طیف بینی مادون قرمز بازتابی کلی تضعیف شده (ATR)

 

 از روش های پرکاربرد و مهم انعکاس داخلی روش طیف بینی مادون قرمز بازتاب کلی تضعیف شده (Attenuated total reflection infrared spectroscopy)  یا طیف بینی مادون قرمز انعکاس کلی تضعیف شده، با نام اختصاری  ATR-IRS، است. این روش در 1960 معرفی شد اما در چند سال اخیر کاربرد گسترده ای پیدا کرده است. به دلیل این کاربرد گسترده این روش با نام روش طیف بینی بازتاب کلی تضعیف شده یا ATR استفاده بیشتری دارد. روش ATR بر اساس پدیده بازتابش داخلی عمل می کند. شمای کلی طیف سنجی ATR در شکل 1 نشان داده شده است.

 مبانی روش ATR

  هنگامی که پرتو نوری از یک محیط پرتراکم تر (ضریب شکست بالاتر) وارد یک محیط با تراکم کمتر (ضریب شکست کمتر) شود، اگر با زاویه بزرگ تر از زاویه بحرانی به سطح مشترک (interface) دو محیط برخورد کند، به محیط با تراکم کمتر وارد نشده و به طور کلی در محیط پرتراکم تر بازتابیده می شود. کسر نور انعکاسی با افزایش زاویه ورودی افزایش می یابد. در مواقعی که زاویه تابش ورودی از زاویه بحرانی بیشتر شود، تمام پرتو ورودی به طور کامل در حد واسط دو محیط بازتابیده می شود که به آن بازتابش داخلی کلی (total internal reflection) می گویند.

  زاویه بحرانی تابعی از ضریب شکست دو محیط (در ATR نمونه و کریستال) است. زاویه بحرانی از رابطه زیر به دست می آید:

(‏1)                      Sinθc=n₁/n₂       n₁>n₂

که در آن θc زاویه بحرانی n₁ ضریب شکست کریستال و n₂ ضریب شکست نمونه است. دقت کنید که n₁>n_2.

عمق نفوذ پرتو به ضرایب شکست دو محیط و طول موج تابش ورودی بستگی دارد و از رابطه زیر محاسبه می شود:

   (‏2)                   dp=λ⁄2π [sin²⁡θ-((n₁⁄n₂ )²) ]^0.5

که در آن dp عمق نفوذ،  θ زاویه تابش، n₁ ضریب شکست کریستال، n₂ ضریب شکست نمونه و ? طول موج پرتو ورودی هستند. توجه کنید که طبق رابطه فوق، عمق نفوذ بر حسب میکرومتر (µm) محاسبه می شود. عمق نفوذ معمولا کمتر از 10µm  است.

در طیف بینی بازتاب کلی تضعیف شده یا ATR کریستالی با ضریب شکست بالاتر از نمونه و با ویژگی عالی در عبور پرتو IR به عنوان عنصر بازتابنده داخلی (internal reflection element) یا همان کریستال ATR  استفاده می شود.  این کریستال باید در تماس نزدیک با نمونه باشد. بازتاب داخلی  کلی پرتو IR در حدواسط نمونه و کریستال یک موج میرا (evanescent wave) ایجاد می کند، که به محیط با ضریب شکست کمتر نفوذ می کند (شکل ‏2).

شکل 2- بازتاب کلی و تشکیل موج میرا در روش طیف سنجی ATR

    موج میرا در امتداد حد واسط دو محیط و در محیط با ضریب شکست کمتر (نمونه) شکل می گیرد. با افزایش فاصله از حد واسط  سطح موج میرا کاهش می یابد. میزان کاهش شدت موج میرا به صورت اکسپونانشیلی از حدواسط دو محیط با رابطه زیر تعریف می شود:

                       (‏3)                [I_ev=I₀ exp[(-z⁄dp

که در آن Z فاصله طبیعی از حدواسط نوری I₀ شدت نور در Z=0 و dp عمق نفوذ هستند.

