روش طیف بینی زیر قرمز (Infra-Red absorption spectroscopy, IR)، با نام متداول IR، یک تکنیک شناخته شده در شناسایی کیفی مواد است. اصطلاح زیر قرمز یا مادون قرمز محدوده وسیعی از طیف الکترومغناطیسی i0.78-1000 µm را پوشش می دهد. در طیف بینی زیر قرمز از عکس طول موج با واحد cm-1 به نام عدد موجی (wave number) استفاده می شود. ناحیه زیرقرمز به سه بخش تقسیم می شود. در جدول زیر محدوده هر کدام از این نواحی که عبارتند از زیر قرمز نزدیک، میانه و دور آورده شده است. مفیدترین ناحیه زیرقرمز بین i670-4000 cm-1 قرار دارد که مربوط به IR متوسط است و بیشترین کاربردهای آنالیزی را دارد.
جدول 1- محدوده طول موجی زیر قرمز نزدیک، زیر قرمز میانه و زیر قرمز دور
| محدوده طول موج (nm) | محدوده طول موج (cm-1) | ناحیه | |
|---|---|---|---|
| 0.78 - 2.5 | 12800 - 4000 | نزدیک (Near) | |
| 2.5 - 50 | 4000 - 200 | میانه (Middle) | |
| 50 -1000 | 200 - 1 | دور (Far) | |
فوتون های کم انرژی ناحیه IR دور فقط می توانند انرژی چرخشی را در مولکول فراهم کنند. بنابراین اندازه گیری جذب در این ناحیه، طیف خالص چرخشی مولکول در حالت گازی را نشان می دهد. در IR میانه یا متوسط انرژی فوتون ها به اندازه ای هست که سبب انتقالات چرخشی و ارتعاشی شود و به همین دلیل طیف چرخشی_ارتعاشی مولکول با جذب در این ناحیه به دست می آید.
اساس اسپکتروسکوپی IR
مشابه همه روش های جذبی در این روش نیز جذب انرژی نورانی توسط الکترون ها در حالت پایه صورت می گیرد که سبب تهییج الکترون ها به تراز بالاتر و حالت برانگیخته می شوند. شدت نور کاهش یافته با گذر از نمونه و جذب توسط اتم ها متناسب با تعداد مولکول های است که طول موج را جذب کرده اند. جذب (Absorbance, A) و عبور (Transmittance, T) با روابط زیر تعریف می شوند:
A=log(I0/I) (1)
T=(I0/I)×100 (2)
با استفاده از قانون بیر-لامبرت رابطه بین شدت نور و غلظت مولکول ها تشریح می شود که با رابطه ساده شده زیر بیان می گردد:
A=log(I0/I)=εbc (3)
که در آن A جذب، I0 شدت نور تابشی از منبع، I شدت نور عبوری از نمونه، ε ضریب جذب مولی، b طول مسیر و c غلظت گونه ها یا مولکول های مورد نظر ست. ضریب جذب مولی از ویژگی های هر مولکول است که به احتمال انجام انتقال الکترونی و مشخصات ساختاری مولکول وابسته است و تابع پارامترهای متغیر در شرایط انجام آنالیز نیست.
با مقدار جذب خوانده شده از دستگاه بر حسب غلظت محلول های استاندارد، می توان منحنی کالیبراسیون رسم کرد و سپس از آن برای اندازه گیری غلظت یک نمونه مجهول استفاده کرد. هنگام آنالیز باید به این نکته توجه شود که محلول های استاندارد و نمونه های مجهول در شرایط یکسانی (طول موج، حلال، دما و pH و .. یکسان) اندازه گیری شوند و گرنه نتایج نادرستی بدست می آید.
دستگاهوری
از نظر دستگاهوری طیف سنج ها به دو دسته تک پرتوی (single beam) و دو پرتوی (double beam) تقسیم می شوند. در نوع تک پرتوی تمام نور فقط از نمونه عبور می کند. این نوع به دلیل ساده بودن سیستم نوری پیچیدگی کمتری داشته و ارزان تر هستند. در نوع دو پرتوی نور قبل از این که به نمونه برسد به دو پرتو مجزا تفکیک می شود تا خواندن منبع و نمونه به طور همزمان انجام می شود. اندازه گیری همزمان نمونه و مرجع سبب می شود تا در کنار سرعت و دقت بالا، نتیجه آنالیز تحت تاثیر نوسانات و تغییرات فرکانس و شدت منبع نور و آشکارساز قرار نگیرد.
دستگاه اسپکتروسکوپی IR باید توانایی ثبت و اندازه گیری جذب و عبور نور در ناحیه زیر قرمز را داشته باشد. مهم ترین اجزا یک دستگاه IR عبارتند از:
منبع تابشی
همانند مشخصات ایده آل منابع نوری، در این روش هم منبع نوری باید شدتی ثابت در محدوده طول موجی مورد نظر با حداقل نویز و پایداری طولانی داشته باشد. منبع نور برای طیف بینی IR از جامدات سرامیکی که به طور الکتریکی حرارت داده شده اند و معمولا دمایی بین ۱۵۰۰ تا ۲۲۰۰ درجه کلوین دارند و از خود یک طیف پیوسته نشر می کنند. دو نوع متداول این منابع عبارتند از: افروزه نرنست (Nernst Glower) و گلوبار (Globar). افروزه نرنست متشکل از اکسید خاک های نادر و گلوبار میله ای از جنس سیلیسیم کاربید است. برای ناحیه IR دور لامپ جیوه با فشار بالا و برای ناحیه IR نزدیک لامپ تنگستن-هالوژن بکار می رود. هم چنین از منابع لیزری مانند لیزر CO2 نیز می توان استفاده کرد.
آشکارساز
به علت انرژی کم فوتون در محدوده طول موجی مادون قرمز، علامت الکتریکی حاصل از یک آشکارساز مادون قرمز کوچک است. برای حل این مشکل از ضرایب تقویتی بزرگی استفاده می شود. دو نوع آشکارساز های حرارتی و آشکارسازی مبتنی بر فوتو رسانشی در طیف بینی IR کاربرد بیشتری دارند.
آشکارساز های حرارتی یا گرمایی (مثل ترموکوپل، بولومتر و ترمیستور) ظرفیت گرمایی بسیار پایینی دارند. این ظرفیت کم سبب می شود که این وسایل بتوانند به تغییرات ناچیز دما پاسخ دهند. عمده ترین مشکل آشکارسازهای حرارتی این است که تحت تاثیر نویز های گرمایی محیطی قرار می گیرند.
ترموکوپل که از قدیمی ترین آشکارسازهای استفاده شده در طیف بینی IR است، شامل اتصال دو فلز (بیسموت و آنتیموان) است که یک فلز به عنوان مرجع و دیگری در مسیر نور قرار داده می شود. این آشکارساز اگرچه بسیار حساس است اما زمان پاسخ بسیار کندی دارد که استفاده از آن را برای دستگاه های تبدیل فوریه محدود می کند.
آشکار ساز های پیزوالکتریک و آشکار ساز های دیود نوری (photodiode) بیشترین کاربرد و حساسیت را در میان دیگر آشکارساز ها دارند. آشکارسازهای پیزوالکتریک از کریستال تری گلیسرید سولفات دوتره شده (deuterated triglycerine sulphate) یا تانتالات لیتیم (LiTaO3) که بین دو الکترود قرار داده شده اند، تشکیل شده است. تحت تاثیر اختلاف پتانسیل کریستال فتوالکتریک می شود و درجه پلاریزه شدن با پرتو تابشی تغییر می کند. بخاطر جرم حرارتی کم، پاسخ خطی و اندازه کوچک، این آشکارسازها برای روش FTIR بسیار مناسب هستند.
فوتو رسانا ها از بلورهای نیمه رسانا مانند سرب، سولفید و ژرمانیم ساخته می شوند. جذب تابش به وسیله این مواد منجر به تحریک الکترون های نارسانا به یک حالت تحریک شده رسانا می شود که سبب افزایش در رسانش یا کاهش در مقاومت حاصل می تواند به آسانی اندازه گیری شود. این تغییر مقاومت به تعداد فوتون هایی که به سطح نیمه رسانا می رسند مرتبط است. حداکثر طول موجی که توسط یک فوتو رسانا می تواند آشکار شود در حدود 5 میکرون است. برای افزایش حساسیت آشکارساز آشکارساز باید در نیتروژن مایع (دمای 77 درجه کلوین) سرد شود.
طیف سنج یا انتخابگر طول موج
مانند بسیاری از طیف سنج ها، روش انتخاب طول موج یا توسط صافی ها (Filters) و یا تکفام ساز ها (مونوکروماتورها) صورت می گیرد. هر کدام از این دو شرایط و اصول خاص خود را دارند و با توجه به شرایط مورد نیاز برای روش طیف سنجی مورد استفاده قرار می گیرند.
به طور کلی صافی ها بخشی از طول موج های حاصل از منبع را عبور داده و برخی دیگر را حذف می کنند. در حالی که تک فام ساز ها با استفاده از عناصری مانند آینه، عدسی، منشور یا توری و دو شکاف برای ورود و خروج نور قابلیت پویش (Scan) طول موج ها و در برخی موارد با تغییر موقعیت یا زاویه یکی از اجزا نوری را به فراهم می آورند. تکفام ساز ها بر مبنای شکست نور، تداخل امواج یا پاشندگی (Dispersion) نور عمل کرده و دارای قدرت تفکیک مناسبی هستند و بیشتر دستگاه های طیف سنجی امروزی نیز بر اساس تک فام ساز ها به بازار ارائه می شوند چون اندازه گیری هم زمان و سرعت بیشتری را برای آنالیز مواد فراهم می کنند.
دستگاه های تک پرتوی که ثبت نقطه به نقطه طیف عبوری را فراهم می کردند جزو اولین دستگاه های تجاری طیف بینی IR بودند. اما خیلی زود دستگاه های دو پرتویی با تک فام سازها کاربرد گسترده ای یافتند. معمولا در این دستگاه ها از یک مونوکروماتور با گریتینگ موتوردار استفاده می شود تا محدوده فرکانسی مورد نظر را اسکن کند. در این نوع دستگاه ها درصد عبور (T) برای هر طول موج با مقایسه نور عبور کرده از دو مسیر مختلف، که یکی از آنها به مرجع و دیگری هم نمونه می تابد، محاسبه می گردد. از این جهت نور منبع بوسیله یک سری آینه ها به دو باریکه مختلف تقسیم شده و یکی از آنها از محفظه نمونه و دیگری هم از محفظه مربوط به مرجع عبور داده می شوند و در نهایت پس از عبور از تک فام ساز به آشکارسازمی رسند. در نتیجه در این نوع دستگاه ها، هر بار که نور به نمونه تابیده می شود، فقط می توان عبور مربوط به یک طول موج را محاسبه نمود و به دست آوردن طیف یک نمونه مستلزم وقت و انرژی بسیار زیادی می باشد.
آنالیز کیفی طیف بینی زیر قرمز (IR)
عمده ترین کاربرد های روش طیف بینی زیر قرمز شامل آنالیز کیفی جهت تشخیص گروه های عاملی و تعیین ساختار گونه های آلی می باشد. طیف IR به طور فاحشی با طیف UV/Vis فرق دارد. پرتو IR انرژی کافی برای انتقالات الکترونی که در UV دیده می شود، را ندارد و به انتقالات ترازهای ارتعاشی و چرخشی محدود می شود.
طیف IR شامل چندین پیک مشخص است که برای ترکیبات مختلف کاملا متفاوت خواهد بود. به همین علت طیف بینی IR ابزار ایده آلی برای شناسایی ترکیبات آلی به شمار می رود.
برای جذب پرتو IR توسط یک مولکول، ارتعاشات و چرخش های مولکول باید سبب تغییر در گشتاور دوقطبی (dipole moment) مولکول شود. اگر فرکانس پرتو تابشی با فرکانس ارتعاشی مولکول تطابق داشته باشد، پرتو نوری جذب شده و سبب تغییر در دامنه ارتعاش مولکولی خواهد شد. در واقع اگر فرکانس تابش با یک فرکانس ارتعاشی طبیعی مولکول دقیقاً جور باشد، یک انتقال خالص انرژی انجام می گیرد.
هر مولکول n اتمی 3n درجه آزادی دارد که شش درجه آزادی مربوط به چرخش و انتقال مولکول هستند و بنابراین یک مولکول غیر خطی 3n-6 درجه آزادی ارتعاشی دارد. مدهای ارتعاشی انواع متفاوتی دارند مانند: کششی (stretching) خمشی (bending) قیچی وار (scissoring) نوسانی (rocking) و پیچشی (twisting). ارتعاشات کششی شامل یک تغییر پیوسته در فاصله بین اتم ها در طول محور پیوند بین دو اتم است. ارتعاشات خمشی با تغییری در زاویه بین دو پیوند مشخص می شود.
در عمل هم طیف IR به صورت سیگنال های جذبی از 3n-6 مد ارتعاشی جداگانه برای یک مولکول مشخص نمی شود، بلکه براثر برهم کنش های افزایشی و کاهشی که منجربه ترکیب ارتعاشات اصلی و فرعی می شود، افزایش یابد. و یا ممکن است به علت تقارن مولکولی، قوانین انتخاب طیف سنجی و محدودیت طیف سنج تعداد خطوط جذبی کاهش یابد. یکی از قوانین انتخاب طیف سنجی تاثیرگذار در جذب IR، تغییر گشتاور دوقطبی مولکول با جذب انرژی ارتعاشی ست. بنابراین با توجه به برهم کنش های افزایشی و قوانین انتخاب در طیف سنجی، طیف دیده شده در جذب IR به صورت باند دیده می شود.
طیف IR در ناحیه i600-1450 cm-1بیشترین پیچیدگی را دارد. این ناحیه مربوط به ارتعاشات کششی و خمشی مولکول است. از آن جایی که هر مولکول الگوی منحصر به فردی در ارتعاشات کششی و خمشی دارد، این ناحیه به ناحیه اثر انگشت (Finger print) معروف است. این ناحیه برای شناسایی ترکیباتی که گروه عاملی یکسان دارند مفید است. به عنوان مثال تمام الکل ها یک پیک پهن و بزرگی در 3000cm-1 دارند اما هر الکلی با تعداد و موقعیت متفاوتی پیک در ناحیه اثر انگشت ظاهر می شود. باندهای جذبی در ناحیه i1450-4000 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی واحدهای دو اتمی ست و به همین علت این ناحیه را فرکانس گروهی (group frequency) می نامند. با توجه به ناحیه فرکانسی هر گروه و طیف IR نمونه، می توان به وجود گروه های عاملی در ساختار مولکولی پی برد. به عنوان مثال هر کدام از گروه های عاملی الکان، الکن، الکل آمین، الدئید، و …. در محدوده عدد موجی ویژه ای ظاهر می شوند. این محدوده ها معمولا به صورت جدول در کتاب های تخصصی و یا به صورت کتابخانه همراه نرم افزار طیف سنج های IR در دسترس هستند. جدول 2 گستره فرکانس و شدت را برای تعدادی از گروه های عاملی متداول نشان می دهد.
جدول 2- گستره فرکانس و شدت را برای تعدادی از گروه های عاملی
| پیوند | گروه عاملی | گستره فرکانس | شدت |
|---|---|---|---|
| C-H | آلکانها | 2970 – 2850 | قوی |
| C-H | آلکین ها | 3300 | قوی |
| C-H | حلقه های آروماتیک | 3100 – 3010 | متوسط |
| 900 – 690 | قوی | ||
| O-H | الکل هاو فنول ها | 3650 – 3590 | متغیر |
| COO-H | کربوکسیلیک اسیدهای تکپاری | 3650 – 3500 | متوسط |
| N-H | آمین ها و آمیدها | 3500 – 3300 | متوسط |
| C=C | آلکن ها | 1680 – 1610 | متغیر |
| C=C | حلقه های آروماتیک | 1600 – 1500 | متغیر |
| آلکین ها | 2260 – 2100 | متغیر | |
| C-N | آمین ها ، امید ها | 1360 – 1180 | قوی |
| نیتریلها | 2280 – 2210 | قوی | |
| C-O | الکل ها، اترها، کربوکسیلیک اسیدها، اترها | 1300 – 1050 | قوی |
| C=O | آلدهیدها ، کتون ها ، کربوکسیلیک اسیدها | 1760 – 1690 | قوی |
| NO2 | ترکیبات نیترو | 1570 – 1500 | قوی |
| 1370 – 1300 | قوی | ||
طیف IR از تمامی حالات نمونه، گاز، مایع و جامد، بدست می آید. مایعات معمولا به صورت یک لایه نازک بین دو صفحه نمکی ( NaCl) که جاذب IR نیست ساندویچ می شوند. اگر حلالی برای حل کردن نمونه جامد به کار رود، باید در خصوص نواحی طیفی که توسط حلال پوشش داده می شود دقت کافی به عمل آید. روش معمول دگر برای نمومه های جامد این است که مقدار مشخصی از نمونه در صفحه نازکی از پتاسیم بروماید (KBr) تحت فشار گنجانده شود و یا با مقدار بسیار کمی از یک مایع غیرفرار مخلوط شده تا به صورت خمیر در آید (که به آن mull گویند) و سپس بین صفحات نمکی قرار بگیرد.
نکات آنالیزی طیف بینی زیر قرمز
- بیشتر برای شناسایی ترکیبات آلی به کار می رود و تنها گونه های معدنی ویژه ای مانند کربنات ها، نیترات ها و سیلیکات ها قابل آنالیز با روش طیف بینی IR هستند.
- آنالیز کمی مستلزم تهیه استاندارد است که معمولا تهیه آنها آسان نیست.
- شیشه تابش IR را جذب می کند و برای سل یا بستر (substrate) نمونه مناسب نیست.
- آب نیز به شدت تابش IR را جذب می کند و برای نمونه های حاوی آب مزاحمت ایجاد می کند.
- فلزات تابش IR را منعکس می کنند و نمی توانند با این روش آنالیز شوند.
- مکمل روش طیف بینی رامان است.
کاربردها طیف بینی زیر قرمز
- متداول ترین و مهم ترین ابزار برای شناسایی ترکیبات آلی
- تعیین گروه های عاملی و تشخیص گونه های حاوی هالوژن ها، فسفر، گوگرد و بور
- کمک به شناسایی و تعیین ساختار گونه های آلی-فلزی
- کمک به شناسایی و تعیین ساختار مولکول های زیستی مثل پروتئین ها، لیپیدها، پپتیدها و نوکلئیک اسید ها
- تعیین ساختار، خواص سطحی، مانیتورینگ واکنش، میزان تخریب (Degradation) و .. در پلیمرها
- کمک در تشخیص برخی بیماری ها به وسیله آنالیز بافت ها
- کاربرد های آنالیزی در صنایع مختلف کشاورزی، غذایی، کاغذ سازی و رنگ سازی
- بررسی نمونه های محیط زیستی برای تشخیص آلودگی های مختلف
- تعیین صحت انجام یک واکنش شیمیایی با توجه به طیف مربوط به محصول ایجاد شده
- تعیین میزان پیشرفت واکنش های مختلف با توجه شدت پیک های مربوط به ماده اولیه در زمان های مختلف پس از شروع واکنش
