طیف­‌سنجی تبدیل فوریه مادون­‌قرمز (FTIR)

  • ۱۳۹۸/۰۴/۱۴
  • 71 بازدید
  • ادمین کل

طیف­‌سنجی تبدیل فوریه مادون­‌قرمز

Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR



چکیده

امواج مادون­‌قرمز (infrared waves, infrared radiation) بخشی از امواج الکترومغناطیس با طول موجی (700 نانومتر تا 1 میلی­‌متر) بزرگ­تر از نور مرئی و کوچک­تر از امواج رادیویی است. اگر چه انسان قادر به مشاهده پرتو مادون قرمز نیست، اما می‌­تواند آن را به عنوان گرما حس کند. فرکانس پرتوهای الکترومغناطيس در ناحيه مادون­‌قرمز با فرکانس ارتعاش طبيعي پيوندهای کووالانسی بین اتم­‌ها مطابق است. این تطابق موجب می‌­شود که پیوند کووالانسی، بتواند پرتو مادون قرمز هم‌­فرکانس خود را جذب (absorption) کند که در اثر آن دامنه ارتعاش اتم‌­های پیوند، تشدید می­‌شود. می‌­توان اینگونه نتیجه گرفت که هر پیوند کووالانسی، فرکانس معینی از پرتو مادون‌­قرمز را جذب می‌­کند؛ بنابراین، هر ملکول، پرتو مادون­‌قرمز را در فرکانس‌­های معینی (که با فرکانس ارتعاشی پیوندها در ملکول مطابق است)،  جذب می­‌کند.

اگر پرتو مادون‌­قرمز به ملکولی چند اتمی برخورد کند، فرکانس­‌های (یا طول موج‌­های) معینی از پرتو، جذب (absorption) شده و بقیه پرتو از نمونه عبور (transmission) می­‌کند. بر همین اساس، اگر طیف ورودی و خروجی با یکدیگر مقایسه شوند، می‌­توان فرکانس‌­های جذب را مشخص نمود و آن را با فرکانس جذب پیوندهای اتمی مقایسه نمود. نتیجه این مقایسه، نموداری از طیف عبوری (درصد پرتو عبور کرده) بر حسب عدد موج (wavenumber، معکوس طول موج با واحد cm-1) خواهد بود. لازم به ذکر است که فرکانس ارتعاش پیوندها مشخص بوده و در دسترس است و به عنوان بانک اطلاعاتی مورد نیاز برای آنالیز مادون­‌قرمز به شمار می­‌رود.

به طور کلی، FTIR در شناسایی کیفی و کمی ترکیبات آلی و ساختار آن‌­ها، تعیین نوع گروه‌­های عاملی و پیوندهای موجود به کار می­‌رود. این تکنیک دقت و حساسیت بسیار بالایی دارد. مدت زمان اجرای آن بسیار کوتاه بوده و پیچیدگی خاصی از لحاظ عملیاتی ندارد. نکته حائز اهمیت آن است که این تکنیک غیرمخرب (non-destructive) است و در نمونه تغییری ایجاد نمی‌­کند.




امواج مادون‌­قرمز

موج الکترومغناطیس (electromagnetic wave) از یک میدان الکتریکی (electric field) و یک میدان مغناطیسی (magnetic field) عمود بر هم تشکیل شده است که هم­‌زمان با هم در راستای انتشار، پیش می‌­روند. یکی از دلایل اصلی استفاده از پرتوهای الکترومغناطیس به عنوان ابزاری برای شناسایی مواد و ساختار آن‌­ها، آن است که ماهیت این امواج، انرژیِ خالص است. به عبارت دیگر، این امواج نه جرمی دارند (از ماده یا عنصر خاصی تشکیل نشده‌­اند) و نه برای انتشار به جرم نیازمندند و به آسانی در خلأ منتشر می­‌شوند [1].

