ویژه های مهامکس

تفسیر طیف‌های حاصل از FTIR چگونه انجام می شود

تاریح انتشار:۳۰ تیر ۱۴۰۰
تعداد بازدید:

تفسیر طیف‌های حاصل از FTIR

تفسیر طیف‌‌های FTIR و به طور کلی تفسیر نظری ارتعاشی مولکولی کار ساده‌ای نیست. این کار مستلزم دانش نظریه تقارن دانش نظریه تقارن و نظریه ریاضی گروه است تا به کمک آن بتوان همه‌ی نوارهای ارتعاشی طیف را به طور دقیق بررسی کرد.

به منظور تعیین مشخصات مواد، می‌توان طیف‌های ارتعاشی را با روش‌های نسبتا ساده‌ای بدون نیاز به پیش‌زمینه نظری گسترده، تفسیر کرد. در اینجا به بررسی داده‌های حاصل از طیف‌سنجی FTIR، روش‌های ساده کیفی تفسیر طیف‌های ارتعاشی و همچنین مزایا، محدودیت‌ها، انواع اطلاعاتی که می‌توان از طیف‌سنجی مواد با تکنیک FTIR بدست آورد، و همچنین کاربرد طیف‌سنجی FTIR پرداخته شده است.

داده‌های حاصل از طیف‌سنجی FTIR

اطلاعات به دست آمده از طیف‌سنجی FTIR، به صورت فرکانس ارتعاشی بر حسب زمان است و منحنی حاصل را «اینترفروگرام» نام دارد که در ادامه با استفاده از فرمول‌های تبدیل فوریه، تبدیل به طیف جذب یا عبور ماده می‌شود. طیف حاصل نشانگر درصد جذب یا درصد عبور برحسب عدد موج است.

نمونه یک اینترفروگرام

شکل ۱ – نمونه یک اینترفروگرام (بخش بالای تصویر) که بعد از عملیات ریاضی تبدیل فوریه، به طیف (بخش پایین تصویر) تبدیل می‌شود.

به طور کلی تعداد بخش‌های جذبی در ناحیه فروسرخ به خاطر تعداد بالای ترازهای ارتعاشی و جهش‌های انجام شده، از تعداد بخش‌های جذبی در ناحیه فرابنفش و مرئی بیشتر است. بنابراین طیف مواد در این ناحیه، پیچیده‌تر است. به طور مثال، برای یک مولکول آروماتیک مثل بنزن، حدود ۳۰ نوار جذبی وجود دارد. به علاوه وجود پیوندهای هیدروژنی در نمونه سبب پیدایش نوارهای پهن در طیف می‌شود.

اطلاعات قابل استخراج از طیف‌سنجی FTIR

از طیف‌سنجی FTIR معمولا برای شناسایی ماهیت شیمیایی پیوندها و همچنین تشخیص درصد پیوندها استفاده می‌شود. به طور مثال، پیک‌های بلندتر نشانگر درصد بیشتر حضور پیوند مربوط به آن پیک در ساختار است؛ به علاوه تیزتر بودن پیک هم نشانگر نظم بیشتر در ساختار شیمیایی ماده است. در این نوع طیف‌سنجی، از طریق سنجش جابه‌جایی پیک‌ها، حذف برخی پیک‌ها، ایجاد برخی پیک‌های جدید و کم و زیاد شدن پیک‌ها در طول انجام برخی فرایندها روی مواد، می‌توان تغییرات ساختاری و انواع جانشینی‌ها را بررسی کرد.

آنالیز FTIR

نحوه تفسیر طیف‌های FTIR مواد مختلف

پیوندهای مختلف و گروه‌های عاملی مختلف در عدد موج‌های متفاوتی از جذب یا عبور نشان می‌دهند. بنابراین در وهله اول باید بررسی کنیم که طیف ماده مورد نظر وجود یا عدم وجود چه گروه‌های عاملی و چه پیوندهایی را نشان می‌دهد. برای شناسایی گروه‌های مختلف، می‌توان از منابع معتبری استفاده کرد که دارای جداولی هستند که در آن‌ها موقعیت ارتعاش پیوندهای مختلف را در طول موج یا عدد موج گزارش کرده باشند (جدول ۱). همچنین درمورد مواد آلی باید ابتدا فهرستی از گروه‌ها و ساختارهای محتملی که دارد داشته باشیم، سپس طیف را با داده‌های معتبری که جمع‌آوری کردیم، تطبیق دهیم. همچنین از دیگر منابع معتبر برای تحلیل طیف‌های FTIR، می‌توان به مقالات معتبری اشاره کرد که در پایگاه‌های داده وجود دارند. ششاز نتایج حاصل از FTIR، می‌توان برای آنالیزهای کیفی و آنالیزهای مقداری استفاده کرد. البته برای انجام آنالیزهای مقداری، باید از طیف جذبی استفاده کرد، زیرا پیک‌های طیف عبوری به طور خطی با غلظت تناسب ندارند. در این مقاله به روش‌های کمی پرداخته نمی‌شود.

جدول ۱ – نمونه‌ای داده‌های مرجع که نواحی پیک گروه‌های عاملی مختلف در عدد موج نشان داده است.

نمودار داده های مرجع

همچنین این جداول برای کاربردهای خاصی هم توسعه یافته اند. به طور مثال برای شناسایی باکتری‌های مختلف، یکی از روش‌ها، بررسی طیف‌های FTIR آن‌ها است. برای نمونه در جدول ۲ نمونه‌ای از این جدول‌های داده مخصوص باکتری شناسی را دیده می‌شود.

جدول ۲ – نمونه‌ای داده‌های مرجع که نواحی پیک گروه‌های عاملی مختلف باکتری‌ها را در عدد موج مشخص نشان داده است.

