1404/02/02 در ساعت 13:53:10

آشنائي با انواع روش های طیف سنجی ( اسپكتروسكوپي ) و كاربردهاي آن

طیف سنجی انبوهی از تکنیک‌های مختلف است که از یک پرتو برای دست یابی به ساختار و خواص مواد استفاده می‌شود. در واقع برهمکنش حاصل از پرتو و ماده مورد مطالعه قرار می‌گیرد. اصل اساسی و مشترک بین همه تکنیک‌های طیف سنجی تاباندن یک پرتو (باریکه‌ای از نور، دسته‌ای الکترون و …) به یک نمونه و مشاهده نحوه واکنش

آشنائي با انواع روش های طیف سنجی ( اسپكتروسكوپي ) و كاربردهاي آن

_____________________________________________________________________

طیف سنجی یک علم بسیار گسترده است که از زیر شاخه‌های زیادی تشکیل شده است. بنابراین تکنیک‌های طیف سنجی را می‌‌توان به روش‌های مختلفی طبقه بندی کرد. روش‌های مختلف طیف سنجی به طور عمده بر اساس سه پارامتر دسته بندی می‌شوند. اول اینکه از چه نوع تابشی (ماهیت تابش) برای اندازه‌گیری استفاده می‌شود. دوم این که چه روشی (ماهیت برهمکنش) برای اندازه‌گیری به کار گرفته می‌شود و سوم این که چه موادی با طیف سنجی آنالیز می‌شوند. در ادامه هر یک از این دسته بندی‌ها برای شما توضیح می‌دهیم.

ماهیت تابش

این دسته بندی بر اساس نوع تابش انجام می‌گیرد. طیف سنجی بر اساس ماهیت تابش به چهار دسته تقسیم می‌شود.

طیف سنجی الکترومغناطیسی: شامل برهم‌کنش تابش الکترومغناطیسی یا نور، با ماده است. در این نوع از طیف سنجی نور مادون قرمز، مرئی، فرابنفش، لیزر و … برای اندازه‌گیری‌ها استفاده می‌شود. طیف سنجی رامان نمونه‌ای از این دسته است.
طیف سنجی الکترونی: شامل برهم‌کنش پرتوهای الکترون با ماده است. طیف سنجی الکترون اوژه یک نمونه از این دسته است.
طیف سنجی مکانیکی: این نوع از طیف سنجی برهم‌کنش ارتعاشات ماکروسکوپی با ماده است.
طیف سنجی جرمی: این مدل برهم‌کنش گونه‌های باردار با یک میدان مغناطیسی است.

ماهیت برهمکنش

در اثر تابش امواج الکترومغناطیسی به ماده، چند برهمکنش روی می‌دهد.

طیف سنجی جذبی: ماده در این نوع طیف سنجی‌ها، محدوده‌ای از تابش الکترومغناطیسی را جذب می‌کند. بر اساس طیف جذبی اطلاعاتی از مولکول‌ها و اتم‌ها به دست می‌آید. مانند طیف سنجی مادون قرمز که در آن، ماده نور محدوده فروسرخ تابش الکترومغناطیسی را جذب می‌کند و یا طیف سنجی مغناطیس هسته‌ای که جذب در ناحیه رادیویی رخ می‌دهد.
طیف سنجی نشری: در این طیف سنجی، ماده تابش الکترومغناطیسی را منتشر می‌کند. در این حالت ابتدا ماده انرژی را جذب کرده و پس از آن انرژی جذب شده به صورت‌های مختلفی از ماده منتشر می‌شود. طیف سنجی فلورسانس مثالی از این نوع طیف سنجی است.
طیف سنجی پراکندگی (scattering spectroscopy): در این طیف سنجی میزان نوری که ماده در طول‌موج‌های خاص، زاویه برخورد و یا زاویه قطبش پراکنده می‌کند، اندازه‌گیری می‌شود. طیف سنجی پراکندگی بسیار سریع‌تر از فرآیند جذب یا نشر است. یکی از معروف‌ترین و پرکاربردترین این طیف سنجی، پراکندگی رامان است.

نوع ماده

تکنیک‌های طیف سنجی بسته به کاربرد و نوع آن‌ها می‌توانند گونه‌های مختلف را تجزیه و تحلیل کنند. آنالیز اتمی، مولکولی، کریستالی و هسته‌ای از جمله تجزیه و تحلیل‌هایی است که توسط طیف سنجی انجام می‌گیرد.

