نظرية التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء وطريقة استخدامها

ال التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء هي دراسة كيف تمتص الجزيئات الأشعة تحت الحمراء وتحولها في النهاية إلى حرارة.

يمكن تحليل هذه العملية بثلاث طرق: قياس الامتصاص والانبعاث والانعكاس. هذه الدقة تجعل التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء أحد أهم التقنيات التحليلية المتاحة لعلماء اليوم.

واحدة من المزايا العظيمة للطيف بالأشعة تحت الحمراء هي أن أي عينة تقريبًا يمكن دراستها في جميع الولايات تقريبًا.

يمكن فحص السوائل والمساحيق والأفلام والحلول والمعاجين والألياف والغازات والأسطح من خلال اختيار حكيم لتقنية أخذ العينات. نتيجة لتحسين الأجهزة ، تم الآن تطوير مجموعة متنوعة من التقنيات الحساسة الجديدة لفحص العينات التي كانت مستعصية في السابق.

يعتبر التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء ، من بين العديد من الاستخدامات والتطبيقات الأخرى ، مفيدًا لقياس درجة البلمرة في صناعة البوليمرات. يتم تقييم التغييرات في مقدار أو حرف ارتباط معين عن طريق قياس تردد معين على مدار الوقت.

يمكن أن تأخذ أدوات البحث الحديثة قياسات الأشعة تحت الحمراء في مدى الاهتمام بقدر 32 مرة في الثانية.

يمكن القيام بذلك أثناء إجراء القياسات المتزامنة باستخدام تقنيات أخرى ، مما يجعل عمليات مراقبة التفاعلات الكيميائية والعمليات أسرع وأكثر دقة.

نظرية التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء

تتضمن الأداة التي لا تقدر بثمن في تحديد الهياكل العضوية والتحقق منها فئة الإشعاع الكهرومغناطيسي (REM) بترددات تتراوح بين 4000 و 400 سم -1 (أعداد موجية).

تسمى فئة الأشعة EM إشعاع الأشعة تحت الحمراء (IR) ، وتطبيقه على الكيمياء العضوية المعروفة باسم التحليل الطيفي IR..

يمكن استخدام الإشعاع في هذه المنطقة في تحديد التركيب العضوي مع الاستفادة من حقيقة أنه يتم امتصاصه بواسطة الروابط interatomic في المركبات العضوية.

سوف تمتص الروابط الكيميائية في بيئات مختلفة كثافات متغيرة وترددات متغيرة. لذلك ، يتضمن التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء جمع معلومات الامتصاص وتحليلها في شكل طيف.

يمكن ربط الترددات التي توجد فيها امتصاصات لإشعاع الأشعة تحت الحمراء (القمم أو الإشارات) ارتباطًا مباشرًا بروابط داخل المركب المعني.

نظرًا لأن كل رابط بين الدول يمكن أن يهتز في عدة حركات مختلفة (التمدد أو الانحناء) ، يمكن أن تمتص الارتباطات الفردية أكثر من تردد IR واحد.

يميل الامتصاص الممتد إلى إنتاج قمم أقوى من الانحناء ، ولكن قد يكون الامتصاص الأضعف للإنحناء مفيدًا للتمييز بين الأنواع المشابهة من الروابط (على سبيل المثال ، الاستبدال العطري).

من المهم أيضًا ملاحظة أن الاهتزازات المتماثلة لا تسبب امتصاص الأشعة تحت الحمراء. على سبيل المثال ، لا تمتص أي من روابط الكربون والكربون من الإيثيلين أو الإيثيلين الأشعة تحت الحمراء.

طرق مفيدة لتحديد الهيكل

الرنين المغناطيسي النووي (NMR)

إثارة نواة الذرات من خلال تشعيع التردد اللاسلكي. يوفر معلومات شاملة عن التركيب الجزيئي وربط الذرات.

التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (IR)

وهو يتألف من إطلاق الاهتزازات الجزيئية من خلال الإشعاع باستخدام الأشعة تحت الحمراء. أنه يوفر أساسا معلومات عن وجود أو عدم وجود مجموعات وظيفية معينة.

