طیف نگاری UV, FTIR, IR
موضوعات مورد بررسی در این سمینار، خصوصیات پرتوهای IR,UV و وسایل طیف نگاری است و همچنین کاربرد این پرتوها به عنوان آنالیز سطوح بر روی مواد می باشد.
فصل 1
1-1) خصوصیات و ویژگی های پرتو UV (وراء بنفش)
اشعه واراء بنفش بدسته ای از امواج الکترو مغناطیس اطلاق می شود که پس از طیف مرئی قرار گرفته و طول موج آن بین A3900-1800 ( و یا 39/0 مو و 0144/0 مو) می باشد. این اشعه قابل رویت نیست ولی از روی خاصیت شیمیایی آن می توان به وجودش پی برد حد اخیر قرار دادی است چون بین اشعه وراء بنفش واشعه ایکس از لحاظ خواص فیزیکی حد فاصل مشخص و واضحی وجود ندارد.
طبق توصیه کنگره کپنهاک (سال 1932) اشعه UV را به سه منطقه تقسیم می کنند.
1-وراء بنفش با طول موج بلند یا وراء بنفش A-این اشعه بین طول موجهای 39/0 و 315/0 مو قرار دارند. نسبت این اشعه در نور آفتاب، قوس الکتریکی ذغال و چراغهای الکتریکی معمولی زیاد است. از نظر بیولوژیک تولید اریتم نمی کند مگر اینکه تابش شدید و طولانی باشد.
2- وراء بنفش با طول موج متوسط یاوراء بنفش B- که بین طول موجهای 315/0 مو و 28/0 مو واقع شده اند. این اشعه در نور چراغ، بخار جیوه و قوس های الکتریکی با الکترودهای فلزی وجود دارد. تاثیر آنها در پوست شدید است و زودتر از وراء بنفش A، اریتم تولید می کند. پس از برطرف شدن اریتم، به علت پیگمانتاسیون شدید تا مدتی پوست تیره می ماند.
3-وراء بنفش با طول موج کوتاه و یا وراء بنفش C که شامل طول موج های کوتاهتر از 28/0 مو می باشد و فقط درقوس الکتریکی جیوه وجود دارد. خواص شیمیایی آن خیلی شدید است ولی چون در طبقات سطحی پوست جذب می شود، اریتم و تیرگی پوست در آن خفیف است. اما اثر میکروب کشی آن (باکتریها و مخمرها و غیره) بسیار شدید می باشد.
جذب اشعه وراء بنفش- از شیشه معمولی فقط اشعه وراء بنفش A عبورمیکند در صنعت، شیشه هائی با ترکیبات مخصوص می سازند که تا طول موج 26/0 مو یعنی وراء بنفش A و B و قسمتی ازC نیز ازآنها می گذرد.
آب خالص برای اشعه وراء بنفش شفاف ترین مایعات است وطبقات نازک آن امواج بلندتر از 2/0 مو را از خود عبور می دهند
آلبومین ها بر حسب فرمول شیمیایی خود، طول موجهای مختلفی را عبور می دهند و دارای نوارهای جذبی مخصوصی هستند که به ترکیب شیمیایی آنها بستگی دارد.
گازها معمولاً برای اشعه برای اشعه وراء بنفش شفاف هستند و طول موجهای بلندتر از 18/0 مو از طبقات نازک هوا بخوبی می گذرند.
اندازه گیری اشعه وراءبنفش
اساس اندازه گیری اشعه وراء بنفش متکی بر خواص فیزیکی و شیمیایی است.
اسباب هائیکه برای اندازه گیری اشعه وراء بنفش وجود داردکه اکتی نومتر (Actinomre) نامیده می شود و به سه دسته تقسیم می گردد.
1-پیل ترموالکتریک
2-اکتی نومتر فیزیکی
3-اکتی نومتر شیمیایی
1- پیل ترمو الکتریک – اندازه گیری انرژی اشعه مانند اندازه گیری طیف مرئی واشعه زیر قرمز می باشد بدین معنی که جسمی را که کلیه اشعه را جذب می کند در معرض تابش اشعه قرار داده و حرارت حاصل را اندازه گیری می کنند.
در عمل این روش در پزشکی نتایج دقیق نمی دهد زیرا اغلب مقدار اشعه وارء بنفش خیلی کم است درصورتیکه اثر بیولوژیکی آن از اشعه مرئی زیر قرمز زیادتر و مهمتر است. برای اینکه شدت اشعه وراءبنفش به تنهایی اندازه گیری شود کافی است که ابتدا شدت تمام اشعه منبع نورانی را اندازه گیری نمود و سپس به کمک صافیهای مناسب که کلیه اشعه وراء بنفش راجذب می نماید، اندازه گیری را تکرارکرد. تفاضل این دو مقدار اشعه وراء بنفش را نشان می دهد.
2-اکتی نومتر فیزیکی – مهمترین این نوع اکتی نومترها، سلول فوتو الکتریک است که تشکیل شده از یک حباب از جنس کوارتز که به خوبی تخلیه شده است و شامل دو الکترود می باشد. کاتد تشکیل شده از یک رسوب فلزی نازک که جدار داخلی حباب به غیر از قسمت کوچکی را که برای ورود نور است می پوشاند. آند در داخل حباب بوده و از یک حلقه فلزی ساخته شده است. هر گاه بین دو الکترود اختلاف سطحی در حدود صد ولت برقرار نماییم به شرطی که قطب منفی به رسوب فلزی متصل باشد، و سلول در تاریکی باشد جریانی نمی گذرد ولی اگر به رسوب نور بتابانیم از آن الکترود جدا شده و جریانی که شدت آن متناسب با شدت نورتابنده است برقرار می شود. بایاد دانست که شدت این جریان معمولاً خیلی کم است (در حدود میکرو آمپر) و باید آنرا بوسیله لامپ های سه قطبی تقویت نمود.
برای افزایش حساسیت سلول داخل آنرا از گاز بی اثری با فشار کم پر می کنند حساسیت سلول فوتو الکتریک بستگی به جنس فلز داخل حباب که مورد تابش نور قرار می گیرد، دارد.
امروزه کادمیوم بیش از همه فلزات در اکتی نومترهای بیولوژیک به کار می رود زیرا این فلز فقط به اشعه وارء بنفش حساس است.
3-اکتی نومتر شیمیایی-املاح نقره در اثر تابش اشعه وراء بنفش احیاء می شود و چون نقره آن آزاد می گردد املاح سیاه رنگ می شود.
اکتی نومتری فوق، اکتی نومتر بوردیه (Bordier) است که محلول فرو سیانور پتاسیم در نتیجه تابش اشعه وراء بنفش رنگ زرد مایل به آجری پیدا می کند و شدت این رنگ با مقدار اشعه وراء بنفش بستگی دارد. برای این اندازه گیری نوارهای کاغذی را به محلول 20 درصد فرو سیانور دو پتاسیم آغشته می کنند و پس از خشک شدن در معرض تابش اشعه وراء بنفش قرار میدهند. پس از مقایسه این نوار کاغذی که رنگین شده است با یک سری نمونه هائیکه قبلاً تهیه و اندازه گیری شده به مقدار تابش اشعه وراء بنفش پی می برند.
خواص فیزیکی و شیمیایی اشعه وراء بنفش
گذشته از خواص مشترکی که هر اشعه ای دارد و پس از جذب در جسم تبدیل به حرارت میشود اشعه وراء بنفش سه خاصیت مهم دیگر نیز دارد.
1-خاصیت فوتوالکتریک
2-خاصیت فلوئورسانس
3-خاصیت فوتو شیمیایی
1-خاصیت فوتو الکتریک اگر اشعه وراء بنفش به فلزات بتابد از آنها الکترون جدا می کند ولی جدا شدن الکترون در کلیه فلزات به یک اندازه نیست و حساسیت کادمیوم بیش از همه است. مقدار الکترونی که از فلز جدا می شود متناسب با مقدار انرژی اشعه ایست که به آن می تابد.
2-خاصیت فلوئورسانس- اگر درمقابل اشعه وراء بنفش اجسامی از قبیل کچ و Colophane و محلول سالیسیلات دو سود و غیره قرار دهند ملاحظه می شود که هر یک به نسبت جذب اشعه به رنگ های مختلف درخشندگی پیدا می کنند. امروزه تحقیقات زیادی درباره فلوئور سانس بافت های سالم و بیمار دراثر تابش این اشعه نموده اند که نتایج مهمی در تشخیص بعضی از بیماریهای پوستی و حتی نسوج سرطانی داشته است. دندانهای سالم در اثر تابش اشعه وراء بنفش (33/0 تا 38/0 مو) رنگ آبی زیبایی پیدا می کند. در صورتیکه دندانهای مرده بدون تغییر رنگ وتاریک باقی می ماند همچنین جلیدیه سالم که در اثر آب مروارید استحاله نیافته باشد فلوئور سانس آبی ایجاد می کند.
اشعه وراء بنفش به برخی اجسام خاصیت فسفر سانس داده و سبب یونیزاسیون گازها و تخلیه الکتریکی خازنها می شود.(1)
3-خاصیت فوتو شیمیایی – اشعه وراء بنفش باعث فعل و انفعالات شیمیایی می شود و این خاصیت در اشعه با موج کوتاه (3/0 مو) شدید تر است.
منابع طبیعی و مصنوعی اشعه وراء بنفش
تنها منبع طبیعی اشعه وراء بنفش خورشید است ولی طیف نور خورشید طول موجهای کمتر از 2900 انگستروم ندارد زیرا قبل از رسیدن به زمین در جو صاف می شود و این خود وسیله ای برای حفاظت از خطرات اشعه وراء بنفش می باشد.
همانطور که گفته شد، مناسب ترین وسهل ترین وسیله تولید اشعه وراء بنفش استفاده از چراغهای بخارجیوه است که با مصرف کم انرژی الکتریکی مقدار نسبتا زیادی اشعه وراء بنفش تولیدمی کند که تا وقتی که چراغ روشن است نورمهتابی از خود پخش می کند که حاوی مقداری اشعه وراء بنفش است. معمولا این نوع چراغها را داخل نور افکن قرارمی دهند تا اشعه وراء بنفش رادرناحیه مورد درمان متمرکز کنند ضمنا قوس الکتریکی بین دو قطعه ذغالی یاجرقه الکتریکی بین دو قطعه فلزی نیز مثل طیف خورشید یک طیف پیوسته است که شامل اشعه وراء بنفش با طول موج 2700 انگستروم می باشد.
خواص و اثرات بیولوژیک اشعه وراء بنفش (1)
این اشعه در بدن دارای اثرات موضعی و عمومی است. اثر عمومی اشعه در حقیقت نتیجه اثرموضعی آن در پوست است.
اثرات مرئی و موضعی اشعه وراء بنفش دربدن عبارتند از:
اریتم – اریتم یا سرخی پوست که متعاقب تابش اشعه به بدن ایجاد می شود بستگی به مقدار و طول موج اشعه تابنده دارد و موثرین طول موج در تولید اریتم طول موج 2967 انگستروم است. این دسته اشعه که از نظر بیولوژی فوق العاده موثر است و حداقل طول موج آن 2800 انگستروم می باشد به اشعه دورنو Dorno معروف است.
شدت سرخی پوست بر حسب مقدار اشعه تابنده متفاوت است، تابش مقدارکم اشعه فقط باعث سرخی پوست می شود که پس از یک دوره نهفته چند ساعته ظاهر می گردد ولی تابش مقدار زیاد آن سبب تاول و ورم پوست شده و اگر مقدار آن خیلی زیاد باشد سوختگی شدید تولید می کند.
علت اریتم اتسااع رگ های موئین درنتیجه آزاد شدن مواد مشابه هیستامین در اپیدرم است. بدین ترتیب که تابش اشعه وراء بنفش به بدن و نفوذ آن در طبقات سطحی جلد باعث می شود که هیسترین موجود درسلولهای پوست تبدیل به هیستامین شود. اثر تسکینی اشعه وراء بنفش دردردهای عصبی نیز نتیجه تاثیر هیستامین است.
تیرگی پوست- متعاقب اریتم تیرگی در پوست ایجاد میشود ولی تیرگی بوسیله اشعه ای که طور موج آ“ بین 3000 تا 3600 انگسترم است بسیار رایج است
بنابراین طیف نور خورشید که از حیث اشعه دورنو فقیر است و می تواند تیرگی شدید در پوست ایجاد کند. تکرار تابش اشعه سبب کم شدن حساسیت پوست نسبت به اشعه می گردد بطوری که برای ایجاد تیرگی باید به تدریج بر مقدار اشعه افزود و از خواص مهم دیگر اشعه وراء بنفش، عوارض قسمت قدامی چشم می باشد.
موارداستعال درمانی اشعه وارء بنفش
یکی از مهمترین اثرات عمومی این اشعه در تبادلات غذایی، بهتر جذب شدن مواد پروتئین، کاهش قند خون و از همه مهمتر تاثیر در تبادلات کلسیم و فسفر است.
افزایش کلیسم و فسفر خون بیماران مبتلا به تتانی و راشیتیسم پس از تابش اشعه وراء بنفش دورنو نشان می دهد که همراه افزایش کلسیم و فسفر خون مقدار ویتامین D نیز در بدن بالا می رود و بطوریکه ترقی کلیسم و فسفر خون را باید نتیجه تولید ویتامین D دانست.
اشعه وراء بنفش در تعداد گلبولهای قرمز و هموگلوبین خون در دوره سلامتی تغییری نمی دهد ولی در مواقع کم خونی اثر محسوسی در بالابردن مقدار هموگلوبین و عده گلبولهای قرمز خود دارد.
مقاومت عمومی بدن در برابر بیماریهای عفونی پس از درمان با اشعه وراء بنفش زیاد می شود زیرا پوست در ساختن موادیکه موثر در ازدیاد مقاومت هستند، سهم عمده دارند.
اشعه وراء بنفش در درمان زخمهای دیر التیام نتیجه مطلوب می دهد و این عمل به علت خاصیت باکتریو استاتیک و افزایش گرردش موضعی خون است.
اشعه وراء بنفش بین طول موجهای 4/0 و 2/0 مو خاصیت میکروب کشی واضحی دارد که حداکثر آن برای طول موجهای بین 25/0 و 28/0 مو می باشد.از خاصیت میکروب کشی اشعه وراء بنفش در پزشکی زیاد استفاده می کنند و ضد عفونی کردن هوای اطاقهای محروم از نور آفتاب و اطاق عمل و مکانهای سر بسته لامپ مولد اشعه را مدتی روشن می نمایند تا اکسیژن هوا به ازن که ضد عفونی کننده قوی است تبدیل گردد. در این موارد بیشتر از لامپی که اشعه با طول مو 25/0 مو ایجاد می نماید استفاده می شود.
حفاظت در مقابل اشعه وراء بنفش
حفاظت در مقابل اشعه وراء بنفش بسیار آسان است زیرا غالب مواد این اشعه را به آسانی جذب می نمایند مثلا لباس هر قدرهم نازک باشد برای حفظ بدن در مقابل اشعه کافی است.
محافظت چشم قدری مشکل تر است.شیشه های عینک معمولی اشعه کوتاهتر از 3/0 مو را جذب نمی کند ولی امروزه شیشه هایی می سازند که تمام اشعه وراء بنفش و حتی قسمت کمی از بنفش را جذب می کند. به کار بردن این نوع عینک ها برای کلیه افرادیکه با اشعه وراء بنفش سرو کار دارند اجباری است و باید کارگران جوشکاری و ذوب فلزات و همچنین پزشکان وپرستارانی که فوترتراپی می کنند و به طور کلی تمام افرادی که حتی مدت کمی در معرض تابش شدید این اشعه قرار می گیرند در موقع کار از آن استفاده نمایند (2).
2-1) خصوصیات و ویژگی های پرتو IR
این اشعه به منطقه ای از طیف امواج الکترو مغناطیسی اطلاق می شود که بلافاصله قبل از طیف نور مرئی قرار گرفته و دارای اثر حرارتی می باشد.
منطقه اشعه زیر قرمز بین طول موجهای 8/0 مو که حد اشعه مرئی است و 343 مو که جزء امواج هرتز نیز محسوب می شود قرار دارد.
در اشعه زیر قرمز طول موج های کوتاهتر از 5/1 مو از پوست می گذرند و بقیه جذب شده و تولید حرارت می نمایند.
جذب اشعه زیر قرمز
بهتر است که اشعه زیر قرمز را به دو قسمت تقسیم نمود:
1-شامل اشعه بین 8/0 مو و 4 مو است. می توان این اشعه را توسط انواع صافیها مجزا نمود و مورد مطالعه قرار داد.
2-شامل طول موجهای بلند تر از 4 مو است که بوسیله اغلب مواد جذب می شوند بخصوص طول موجهای بلندتر از 10 مو بوسیله هوا کاملاً جذب می شود و تحقیق خواص بیولوژیک آن مقدور نیست.
آب نیز یکی از مواد خیلی جاذب اشعه زیر قرمز است. محلول نمک طعام در حدود بیست برابر آب خالص اشعه را جذب می کند.
منابع اشعه زیر قرمز
منبع اصلی اشعه زیرقرمز، خورشید است. مقداری از نور آفتاب دارای اشعه زیر قرمز کوتاه است زیرا پرتوهای زیرقرمز بلند آن در طبقات هوا جذب شده اند.
بهترین منبع مصنوعی، اجسام ملتهب است که طول موج آنها برحسب درجه حرارت تغییر می کند. اگربخواهیم اشعه زیرقرمز تنها داشته باشیم باید نوراین قبیل منابع مصنوعی را بوسیله شیشه هائیکه درترکیب آنها ید و یا اکسید دو منگنز وجود داشته باشد صاف کنیم. این نوع صافیها طیف مرئی را جذب میکند و فقط اشعه زیر قرمز کوتاه را عبور می دهد. طریقه دیگر که سهل و عملی است عبور جریان الکتریسیته ازمقاومت های فلزی است بطوریکه این مقاومت ها سرخ شوند این مقاومت ها غالبا از آلیاژهای آهن و نیکل ساخته شده اند. چراغهائی هم که مفتول آنها از زغال ساخته شده است نیز به نسبت زیاد اشعه زیرقرمز دارند. دیگر ازمنابع اشعه زیر قرمز چراغ طوری است که در آن نسبت اشعه کوتاه بین یک مو و هفت مو خیلی کم ولی نسبت اشعه زیر قرمز بلند آن زیاد است. همچنین چراغ بخارجیوه اشعه زیرقرمز کوتاه بین 92/0 مو 3/1 مو تولید می کند ولی رویهم رفته نسبت اشعه زیر قرمز چراغ بخار جیوه نسبت به سایر منابع کمتر می باشد. بهمین مناسبت آنرا در فوتر تراپی برای این منظور به کار نمی برند.
اندازه گیری اشعه زیر قرمز و برخی از خواص آن
برای اندازه گیری اشعه زیر قرمز از جذب انرژی حرارتی آن استفاده می نمایند یعنی این اشعه را به جسمی می تابانند که بتواند کلیه انرژی را جذب کند و سپس مقدار حرارتی را که در جسم مزبور تولید گشته اندازه می گیرند. برای این کار میزان الحراره حساسی تهیه می کنند که مخزن آن بوسیله دوده سیاه شده باشد تا کلیه اشعه زیر قرمز را در خود جذب نماید.
وسیله دقیق دیگر استفاده از پیل ترمو الکتریک می باشد که در آن انرژی حرارتی تبدیل به انرژی الکتریکی می شود و به سهولت و دقت قابل اندازه گیری است.
برای اندازه گیری درجه حرارت در داخل نسوج زنده از دستگاهی به نام سوزن ترمو الکتریک استفاده می کنند. امروزه به کمک دستگاههای ترمو الکتریک دقیق می توانند تا یک میلیونیم درجه سانتی گراد حرارت را اندازه گیری کنند.
خاصیت فوتر شیمیک اشعه زیر قرمز خیلی ضعیف است یعنی معمولاً این اشعه باعث فعل و انفعالات شیمیایی نمی شود و برای ظاهر ساختن خاصیت فوتو شیمیک این اشعه غالبا به کاربردن مواد حساس کننده لازم است. خاصیت فوتو الکتریک اشعه زیر قرمز نیز چندان زیاد نیست و فقط در فلزاتیکه قابلیت اکسید شدن آنها زیاد باشد دیده می شود (مانند سزیوم و پتاسیم)
خاصیت فلوئورسانس نیز در اشعه زیر قرمز بسیار ضعیف است.
برعکس خواص بالا، تولید حرارت مهمترین خاصیت این اشعه می باشد و اجسامی که در معرض تابش آن قرار گیرند و جاذب اشعه باشند به شدت گرم می شوند.
خواص فیزیولوژیک اشعه زیر قرمز
اشعه زیر قرمز سبب گرم شدن پوست و نسوج سلولی زیر جلدی می شود. و ممکن است در پوست سوختگی های نسبتاً شدید ایجاد نماید.
اگر اشعه زیر قرمز را به مقدار مناسب به کاربرند، در نتیجه اتساع رگ های زیر پوست سبب تسهیل اعمال فیزیولوژیک پوست می شود و حتی از راه رفلکس پوستی در بهبودی حال عمومی نیز می تواند موثر واقع گردد، به علاوه این اشعه خاصیت تسکین درد را نیز دارد که علت آن همان اتساع عروق و بهتر انجام گرفتن عمل دفع سموم و تغذیه بافت هاست و بهمین علت از آن برای آرام کردن دردها هم استفاده می کنند.
در تالمات ناشی از ورزش و حرکات سنگین (پیچ خوردگیها، در رفتگیها و محدودیت حرکات مفصلی) بیماریهای گوش و حلق و بینی، بیماریهای چشم و جراحی فک و دهان به کار می رود.
فصل دوم – طیف سنجی
مقدمه
طیف سنجی زیر بنای شیمی آلی از نیمه دوم قرن بیستم است. معرفی طیف سنجی فرابنفش(uv) را در سال های حدود 1930 و طیف سنجی زیر قرمز (IR) را در سال های 1940 به عنوان روش های موثری برای شیمیدان ها در تشخیص گروههای عاملی در مولکول های آلی فراهم کرده است. اطلاعات ساختاری از مقادیر کم نمونه ها و با آزمایش های غیر تخریبی بدست می آمد.
طیف سنجی فرابنفش برای تشخیص سیستم های مزدوج به کار می رود؛ زیرا انتقال الکترون ها از حالت پایه به حالت برانگیخته در چنین سیستم هایی در این ناحیه موجب جذب می گردد.
طیف سنجی زیر قرمز، برای تشخیص و شناسائی ارتعاش های مولکولی و به ویژه ارتعاش های خاص پیوند های دو گانه و سه گانه موجود دراغلب گروههای عامل مورد استفاده قرار میگیرد.
طیف سنج (اسپکترومتر) IR
در این نوع اسپکترومترها، نور ناشی از منبع نورانی ابتدا به دو دسته نور دارای خواص همانند تقسیم می شود که یک دسته از آن از سل (Cell) حاوی جسم مورد آزمایش عبور می کند و دسته دیگر از سلی (Cell) که فقط حاوی حلال یا قرص KBr خالص است عبور می کند. دو اشعه مذکور پس از عبوراز سلهای مورد بحث از منشورهای منو کروماتور عبورکرده و به گیرنده اشعه ها می رسند. نوری که از جسم مورد ازمایش عبور کرده مسلماً ضعیف تر ازنوری است که از سل محتوی حلال خالص گذر کرده است. با مقایسه این دو دسته نور طیف توسط اسپکترومتر به طور اتوماتیک رسم می شود. شدت جذب معمولا به صورت درصد قابلیت عبور محاسبه و رسم می شود به همین دلیل مناطقی که در آنها جذب بسیار قوی باشد در طیف ترسیم شده به نقاط می نیمم منحنی ها می باشد. ضریب جذب مولی پیک ها که در ارتباط با غلظت مولی می باشد همانند مناطق طیفی و ماوراءبنفش بیان می شود. اما از آنجا که اندازه گیری شدت مطلق در منطقه اسپکتروسپکپی مادون قرمز هنوز به طور کاملاً رضایتبخشی عملی نیست کمتر از اسپکتروسکپی مادون قرمز ضریب جذب مولی ارائه می شود.
طیف زیر قرمز
ناحیه زیر قرمز برای مطالعه ساختار ماده مفید است زیرا فرکانس های لغزشی اتمها در مولکولها و کریستالها در ناحیه مادون قرمز رخ می دهد.
جذب پرتو درفرکانس های گوناگون به تعداد مولکولهای جذب شده در سیستم بستگی دارد که امکان آنالیز کمی را فراهم می کند.
طیف IR در آنالیز سطوح، به خصوص در سطوح فعال و اکسیداسیون سطوح و اثرات ناشی از عملکرد مفید می باشد طیف نگاری مادون قرمز را در ناحیه سطحی پلیمر های جامد به کار می برند. طیف زیر قرمز متوسط اطلاعات شیمیایی بسیارارزشمندی را بیان می کند و ماکزیمم مقدار آن قادر به دادن اطلاعات زیادی باروش های نسبتاً معمولی می باشد.
انرژی اکثر ارتعاشات مولکولی به ناحیه زیر قرمز طیف زیر الکترومغناطیسی مربوط می شود ارتعاشات مولکولی ممکن است مستقیماً به وسیله طیف زیر قرمز و یا به طور غیر مستقیم در طیف رامان مشخص گردد. از نظر شیمیدان آلی مفیدترین ارتعاشات، آنهایی هستند که در ناحیه 5/2 تا 16 ، که بوسیله اغلب طیف سنج های زیر قرمز پوشانده می شود، اتفاق می افتد. دامنه معمول یک طیف زیر قرمز بین ، بالاترین حد فرکانس و ، پایین ترین حد فرکانس قرار دارد.
طیف زیر قرمز ساده ترین، سریعترین و غالباً مطمئن ترین وسیله برای نسبت دادن یک ترکیب به گروه خودش می باشد.
تهیه نمونه ها و گرفتن طیف زیر قرمز
طیف سنج، تشکیل شده از یک منبع نور زیر قرمز که در تمام محدوده فرکانس عمل دستگاه نور را نشرمی دهد. این نور به دو دسته شعاع با شدت مساوی تقسیم می گردد که یک دسته از آنها طوری تنظیم شده که از نمونه مورد بررسی می گذرد. اگر فرکانس ارتعاش مولکول نمونه در محدوده فرکانس دستگاه قرار گیرد مولکول ممکن است انرژی این فرکانس را جذب نماید. بدین ترتیب طیف با مقایسه شدت دو دسته شعاع که یکی از آنها از نمونه مورد بررسی می گذرد گرفته می شود. محدوده طول موج که در آن مقایسه صورت می گیرد معمولاًتوسط منشور یا شبکه (Grating) فراهم شده است.
تمام کار به طور خودکار به طریقی صورت می گیرد که طیف نهایی عادی به شکل نموداری رو به پایین از جذب نسبت به طول موج یا فرکانس ظاهر شود.
با توجه به نوسانات طیف سنج ها ی مختلف، غالباً طیف سنج نسبت به نوارهای جذبی تنظیم می گردد، یک یا چند پیک از این نوارها با طیفی که باید گرفته شود منطبق می گردد.
ترکیبات را می توان در فاز بخار، به صورت مایع خالص، در محلول و یا به حالت جامد مورد بررسی قرار داد.
در فاز بخار
بخار وارد سل مخصوصی می شود که معمولا 10 سانتی متر طول دارد و می تواند مستقیماً در مسیر یکی از پرتوهای زیر قرمز قرار گیرد. دیواره های انتهایی سل معمولاً از سدیم کلرید ساخته شده اند که نسبت به نور زیر قرمز شفاف است. برای اغلب ترکیبات آلی که فشار بخار بسیار پایینی دارند استفاده از این فاز مفید است.
به صورت مایع
یک قطره از مایع بین صفحات مسطح سدیم کلرید (که درناحیه شفاف است) فشرده می شود. این ساده ترین روش کار است.
درمحلول
ترکیب مورد نظر در کربن تتراکلرید یا برای خواص حلالی بهتر در کلرو فرمی که عاری از الکل است حل می شود تا محلولی 5-1 درصد بدهد. این محلول به یک سل مخصوص که از سدیم کلرید به ضخامت mm1-1/0 ساخته شده وارد می شود.
یک سل دوم با همان ضخامت ولی حاوی حلال خالص، به منظور حذف جذب های مربوط به حلال در مسیر پرتو دیگر طیف سنج قرار می گیرد. معمولاً طیف گرفته شده از چنین محلولهای رقیق درحلال های غیر قطبی مطلوب ترین طیف است؛ زیرا در چنین محلولهایی طیف ها بهتر از طیف جامدات تفکیک می شوند. (شکل 2-13-ج) و نیز نیروهای بین مولکولی به ویژه در حالت کریستالی قوی هستند، و در محلول های رقیق می نیمم می گردند. از طرف دیگر، بسیاری ازترکیبات در حلالهای غیر قطبی حل نمیشوند؛ و همه حلال ها در زیر قرمز جذب دارند، هنگامی که جذب حلال از حدود 65 درصد نور اولیه تجاوز نماید طیف نمی تواند گرفته شود، زیرا نور خروجی از نمونه برای به کار اندازی مکانیسم تشخیص کافی نمی باشد.
خوشبختانه کربن تترا کلریدو کلروفرم65 درصد نور اولیه را فقط درآن نواحی جذب می کنند که کمتر مورد علاقه اند. البته حلال های دیگری ممکن است مورد استفاده قرار گیرند، اما مفید بودن آنها باید قبلاً با توجه به اندازه سل مورد استفاده ارزیابی شود. در موارد نادری که محلول های آبی مورد نیاز هستند، سل های مخصوص کلسیم فلورید به کار برده می شوند.
در حالت جامد
حدود mg1 از جامد دریک هاون سنگی با یک قطره از یک هیدروکربن مایع یا اگر ارتعاشات CH مورد نظر باشند با هگزا کلرو بوتا دی ان، ساییده می شود.
سپس مخلوط بین صفحات سطح سدیم کلرید فشرده می شود. در روش دیگر، جامد را با 10 تا 100 برابر حجمش با پتاسیم برمید خالص سائیده و مخلوط را توسط پرسهای هیدرولیکی به صورت قرص نازکی در می آورند. استفاده از KBr مسئله جذب های ناشی از مصرف امولسیون کننده را حذف می نماید (شکل 2-13 الف و 2-13ب) و در مجموع طیف بهتری می دهد، به جز اینکه تقریبا همیشه نواری در به علت گروه OH مقدار جزئی آب همراه KBr ظاهر می گردد. (شکل2-9) به خاطر برهم کنش های بین مولکولی موقعیت نوارها در طیف حالت جامد غالباً متفاوت از طیف محلول های مربوطه اند.این تفاوت به خصوص برای گروههای عاملی که تشکیل پیوند هیدروژنی می دهند صادق است. از طرف دیگر، تعداد خطوط تفکیک شده در طیف حالت جامد غالبا بیشتر است (2-13) به طوری که مقایسه طیف یک نمونه سنتزی و طبیعی به منظور تشخیص ماهیت آنها به بهترین وجهی در فازجامد صورت می گیرد. البته این موضوع فقط وقتی صادق است که از نمونه های کریستالی مشابهی استفاده شود.
نمونه مورد استفاده در طیف سنجی IR (ATR- IR)
نمونه بین سطوح صیقل یافته، ملح معدنی قرار می گیرد. ضخامت مایعات خالص بین سطوح حدود mm01/0 و از آن محلولها، بستگی به رقت نمونه mm10-1/0 می باشد. بررسی نمونه های جامد، به علت آن که ذرات جامد موجب انعکاس و پراکندگی تابش می شوند و از آن جا در صد عبور تابش کاهش می یابد، متشکل تر است. اگر نتوان نمونه جامد را در حلال مناسبی حل نمود، آنرا آسیاب نموده و سپس در پارافین مایع (nujol) به صورت سوسپانسیون یا (mull) در می آورند. این سوسپانسیون بین سطوح ملح معدنی قرارگرفته و همانند مایعات خالص و محلول ها مورد بررسی قرار می گیرد. اگر ضریب شکت فاز مایع و جامد خیلی متفاوت نباشد در این صورت پراکندگی خیلی کم خواهد بود.
روش دیگر، آسیاب کردن آنها با برمید پتاسیم است. این روش توصیه نمی شود زیرا که در تجدید کردن نتایج، مشکلاتی وجود دارد.
روش دیگر که برای نمونه های مشکل به کار می رود به نام طیف سنجی انعکاس کلی تضعیف شده یا ATR-IR Attenuated total reflection in frared) spectroscopy) مشهور است.
قطعه ذوزنقه ای شکل از یک ماده شفاف را در نظر بگیرید. اگر زوایای برش قطعه به درستی انتخاب شوند، تابشی که به یک انتها تابیده می شود تحت زاویه ای بیشتر از زاویه حد به سطوح تحت قطعه برخورد می کند و بنابراین باعث می شود که انعکاس کلی درونی رخ دهد و از انتهای دیگر تقریباً با همان شدت،خارج گردد. (شکل 2-5)
حال اگر چه انعکاس درونی به نام انعکاس «کلی » موسوم است. در واقع پرتو تابش درهر انعکاس اندکی به وراء قطعه نفوذ می کند. اگر نمونه روی سطح خارجی قطعه به صورت فشرده قرار گیرد، آنگاه پرتو درهر انعکاس فاصله کوتاهی را به درون نمونه طی نموده و بنابراین طیف جذبی نمونه را با خود به طرف دیگر قطعه می برد و انعکاس داخلی در اثر جذب نمونه کاهش یافته یا تضعیف می شود و به همین مناسبت این نوع طیف سنجی به چنین نامی خوانده می شود.
قطعه باید از ماده ای باشد که در ناحیه زیر قرمز شفاف بوده و ضریب شکستی بالاتر از نمونه داشته باشد در غیر این صورت انعکاس درونی رخ نمی دهد. مواد مناسب برای این منظور عبارتند از: کلرید نقره، هالیدهای تالیم یا ژرمانیم. قطعه در حدود cm 5 طول و cm عرض و cm 5/0 ضخامت دارد. نمونه می تواند به هر شکلی باشد، (به جز گازها، که طول مسیر برای آنها خیلی کوچک است) به شرط آنکه در تماتس نزدیک با قطعه قرار گیرد، اما این روش را معمولاً برای نمونه هایی به کار می برند که مطالعه شان به روش های معمولی مشکل است. مثلاً مطالعه مواد الیافی توسط عبور نور واقعاً غیر ممکن است. سطح زبر و ناهموار تمامی تابشی را که به آن می تابد پراکنده می سازد. اما اگر الیاف به طور محکم در خارج قطعه ATR قرار گیرند. طیف های قابل قبولی بدست می دهد. و این روش عالی برای مطالعه پوشش های سطحی می باشد، چون فقط
حال گرچه انعکاس درونی به نام انعکاس «کلی» موسوم است، در واقع پرتو تابش در هر انعکاس اندکی به وراء قطعه نفوذ می کند. اگر نمونه روی سطوح خارجی قطعه به صورت فشرده قرار گیرد، آنگاه پرتو در هر انعکاس فاصله کوتاهی را به درون نمونه طی نموده و بنابراین طیف جذبی نمونه را با خود به طرف دیگر قطعه می برد و انعکاس داخلی در اثر جذب نمونه کاهش یافته یا تضعیف می شود و همین مناسبت این نوع طیف سنجی به چنین نامی خوانده می شود.
قطعه باید از ماده ای باشد که در ناحیه زیر قرمز شفاف بوده و ضریب شکستی بالاتر از نمونه داشته باشد، در غیر اینصورت انعکاسی درونی رخ نمی دهد. مواد مناسب برای این منظور عبارتند از: کلرید نقره، هالیدهای تالیم یا ژرمانیم و قطعه نوعاً در حدود Cm5 طول، Cm2 عرض و Cm5/0 ضخامت دارد. نمونه می تواند به هر شکلی باشد ( به جز گازها، کاه طول مسیر Cm برای آنها خیلی کوچک است) به شرط آن که در تماس نزدیک با قطعه قرار گیرد، اما این روش را معمولاً برای نمونه هایی به کار می برند که مطالعه شان به روش های معمولی مشکل است. مثلاً مطالعه مواد الیافی توسط عبور نور واقعاً غیر ممکن است. سطح زیر و ناهمواره تمامی تابشی را که به آن می تابد پراکنده می سازد. اما اگر الیاف به طور محکم در خارج قطعه ATR قرار گیرند، طیف های قابل قبولی بدست می دهد. و این روش عالی برای مطالعه پوشش های سطحی می باشید، چون فقط سطح نمونه است که تابش در آن نفوذ می کند. به علاوه، از آن جا که می توان تا حدودی عمق نفوذ را با زاویه تابش تغییر داد، می توان به مطالعه تغییر درترکیب سطح با عمق پرداخت. به این ترتیب می توان میزان اکسیداسیون یک سطح پلیمری، یا میزان نفوذ هوا به داخل سطح را اندازه گیری نمود.
این روش، تغییراتی را در ترکیب و شکل و باندهای درون فیلم ها ایجاد می کند. ومعمولاً این تکنیک مخرب می باشد. هر چند که برای قرار دادن نمونه در تماس با ATR فشار مورد نیاز است که موجب تغییر شکل در بسیاری از نمونه ها می گردد.
ATR-IR برای نشان دادن مراحل انجام کار بر روی سطوح کافی به نظر نمی رسدو حساسیت کمی دارد.
یکی از مهمترین موارد در تکنیک IR بخصوص در مطالعات سطح، آماده سازی نمونه است.
در روش جدید IR منعکس یافته پراکنده (diffuse refectance IR) و طیف نگاری فوتو اکوستیک (Photoacoustic Spectroscopy)) می باشد. از روش (diffuse reflectance infrared fourier transform) DRIFT
بر روی نمونه هایی از قبیل پودر و بافت ها استفاده می شود. این روش در مطالعات بر روی پلیمرها بسیار ارزشمند هستند.
از طیف نگاری فوتو اکوستیک در عمق پلیمرها و پروتئین ها استفاده می کنند.
طیف سنجی تبدیل فوریه Fourrier transform Infrared Radiation (FTIR)
یکی از معایب اصلی روشهای معمولی برای تهیه یک طیف ، نظیر طیفی که در شکل 1-13 دیده می شود کند بودن این روشهاست.اساساً هر نقطه طیف بطور جداگانه ثبت می شود بدین معنی که طیف سنج از یک انتها خواندن را شروع کرده و فرکانس به آرامی در تمام ناحیه طیفی تغییر می کند، و علامت آشکار ساز ثبت میشود. عیب چنین روشی به ویژه در تهیه طیفی که تنها دارای یک یا دو خط طیفی است، آشکار میشود. زیرا جهت یافتن خطوط، لازم است که فرکانس در تمام ناحیه طیفی جاروب شود و بنابراین بیشترین وقت صرف ثبت چیزی جز اغتشاش نمی شود. تا این اواخر ثبت همزمان طیف – روی صفحه عکاسی – تنها برای نواحی مرئی و فوق بنفش میسر بود، ولی اخیراً با اختراع طیف سنجی تبدیل فوریه (Fourier transform) ثبت همزمان و تقریبا لحظه ای تمام طیف برای طیف های تشدید مغناطیسی، ریز موج، ونواحی زیر قرمز میسر شده است.
اگر چه این روش برای هر دو طیف سنجی تبدیل جذبی و نشری بطور یکسان کاربرد دارد، ولی احتمالاً درک طیف سنجی فوریه (FT) برای حالت نشری ساده تر است. طیف شکل 1-13 را به عنوان تابشی که از یک نمونه نشر می شود، در نظر می گیریم. و از پهن شدگی خطوط طیفی چشم پوشی کرده و تابش نشری را به صورت یک موج سینوسی محض با فرکانس کاملاً مشخص V تصویر می کنیم. اگر آشکار سازی که چنین تابشی را دریافت می دارد، با سرعت کافی بدان پاسخ دهد، آنگاه دوباره یک علامت نوسانی و با همان فرکانسV از آن خارج می شود خروجی آشکار ساز را به عنوان تابعی از زمان
(طیف سنجی در حیطه زمان: time domain) در نظر می گیریم نه تابعی از فرکانس (طیف سنجی در حیطه فرکانس: (Frequency domain که در شکل 1-13 ملاحظه می شود.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 48 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله طیف نگاری UV, FTIR, IR