در بین سه پارامتری که برای دسته‌بندی‌های طیف سنجی انجام شد، ماهیت تابش اندازه‌گیری، از پارامترهای مهم است. در اکثر مباحث، ماهیت تابش را برای طبقه بندی در نظر می‌گیرند. در بین چهار دسته از پارامترهای ماهیت تابش، طیف الکترومغناطیسی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. زیرا:

نیازی به آماده‌سازی نمونه نیست.
در بازه وسیعی از طیف الکترومغناطیسی اندازه‌گیری انجام می‌شود.
ماده به طور سریع به تابش امواج الکترومغناطیسی پاسخ می‌دهد. به همین دلیل این دسته از طیف سنجی‌ها بسیار سریع هستند.
در برخی از روش‌های طیف سنجی الکترومغناطیسی، اندازه‌گیری از روی ویال شیشه‌ای، کووت و … انجام می‌گیرد. این ویژگی زمانی اهمیت می‌یابد که ماده مورد نظر سمی است. بنابراین می‌توان گفت که این روش غیر تماسی است.
در این روش نمونه تخریب نمی‌شود.
کاربرد گسترده‌ای دارد. از نجوم گرفته تا علم فیزیک، شیمی، زمین‌شناسی، هنر، الکترونیک، داروسازی، پزشکی و ….

به دلیل همین ویژگی‌ها است که روز به روز استفاده از این روش طیف سنجی گسترش می‌یابد. بنابراین ما ادامه مقاله را به این دسته از طیف سنجی‌ها اختصاص می‌دهیم.

همان طور که از اهمیت انواع طیف سنجی الکترومغناطیسی برای شما گفته شد، در ادامه طیف سنجی ‌هایی را که در این دسته طیف سنجی الکترومغناطیسی قرار می‌گیرند را معرفی می‌کنیم و به طور خلاصه کاربرد هر یک از آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

طیف سنجی رامان (Raman Spectroscopy)

طیف سنجی رامان یک روش تحلیلی است که در آن از نور پراکنده برای اندازه گیری حالت‌های انرژی ارتعاشی یک نمونه استفاده می‌شود. این نام از فیزیکدان هندی C.V Raman گرفته شده است که همراه با شریک تحقیق خود K.S Krishnan، در سال ۱۹۲۸ پراکندگی رامان را مشاهده کردند.

رامان، یک روش پراکندگی نور است. در این طیف سنجی نور تابشی در اثر برخورد با مولکول پراکنده می‌شود. بیشتر نور پراکنده شده در همان طول موج منبع لیزر است و اطلاعات مفیدی را ارائه نمی‌دهد. این نوع پراکندگی، پراکندگی ریلی نامیده می‌شود. اما مقدار کمی از نور (به طورمعمول ۰.۰۰۰۰۰۰۱ درصد!!) در طول موج‌های مختلف پراکنده می‌شود که به ساختار شیمیایی آنالیت بستگی دارد. به این نوع پراکندگی، پراکندگی رامان گفته می‌شود. در این پدیده ممکن است طول موج کاهش (پراکندگی رامان آنتی استوکس) و یا افزایش یابد (پراکندگی استوکس). این طیف سنجی می‌تواند اطلاعات شیمیایی، ساختاری و هم چنین شناسایی مواد را از طریق مشخصه رامان آن‌ها فراهم کند. در واقع طیف رامان یک ماده، اثر انگشت آن ماده به شمار می رود.

کاربردهای رامان

شناسایی مولکول‌ها، مطالعه پیوندهای شیمیایی و پیوندهای درون مولکولی در شیمی
توصیف مواد، اندازه گیری دما و پیدا کردن جهت کریستالوگرافی نمونه در فیزیک حالت جامد
مشاهده تحریک‌های فرکانس پایین ماده جامد مانند پلاسمون‌ها، مگنون‌ها و تحریکات شکاف ابررسانا
آنالیز و درک بهتر ساختار نانوسیم‌ها در فناوری نانو
شناسایی مواد فعال دارویی (API) و شناسایی اشکال پلی مورفیک آن‌ها در شیمی حالت جامد و صنعت داروسازی
شناسایی انواع سرطان‌ها،‌ تعیین توالی DNA، تشخیص انواع بیماری‌ها، کشف داروهای تقلبی بدون باز کردن بسته بندی آن‌ها، مطالعه غیرتهاجمی بافت بیولوژیکی و … در زیست شناسی و پزشکی

به طور خلاصه، طیف سنجی رامان را می توان در زمینه های علوم جنایی، باستان شناسی، ‌زمین شناسی، صنایع مواد غذایی و غیره به کار برد.

