طیف سنجی مادون قرمز (IR) چیست؟
طیف سنجی مادون قرمز (IR) یا طیف سنجی ارتعاشی (Vibrational spectroscopy) یک تکنیک تحلیلی است که از گذار ارتعاشی یک مولکول استفاده می‌کند.
این تکنیک یکی از رایج‌ترین و پرکاربردترین تکنیک‌های طیف سنجی است که عمدتاً توسط شیمیدانان غیرآلی و آلی به دلیل کارایی در تعیین ساختار ترکیبات و شناسایی آن‌ها، استفاده می‌شود.
روش یا تکنیک طیف سنجی مادون قرمز با ابزاری به نام طیف‌سنج مادون قرمز (یا اسپکتروفتومتر (Spectrophotometer)) برای تولید یک طیف مادون قرمز انجام می‌شود.
اصول طیف سنجی مادون قرمز
- طیف سنجی مادون قرمز آنالیز نور مادون قرمز در برهمکنش با یک مولکول است.
- بخشی از ناحیه مادون قرمز که برای آنالیز ترکیبات آلی مفید است، دارای محدوده طول موجی از 2500 تا 16000 نانومتر و با محدوده فرکانس مربوطه از 1013*1.9 تا 1014*1.2 هرتز می‌باشد.
- انرژی فوتون‌های مرتبط با این بخش از ناحیه مادون قرمز (از 1 تا 15 کیلوکالری در مول) به اندازه کافی بزرگ نیست که الکترون‌ها را تحریک کند، اما ممکن است تحریک ارتعاشی اتم‌ها و گروه‌ها با پیوند کووالانسی را القا کند.
- می‌دانیم که علاوه بر چرخش آسان گروه‌ها در مورد پیوندهای منفرد، مولکول‌ها طیف گسترده‌ای از حرکات ارتعاشی را به عنوان مشخصه اتم‌های تشکیل دهنده آن‌ها، تجربه می‌کنند.
- در نتیجه تقریباً تمام ترکیبات آلی، تابش مادون قرمز را جذب می‌کنند که از نظر انرژی با این ارتعاشات مطابقت دارد.
- طیف‌سنج‌های مادون قرمز در اصول مشابه سایر طیف‌سنج‌ها هستند و به شیمیدانان اجازه می‌دهند تا طیف‌های جذبی ترکیباتی را که بازتابی منحصربه‌فرد از ساختار مولکولی آن‌ها هستند، به دست آورند.
- اندازه‌گیری اساسی به دست آمده در طیف سنجی مادون قرمز یک طیف مادون قرمز است که یک نمودار از شدت فروسرخ اندازه‌گیری شده در مقابل طول موج (یا فرکانس) نور می‌باشد.
- طیف سنجی IR ارتعاشات اتم‌ها را اندازه‌گیری می‌کند و بر این اساس می‌توان گروه‌های عاملی را تعیین کرد.
- به طور کلی پیوندهای قوی‌تر و اتم‌های سبک‌تر با فرکانس کششی (Stretching frequency) بالا (عدد موج (Wavenumber)) ارتعاش می‌کنند.
طیف سنج مادون قرمز
بخش‌های اصلی طیف‌سنج IR به شرح زیر است:
- منبع تشعشع
- سلول‌های نمونه و نمونه برداری از مواد
- تک‌فام‌سازها (Monochromator)
- آشکارسازها
- ضبط کننده
الف. منابع تشعشع IR
ابزارهای IR به منبعی از انرژی تابشی نیاز دارند که تابش IR ساطع می‌کند که باید ثابت و به اندازه کافی قوی برای شناسایی باشد و در طول موج مورد نظر بسط یابد.
منابع مختلف تابش IR به شرح زیر است.
- تابشگر نرنست (Nernst glower)
- لامپ رشته‌ای
- قوس جیوه (Mercury arc)
- لامپ تنگستن
- منبع گلوبر (Glober source)
- سیم نیکروم (Nichrome)
ب. سلول‌های نمونه و نمونه برداری از مواد
طیف سنجی IR برای تعیین خصوصیات نمونه‌های جامد، مایع یا گاز استفاده می‌شود.
- I. نمونه‌های جامد: تکنیک‌های مختلفی برای تهیه نمونه‌های جامد مانند تکنیک گلوله فشرده (Pressed pellet technique)، نمونه جامد پخش شده در محلول (Solid run in solution)، فیلم جامد (Solid film)، تکنیک مولد (mull technique) و غیره استفاده می‌شود.
- II. نمونه‌های مایع: نمونه‌ها را می‌توان با استفاده از یک سلول نمونه مایع ساخته شده از هالیدهای (Halide) قلیایی نگه‌داری کرد. حلال‌های آبی را نمی‌توان استفاده کرد زیرا هالیدهای قلیایی را حل می‌کنند. فقط از حلال‌های آلی مانند کلروفرم (Chloroform) می‌توان استفاده کرد.
III. نمونه‌های گازی: نمونه برداری از گاز مشابه نمونه برداری از مایعات است.
ج. تک‌فام‌سازها
- انواع مختلف تک‌فام‌سازها عبارتند از منشور، توری‌ها و فیلترها.
- منشورها از برمید پتاسیم (Potassium bromide)، کلرید سدیم (Sodium chloride) یا یدید سزیم (Caesium iodide) ساخته می‌شوند.
- فیلترها از لیتیوم فلوراید (Lithium Fluoride) و توری‌های پراش (Diffraction grating) از هالیدهای قلیایی ساخته شده‌اند.
د. آشکارسازها
- آشکارسازها برای اندازه‌گیری شدت تابش مادون قرمز جذب نشده استفاده می‌شوند.
- آشکارسازهایی مانند ترموکوپل (Thermocouple)، بلومتر (Bolometer)، ترمستر (Thermister)، سلول گولای (Golay cell) و آشکارسازهای پیرو الکتریک (Pyro-electric) استفاده می‌شوند.
ه. ضبط کننده‌ها
- ضبط کننده‌ها برای ضبط طیف IR استفاده می‌شوند.
کاربردهای طیف سنجی مادون قرمز
طیف سنجی مادون قرمز برای محققین علمی در بسیاری از زمینه‌ها اهمیت زیادی داشته است که از جمله می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد:
- تعیین خصوصیات پروتئین
- آنالیز نیمه‌هادی در مقیاس نانو
- اکتشافات فضایی
- آنالیز نمونه‌های گازی، مایع یا جامد
- شناسایی ترکیبات
- آنالیز کمی
- اطلاعات مربوط به گروه‌های عاملی مولکول‌ها و ساختار مولکول‌ها را می‌توان از طیف IR به دست آورد.
- برای آشنایی با برهمکنش بین مولکول‌ها
همچنین بخوانید:
مترجم: صادق حسینی‌کیا