مطياف الكتلة

قصف العينة بالإلكترونات والكشف عن الشظايا الجزيئية الناتجة. يوفر معلومات عن اتصال الكتلة الجزيئية والذرات.

التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية (UV)

تعزيز الإلكترونات عند مستويات طاقة أعلى من خلال تشعيع الجزيء بضوء الأشعة فوق البنفسجية. يوفر معلومات عن وجود أنظمة conj مترابطة والسندات المزدوجة والثلاثية.

التحليل الطيفي

إنها دراسة المعلومات الطيفية. بعد التشعيع بالأشعة تحت الحمراء ، تستجيب بعض الروابط بشكل أسرع عن طريق الاهتزاز. يمكن اكتشاف هذه الاستجابة وترجمتها إلى تمثيل مرئي يسمى الطيف. 

عملية تفسير الطيف

1. التعرف على نمط.
2. ربط أنماط مع المعلمات المادية.
3. تحديد المعاني الممكنة ، وهذا هو ، اقتراح تفسيرات.

بمجرد الحصول على الطيف ، فإن التحدي الرئيسي هو استخراج المعلومات التي يحتوي عليها في شكل تجريدي أو مخفي.

وهذا يتطلب الاعتراف بأنماط معينة ، وربط هذه الأنماط بالمعلمات المادية ، وتفسير هذه الأنماط من حيث التفسيرات الهادفة والمنطقية..

الطيف الكهرومغناطيسي

يستخدم معظم التحليل الطيفي العضوي الطاقة الكهرومغناطيسية ، أو الإشعاع ، كحافز طبيعي. لا تحتوي الطاقة الكهرومغناطيسية (مثل الضوء المرئي) على عنصر كتلة يمكن اكتشافه. وبعبارة أخرى ، يمكن أن يطلق عليه "الطاقة النقية".

أنواع أخرى من الإشعاع ، مثل أشعة ألفا ، التي تتكون من نوى الهيليوم ، لها مكون كتلة يمكن اكتشافه وبالتالي لا يمكن تصنيفها كطاقة كهرومغناطيسية.

المعالم المهمة المرتبطة بالإشعاع الكهرومغناطيسي هي:

• الطاقة (E): الطاقة تتناسب طرديا مع التردد ، وتتناسب عكسيا مع طول الموجة ، كما هو مبين في المعادلة أدناه.

• التردد (μ)
• الطول الموجي (λ)
• المعادلة: E = hμ

أوضاع الاهتزاز

• يمكن أن تهتز الروابط التساهمية بعدة طرق ، بما في ذلك التمدد والهزاز والمقص.

• تتوافق أكثر النطاقات المفيدة في طيف الأشعة تحت الحمراء مع ترددات التمدد.

انتقال مقابل امتصاص

عندما تتعرض عينة كيميائية لعمل ضوء الأشعة تحت الحمراء (IR LIGHT) ، يمكنها امتصاص بعض الترددات ونقل الباقي. جزء من الضوء يمكن أيضا أن ينعكس مرة أخرى إلى المصدر.

يكشف الكاشف عن الترددات المرسلة ، وبذلك يكشف أيضًا عن قيم الترددات الممتصة.

طيف الأشعة تحت الحمراء في وضع الاستيعاب

طيف الأشعة تحت الحمراء هو في الأساس رسم بياني للترددات المرسلة (أو الممتصة) مقابل شدة الإرسال (أو الامتصاص). تظهر الترددات في المحور السيني بوحدات السنتيمتر العكسي (wavenumbers) ، ويتم تمثيل الشدة في المحور الصادي وفي الوحدات المئوية. يوضح الرسم البياني طيفًا في وضع الامتصاص:

طيف الأشعة تحت الحمراء في وضع الإرسال

يُظهر الرسم البياني طيفًا في وضع الإرسال. هذا هو التمثيل الأكثر استخدامًا والذي يوجد في معظم كتب الكيمياء والتحليل الطيفي.

يستخدم والتطبيقات

نظرًا لأن التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء هو تقنية موثوقة وبسيطة ، فإنه يستخدم على نطاق واسع في التخليق العضوي ، وعلوم البوليمرات ، وهندسة البتروكيماويات ، والصناعة الدوائية ، وتحليل الأغذية..

بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن مطياف FTIR يمكن تطهيره بواسطة تحليل كروماتوجرافي ، يمكن التحقيق في آلية التفاعلات الكيميائية واكتشاف المواد غير المستقرة باستخدام هذه الأدوات..

بعض الاستخدامات والتطبيقات تشمل:

ضوابط الجودة

يتم استخدامه في مراقبة الجودة والتطبيقات الديناميكية للقياس والمراقبة مثل القياس غير المراقب طويل الأجل لتركيزات ثاني أكسيد الكربون في البيوت الزجاجية وغرف النمو باستخدام أجهزة تحليل الغاز بالأشعة تحت الحمراء.

تحليل الطب الشرعي

يتم استخدامه في تحليل الطب الشرعي في القضايا الجنائية والمدنية ، على سبيل المثال في تحديد تدهور البوليمر. يمكن استخدامها لتحديد محتوى الكحول في الدم من سائق يشتبه في أنه في حالة سكر.

تحليل العينات الصلبة دون الحاجة لخفض

هناك طريقة مفيدة لتحليل العينات الصلبة دون الحاجة إلى القطع وهي استخدام ATR أو مطياف الانعكاس الكلي الموهن. باستخدام هذا النهج ، يتم ضغط العينات على وجه بلورة واحدة. يمر الأشعة تحت الحمراء عبر الزجاج وتتفاعل فقط مع العينة في الواجهة بين المادتين.

تحليل وتحديد الأصباغ

تم استخدام التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء بنجاح في تحليل وتحديد الأصباغ في اللوحات وغيرها من الأشياء الفنية ، مثل المخطوطات المضيئة..

استخدامها في صناعة المواد الغذائية

تطبيق آخر مهم من مطياف الأشعة تحت الحمراء هو في صناعة المواد الغذائية لقياس تركيز المركبات المختلفة في مختلف المنتجات الغذائية.

دراسات دقيقة

مع زيادة التقنية في تصفية الكمبيوتر ومعالجة النتائج ، يمكن الآن قياس العينات الموجودة في المحال بدقة. ستخبرك بعض الأدوات تلقائيًا عن المادة التي يتم قياسها من متجر لآلاف الأطياف المرجعية المخزنة.

الاختبارات الميدانية

الأدوات الآن صغيرة ، ويمكن نقلها ، حتى لاستخدامها في الاختبارات الميدانية.

تسرب الغاز

يستخدم التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء أيضًا في أجهزة الكشف عن تسرب الغاز مثل DP-IR و EyeCGAs. تكشف هذه الأجهزة عن تسرب الغاز الهيدروكربوني في نقل الغاز الطبيعي والنفط الخام.

استخدام في الفضاء

تستخدم ناسا قاعدة بيانات حديثة للغاية ، تعتمد على التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ، لتتبع الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات في الكون.

وفقًا للعلماء ، يمكن ربط أكثر من 20٪ من الكربون في الكون بهيدروكربونات عطرية متعددة الحلقات ، وهي مواد انطلاق محتملة لتشكيل الحياة.

يبدو أن الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات قد تشكلت بعد فترة وجيزة من الانفجار الكبير. فهي منتشرة في جميع أنحاء الكون وترتبط بنجوم وكواكب خارجية جديدة.

مراجع

1. نانسي بيركنر (2015). مانع اللمس. كيف يعمل مطياف FTIR. تم الاسترجاع من: mindtouch.com.
2. كورتيس (2006). نظرية وتفسير أطياف الأشعة تحت الحمراء. قاعة بيرسون برنتيس. تم الاسترجاع من: utdallas.edu.
3. باربرا ستيوارت (2004). التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء. وايلي. تم الاسترجاع من: kinetics.nsc.ru.
4. ويكيبيديا (2016). التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء. ويكيبيديا ، الموسوعة الحرة. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org.