کاربردهای فلورسانس

تجزیه و تحلیل ترکیبات آلی در شیمی و بیوشیمی
تشخیص تومرهای بدخیم و خوش خیم در پزشکی
تعیین کیفیت آب و شناسایی آلاینده‌ها

طیف سنجی جذبی-عبوری یا مرئی-فرابنفش (Uv-Vis Spectroscopy)

طیف سنجی UV-VIS یا اسپکتروفتومتری روشی است که میزان جذب یا عبور نور از یک نمونه را نشان می‌دهد. در این روش شدت نور عبوری از نمونه اندازه‌گیری می‌شود. سپس مقدار آن با شدت نور اولیه مقایسه می‌شود. به این ترتیب میزان نور جذب شده به دست می‌آید. اصل اساسی این سیستم این است که هر یک از ترکیبات شیمیایی، نور را در طول‌موج های خاصی جذب می‌کنند و یا عبور می‌دهند. همچنین می‌تواند برای اندازه‌گیری غلظت یک ماده شیمیایی شناخته شده مورد استفاده قرار گیرد. اسپکتروفتومتری یکی از روش‌های مفید تجزیه و تحلیل کمی در زمینه‌های مختلف مانند شیمی، فیزیک، بیوشیمی، مهندسی مواد و کاربردهای بالینی است. در واقع در هر آزمایشگاهی که در آن روی مواد شیمیایی کار می شود، حداقل یک اسپکتروفتومتر یافت می‌شود. به عنوان مثال در بیوشیمی از آن برای تعیین واکنش‌های کاتالیز شده آنزیم یا در کاربردهای بالینی آن برای بررسی خون یا بافت ها استفاده می‌شود.

کاربردهای Uv-Vis

تجزیه و تحلیل رشد سلول، تشخیص و سنجش RNA، DNA، آلیگونوکلئوتید، پروتئین و … در زیست شناسی
محاسبه غلظت، نظارت بر واکنش در شیمی
محاسبه چگالی نوری، رنگ سنجی در فیزیک
آنالیز دارویی در داروسازی
آزمایشگاه های کنترل کیفیت، آنالیزهای معمولی در واحدهای تولیدی، QA/QC
شناسایی ویژگی‌های انواع مواد در علوم دیگر

طیف سنجی تبدیل فوریه (FTIR)

(Fourier Transform InfraRed Spectroscopy)

در این طیف سنجی نور مادون قرمز به نمونه تابیده می‌شود و طیف جذبی یا نشری آن اندازه‌گیری می‌شود. با توجه به این که انرژی پرتو مادون قرمز ضعیف است، نمی‌تواند الکترون را به تراز‌های بالاتر در ماده برانگیخته کند. در عوض ممان دو قطبی مولکول‌‌ها تغییر می‌کند. دلیل به کار بردن اصطلاح تبدیل فوریه در این طیف سنجی این است که برای تبدیل داده‌های خام به طیف مادون قرمز، به یک تبدیل فوریه نیاز است.

کاربردهای FTIR

واکنش‌های پلیمریزاسیون
واکنش‌های فشار بالا
واکنش‌های هیدروژناسیون
هیدروفرمولاسیون یا سنتز
هالوژناسیون
بیوکاتالیز و تجزیه آنزیمی
واکنش‌های کاتالیز شده
سنتز شیمیایی

طیف سنجی فروسرخ و یا مادون قرمز نزدیک (NIR)

(Near InfraRed Spectroscopy)

طیف سنجی NIR (Near Infrared Spectroscopy) که به آن طیف سنجی فروسرخ نزدیک و یا مادون قرمز نزدیک گفته می‌شود برای آنالیز نمونه‌ها استفاده می‌شود. با استفاده از تابش مادون قرمز می‌توان به مشخصه یابی ویژگی‌ها و ترکیبات دست پیدا کرد. هم چنین از این روش می‌توانید برای توصیف بازتاب مادون قرمز هم استفاده کنید.

احتمالا می‌دانید که NIR ناحیه‌ای از طیف الکترومغناطیسی است که خواص منحصر به فردی دارد و می‌توان از آن برای مشخصه یابی مواد استفاده کرد. بازه (NIR) (nm) 800-2500 است. از طیف سنجی مادون قرمز نزدیک بیشتر برای آنالیز نمونه‌های مایع و جامد استفاده می‌شود.

