเสมอโดยใช้ absorbing solution

65 64 Detector and Transducer เพื่อให้ได้ spectroscopic information จะต้องตรวจวัด radiant power ของ transmitted, fluoresced หรือ emitted radiation แล้วเปลี่ยนให้เป็นปริมาณที่สามารถวัดได้ ตัวตรวจวัด (detector) เป็นอุปกรณ์ที่ทำให้ทราบว่ามี ปรากฏการณ์ทางกายภาพ เช่น photographic film (ทำให้ทราบ ว่ามีรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าหรือกัมมันตรังสี) เข็มของเครื่องชั่ง (ทำให้ ทราบว่ามีความแตกต่างของมวล) ตาของคนเป็น detector ชนิดหนึ่งซึ่งเปลี่ยนรังสี visible ไปเป็น สัญญาณทางไฟฟ้า (electrical signal) และผ่านไปยังสมองทาง เซลล์ประสาทในประสาทตาและทำให้มองเห็น

66 65 Detector and Transducer ตัวแปลง (Transducer) เป็น detector ที่เปลี่ยนปริมาณ ต่างๆ เช่น ความเข้มของแสง pH มวล และอุณหภูมิ ไปเป็น สัญญาณทางไฟฟ้า (electrical signals) หลังจากนั้น สามารถขยายสัญญาณ manipulated และเปลี่ยนไปเป็นตัวเลขที่ เป็นสัดส่วนกับขนาดของปริมาณดั้งเดิม ในที่นี้จะกล่าวถึง ตัว แปลงรังสี (radiation transducer)

67 66 Detector and Transducer Ideal Radiation Transducer 1. ตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อ low level of radiant energy ในช่วงความยาวคลื่นกว้าง 2. ให้สัญญาณไฟฟ้า (electrical signal) ที่ขยายได้ง่ายและมี noise level ต่ำ (S/N สูง) 3. สัญญาณไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ radiant power P ของรังสี Ideal Radiation Transducer 1. ตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อ low level of radiant energy ในช่วงความยาวคลื่นกว้าง 2. ให้สัญญาณไฟฟ้า (electrical signal) ที่ขยายได้ง่ายและมี noise level ต่ำ (S/N สูง) 3. สัญญาณไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ radiant power P ของรังสี

68 67 S = KP + K d S = สัญญาณไฟฟ้า (electrical signal) จาก detector ในรูป ของ กระแส ศักย์ไฟฟ้า หรือ ประจุ P = radiant power K = ค่าคงที่ซึ่งแสดง sensitivity ของ detector ในเทอมของ สัญญาณไฟฟ้าต่อหน่วยของ radiant power K d = dark current (กระแสที่เกิดขึ้นจาก detector เมื่อไม่มีรังสี ตกกระทบ) Detector and Transducer

69 68 ตารางที่ 5 Detectors for Spectroscopy Type (nm) (nm) Output Photon Detectors Photon Detectors Phototubes Phototubes 150-1, ,000Current Photomultiplier tubes Photomultiplier tubes 150-1, ,000Current Silicon diodes Silicon diodes 190-1, ,100Current Photoconductive cells Photoconductive cells 750-6, ,000Resistance change Photovoltaic cells Photovoltaic cells Current or voltage Charge-transfer devices Charge-transfer devices Accumulated charge Heat Detectors Heat Detectors Thermocouples Thermocouples , ,000Voltage Bolometers Bolometers , ,000Resistance change Pneumatic cells Pneumatic cells , ,000Gas pressure Pyroelectric cells Pyroelectric cells1,000-20,000Current

70 69 1. Photon (Photoelectric) Detectors มี reactive surface ซึ่งดูดกลืนรังสี ทำให้เกิด  การปล่อยอิเล็กตรอน (photoemission) และให้กระแสไฟฟ้า (photocurrent)  การกระตุ้นอิเล็กตรอนเข้าไปยังแถบการนำ (conduction band) (photoconduction) ทำให้สภาพนำไฟฟ้า (conductivity) เพิ่มขึ้น ใช้สำหรับตรวจวัดรังสี UV, visible และ near-IR Types of Radiation Transducers Types of Radiation Transducers

