تحليل FTIR

تحليل FTIR

تحليل FTIR(مطياف الأشعة تحت الحمراء)

بقراءة المقالات السابقة المنشورة على هذا الموقع ، يجب أن تكون قد أدركت أهمية أساليب تحليل المواد. في هذا الصدد ، في هذه المقالة ، نعتزم تقديم تحليل FTIR أو التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه.

قد تعلم أنه باستخدام هذا الاختبار يمكننا تحديد وجود أو غياب أو تغيير كمية الرابطة الكيميائية في المادة! قد تكون على دراية بالتطبيقات الواسعة لتحليل FTIR في المجالات والصناعات المتعلقة بالكيمياء والبوليمر والمستحضرات الصيدلانية وهندسة المواد وتكنولوجيا النانو والتكنولوجيا الحيوية وصناعات النفط والغاز. ولكن ما مدى معرفتك بمفاهيمها الأساسية وتقنياتها؟ لمعرفة المزيد حول طريقة التحليل هذه ، ابق معنا.

ما المقصود بالتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء؟

بادئ ذي بدء ، من الضروري معرفة أنه في تحليل FTIR ، من خلال فحص تفاعل الموجة الكهرومغناطيسية في نطاق الأشعة تحت الحمراء مع العينة ، من الممكن فهم بنية الجزيئات والمجموعات الوظيفية والروابط في العينة. تتسبب طاقة ضوء الأشعة تحت الحمراء في اهتزاز الجزيئات ، ومن خلال قياس تردد الاهتزاز ، يتم تحديد بنية المادة. لفهم طريقة التحليل هذه بشكل أفضل ، من الضروري مراجعة بعض المفاهيم.

في الكيمياء ، يُطلق على الميل النسبي للذرات لجذب إلكترونات الرابطة، كهرسلبیة. في الجزيء ، تكون الكهرسلبیة لذرتين متورطتين في الرابطة أكثر اختلافًا ، حيث تنتشر سحابة الإلكترون بشكل غير متماثل بين الذرتين ويصبح الجزيء ما يسمى “قطبي”.

الجزيئات القطبية لها شحنة موجبة جزئية حول الذرة الأقل كهرسلبية وشحنة جزئية سالبة حول الذرة الأكثر كهرسلبية. نتيجة لهذه الآلية ، يتم إنشاء عزم دوران ثنائي القطب. العزم ثنائي القطب هو كمية متجهة يتم الحصول عليها من منتج حاصل ضروب الشحنة q بمسافة d ثنائي القطب. يُنظر إلى اتجاه متجه عزم الدوران ثنائي القطب من الشحنة السالبة إلى الجانب الموجب.

شرط امتصاص الجزيئات لطاقة الأشعة تحت الحمراء هو أن العزم ثنائي القطب للجزيء يتغير أثناء الاهتزاز. بعبارة أخرى ، يمكن للجزيئات التي لها عزم ثنائي القطب أن تمتص كميات معينة من الطاقة لتغيير متجه العزم ثنائي القطب وإنتاج قمم معينة في طيف تحليل الأشعة تحت الحمراء.

الشيء المثير للاهتمام الآن هو أن كل الجزيئات الصلبة من حولنا تهتز ، إلا عندما يتم نقلها إلى درجة حرارة الصفر المطلق. تأتي هذه الاهتزازات من تذبذبات الروابط الذرية ، والتي لتسهيل الدراسة ، يمكننا استخدام نمذجة الذرات المشاركة في الرابطة (مثل نموذج الكرة والربيع ، وهو أبسط نموذج اهتزازي للجزيئات مثل فتح وإغلاق الربيع المتصل بالكرة.)

بشكل عام ، تنقسم الاهتزازات الجزيئية إلى فئتين: التمدد والانحناء. يحتوي كل نوع من الجزيئات على عدد معين من أوضاع الاهتزاز بتردد معين. وفي الوقت نفسه ، فإن أبسط نموذج للاهتزازات الذرية هو اهتزاز الجزيئات ثنائية الذرة ، والتي لها وضع تمدد واحد فقط.