از NIRS می‌توان برای شناسایی overtone و باندهای ترکیبی ارتعاشات مولکولی استفاده کرد. ارتعاش‌های شاخص در مولکول‌های آلی برای گروه‌های عاملی -CH، -NH، SH- و -OH است که قسمتOH- یک جاذب مادون قرمز نزدیک قوی است. به همین دلیل است که NIRS نقشی اصلی در کاربردهای کمی‌سازی میزان رطوبت پیدا کرده است.

نور در این بازه با پیوندهایی مانند NH,OH,CH برهم‌کنش می‌کند. طول موج‌هایی (فرکانس‌هایی) که به شما نشان داده می‌شود، مرتبط با هر پیوند است. زمانی که نور NIR به نمونه‌هایی برخورد می‌کند که شامل این پیوندها است، طول موج‌های مشخصی جذب می‌شوند. در نتیجه نور بازتابی شدت کمتری را در این بازه نشان می‌دهد. اختلاف طیف بازتابی را می‌توان با تغییرات غلظت شیمیایی ماده مرتبط دانست که اساس کالیبراسیون NIR را تشکیل می‌دهد. شما می‌توانید با استفاده از کالیبراسیون به تعیین غلظت نمونه‌های ناشناخته بپردازید.

اولین طیف‌سنج‌های Near-IR در دهه ۱۹۸۰ توسعه یافتند که در ابتدا برای کاربردهای صنعتی و آنالیزهای شیمیایی طراحی شده بودند. دو شکل اولیه از آنالایزرهای NIR وجود دارد: طیف‌سنج‌های NIR پاشنده (اسکنی) و طیف‌سنج‌های مبتنی بر تبدیل فوریه (FT-NIR).

طیف‌سنج‌های پاشنده مجهز به یک مونوکروماتور و توری هولوگرافیک هستند که مزیت‌های خاص خودشان را دارند. این دستگاه‌ها، طیف‌سنجی مرئی (Vis) و مادون قرمز نزدیک (NIR) را ترکیب می‌کنند. به این معنی که می‌توانند تجزیه و تحلیل کیفی و کمی طیف وسیعی از پارامترها را در یک آزمایش انجام دهند.

NIRS نیازی به آماده سازی نمونه ندارد، به این معنی که نمونه ها را می توان همانطور که هست استفاده کرد.

کاربردهای NIR

فرآیندهای کنترل و تضمین کیفیت جهت تعیین دقیق خواص شیمیایی و فیزیکی نمونه‌ها
استفاده از NIR در صنایع تولید مواد شیمیایی، لوازم آرایشی، خمیر و کاغذ، داروسازی، پتروشیمی، تولید پلیمر و روغن پالم و …
تجزیه و تحلیل مواد آلی در صنایع شیمیایی، دارویی، صنایع غذایی، خوراک، کشاورزی و …

طیف سنجی فروشکست القایی لیزری (LIBS)

(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)

LIBS یک روش طیف سنجی نشر اتمی است که برای تجزیه و تحلیل عنصر‌ها به کار می‌رود. در این روش با استفاده از یک لیزر پالسی در سطح نمونه میکرو پلاسما ایجاد می‌شود. به منظور ایجاد پلاسما، لیزر روی نمونه متمرکز می‌شود و اتم‌‌های ماده را تحریک می‌کند. با استفاده از این روش می‌توان هر ماده‌ای از جمله جامد، مایع و یا گاز را مورد تجزیه و تحلیل قرار داد. همه عناصر در هنگام تحریک در دمای بالا، از خود نور منتشر می‌کنند. نور منتشر شده طول‌موج‌‌های مشخصی دارد. به بیانی دیگر پلاسمای ایجاد شده (که در اثر تابش لیرز پالسی به وجود می‌آید) در سطح ماده، نوری را منتشر می‌کند که شامل تعدادی خطوط گسسته، باندها و ترازهای پیوسته است. این خطوط گسسته مشخصه مواد است و به همین طریق است که می‌توان عناصر یک ماده را تعیین کرد. علاوه بر این، محاسبه مقدار هر عنصر در نمونه از مشخصه شدت خطوط نیز امکان پذیر است.

