طیف‌سنجی تعامل میان نور و ماده را بررسی می‌کند، که در آن جذب و تابش نور یا تابش‌های دیگر توسط ماده اندازه‌گیری می‌شود. این تکنیک عمدتا به بررسی پراکندگی نور و تابش‌های دیگر که توسط یک جسم ایجاد می‌شود، می‌پردازد و ویژگی‌های مختلف جسم را مورد مطالعه قرار می‌دهد. روش طیف‌سنجی انواع مختلفی دارد که از آن‌ها می‌توان به طیف‌سنجی‌های فرابنفش، فروسرخ، گاما، NMR و… اشاره کرد. اندازه‌گیری‌ها در طیف‌سنجی به طول موج تابش مشاهده شده وابسته است. بر این اساس، روش‌های متفاوتی برای انجام طیف‌سنجی وجود دارد و دستگاه‌های مختلفی تا به امروز برای این منظور تولید شده اند. طیف‌سنجی به طور گسترده‌ای استفاده می‌شود، زیرا این روش امکان تعیین ترکیب، ساختار فیزیکی و الکترونیکی ذرات در سطوح مولکولی یا اتمی را فراهم می‌آورد. در این مطلب از مجله فرادرس به بررسی اساس کار طیف‌سنجی، اصلاحات و تعاریف آن و تشریح انواع طیف سنجی می‌پردازیم.

با استفاده از انواع طیف سنجی، می‌توان ویژگی‌های دقیق مواد را در مقیاس‌های مختلف بررسی کرد و به اطلاعات مهمی درباره ساختار و رفتار آن‌ها دست یافت. در ابتدای این مطلب به شکلی خلاصه با انواع طیف سنجی آشنا می‌شویم و اساس کار دستگاه‌های طیف‌سنجی از جمله انتقالات الکترونی و جذب و نشر نور را توضیح می‌دهیم. سپس با انواع مختلف دستگاه‌های طیف‌سنج آشنا شده و محدوده طیف‌های الکترومغناطیسی را بررسی می‌کنیم. در ادامه با اصطلاحات رایج طیف‌سنجی مانند تکفام‌ساز و آشکارساز آشنا می‌شویم و در نهایت ۲۲ نوع از انواع طیف سنجی را همراه با اساس کار و مراحل کار و کاربرد‌هایشان بررسی می‌کنیم. با مطالعه این مطلب تا انتها با هریک از این انواع طیف سنجی و جزئیات آن‌ها آشنا شوید.

انواع طیف سنجی چیست؟

طیف‌سنجی یک روش بسیار تخصصی و خاص است که بسیاری از رشته‌ها و تخصص‌ها به آن وابسته است. در ادامه به لیستی از انواع روش‌های طیف‌سنجی اشاره شده است.

• طیف‌سنجی جذبی
• طیف‌سنجی فروشکست القایی لیزر (LIBS)
• طیف‌سنجی فرابنفش
• طیف‌سنجی فرابنفش-مرئی
• طیف‌سنجی نجومی
• طیف‌سنجی جذب اتمی
• طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه
• طیف‌سنجی پرتو گاما
• طیف‌سنجی مادون قرمز
• طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی
• طیف‌سنجی جرمی
• طیف‌سنجی مولکولی
• طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته
• طیف‌سنجی فوتوالکترون
• طیف‌سنجی رامان
• طیف‌سنجی پرتو ایکس فوتوالکترون
• طیف‌سنجی مقاومت الکتروشیمی
• طیف‌سنجی نشری
• طیف‌سنجی پراکندگی انرژی
• طیف‌سنجی رزونانس چرخش الکترونی
• طیف‌سنجی دیکروییسم دایره‌ای
• طیف‌سنجی فلوئورسانس

انواع طیف سنجی علاوه‌‌بر پشتیبانی از نظریه‌های اولیه در تحقیقات کوانتومی در ساختار اتمی و پرتوشناسی، کاربرد‌های زیاد و قابل توجهی نیز دارد. برای مثال دستگاه‌های تصویربرداری مغناطیسی رزونانسی (MRI)، دستگاه‌های تصویربرداری X-RAY از یک سیستم طیف‌سنجی با فرکانس امواج رادیویی بهره می‌برند. از طیف‌سنجی حتی در تست دوپینگ‌های ورزش نیز استفاده می‌شود.

