طیف­ سنجی ارتعاشی مادون قرمز (Infrared Spectroscopy) (بخش اول)

مقدمه

یکی از چالش­ های پیشروی پژوهشگران در صنایع پلیمری، شناسایی پلیمرها و سنتز آن­ها از طریق مهندسی­ معکوس است. برای شناسایی پلیمرها، روش­ ها و آنالیزهای متفاوتی وجود دارد که برخی از آن­ها زمان­بر­ و با صرف هزینه زیاد هستند. یکی از روش­ های قابل اعتماد، کم­ هزینه و زمان پاسخ اندک برای شناسایی پلیمرها، طیف­ سنجی مادون ­قرمز است. در طیف­ سنجی ارتعاشی مادون قرمز دو روش عمده FT-IR و ATR برای بررسی ترکیب­ های شیمیایی وجود دارد. در این مقاله معرفی و بررسی فرآیندهای دستگاهی طیف­ سنجی ارتعاشی مادون­ قرمز شرح داده می­ شوند.

طیف ­سنجی ارتعاشی مادون قرمز

طیف­ سنجی ارتعاشی مادون قرمز یکی از پرکاربردترین روش­ ها در شناسایی کیفی ترکیب­ های آلی و معدنی (آلی-فلزی) و شناخت ساختار مولکولی آن­ها است. به­ دلیل وجود گروه ­های عاملی متفاوت در ترکیب­ های شیمیایی، جذب تابش مادون­ قرمز در فرکانس­ های متفاوتی انجام می­ شود. ازینرو، با طیف­ سنجی مادون­ قرمز قادر خواهیم بود به ساختار مولکول‌ها، گروه‌های عاملی و پیوندهای موجود در نمونه پی ببریم. هر ترکیبی، طیف مادون­ قرمز مخصوص به خود (همانند اثر انگشت) را دارد که مختص همان مولکول است. از آنجاکه هر ترکیب و مولکولی گروه­ های عاملی و نوع پیوند­های خاص خود را دارد، بنابراین، دو ترکیب متفاوت طیف مادون قرمز دقیقا مشابه هم ندارد. ناحیه طیف مادون­ قرمز برای دستگاه طیف­ سنجی ارتعاشی از امواج الکترومغناطیسی در محدوده 700 نانومتر تا 1 میکرومتر است. این امواج، طول موجی بالاتر از نور مرئی دارند (شکل 1).

شکل 1 نواحی طیف الکترومغناطیس مادون قرمز [1].

فرآیند جذب نور مادون قرمز

هنگامی که مولکول تحت تابش مادون­ قرمز قرار می­ گیرد، به حالت برانگیخته با انرژی بالاتر می ­رود. جذب تابش مادون­ قرمز مانند هر پدیده جذب دیگر، یک فرآیند کوانتومی است (یعنی مقدار و اندازه مشخصی دارد)، بدین صورت که فقط فرکانس­ های مشخص از تابش مادون­ قرمز توسط مولکول جذب می ­شوند. تابشی که دارای چنین انرژی است، فرکانس­ های ارتعاش کششی و خمشی اکثر مولکول­ ها در پیوندهای کوالانسی را شامل می­ شود. در فرآیند جذب، فرکانس­ هایی از تابش مادون قرمز که با فرکانس­ های ارتعاشی مولکول مورد نظر یکسان هستند، جذب خواهند شد و انرژی جذب شده باعث افزایش دامنه حرکت پیوندها در مولکول به صورت ارتعاشی می‌شود.

در مجموع ارتعاش­ های مولکولی به دو دسته کششی و خمشی دسته ­بندی می‌شوند. هر مولکولی تعداد معینی شیوه ارتعاشی با فرکانس مشخص دارد. ارتعاش مولکول‌های دو اتمی که تنها یک حالت کششی دارند، ساده‌ترین مدل ارتعاشی است. مولکول‌های چند اتمی ارتعاش­ های کششی و خمشی پیچیده‌تری دارند که در شکل ۲ انواع مختلف ارتعاش­ های مولکول‌های غیرخطی نشان داده شده­ اند. در طیف مادون­ قرمز تنها پیوندهایی که دارای گشتاور دو قطبی (نامتقارن) هستند، توانایی جذب تابش مادون قرمز را دارند. پیوندهای متقارن، مانند پیوندهای موجود در مولکول­ های O₂ یا Br₂، قادر به جذب تابش مادون قرمز نیستند. آلکن­ ها و آلکین­ های متقارن نیز دارای این­چنین پیوندهای متقارن هستند. ازینرو، بررسی طیف مادون­ قرمز آن­ها تا اندازه ­ای مشکل و غیرکاربردی است.

شکل 2 ارتعاش­ های مولکولی در مولکول‌های غیرخطی [2].

طیف­ های مادون­ قرمز گرافیت و گرافن­ اکسید در شکل 3  با یکدیگر مقایسه شده ­اند. همانطور که مشاهده می­ شود، گروه­ های عاملی موجود در مواد ذکر شده در فرکانس ­های مشخص ظاهر شده­ اند. برای ترکیب گرافن­ اکسید که دارای گروه­ های عاملی کربونیل ­دار (مانند گروه­ های کربوکسیلی، کتونی و یا آلدهیدی) و گروه­ های هیدروکسی (-OH) است، طیف مادون­ قرمز آن نسبت به طیف گرافیت دارای پیک­ های بیشتری است.

شکل 3 مقایسه طیف جذبی مادون­قرمز گرافن اکسید و گرافیت [3].

به ­طور­کلی، فرکانس هر پیک در طیف مادون­ قرمز برای گروه­ های عاملی، بستگی به قدرت و قطبیت پیوند و همچنین جرم اتم­ ها دارد. قدرت پیوند معیاری از مرتبه پیوند (پیوند یگانه، دوگانه یا سه­ گانه) است. به ­عنوان مثال، پیوند دوگانه آلکنی در فرکانس 1400 ظاهر می­ شود، درحالی­که پیوند سه­ گانه در ترکیب­ های آلکینی در فرکانس  2100  خود را نشان می­ دهد. قطبیت پیوند بستگی به اختلاف الکترونگاتیوی دو اتم در پیوند دارد. هرچه پیوند قطبی­ تر باشد فرکانس کششی بیشتر است. از طرفی، هرچه جرم اتم ­های یک پیوند بیشتر باشد، فرکانس ارتعاشی در طیف مادون­ قرمز کمتر می­ شود. ازینرو، بررسی طیف مادون­ قرمز پیوندهای فلزی در ترکیب­ های معدنی با فلزهای سنگین مانند طلا یا روتنیوم پیچیده است. همچنین، قطبیت پیوند همراه با غلظت نمونه، دو عامل اثرگذار در شدت پیک­ ها در طیف مادون­ قرمز هستند.

انواع طیف­ سنجی مادون­ قرمز

در طیف­ سنجی ارتعاشی مادون قرمز دو روش عمده برای بررسی طیف ترکیب­ های شیمیایی وجود دارد. روش اول، طیف­ سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه یا FT-IR است. این روش مقدار جذب نور توسط یک نمونه را در هر طول موج اندازه­ گیری می­ کند. در طیف­ سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه به ­جای تاباندن یک پرتو تک­ فام به نمونه، یک پرتو با هزاران فرکانس با طول موج مختلف همزمان به نمونه تابیده می­ شود و میزان جذب و برهمکنش آن با نمونه بررسی می­ شود. این روش، مفیدترین و کاربردی­ ترین شیوه دستگاهی برای شناسایی مولکول­ های آلی و تعیین ماهیت گروه­ های عاملی موجود در ساختار نمونه است. در شکل 4، طیف مادون ­قرمز تبدیل فوریه اسید استئاریک و پیک­ های مربوط به گروه ­های عاملی این ترکیب مشاهده می­ شوند.

شکل 4 طیف مادون­ قرمز تبدیل فوریه اسید استئاریک [4].

یکی دیگر از روش های پرکاربرد و مهم در طیف­ سنجی ارتعاشی مادون قرمز روش طیف بینی بازتاب کلی تضعیف شده یا ATR است. این روش بر اساس پدیده بازتابش داخلی عمل می­ کند. روش ATR به­ طور معمول برای گرفتن طیف جذبی از فیلم­ های نازک و مواد مات به کار می­ رود.

گردآورنده: جمال الدین شاکری/ واحد تحقیق و توسعه

مراجع

[1] https://mobilephysiotherapyclinic.in/infrared-radiation-therapy

[2] https://www.researchgate.net/figure/FTIR-spectra-of-a-graphite-b-GO_fig5_320223103

[3] https://nanoclub.ir/

[4] https://www.researchgate.net/figure/FT-IR-spectra-of-the-stearic-acid-black-and-indium-tin-stearate-red-The-assignments_fig1_271640564