آنالیز FTIR (طیف سنجی مادون قرمز)

حتما با مطالعه مقالات پیشینِ منتشر شده در این سایت، به اهمیت روش های آنالیز مواد پی برده اید. در این راستا در مقاله حاضر، قصد معرفی آنالیز FTIR یا طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه را داریم.

شاید مطلع باشید که با استفاده از این آزمون می‌توانیم وجود یا عدم وجود و یا تغییر میزان یک پیوند شیمیایی را در ماده مشخص کنیم! شاید از کاربردهای گسترده آنالیز FTIR در رشته‌ها و صنایع مرتبط با شیمی، پلیمر، دارو سازی، مهندسی مواد، فناوری نانو، زیست فناوری و صنایع نفت و گاز با خبر باشید. اما چقدر از مفاهیم پایه و تکنولوژی آن می دانید؟ برای آشنایی بیشتر با این روش آنالیز، با ما همراه باشید.

منظور از طیف سنجی مادون قرمز چیست؟

در ابتدا لازم است بدانید که در آنالیز FTIR، با بررسی برهم کنش موج الکترومغناطیس در محدوده مادون قرمز با نمونه، می توان به ساختار مولکول ها، گروه های عاملی و پیوندهای موجود در نمونه پی برد. انرژی نور مادون قرمز باعث ارتعاش مولکول ها شده و با اندازه گیری فرکانس ارتعاش، ساختار ماده شناسایی می شود. برای درک بیشتر این روش آنالیز، لازم است مفاهیمی را مرور کنیم.

در علم شیمی، تمایل نسبی اتم‌ها به جذب الکترون های پیوندی، الکترونگاتیوی نامیده می شود. در یک مولکول، هرچه الکترونگاتیوی دو اتم درگیر پیوند متفاوت‌تر باشد، ابر الکترونی به صورت نامتقارن بین دو اتم پخش شده و مولکول به اصطلاح «قطبی» می شود.

مولکول های قطبی دارای بار جزئی مثبت در اطراف اتم با الکترونگاتیوی کمتر و بار جزئی منفی در اطراف اتم الکترونگاتیوتر هستند. در نتیجه‌ی این مکانیزم، گشتاور دو قطبی پدید می آید. گشتاور دو قطبی کمیتی برداری است که از حاصل ضرب بار q در فاصله d دو قطبی به دست می آید. جهت بردار گشتاور دو قطبی از بار منفی به سمت مثبت در نظر گرفته می شود.

سفارش تحلیل آنالیز FTIR

شرط جذب انرژی امواج مادون قرمز توسط مولکول ها این است که گشتاور دو قطبی مولکول در حین ارتعاش تغییر کند. به عبارتی دیگر، مولکول هایی که گشتاور دو قطبی داشته باشند، می توانند مقادیر خاصی انرژی جذب کنند تا بردار گشتاور دو قطبی­شان تغییر کرده و پیک های خاصی در طیف آنالیز مادون قرمز تولید کنند.

حال نکته‌ی جالب ماجرا این جاست که همه مولکول های جامد اطراف ما در حال ارتعاش هستند، به جز زمانی که به دمای صفرمطلق برده شوند. این ارتعاشات از نوسان های پیوندهای اتمی ناشی می شوند که برای مطالعه آسان تر آن ها، می توانیم از مدلسازی اتم های درگیر پیوند استفاده کنیم (همانند مدل گلوله و فنر که ساده ترین مدل ارتعاشی مولکول ها همانند باز و بسته شدن فنر متصل به گلوله هاست.)

به طور کلی ارتعاشات مولکولی به دو دسته کششی و خمشی تقسیم می شوند. هر نوع مولکول تعداد معینی مُد ارتعاشی با فرکانسی مشخص دارد. در این میان، ساده ترین مدل ارتعاشات اتمی، ارتعاش مولکول های دو اتمی است که تنها یک حالت کششی دارد.

مولکول های چند اتمی ارتعاشات کششی و خمشی پیچیده تری دارند. در شکل زیر حالات مختلف ارتعاشات مولکول های غیر خطی آب به عنوان نمونه نشان داده شده است.

حالت های ارتعاشی مولکول های آب

اساس کار آنالیز FT-IR

در روش طیف سنجی مادون قرمز، پرتو مادون قرمز (IR) از نمونه عبور می کند. بخشی از آن توسط نمونه جذب و بخشی دیگر از داخل آن عبور می کند. در نتیجه طیف ها بر اساس جذب و عبور IR، خواص مولکول های نمونه را نشان می دهند.

مشابه با اثر انگشت، ساختار مولکولی مواد نیز کاملا منحصر به فرد است. همین شاخصه است که طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه را برای آنالیز انواع مختلف مواد مفید می سازد.

همان طور که پیش تر گفتیم، مولکول ها قادرند دو نوع ارتعاش کششی و خمشی داشته باشند. (که ارتعاش کششی خود به دو صورت متقارن و نامتقارن انجام می شود.) اگر در یک نیم تناوب ارتعاشی کشش نامتقارن رخ دهد، گشتاور دو قطبی در یک جهت تغییر کرده و در جهت گشتاور نیم تناوب دیگر، تغییر ایجاد می شود. بنابراین، گشتاور دو قطبی با فرکانس ارتعاشی مولکول نوسان کرده و باعث ارتقای مولکول به نوار جذبی مادون قرمز می شود. در این حالت، مولکول «فعال مادون قرمز» نامیده می شود. اگر ارتعاش کششی متقارن رخ دهد، تغییر نهایی در گشتاور دو قطبی مولکول ایجاد نشده و به مولکول «غیرفعال مادون قرمز» گفته می شود.

در روند آنالیز FTIR ، برای آن که انرژی مادون قرمز توسط مولکول جذب گردد، باید گشتاور دو قطبی در حین ارتعاش تغییر یابد. به عبارتی دیگر، تغییر انرژی ارتعاشی پیوند در مولکول ها در اثر تابش نور مادون قرمز، روشی کارآمد برای تشخیص گروه های عاملی و ساختار مولکولی محسوب می شود.

تغییر انرژی ارتعاشی موالکول ها با تابش فوتون های مادون قرمز

هر ماده ای در ناحیه ۸ تا ۲۵ میکرومتر، که به ناحیه «اثر انگشت» معروف است، طیف مخصوص به خود را دارد که برای شناسایی گروه های عاملی و پیوندهای تشکیل شده به کار می رود. بنابراین وقتی مولکول ها در معرض تابش نور مادون قرمز قرار می گیرند، تابش را در فرکانس های حالت های ارتعاشی خود جذب می کنند. اندازه گیری جذب تابش مادون قرمز در نمونه ها به عنوان تابعی از فرکانس، طیفی تولید می کند که برای شناسایی گروه های عاملی و ساختار مواد کاربرد دارد.

نقش «تبدیل فوریه» در آنالیز FT-IR چیست؟

برای به دست آوردن طیف تابشی در دستگاه طیف سنجی مادون قرمز، باید تابش را در زمان های مختلف داشته باشیم. در این حالت باید از تمام نقاط نمونه تصویر برداری کنیم، اما در این صورت تغییرات فرکانس خیلی زیاد می شود و هیچ آشکارسازی نمی تواند آن را دنبال کند.

تداخل طیف ها در این دو آینه متحرک و ثابت باعث می شود تا فرکانس خروجی نسبت به فرکانس اولیه نور کاهش بیابد. سپس این پرتوها به نمونه برخورد کرده و شدت نور خروجی محاسبه می شود. توجه داشته باشید که دستگاه تبدیل فوریه فروسرخ نمودار شدت بر حسب زمان را به ما می دهد. اما ما بیشتر علاقمند به نمودار شدت برحسب عدد موج (یا فرکانس) هستیم؛ به همین دلیل یک عمل ریاضی به نام تبدیل فوریه قادر است تا فرکانس های جذب شده را جداکرده و طیف شدت بر حسب زمان را به طیف شدت بر حسب فرکانس تبدیل کند. نمودار نهایی می تواند برحسب شدت جذب و یا عبور ترسیم شود.

نمودار شدت طیف های جذب شده بر حسب عدد موج در آنالیز FTIR

برای مثال، شکل بالا طیف مادون قرمز یک فیلم نازک است که از آنالیز FTIR به دست آمده است. در آن میزان جذب بر حسب عدد موج برای پیوندهای شیمیایی مشخص می شود. عددموج هر پیک معرف یک گروه عاملی خاص است که با مراجعه به مراجع گردآوری شده، نوع ماده و پیوند تشکیل شده مشخص می شود. همچنین شدت پیک ها متناسب با میزان جذب نور توسط پیوندهاست که هرچه پیوند قطبی تر باشد، ارتفاع پیک ها بلندتر خواهد بود.

طیف سنجی مادون قرمز عموما برای کاربردهای کیفی مناسب است. به ویژه برای اثبات عامل دار شدن یا نشدن یک گونه خاص، صحت پوشش ایجاد شده بر سطح با ترکیبی خاص و آلودگی های سطحی به صورت مقایسه طیف ترکیب اولیه و ترکیب عامل دار شده انجام می گردد و تغییرات ظاهر شده مورد بررسی قرار می گیرد.

دستگاه آنالیز FT-IR چگونه کار می کند؟

به طور کلی هدف از اسپکتروسکوپی (طیف سنجی) جذبی اعم از مادون قرمز، ماوراء بنفش، مرئی و سایر اشعه ها، اندازه گیری بالاترین جذب نور در طول موج های مختلف است. راه ساده آن اندازه گیری میزان جذب با تابیدن یک بیم تک فام شده در طول موج مشخصی به یک نمونه و تکرار آن برای دیگر طول موج هاست. البته این نوع برداشت در دستگاه آنالیز FTIR به این سادگی ها نیست!

در دستگاه طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه یا همان FTIR به جای تاباندن یک بیم تک فام به نمونه، یک بیم با هزاران فرکانس یا طول موج مختلف هم­ زمان به نمونه تابیده می شود. سپس میزان جذب و چگونگی آن آنالیز می شود.

در مرحله بعد بیم دیگری با هزاران طول موج دیگر برای تولید نقطه بعدی به نمونه تابانده می شود و این روند چندین بار تکرار می شود. در پایان تمامی این اطلاعات توسط کامپیوتر گردآوری شده و برای تشخیص جذب نمونه در هر نقطه طول موج تحلیل می شود.

در دستگاه آنالیز FTIR ، طیف تابیده شده بر روی یک سیستم اپتیکی متشکل از چندین آینه به نام سیستم «اینترفرومتر میشلسون» که یکی از آینه ها توسط یک موتور در حال حرکت است تابانده می شود. همراه با حرکت این آینه، هر طول موج از نور تابیده شده در آینه، توسط اینترفرومتر متناوباً قطع و وصل می شود. در این پروسه تداخل طول موجی ایجاد شده و بیم خروجی در هر لحظه برآیند دو بیم از آینه ثابت و متحرک است. بدیهی است که این برآیند در هر لحظه بیانگر طول موج خاصی خواهد بود. این رویه تا تولید تمامی طول موج ها و پیمایش تمام بازه طول موجی ادامه پیدا می کند. در پایان یک سیستم کامپیوتری برای پردازش اطلاعات رسیده برای تبدیل اطلاعات خام (میزان جذب به ازای هر موقعیت آینه متحرک) به اطلاعات قابل استفاده (میزان جذب در ازای هر طول موج) مورد نیاز هست.

شماتیک کلی دستگاه طیف سنجی مادون قرمز

اجزای دستگاه آنالیز FT-IR

مهم ترین اجزای دستگاه طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه عبارتند از:

• منبع نور IR (مادون قرمز)

برای سال های متمادی در دستگاه های آنالیز FTIR از منبع نور IR المنتی و یا گرافیتی استفاده می شد. اخیراً منبع نور در این دستگاه ها به نوع سرامیکی تغییر پیدا کرده که نور بسیار ثابتی ارائه می دهد و هم دارای عمر بیشتری است.

• منبع نور لیزر

در دستگاه آنالیز FTIR ، نور لیزر به صورت ثابت در تمام مراحل و فرکانس ها و به خصوص زمانی که آینه متحرک، نور مادون قرمز را با فرکانس های مختلف می سازد به دتکتور تابیده می شود و در زمان محاسبه جذب یا عبور به کار می رود.

• تجزیه کننده نور

این بخش در دستگاه FTIR در واقع یک نیم آینه از جنس Csl و یا نمک KBr و یا CaF2 است. بسته به بازه مورد آنالیز، نوع این نیم آینه انتخاب می شود. مثلاً برای کار در بازه نانومتری ۷۸۰۰ تا ۳۵۰ از ماده  KBr استفاده می شود. وظیفه این بخش فرستادن نور آینه ثابت و متحرک به صورت جداگانه به سمت دتکتور است.

• اینترفرومتر حاوی آینه ثابت و آینه موتور دار

وظیفه این بخش در دستگاه طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز ، تولید نور مادون قرمز در تمامی فرکانس هاست. این بخش از چندین آینه، لنز، نیم آینه تشکیل شده است.

• محفظه نمونه

در این نقطه از دستگاه آنالیز FTIR نمونه مورد آزمون قرار می گیرد. این بخش معمولاً درست قبل از ورود نور به داخل دتکتور و در بین دو آینه «کالیمیتور» قرار دارد. نمونه معمولاً به صورت شفاف در فازهای جامد به صورت فیلم و پلیمر است.

برای آنالیز نمونه در فاز مایع از «سُل مایع» و یا «ژل» استفاده می شود. برای آنالیز گاز از یک سل به شکل بشکه استفاده می شود که گاز داخل آن حبس شده و برای آنالیز جامدات غیر شفاف از وسیله ای به نام اختصاری ATR یا Attenuated total reflectance استفاده می شود.

آماده سازی نمونه

نمونه های جامد به دو شکل پودری و یا ورق مورد استفاده قرار می گیرند. نمونه های ورقه ای شکل بیشتر برای نمونه های پلیمری به کار می رود.

نمونه های مایع و گازی نیاز به آماده سازی خاصی ندارند. اما همان طور که اشاره کردیم، باید در سل های خاصی نگهداری شوند. یک قطره از نمونه مایع بین دو صفحه صیقلی سدیم کلرید یا پتاسیم برمید ریخته فشار کمی اعمال می شود تا لایه نازکی از مایع بین دو صفحه تشکیل شود. نکته مهم این است که از حلال آبی و الکلی به دلیل آن که دارای جذب قوی هستند و به سُل ها آسیب می زنند نمی توان استفاده کرد.

نمونه های گازی به دلیل دانسیته پایین و فاصله مولکولی زیادشان در داخل یک سلول با طول زیاد و تخلیه شده از هوا منبسط می شوند.

تهیه نمونه مناسب برای آنالیز FTIR

کاربردهای آنالیز FTIR

عمده ترین کاربرد های روش طیف سنجی مادون قرمز شامل کاربرد های کیفی جهت تشخیص گروه های عاملی و تعیین ساختار گونه های آلی است. این روش آنالیز کاربرد های فراوان دیگری در بخش های مختلف مثل شیمی، علوم زیستی و دارویی، محیط زیست، پلیمرها، صنایع مختلف، شناسایی مولکول های معدنی، علوم جنایی، هوافضا و در نهایت در زمینه های مختلف علوم و فناوری نانو یافته است. فهرستی از برخی کاربردهای این روش طیف سنجی در ادامه قابل مشاهده است:

• 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 درزمان های مختلف پس از شروع واکنش
• تشخیص وجود پیوند هیدروژنی در محلول های مختلف
• تشخیص عامل دار شدن یک گونه؛ با مقایسه طیف گونه قبل و بعد از فرایند عامل دارکردن
• تشخیص گونه های حاوی هالوژن ها، بور، فسفر و گوگرد
• کمک در تعیین ساختار گونه های هتروسیکل و آلی-فلزی (Organometallic)
• تعیین ساختار پلیمرها و میزان تخریب (Degradation) آن ها
• تعیین صحت پوشش یک سطح به وسیله یک ترکیب خاص
• ارائه اطلاعات ساختاری ارزشمند از مولکول های زیستی مثل پروتئین ها، لیپیدها،پپتیدها و نوکلئیک اسید ها
• کمک در تشخیص برخی بیماری ها به وسیله آنالیز بافت ها
• ارائه اطلاعات ارزشمند در مورد سلول های میکروبی و تمایز آنها از یکدیگر
• کاربرد در برخی آزمایش های بالینی مثل تشخیص گلوکز و اوره در خون
• کاربردهای موردی در صنایع مختلف از جمله: صنایع کشاورزی، غذایی، کاغذ سازی و رنگسازی
• بررسی نمونه های محیط زیستی برای تشخیص آلودگی های مختلف

مزایا و محدودیت های آنالیز FTIR

مهم ترین مزایای این روش آنالیز عبارتند از:

• سرعت بالا: به دلیل اندازه گیری هم زمان تمام فرکانس ها اندازه گیری های آنالیز FTIR در چند ثانیه انجام می شود.
• حساسیت مطلوب: حساسیت آنالیز FTIR بالاست. آشکارسازهای مورد استفاده در آن بسیار حساس بوده و عملکرد اپتیکی بالایی دارند که باعث می شود پارازیت های به وجود آمده بسیار کاهش یابند.
• عملکرد مکانیکی ساده: آینه ی متحرک در تداخل سنج تنها قسمت متحرک دستگاه است؛ بنابراین احتمال ازکارافتادگی مکانیکی دستگاه بسیار کم است.
• کالیبراسیون ذاتی: این وسیله از لیزر  He-Ne  به عنوان استاندارد کالیبراسیون داخلی استفاده می کند که به هیچ وجه نیاز به کالیبره کردن توسط اپراتور ندارد.

از محدودیت های این روش نیز مواد زیر را می توان نام برد:

• حساسیت سطحی محدود
• کمینه سطح انالیز ۱۵ میکرومتری
• اطلاعات محدود در خصوص مواد غیر آلی
• معمولا غیر کمی (نیازمند به استاندارد)

استاندارد های مهم آنالیز FTIR

استانداردهای مختلفی برای بررسی ساختار و خصوصیات پلیمر و افزودنی های آن توسط  آنالیز FTIR موجود است که به عنوان مثال می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• استاندارد ASTM-D2124
• استاندارد ASTM-D3594
• استاندارد ASTM-D5477
• استاندارد ASTM-D5576

جمع بندی

همان طور که در این مقاله بررسی شد، آنالیز FT-IR روشی سودمند برای شناسایی ترکیبات آلی و معدنی و گروه های عاملی آنهاست. با استفاده از این روش حتی می ‌توان پیوندهای کووالانسی لیگاندهای فلزی را شناسایی کرد. در پایان این نکته قابل ذکر است که حدود ۹۵ درصد کاربرد این دستگاه کیفی بوده که از روی محل پیک های نمودار صورت می‌گیرد.

منابع

• عبدالرضا سیم چی، خدیجه خدرلو، مسعود وصالی ناصح “روشهای شناسایی و مشخصه یابی مواد” ، چاپ اول ۱۳۹۲ ، نشر دانشگاهی کیان
• فرزاد حسینی نسب، محسن افسری ولایتی ” علوم و فناوری نانو (روش های مشخصه یابی)” چاپ اول، تابستان۱۳۹۴ ، نشر کوچک آموز