بسته به برهم‌کنش مواد با نور تابیده شده به آن‌ها در طیف‌سنج و همچنین طول موج مورد استفاده در این دستگاه‌ها، چندین روش طیف‌سنجی وجود دارد. انواع طیف سنجی می‌توانند از مادون قرمز، فرابنفش، مرئی، جذب اتمی باشد و حتی در مدل‌های پیشرفته تر در دستگاه‌های طیف‌سنجی دیکروییسم دایره‌ای یا فلوئورسانس، خاصیت‌هایی منحصر به فرد در مواد اندازه‌گیری شود. در ادامه این مطلب با انواع و روش‌های کار این دستگاه‌ها آشنا خواهیم شد.

طیف سنجی چیست؟

از میان تکنیک‌های علمی که برای تحلیل ماده به کار می‌رود، انواع طیف سنجی یکی از مفیدترین ابزارها به شمار می‌روند. این شاخه بسیار تخصصی، نحوه جذب و انتشار نور توسط ماده را بررسی می‌کند و داده‌های آن برای تحلیل نمونه‌ها در مقیاس‌های ماکرو، مولکولی و اتمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. طیف‌سنجی با بهره‌گیری از مفهوم استفاده از منشور برای تجزیه نور سفید به رنگ‌های مختلف، تابش الکترومغناطیسی را به طول‌موج‌های مختلف پراکنده کرده و طیفی را ایجاد می‌کند. طیف‌سنجی برای شناسایی عناصر و دست‌یابی به ویژگی‌های منحصربه‌فرد یک نمونه استفاده می‌شوند. توانایی بررسی ماده با چنین جزئیاتی، طیف‌سنجی را به ابزاری مهم در تحقیقات گسترده‌ای از جمله تصویربرداری پزشکی و تحلیل بافت گرفته تا تحقیقات نجومی تبدیل کرده است. این امر منجر به توسعه انواع مختلف طیف‌سنجی شده است که معمولا بر اساس منبع انرژی تابشی مورد استفاده برای انتشار نور و ایجاد واکنش‌ها دسته‌بندی می‌شوند.

انواع طیف سنجی مطالعه جذب و انتشار نور و سایر تابش‌ها توسط ماده است. این فرآیند شامل تجزیه نور (یا دقیق‌تر تابش الکترومغناطیسی) به طول‌موج‌های تشکیل‌دهنده آن (یک طیف) است. در حقیقت، طیف‌سنجی‌های قدیمی با استفاده از منشور و صفحات عکاسی انجام می‌شد. طیف‌سنجی مدرن از توری پراش برای پراکندن نور استفاده می‌کند، که سپس بر روی آشکارساز‌هایی مانند CCDها (دستگاه‌های جفت‌شده باردار) مشابه با آن‌هایی که در دوربین‌های دیجیتال به کار می‌رود، قرار می‌گیرد. طیف‌های دو‌بعدی به‌راحتی از این فرمت دیجیتال استخراج و به طیف‌های یک‌بعدی تبدیل می‌شوند که داده‌های بسیار مفیدی را در خود دارند. در سال‌های اخیر، تعریف انواع طیف سنجی گسترش یافته و شامل مطالعه تعاملات بین ذراتی مانند الکترون‌ها، پروتون‌ها و یون‌ها، و همچنین تعاملات آن‌ها با سایر ذرات به‌عنوان تابعی از انرژی برخورد آن‌ها نیز شده است. انواع طیف سنجی مختلف برای کاربردهای متفاوتی مناسب هستند و هر تکنیک مزایا و معایب خاص خود را دارد. در ادامه، نگاهی دقیق‌تر به انواع طیف سنجی و نحوه استفاده از این تکنیک‌ها در کاربردهای متنوع داریم.

یادگیری اصول طیف سنجی با فرادرس

روش‌های طیف‌سنجی یکی از مهم‌ترین روش‌های شناسایی و تشخیص ترکیبات و عناصر به شمار می‌آید. کاربرد این روش به حدی گسترده است که همواره روش‌های جدید و دستگاه‌های متفاوتی برای آنالیز ترکیبات به وسیله طیف‌سنجی به بازار عرضه می‌شود. بنابراین شناخت روش‌های طیف‌سنجی و کاربرد آن‌ها یکی از اصول مهم در مسیر تحصیل هر محققی است. برای شناخت طیف‌سنجی و اصول آن باید با مفاهیمی مانند موقعیت الکترون‌ها و رفتار آنها در اثر انرژی‌های مختلف، میدان‌های الکترومغناطیسی، مکانیسم جذب و نشر نور، تحلیل طیف‌های اسپکترومتری و… آشنا شوید. مجموعه فیلم آموزش شیمی دانشگاهی به شکلی روان و کاربردی این مفاهیم را در دوره‌های آموزش جداگانه ای مانند آموزش کاربرد طیف‌سنجی در شیمی آلی توضیح می‌دهند. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بیشتر و عمیق‌تر این مفاهیم از این مجموعه آموزشی استفاده کنید.

همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزشی فرادرس که لینک آن در زیر آورده شده می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه انواع طیف سنجی، دسترسی داشته باشید.

محدوده طیف الکترومغناطیسی

احتمالا در متون مختلف با واژه طیف الکترومغناطیسی نور رو به رو شده اید. طیف نور، معمولا به رنگ‌های مشاهده شده از پراکندگی نور به وسیله منشور گفته می‌شود. یک محدوده طیف وسیع برای نور اندازه‌گیری شده که شامل فرکانس‌ها و طول‌موج‌های مختلف است. طول موج به فاصله دو قله در یک طیف موج نور گفته می‌شود. در این طیف از چپ به راست، طول موج نور افزایش یافته و انرژی و فرکانس آن کم می‌شود. تعداد موج‌هایی که در یک زمان مشخص از یک نقطه عبور می‌کند را فرکانس می‌گویند.

بسیاری از طیف‌های الکترومغناطیسی موجود در طبیعت با چشم انسان قابل دیدن نیستند. نور در این طیف در محدوده طول موجی بین $$10^{-12}$$ تا $$10^{3}$$ متر دسته‌بندی شده است. هر محدوده این طیف بنا بر طول موج و ویژگی‌هایش نام‌های مختلفی دارد. همانگونه که در تصویر مشاهده می‌کنید، از چپ به راست، گاما، ایکس، فرابنفش، مرئی، مادون قرمز (فروسرخ) و رادیویی این محدوه‌ها هستند. برای مثال، محدوده فرابنفش طیف از ۱‍۰ نانومتر تا ۴۰۰ نانومتر و محدوده نزدیک به مادون قرمز از ۷۵۰ نانومتر تا ۱۴۰۰ نانومتر را پوشش می‌دهد.

اصطلاحات رایج طیف سنجی

در مطالعه متون مربوط به طیف‌سنجی و بررسی انواع طیف سنجی ممکن است با اصطلاحاتی همچون جذب، نشر، تکفام‌ساز، آشکارساز و… مواجه شوید. در جدول زیر به توضیح این موارد و اصطلاحات پرداخته‌ایم.

همچنین در مطالعه انواع دستگاه‌های طیف‌سنجی ممکن است با اصطلاحات زیر روبه‌رو شوید که توضیح آن‌ها در جدول آمده است.

توضیح انواع روش های طیف سنجی

انواع طیف سنجی عمدتا برای شناسایی و تشخیص عناصر و ترکیبات اتم‌ها و مولکول‌ها به کار می‌رود. این شناسایی از طریق بررسی انرژی تابشی جذب‌شده یا منتشر شده توسط نمونه انجام می‌شود. در این فرآیند، پرتوهایی از تابش الکترومغناطیسی مانند پرتوهای فروسرخ، پرتوهای فرابنفش و غیره به نمونه اعمال می‌شود و واکنش نمونه از طریق طول‌ موج‌های طیف الکترومغناطیسی که از منبع انرژی خارجی اعمال شده‌اند، اندازه‌گیری می‌شود. روش‌های مختلفی برای طیف‌سنجی انواع مواد وجود دارد. امروزه بیش از ۲۰ نوع روش طیف‌سنجی وجود دارد که هریک دستگاه‌ها و روش استفاده منحصر به فردی دارند. از مهم‌ترین انواع طیف سنجی می‌توان به طیف‌سنجی فرابنفش، مادون قرمز، مرئی، ایکس، گاما، جذب اتمی و رزونانس مغناطیسی هسته اشاره کرد.

انواع مختلفی از طیف‌سنجی بر اساس جذب یا نشر نور وجود دارد که هرکدام اصول و روش‌های مخصوص به خود را دارند. در ادامه این مطلب از مجله فرادرس هریک از این روش‌ها را به شکلی مختصر بررسی می‌کنیم.

طیف سنجی جذبی

«طیف سنجی جذبی»(Absorption spectroscopy)، طول‌ موج نور جذب شده توسط یک نمونه را اندازه‌گیری می‌کند. با توجه به این موضوع که هر ماده دارای جذب در طول موج مشخصی است، ساختار ماده توسط این روش مشخص می‌شود. این روش به شکل گسترده‌ای در آنالیز‌های شیمیایی و اندازه‌گیری‌های زیست محیطی استفاده می‌شود.

اساس کار طیف سنجی جذبی

روش طیف‌سنجی جذبی بر برهم‌کنش‌های بین امواج الکترومغناطیس استوار است. این برهم‌کنش‌ها با توجه به ساختار اتمی و مولکولی مواد، میزان جذب امواج در فرکانس‌های مختلف را اندازه‌گیری می‌کند. این اندازه‌گیری‌ها، اطلاعاتی درباره ساختار و غلظت مواد را مشخص می‌کند. هنگامی که یک فوتون یا باریکه‌ای از نور به یک ماده تابیده می‌شود، باعث می‌شود الکترون‌های آن برانگیخته شده و به لایه‌های اوربیتالی بالاتر بروند. این فرایند وابسته به تطابق انرژی فوتون با فاصله انرژی بین لایه‌های الکترونی مواد است. نتیجه جذب فوتون‌ها با مقادیر انرژی مشخص در نهایت به پدیدار آمدن شکلی به نام خطوط جذب می‌انجامد که میزان جذب اتم‌ها را در نمونه آزمایش شده نشان می‌دهند.

مراحل کار طیف سنجی جذبی

هر روش طیف‌سنجی از مجموعه مراحلی برای به دست آوردن نتیجه مورد نظر تشکیل شده است. در طیف‌سنجی جذبی این مراحل به شرح زیر است.

• آماده‌سازی ظرف نمونه (کووِت): در مراحل اولیه دو ظرف نمونه که با نام کووت شناخته می‌شوند، آماده شده که یکی برای حلال و دیگری برای محلول نمونه در نظر گرفته می‌شود. کووت‌ها ظروف شفافی هستند که به طور انحصاری برای انجام آزمایش‌های طیف‌سنجی مورد استفاده قرار می‌گیرند. دلیل شفافیت این ظروف این است که نور به راحتی از درون آن‌ها و محلول‌های حاوی نمونه عبور کند.
• به‌دست آورن خط پایه به وسیله حلال: کووتی که شامل حلال است درون دستگاه طیف‌سنجی قرار گرفته و آنالیز می‌شود. با این‌کار یک خط پایه در خروجی دستگاه به دست می‌آید که نشان دهنده اطلاعاتی مانند ناخالصی‌های حلال و جذب خود حلال نمونه است.
• اندازه‌گیری نمونه: پس از به دست آوردن خط پایه، کووت حاوی نمونه داخل دستگاه قرار گرفته و آنالیز می‌شود. سپس دستگاه میزان نور جذب شده توسط نمونه را مشخص می‌کند.
• جمع آوری اطلاعات جذب نمونه: پس از آنالیز نمونه، خطوط جذبی آن توسط دستگاه مشخص می‌شود و این اطلاعات در مرحله بعدی انجام طیف‌سنجی بسیار مهم هستند.
• به‌دست آوردن طیف جذبی: اطلاعات به دست آمده از مرحله قبل، در نهایت به رسم یک طیف جذبی برای نمونه می‌انجامد. این طیف یک نمودار گرافیکی از مقادیر نور جذب شده نور توسط نمونه در برابر طول موج‌های جذب است.
• آنالیز غلظت نمونه: در نهایت برای به دست آوردن غلظت نمونه مورد برسی، مقادیر جذب با مقادیر جذبی نمونه‌های سمپل از قبل آماده شده مقایسه می‌شوند و به این طریق غلظت مواد نمونه مشخص می‌شود.

کاربرد‌های طیف سنجی جذبی

طیف‌سنجی جذبی مانند سایر روش‌های طیف‌سنجی، کاربرد‌های بسیاری در صنایع مختلف دارد. اصلی‌ترین کاربرد‌های این روش شامل شناسایی مواد، آنالیز کمی مواد، اندازه‌گیری‌های مربوط به محیط زیست، آنالیز ساختاری مواد در صنایع محیط زیست، داروسازی، غذایی و تحقیقاتی است.

طیف سنجی فروشکست القایی لیزر (LIBS)

این روش طیف‌سنجی یک روش سریع برای آنالیز خواص شیمیایی مواد است. در این روش از پرتو‌های کوتاه لیزر برای تولید یک میکرو پلاسما روی سطح نمونه استفاده می‌شود. «طیف‌سنجی فروشکست القایی لیزر»(Laser-induced breakdown spectroscopy)، نسبت به سایر تکنیک‌های طیف‌سنجی مزایایی دارد که آن را نسبت به سایر روش‌ها برتری می‌بخشد. این مزایا مواردی مانند نیاز نداشته به آماده‌سازی نمونه، سریع بودن فرایند و پاسخ‌دهی برای بسیاری از عناصر است.

اساس کار طیف‌سنجی فروشکست القایی لیزر

روش کار این دستگاه بر پایه ایجاد پلاسمایی با دمای بالا به وسیله تابش لیزر است. هنگامی که لیزر با پالس کوتاه به سطح نمونه تابیده می‌شود، قسمتی از جرم نمونه جدا می‌شود. این قسمت جرم با لیزر در حال تابش برهم‌کنشی ایجاد می‌کند که باعث به وجود آمدن پلاسمایی با انرژی زیاد می‌شود. این پلاسمای تولید شده دارای مقادیر بالایی الکترون آزاد، یون و اتم به حالت برانگیخته است. پس از قطع شدن تابش لیزر، دمای پلاسما پایین آمده و سرد می‌شود. طی این فرایند اتم‌ها و الکترون‌های برانگیخته به حالت پایه برگشته و انرژی را به صورت نور آزاد می‌کنند. این نور به آشکارساز هدایت شده و طول موج آن اندازه‌گیری می‌شود. در نهایت نموداری از نشر بر حسب طول موج رسم شده که در آن هر عنصر دارای طول موج مشخص است و با قله‌هایی در نمودار نمایان می‌شود.

کاربرد‌های طیف سنجی فروشکست القایی لیزر

از این روش طیف‌سنجی در زمینه‌های مختلف تحقیقاتی در صنایع مختلف داروسازی، شیمیایی، تولیدی و محیط زیستی استفاده می‌شود. از این روش به شکل به خصوصی در آنالیز مواد غذایی برای بررسی مقدار عناصر مختلف در ترکیبات خوراکی استفاده می‌شود.

طیف سنجی فرابنفش

طیف‌سنجی فرابنفش میزان نور فرابنفش جذب شده توسط اتم‌ها را بررسی می‌کند. این پدیده می‌تواند باعث برانگیختگی الکترون و انتقال آن در مولکول‌ها شود. طیف‌سنجی فرابنفش بیشتر در شیمی تجزیه استفاده می‌شود. این روش یک تکنیک کمی برای اندازه‌گیری میزان نور فرابنفش جذب شده توسط مواد است که به نتایجی مانند ساختار و غلظت مواد در نمونه مورد آزمایش می‌انجامد.

اساس کار طیف سنجی فرابنفش

هنگامی که نور فرابنفش توسط مواد جذب می‌شود، الکترون‌های آن‌ها برانگیخته شده و به لایه‌های بالاتر انرژی الکترونی می‌روند. این برانگیختگی یک طیف جذبی را نمایان می‌کند که میزان نور جذب شده توسط مواد در آن مشخص می‌شود. این میزان جذب به شکل مستقیم با غلظت مولکول‌ها در نمونه مورد آزمایش رابطه دارد.

مراحل کار با طیف سنجی فرابنفش

این روش طیف‌سنجی از مراحلی شامل آماده‌سازی نمونه، کالیبراسیون و آشکارسازی نور جذب شده است که در ادامه توضیح داده شده است.

• آماده‌سازی نمونه: نمونه‌های مرجع و مجهول، به شکل محلول آماده شده و به ظروف کووت انتقال داده می‌شوند.
• تنظیم دستگاه: کووت‌ها به درون دستگاه جایگذاری می‌شوند. این دستگاه شامل منابع نور مناسب و آشکارساز است.
• عبور نور: در این مرحله نور فرابنفش به کووت‌ها تابیده شده تا به آشکارساز برسد.
• آشکارسازی: نور دریافت شده توسط آشکارساز، طول موج‌های مختلفی را بر اساس جذب مواد موجود در نمونه‌های مرجع و محلول مشخص می‌کند.
• آنالیز داده‌ها: در این مرحله یک نمودار بر حسب میزان جذب نور در برابر غلظت محلول‌ها رسم می‌شود که می‌توان با مقایسه آن با نمودار جذب مواد مرجع، به ساختار مواد داخل نمونه مجهول پی‌برد.

کاربرد‌های طیف سنجی فرابفنش

طیف‌سنجی فرابنفش با داده‌های جذبی که ارائه می‌دهد می‌تواند در به دست آوردن اطلاعاتی مانند شناخت ناخالصی‌های نمونه، اندازه‌گیری‌های کمی مواد مختلف در نمونه و مطالعات سینتیکی کارآمد باشد.

طیف سنجی فرابنفش-مرئی

این روش با استفاده از نور در محدوده فرابنفش و مرئی انجام می‌شود و این گستردگی طیف زمینه‌های آنالیزهای وسیعتر درباره مواد را فراهم می‌کند. از این آنالیز‌ها می‌توان به اندازه‌گیری غلظت و انرژی سینتیکی اشاره کرد.

اساس کار طیف سنجی فرابنفش-مرئی

این تکنیک طیف‌سنجی بر پایه تولید یک طیف جذبی از مواد نمونه با طول موج‌های مختلف بنا شده است. این طیف شامل محدوده‌ای از طول موج‌هایی که مواد در آن نور را جذب کرده‌اند، است. این جذب به ترکیب مولکولی مواد وابسته است و هنگامی که نور توسط مواد نمونه جذب می‌شود، خطوط جذبی مواد پدیدار می‌شوند که هریک مربوط به یک انتقال الکترون در اتم مواد نمونه هستند. میزان جذب اندازه‌گیری شده برای مواد مختلف در نهایت به آنالیز غلظت مواد موجود کمک می‌کند.

