طیف سنجی مادون قرمز (IR) و هر آنچه که باید بدانید

طیف سنجی مادون قرمز (IR) یکی از متداول‌ترین روشهای طیف سنجی است که به منظور شناسایی کیفی و کمی ترکیبات شیمیایی مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله ما به طور مختصر اصول طیف‌سنجی فروسرخ (IR) را توضیح می‌دهیم و کاربردهای و منابع مختلف دسترسی به آن را بررسی می‌کنیم. با ما همراه باشید.

طیف سنجی IR چیست؟

طیف سنجی مادون قرمز یا IR یک تکنیک‌های تجزیه و تحلیل شیمیایی است که براساس برهمکنش بین نور مادون قرمز و ماده عمل می‌کند. نور مادون قرمز بخشی از طیف الکترومغناطیسی با طول موج های 780 نانومتر تا 1 میلی متر را شامل می‌شود که بین نور مرئی و امواج مایکروویو قرار دارد. با این حال، به دلایل تاریخی، معمولاً نور مادون قرمز را در طیف‌سنجی به جای طول موج (wavelength) بر حسب عدد موج (wavenumber) مورد بررسی قرار می‌دهند. عدد موج (wavenumber) به صورت تعداد طول موج‌ها در واحد طول تعریف می‌شود و واحد آن cm^-1 است. در نظر داشته باشید که نور با طول موج های کوتاه تر، انرژی بالاتر و عدد موج بزرگ تری دارد، در حالی که نوری که طول موج های بلندتری دارد دارای انرژی و اعداد موج کمتری است.

مادون قرمز نزدیک (Near-IR)، میانی (Mid-IR)و دور (Far-IR)

امواج مادون قرمز به طور کلی به سه دسته الف) مادون قرمز نزدیک (Near-IR)، ب) مادون قرمز میانی (Mid-IR) و ج) مادون قرمز دور (Far-IR) تقسیم می‌شوند. مادون قرمز نزدیک دارای کوتاه‌ترین طول موج با اعداد موجی بالاتر است و مادون قرمز دور، بلندترین طول موج با اعداد موجی کوتاه را دارد. به طور کلی وقتی که مورد طیف سنجی مادون قرمز صحبت می‌کنیم منظور محدوده مادون قرمز میانی است که به علت تطبیق با ارتعاشات ترکیبات شیمیایی برای شناسایی این مواد کاربرد دارد.

انواع ارتعاشات در طیف سنجی IR

اتم های موجود در ترکیبات شیمیایی به طور مداوم در حال حرکت و ارتعاش هستند. حتی مولکول ساده مانند آب به شش طریق مختلف ارتعاش می‌کند که به آنها حرکات کششی متقارن (symmetric stretch)، کششی نامتقارن (antisymmetric stretch)، تغییر شکل یا ارتعاش خمشی (deformation/bending vibration)، گهواره‌ای (rocking)، پیچشی (twisting) و جنبانه‌ای (wagging) گفته می‌شود. هر کدام از این ارتعاشات در فرکانس متفاوتی رخ می دهد که منحصر به پیوند و ترکیب شیمیایی است. در صورت انطباق این فرکانس ها با فرکانس های نور در ناحیه مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی جذب اتفاق می‌افتد و ما پیک‌های مربوط به این ارتعاشات را در طیف IR مشاهده خواهیم کرد.

نحوه تشخیص جذب IR

همانطور که گفته شد، در فرکانس‌های منطبق بر ارتعاشات ترکیبات شیمیایی هستند، آنها می‌توانند نور مادون قرمز را جذب کنند و منجر به برانگیخته شدن ارتعاشات مولکولی گردند. به عنوان مثال در مولکول‌های آب، کشش های متقارن و نامتقارن در محدوده 2700cm^-1 تا 3700cm^-1 و ارتعاشات خمشی در حدود 1650cm^-1 دارند و قادر به جذب انرژی های نور مادون قرمز یا IR در این نواحی هستند. اگر ما نور مادون قرمز بر مقداری آب بتابانیم و از یک آشکارساز برای تعیین فرکانس‌های نور جذب شده استفاده کنیم، خواهیم دید که این فرکانس‌ها از تابش اصلی نور مادون قرمز حذف خواهند شد.

چگونگی گرفتن طیف IR

پس از تشخیص جذب IR، می توانیم با استفاده از اطلاعات به دست آمده از آشکارساز، طیف IR رسم کنیم. طیف بدست آمده نشان می دهد که کدام فرکانس‌ها توسط نمونه جذب شده است و یا به بیانی دیگر کدام ارتعاشات برانگیخته شده‌اند. همانطور که در طیف IR نمونه آب مشاهده می‌کنید، سیگنال‌های مربوط به اعداد موج فرکانس‌های کششی متقارن و کششی نامتقارن و همچنین ارتعاشات خمشی در طیف مادون قرمز آن نمایش داده شده است.

از آنجایی که هر گونه شیمیایی دارای ارتعاشات در فرکانس های مختلف است، طیف IR حاصل از هر ترکیب منحصر به فرد خواهد بود. این بدان معناست که طیف‌سنجی IR یک «اثر انگشت شیمیایی» ایجاد می‌کند که می‌تواند برای شناسایی و کمیت تقریباً هر گونه شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد. در طی سالیان گذشته، اطلاعات تعداد زیادی از گونه‌های شیمیایی در کتابخانه‌های طیفی گنجانده شده است که حتی اگر شما با تئوری طیف‌سنجی IR آشنا نباشید نیز بتوانید به سادگی از آن استفاده کنید.

طیف سنجی FT-IR چیست؟ و چه تفاوتی با طیف سنجی IR دارد؟

طیف‌سنجی IR به عنوان یک اصطلاح کلی برای تکنیک آنالیز شیمیایی که در آن ارتعاشات مولکولی نور IR شناسایی می‌شوند مورد استفاده قرار می‌گیرد ولی در عمل تکنیکی که اغلب استفاده می‌شود، طیف‌سنجی IR تبدیل فوریه (FT-IR) است. از لحاظ تاریخی در ابتدا، طیف‌سنجی IR با بررسی جداگانه هر کدام از فرکانس‌های نور مادون قرمز IR برای پی بردن به فرکانس‌های جذب شده توسط نمونه، انجام می‌گرفت که همانطور که می توانید تصور کنید، یک فرآیند بسیار زمان بر است! بعدها این تکنیک توسط FT-IR جایگزین شد که در آن تمام طول موج های نور IR به طور همزمان با استفاده از یک تداخل سنج موردبررسی قرار می‌گیرند. این تکنیک بسیار سریعتر از طیف‌سنجی IR است و نسبت سیگنال به نویز بهتری نیز داشته و دقیق‌تر است. ولی داده ‌های بدست آمده از این تکنیک، متفاوت از داده‌های طیف‌سنجی IR سنتی است و یک عملیات ریاضی، به نام تبدیل فوریه، برای تبدیل داده‌ها به طیف مشابه طیف حاصل از طیف‌سنجی IR مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تکنیک های اندازه گیری در طیف سنجی مادون قرمز

سه روش اندازه‌گیری 1) عبور (Transmission)، 2) بازتاب کل ضعیف (Attenuated Total Reflection (ATR)) و 3) بازتاب (Reflectance )، در طیف‌سنجی FT-IR مورد استفاده قرار می‌گیرند. هر 3 روش اندازه گیری از اصول تئوری طیف سنجی FT-IR پیروی می‌کنند و فقط در فرایند تجزیه و تحلیل نمونه کمی تفاوت دارند. هر کدام از این تکنیک‌ها برای اهداف مختلفی مناسب هستند. در ادامه این سه روش به طور کلی مورد بررسی قرار می‌گیرند

طیف سنجی IR عبوری (Transmission IR spectroscopy)

