مبانی و اصول طیف بینی مولکولی

 شما می توانید مطالب علمی و کاربردی خود را در زمینه آنالیز مواد از طریق آنالیوم به اشتراک بگذارید

مطالب ارسالی بر اساس درخواست شما در بخش علمی آموزشی یا دانلودهای تخصصی قرار داده می شود. جهت کسب اطلاعات با ما تماس بگیرید

   به طور کلی روش های طیف بینی مولکولی (Molecular Spectroscopy) با روش های متنوع آزمایشگاهی در نواحی ویژه طیف امواج الکترومغناطیس اطلاعات ساختاری بسیار مفیدی از قبیل: طول و پیوندها، ترازهای انرژی الکترونی، آرایش هسته، چرخش مولکول ها و .. را فراهم می کنند. هم چنین طیف های مولکولی برای تعیین انواع خواص مولکولی مانند ممان دوقطبی و درجه آزادی کوانتومی مولکول نیز استفاده می شود. ضمن این که طیف بینی مولکولی در علوم مختلف مانند اخترفیزیک، مطالعات زیست محیطی، بررسی شیمیایی واکنش ها، زیست شناسی، پزشکی و تمامی گرایش های علم و فناوری که نیاز به بررسی دقیق ساختار میکروسکوپی مولکول دارد، کاربرد وسیعی دارد.

اصول طیف بینی مولکولی

   اساس کلیه روش های طیف بینی و طیف سنجی برهم کنش نور با ماده است. این برهم کنش ها شامل جذب، نشر و پراکندگی است. در طیف بینی اتمی کلیه این برهم کنش ها به انتقالات انرژی بین ترازهای الکترونی مرتبط است. در طیف بینی مولکولی علاوه بر انتقالات بین ترازهای الکترونی، انتقالات بین ترازهای ارتعاشی و چرخشی نیز صورت می گیرد. در نتیجه طیف های مولکولی پیچیده تر از طیف های اتمی بوده و شامل اطلاعات مربوط به ساختار مولکولی و استحکام پیوندهای بین اتمی نیز هستند. شکل 1 ترازهای الکترونی، ارتعاشی و چرخشی و انتقالات انرژی بین آنها را نشان می دهد.

طیف بینی مولکولی-ترازهای الکترونی، ارتعاشی و چرخشی و انتقالات انرژی بین آنها-آنالیوم

شکل 1- ترازهای الکترونی، ارتعاشی و چرخشی و انتقالات انرژی بین آنها

   انرژی هر فوتون به فرکانس یا طول موج آن فوتون وابسته است و از رابطه زیر بدست می آید:

Ephoton=hν=hc/λ                                                      (1)

که در آن h  ثابت پلانک، c ثابت سرعت نور، ν فرکانس و  λ طول موج فوتونی هستند.

بنابر این، انرژی لازم برای انتقال بین دو تراز انرژی i و f از رابطه زیر بدست می آید:

ΔEphoton=Ei-E                                                   (2)

   که در آن Ei انرژی سطح i و Ef  انرژی سطح f را نشان می دهند. علامت اختلاف انرژی  نشان می دهد که این انتقال به صورت نشر فوتونی صورت گرفته یا جذب فوتونی. نکته کلیدی در این انتقالات این است که هر مولکولی فقط طول موج هایی جذب می کند که مطابق اختلاف انرژی بین ترازهای انرژی آن مولکول باشد. بنابراین طیف مولکولی هر ماده ای ویژه بوده و می توان اطلاعات دقیق ساختاری در مورد ماده مورد نظر را از آن استخراج کرد.

انواع طیف مولکولی

طبق تقریب بورن-اوپنهایمر انرژی کل یک مولکول از مجموع انرژی الکترونی، ارتعاشی و چرخشی آن بدست می آید:

(3)                                                       E=Eel+Evib+Erot

     که در آن Eel انرژی الکترونی، Evib انرژی ارتعاشی و Erot انرژی چرخشی ست. اختلاف انرژی برای تهییج الکترونی، ΔEel=hνel، طبق این تقریب بسیار بزرگتر از  اختلاف انرژی برای ارتعاش مولکولی، ΔEvib=hνvib، است.  و البته   هر دو انرژی الکترونی و ارتعاشی  هم بزرگتر از اختلاف انرژی برای چرخش مولکولی، ΔErot=hνrot،هستند.

el>>hνvib>>hνrot                                                                                (4)

طیف های مولکولی با توجه به اندازه و مقیاس انرژی انتقالات به سه دسته کلی تقسیم می شوند:طیف های الکترونی، طیف های ارتعاشی و طیف های چرخشی.