تمتلك الجزيئات متعددة الذرات اهتزازات تمدد وانحناء أكثر تعقيدًا. في الشكل أدناه ، يتم عرض حالات الاهتزاز المختلفة لجزيئات الماء غير الخطية علی سبیل المثال.

الأنماط الاهتزازية لجزيئات الماء

أساس تحليل FT-IR

في التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ، يمر ضوء الأشعة تحت الحمراء (IR) عبر العينة. يتم امتصاص جزء منه بواسطة العينة ويمر جزء آخر من خلاله. نتيجة لذلك ، تُظهر الأطياف خصائص جزيئات العينة بناءً على امتصاص الأشعة تحت الحمراء ونقلها.

على غرار بصمات الأصابع ، فإن التركيب الجزيئي للمواد فريد تمامًا أيضًا. هذه الميزة هي التي تجعل التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه مفيدًا لتحليل أنواع مختلفة من المواد.

كما قلنا سابقًا ، الجزيئات قادرة على نوعين من اهتزازات التمدد والانحناء. (يتم تنفيذ اهتزاز التمدد بطريقتين متماثلتين وغير متماثلتين.) إذا حدث التمدد غير المتماثل في نصف فترة اهتزاز ، تتغير العزم ثنائي القطب في اتجاه واحد ويتم إجراء تغيير في اتجاه لحظة النصف الآخر- فترة. لذلك ، تتأرجح العزم ثنائي القطب مع التردد الاهتزازي للجزيء وتتسبب في انتقال الجزيء إلى نطاق امتصاص الأشعة تحت الحمراء. في هذه الحالة ، يسمى الجزيء “نشط الأشعة تحت الحمراء”. في حالة حدوث اهتزاز التمدد المتماثل ، لا يتم إنشاء التغيير النهائي في العزم ثنائي القطب للجزيء ويسمى الجزيء “الأشعة تحت الحمراء غير النشطة”.

في عملية تحليل FTIR ، لكي يمتص الجزيء طاقة الأشعة تحت الحمراء ، يجب أن تتغير العزم ثنائي القطب أثناء الاهتزاز. بمعنى آخر ، يعد تغيير الطاقة الاهتزازية للروابط في الجزيئات بسبب إشعاع ضوء الأشعة تحت الحمراء طريقة فعالة للكشف عن المجموعات الوظيفية والبنية الجزيئية.

تغيير الطاقة الاهتزازية للجزيئات بإشعاع فوتونات الأشعة تحت الحمراء

كل مادة لها طيفها الخاص في منطقة 8-25 ميكرومتر ، والمعروفة باسم منطقة “بصمات الأصابع” ، والتي تستخدم لتحديد المجموعات الوظيفية والروابط المتكونة. لذلك عندما تتعرض الجزيئات لضوء الأشعة تحت الحمراء ، فإنها تمتص الإشعاع عند ترددات حالاتها الاهتزازية. ينتج عن قياس امتصاص الأشعة تحت الحمراء في العينات كدالة للتردد طيفًا يستخدم لتحديد المجموعات الوظيفية وهيكل المواد.

ما هو دور “تحويل فورييه” في تحليل FT-IR؟

للحصول على طيف الإشعاع في مطياف الأشعة تحت الحمراء ، يجب أن نحصل على الإشعاع في أوقات مختلفة. في هذه الحالة ، يتعين علينا تصوير جميع نقاط العينة ، ولكن بعد ذلك تصبح تغييرات التردد كبيرة جدًا ولا يمكن لأي اكتشاف متابعتها.

يؤدي تداخل الأطياف في هاتين المرآتين المتحركتين والثابتتين إلى انخفاض تردد الخرج مقارنة بالتردد الأولي للضوء. ثم تضرب هذه الأشعة العينة ويتم حساب شدة الضوء الناتج. لاحظ أن تحويل فورييه للأشعة تحت الحمراء يعطينا كثافة مقابل مخطط زمني. لكننا مهتمون أكثر برسم الشدة من حيث عدد الموجة (أو التردد) ؛ لهذا السبب ، فإن عملية رياضية تسمى تحويل فورييه قادرة على فصل الترددات الممتصة وتحويل شدة الطيف من حيث الوقت إلى طيف الشدة من حيث التردد. يمكن رسم الرسم البياني النهائي من حيث شدة الامتصاص أو النقل.

مخطط شدة الأطياف الممتصة وفقًا لرقم الموجة في تحليل FTIR

على سبيل المثال ، الشكل أعلاه هو طيف الأشعة تحت الحمراء لطبقة رقيقة تم الحصول عليها من تحليل FTIR. في ذلك ، يتم تحديد مقدار الامتصاص من حيث عدد الموجات للروابط الكيميائية. يمثل رقم الموجة لكل قمة مجموعة وظيفية محددة ، والتي يتم تحديدها من خلال الإشارة إلى المراجع المجمعة ونوع المادة والرابطة المتكونة. أيضًا ، تتناسب شدة القمم مع كمية امتصاص الضوء بواسطة الروابط ، فكلما زادت الرابطة القطبية ، ارتفع ارتفاع القمم.

يعد التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء مناسبًا بشكل عام للتطبيقات النوعية. على وجه الخصوص ، لإثبات ما إذا كان نوع معين يعمل أم لا ، فإن صحة الطلاء الذي تم إنشاؤه على السطح مع تركيبة محددة والتلوث السطحي تتم من خلال مقارنة طيف التكوين الأساسي والتركيب الوظيفي ، والتغييرات التي تظهر يتم التحقيق فيها.

كيف يعمل محلل FT-IR؟

بشكل عام ، الغرض من مطياف الامتصاص (التحليل الطيفي) ، بما في ذلك الأشعة تحت الحمراء ، والأشعة فوق البنفسجية ، والأشعة المرئية وغيرها ، هو قياس أعلى امتصاص للضوء بأطوال موجية مختلفة. الطريقة البسيطة هي قياس مقدار الامتصاص عن طريق تسليط حزمة أحادية اللون بطول موجي معين لعينة وتكرارها لأطوال موجية أخرى. بالطبع ، هذا النوع من الحصاد في محلل FTIR ليس بهذه البساطة!

في مطياف فورييه أو FTIR ، بدلاً من تشعيع شعاع واحد للعينة ، يتم تشعيع شعاع بآلاف الترددات أو الأطوال الموجية المختلفة للعينة في نفس الوقت. ثم مقدار الامتصاص وكيف يتم تحليله.

في الخطوة التالية ، يتم تشعيع شعاع آخر بآلاف الأطوال الموجية الأخرى للعينة لإنتاج البقعة التالية ، وتتكرر هذه العملية عدة مرات. في النهاية ، يتم جمع كل هذه المعلومات بواسطة الكمبيوتر وتحليلها لاكتشاف امتصاص العينة عند كل نقطة طول موجي.

في محلل FTIR ، يتم تشعيع الطيف المنبعث على نظام بصري يتكون من عدة مرايا تسمى نظام “مقياس التداخل Michelson” ، أحدها يتحرك بواسطة محرك. جنبًا إلى جنب مع حركة هذه المرآة ، يتم مقاطعة كل طول موجة من الضوء المشع في المرآة بالتناوب ويتم توصيلها بواسطة مقياس التداخل. في هذه العملية ، يتم إنشاء تداخل الطول الموجي ويكون شعاع الخرج في أي لحظة ناتجًا عن حزمتين من المرآة الثابتة والمتحركة. من الواضح أن هذه النتيجة ستمثل طولًا موجيًا معينًا في أي لحظة. يستمر هذا الإجراء حتى يتم إنتاج جميع الأطوال الموجية ويتم مسح نطاق الطول الموجي بالكامل. أخيرًا ، هناك حاجة إلى نظام كمبيوتر لمعالجة البيانات المستلمة لتحويل البيانات الخام (معدل الامتصاص لكل موضع مرآة متحرك) إلى معلومات قابلة للاستخدام (معدل الامتصاص لكل طول موجة).

التخطيطي العام لمطياف الأشعة تحت الحمراء

مكونات محلل FTIR

أهم مكونات مطياف الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه هي:

• مصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء (الأشعة تحت الحمراء)

لسنوات عديدة ، تم استخدام مصادر ضوء الأشعة تحت الحمراء الأولية أو الجرافيتية في أجهزة تحليل FTIR. في الآونة الأخيرة ، تم تغيير مصدر الضوء في هذه الأجهزة إلى نوع سيراميك يوفر ضوءًا ثابتًا للغاية وله عمر أطول.

• مصدر ضوء الليزر

في جهاز التحليل بتقنية FTIR ، يتم تثبيت ضوء الليزر على الكاشف في جميع المراحل والترددات ، خاصة عندما تقوم المرآة المتحركة بإنتاج ضوء الأشعة تحت الحمراء بترددات مختلفة ، ويتم استخدامه عند حساب الامتصاص أو الإرسال.

•  مقسم ضوئي

هذا الجزء في جهاز FTIR هو في الواقع نصف مرآة مصنوعة من ملح Csl أو KBr أو CaF2. اعتمادًا على الفاصل الزمني الذي تم تحليله ، يتم تحديد نوع نصف المرآة هذا. على سبيل المثال ، يتم استخدام مادة KBr للعمل في نطاق 7800-350 نانومتر. تتمثل مهمة هذا القسم في إرسال ضوء المرآة الثابتة والمتحركة بشكل منفصل إلى الكاشف.

• مقياس تداخل يحتوي على مرآة ثابتة ومرآة آلية

تتمثل مهمة هذا القسم في مطياف تحويل فورييه بالأشعة تحت الحمراء في إنتاج ضوء الأشعة تحت الحمراء بجميع الترددات. يتكون هذا الجزء من عدة مرايا وعدسات ونصف مرايا.

• غرفة العينة

في هذه المرحلة ، يتم اختبار العينة بواسطة محلل FTIR. يقع هذا القسم عادة قبل دخول الضوء للكاشف وبين مرآتي “الموازاة”. عادة ما تكون العينة شفافة في المراحل الصلبة على شكل أغشية وبوليمرات.

يستخدم “محلول سائل” أو “جل” لتحليل العينات في المرحلة السائلة. لتحليل الغاز ، يتم استخدام خلية على شكل برميل ، يتم فيها احتجاز الغاز ، ولتحليل المواد الصلبة غير الشفافة ، يتم استخدام جهاز يسمى ATR أو (یا Attenuated total reflectance) الانعكاس الكلي المخفف.

إعداد عينة

تستخدم العينات الصلبة في شكلين: مسحوق أو ورقة. تستخدم العينات على شكل ورقة في الغالب لعينات البوليمر.

لا تحتاج العينات السائلة والغازية إلى تحضير خاص. لكن كما ذكرنا ، يجب حفظها في زنازين خاصة. تُسكب قطرة من العينة السائلة بين لوحين مصقولين من كلوريد الصوديوم أو بروميد البوتاسيوم ، ويتم الضغط قليلاً لتكوين طبقة رقيقة من السائل بين الصفيحتين. النقطة المهمة هي أنه لا يمكن استخدام المذيبات المائية والكحولية لأنها تتمتع بامتصاص قوي وتضر بالخلايا.

بسبب كثافتها المنخفضة والمسافة الجزيئية الكبيرة ، تتوسع العينات الغازية داخل خلية طويلة مستنفدة للهواء.

تحضير عينة مناسبة لتحليل FTIR

تطبيقات تحليل FTIR

تشمل التطبيقات الرئيسية لطريقة التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء تطبيقات نوعية لاكتشاف المجموعات الوظيفية وتحديد بنية الأنواع العضوية. وجدت طريقة التحليل هذه العديد من التطبيقات الأخرى في مختلف المجالات مثل الكيمياء والعلوم البيولوجية والصيدلانية والبيئة والبوليمرات والصناعات المختلفة وتحديد الجزيئات المعدنية والعلوم الجنائية والفضاء وأخيراً في مختلف مجالات العلوم وتكنولوجيا النانو. يمكن الاطلاع على قائمة ببعض تطبيقات طريقة التحليل الطيفي أدناه:

• تحديد صحة تفاعل كيميائي ؛ وفقًا لمجموعة المنتجات التي تم إنشاؤها
• تحديد معدل تقدم التفاعلات المختلفة. وفقًا لشدة القمم المتعلقة بمواد البداية في أوقات مختلفة بعد بدء التفاعل
• الكشف عن وجود روابط هيدروجينية في محاليل مختلفة
• تحديد تنشيط الأنواع بمقارنة طيف الأنواع قبل وبعد عملية التفعيل
• الكشف عن الأنواع المحتوية على الهالوجينات والبورون والفوسفور والكبريت
• تساعد في تحديد هيكل الأنواع الحلقية غير المتجانسة والعضوية المعدنية.(Organometallic)
• تحديد بنية البوليمرات ومعدل تحللها (Degradation)
• تحديد دقة تغطية السطح بواسطة تركيبة معينة
• توفير معلومات هيكلية قيمة للجزيئات البيولوجية مثل البروتينات والدهون والببتيدات والأحماض النووية.
• المساعدة في تشخيص بعض الأمراض عن طريق تحليل الأنسجة
• توفير معلومات قيمة عن الخلايا الميكروبية وتمايزها عن بعضها البعض
• التطبيق في بعض الفحوصات السريرية مثل الكشف عن الجلوكوز واليوريا في الدم
• تطبيقات الحالة في الصناعات المختلفة ، بما في ذلك: الصناعات الزراعية والغذائية والورقية والطلاء
• فحص العينات البيئية لكشف الملوثات المختلفة

مزايا وقيود تحليل FTIR

من أهم مزايا طريقة التحليل هذه:

• السرعة العالية: نظرًا للقياس المتزامن لجميع الترددات ، يتم إجراء قياسات تحليل FTIR في بضع ثوانٍ.
• الحساسية المثلى: حساسية تحليل FTIR عالية. الكاشفات المستخدمة فيه حساسة للغاية وذات أداء بصري عالٍ ، مما يجعل التداخلات المتولدة تتناقص كثيرًا.
• عملية ميكانيكية بسيطة: المرآة المتحركة في مقياس التداخل هي الجزء المتحرك الوحيد للجهاز ؛ لذلك ، فإن احتمال حدوث عطل ميكانيكي للجهاز منخفض للغاية.
• المعايرة الجوهرية: يستخدم هذا الجهاز ليزر He-Ne كمعيار معايرة داخلي لا يحتاج إلى معايرته من قبل المشغل على الإطلاق.

يمكن ذكر المواد التالية من بين قيود هذه الطريقة:

• حساسية سطحية محدودة
• الحد الأدنى لمستوى التحليل 15 ميكرومتر
• معلومات محدودة عن المواد غير العضوية
• عادة غير كمي (يتطلب التوحيد)

إستنتاج

كما نوقش في هذه المقالة ، يعد تحليل FT-IR طريقة مفيدة لتحديد المركبات العضوية وغير العضوية ومجموعاتها الوظيفية. باستخدام هذه الطريقة ، من الممكن تحديد الروابط التساهمية للروابط المعدنية. في نهاية هذه النقطة ، تجدر الإشارة إلى أن حوالي 95٪ من استخدام هذا الجهاز النوعي يعتمد على موقع القمم في الرسم البياني.

مصادر

• عبد الرضا سمشي ، خديجة خضرلو ، مسعود فاسالي نصح “طرق تحديد وتوصيف المواد” ، الطبعة الأولى 2012 ، مطبعة جامعة كيان.
• فرزاد حسيني نصاب ، محسن أفساري ولايتي “علوم وتكنولوجيا النانو (طرق التوصيف)” الطبعة الأولى ، صيف 2014 ، دار كوخ أموز للنشر

جمیع التحلیلات