طیف سنجی عبوری تکنیک اصلی مورد استفاده در طیف سنجی IR است. در این تکنیک نور مادون قرمز از نمونه عبور کرده و برخی از فرکانس‌های آن بسته به ماهیت نمونه جذب می‌شود. در طیف سنجی عبوری بایستی نور IR به طور کامل از نمونه عبور کند که برای این منظور روش تهیه نمونه بسیار حائز اهمیت است. اگر قرص نمونه جهت عبور نور IR خیلی ضخیم باشد، نور مادون قرمز بیش از حد توسط نمونه جذب می‌شود که به آن جذب کامل گفته می‌شود. این امر منجر به کاهش کیفیت طیف IR شده و پیک های حاصل به راحتی قابل شناسایی نیستند.برای جلوگیری از جذب کامل، نمونه رقیق می شود تا نور مادون قرمز بدون جذب شدید از نمونه عبور کند. ماده ای که برای رقیق کردن نمونه استفاده می شود نباید قادر به جذب نور مادون قرمز در محدوده جذب نمونه باشد. در غیر این صورت، پیک‌های مربوط به ماده رقیق کننده نیز در طیف حاصل ظاهر می شود. معمولا برای آنالیز یک نمونه مایع، مایع را با یک حلال مانند تتراکلرید کربن (CCl4) رقیق می کنند و برای تجزیه و تحلیل یک نمونه جامد نیز، نمونه آسیاب شده و با جامد دیگری، معمولاً برومید پتاسیم (KBr) که نور را در محدوده MIR جذب نمی کند، مخلوط شده و تحت فشار به صورت قرص در آورده می‌شود.

طیف سنجی IR بازتاب کل ضعیف (ATR IR spectroscopy)

طیف سنجی مادون قرمز ATR تا حد زیادی از تکنیک عبوری (Transmission) پیشی گرفته است و امروز پرطرفدارترین روش اندازه گیری است. زیرا این روش آماده سازی نمونه کمی لازم داشته و غیر مخرب است. برای استفاده از ATR، نمونه به سادگی روی یک کریستال قرار می گیرد که معمولاً از الماس، ژرمانیوم یا سلنید روی ساخته شده است. سپس نور مادون قرمز از طریق کریستال هدایت می شود تا حدی مقداری از تابش نمونه جذب شود. در نهایت نور IR دوباره از کریستال عبور کرده و شناسایی می شود.
در تکنیک ATR، نور تنها با چند میکرون از نمونه برهمکنش می‌کند و از آنجایی که نور IR به طور کامل از نمونه عبور نمی کند، نیازی به آماده سازی نمونه وجود ندارد. این تکنیک علاوه بر اینکه بسیار ساده است، طیف‌هایی با کیفیت بسیار بالا نیز تولید می‌کند.شایان ذکر است که دو تکنیک ATR و عبور، طیف های کمی متفاوت تولید می کنند ولی این طیف‌ها به راحتی با استفاده از نرم افزار کامپیوتری تصحیح شده و امکان مقایسه مستقیم طیف های به دست آمده با تکنیک های مختلف اندازه گیری فراهم می گردد.

طیف سنجی IR بازتابی (Reflectance IR spectroscopy)

تکنیک اندازه گیری نهایی در طیف سنجی IR، روش بازتاب است. در این تکنیک، به جای نور IR عبوری، نور منعکس شده از سطح نمونه شناسایی می شود. روش مادون قرمز بازتابی در زمینه بررسی نمونه‌های جامدی که تجزیه و تحلیل آنها با تکنیک عبوری یا ATR دشوار یا غیرممکن است مورد استفاده قرار می‌گیرد. بسته به نمونه مورد تجزیه و تحلیل، روش های زیادی برای انجام طیف سنجی IR Reflection وجود دارد.

مزایا و معایب طیف سنجی IR چیست؟

مزایای:
شناسایی ترکیبات کوچک به اندازه 10 تا 20 میکرون در بسیاری از موارد، آنالیز FTIR به نمونه آسیبی نمی رساند و آن را تغییر نمی دهد.
تجزیه و تحلیل FTIR باندهای جذب را در سراسر طیف مادون قرمز میانی به طور همزمان اندازه گیری می کند، که اجازه می دهد مقدار زیادی از اطلاعات تحلیلی به سرعت به دست آید.
از آنجایی که اندازه‌گیری طول موج مطلق است، تکنیک‌های تحلیلی مانند تفریق طیفی سریع و بسیار دقیق هستند.
معایب:
از آنجایی که آنالیز FTIR نمونه را همزمان در معرض تمام فرکانس های مادون قرمز متوسط قرار می دهد، نویز در یک قسمت از تابش منبع مادون قرمز در سراسر طیف پخش می شود.
تجزیه و تحلیل FTIR می تواند تحت تأثیر تغییرات در شرایط جوی قرار گیرد و استفاده از نمونه های بسیار حساس یا نمونه هایی را که باید در مدت زمان طولانی مطالعه شوند دشوار می کند.
از آنجایی که FTIR یک روش تجزیه و تحلیل حجیم است، برای مکان یابی و شناسایی دسته های وسیعی از مواد در یک ترکیب مناسب است. با این حال، کمتر قادر به شناسایی مقادیر کمی از مواد در مخلوط با مواد دیگر است.

کاربردهای مختلف طیف سنجی IR

طیف سنجی IR به منظور شناسایی کیفی و تشخیص کمی مورد استفاده می‌گیرد. از مهمترین کاربردهای طیف‌سنجی IR برای شناسایی کیفی ترکیبات شیمیایی است. طیف IR هر ترکیب شیمیایی مانند “اثر انگشت” آن است و این امر طیف‌سنجی IR را به یک تکنیک قدرتمند برای شناسایی مواد موجود در یک نمونه تبدیل کرده است و این تکنیک نه تنها در محیط‌های آزمایشگاهی، بلکه تقریباً در هر صنعتی به یک ابزار شناسایی شیمیایی ارزشمند تبدیل شده است. از طیف سنجی FT-IR می توان برای شناسایی ترکیبات در پزشکی قانونی، بازیافت پلاستیک، کنترل کیفیت و موارد دیگر استفاده کرد. کاربرد دیگر FT-IR، برای تعیین کمی اجزای یک نمونه حاوی چندین ترکیب است. غلظت هرکدام از اجزای نمونه بیشتر باشد، نور مادون قرمز بیشتری را جذب می‌کند و به راحتی و با استفاده از نرم افزار کامپیوتری و تجزیه و تحلیل میزان نور IR جذب شده می توان غلظت هر جزء را تعیین کرد. FT-IR می تواند نتایج کمی بسیار دقیق را بسته به ماهیت نمونه ارائه دهد و به همین دلیل در اندازه گیریهای کمی صنایع داروسازی، خاک شناسی و تحقیقات بیولوژیکی پروتئین ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای آشنایی با چگونگی تفسیر طیف FT-IR اینجا کلیک کنید.

نتیجه گیری

طیف سنجی مادون قرمز یا IR یک تکنیک‌های آنالیز شیمیایی است که اساس آن برهمکنش بین نور مادون قرمز و ماده بوده و به منظور شناسایی کیفی و کمی ترکیبات مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. این تکنیک به طور گسترده‌ای در تحقیقات آکادمیک و هم صنعتی در زمینه‌های شناسایی ترکیبات آلی، ترکیبات معدنی، پلیمرها، صنایع غذایی و … کاربرد دارد. در این مقاله سعی کردیم که شما به صورت کلی با طیف سنجی IR، کاربردهای آن و همچنین منابع دسترسی به طیف‌های IR ترکیبات مختلف آشنا شوید.

برای تفسیر طیف FT-IR نیاز به کمک دارید؟

برای ثبت سفارش و یا دریافت مشاوره رایگان باما در ارتباط باشید

09398565101 (تماس در ساعات اداری، تلگرام یا واتساپ)