طیف سنجی NIR

وقتی دست خود را به سمت آتش سوزان دراز می‌کنید، گرمای ساطع شده از آتش را احساس می‌کنید. اما چه اتفاقی می‌افتد؟ آتش، نور و مادون قرمز (IR) را منتشر می‌کند و بیشتر این تشعشعات مادون قرمز نزدیک (NIR) است. بخشی از تشعشعات NIR توسط مولکول‌های آب در پوست شما جذب می‌شود و این امر دمای آب را افزایش می‌دهد و منجر به افزایش دما در بافت اطراف می‌شود که توسط اعصاب پوست شما تشخیص داده می‌شود. این تابش در سال 1800 توسط ویلیام هرشل کشف شد. او می‌خواست بداند آیا طیف رنگی خاصی با گرمای نور خورشید مرتبط است یا خیر و همچنین او دریافت که حداکثر گرما فراتر از انتهای طیف قرمز است. هرشل نمی‌توانست باور کند که نور و گرمای تابشی او به هم مرتبط هستند. تا سال 1835 آمپر نشان داده بود که تنها تفاوت بین نور و آنچه او تابش فروسرخ نامید، طول موج آنها می‌باشد. سپس در سال 1864 جیمز ماکسول نوشت: سرعت نیروی الکترومغناطیسی آنقدر نزدیک به نور است که به نظر می‌رسد دلیل محکمی برای نتیجه‌گیری داریم که خود نور (شامل گرمای تابشی و سایر تشعشعات) یک اختلال الکترومغناطیسی به شکل امواج منتشر شده است. آنچه را که اکنون طیف الکترومغناطیسی می‌نامیم در شکل 1 نشان داده شده است.

اولین طیف مادون قرمز (نزدیک) در سال 1881 توسط Abney و Festing با استفاده از صفحات عکاسی اندازه‌‎گیری شد. آن‎ها نه تنها اولین طیف‎‌ها را تولید کردند، بلکه به درستی پیشنهاد کردند که جذب‌‎ها به ترکیب شیمیایی مایعاتی که آن‎ها بررسی کرده‎‌اند مربوط می‌‎شود. مهمترین پیشگام طیف سنجی IR ویلیام دبلیو کوبلنتز بود. در سال 1905، او نتیجه یک مطالعه بزرگ از ترکیباتی را منتشر کرد که طیف آن‌ها از 1000 نانومتر تا 16000 نانومتر را ثبت کرده بود. کار کوبلنتز پیشرفتی بود از این جهت که محققان توانستند خصوصیات گروه‌هایی از اتم‌های درون مولکول‌ها را به‌عنوان مرتبط با جذب‌های خاص در IR وسط (2500 تا 50000 نانومتر) مرتبط کنند. این جذب‌ها نتیجه برهمکنش با ارتعاشات اساسی پیوندهای شیمیایی مرتبط با اتم‌های گروه‌ها است. ما می‌توانیم پیوندهای شیمیایی را به‌عنوان فنرهای ضعیفی در نظر بگیریم که دو یا چند اتم را در کنار هم نگه می‌دارند، این فنرها به طور طبیعی ارتعاش می‌کنند و وقتی انرژی به سیستم اضافه شود، با انرژی بیشتری ارتعاش خواهند کرد. با این حال، اتم‌های موجود در مولکول‌ها توسط مکانیک کوانتومی محدود می‌شوند به طوری که تنها چند سطح انرژی خاص مجاز است. اگر فقط دو اتم داشته باشیم، تنها ارتعاش به صورت کشش دیده می‌شود و هنگامی که سه یا چند اتم درگیر می‌شوند، پیوندها نیز می‌توانند خم شوند و باعث ایجاد یک سری کامل از ارتعاشات مختلف شوند. ارتعاشات کششی به انرژی بیشتری نسبت به ارتعاشات خمشی نیاز دارند، اما در انرژی مورد نیاز ارتعاشات خمشی نیز تغییراتی وجود خواهد داشت. پیوندهای شیمیایی مختلف (مانند O-H، C-H وN-H ) در استحکام و در نتیجه مقدار انرژی مورد نیاز برای حرکت ارتعاش پیوند از یک سطح به سطح دیگر متفاوت است. این تغییر انرژی در یک طیف به صورت مجموعه‌ای از جذب‌ها در طول موج‌های مختلف دیده می‌شود. با نگاه کردن به طیف، می‌توانیم استنباط کنیم که چه ارتعاشی در حال وقوع است و از این رو ساختار مولکول (یا گروه‌هایی از اتم‌های موجود) را مشخص کنیم.

یکی از خواص بسیار مفید طیف IR میانی این است که ناحیه 8500 نانومتر تا 12500 نانومتر برای مولکول اندازه‌گیری شده بسیار مشخص است و این ناحیه به عنوان منطقه اثر انگشت شناخته می‌شود زیرا می‌توان از آن برای تأیید هویت استفاده کرد. از بسیاری از مواد خالص در حالی که مطالعه طیف‌سنجی mid-IR به ویژه پس از جنگ جهانی دوم به رشد خود ادامه داد، علاقه به NIR به اندازه‌گیری‌های کمی آب، چند ترکیب آلی ساده و مطالعات بسیار کمی روی پروتئین‌های خاص گسترش یافت. هیچ کس آن را برای توصیف نمونه‌ها مفید نمی‌دانست و برای استفاده در تجزیه و تحلیل کمی بسیار پیچیده در نظر گرفته شد.

اگر پیوندهای شیمیایی دقیقاً مانند فنرهای ضعیف رفتار می‌کردند، مکانیک کوانتومی ارتعاش آنها را فقط به دو حالت محدود می‌کرد و جذب بسیار کمی در ناحیه NIR وجود داشت. جذب در ناحیه NIR (780-2500 نانومتر) از ارتعاشات اساسی توسط دو فرآیند ایجاد می‌شود. رنگ‌ها و ترکیب‌ها فراتون‌ها را می‌توان به عنوان هارمونیک در نظر گرفت. بنابراین هر بنیادی یک سری جذب در (تقریباً عدد صحیح) مضرب فرکانس ایجاد می‌کند (فرکانس متقابل طول موج است). ترکیب‌ها نسبتاً پیچیده‌تر هستند. جذب‌های NIR در حالت هیجان بالاتری قرار دارند، بنابراین به انرژی بیشتری نسبت به جذب اساسی نیاز دارند. ترکیبات از اشتراک انرژی NIR بین دو یا چند جذب اساسی به وجود می‌آیند. در حالی که تعداد رنگ‌های ممکن از گروهی از جذب‌های اساسی در یک مولکول به تعداد کمی محدود است، تعداد بسیار زیادی از ترکیب‌ها مشاهده خواهد شد. اثر همه این جذب‌ها ترکیب می‌شوند تا بسیاری از طیف‌های NIR را نسبتاً غیر جالب به نظر برسانند و فقط از چند قله نسبتاً گسترده تشکیل شوند. شکل 2 یک طیف NIR از کلروفرم، CHCl3 است، مولکول حاوی تنها یک اتم هیدروژن است، اما تمام جذب در طیف آن توسط این اتم منفرد ایجاد می‌شود.

این یک تعمیم مهم است که طیف‌سنجی NIR تحت سلطه هیدروژن است. شکل 3 طیفی از متانول، CH3OH است که شامل چهار اتم هیدروژن است (اما سه اتم معادل هستند) و این طیف بسیار بیشتر شبیه یک طیف NIR معمولی با پیک‌های وسیع است. شکل 4 طیفی از ساکارز، C12H24O12 است که نواحی بسیار وسیعی از جذب را نشان می دهد، اما همچنین برخی از قله‌های کاملاً باریک را نشان می‌دهد. توجه به این نکته مهم است که همه این جذب‌های گسترده ناشی از جذب‌های باریک متعدد و همپوشانی هستند. طیف‌های NIR بسیار پیچیده‌تر از آن چیزی هستند که به نظر می‌رسند.

نویسنده: کسری سمسارها