اسپکتروسکوپی مادون قرمز

به طور کلی اسپکتروسکوپی یعنی بررسی برهمکنش میان نور و ماده در نتیجه در اسپکتروسکوپی مادون قرمز آنالیز بر اساس برهمکنش میان امواج مادون قرمز و نمونه انجام می­شود. انسان در طول روز هنگامی که نور مستقیما از چشمه و یا پس از بازتاب از اجسام دیگر وارد چشم او شده و اصطلاحا آن­ها را می­بیند، در حال انجام اسپکتروسکوپی است (شکل1). دستگاه اسپکتروسکوپی شامل یک منبع(چشمه نور)، سلول نمونه(جسم) و آشکارساز(چشم) است (شکل2). بیش از 40 نوع روش اسپکتروسکوپی وجود دارد که تفاوت آن­ها در نشری یا جذبی بودن و نوع منبع آن­ها می­باشد. تکنیکی که در این مقاله به آن پرداخته ایم از منبع مادون قرمز استفاده می ­کند. 

ماده چگونه با نور مادون قرمز برهمکنش می­کند؟ 

در مقیاس کوانتومی تمامی سطوح انرژی کوانتیده است و این یعنی یک ماده خاص تنها مقدار خاصی از انرژی را می­تواند جذب کند. نور صورتی از انرژی است که مقدار انرژی آن با استفاده از طول موج آن محاسبه می­شود در نتیجه یک ماده خاص تنها طول موج­های خاصی را می­تواند جذب کند یا نشر دهد. انرژی موج مادون قرمز در حد سطوح انرژی ارتعاشی مولکول­هاست در نتیجه مولکول ها پس از جذب این موج در سطوح ارتعاشی جا به جا می­شوند؛ مثلا با شدت بیشتری در طول پیوند ارتعاش کرده و یا زاویه پیوند آن­ها در بازه بیشتری باز و بسته می­شوند. لازم به ذکر است که هر حرکت ارتعاشی باید باعث تغییر در قطبیت مولکول شود تا در مادون قرمز فعال باشد.

طیف چیست؟

به نمایشی از مقدار جذب نمونه به صورت تابعی از طول موج تابیده شده طیف گفته می ­شود (شکل3). محل دیده شدن پیک به نوع پیوند (یگانه، دوگانه و…)، اتم های درگیر پیوند و نوع ارتعاش بستگی دارد. چرا که طول موجی توسط پیوند جذب می شود که با آن هم انرژی باشد و انرژی یک پیوند مانند یک فنر به سفتی فنر بستگی دارد.در برخی روش­های اسپکتروسکوپی برای رسم طیف از مونوکروماتور استفاده می­ شود تا طول موج مدنظر را از باقی جدا کند. (در شکل2 منشور نقش مونوکروماتور را اجرا می کند) واضح است که برای تولید هر طول موج جدید از پرتوی جدیدی استفاده می­شود (شکل 4) اما در روش IR به دلیل زیاد و نزدیک بودن سطوح انرژی، نویز بسیار زیاد بوده و تکرارپذیری کاهش می­یابد به همین دلیل مونوکروماتور پس از دریافت پرتوی جدید تکرارپذیری مناسبی ارائه نمی­دهد. برای رفع این مشکل از تکنیک تبدیل فوریه استفاده می ­شود.

تبدیل فوریه:

این تبدیل یک عملیات ریاضی است که توضیح آن از حوصله بحث خارج است اما به زبان خیلی ساده می­توان گفت این عملیات ریاضی یک تابع بر حسب زمان را به تابعی بر حسب مکان تبدیل می­ کند. یعنی اگر بتوان طول موج تابیده شده را در طول زمان تغییر داد و جذب را به صورت تابعی از زمان ترسیم کرد با استفاده از تبدیل فوریه می­توان این نمودار را  به طیف تبدیل کرد تا قابل فهم شود.

چگونه می توان عملا طول موج را با زمان تغییر داد؟

تداخل سنج مایکلسون پاسخ مناسبی برای این سوال است.

تداخل سنج مایکلسون

چنانچه در فیلم مشخص است یک پرتوی مادون قرمز وارد تداخل سنج شده و از با استفاده از یک اسپلیتر به دو پرتو تقسیم می­شود علت استفاده از اسپلیتر این است که بتوان دقیقا دو پرتوی یکسان را مورد تداخل قرار دهیم. دو آینه تعبیه شده در انتهای مسیر دو پرتو این پرتو ها را بازتابیده و این دو پرتو دوباره در اسپلیتر تداخل می­کنند. بر اساس تفاوت فاز این دو پرتو زمانی که به یکدیگر می رسند طول موج پرتوی تولید شده تعیین می­شود. با جا به جایی آینه ها در طول زمان پرتویی تولید می­شود که طول موج آن تابعی از زمان است.

دستگاه FTIR

طیف مادون قرمز به سه بخش نزدیک، میانه و دور تقسیم می ­شود که برای تولید هر یک از ماده­ای خاص استفاده می­ شود.

انتخاب ناحیه ای که در آن کار می شود به زمینه کار بستگی دارد. برای کار کردن در این نواحی نیاز به یک دستگاه FTIR و ماژول مربوطه است که شناساگرها و منبع های متفاوتی دارد.

Mid-IR

ناحیه ای که در سمت راست پیک مشاهده می شود (یعنی فرکانس 500 تا 1000)، ناحیه اثر انگشت (Fingerprint region) نام دارد. این ناحیه به دلیل نزدیک بودن و در هم رفتگی پیک ها به تنهایی اطلاعاتی در اختیار ما قرار نمی دهند اما از آنجایی که طیفی که در این ناحیه مشاهده می­شود برای هر ماده یکتاست در صورتی که طیف ماده مورد نظر در دسترس باشد (که در کتابخانه نرم افزار تمامی دستگاه های FTIR طیف تعداد قابل توجهی از مواد وجود دارد) می توان به سادگی وجود یا عدم وجود آن ماده در نمونه را تایید کرد. قسمت دیگر پیک برای پیدا کردن گروه های عاملی ماده مورد آزمایش استفاده می شود. برای این کار پیک های مشاهده شده با جدول مقایسه شده و پیوندهای داخل ماده را شناسایی می شوند. ناحیه تعدادی از پیوندهای پرکاربرد در شکل روبرو نمایش داده شده است.