طیف چرخشی

  در نتیجه انتقالاتی هستند که بین ترازهای چرخشی در یک تراز ارتعاشی  دریک تراز الکترونی ثابت روی می دهند. یعنی انتقالات صرفا مربوط به دو تراز چرخشی هستند و حین این انتقالات فقط عدد کوانتومی چرخشی تغییر می کند. معمولا انتقالات ترازهای انرژی چرخشی در ناحیه طیفی مادون قرمز دور و مایکروویو قرار می گیرند.

طیف ارتعاشی

   به این طیف ها طیف چرخشی-ارتعاشی نیز می گویند چون این طیف از انتقالات بین یک تراز چرخشی از یک تراز ارتعاشی به تراز چرخشی یک تراز ارتعاشی دیگر در همان تراز الکترونی مربوط می شود. یعنی دو تراز چرخشی و ارتعاشی تغییر می کنند در صورتی که تراز الکترونی تغییری نمی کند به عبارتی، اعداد کوانتومی ارتعاشی و چرخشی تغییر می کند و عدد کوانتومی تراز الکترونی ثابت می ماند. این انتقالات در ناحیه طیفی مادون قرمز قرار می گیرند و از خطوط طیفی زیادی که بسار به هم نزدیک هستند تشکیل می شوند و به همین دلیل بیشتر به صورت باند دیده می شوند.

طیف الکترونی

در نتیجه انتقالاتی هستند که بین ترازهای چرخشی تراز های متفاوت ارتعاشی  بین دو تراز الکترونی مختلف روی می دهند. حین این انتقالات کلیه اعداد کوانتومی چرخشی، ارتعاشی و الکترونی تغییر می کند. انتقالات ترازهای الکترونی به ناحیه طیفی UV-Vis مرتبط هستند. جدول 1 نوع انتقالات، محدوده طول موجی، فرکانس و شرط انجام این انتقالات را نشان می دهد.

جدول 1- انواع انتقالات مولکولی به همراه محدوده فرکانسی و طول موجی و شرط انجام هر کدام

نوعانتقالاتطول موج (cm-1)فرکانس (هرتز)شرط
الکترونیبین ترازهای الکترونیفرابنفشفرابنفشوجود یک کروموفور در مولکول
4000015^10*1.2
الکترونیبین ترازهای الکترونیمرئیمرئیوجود یک کروموفور در مولکول
2000014^10*6
ارتعاشی وبین ترازهای ارتعاشیمادون قرمزمادون قرمزممان دوقطبی مولکول طی ارتعاش باید تغییر کند
ارتعاشی-چرخشی100013^10*3
بین ترازهای چرخشیمایکروویومایکروویومولکول باید ممان دوقطبی دایمی داشته باشد.
طیف چرخشی1011^10*3
رزونانس اسپینبین ترازهای انرژی مغناطیسی هسته110^10*3تعداد الکترون فرد در مولکول
الکترون (ESR)
رزونانس مغناطیس هسته ای (NMR)بین ترازهای انرژی مغناطیسی هسته0.0178^10*5هسته اسپین صفر نداشته باشد

دستگاهوری

   دستگاهوری کلی برای تمام این روش ها به ترتیب شامل: منبع تابش، وسایل نوری برای تفکیک و جداسازی فرکانس ها، آشکار ساز، تقویت کننده پالس و ثبات  است. از آن جایی که هر روش در طیف بینی مولکولی دستگاهوری خاص خود را در هر قسمت دارد، دستگاهوری هر روشی در قسمت مربوطه بحث خواهد شد.  در تمامی این روش ها شدت پیک های در یک طیف به به سه عامل عمده بستگی دارد که عبارتند از: احتمال گذارهای کوانتومی، جمعيت ترازها ( براساس توزيع آماری بولتزمن) و مقدار ماده ( آناليت) که در مسير طيف سنج  قرار دارد.

