بسم الله الرحمن الرحيم
طیف سنجی جذبی به کمک پرتو فروسرخ(IRS)
ترکیب های شیمیایی دارای پیوند کوالانت ، بسامد های گوناگونی از امواج الکترومغناطیس را در منطقه ی فروسرخ جذب می کنند. در طیف الکترومغناطیس ، ناحیه ی بین 8/0 تا 400 میکرومتر به طیف فروسرخ تعلق دارد ولی ناحیه ای که برای شناسایی مواد استفاده می شود ، بین 8/0 تا 50 میکرومتر است. ناحیه ی بالاتر از 50 میکرومتر ، ناحیه ی فروسرخ دور و ناحیه ی بین 8/0 تا 5/2 میکرومتر را ناحیه ی فروسرخ نزدیک می نامند. ناحیه ی بین 8 تا 4/15 میکرومتر به ناحیه ی اثر انگشت معروف است. به این معنی که هر جسم در این ناحیه ، یک طیف ویژه دارد. جذب مولکولی در ناحیه ی فروسرخ نزدیک ، به دلیل انتقال الکترونی مولکول ها و جذب در ناحیه ی فروسرخ دور ، ناشی از تغییرات پدید آمده در انرژی چرخشی مولکول هاست. جذب در ناحیه ی 5/2 تا 50 میکرومتر ، بیشتر در نتیجه ی انتقال مولکول ها یه سطوح انرژی ارتعاشی است. برخی اوقات از واحد عدد موجی در ناحیه فروسرخ طیف الکترمغناطیس استفاده می کنند. عدد موجی عکس طول موج است و برحسب بر سانتی متر ، بیان می شود. در صورتی که سرعت نور در عدد موجی ضرب شود ، بسامد پرتو بدست می آید. برتری این واحد آن است که با انرژی رابطه ی مستقیم دارد. همانند انواع دیگر فرآیندهای جذب انرژی ، وقتی که مولکول های یک جسم پرتوهای فروسرخ را جذب می کنند ، به حالت انرژی بالاتری برانگیخته می شوند. جذب پرتو یک فرآیند کوانتایی است و جذب امواج فروسرخ نیز از این پدیده پیروی می کند. بدین معنی که فقط بسامد های (انرژی های)ویژه ای از پرتو فروسرخ توسط مولکول های ماده جذب می شوند. انرژی یک مولکول دو یا چنداتمی ، مجموع چهار انرژی الکترونی ، ارتعاشی ، چرخشی و انتقالی ، است. طیف سنجی جذبی به کمک پرتو فروسرخ(IRS)
باید به این نکته اشاره کرد که اگر انرژی فوتون ، برابر با تفاوت دو سطح انرژی ویژه در مولکول باشد ، جذب مولکول می شود. بدین معنی که هر مولکول ، مقدار مشخصی از انرژی طیف الکترومغناطیس (با طول موج مشخص) را جذب خواهد نمود. انرژی انتقالی به دلیل حرکت مولکول ها در جهت های x , y , z پدید می آید و برای چنین انتقالی ، انرژی اندکی لازم است. دلیل پیدایش انرژی چرخشی ، چرخش مولکول به دور یکی از محورهای x , y , z است و تفاوت بین دو سطح پیوسته در این نوع انرژی ، در گستره ی امواج میکرو است. البته بخشی از انرژی امواج فررسرخ نیز سبب چنین چرخشی می شوند. انرژی موجود در طیف فروسرخ می تواند سبب چند نوع ارتعاش بشود که می توان به ارتعاش های خمشی و کششی اشاره کرد. در ارتعاش کششی ، فاصله ی بین دو اتم در امتداد یک خط مستقیم ، به یکدیگر نزدیک و یا از هم دور می شود و در حالت خمشی ، زاویه ی بین پیوند اتمی تغییر می کند(شکل زیر)
به عنوان مثال هر جذبی که در ناحیه ی 1/cm 3000 باشد پیوند اتمی کربن و هیدروژن(C-H) را نشان می دهد. طیف جذبی فروسرخ در ناحیه ی 1/cm 1700 مربوط به پیوند دوگانه ی کربن و اکسیژن است. به طور معمول ارتعاش های کششی نامتقارن دارای بسامد های بالاتری نسبت به ارتعاش های کششی متقارن هستند. همچنین ارتعاش های کششی ، بسامد های بالاتری (طول موج های کوچکتر و اعداد موجی بزرگتری) را نسبت به ارتعاش های خمشی دارند. هر مولکولی که شامل 3 اتم یا بیشتر باشد ، در صورتی که حداقل دو اتم آن یکسان باشد ، حرکت کششی یا خمشی را به صورت متقارن ، و نامتقارن از خود نشان می دهد. برای مثال گروه نیترو(N=O) ، دو جذب کششی قوی دارد که به صورت کششی متقارن در 1/cm 1350 و کششی نامتقارن در 1/cm 1550 واقع است. همچنین گروه N-H جذب کششی متقارن خود را در ناحیه ی 1/cm 3300 و کششی نامتقارن را در 1/cm 3400 نشان می دهد. اگر دو بسامد ارتعاشی در یک