طیف سنجی FTIR

طول موج مناسب پرتو فروسرخ برای طیف‌سنجی FT-IR

ناحیه فروسرخ برحسب طول موج به سه ناحیه تقسیم می‌شود (شکل ۱): ناحیه فروسرخ نزدیک  (λ = ۰.۷۶ – ۲.۵ µm)، ناحیه فروسرخ میانه  (λ = ۲.۵ – ۲۵ µm) و ناحیه فروسرخ دور (λ = ۲۵ – ۱۰۰۰ µm). جذب مولکولی در ناحیه فروسرخ نزدیک به دلیل انتقال الکترونی مولکول‌ها است و جذب در ناحیه فروسرخ دور ناشی از تغییرات پدید آمده در انرژی چرخشی مولکول‌ها است. جذب در ناحیه فروسرخ میانه عمدتا به خاطر انتقال مولکول‌ها به سطوح انرژی ارتعاشی است. بنابراین برای دست‌یابی به طیف جذبی ارتعاشی از ناحیه فروسرخ میانه استفاده می‌شود.

در ناحیه فروسرخ میانه، مانند انواع دیگر فرایندهای جذب انرژی، هنگامی که مولکول‌های یک ماده پرتوهای فروسرخ با این طول موج را جذب می‌کنند، به سطوح انرژی بالاتر برانگیخته می‌شوند. جذب تابش فروسرخ هم مانند هر فرایند جذب دیگر، یک فرایند کوانتایی یا گسسته است؛ به این صورت که ماده فقط قادر به جذب طول موج‌های خاص یا بسامدهای خاصی از تابش فروسرخ است.

شکل ۱ : شماتیک جایگاه طیف مرئی و IR در طیف الکترومغناطیسی و ناحیه فروسرخ نزدیک، میانه و دور.

انرژی یک مولکول چنداتمی، مجموع چهار انرژی الکترونی، ارتعاشی، چرخشی و انتقالی است. جذب تابش پرتو فروسرخ با تغییر انرژی بین ۸ – ۴۰ Kj/mol همراه است. در تابش فروسرخ، بسامدهایی که با بسامدهای ارتعاشی طبیعی مولکول تطبیق داشته باشد، جذب می‌شود و انرژی جذب شده برای افزایش دامنه حرکت ارتعاشی پیوند موجود در مولکول به کار گرفته می‌شود. همچنین باید توجه داشت که تمام پیوندهای موجود در مولکول قادر به جذب تابش فروسرخ نیستند، حتی اگر بسامد پرتو تابشی با بسامدهای طبیعی منطبق باشد. تنها آن دسته از پیوندهایی که دارای گشتاور قطبی باشند، قادرند فروسرخ را جذب کنند. بنابراین موادی مانند گاز کلر یا گاز هیدروژن یا گاز اکسیژن که پیوند قطبیت ندارد، توانایی جذب فروسرخ را ندارند.

منحصر به فردی طیف‌های IR برای مواد مختلف

هیچ‌گاه دو مولکول با ساختار شیمیایی متفاوت جذب فروسرخ یکسانی ندارند؛ زیرا هر پیوند اتمی دارای بسامد ارتعاشی منحصر به فردی است. بنابراین می‌توان طیف فروسرخ از هر ماده را پدیده‌ای منحصر به فرد در شناسایی گروه‌های عاملی، پیوندها و ساختمان مولکولی دانست. البته اگرچه ممکن است در مولکول‌های مختلف، به علت وجود گروه‌های عاملی یکسان، برخی از بسامدهای جذب شده مشابه باشند، اما هیچ‌گاه کل طیف ارتعاشی برای دو مولکول مختلف، یکسان نیست. بنابراین وقتی که یک ماده‌ای را سنتز می‌کنیم، برای اینکه متوجه بشویم که آیا واقعا به آن ماده مورد نظر دست یافتیم یا خیر، می‌توانیم با مقایسه طیف جذبی فروسرخ ماده سنتزشده و ماده مورد نظر،  تشخیص بدهیم که ترکیب و ساختار شیمیایی دو ماده آیا یکسان است یا خیر. در صورتی طیف IR برای ماده سنتزشده و ماده مورد نظر منطبق باشد، آنگاه می‌توانیم مطمئن باشیم که به همان ترکیب و ساختار مورد نظر دست یافتیم. به کاربردهای دیگر در مقاله تفسیر طیف‌های حاصل از  FT-IR پرداخته شده است.

به نوعی طیف‌های حاصل از آنالیز FT-IR برای هر مولکول و ساختار شیمیایی را می‌توان به مثابه اثرانگشت در انسان دانست که می‌تواند به شناسایی ساختار شیمیایی مولکول‌ها کمک کند. طیف‌سنجی FT-IR یک تکنیک تحلیلی غیر مخرب است که برای شناخت و تعیین حضور گروه‌های عاملی قطبی در مولکول نیز به کار می‌رود. تمام مولکول‌ها به جز مولکول‌های تک اتمی و دو اتمی ناقطبی، قادر به جذب پرتوی IR هستند و یک تهییج به سطوح بالاتر انرژی رخ می‌دهد.

طیف‌های عبوری و جذبی FT-IR

طیف FT-IR منحنی تداخل را طیف تک پرتو می‌نامند. طیف تک پرتو شامل طیف‌های نمونه و طیف‌های پس‌زمینه است. طیف‌های پس‌زمینه تنها شامل اطلاعات از ابزار و فضای پیرامون است. تاثیر ابزار بر طیف پس‌زمینه ناشی از آشکارساز، تقسیم‌کننده پرتو، آینه‌ها و منبع نور فروسرخ است و تاثیر فضای پیرامون ناشی از بخار آب و کربن دی اکسید است. برای حذف تاثیر پس‌زمینه، باید نسبت طیف تک پرتو از نمونه را با طیف پس‌زمینه به دست آورد. نتیجه انجام این کار، طیف عبوری است:

T = I/I_۰

I شدت اندازه‌گیری شده در طیف تک پرتو نمونه و I_۰ شدت اندازه‌گیری شده در طیف پس‌زمینه است. عبور را معمولا به صورت درصد عبور (%T) نشان می‌دهند که معمولا به عنوان واحد محور عمودی قرار می‌گیرد. طیف را می‌توان به جای (%T)، به صورت جذب (A) برحسب عدد موج نشان داد. برای بدست آوردن جذب از رابطه زیر که برحسب عبور (T) است، می‌توان استفاده کرد:

A = -log (T)

بنابراین طیف FT-IR را می‌توان هم به صورت طیف عبور و هم به صورت طیف جذب نشان داد. در طیف عبوری، پیک‌ها رو به پایین هستند (شکل ۲)؛ این به معنی این است که در این روش طیف از طریق عبور پرتو فروسرخ از درون نمونه حاصل می‌شود. پیک‌های رو به پایین نشان‌دهنده میزان کاهش شدت امواج عبوری از نمونه به دلیل برانگیختگی ارتعاشی نمونه است. در طیف جذبی، پیک‌ها رو به بالا هستند (شکل ۳)؛ یعنی این طیف بیانگر میزان انرژی جذب شده از پرتو فروسرخ توسط نمونه است.

شکل ۲: طیف  FT-IR به روش عبوری از نمونه ۱-هگزانول.

روش عبوری متداول‌ترین روش طیف سنجی FT-IR است، زیرا نسبت سیگنال به نویز بالاتری دارد و برای هر نوع نمونه‌ای که به صورت جامد، مایع و گاز باشد، مناسب‌تر است. اما اصلی‌ترین محدودیت این روش، ضخامت نمونه است. نمونه‌های ضخیم، به قدری تابش فروسرخ را جذب می‌کنند که تشخیص عبور پرتو فروسرخ غیرممکن می‌شود. به طور کلی برای طیف سنجی FT-IR  به روش عبوری، ضخامت نمونه نباید از ۲۰ µm بیشتر و از ۱ µm کمتر باشد. نمونه‌های خیلی نازک هم چون جذب کمی دارند، قابل تشخیص نیستند. البته برای انجام آنالیزهای مقداری، باید از طیف جذبی استفاده کرد، زیرا پیک‌های طیف عبوری به طور خطی با غلظت تناسب ندارند.

شکل ۳ : طیف  FT-IR به روش جذبی از یک نوع باکتری گرم منفی به نام سالمونلا انتریکا.