برای شناسایی مواد به روش LIBS، سه مرحله وجود دارد. در این فرآیند بعد از تابش لیزر پیوندها شکسته می‌شوند. در مرحله بعدی زمانی که تابش لیزر پالسی تمام می‌شود، پلاسما خنک می‌گردد. در نهایت طی فرآیند خنک سازی، الکترون‌ها و یون‌‌های برانگیخته به حالت پایه برمی‌گردند. همین امر است که سبب می‌شود تا پلاسما نور را با قله‌‌های طیفی گسسته منتشر می‌کند.

با توجه به اهمیت این طیف سنجی منابع بسیاری برای دیتابیس‌های LIBS وجود دارد. یکی از معتبرترین و بهترین این منابع سایت NIST است. با مراجعه به این سایت می‌توانید از دیتابیس‌ها و سایر امکانات آن بهره‌مند شوید. اکنون که با روش طیف سنجی LIBS آشنا شدید به سراغ کاربرد‌های آن می‌رویم.

کاربردهای LIBS

متالوژی، صنایع غذایی، پزشکی
پروژه فضا و مریخ
کارخانه‌های ساخت آهن و فولاد، برق حرارتی
سیستم‌های دفع زباله

طیف سنجی نشری نوری ((OES)

(Optical Emission Spectroscopy)

OES نوع رایجی از طیف سنجی است که برای تعیین عناصر اساسی در فلزات به کار می‌رود. به طیف سنج نشر نوری، کوانتومتر هم گفته می‌شود. از این دستگاه به طور گسترده‌ای در کارخانه‌های ریخته‌گری و تولید فلزات استفاده می‌شود. زیرا OES می‌تواند طیف وسیعی از عناصر را با دقت بالا تجزیه و تحلیل کند.

اساس کار کوانتومتر نشر نور است. برای تحریک اتم‌ها در نمونه‌های فلزی، یک منبع الکتریکی مورد نیاز است. دمای بخش کوچکی از نمونه با استفاده از این منبع الکتریکی ولتاژ بالا تا هزاران درجه سانتی‌گراد می‌شود. به دلیل وجود اختلاف پتانسیل بین الکترود و فلز تخلیه الکتریکی رخ می‌دهد. این تخلیه الکتریکی باعث گرم شدن سطح نمونه شده و پلاسما به وجود می‌آید. سپس در پی آن قسمتی از فلز بخار می‌شود. در طی این فرایند اتم‌های فعال شده خطوط انتشار را ایجاد می‌کنند که برای هر عنصری منحصر به فرد است.

دو مزیت اصلی CRDS نسبت به سایر روش های جذب وجود دارد. اول این که تحت تأثیر نوسانات شدت لیزر نیست. در CRDS زمان ring-down به شدت لیزر بستگی ندارد، بنابراین نوسانات لیزر هیچ مشکلی ایجاد نمی کند. مزیت دوم آن حساسیت بالا به دلیل طول مسیر طولانی است.

کاربردهای CRDS

تشخیص میزان اندکی از گازهای کمیاب و اندازه‌گیری تغییرات کوچک در غلظت گازها
تشخیص نشتی گاز از منابع دور
تجزیه و تحلیل ایزوتوپی

جمع بندی

در این مقاله در مورد انواع روش های طیف سنجی بحث کردیم. گفته شد که طیف سنج‌ ها را می‌توان بر اساس سه پارامتر دسته بندی کرد: ماهیت تابش، ماهیت برهمکنش و نوع ماده. همچنین بیان کردیم که مهم‌ترین دسته بندی مربوط به ماهیت تابش است. بر همین اساس ما هم طیف سنجی‌ ها را بر حسب ماهیت تابش بررسی کردیم. ماهیت تابش به این معنی است که از چه نوع تابشی برای اندازه‌گیری استفاده می‌شود. طبق این پارامتر، طیف سنجی در چهار دسته قرار می‌گیرد: طیف سنجی الکترومغناطیسی، طیف سنجی الکترونی، طیف سنجی مکانیکی و طیف سنجی جرمی. با توجه به اهمیت طیف سنجی الکترومغناطیسی در این مقاله ما نیز توجه خود را به این مبحث معطوف کردیم و به بررسی انواع طیف سنجی الکترومغناطیسی پرداختیم.

________________________________________________________________

گردآوري و تدوين توسط :

كميته صنعت ، معدن و تجارت

كانون مهندسين فارغ التحصيل دانشكده فني دانشگاه تهران

بهار ١٤٠٤