71 70 2. Heat Detectors ใช้ตรวจวัดรังสี IR โดยวัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของ blackened material ที่อยู่ในทางเดินของลำรังสี Types of Radiation Transducers Types of Radiation Transducers

72 71 Phototubes Photon Detectors รูปที่ 16 A phototube and accessory circuit. Wire anode Photon beam Electrons 90 V dc - + dc amplifier and readout Photoemissive cathode Evacuated glass or quartz envelope Phototube ประกอบด้วย cathode กึ่งทรงกระบอกและ anode อยู่ภายในหลอด สุญญากาศที่ทำด้วยแก้วหรือ ควอตซ์ ผิวด้านเว้าของ cathode มี photoemissive material เช่น โลหะแอล คาไล หรือออกไซด์ของ โลหะแอลคาไล ซึ่งสามารถ คายอิเล็กตรอนเมื่อได้รับรังสี ที่มีพลังงายเพียงพอ

73 72 Phototubes  เมื่อได้รับรังสีที่มีพลังงานเพียงพอ พื้นผิวด้านเว้าของ cathode จะ ปล่อยอิเล็กตรอน ซึ่งเรียกว่า photoelectrons จำนวน photoelectrons ที่เกิดขึ้นต่อหน่วยเวลาเป็นสัดส่วนโดยตรง กับ radiant power ของลำรังสีที่ตกกระทบ cathode  ถ้าให้ความต่างศักย์  90 V แก่ electrode photoelectrons ที่ เกิดขึ้นทั้งหมดจะถูกดึงดูดเข้าสู่ anode ซึ่งมีประจุบวก ทำให้เกิด กระแสไฟฟ้าในวงจร ซึ่งเรียกว่า photocurrent photocurrent ที่เกิดขึ้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ radiant power ของรังสี photocurrent นี้ถูกขยายและวัดได้ง่าย

74 73 (a) Quartz envelope Anode Grill Photoemissive cathode Dynodes (1-9) ~ 10 7 electrons for each photon Radiation, h Photomultiplier Tubes (PMT) รูปที่ 17 Diagram of PMT. (a) Cross section of the tube. (b) Electrical circuit. Numerous electrons for each photon Several electrons for each incident electron (b) + – 900 V dc 90 V Cathode Dynodes To readout Amplifier Quartz envelope Anode +

75 74 Photomultiplier Tubes (PMT)  PMT ประกอบด้วย photocathode และ anode เช่นเดียวกับ phototube แต่มี electrodes อีก 9 อันซึ่งเรียกว่า dynodes จึง sensitive กว่า phototube  เมื่อรังสีตกกระทบ photocathode จะปล่อย photoelectrons  photoeletrons จาก cathode จะถูกเร่ง (accelerate) ไปยัง dynode อันแรกซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวกมากกว่า cathode 90 V  เมื่อแต่ละ accelerated photoelectrons ชนพื้นผิวของ dynode จะทำให้เกิดอิเล็กตรอนจำนวนมาก เรียกว่า secondary electrons

76 75 Photomultiplier Tubes (PMT)  secondary electrons จาก dynode 1 จะถูกเร่งไปยัง dynode 2 ซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวกมากกว่า dynode 1 อยู่ 90 V ทำให้เกิด electrons จำนวนมากขึ้น (electron amplification)  เมื่อเกิดกระบวนการเช่นนี้ซ้ำๆ กันจนถึง dynode 9 แต่ละโฟตอน ที่ตกกระทบจะทำให้เกิดอิเล็กตรอน 10 5 – 10 7 ตัว  จากนั้นอิเล็กตรอนทั้งหมดจะถูกดึงดูดเข้าสู่ anode ซึ่งมี ศักย์ไฟฟ้าเป็นบวกมากกว่า dynode 9 อยู่ 90 V ทำให้เกิด photocurrent ซึ่งจะถูกขยายและวัดต่อไป

77 76 Silicon Photodiodes Crystalline silicon (Si)  เป็น สารกึ่งตัวนำ (semiconductor) หมายถึง สารที่นำไฟฟ้า น้อยกว่าโลหะ แต่มากกว่าฉนวน  Si เป็นธาตุหมู่ที่ 4 มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว ในผลึก Si แต่ละ อะตอมจะใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกับ Si อะตอมอื่น 4 อะตอม เกิดพันธะโคเวเลนต์ 4 พันธะ  ที่อุณหภูมิห้อง จะมีพลังงานความร้อนเพียงพอที่จะทำให้อิเล็ก หลุดจากสภาวะที่เกิดพันธะไปอยู่ในสภาวะอิสระที่เคลื่อนที่ได้ทั่ว ทั้งผลึก

78 77 Silicon Photodiodes  บริเวณที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากไปจะมีประจุบวก เรียกว่า hole อิเล็กตรอนที่เกิดพันธะจากอะตอมข้างเคียงจะเคลื่อนที่เข้าไปใน บริเวณที่มีประจุบวก ทำให้เกิด positive hole ขึ้นใหม่ เมื่อเกิด เช่นนี้ซ้ำๆ กัน positive hole จึงเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงข้ามกับ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน และทำให้ semiconductor นำ ไฟฟ้าได้  การนำไฟฟ้าของ Si จะเพิ่มขึ้นโดย doping ซึ่งเป็นกระบวนการที่ ทำให้ธาตุหมู่ 5 หรือ 3 ปริมาณเล็กน้อยและควบคุมปริมาณ (~1 ppm) กระจายเป็นเนื้อเดียวกันทั่วทั้งผลึก Si

79 78 Silicon Photodiodes ถ้า dope ผลึก Si ด้วยธาตุหมู่ 5 เช่น arsenic (As) เวเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัวของ As จะเกิดพันธะกับ Si อะตอม อื่น และเหลือเวเลนซ์อิเล็กตรอนอีก 1 ตัวเคลื่อนที่ได้อิสระ ทำให้การนำไฟฟ้า เพิ่มขึ้น semiconductor ที่มีอิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งมีประจุลบ (negative charges) เรียกว่า n-type semiconductor n - type silicon SiSiSi AsSiSi SiSiSi Extra electron

80 79 Silicon Photodiodes ถ้า dope ผลึก Si ด้วยธาตุหมู่ 3 เช่น gallium (Ga) ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน เพียง 3 ตัว จึงทำให้เกิด positive hole และทำให้การนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้น semiconductor ที่มี hole ซึ่งมีประจุ บวก (positive charges) เรียกว่า p-type semiconductor p - type silicon Ga SiSiSi SiSi SiSiSi Vacancy or “hole”

81 80 รูปที่ 18 Schematic of a silicon diode pn junction p region n region Metal contact Wire lead + Hole - Electron Silicon Photodiodes Silicon technology ในปัจจุบันทำให้สามารถประดิษฐ์ pn junction หรือ pn diode ซึ่งนำไฟฟ้าในทิศทางหนึ่ง แต่ไม่นำในอีกทิศทางหนึ่ง

82 81 รูปที่ 19 (a) Flow of electricity under forward bias. (b) Formation of depletion layer, which prevents flow of electricity under reverse bias. + p region n region Depletion layer i i e-e- e-e (a) Forward bias (b) Reverse bias Silicon Photodiodes

83 82 Silicon Photodiodes เมื่อต่อ silicon diode แบบ forward-bias (ต่อขั้วบวกของ dc source กับ p region และขั้วลบกับ n region) จะนำไฟฟ้าได้ เนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระใน n region และ positive holes ใน p region จะเคลื่อนที่ไปยัง pn junction แล้วรวมกันและทำลายซึ่ง กันและกัน ขั้วลบของ dc source จะให้อิเล็กตรอนใหม่เข้ามาใน n region ทำให้เกิดการนำไฟฟ้าต่อไปได้ ขั้วบวกจะดึงอิเล็กตรอน จาก p region ทำให้เกิด holes ใหม่ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ไปยัง pn junction ได้

84 83 Silicon Photodiodes เมื่อต่อ silicon diode แบบ reverse bias (ต่อขั้วลบของ dc source กับ p region และขั้วบวกกับ n region) จะไม่นำไฟฟ้า เนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระใน n region และ positive holes ใน p region จะเคลื่อนที่ออกจาก junction ทำให้เกิด depletion layer ซึ่งไม่นำไฟฟ้า (มีการนำไฟฟ้าเพียง หรือ เท่า ของการนำไฟฟ้าภายใต้ forward bias) silicon diode จึงทำหน้าที่เป็น ตัวทำกระแสตรง (current rectifier)

85 84 รูปที่ 20 Construction of a planar-diffused pn junction photodiode. Metal contact Photon SiO 2 Intrinsic region p layer n layer Gold back V Silicon Photodiodes

86 85  Silicon diode ที่ต่อแบบ reverse bias สามารถใช้เป็น photodetector ได้ เนื่องจาก UV/visible photons ที่ตก กระทบ depletion layer บน pn junction จะมีพลังงานเพียง พอที่จะกระตุ้นอิเล็กตรอนจาก valence band ไปยัง conduction band ทำให้เกิด electron-hole pairs เพิ่มขึ้น โดยกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ radiant power ของรังสี  Silicon photodiode sensitive มากกว่า phototube แต่ sensitive น้อยกว่า PMT Silicon Photodiodes

87 86 Diode-Array Detectors SiO 2 window p -type Si Depletion layer (a) (b) mm 2.5 mm p n p n p n p n p n รูปที่ 21 A reversed-biased linear diode array detector : (a) cross section; (b) top view.

88 87 Diode-Array Detectors  เป็น silicon photodiodes จำนวนมากที่ประดิษฐ์บน silicon chip ขนาดเล็กอันเดียวกัน (แต่ละ diode มีความกว้างประมาณ mm)  ถ้าใช้ diode-array detector 1 หรือ 2 อัน วางไว้ตามความยาว ของระนาบโฟกัสของ monochromator จะสามารถวัดการ ดูดกลืนที่ทุกความยาวคลื่นได้พร้อมกัน ทำให้วัดได้อย่างรวดเร็ว  กระแสไฟฟ้าในวงจรภายนอก ภายใต้สภาวะ reverse bias จะ เป็นสัดส่วนโดยตรงกับ radiant power ของรังสีที่ตกกระทบ  ใช้ใน multichannel instruments  คุณภาพต่ำกว่า PMT (ทั้ง sensitivity, dynamic range, S/N)

89 88 Diode-Array Detectors รูปที่ 22 Photodiode arrays of various sizes. The arrays contain 256, 512, 1024, 2048, and 4096 diodes.

90 89 Charge Transfer Device (CTD) Detector  คุณภาพใกล้เคียงกับ PMT และสามารถใช้ใน multichannel instruments ได้ เครื่องมือสมัยใหม่จึงใช้ CTD detector มากขึ้น  เป็น two dimentional detector เนื่องจาก detector elements จะถูกจัดเป็นแถวและคอลัมน์ เช่น detector อันหนึ่ง ประกอบด้วย detector element 244 แถว แต่ละแถว ประกอบด้วย detector element 388 อัน ดังนั้นจึงเป็น two dimentional array ของ 19,672 individual detectors หรือ pixels บน silicon chip อันเดียวที่มีขนาด 6.5 mm x 8.8 mm สามารถใช้บันทึก two-dimentional spectrum ได้

