آنالیز FTIR

آنالیز FTIR

آنالیز سنجش مادون قرمز تبدیل فوریه (FOURIER TRANSFORM INFRARED SPECTROMETER-FTIR) که به آنالیز FTIR معمولا برای بررسی پیوندهای شیمیایی و گروه‌های عاملی استفاده می‌شود. با استفاده از این آزمون (FTIR) می‌توان وجود یا عدم وجود و یا تغییر میزان یک پیوند را در ماده مورد بررسی مشخص کرد. از این رو آزمون و آنالیز FTIR کاربرد گسترده ای در رشته‌ها و صنایع مرتبط با شیمی، پلیمر، دارو سازی، مهندسی مواد، فناوری نانو، زیست فناوری، آب و محیط زیست و صنایع نفت و گاز را دارد.

با برخورد پرتوی مادون قرمز به نمونه در آنالیز FTIR چه اتفاقی می افتد؟ درک طیف سنجی مادون قرمز نیازمند دانش پایه در مورد رفتار ارتعاشی مولکول ها است. انرژی یک مولکول دو یا چنداتمی، مجموع چهار انرژی الکترونی، ارتعاشی، چرخشی و انتقالی می باشد. حالت عادی ارتعاشات مولکولی تضمین می کند که مولکول، بدون تغییر مرکز ثقل خود، در موقعیت تعادلی خود ارتعاش کند. هر نوع مولکول تعداد مشخصی شیوه ارتعاشی دارد که هر شیوه نیز دارای فرکانس خاص خود است. مولکول های دو اتمی فقط یک حالت کششی وجود دارد. با این حال برای مولکول های چند اتمی پیچیده تر است. در یک مولکول سه اتمی که با دو پیوند با هم مرتبط هستند، چهار حالت ارتعاشی وجود دارد. دو حالت کششی (stretching) و دو حالت خمشی (bending). انواع ارتعاشات در شکل زیر نشان داده شده است. در ارتعاش کششی که دارای دو حالت متقارن و نامتقارن است، فاصله بین دو اتم در امتداد یک خط مستقیم به یکدیگر نزدیک و یا دور می شود و در حالت خمشی زاویه بین پیوند اتمی تغییر می نمایند.

در میان کلیه حالت های ارتعاش معمول در مولکول، تنها بعضی از آنها توسط طیف سنجی مادون قرمز FTIR قابل تشخیص هستند. به این حالت های ارتعاش، مادون قرمز فعال می گویند. در فرآیندهای جذب، بسامدهایی از پرتوی فروسرخ که با بسامدهای ارتعاش طبیعی مولکول نمونه و مجهول تطبیق نماید، جذب خواهد شد و انرژی جذب شده برای افزای دامنه ی حرکت ارتعاش پیوند موجود در مولکول، به کار گرفته می شود. البته در نظر گرفته شود تنها آن دسته از پیوندهایی که دارای گشتاور قطبی می باشند، قابلیت جذب پرتوی فروسرخ را دارند. نکته اساسی در این تکنیک ناشی از این است که هیچگاه دو مولکول با ساختمان اتمی متفاوت، جذب فروسرخ یکسانی ندارند. از این رو می توان طیف فروسرخ را پدیده ای منحصر به فرد در شناسایی گروه های عاملی، پیوندها و ساختمان مولکولی دانست. در حقیقت در این روش هر پیوند یک پیک منحصر به فرد دراد که می تواند همانند اثر انگشت برای شناسایی آن به کاربرده شود.

با توجه به مقدار بالای ترازهای ارتعاشی و جهش های انجام شده بین آنها، تعداد بخش های جذبی در ناحیه فروقرمز از تعداد آنها در ناحیه فرابنفش و مرئی نیز بیشتر بوده و طیف اجسام در این ناحیه پیچیده تر می باشد. اطلاعات به دست آمده به صورت فرکانس ارتعاشی بر حسب زمان می باشد و منحنی حاصل اینترفروگام نام دارد که در ادامه با استفاده از فرمول های ریاضی موسوم به تبدیلات فوریه تبدیل به طیفی می گردد. طیف حاصل نشان دهنده درصد جذب یا عبور پرتو بر حسب طول موج است. در شناسایی گروه ها، با مراجعه به جداول مربوطه که موقعیت ارتعاش پیوندهای مختلف را نشان می دهند، طول موج یا عدد موج گروه ها و پیوندها قابل شناسایی است. برای مثال جذب در طول موج ۳۴۰۰ نانومتر مربوط به ارتعاش کشش پیوند C-H،  جذب بین ۵۰۰۰ تا ۶۸۰۰ نانومتر مربوط به پیوند سه گانه و جذب بین ۵۰۰۰ تا ۶۵۰۰ نانومتر مربوط به پیوند دوگانه آن می باشد. فاصله بین عدد موج های ۲۷۰۰ تا ۳۷۰۰ مربوط به جذب هیدروژن است. گروه های N-H در ۱۵۷۰ و ۳۳۵۰ از خود جذب نشان می دهند. نمونه ای از جواب دستگاه FTIR در شکل زیر نشان داده شده است.

پس از دریافت نتیجه تفسیر آن باید انجام شود. اگر برای شناسایی یک مایع یا جامد خالص، آنالیز FTIR را انجام داده اید می توانید از نرم افزارها یا HandBook of FTIR استفاده کنید. ولی اگر ترکیب شما خالص نیست و ترکیبی از چندین ماده است، تفسیر دشوار می شود و نیاز به شناخت حدودی ماده و کمک گرفتن از دیگر آنالیزها دارید. هر پیک مربوط به یک پیوند می باشد و جهت صحت تشخیص حضور یک ماده، لازم است پیک های مربوط به تمام پیوندهای ماده در آن پیدا شوند. گاهی دو یا چند پیک مربوط به یک پیوند در طیف FTIR دیده می شود. یکی از پرکاربردترین استفاده از این آنالیز برای آنالیز مواد عامل دار شده یا اصلاح شده یا تشخیص اتصال و بارگذاری داروها و ترکیبات گیاهی است. با مقایسه طیف مواد قبل و بعد از اصلاح سطحی می توانید از موفقیت آمیز بودن فرآیند خود مطمئن شوید. همچنین می توانید از مفسران مهامکس برای تحلیل آنالیز خود استفاده کنید. برای این منظور درخواست خود را در بخش تحلیل ثبت بفرمایید.

توانایی‌های آنالیز FTIR

• نمونه ها: جامدات، مایعات، پودرها، فاز گاز
• تعیین غلظت محلول ها
• مطالعات رهایش دارو
• تشخیص آلودگی ها و ناخالصیهای آلی ( ذرات، پسماندها و …)
• مشخصه یابی و تشخیص مواد آلی (جامدات، پودرها، فیلم ها و مایعات)
• محاسبه میزان کمی O و H در سیلیکون و H در ویفرهای SiN (یعنی Si-H و N-H)
• توانایی تشخیص گروه های عاملی آلی و غالباً عناصر آلی مشخص
• منابع وسیع برای شناسایی ترکیب توسط طیف
• شرایط محیطی (غیر خلا، مناسب برای عناصر فرّار)
• معمولا غیر مخرب
• کمینه سطح آنالیز (۱۵ میکرومتر)
• بررسی خواص جذبی و عبوری یک ماده در یک محدوده طول موج
• بررسی خواص جذبی و عبوری در یک طول موج مشخص در یک بازه زمانی

مشخصات فنی دستگاه آنالیز  FTIR

اساس کار دستگاه  آنالیز FTIR برای بررسی پیوندهای شیمیایی، جذب نور مادون قرمز توسط پیوندهای شیمیایی است. به این منظور یک منبع نور، نور مادون قرمز سفید (نور مادون قرمز با طول موج‌های متفاوت ) را بدون وجود نمونه با عبور دادن از چند آینه به یک آشکار ساز می‌تاباند. آشکار ساز شدت هر طول موج را بدون نمونه اندازه گیری می‌کند و به عنوان مقدار صد در صد (شدت پرتو بدون نمونه) ذخیره می‌کند. سپس نمونه درون محفظه قرار می‌گیرد. این بار پرتو مادون قرمز از نمونه عبور می‌کند و پس از آن با عبور از چند آینه به آشکار ساز می‌رسد. شدت پرتو مادون قرمز با هر طول موج به کامپیوتر فرستاده ‌شود و مقدار آن تقسیم بر مقدار پرتو با همان طول موج بدون نمونه می‌شود.

استفاده از آینه‌های متحرک در آزمون آنالیز FTIR باعث می‌شود تا در هر موقعیت آینه‌ها، فقط یک طول موج به آشکارساز برسد، پس در هر لحظه آشکار ساز فقط شدت یک طول موج را اندازه گیری می‌کند. با متغیر بودن جای آینه‌ها، کامپیوتر با استفاده از تبدیل فوریه رابطه بین طول موج اندازه گیری شده و موقعیت آینه را مشخص می‌کند. شماتیک روش آنالیز FTIR در شکل بالا نشان داده شده است.

انواع آنالیز FTIR

• نمونه پودری: برای بررسی نمونه‌های پودری معمولا پودر ماده مورد نظر را با پودر نمک KBr در هاون مخصوص (معمولا یاقوت) مخلوط می‌کنند. سپس مخلوط دو پودر را درون یک قالب مخصوص می‌ریزند و آن را تحت خلا نسبی (برای خارج کردن هوا) و با استفاده از یک پرس، پودرها را به شکل یک قرص با ابعاد مشخص در می‌آورند. نمونه قرصی را درون هولدر دستگاه قرار می‌دهند. به دلیل عدم جذب نور مادون قرمز وسط پودر KBr، از این ماده برای آماده سازی نمونه پودری استفاده می‌شود.

• نمونه مایع: برای دستگاه‌های آنالیز FTIR که قابلیت بررسی نمونه مایع را دارند، نمونه‌های مایع نیاز به آماده سازی خاصی ندارد و معمولا فقط مایع درون ظرف مخصوص ریخته می‌شود. نکته مهم در بررسی این نمونه‌ها این است که اگر مایع به اندازه کافی برای عبور نور مادون قرمز شفاف نباشد، باید مایع یا محلول توسط حلال رقیق شود. در دستگاه‌هایی که قابلیت بررسی نمونه‌های مایع را ندارند، امکان بررسی نمونه های مایع پایه آب وجود ندارد، ولی می‌توان نمونه‌هایی که پایه غیر آبی دارند را به وسیله پودر KBr به نمونه قرص تبدیل کرد و مانند نمونه پودری آن را آماده سازی کرد.

• نمونه جامد با قابلیت عبور نور مادون قرمز: آماده سازی این نمونه‌های جامد با قابلیت عبور نور مادون قرمز پیچیدگی‌های زیادی دارد و روش آماده سازی آن بسته به نوع نمونه و مشخصات دستگاه دارد. ولی یک روش کلی برای نمونه‌های جامد، تبدیل این نمونه‌ها به پودر و استفاده از روش پودری است.

• نمونه جامد بدون قابلیت عبور نور مادون قرمز: به دلیل عدم عبور نور مادون قرمز از این نمونه‌ها برای بررسی این نمونه‌ها دور روش کلی وجود دارد. یک روش تبدیل نمونه بالک به پودر و استفاده از روش پودر است. راه دیگر استفاده از دستگاه FTIR با قابلیت ATR است. در این روش از بازتاب سطح نمونه برای بررسی پیوندها استفاده می‌شود.

تفسیر و خدمات آنالیز FTIR

طول موج دستگاه FTIR های موجود در محدوده مادون قرمز میانی (MidIR) و مادون قرمز نزدیک (NIR) قابل انجام است.

• امکان بررسی پیوندهای شیمیایی و مشخص کردن نمونه‌های مجهول دارویی، پلیمری، رنگ، سرامیک‌ها و مواد معدنی
• قابلیت انجام آنالیز ATR (نمونه باید منعطف باشد)
• انجام آزمون روی نمونه‌های پودری، بالک، پوشش‌ها و محلول‌های غیر آبی
• انجام انواع آنالیزهای بازتابی (آینه ای و پخشی)

با استفاده از بررسی تخصصی  آنالیز FTIR و یا ATR نمونه می‌توان موارد زیر را بررسی کرد:

• بررسی ارتعاشات مواد سرامیکی و معدنی
• بررسی ارتعاشات گروه‌های عاملی در شرایط مختلف
• بررسی افزودنی‌ها
• بررسی برهمکنش مولکولی در مواد کامپوزیتی

مدل دستگاه:

کمپانی Thermo مدل AVATAR