به طور کلی، هر چه طول موج پرتو الکترومغناطیس کوچک­تر باشد، انرژی آن بیشتر است. اگر امواج الکترومغناطیس را بر اساس طول موج، از کمترین تا بیشترین مقدار مرتب کنیم، طیف امواج الکترومغناطیس (the electromagnetic spectrum) حاصل می­‌شود. همان‌طور که در شکل (1) نیز مشاهده می­‌شود، این طیفِ پیوسته به بخش‌­های کوچک­تری تقسیم­‌بندی و نام‌­گذاری شده است. امواج مادون­‌قرمز (infrared waves, infrared radiation) بخشی از امواج الکترومغناطیس با طول موجی (700 نانومتر تا 1 میلی­متر) بزرگ­تر از نور مرئی وکوچک­تر از امواج رادیویی است. از آن جا که انرژی این امواج از نور مرئی قرمز کمتر است، مادون­‌قرمز نامیده شده‌­اند. اگر چه انسان قادر به مشاهده پرتو مادون­‌قرمز نیست، اما می­‌تواند آن را به عنوان گرما حس کند. در واقع، بخش اعظمِ تابش حرارتی که از اشیاء در نزدیکی دمای اتاق منتشر می­‌شود، پرتو مادون­‌قرمز است. امواج مرئی (visible light)، پرتو ایکس (X-ray) و گاما (Gamma ray) نیز دیگر بخش‌­های طیف الکترومغناطیس هستند [1].

شکل 1. تقسیم‌­بندی امواج الکترومغناطیس بر اساس طول موج (طیف الکترومغناطیس) [2].

از منظر بررسی و شناخت اجزای تشکیل­‌دهنده مواد و ساختار آن­‌ها، انرژی پرتو الکترومغناطیسِ برخوردکننده با ماده، مهم‌­ترین پارامتر در انتخاب پرتو است. اگر پرتو، پرانرژی باشد، می­‌تواند پیوند بین اتم‌­ها یا ملکول­‌ها را دچار ازهم­‌گسیختگی کند، که نامطلوب است. اگر پرتو، کم انرژی باشد، قدرت نفوذ به درون ماده و ارائه اطلاعات ساختاری ماده را ندارد. در این راستا، پرتو مادون­‌قرمز، ویژگی شگفت‌­انگیزی دارد به گونه‌­ای که آن را به ابزاری بسیار قوی برای آنالیز تبدیل می­‌کند که جایگزینی برای آن وجود ندارد! در ادامه به تشریح این ویژگی منحصر به فرد می‌­پردازیم. به جز آنالیز، امواج مادون قرمز در مطالعات نجومی، حسگرهای گرمایی، عکس‌­برداری حرارتی، تجهیزات دید در شب، تجهیزات الکترونیکی و... نیز کاربردهای فراوانی دارد.

برهمکنش پیوندهای اتمی با امواج مادون‌­قرمز

به طور کلی، برای هر ملکول یا یونِ چند اتمی که از چند اتم (حداقل دو اتم) در پیوند (کووالانسی covalent bond) با یکدیگر تشکیل شده است، سه نوع حرکت تصور می­‌شود:

  • انتقالی: ملکول تغییر مکان می­‌دهد (مثلاً در گازها).
  • چرخشی: ملکول به دور خود می‌­چرخد.
  • ارتعاشی: ملکول ثابت است ولی موقعیت اتم­‌ها در ملکول نسبت به یکدیگر، تغییر می­‌کند.

در طیف‌­سنجی مادون­‌قرمز از رفتار ارتعاشی اتم­‌ها بهره‌­برداری می‌­شود. همان طور که اشاره شد، اتم‌­ها در مولکول­‌ها ثابت نیستند و در موقعیت­‌های تعادلی خود (حتی در جامدات) ارتعاش (vibration) دارند. مهم­ترینِ این ارتعاشات، دو نوع خمشی (bending) و کششی (stretching) است. در ارتعاش کششی، طول پیوندِ بین دو اتم و در ارتعاش خمشی، زاویه بین دو پیوند، کم و زیاد می‌­شود. ارتعاشات خمشی و کششی نیز انواع مختلفی دارند که دو نوع آن در شکل (2) نشان داده شده است [3].

 

شکل 2. شماتیکی از ارتعاشات خمشی (سمت راست) و کششی (سمت چپ) در پیوند یگانه کربن-هیدروژن [4].

همان‌طور که از واژه ارتعاش استنباط می­‌شود، کم و زیاد شدن فاصله اتم­‌ها یا تغییر زوایه پیوندها در ملکول به صورت متناوب و با یک فرکانس کاملاً مشخص رخ می‌­دهد. فرکانس این ارتعاش به جرم دو اتم، نوع پیوند کووالانسی (یگانه، دوگانه، سه‌­گانه) و پارامترهای دیگری بستگی دارد. به عبارت دیگر، هر پیوند کووالانسی یک فرکانس ارتعاش کاملاً منحصر به فرد دارد. به عنوان مثال، فرکانس ارتعاش پیوند C-C با C=C و یا C-H متفاوت است [3، 5].

اتفاق بسیار شگفت‌­انگیز آن است که فرکانس ارتعاشی پیوندهای اتمی در محدوده فرکانسی امواج مادون‌­قرمز قرار دارد که پایه و اساس طیف­‌سنجی مادون­‌قرمز بر آن بنا شده است. به عبارت دیگر، فرکانس پرتوهای الکترومغناطيس در ناحيه مادون‌قرمز با فرکانس ارتعاش طبيعي پيوندها مطابق است. این تطابق موجب می­‌شود که پیوند کووالانسی، بتواند پرتو مادون‌­قرمزِ هم‌­فرکانس خود را جذب (absorption) کند که در اثر آن دامنه ارتعاش اتم‌­های پیوند، تشدید می­‌شود. در واقع هر پیوند کووالانسی، فرکانس معینی از پرتو مادون‌­قرمز را جذب می­‌کند؛ بنابراین، هر ملکول، پرتو مادون­‌قرمز را در فرکانس­‌های معینی (که با فرکانس ارتعاشی پیوندها در ملکول مطابق است)،  جذب می­‌کند. به عبارت دیگر، هر ملکول طیفِ جذب منحصر به فرد خود را داراست که آن را به اثر انگشت (fingerprint) تشبیه می‌­کنند.

لازم به ذکر است که تطابق فرکانسی برای جذب پرتو مادون­‌قرمز توسط پیوند، شرطی لازم است اما شرایط دیگری (مانند گشتاور دو قطبی ملکول) نیز برای جذب وجود دارد. به عنوان مثال، در H2 و Cl2 جذب پرتو مادون‌­قرمز رخ نمی‌­دهد [3، 5].

تکنیک مادون‌قرمز و انواع آن

مشخص شد که اگر پرتو مادون­‌قرمز به نمونه­‌ای برخورد کند، فرکانس‌­های (یا طول موج­‌های) معینی از پرتو جذب (absorption) شده و بقیه پرتو از نمونه عبور (transmission) می‌­کند. بر همین اساس، اگر طیف ورودی و خروجی با یکدیگر مقایسه شوند، می­‌توان فرکانس‌­های جذب را مشخص نمود و آن را با فرکانس جذب پیوندهای اتمی مقایسه نمود. نتیجه این مقایسه، نموداری از طیف عبوری (درصد پرتو عبور کرده) بر حسب عدد موج (wavenumber، معکوس طول موج با واحد cm-1) است، (شکل (3)). لازم به ذکر است که فرکانس ارتعاش پیوندها مشخص بوده و در دسترس است و به عنوان بانک اطلاعاتی مورد نیاز برای آنالیز
مادون­‌قرمز به شمار می‌­رود.

شکل 3. طیف مادون­‌قرمز اتیل اتانوئات (ethyl ethanoate) [4].

هر پیک روی طیف جذبی، به معنای وجود دو اتم معین است که با پیوندی مشخص (یگانه، دوگانه یا سه­‌گانه) به یکدیگر مرتبط شده‌­اند. اندازه پیک نیز نشان‌­دهنده مقدار یا تعداد این نوعِ خاص از پیوند است. با تحلیل این دو پارامتر (فرکانس و سایز پیک) آنالیز کیفی و کمی نمونه مورد نظر حاصل می‌­شود که این کار امروزه توسط نرم‌­افزار انجام می­‌گیرد.

در طیف‌­سنجی مادون­‌قرمز معمولی، از یک پرتو مادون‌­قرمز با طول موج (فرکانس) معین استفاده می­‌شود (تابش مونوکروماتیک monochromatic radiation). در این صورت، امکان آشکارسازی پیوندها به فرکانس تابش محدود می‌­شود؛ بنابراین، برای آنالیز یک نمونه، باید تابش‌­های متعدد (هر تابش در یک فرکانس معین) انجام شود. امروزه این روش کمتر مورد استفاده قرار می‌­گیرد. در روش جدیدتر، یک پرتو مادون­‌قرمز که حامل تمامی فرکانس‌­های مورد نیاز است، در یک زمان به نمونه تابیده می‌­شود که همان روش تبدیل فوریه مادون‌­قرمز یا FTIR است [5، 6].

مکانیزم FTIR و اجزای دستگاه آن

در طیف‌­سنجی تبدیل فوریه مادون‌قرمز از یک پرتو مادون­‌قرمز حامل تمامی فرکانس‌­های مورد نیاز برای آنالیز نمونه استفاده می‌­شود. این امر موجب می‌­شود که نتایج طیف­‌سنجی تبدیل فوریه نسبت به طیف‌سنجی مادون‌قرمز معمولی بسیار سریع‌­تر (در حدود 1 ثانیه) و دقیق­‌تر (قدرت تفکیک و نسبت سیگنال به نویز بالاتر) باشد. به منظور دستیابی به تابش مورد نظر در طیف­‌سنجی تبدیل فوریه از تجهیزی به نام اینترفرومتر (interferometer) استفاده می‌­شود. در ادامه بخش‌­های مختلف دستگاه به اختصار شرح داده می­‌شود، (شکل (4)) [3، 5].

 

شکل 4. شماتیکی از دستگاه طیف­‌سنجی تبدیل فوریه مادون‌قرمز و اجزای آن [7].

1. منبع تابش (IR source): نقش منبع، تولید پرتو مادون­‌قرمز است. عبور جریان الکتریکی از یک ماده جامد، موجب گرم شدن آن و تولید تابش پیوسته‌­ای از امواج مادون‌­قرمز می­‌گردد. در میان منابع تابش می‌توان از نرنست (nenrnst) (استوانه‌­ای از جنس اکسید زیرکونیوم و ترکیباتی دیگر)، گلوبار (globar) (میله­ای از جنس کاربید سیلیسیم) و سیم نیکرم (سیم پیچی از جنس نیکل-کروم) نام برد.

2. اینترفرومتر: وظیفه اینترفرومتر تولید پرتو مادون­‌قرمز حاومی تمامی فرکانس‌­های مورد نیاز است. اینترفرومتر شامل یک جداکننده (beamsplitter) و دو آینه (ثابت و متحرک) (stationary and moving mirror) است. در ابتدا پرتو تولید شده از منبع تابش به جداکننده می‌­رسد و به دو بخش تقسیم می‌­گردد. یک بخش به آینه ثابت ( آینه ای که در فاصله‌­ای مشخص از جداکننده قرار دارد و ثابت است) برخورد کرده، بازتاب یافته و همان مسیرِ رفته را تا جداکننده باز می­‌گردد. بخش دیگر به آینه متحرک (آینه‌­ای که در فاصله‌­ای مشخص از جداکننده قرار دارد و در یک دامنه بسیار کوچک رفت و آمد می­‌کند به گونه­‌ای که فاصله آینه متحرک تا جداکننده بین یک ماکزیمم و مینیمم در حال کم و زیاد شدن است) برخورد می‌­کند و به جداکننده باز می­‌گردد، (شکل (5)). موج­‌های بازگشتی از آینه ثابت و آینه متحرک، دوباره در جداکننده با یکدیگر تداخل می­‌کنند؛ اما از آن جا که مسافت­‌های متفاوتی را طی کرده‌­اند (بسته به تفاوت در مسیر) تداخلی سازنده یا مخرب خواهند داشت. همان‌طور که در شکل 5 نشان داده شده است، پرتو آبی رنگ (پرتو حاصل از تداخل) از اینترفرومتر خارج می­‌شود که در هر لحظه طول موج معینی دارد (interferogram). این همان پرتو مادون­‌قرمز دارای تمامی فرکانس‌­ها و مناسب برای طیف­‌سنجی است.