91 90 Charge Transfer Device (CTD) Detector รูปที่ 23 Cross section of one of the pixels of a charge- transfer device detector. -5 V -10 V Conductive Electrodes SiO 2 insulator h Substrate Potential well V n -doped silicon

92 91 Charge Transfer Device (CTD) Detector  pixel หนึ่งของ CTD detector ประกอบด้วย electrode 2 อัน (บาง pixel มี electrode มากกว่า 2 อัน) วางอยู่บน silica (SiO 2 ) layer ซึ่งเป็นฉนวนกั้น electrode จาก n-doped silicon อุปกรณ์นี้เป็น metal oxide semiconductor capacitor ซึ่งเก็บ ประจุที่เกิดจากรังสีตกกระทบ doped silicon  เมื่อให้ประจุลบเข้าไปยัง electrode จะเกิดบริเวณที่มีประจุลบ ภายใต้ electrode เรียกว่า potential well positive holes ที่ เกิดจากการดูดกลืนโฟตอนของ silicon จะเคลื่อนที่และสะสมอยู่ ใน potential well ที่มีศักย์ไฟฟ้าเป็นลบมากกว่า โดยเก็บประจุ ได้มากถึง 10 5 –10 6 ก่อนที่จะ overflow ต่อไปยัง pixel ข้างเคียง

93 92 Charge Transfer Device (CTD) Detector 1.Charge-injection device (CID) detector วัดการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ ของประจุจากบริเวณใต้ electrode หนึ่งไปยังอีก electrode หนึ่ง 2Charge-coupled device (CCD) detector วัดประจุ โดยให้ประจุที่เคลื่อนไปยัง charge sensing amplifier เพื่อทำการวัด การวัดปริมาณของประจุที่เกิดขึ้นเมื่อ CTD detector ได้รับรังสี ทำได้ 2 วิธี คือ

94 93 Signal Processors and Readouts Signal Processors and Readouts Signal Processors เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกที่ Y ขยายสัญญาณไฟฟ้าจาก detector Y เปลี่ยนสัญญาณจาก dc  ac Y เปลี่ยนเฟส (phase) ของสัญญาณ Y กรองสัญญาณเพื่อกำจัดส่วนที่ไม่ต้องการ Y ดำเนินการทางคณิตศาสตร์ต่อสัญญาณ เช่น หาปริพันธ์ (integrate) หาอนุพันธ์ (differentiate) เปลี่ยนเป็น ลอการิทึม ฯลฯ

95 94 Signal Processors and Readouts Signal Processors and Readouts Readout devices readout devices ที่ใช้ในเครื่องมือสมัยใหม่มีมากมาย เช่น Y digital meters Y scale of potentiometers Y recorders Y cathode-ray tubes Y monitors of microcomputers

96 95 Ultraviolet-Visible Photometers and Spectrophotometers เครื่องมือสำหรับวัดการดูดกลืนรังสีที่ได้จากการนำส่วนต่างๆ (ดังรูปที่ 1) มาประกอบกัน มีชื่อเรียกได้หลายชื่อ ได้แก่  โฟโตมิเตอร์ (Photometers) คือ spectroscopic instrument ที่ใช้ filter สำหรับเลือกความ ยาวคลื่น ร่วมกับ transducer เพื่อเปลี่ยน radiant powers ให้ เป็น electrical signals photometer มีข้อดีคือเป็นเครื่องมือง่ายๆ ทนทาน และราคาถูก