مولكول با هم جمع شوند و ارتعاش ديگري با بسامد جديد در مولكول پديد آيد و اين ارتعاش در ناحيه فروسرخ از خود جذب نشان دهد به آن جذب تركيبي گويند البته بايد اشاره كرد كه همه جذب‌هاي تركيبي ممكن رخ نمي‌دهند. جذب اختلافي نيز در طيف فروسرخ وجود دارد كه ناشي از تفاضل بسامد دو ارتعاش است. نكته قابل توجه ديگر در جذب بسامدهاي ارتعاشي آن است كه پيوندهاي سه گانه قويتر از پيوندهاي دوگانه و پيوندهاي دوگانه قويتر از پيوندهاي ساده بوده و طبيعي است كه داراي بسامد ارتعاشي بالاتري نيز باشند. همچنين در يك مولكول دو اتمي با فرض ثابت نگه داشتن يك اتم و كاهش جرم اتمي اتم ديگر بسامد ارتعاشي افزايش مي‌يابد به عنوان مثال عدد موجي پيوند كربن و يد در حدود cm-1500 مشاهده مي‌شود در حالي كه براي پيوند اتمي كربن- بور، كربن- كلر، كربن- اكسيژن، كربن- كربن و كربن- هيدروژن به ترتيب در اعداد موجي 550، 800، 1100، 1700 و cm-13000 ديده شده است. همچنين انجام حركت خمشي آسانتر از حركت كششي است و در اعداد موجي كمتر ديده مي‌شود. نوع هيبريد نيز بر پديده جذب طيف فروسرخ اثرگذار است. از آنجا كه قدرت پيوند در هيبريد شدن SP به صورت SP>SP2>SP3 است. بنابراين بسامد ارتعاشي آنان نيز از همين رابطه پيروي می‌‍کند. خروجي طيف سنجي فروسرخ، مي‌تواند يك چاپگر باشد. طيف به دست آمده داراي دو محور است محور عمودي ميزان جذب (يا عبور) و محور افقي اعداد موجي مربوط به جذب (يا عبور) را نمايش مي‌دهد. به عنوان مثال در شكل زیر طيف فروسرخ یک ترکیب آلی ديده مي‌شود.
شكل زیر يك دستگاه طيف سنج فروسرخ را نشان مي‌دهد.
در دستگاه‌هاي طيف سنجي فروسرخ، از چند نوع آشكارساز استفاده مي‌كنند. در تمام اين آشكارسازها تغييراتي كه در اثر برخورد پرتو فروسرخ با آشكارساز پديد مي‌آيد ثبت و مشاهده مي‌گردد. يكي از اين آشكارسازها به بولدمتر معروف است كه از يك مقامت الكتريكي حساس به تغيير ولتاژ تشكيل شده است. در اين آشكارسازها دو صفحه نازك از جنس فلزات گرانبها وجود دارد كه يكي از آنها به عنوان شاهد به كار مي‌رود. در اثر برخورد پرتو فروسرخ، صفحه‌هاي فلزي از وضعيت تعادلي خارج مي‌شوند و تغيير الكتريكي پديد مي‌آيد. نشانه به دست آمده در آشكارساز، تقويت شده و در پايان به ثبت كننده مي‌رسد.
نوع ديگر آشكارساز ترموكوپل است در اين آشكارساز، گرماي پديد آمده به دليل برخورد پرتو فروسرخ با محل تماس دو فلز يك ترموكوپل را مي‌سازد و جريان الكتريكي پديد مي‌آيد كه آن هم بايد به روش مناسبي تقويت و سپس ثبت شود. آشكاركننده نسبت شدت، بين پرتو عبور كرده از نمونه مجهول و پرتو شاهد را تشخيص مي‌دهد و اين اختلاف به ثبت كننده كه ممكن است يك چاپگر باشد مي‌رسد. طيفي كه روي كاغذ رسم مي‌شود به صورت بسامد يا طول موج يا عدد موجي نسبت به شدت عبوري (يا جذبي) است در برخي از نواحي طيف فروسرخ درصد عبور حدود صد خواهد بود كه به اين معني است كه نمونه مجهول در آن بخش از بسامد پرتو فروسرخ شفاف است و جذب صورت نگرفته است بيشينه جذب يعني كمينه عبور به صورت يك پيك ديده مي‌شود. پس از دريافت طيف فروسرخ براي تجزيه و تحليل طيف به دست آمده بايد تمام تلاش خود را براي تشخيص و يا اثبات عدم وجود گروه‌هاي عامل به كار بست. به طور معمول گروه‌هاي C=O ، O-H ، N-H ، C-O ، C=C ، C ≡C ، N≡C ، N-O برجسته‌ترين پيك‌ها را نشان مي‌دهند.نمونه مجهول در طيف سنجي فروسرخ مي‌تواند به صورت جامد، مايع ويا گاز شناسايي شود.نمونه جامد بايد به صورت لايه نازكي درآيد بنابراين بايد آن را در هاون ساييد و مقدار ناچيزي از آن را در يك سلول NaCl یا KBr قرار داد و سپس طيف آن را رسم كرد. نمونه‌هاي مايع و گاز را توسط سرنگ به درون سلول‌هاي شيشه‌اي از جنس پيركس، تزريق و شناسايي مي‌كنند.
نمونه مجهول بايد خشك باشد زيرا آب در اعداد موجي حدود 3700 و cm-1 1630 جذب شديد دارد. اگر نمونه مرطوب باشد در اين نواحي احتمال آنكه طيف جذبي نمونه مجهول در زير طيف جذبي آب پنهان و سبب گمراهي شناسايي شود، وجود دارد. بهتر آن است كه سايش نمونه با KBr در زير چراغ فروسرخ انجام شود تا رطوبت موجود در هوا جذب نمونه نشود. از تركيب KBr استفاده مي‌كنند زيرا اين ماده در عدد موجي 15-5/2 ميكرومتر طيف جذبي ندارد و امكان به دست آمدن طيف جذبي كامل از نمونه مجهول را ميسر مي‌كند.
در ادامه به طور خلاصه ویژگی های یک نوع مطرح از طیف نگاری به نام FTIR را معرفی می کنیم که مبنای کار و نتایج مشابه بالاست.
طیف نگاری مادون قرمز تبدیل فوریه ای
حرکات ارتعاشی اجزایی از ماده که پیوند شیمیایی با آن دارند ، فرکانس هایی در محدوده ی مادون قرمز را شامل می شود . نوساناتی که با مدهای ارتعاشی مشخص ایجاد شده امکانی را برای ماده فراهم می کند که وقتی در معرض یک دسته پرتوی الکترومغناطیسی در محدوده ی مادون قرمز بیاید ، وقتی در فرکانس های رزونانس باشیم فوتون ای فرودی با فونون های شبکه ای تبادل انرژی کنند . در آزمون مادون قرمز ، شدت پرتوی مادون قرمز قبل(I0) و بعد(I) از برخورد با نمونه به صورت تابعی از فرکانس نور(امگای آی) اندازه گیری می شود.نموداری از نسبت I/I0 در مقابل فرکانس که طیف مادون قرمز گفته می شود رسم می گردد. و از روی آن هویت ، محیط اطراف و غلظت پیوند های شیمیایی که در نمونه موجودند را به این طریق می توان تعیین کرد.
پارامترهایی که اندازه گیری می شوند : فرکانس های ارتعاشی پیوندهای شیمیایی
محدوده ی عناصر قابل آنالیز : همه ی عناصر ، اما نه عنصری خاص
مخرب بودن آزمون : آزمون غیر مخرب است
اطلاعات از پیوند های شیمیایی : بله اطلاعاتی می دهد ، گروه های عاملی را می توان مشخص کرد
قابلیت ارائه ی پروفایل تغییرات : خیر ، تحت شرایط استاندارد امکان ندارد
عمق مورد آزمون در هر نمونه : بسته به نمونه از مقیاس میکرومتری تا 10 نانومتر
محدودیت های آشکارسازی : محدوده هایی کمتر از 10 به توان 13 پیوند بر سانتی متر مکعب را قادر به آشکارسازی نیست . بعضا نمونه های تک لایه را آشکارسازی می کند
قابلیت ارائه ی کمی اندازه گیری ها : معمولا استاندارد هایی لازم است
قابلیت بازتولید نتایج حاصل از آزمون ها : بعد از ماه ها یک دهم % انحراف خواهد داشت
قدرت تفکیک عرضی : نیم سانتی متر تا 20 میکرومتر
تصویر برداری و نقشه برداری سطحی : قابل بهره برداری است ولی کمتر به طور معمول استفاده می شود
لازمه های نمونه : نمونه های جامد ، مایع و یا گاز در تمام حالات – خلا نیاز نیست
استفاده های اصلی : تعیین کیفی و کمی گونه های شیمیایی ، هم با درصد مختصر(Trace) و هم درصد های بالک ، برای جامدات و لایه های نازک . مشخص نمودن تنش و ناهمگنی های ساختاری
چند کاربرد مطرح :
شناسائي كيفي و كمي تركيبات آلي حاوي نانوذرات، تعيين نوع گروه عاملي و پيوندهاي موجود در مولكولهاي آن.تعيين مقادير بسيار كم يون هيدروژن فسفات در هيدروكسي آپاتيت كه در اعضاء مصنوعي مورد استفاده قرار ميگيرد و همچنين آناليز برخي داروهاي حاوي نانو ذرات .
منبع: http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/57
آخرین ویرایش:
