طیف­‌سنجی مرئی-فرابنفش (UV-VIS)

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

طیف­‌سنجی مرئی-فرابنفش

Ultraviolet–visible spectroscopy, UV-VIS



چکیده

اگر پرتو الکترومغناطیس I0 به نمونه‌­ای برخورد کند، مقداری از آن جذب می‌­شود. میزان جذب (absorbance) به غلظت نمونه (c) و طول تماس پرتو و نمونه (l) بستگی دارد. میزان عبور (Transmittance) را نسبت شدت پرتو عبوری به پرتو اولیه تعریف می­‌کنند (T = It/I0) که معمولاً به صورت درصد بیان می­‌شود.  واضح است که هر چه میزان جذب بیشتر باشد، عبور کمتر است و بالعکس.

جذب پرتو در ماده در اثر برهمکنش‌­های مختلفی صورت می­‌گیرد. یکی از مکانیسم­‌های جذب، برانگیختگی الکترونی (excitation of electrons) است به این معنا که الکترون­‌ها، انرژی پرتو ورودی را گرفته (جذب پرتو) و برانگیخته می‌­شوند. پرتو الکترومغناطیسی که بتواند الکترون­‌های اتم‌­ها یا ملکول­‌های ماده را برانگیخته کند، طول موجی در محدوده طیف فرابنفش (ultraviolet) تا نزدیک به مادون­‌قرمز (infrared) دارد که شامل امواج مرئی (visible) نیز می‌­شود. به عبارت دیگر، انرژی پرتو الکترومغناطیس در این محدوده از طول موج، با انرژی لازم برای برانگیختگی الکترون مطابق است؛ بنابراین، در طیف‌سنجی مرئی-فرابنفش با هدف برانگیختگی الکترون، به نمونه مورد مطالعه موج الکترومغناطیس در محدوده فرابنفش و مرئی تابانده می­‌شود. الکترون­‌های نمونه با جذب انرژی پرتو، برانگیخته می‌­شوند. برانگیخته کردن الکترون اتمی که در یک پیوند خاص مشارکت دارد، وابسته به تأمین انرژی برانگیختگی منحصر به فرد همان الکترون است. هر الکترون متعلق به یک اتم مشخص (با عدد اتمی و جرمی معین) است که در پیوندی خاص با اتم مشخص دیگری قرار دارد؛ بنابراین، طول موج خاصی از پرتو را جذب می­‌کند. این طول موج جذب شده به منزله اثرانگشت (fingerprint) الکترون وابسته به اتم و پیوند به شمار می­‌رود که برای هر اتم در هر پیوند منحصر به فرد است.

در دستگاه طیف­‌سنجی، یک موج الکترومغناطیس با طول موج مشخص به نمونه تابانده می‌­شود (پرتو اولیه). با مقایسه پرتو اولیه و پرتو خروجی از نمونه، طول موج­‌های جذب شده از از پرتو (طیف جذبی) آشکار می­‌شود. با مقایسه طول موج جذب شده و بانک اطلاعاتی موجود که شامل طول موج جذب الکترون‌­ها (در اتم و پیواند خاص) است، آنالیز کیفی و کمی ماده صورت می­‌گیرد. دستگاه طیف‌­سنجی فرابنفش-مرئی از چند بخش اصلی منبع پرتو، تک­فام‌­ساز، نگه­دارنده نمونه و آشکارساز تشکیل شده است.

از آن جا که طیف‌­سنجی فرابنفش-مرئی ابزاری قدرتمند در اندازه­‌گیری غلظت است، از آن برای مطالعه پیشرفت واکنش‌­ها و اندازه‌­گیری ثوابت تعادل استفاده می‌­شود. از دیگر کاربردهای آن می‌توان به بررسی سینتیک واکنش‌­های شیمیایی، بررسی انحلال و توزیع گونه­‌های شیمیایی مانند دارو، کنترل کیفی آب، رنگ، جوهر و همچنین شناسایی گروه­‌های عاملی، شناسایی ساختار ملکولی و حالت اکسیداسیون اشاره کرد. از نقطه ضعف‌­های عمده طیف­‌سنجی فرابنفش-مرئی می‌­توان به عدم کارکرد در مقیاس اتمی اشاره کرد.




مقدمه

طیف­‌سنجی (spectroscopy) به معنای بررسی برهمکنش تابش موج الکترومغناطیس (electromagnetic wave) با ماده است. اطلاعات مفیدی از ماده براساس طیف (spectrum) به دست آمده از طیف‌سنجی حاصل می­‌شود. اگر یک پرتو الکترومغناطیس به ماده‌­ای بتابد، مقداری از آن جذب شده (absorption)، بخشی عبور کرده (transmission) و بخش دیگر دچار پراکندگی (scattering) می‌­گردد. با توجه به هدف طیف‌­سنجی، هر یک از سیگنال­‌های فوق را می­‌توان آشکار ساخت و مورد مطالعه قرار داد. به عنوان مثال، در طیف‌­سنجی مادون­‌قرمز (FTIR) طیف جذبی و در طیف­‌سنجی رامان (raman spectroscopy) طیف پراکندگی مورد بررسی قرار می­‌گیرد.

هر سیگنال حاصل از برخورد پرتو الکترومغناطیس به ماده، ناشی از یک برهمکنش منحصر به فرد بین پرتو و اجزای ماده است. نوع برهمکنش موج الکترومغناطیس با ماده به پارامترهای مختلفی بستگی دارد که مهم­ترین آن­ها طول موج (انرژی) تابش و نوع ماده است. به عنوان مثال، یک پرتو می‌­تواند اتم را یونیزه و الکترون­‌های آن را برانگیخته کند و یا ابر الکترونی پیوندها را تحت تاثیر قرار دهد. در طیف­‌سنجی، یک پرتو با طول موجی مشخص به ماده تابانده می‌­شود تا برهمکنشی خاص رخ داده و سیگنال ویژه‌­ای حاصل شود. با آنالیز سیگنال  حاصله، اطلاعاتی از همان بخش خاص ماده پرتو دیده از جمله اطلاعات ساختاری، شیمیایی و... به دست می­‌آید. به طور خلاصه، هر طول موج خاص، بخش خاصی از ماده را تحریک می­‌کند و سیگنال حاصله، ویژه همین برهمکنش خاص است [1].

مکانیزم طیف سنجی مرئی-فرابنفش

اگر پرتو الکترومغناطیس I0 به نمونه‌­ای برخورد کند، مقداری از آن جذب می‌­شود. میزان جذب (absorbance) به غلظت نمونه (c) و طول تماس پرتو و نمونه (l) بستگی دارد، (شکل (1)). میزان عبور (Transmittance)، نسبت شدت پرتو عبوری به پرتو اولیه تعریف می‌شود (T = It/I0) که معمولاً به صورت درصد بیان می­‌گردد.  واضح است که هر چه میزان جذب بیشتر باشد، عبور کمتر می‌شود و بالعکس؛ بنابراین، جذب با عبور نسبت عکس دارد و از رابطه زیر حاصل می­‌شود [1، 2]:

A = -log (T)

رابطه جذب و غلظت ماده (قانون بیر-لامبرت، Beer-Lambert) به قرار زیر است:

A = -log (T) = a.l.c

که در آن a یک ضریب ثابت و معروف به ضریب جذب (absorption coefficient, extinction coefficient) است. هر چه غلظت نمونه (c) و طول مسیر تابش (l) بیشتر باشد، میزان جذب بیشتر است. لازم به ذکر است که این قانون فقط در غلظت‌­های کم محلول صادق است و در غلظت‌­های بالا، انحراف خواهد داشت [2، 3].

 

شکل 1. جذب و عبور پرتو توسط یک نمونه با طول تابش [4].

جذب پرتو در ماده در اثر برهمکنش­‌های مختلفی صورت می­‌گیرد. یکی از مکانیسم‌­های جذب، برانگیختگی الکترونی (excitation of electrons) است به این معنا که الکترون­‌ها، انرژی پرتو ورودی را گرفته (جذب پرتو) و برانگیخته می­‌شوند. الکترون­‌ها حالت­‌های انرژی معینی دارند (quantum states of energy) که مانند پله­‌های یک نردبان است. هر الکترون مقدار معینی انرژی دارد (روی پله معینی قرار دارد) و فقط با دریافت مقدار مشخصی از انرژی (فاصله دو پله از نردبان) به حالتی با انرژی بالاتر می‌­رود، اگر مقدار انرژی دریافتی از مقدار معین شده کمتر یا بیشتر باشد، انتقال الکترون به حالت پُرانرژی صورت نمی‌گیرد (حالت پرانرژی، حالت حضور الکترون در تراز انرژی بالاتر است).

پرتو الکترومغناطیسی که بتواند الکترون­‌های اتم‌­ها یا ملکول­‌های ماده را برانگیخته کند، طول موجی در محدوده طیف فرابنفش (ultraviolet) تا نزدیک به مادون­‌قرمز (infrared) دارد که شامل امواج مرئی (visible) نیز می­‌شود. به عبارت دیگر انرژی پرتو الکترومغناطیس در این محدوده از طول موج، با انرژی لازم برای برانگیختگی الکترون مطابق است؛ بنابراین، در طیف­‌سنجی مرئی-فرابنفش با هدف برانگیختگی الکترون، به نمونه مورد مطالعه موج الکترومغناطیس در محدوده فرابنفش و مرئی تابانده می‌­شود. الکترون­‌های نمونه با جذب انرژی پرتو، برانگیخته می­‌شوند. برانگیخته کردن الکترون اتمی که در یک پیوند خاص مشارکت دارد، وابسته به تأمین انرژی برانگیختگی منحصر به فرد همان الکترون است. هر الکترون متعلق به یک اتم مشخص (با عدد اتمی و جرمی معین) است که در پیوندی خاص با اتم مشخص دیگری قرار دارد، بنابراین طول موج خاصی از پرتو را جذب می­‌کند. این طول موج جذب شده به منزله اثرانگشت (fingerprint) الکترون وابسته به اتم و پیوند به شمار می‌­رود که برای هر اتم در هر پیوند منحصر به فرد است. لازم به ذکر است که برانگیختگی الکترونی در مواد مختلف با مکانیسم‌­های متفاوتی رخ می­‌دهد (شامل انتقال الکترون به *σ و *π یا اکسایش-کاهش داخلی و...).

دستگاه طیف­‌سنجی فرابنفش-مرئی

در دستگاه طیف­‌سنجی، یک موج الکترومغناطیس با طول موج مشخص به نمونه تابانده می‌شود (پرتو اولیه). با مقایسه پرتو اولیه و پرتو خروجی از نمونه، طول موج‌­های جذب شده از از پرتو (طیف جذبی) آشکار می­‌شود. با مقایسه طول موج جذب شده و بانک اطلاعاتی موجود که شامل طول موج جذب الکترون­‌ها (در اتم و پیوند خاص) است، آنالیز کیفی و کمی ماده صورت می­‌گیرد. دستگاه طیف­‌سنجی فرابنفش-مرئی از چند بخش اصلی منبع پرتو، تک­فام‌­ساز، نگه­دارنده نمونه و آشکارساز تشکیل شده است، (شکل (2)).

 

شکل 2. شماتیکی از اجزای دستگاه طیف‌­سنجی فرابنفش-مرئی [5].

پرتو مورد استفاده در طیف‌­سنجی فرابنفش- مرئی دارای طول موجی در محدوده 190-1100 نانومتر و گاهی وسیع‌­تر است. منبع پرتو (light source) مورد استفاده شامل دوتریوم (deuterium) برای محدوده فرابنفش-مرئی (حدود 160-375 نانومتر) و تنگستن-هالوژن (tungsten-halogen) برای محدوده مرئی (حدود 300-900 نانومتر) است. برخی از دستگاه‌­ها دارای بیش از یک منبع پرتو هستند. از آن جا که پرتو تولید شده در منبع تک­فام (تک طول موج) نیست، پرتو باید از تک­فام‌­ساز (مونوکروماتور) عبور کند.

تک­فام‌­ساز (monochromator) تجهیزی است که فقط به یک طول موج اجازه عبور می­‌دهد و بدین ترتیب پرتو تولید شده توسط منبع را تک طول موج می‌­کند. انواع مختلفی از تک­فام‌­سازها در طیف‌­سنجی مورد استفاده قرار می­‌گیرند که معمول­‌ترین آ‌ن‌ها دو نوع منشور (prism) و شبکه (grating) است که هر یک با مکانیسمی منحصر به فرد پرتوی ورودی را تک طول موج می­‌کنند.

معمولاً نمونه در یک ظرف یا محفظه (cell, cuvette) (به شکل مکعب مستطیل) از جنس شیشه، سلیکا (silica)، کوارتز (quartz) و یا پلاستیک قرار داده می­‌شود، چرا که آن­‌ها به خوبی پرتو الکترومغناطیس در ناحیه ذکر شده را بدون جذب از خود عبور می­‌دهند (کاملاً شفاف هستند). سطح محفظه به خوبی تمیز و براق نگه داشته می­‌شود تا پرتو را بازتاب (reflection) نکند. طول مسیر تابش در حدود 1/0-5 سانتی‌­متر است. از آن جا که میزان جذب نمونه­‌های جامد بسیار بالاست (عبور ناچیز)، معمولاً آن­‌ها را در یک حلال، حل می‌­کنند و محلول حاصله را تحت تابش قرار می‌­دهند. البته لازم است که حلال با نمونه واکنش ندهد و نسبت به عبور پرتو شفاف باشد، در غیر این صورت، محلول پرتو را جذب و طیف جذبی را دچار خطا خواهد نمود. ویژگی­‌های حلال مانند قطبیت، pH و... بر روی طیف جذبی تأثیر چشم‌گیری دارد و برای هر نمونه یک حلال متناسب انتخاب می­‌شود. محلول­‌سازی به گونه­‌ای انجام می­‌شود که غلظت کمی از حل­‌شونده حاصل شود. برخی از حلال‌­های مورد استفاده آب، بنزن، کلروفورم، متانول، تولوئن و... هستند. از حلال‌­ها برای رقیق­‌سازی نمونه‌­های مایع نیز استفاده می­‌شود. نمونه­‌های مایع و گاز نیز به طور مستقیم تحت تابش قرار می­‌گیرند.

در برخی از دستگاه‌­ها (double beam) به منظور افزایش دقت، پرتو اولیه در یک آینه به دو بخش تقسیم می­‌شود. بخشی به نمونه برخورد کرده و بخشی (با/بدون برخورد با یک نمونه شاهد یا مرجع) مستقیماً به آشکارساز رسیده و ثبت می­‌شود. انواعی از آشکارسازها در طیف‌­سنجی فرابنفش-مرئی به کار گرفته شده‌­اند (photomultiplier detector, photovoltaic detector, phototube detector).

معمولاً طیف حاصله نموداری از جذب بر حسب طول موج است، (شکل (3)). در طول موج‌­های معینی که شدت پرتو عبوری کاهش یافته یا جذب صورت گرفته است، نمودار، پیک (peak) پیدا می­‌کند. چنانچه پیش­تر نیز ذکر شد، انرژی لازم برای برانگیخته کردن الکترون یک مقدار معین و معادل با طول موج مشخصی از پرتو است؛ بنابراین، پیش‌­بینی می­‌شود که طیف جذبی دارای خطوط جذب یا پیک‌­های بسیار تیز باشد که این گونه نیست. دلیل این امر آن است که اگر انرژی تأمین شده برای برانگیختگی الکترون اندکی بیشتر یا کمتر از مقدار مورد نیاز باشد، اتم یا ملکول این مقدار اختلاف انرژی را مصرف (اگر انرژی بیشتر باشد) یا تأمین (اگر انرژی کمتر باشد) می‌­کند. در نتیجه فرایند جذب نه در یک طول موج خاص بلکه در یک بازه بسیار کوچک از طول موج (پهنای پیک جذبی) رخ می­‌دهد.

 

شکل 3. طیف جذبی دو ترکیب شیمیایی در حلال آبی [6].

از آن جا که طیف‌­سنجی فرابنفش-مرئی ابزاری قدرتمند در اندازه‌­گیری غلظت است، از آن برای مطالعه پیشرفت واکنش­‌ها و اندازه‌­گیری ثوابت تعادل استفاده می‌­شود. از دیگر کاربردهای آن می‌­توان به بررسی سینتیک واکنش­‌های شیمیایی، بررسی انحلال و توزیع گونه­‌های شیمیایی مانند دارو، کنترل کیفی آب، رنگ، جوهر و...، شناسایی گروه‌­های عاملی، شناسایی ساختار ملکولی و حالت اکسیداسیون اشاره کرد. از نقطه ضعف­‌های عمده طیف­‌سنجی فرابنفش-مرئی می‌­توان به عدم کارکرد در مقیاس اتمی اشاره کرد.

مراجع

[1] James A. Samson, David L. Ederer, “Vacuum ultraviolet spectroscopy”, 1st ed., Academic Press, 2000.

[2] S. Gorog, “Ultraviolet-Visible Spectrophotometry in Pharmaceutical Analysis”, CRC Press, 2018.

[3] Michael Thomas, “Ultraviolet and Visible Spectroscopy”, 2nd ed, Wiley India Pvt. Limited, 2008.

[4] prepareyouran.us

[5] http://faculty.sdmiramar.edu/fgarces/labmatters/instruments/uv_vis/cary50.htm

[6] Jaber Yousefi, Seyf, Kazem Tajeian, Eskandar Kolvari,  Nadiya Koukabi, Ardeshir Khazaei,, Mohammad Ali Zolfigo ,“A Green Protocol for the Bromination and Iodination of the Aromatic Compounds using H5IO6/NaBr and H5IO6/NaI in the Water”, Bull. Korean Chem. Soc. 2012.

به این محتوا امتیاز دهید

برای دوستانتان ارسال کنید

برای ثبت نظر ابتدا لاگین نمایید.

ما مشتاق دیدگاه شما هستیم.

مطالب پیشنهادی