نمونه‌ای داده‌های مرجع که نواحی پیک گروه‌های عاملی مختلف باکتری‌ها

روش‌های کیفی

مقایسه طیف ماده مورد نظر با آنچه در منابع معتبر وجود دارد، ساده‌ترین روش تفسیر طیف‌های حاصل از FTIR است. اگر طیف نمونه در تمامی عدد موج‌ها پیک یکسانی با طیف مرجع داشت، آن نمونه را می‌توان شناسایی کرد. برای مقایسه طیف‌ها، ناحیه‌ی واقع در زیر ۱۲۰۰ cm اهمیت زیادی دارد، و معروف به «ناحیه اثر انگشت» است. علت این موضوع این است که نواحی مربوط به عدد موج نسبتا پایین، نشانگر نوارهای ارتعاشی حاوی قسمت‌های بزرگ مولکول‌ها و بلورها هستند. موقعیت‌ها و شدت نوارها در این نواحی نسبت به تغییرات شیمیایی کوچکتر حساس هستند.

برای مقایسه طیف مورد نظر با طیف مرجع، باید شرایط زیر برقرار باشد، در غیر این صورت طیف‌ها قابل مقایسه نیستند:

  • طیف‌های نمونه و مرجع باید در حالت فیزیکی یکسانی باشند؛ مثلا هر دو طیف از ماده جامد باشد.

بسامدهای ارتعاشی مواد در حالت جامد، معمولا پایین‌تر از بسامدهای ارتعاشی در حالت مایع است. در مواردی برخی از پیک‌های نمونه جامد، در نمونه‌های مایع و گازی دیده نمی‌شود.

  • برای طیف‌سنجی نمونه و مرجع باید از روش یکسانی استفاده شده باشد؛ مثلا برای آماده‌سازی نمونه به منظور طیف‌سنجی نمونه و مرجع از روش و مواد (مثلا KBr) یکسانی استفاده شود.

کاربردهای معمولی مقایسه طیف‌ها شامل تشخیص این می‌شود که آیا مواد سنتز شده با مواد متناظر طبیعی خود یکسان هستند یا خیر و همچنین تعیین ثبات و پایداری مواد در دوره زمانی‌های خاص یا شرایط خاص است.

مزایا طیف‌سنجی FTIR

طیف‌سنجی FTIR یک تکنیک مشخصه‌یابی غیرمخرب است، همچنین سرعت و حساسیت بالایی دارد؛ به طوری که بسامدها همزمان با هم و در طول چند ثانیه اندازه‌گیری می‌شود. از نظر مکانیکی و تجهیزات روش ساده‌ای به حساب می‌آید؛ به طور کلی فقط یک قسمت متحرک دارد و بنابراین احتمال شکست مکانیکی کمتر است. به طور کلی در این روش نسبت سیگنال به نویز کم است. همچنین کالیبراسیون به صورت داخلی صورت می‌گیرد؛ این کار با استفاده از لیزر نئون-هلیم انجام می‌شود و دیگر نیاز به کالیبراسیون خارجی ندارد.

محدودیت‌های طیف‌سنجی FTIR

از محدودیت‌های این روش می‌توان به احتمال تداخل نواحی و پیک‌های جذب برای چند گروه عاملی مختلف که همزمان در ماده حضور دارند، اشاره کرد. همچنین درمورد بسیاری از نمونه‌ها اطلاعات عنصری کمی فراهم می‌شود. نمونه باید در ناحیه IR فعال باشد، در حالی که حلال پس‌زمینه یا ماتریس جامد باید نسبت به پرتو IR شفاف باشد و جذبی نداشته باشد. همچنین به دست آوردن طیف پس‌زمینه، دشوار است.

کاربردهای طیف‌سنجی FTIR

معمولا از طیف‌سنجی FTIR برای شناسایی مواد ناشناخته، و همچنین تائید انجام واکنش‌های طراحی شده در تحقیقات استفاده می‌شود؛ به طور مثال، درمواردی است که یک ماده را با روش‌های شیمیایی اصلاح می‌کنیم؛ مثلا زمانی که می‌خواهیم زنجیره‌های یک پلیمر آبگریز را آبدوست کنیم؛ یا برعکس زنجیره‌های یک پلیمر آبدوست را تا حدی آبگریز کنیم. در این مواقع برای اینکه مطمئن باشیم که آن اصلاح شیمیایی انجام شده؛ به عبارت دیگر گروه‌های عاملی مورد نظر روی ساختار ماده قرار گرفتند، می‌توانیم از ماده طیف IR بگیریم و آن را در نواحی مرتبط با آن گروه عاملی خاص بررسی کنیم و ببینیم که آیا اصلاح شیمیایی به خوبی انجام شده است یا خیر.  بنابراین به طور کلی، زمانی که می‌خواهیم بررسی کنیم که در طول روند سنتز یک ماده، آیا هویت ماده تغییر کرده و یا اینکه در برخی موارد که اصلاح شیمیایی انجام می‌شود، آیا به خوبی انجام شده است یا خیر، می‌توان از طیف‌سنجی FTIR استفاده کرد. همچنین درمواردی که قصد داریم درصد و میزان مولفه‌های تشکیل‌دهنده یک ماده را بررسی کنیم، از نتایج حاصل از طیف‌سنجی FTIR استفاده می‌کنیم.

از دیگر مواردی که از طیف‌سنجی FTIR استفاده می‌شود، عبارت است از: مشخص کردن کیفیت یا ثبات یک ماده، تحقیقات دارویی و غذایی، بررسی‌های پزشکی قانونی، مشخصه‌یابی‌های ساختاری پلیمرها، بررسی‌های کنترل کیفیت، و آنالیز کیفیت آب و محیط زیست.