شکل 5. عملکرد اینترفرومتر در تولید پرتو مادون‌قرمز با طول موج‌های مختلف،

موج قرمز مربوط به آینه ثابت، موج زرد مربوط به آینه متحرک، موج آبی موج خروجی از اینترفرومتر،

(A) اجزای اینترفرومتر (B) تداخل سازنده (C) تداخل مخرب.

3. محفظه نمونه: محل نگهداری نمونه است. پرتو خروجی از اینترفرومتر به نمونه برخورد کرده و سپس به آشکارساز می‌­رسد. ماده در هر سه فاز گاز، مایع و جامد قابلیت آنالیز توسط FTIR را دارد و در هر مورد، نیاز به آماده‌­سازی ویژه و استفاده از سل یا محفظه مناسب است.

4. آشکارساز: وظیفه سنجش مقدارِ طیف در هر فرکانس و مقایسه آن با طیف اولیه (طیف خروجی از اینترفرومتر که بدون برخورد به نمونه به آشکارساز می­‌رسد) بر عهده آشکارساز (detector) است. در میان انواع آشکارسازها می­‌توان به آشکارسازهای فوتورسانا و آشکارسازهای حرارتی اشاره نمود [3، 5، 6].

تبدیل فوریه

سیگنال اندازه­‌گیری و آشکار شده توسط آشکارساز را نمی­‌توان مستقیماً تفسیر کرد. به عبارت دیگر، برای شناسایی نمونه، محققان به یک طیف فرکانسی (نمودار شدت در هر فرکانس) نیاز دارندکه این طیف با اعمال تبدیل فوریه به سیگنال خروجی حاصل می­‌شود. این تبدیل توسط کامپیوتر انجام شده و اطلاعات طیفی مورد نظر برای تجزیه و تحلیل را به کاربر ارائه می‌­کند [3].

کاربردها و مزایای FTIR

به طور کلی، FTIR در شناسایی کیفی و کمی ترکیبات آلی و ساختار آن­‌ها، تعیین نوع گروه­‌های عاملی و پیوندهای موجود به کار می­‌رود. این تکنیک دقت و حساسیت بسیار بالایی دارد. مدت زمان اجرای آن بسیار کوتاه بوده و پیچیدگی خاصی از لحاظ عملیاتی ندارد. نکته حائز اهمیت آن است که این تکنیک غیرمخرب (non-destructive) است و در نمونه تغییری ایجاد نمی‌­کند.

مراجع

[1] Carlo G. Someda, “Electromagnetic Waves”, CRC Press, Edition 2, 2017.

[2]https://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%D8%A7%D8%A8%D8%B4_%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%85%D8%BA%D9%86%D8%A7%D8%B7%DB%8C%D8%B3%DB%8C

[3] Brian C. Smith, “Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy”, Edition 2, CRC Press, 2011.

[4] Ben Faust, “Modern Chemical Techniques”, Royal Society of Chemistry, 1997.

[5] Peter R. Griffiths, James A. De Haseth, “Fourier Transform Infrared Spectrometry”, Edition 2, John Wiley & Sons, 2007.

[6] John R. Ferraro, “Practical Fourier Transform Infrared Spectroscopy: Industrial and laboratory chemical analysis”, Elsevier Science, 2012.

[7] “Introduction to Fourier Transform Infrared Spectrometry”, Thermo Nicolet Corporation, 2001.

به این محتوا امتیاز دهید

برای دوستانتان ارسال کنید

برای ثبت نظر ابتدا لاگین نمایید.

ما مشتاق دیدگاه شما هستیم.

مطالب پیشنهادی