    دستگاهوری روش ATR

از نظر دستگاهوری طیف بینی بازتاب کلی تضعیف شده کاملا مشابه روش طیف بینی زیرقرمز یا IR است و معمولا به عنوان یک تکنیک نمونه برداری به دستگاه های IR اضافه می شود. نمونه شامل مایع نیمه جامد یا جامد بر روی لایه ای بر روی سطح کریستال ATR قرار داده می شود. زاویه تابشی باید در زاویه ای بیشتر از زاویه بحرانی تابانده شود تا انعکاس کلی در کریستال صورت بگیرد. بقیه اجزا آن اعم از منبع  طیف سنج آشکارساز مشترک هستند. این روش معمولا با دستگاه های FT-IR کوپل می شود. مهم ترین قسمت های روش ATR عبارتند از کریستال ATR  یا عنصر بازتابنده داخلی  و سل نمونه.

    عنصر بازتابنده داخلی

به طور کلی کریستال ATR مورد استفاده باید ضریب شکست بالاتری از نمونه داشته باشد و نسبت به نمونه خنثی (inert) باشد. چند نمونه عنصر بازتابنده داخلی (internal reflection element)، با نام اختصار IRE، یا مواد مورد استفاده در کریستال ATR در جدول ‏1چند نمونه عنصر بازتابنده داخلی به همراه مشخصات فهرست شده اند.

جدول 1 چند نمونه عنصر بازتابنده داخلی به همراه مشخصات

 

سلنید روی (زینک سلنید) یا ZnSe متداول ترین کریستال ATR  است. این کریستال در برار تغییرات شدید pH و معرف های کمپلکس دهنده مانند آمونیاک و EDTA ، به دلیل تشکیل کمپلکس های روی، باید محافظت شود.  بنابراین کریستال سلنید روی برای نمونه های با خاصیت بازی یا اسیدی قوی نباید استفاده شود. ژرمانیم (Ge) ضریب شکست بالایی دارد، بنابراین برای آنالیز نمونه هایی که ضریب شکست بالایی دارند، مناسب است. سیلسیم (Si) سخت، شکننده و از نظر شیمیایی بی اثر است که فقط تحت تاثیر اکسنده های قوی قرار می گیرد.کریستال سیلسیم به خوبی برای تغییرات دمایی مناسب می باشد، چون مقاومت بالایی در برابر شوک های حرارتی دارد.

   سل ATR

دو نوع سل (cell) برای ATR به صورت تجاری در دسترس هستند. ATR تک پرشی (single bounce–ATR) یا تک انعکاسی و ATR چند پرشی (Multi-Bounce ATR) یا چند انعکاسی. در نوع تکی با استفاده از یک منشور فقط یک انعکاس کلی اتفاق می افتد، ولی در نوع چند پرشی با استفاده از منشور های ویژه تا 25 بار انعکاس داخلی امکان پذیر است. شکل ‏6‑3 دو طراحی مختلف از سل طیف سنجی ATR سل چند انعکاسی و تک انعکاسی را نشان می دهد.

نوع  ATR تک پرشی برای نمونه هایی که جذب های قوی دارند، استفاده می شود. اما برای نمونه هایی که جذب های ضعیفی دارند ATR چند پرشی، که با انعکاس های چندگانه سبب ایجاد جذب های قوی تری می شود، بسیار مناسب تر خواهد بود.

طیف سنج های FT-IR که نسبت سیگنال به نویز بزرگی دارند با سل های ATR تک پرشی نیز امکان یک آنالیز مناسب را فراهم می کنند. مزیت اصلی سل تک پرشی مصرف حداقل مقدار نمونه است.

طراح های مختلفی در دستگاه های ATR تا کنون به بازار ارائه شده اند که عبارتند از طراحی سنتی طراحی افقی (horizontal ATR) و طراحی استوانه ای (cylindrical ATR). در طراحی سنتی لایه نازکی از نمونه بر روی وجه عمودی کریستال محکم بسته می شود.  در دستگاه های مدرن تر، طرح افقی یا استوانه ای بیشتر مرسوم هستند. در ATR افقی یا HATR، کریستال در موازات سطح نمونه قرار دارد. HATR برای آنالیز پودر، ورق های نازک، فیلم و مواد نرم مناسب هستند. نوع استوانه ای بیشتر برای مایعات متحرک و سیالات به کار می رود.

شکل 3 دو طراحی مختلف از سل طیف سنجی ATR سل چند انعکاسی و تک انعکاسی

  طیف ATR

تکنیک ATR عموما در ناحیه IR نزدیک (طول موج تقریبی 2.5-0.8 میکرومتر) برای گرفتن طیف جذبی از فیلم های نازک و مواد مات به کار می رود. طیف ATR را می توان با کیفیت بسیار خوبی با طیف سنج های FT-IR به دست آورد. دسترسی سهولت آماده سازی سریع نمونه و اطلاعات مفید برای آنالیز کمی و کیفی نمونه های مختلف روش ATR-FTIR به تکنیکی شناخته شده در جوامع علمی و آزمایشگاهی تبدیل کرده است.

طیف ATR  با اندازه گیری برهم کنش موج میرا با نمونه به دست می آید. اگر یک ماده جاذب در تماس با کریستال ATR قرار بگیرد موج فرار توسط ماده جاذب (نمونه) جذب شده و شدت انعکاس در نواحی طیف IR که جذب موج میرا صورت گرفته است کاهش می یابد (دلیل استفاده از کلمه تضعیف شده). پرتو تضعیف شده بر حسب تابعی از طول موج یک طیف ATR ایجاد می کند. طیف ATR به جز تفاوت شدت باندها در طول موج های بلندتر مشابه طیف جذبی است. این اختلاف نیز در نتیجه وابستگی عمق نفوذ (dp) به طول موج است. در طول موج های بلندتر موج میرا در نمونه بیشتر نفوذ می کند بنابراین طیف جذبی در طول موج های بلندتر نسبتا شدت بیشتری از طول موج های کوتاه تر دارند. گاهی مواقع این جذب بیشتر در طول موج های بلندتر سبب افزایش پهنای پیک یا بدشکلی (distortion) آنها می شود. هم چنین اختلافات کوچکی در نتیجه اثرات پراکندگی (dispersion effects) در طیف های ATR مشاهده شود. عواملی مانند اثرات سطح بین نمونه و کریستال IRE میزان تماس بین نمونه و کریستال بر طیف ATR تاثیر می گذارند.

 نکات آنالیزی روش ATR

• طیف بینی بازتاب کلی تضعیف شده (ATR) یک روش غیرمخرب است.
• ابزار بسیار مفیدی برای مطالعات سطح و نمونه های مات (opaque) و غیر شفاف (non-transparent است.
• تماس مطلوب بین نمونه و سطح کریستال الزامی ست و بر نتایج آنالیز بسیار تاثیرگذار است.
• بعد از انجام آنالیز زدودن نمونه از سطح کریستال الزامی ست.
• آماده سازی نمونه بسیار ساده است. در واقع گفته می شود نیازی به آماده سازی نمونه ندارد.
• نمونه های) نیز قابل آنالیز هستند.
• برای نمونه های جامد باید با فشاردادن نمونه بر سطح کریستال برای ایجاد تماس خوب بین نمونه و کریستال الزامی ست.
• حساسیت این روش 3-4 درجه از روش های عبوری کمتر است.

 کاربردهای روش ATR

• برای گستره وسیعی از مواد شامل پودر ژل خمیر فیلم نازک لایه های سطحی پلیمرها و .. کاربرد دارد.
• یک تکنیک ایده آل برای آنالیز مواد رنگ شده است.
• به علت عمق نفوذ کم در نمونه در نمونه های بیولوژیکی (که حاوی مقادیر زیاد آب هستند) نیز به کار می روند.
• آنالیز جریان های میکروسیالی (microfluidic flows) در میکروکانال ها با روش ATR امکان پذیر است.
• ATR-FTIR ابزاری کاربردی در تحقیقات دارویی برای بررسی تداخلات پروتئین/ دارو محسوب می شود.
• در سال های اخیر روش موفق و رو به رشدی در زمینه های علوم زیستی شیمی آلی شیمی معدنی و کاتالیزها برای آنالیز نمونه های مایع نیمه جامد یا جامد بوده است.
• مطالعه میزان جذب چربی ها و لیپیدها بر روی سطح