تفاوت طیف سنجی و طیف بینی

    طیف سنجی یا اسپکترومتری (Spectrometry) و طیف بینی یا اسپکتروسکوپی (Spectroscopy) در بسیاری از مواقع  معادل هم به کار می روند. در بیشتر منابع فارسی هم واژه طیف سنجی برای هر دو واژه به کار رفته است. اما دقت شود که اگرچه در برخی موارد جایگزینی آنها اهمیت چندانی ندارد اما این دو معنای متفاوتی دارند. طبق تعریف آیوپاک (http://goldbook.iupac.org/S05848.html) طیف سنجی یا اسپکترومتری اندازه گیری تابش الکترومغناطیس به منظور به دست آوردن اطلاعات در مورد سیستم مورد مطالعه است در واقع طیف سنجی روشی برای بدست آوردن اطلاعات کمی از طیف الکترومغناطیسی ست. در صورتی که طیف بینی یا اسپکتروسکوپی علم مطالعه برهم کنش بین ماده و انرژی تابشی ست.

   برای روش های مولکولی معمولا از واژه طیف بینی یا اسپکتروسکوپی استفاده می شود. برای روش های جرمی هیچ گاه از واژه طیف بینی استفاده نشده و فقط از واژه طیف سنجی استفاده می شود. برای روش های اتمی هر دو واژه به کار برده می شود.

منابع و مراجع روش های طیف بینی مولکولی

وب سایت های تخصصی روش های طیف بینی مولکولی

http://www.analyticalspectroscopy.net

http://www.spectroscopynow.com

http://www.spectroscopyonline.com

http://www.s-a-s.org

https://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi

 

ژورنال های تخصصی روش های طیف بینی مولکولی

Journal
Journal of Molecular Spectroscopy
SpectrochimicaActa Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy
Applied Spectroscopy Reviews
Spectroscopy Letters
Journal of Applied Spectroscopy
Optics and Spectroscopy
Biomedical Spectroscopy and Imaging
Canadian Journal of Analytical Sciences and Spectroscopy
Journal of Spectroscopy
Spectroscopy and Spectral Analysis
Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
Annual Reports on NMR Spectroscopy
Journal of Magnetic Resonance
Solid State Nuclear Magnetic Resonance
Magnetic Resonance in Chemistry
Magnetic Resonance in Medicine
Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine
Magnetic Resonance in Medical Sciences
Journal of Raman Spectroscopy
Vibrational Spectroscopy
Journal of Near Infrared Spectroscopy
Luminescence
Journal of Luminescence

کتاب های تخصصی روش های طیف بینی مولکولی

Atomic and Molecular Spectroscopy,  Rita Kakkar, Cambridge University Press, 2015.

Fundamentals of Molecular Spectroscopy,  Colin N. Banwell, Elaine M. McCash, 4th Edition, Mcgraw-Hill College, 1994.

 Optical Spectroscopy: Methods and Instrumentation’s, Nikolai V. Tkachenko,1th Edition , 2006, Elsevier Science.

Principles of Instrumental Analysis,  Douglas A. Skoog , F. James Holler, Stanley R. Crouch 6th Edition, 2006, Cengage Learning.

Basic Atomic and Molecular Spectroscopy,  J. M. Holl, Royal society of chemistry, 2002.

Comprehensive Analytical Chemistry, S. Ahuja, N.  Jespersen, vol 47, 2005, Elsevier publisher.

Nuclear Magnetic Resonance, G.A.M. Webb (ed.), Royal Society of Chemistry, United Kingdom, 2008.

NMR Spectroscopy Explained: Simplified Theory, Applications and Examples for Organic Chemistry and Structural Biology, N. E. Jacobsen- Wiley press- USA 2007.

Basic One- and Two-dimensional NMR Spectroscopy, second edition by H. Friebolin, VCH, 1993.

Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications, B. Stuart, 2004 John Wiley & Sons, Ltd.

Practical Raman Spectroscopy: An Introduction, P. Vandenabeele, John Wiley & Sons, 2013.

Modern Raman spectroscopy: A practical approach, E. Smith, G. Dent, John Wiley & Sons, 2013.

 

 

مقالات مرتبط

2 Comments

Avarage Rating:
  • 0 / 10
  • Marzieh , دی 22, 1397 @ 6:04 ب.ظ

    مطالب شما خیلی مفید و کاربردی است

    • analium , دی 22, 1397 @ 6:15 ب.ظ

      ممنون. از رضایت مندی شما بسیار خوشحالیم.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *