سل کوارتز

انواع کووت یا سل در طیف سنجی نوری

مطالعات میزان جذب نور مواد در اسپکتروفوتومترهای جذبی، پایه­ بررسی مشخصات ذرات و محلول ­های متعدد است و برای اینکه این اتفاق بیفتد، نور (امواج الکترومغناطیسی) باید از محلول نمونه مورد بررسی داخل کووت عبور داده شود.

کووت یا سل چیست؟

در آزمایشگاه ها، به لوله ها یا قالب­ های استانداردی که محلول در آن ریخته می­ شود، کووت یا سل می­ گویند و انتخاب آن یک پارامتر مهم در اندازه ­گیری جذب نور در آزمایشگاه های اسپکتروفتومتری جذبی است.

انتخاب یک کووت مناسب برای اندازه ­گیری جذب و عبور، نیاز به نهایت دقت دارد و کیفیت آن نباید به خطر بیفتد، زیرا در غیر این صورت نتایج آزمایشی (مستقیم و یا غیر مستقیم) تحت تأثیر قرار خواهند گرفت و دقیق نخواهند بود.

کووت­ ها، لوله­ های آزمایش با سطح مقطع­ های مختلف (معمولاً مربع، مستطیل یا گرد) هستند که از آنها برای نگهداری نمونه­ های محلول جهت اندازه ­گیری­ های طیفی استفاده می ­شود و یک انتهای آنها کاملاً بسته است.

از بین انواع مختلف این قطعات، موارد دارای سطح مقطع مربع، کاربرد های گسترده ­تری دارند زیرا هنگام عبور نور، مقدار کمتری از آن، از بین می ­رود.

در واکنش­ های شیمیایی معمول، لوله­ های آزمایش معمولی مفید و کافی هستند، اما برای اندازه­ گیری میزان عبور یا جذب تابش در طول موج ­های خاص در اسپکتروفوتومترهای جذبی از کووت­ استفاده می­ شود که در جایگاه ­های مخصوص تعبیه شده بر روی دستگاه ­ها قرار می­ گیرند.

از آنجایی که در هنگام اسپکتروفوتومتری، محلول باید در مسیر نور قرار گیرد، درجه وضوح بالا و شکل­ های خاص سل ها این امکان را فراهم می کنند که پرتو نور از ماده نمونه عبور کند.

اغلب، این لوله ها تا 80 درصد حجمشان پر می­ شوند، اما حجم پر شدن برای انواع مختلف متفاوت است و نمونه مستقیماً با استفاده از میکروپیپت به داخل آنها تزریق می­ شود و آماده استفاده است.

شکل 1- انواع کووت اسپکتروفتومتری در ابعاد و جنس های مختلف

نام های دیگر

کووت­ های آزمایشگاهی با نام ­های مختلفی شناخته می ­شوند که از جمله پرکاربردترین آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• سلول (سِل)
• سلول کووت
• کووت نمونه
• سلول کوارتز
• کووت اسپکتروفتومتر
• سلول جذبی

ساختمان فیزیکی کووت ها چگونه است؟

سل های اسپکتروفتومتری معمولاً از دو یا چهار طرف صیقل داده می ­شوند و سمت صیقلی است که اجازه عبور حداکثری به نور را می ­دهد.

از آنجایی که در  اسپکتروفوتومترهای جذبی، نور به صورت خطی از نمونه عبور می­ کند، صیقلی بودن تنها دو وجه مقابل یکدیگر کفایت می کند.

در مقابل، برای آزمایش‌ های فلورسانس و پراکندگی که سیگنال در زاویه ­ای 90 درجه ­ای نسبت به نور فرودی دریافت می‌شود، هر چهار طرف باید صیقل داده شوند.

میزان جذب نور، مستقیماً با طول مسیر نوری متناسب است و مسافت طی شده توسط پرتو نور از نمونه به عنوان طول مسیر شناخته می­ شود و یا به عبارت دیگر، طول بین دیواره ­های داخلی که نور از آن عبور می­ کند، به عنوان مسیر نوری در نظر گرفته می­ شود.

در حقیقت، فاصله داخلی بین پنجره­ های جلو و عقب مسیر نوری یا طول مسیر خواهد بود و به گونه­ ای انتخاب می­ شود که اطمینان حاصل شود که با خوانش جذب، از دامنه­ دینامیکی آشکارساز تجاوز نکند.

ابعاد استاندارد

ابعاد یک کووت معمولی استاندارد mm 5/12*5/12 است و طول مسیر آن mm 10 است. با این حال، سل هایی با مسیر نوری کوتاه ­تر یا طولانی­ تر نیز موجود هستند و به طور کلی ارتفاع مسیرهای نوری mm 5/8 یا mm 15 است.

شکل 2- ابعاد یک کووت mm 10

شکل 3- طول مسیر یک کووت نوعی mm 10 از نمای بالا

 با توجه به طول مسیر و ارتفاع، حجم نمونه می­ تواند در محدوده­ میکرولیتر تا میلی­ لیتر متغیر باشد و حداکثر مقدار نمونه ­ای که می­ تواند یک کووت با خیال راحت حمل کند، حجم آن نامیده می­ شود.

حجم استاندارد با طول مسیر mm10، برابر با mL 5/3 است.  فرمولی که معمولاً برای محاسبه حجم مورد استفاده قرار می­ گیرد، به شرح زیر است:

%80 ارتفاع داخلی × عرض داخلی × طول مسیر نوری = حجم کووت

برای مثال، برای یک کووت اسپکتروفتومتر استاندارد mm 10 فرمول بالا به صورت زیر خواهد شد:

10 (Path Length) × 10 (Inner Width) × 43.75 (Inner Height) × 80% = 3.5 mL

مقدار 80% برای این منظور است که یک سل هرگز نباید بیش از 80% پر شود زیرا اگر نمونه­ ها خیلی نزدیک به انتهای بالایی آن باشند، ممکن است سرریز شوند و موقعیت خطرناکی ایجاد شود (به ویژه در مورد نمونه­ های اسیدی).

آیا باید کووت را تا 80 درصد پر کرد؟

پاسخ به این پرسش به نوع کووت که استفاده می­ شود و ابعاد Z دستگاه بستگی دارد که یکی از مهم ترین مشخصات آنها است.

معمولاً هر دستگاه اسپکتروفوتومتر یا فلورومتر، دارای ارتفاع پرتوهای مختلف بر اساس تصمیمات مهندسی خاص می باشد.

بُعد Z، فاصله از کف تا مرکز عبور پرتو نور است. به عبارت ساده‌تر، Z، فاصله از پایین یک کووت تا مرکز پنجره­ نمونه است و در حقیقت، این مقدار مربوط به ارتفاع پرتو نور تولید شده توسط دستگاه است.

به طور معمول، ابعاد Z یا ارتفاع مرکز پنجره که رایج هستند، یکی از این سه موارد است: mm 5/8، mm 15 و mm  20. بسیار مهم است که مطمئن شوید که کووت با ابعاد Z مناسب سفارش می ­دهید.

شکل4- ابعاد رایج Z 

جنس کووت های اسپکتروفتومتری

سل های مورد استفاده در اسپکتروفوتومتری، برای پشتیبانی از محدوده­ های طول موجی مختلف و نیازهای طول مسیر در انواع مختلفی از مواد شفاف تولید می­ شوند. جنس­ های محبوب، موارد زیر می ­باشند:

• پلاستیک
• شیشه پیرکس یا شیشه­ اپتیکی
• کوارتز IR
• کوارتز UV
• یاقوت کبود

کووت نوع پلاستیکی

این نوع کووت ها، اغلب در سنجش‌ های سریع طیف‌ سنجی نوری استفاده می‌شوند، جایی که سرعت بالا مهم‌تر از دقت بالا است. در حقیقت، این نوع سل ها را می­ توان در آزمایشگاه­ هایی استفاده کرد که نور پرتو آنقدر زیاد نیست.

محدوده­ طول موج قابل استفاده­ این نوع، nm 380-780 (طیف مرئی) را پوشش می ­دهند و بسیاری از آنها یکبار مصرف هستند تا از آلودگی ناشی از استفاده مجدد جلوگیری شود.

ساخت و خرید آنها ارزان است و اغلب از مواد پلی متیل متاکریلات (PMMA) و پلی استایرن (PS) برای ساختن آنها استفاده می ­شود.

شکل5- نمونه ای از سل های پلاستیکی

کووت نوع شیشه ­ای

این نوع سل، از پلی استایرن (PS)، پلی متیل متاکریلات (PMMA) و شیشه ساخته می ­شوند. این مواد برای استفاده در محدوده­ تشعشع مرئی خوب هستند و دارای محدوده­ انتقال متوسطی از nm 340 تا nm 2500 هستند.

لازم به ذکر است که بیشتر آزمایش ­ها در این محدوده قرار می­ گیرند. بنابراین، اگر پول کمی برای خرید کووت اختصاص داده شده است، بهتر است به سراغ خرید انواع شیشه ­ای نوری بروید.

شکل6- نمونه ای از یک سل شیشه ای

کووت نوع کوارتز

این نوع، به طور اختصاصی برای اندازه‌گیری در محدوده­ طول موجی فرابنفش قابل استفاده هستند، زیرا شیشه و بیشتر پلاستیک‌ ها نور فرابنفش را جذب می‌ کنند و بنابراین در نتایج نهایی تداخل ایجاد می‌ کنند.

کوارتز قابلیت انتقال نور بیشتر و شفافیت بیشتری دارد و بنابراین، برای آزمایش­ های حساس از آن استفاده می­ شود. البته، امروزه انوع پلاستیکی یکبار مصرف خاصی نیز وجود دارد که در برابر اشعه­ فرابنفش شفاف هستند.

سلول­ های کوارتز، دوام بیشتری نسبت به پلاستیک یا شیشه دارند. گران­ تر از نوع شیشه ­ای معمولی هستند، اما محدوده­ طول موجی گسترده ­ای از nm 190-2500 را پوشش می­ دهند که در محدوده­ طیف­ سنجی UV قرار دارد. بنابراین، برای اندازه­ گیری طیف UV، به طور اجباری مورد نیاز است.

علاوه بر این ویژگی ­ها، کوارتز دارای بالاترین مقاومت حرارتی در بین موارد دیگر است و در هنگام انتخاب کووت نیز توجه به آن ضروری است.

شکل7- نمونه ای از کووت کوراتز

کووت نوع کوارتز IR

نوع کوارتز IR یکی از انتخاب­ های مفید برای استفاده در اسپکتروفتومترهای UV-Vis-IR هستند. محدوده قابل ارائه، بازه طیفی nm 220-3500 می باشد که علاوه بر ناحیه­ IR، برخی از مناطق UV را نیز می ­تواند تحت پوشش قرار دهد.

شکل8- نمونه کووت IR

کووت نوع یاقوت کبود

یاقوت کبود بسیار سخت است و خراشیدن آن را سخت می­ کند. در واقع، این نوع سل در برابر آسیب­ های ناشی از برق، گرما و خوردگی شیمیایی بسیار مقاوم است.

محدوده­ طول موجی بسیار گسترده ­ای از nm 250-5000 را پوشش می ­دهد و از آنجایی که محدوده نوری گسترده ­تر و کیفیت مواد بالاتر است، یکی از گران ترین مواد است.

شکل9- مقایسه طیفی یاقوت کبود، شیشه و کوارتز

جدول 1، محدوده­ طول موجی انواع مختلف کووت را به طور خلاصه نشان می ­دهد.

جدول 1- محدوده­ طول موجی برخی از کووتها

شکل زیر، طیف ­های عبور به دست آمده برای انواع مختلف کووت نمونه را نشان می دهد. مشاهده می شود که هیچ جذبی در محدوده طول موجی ارائه شده در جدول بالا وجود ندارد.

شکل10- طیف عبوری کووت هایی از  جنس مختلف

نکات ویژه در هنگام استفاده از سل های اسپکتروفوتومتری

برای اندازه ­گیری جذب در اسپکتروفوتومتر، انتخاب کووت مناسب یک امر ضروری است زیرا همانطور که در بالا توضیح داده شد، هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند و بسته به کاربرد انتخاب می­ شوند.

• هر سل، دارای یک مقدار محدوده­ جذبی است. زیر این مقدار، خود حلال نور را جذب می­ کند. در آزمایش‌ هایی که به خلوص بالا است، کووت‌ های پلاستیکی یکبار مصرف ترجیح داده می‌ شوند زیرا خطر آلودگی را به حداقل می‌ رسانند.
• برای محلول­ های آبی، می ­توان از هر نوع جنسی استفاده کرد. اما برای استفاده از حلال‌های آلی، انواع شیشه‌ ای انتخاب بهتری است زیرا در مقایسه با جنس پلاستیکی، مقاومت بالاتری در برابر حلال‌ ها نشان می‌ دهند.
• انواع پلاستیکی را می توان تنها چند بار مورد استفاده مجدد قرار داد، اما مقرون به صرفه است.
• از آنجایی که شیشه و کوارتز موادی هستند که مجدد قابل استفاده ­اند، می­ توان آنها را شستشو داد و به خوبی نگهداری کرد تا بتوان برای مدت طولانی­ تری از آنها استفاده کرد.
• انواع شیشه ­ای و به ویژه کوارتز، شکننده و گران هستند، از این رو باید از آنها به درستی استفاده کرد.
• نمونه ­ها نباید برای مدت طولانی­ تر از حد مجاز درون کووت باقی بمانند و باید بلافاصله پس از استفاده شسته شوند.
• کووت ها نباید خراشیده شوند و در قفسه­ های سیمی نگهداری شوند. علاوه بر این، نباید آنها را با مواد ساینده یا بورِس تمیز کرد.
• وجود خراش در طرفین سلها، باعث پراکنده شدن نور عبوری گردیده و باعث خطا در خوانش نهایی می ­شود. به همین دلیل، معمولاً یک محافظ لاستیکی یا پلاستیکی، کووت را از برخورد تصادفی و خراشیدگی بدنه محافظت می­ کند.
• نوع حلال و دما نیز می‌ توانند بر روی اندازه‌گیری‌ ها تأثیر بگذارند.
• سل هایی که در آزمایش‌های دوگانگی استفاده می‌شوند، هرگز نباید تحت فشار مکانیکی قرار گیرند، زیرا تنش باعث ایجاد شکست در کوارتز می‌شود و بر اندازه‌گیری‌ها تأثیر می‌گذارد.
• اثر انگشت و قطرات آب نیز در طول اندازه‌گیری اشعه‌های نور را پراکنده می ­کنند، بنابراین می‌توان پیش از استفاده، از گاز یا پارچه­ های کم‌پرز برای پاک کردن سطح بیرونی آن استفاده کرد. حوله کاغذی یا موارد مشابه ممکن است سل را خراش داده یا پرز بر جای بگذارند.
• معمولاً برای شستشو، از مواد شوینده­ ملایم یا اتانول استفاده شده و سپس با آب معمولی یا دیونیزه شسته می ­شوند.
• اغلب محلول نمونه با استفاده از پیپت حاوی هوا به داخل سل منتقل می­ شود که ممکن است حباب­ هایی در داخل آن ایجاد شود که خلوص محلول را کاهش داده و پرتوهای نور را پراکنده می­ کنند و برای از بین بردن حباب­ ها از روش انگشت پوشیده استفاده می ­شود.
• حجم محلول موجود نیز باید به اندازه ­ای باشد که کاملاً در مسیر منبع نوری قرار بگیرد.