آنچه در این مقاله می‌خوانید
طیف سنجی مولکولی نوع ارتعاشی، شامل چندین تکنیک مختلف است که از مهمترین آنها می توان به طیف سنجی فروسرخ و رامان اشاره کرد. هر دو تکنیک مزایا و معایب مختلفی از نظر ابزار دقیق، جابجایی نمونه و کاربردها دارند.
طیف سنجی ارتعاشی (طیف سنجی فروسرخ و رامان) برای مطالعه طیف بسیار گسترده ای از انواع مواد استفاده می شود و می تواند از یک آزمایش شناسایی ساده تا آنالیز طیفی کامل و بررسی های کیفی و کمی را پوشش دهد.
در طیف سنجی فروسرخ، پرتوها به نمونه ارسال شده و پس از عبور از آن، با یک آشکارساز مادون قرمز شناسایی و ثبت می شوند. هدف از این روش، تعیین وجود یا عدم وجود گروه های عاملی در مولکول ها است.
در حقیقت، امواج در محدوده فروسرخ (با فرکانس نزدیک به فرکانس ارتعاش مولکول) که توسط مولکول ها جذب می شوند، با تغییر انرژی و برانگیخته کردن الکترون ها، اطلاعاتی در مورد ساختار مولکولی نمونه ارائه می دهند.
در طیف سنجی رامان، معمولاً پرتوهای لیزر به عنوان منبع نور مورد استفاده قرار می گیرند و هدف از این روش، شناسایی خصوصیات مولکولی مانند ساختار و مدهای نوسانی مولکولی است.
در این روش، با ارسال پرتوهای لیزر به نمونه و برهمکنش با آن (با مکانیزم پراکندگی رامان)، با ارتعاشات مولکولی تداخل کرده و تغییر فرکانس پرتوهای لیزر را نشان می دهند.
هر دو روش طیف سنجی فروسرخ و رامان، به عنوان یکی از مهم ترین روش های تشخیص و شناسایی مولکولی در صنایع شیمیایی، داروسازی، زیست شناسی و آب و فاضلاب استفاده می شوند.
در هر دو نوع تکنیک طیف سنجی فروسرخ و رامان، ممکن است نمونه ها به صورت حجیم یا میکروسکوپی در طیف وسیعی از دماها و حالت های فیزیکی (مانند گاز، مایع، پودر، فیلم، الیاف، یا به عنوان یک لایه سطحی) مورد بررسی و آنالیز قرار بگیرند.
طیف سنجی فروسرخ و رامان، تکنیک هایی مکمل هستند و معمولاً هر دو برای اندازه گیری کامل حالت های ارتعاشی یک مولکول مورد نیاز هستند، اگرچه برخی از ارتعاشات ممکن است در رامان و برخی دیگر در فروسرخ فعال باشند.
این دو شکل طیف سنجی از فرآیندهای مختلف و قوانین انتخاب متفاوتی ناشی می‌شوند. به طور کلی، طیف سنجی رامان در ارتعاشات متقارن گروه های غیر قطبی بهترین است، در حالی که طیف سنجی IR در ارتعاشات نامتقارن گروه های قطبی بهترین است.
جدول 1 به طور خلاصه برخی از تفاوت های بین این دو تکنیک اسپکترومتری را بیان می کند. اما برای دریافت اطلاعات بیشتر از تفاوت های این دو تکنیک، در این مقاله با مات همراه باشید.
طیف سنجی فروسرخ و رامان شامل مطالعه برهمکنش بین تابش و ارتعاشات مولکولی می باشند، اما در نحوه انتقال انرژی فوتون به مولکول و تغییر حالت ارتعاشی آن متفاوت عمل می کنند.
طیف سنجی IR، گذار سطوح انرژی ارتعاشی مولکولی را در نتیجه جذب تابش اندازه‌گیری می‌کند. این برهمکنش بین نور و ماده یک شرایط تشدید (رزونانس) ایجاد می کند که شامل انتقال دو قطبی الکتریکی بین سطوح انرژی ارتعاشی است.
در حالی که طیف سنجی رامان یک رویداد پراکندگی نور غیرکشسان دو فوتونی است و فوتون فرودی انرژی بسیار بیشتری نسبت به انرژی کوانتومی ارتعاشی دارد که بخشی از انرژی خود را در اثر ارتعاش مولکولی از دست می دهد و انرژی باقیمانده به صورت فوتونی با فرکانس کمتر پراکنده می شود.
شکل1- شماتیک کلی پراکندگی رامان
شکل2- شماتیک کلی از طیف سنجی فروسرخ
نوارهای ارتعاشی در هر دو طیف سنجی فروسرخ و رامان، بر اساس فرکانس (انرژی)، شدت (خصلت قطبی یا قطبش پذیری) و شکل نوارها (محیط پیوندها) تعیین می شوند.
از آنجایی که سطوح انرژی ارتعاشی برای هر مولکول منحصر به فرد است، در حقیقت طیف های حاصل از این طیف سنج ها، “اثر انگشت” یک مولکول خاص را ارائه می دهند.
به طور کلی می توان گفت که طیف سنجی رامان فرکانس های نسبی را اندازه گیری می‌کند که در آن یک نمونه، تابش را پراکنده می کند، بر خلاف طیف سنجی IR که فرکانس های مطلقی را اندازه گیری می کند که در آن نمونه تابش را جذب کرده است.
طیف سنجی IR به ارتعاشات گروه عاملی هسته ای ناهمگن و پیوندهای قطبی واکنش نشان می دهد (یک مثال، کشش OH در آب است). از طرف دیگر، رامان به پیوندهای مولکولی همو هسته ای حساس است. به عنوان مثال، می تواند بین پیوندهای تک گانه، دوگانه و سه گانه (C-C، C=C و C≡C) تمایز قائل شود.
فرکانس این ارتعاشات مولکولی به جرم اتم ها، آرایش هندسی آنها و قدرت پیوندهای شیمیایی آنها بستگی دارد و اطلاعاتی در مورد ساختار مولکولی، دینامیک و محیط ارائه می دهند.
شکل3- تفاوت ظیف های رامان و فروسرخ
هر دو تکنیک طیف سنجی رامان و فروسرخ، از طیف های نوری استفاده می کنند، اما از تفاوت های بنیادی بین این دو روش، می توان به منبع برانگیزش اشاره نمود.
در روش رامان از یک منبع تک طول موج (لیزر) در ناحیه مرئی یا فروسرخ در پراکندگی مورد نیاز استفاده می شود، اما منبع مورد استفاده در طیف سنجی جذبی فروسرخ، شامل محدوده وسیعی از فرکانس در کل ناحیه فروسرخ می باشد (لامپ یا دیود).
بر همین اساس، محدوده آشکارسازی دو تکنیک متفاوت است و در نوع فروسرخ، طیف بسیار گسترده تری از طول موج ها و مواد را می توان آشکارسازی کرد.
طیف سنجی رامان، برای تشخیص پیوند های شیمیایی از محدوده طول موجی 400 تا 4000 cm-1 استفاده می کند، در حالی که یک طیف سنج فروسرخ، معمولاً برای تشخیص پیوند های شیمیایی از 4000 تا 40000 cm-1 می تواند استفاده کند.
شکل4- طیف رامان
شکل5- طیف جذب رامان
در طیف سنجی رامان، نوسانات پراکنده شده به عنوان اطلاعات استفاده می شود و مکانیزم عملکرد این نوسانات است که باعث تغییر در طول موج پراکنده شده می شوند.
در حالی که در طیف سنجی فروسرخ، جذب انرژیتوسط مولکول است که باعث تغییر در شدت نور موجود شده و برای تشخیص پیوند های شیمیایی استفاده می‌شود.
در طیف سنجی رامان، اگر هنگام برانگیختگی ارتعاشات، قطبش پذیری پیوند تغییر کند، رامان فعال خواهد بود و در غیر این صورت نمی توان از این تکنیک استفاده کرد (قطبش پذیری پیوند، میزان راحتی در جابه جایی ابر الکترونی به طرف دیگر پیوند است).
پیوندهای غیر قطبی نسبت به پیوندهای قطبیده، قابلیت بیشتری برای قطبش پذیری دارند زیرا در پیوندهای قطبیده، اتمی با الکترونگاتیوی بیشتر، الکترون ها را سمت خود نگه می دارد و بنابراین میزان قطبش پذیری را محدود می کند.
پس پیوندهای ناقطبیده همیشه رامان فعال هستند، اما پیوندهای قطبیده، رامان ضعیف تری تولید می کنند.
در مورد طیف سنجی فروسرخ، قطبش مولکول‌ها به عنوان یکی از پارامترهایی که بر روی شدت و نوع امواج فروسرخ تأثیر دارد، مورد مطالعه قرار می گیرد.
مولکول ها می توانند در واکنش با امواج فروسرخ، الکترون‌های خود را به حرکت درآورده و در نتیجه امواج با طول موج خاصی را جذب کنند. در این حالت، قطبش مولکول ها باعث تغییراتی در شدت و یا نوع امواج فروسرخ می شود.
با توجه به قطبش مولکول ها و نوع و شدت امواج فروسرخ که در نهایت توسط آشکارساز ثبت می شوند، می توان خصوصیات مختلفی از نمونه مورد مطالعه را شناسایی کرد.
در مولکول های متقارن، ارتعاشات فروسرخ فعال، اصلا رامان فعال نیستند و بالعکس، ولی در مولکول های نامتقارن، ارتعاشات می توانند به هر دو شکل فعال باشند.
شکل6-نمونه ای از مولکول های فعال در طیف سنجی فروسرخ و رامان
شکل7- مقایسه طیف های بنزن در طیف سنجی فروسرخ و رامان
طیف سنجی رامان برای آنالیز مولکول های آلی و غیرآلی، پلیمرها، ترکیبات فلزی، لایه های نازک و سلول های زنده استفاده می شود، اما طیف سنجی فروسرخ معمولاً برای آنالیز ترکیبات آلی و غیرآلی، از جمله شیمی دارویی، پلاستیک، غذا و نفت به کار می رود.
هر دو تکنیک طیف سنجی فروسرخ و رامان، برای شناسایی مواد از طیف های نوری استفاده می کنند، اما تفاوت های بسیاری دارند و تفاوت کلیدی دو تکنیک موارد زیر هستند:
در جدول های 1 و 2، تفاوت های کلی دو روش طیف سنجی فروسرخ و رامان به طور خلاصه آورده شده است.
جدول1- مقایسه فیزیک طیف سنجی فروسرخ و رامان
جدول2- مقایسه طیف سنجی فروسرخ و رامان
هر دو روش طیف سنجی فروسرخ و رامان را می توان با تکنیک های میکروسکوپی استفاده کرد. مزیت کلیدی طیف سنجی رامان این است که به آماده سازی کمی برای نمونه نیاز دارد (و در برخی موارد حتی نیازی به آماده سازی نمونه نیست)، در حالی که روش FTIR دارای محدودیت هایی در ضخامت، یکنواختی و رقت نمونه برای جلوگیری از اشباع است.
طیف سنجی فروسرخ و رامان اطلاعات مولکولی در مورد ساختار و ترکیب نمونه های شیمیایی و بیولوژیکی ارائه می دهند. به دلیل اصول اساسی حاکم بر هر فناوری، هر دو می توانند اطلاعات تکمیلی را به دست آورند. با این حال، اغلب یکی از تکنیک ها، بسته به ماهیت برنامه کاری، انتخاب بهتری است.
طیف سنجی رامان اطلاعاتی در مورد ارتعاشات درون و بین مولکولی به دست می دهد. اولی یک مشخصه طیفی از ارتعاشات خاص اتم ها در یک مولکول را ارائه می دهد و برای شناسایی یک ماده، شکل، و پیکربندی ستون فقرات مولکولی برای نام بردن چند مورد ارزشمند است. دومی اطلاعاتی در مورد حالت های فرکانس پایین تر به دست می دهد که ساختار شبکه کریستالی و شکل چندشکلی را منعکس می کند.
در مقابل، طیف سنجی مادون قرمز یک «ناحیه اثرانگشتی» از طیف را فراهم می کند که در آن ارتعاشات درون مولکولی به خوبی تعریف شده و مشخصه پیوند اتم‌ها است.
یک مثال عملی از تمایز بین این دو فناوری در بررسی فرآیند تبلور است، که در آن رامان شکل (های) بلور جامد را تجزیه و تحلیل می کند و IR به طور همزمان ویژگی های فاز محلول مانند فوق اشباع را اندازه گیری می کند.
طیف سنج های رامان دارای توری پراش هولوگرافیک با آشکارسازهای CCD هستند. در مقابل، طیف سنج های IR از تداخل سنج هایی استفاده می کنند که تابش مدوله شده را ارائه می کنند، که توسط آشکارسازهای فوتونی یا آشکارسازهای پیروالکتریک شناسایی می شود.
شکل8- شماتیک کلی از دو طیف سنجی فروسرخ و رامان
چه از طیف سنجی رامان استفاده کنید و چه از طیف سنجی فروسرخ، هر دو روش مزایا و محدودیت هایی دارند، اما وقتی با هم ترکیب شوند، این دو روش به ابزاری قدرتمند در هنگام انجام خصوصیات مواد تبدیل می شوند.
امیداوریم که این مطلب برای شما مفیده بوده است😍 برای اطلاعات از جزئیات بیشتر تکنیک های طیف سنجی فروسرخ و رامان به مقالات “طیف سنجی رامان چیست؟” و “طیف سنجی فروسرخ چیست؟” مراجعه کنید.
به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما را نیز مشاهده کنید و در صورت نیاز، می توانید کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود نمایید.💐
J. Larkin, Infrared and raman spectroscopy: principles and spectral interpretation.
pectroscopy: An Introduction to the Atomic and Molecular Physics of Astronomical Spectra.
R. Koirtyohann, A history of atomic absorption spectroscopy, Spectrochemical Acta Part B: Atomic Spectroscopy.
Ewen, D. Geoffrey, Modern Raman Spectroscopy: A Practical Approach.
مقالات منتشر شده در ساعاتی قبل
تکنیک رامان و ir مکمل یکدیگر هستند.
آیا در ایران طیف سنج رامان وجود دارد؟ کدام دانشگاه؟
تقریباً تمامی مراکز دانشگاهی ایران بسته به موضوعات تحقیقاتی دانشجویان و رشته های مختلف از انواع مختلفی از دستگاه های اسپکتروفتومتر استفاده می کنند. از پرکاربردترین ها می توان به اسپکتروفتومتر UV-Vis و طیف سنج های رامان اشاره کرد.