97 96 Ultraviolet-Visible Photometers and Spectrophotometers  สเปกโทรมิเตอร์ (Spectrometer) คือ spectroscopic instrument ที่ใช้ monochromator หรือ polychromator ร่วมกับ transducer  สเปกโทรโฟโตมิเตอร์ (Spectrophotometer) คือ spectrometer ที่สามารถวัดอัตราส่วนของ radiant power ของลำแสง 2 ลำแสง เพื่อวัด absorbance (A = log P 0 /P  log P solvent /P solution ) spectrophotometer มีข้อดีคือ สามารถเปลี่ยนความยาวคลื่น ได้อย่างต่อเนื่อง ทำให้สามารถบันทึก absorption spectra ได้

98 97 Ultraviolet-Visible Photometers and Spectrophotometers ทั้ง Photometers และ spectrophotometers อาจแบ่งเป็น เครื่องมือชนิดลำแสงเดี่ยว (single-beam instruments) และ เครื่องมือชนิดลำแสงคู่ (double-beam instrument)

99 98 Single-Beam Instruments รังสีจาก filter หรือ monochromator ผ่าน reference cell หรือ sample cell แล้วตกกระทบ photodetector รูปที่ 24 Instrument designs for UV/Visible photometers or spectrophotometers: (a) Single-Beam Instrument. Filter or Monochromator Amplifier Reference cell Sample cell Shutter Photo- detector PoPo P Readout Source h

100 99 Single-Beam Instruments การวัด %T ด้วย single-beam instrument มี 3 ขั้นคือ 1. 0% T calibration or adjustment ปิด shutter เพื่อไม่ให้รังสีจาก radiation source ตกกระทบ photodetector แล้วปรับมิเตอร์จนอ่านได้ 0% T % T calibration or adjustment วาง cell ที่บรรจุ blank (ส่วนใหญ่ใช้ solvent) ลงใน cell holder เปิด shutter และปรับความเข้มของแสงหรือกำลังขยายของ สัญญาณจนกระทั่งมิเตอร์อ่านได้ 100% T 3. Determination of %T of analyte วาง cell ที่บรรจุ sample ลงใน cell holder อ่าน %T หรือ A

101 100 Single-Beam Instruments การวัด transmittance จะมีสภาพทำซ้ำได้ (reproducibility) สูง ถ้า radiant power ของ source คงที่ในขณะที่ปรับ 100% T และ อ่าน %T ของ analyte โดยทั่วไปจึงควบคุมค่าแรงดันไฟฟ้าของ voltage supply ให้คงที่ single-beam instrument เป็นเครื่องมือพื้นฐาน ราคาถูก และ บำรุงรักษาง่าย เหมาะสำหรับการวัดการดูดกลืนเชิงปริมาณที่ความ ยาวคลื่นเดียว

102 101 Single-Beam Spectrophotometers รูปที่ 25 Spectronic 20 spectrophotometer. Measuring phototube Filter Sample Objective lens Tungsten lamp Field lens Occluder Exit slit Light control device Wavelength cam Grating Entrance slit %T scale %T scale Absorbance scale Absorbance scale Cellcompartment Wavelengthselection 0% T adjustment 100% T adjustment

103 102 Single-Beam Instruments Spectronic 20  เป็น single-beam spectrophotometer อย่างง่ายและราคาไม่ แพง ออกแบบสำหรับใช้ในช่วง visible มีจำหน่ายตั้งแต่ ค.ศ และใช้กันอย่างกว้างขวางจนถึงปัจจุบัน  เครื่องมือนี้มี occluder ซึ่งจะเลื่อนลงมากั้นแสงไม่ให้ตกกระทบ detector เมื่อนำเซลล์รูปทรงกระบอกออกจาก cell holder (ป้องกัน detector เสื่อม และใช้สำหรับ 0% T calibration or adjustment)  light-control device เป็นช่องรูปตัว V ซึ่งเคลื่อนเข้าและออกจาก ลำแสงเพื่อความคุมปริมาณแสงที่จะมาตกกระทบ exit slit

104 103 Specification of Spectronic 20 spectral range nm Spectral band-pass 20 nm wavelength accuracy  2.5 nm Photometric accuracy  2% T Single-Beam Instruments

105 104 Double-Beam Instruments รูปที่ 26 Instrument designs for photometers and spectrophotometers: (b) double-beam-in-space instrument. Source h Filter or Monochromato Shutter Reference cell Sample cell Photodetector 1 Photodetector 2 Difference Amplifier PoPo P Readout Mirror Beam splitter

106 105 Double-Beam Instruments Double-beam-in-space instrument จะมีกระจกรูปตัว V ทำ หน้าที่เป็น beam splitter แยกรังสีเป็น 2 ลำ ลำแสงหนึ่งผ่าน reference cell ไปยัง photodetector ในขณะเดียวกัน อีกลำแสง หนึ่งจะผ่าน sample cell ไปยัง matched photodetector outputs ทั้งสองจะถูกขยาย หาอัตราส่วนหรือลอการิทึมของ อัตราส่วน และแสดงผล

107 106 Double-Beam Instruments รูปที่ 26 Instrument designs for photometers and spectrophotometers: (c) double-beam-in-time instrument. Source h Filter or monochromator Reference cell Sample cell Photo- detector Amplifier PoPo P Sector mirror Grid mirror Motor Mirror Null detector Optical wedge Mirror Front view Transparent

108 107 Double-Beam Instruments Double-beam-in-time instrument จะมี sector mirror ที่หมุน ได้ ทำให้รังสีแยกเป็น 2 ลำตามเวลา (เป็น milliseconds) โดย ในช่วงเวลาหนึ่ง ลำแสงจะผ่าน reference cell ไปยัง photodetector และอีกช่วงเวลาหนึ่งลำแสงจะผ่าน sample cell ไปยัง photodetector ตัวเดียวกัน จากนั้นลำแสงทั้งสองจะรวมกัน โดย grid mirror ซึ่งยอมให้ลำแสงจาก reference cell ผ่านได้ และสะท้อนลำแสงจาก sample cell นิยมใช้ double-beam-in-time instrument มากกว่า double- beam-in-space instrument เนื่องจากการผลิต matched detectors ทำได้ยาก

109 108  หักล้างการเปลี่ยนแปลง radiant output ของ source การ เปลี่ยนแปลงของ detector และ amplifier  หักล้างการเปลี่ยนแปลง radiant output ของ source เมื่อ ความยาวคลื่นเปลี่ยนแปลง  เหมาะสำหรับการบันทึก absorption spectra อย่างต่อเนื่อง Double-Beam Instruments ข้อดีของ double-beam instruments

110 109  การ scan spectrum ต้องใช้เวลาหลายนาที ซึ่งอาจทำให้สารที่ ต้องการวิเคราะห์สลายตัว หรือตัวทำละลายที่ระเหยง่ายระเหยไป  multichannel instruments ใช้ scan spectrum ได้โดยใช้เวลา น้อยกว่า 1 วินาที  Photodiode arrays และ charge transfer devices สามารถวัด รังสีในช่วงความยาวคลื่นหนึ่งได้พร้อมๆ กัน จึงใช้ใน multichannel instruments สำหรับ UV/visible absorption  Resolution ของ multichannel instruments จะต่ำกว่า (resolution of 1 nm is possible) Multichannel Instruments

111 110 Multichannel Instruments รูปที่ 27 Diagram of a multichannel spectrophotometer based on a grating and photodiode detector.

112 111 multichannel instrument มักเป็น single-beam design โดย มีตัวกระจายแสง (dispersion device) เช่น เกรตติง อยู่ต่อจาก sample / reference cell และ photodiode array หรือ charge transfer devices อยู่บนระนามโฟกัส Resolution ของ multichannel instruments จะต่ำกว่า เครื่องมือปกติ Multichannel Instruments

113 112

114 113


ดาวน์โหลด ppt 1 ผศ. สุชาดา จูอนุวัฒนกุล ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.

งานนำเสนอที่คล้ายกัน


Ads by Google