مراحل کار با طیف‌سنج فرابنفش-مرئی

مانند روش‌های قبلی، این تکنیک از مراحلی تشکیل شده است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

• آماده‌سازی نمونه: نمونه‌ها به شکل محلول آماده شده و به کووت‌های دستگاه منتقل می‌شوند.
• به دست آوردن خط پایه: یک کووت که فقط حاوی حلال آزمایش است درون دستگاه قرار داده شده و آنالیز می‌شود تا جذب‌های مربوط به حلال اندازه‌گیری شود.
• آنالیز نمونه: کووت حاوی نمونه به دستگاه منتقل شده و جذب آن اندازه‌گیری می‌شود.
• جمع آوری اطلاعات داده: اطلاعات جذب مواد موجود در نمونه جمع آوری شده و یک طیف جذبی از نمونه به دست می‌آید.
• آنالیز کمی: یک نمودار کالیبراسیون معمولا برای مقایسه جذب ذرات نمونه با نمونه‌های مرجع استفاده می‌شود تا به وسیله آن بتوان به ساختار و نوع مواد موجود در نمونه پی‌برد.

کاربردهای طیف سنجی فرابنفش-مرئی

این روش طیف‌سنجی یکی از پرکاربردترین روش‌های آنالیز مواد است. طیف‌سنجی فرابنفش-مرئی در آنالیز کیفی و کمی مواد در صنایع مختلفی مانند محیط زیست و داروسازی دارد. از این روش در اندازه‌گیری‌های مختلف مربوط به فرمولاسیون داروها و پایداری آن‌ها و همچنین آلاینده‌های زیست محیطی مانند فلزات سنگین در هوا و آب کاربرد دارد.

طیف سنجی نجومی

«طیف سنجی نجومی»(Astronomical Spectrometry) با استفاده از طیف الکترومغناطیسی منتشر شده از اجرام آسمانی، اطلاعاتی از ساختار دما و حرکت این اجرام به دست می‌آید.

اساس کار طیف سنجی نجومی

این روش بر پایه نور پراکنده شده توسط این اجرام کار می‌کند. هنگامی که نور بازتاب شده از اجرام آسمانی، توسط دستگاهی از یکدیگر جدا می‌شوند، دسته‌ای از جذب‌ها و نشر‌های خطوط پدیدار می‌آیند. این خطوط برای محققان بسیار با اهمیت است زیرا ویژگی‌های فیزیکی منبع نور را مشخص می‌سازند. این خطوط بر اساس برهم‌کنش بین نور تابیده شده و الکترون‌های اتم‌ها و مولکول‌های موادی که نور را جذب می‌کنند، پدیدار می‌شوند.

مراحل کار طیف سنجی نجومی

این روش طیف‌سنجی نیز مانند سایر روش‌های طیف‌سنجی از مراحل مختلفی تشکیل شده است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

• جمع‌اوری نور دریافتی از اجرام آسمانی: اولین مرحله در انجام این روش طیف‌سنجی، جمع‌آوری نور نشر شده از اجرام مورد ازمایش است. این کار توسط یک تلسکوپ انجام شده و نور جمع آوری شده مستقیما از تلسکوپ به طیف‌سنج هدایت می‌شود.
• تفکیک نور دریافتی: در مرحله دوم نور جمع شده توسط تلسکوپ، با استفاده از دستگاه‌های پراش، از یکدیگر جدا می‌شوند. این کار برای جداسازی و شناسایی طول موج‌های مختلف این نور‌ها انجام می‌شود.
• آشکارسازی و آنالیز نور: در این مرحله، نور‌های تفکیک شده به از درون آشکارساز‌های نوری عبور داده می‌شوند. این آشکارساز‌ها به انواع طول موج‌های مختلف حساس هستند و همچنین شدت نور را نیز اندازه‌گیری می‌کنند. اطلاعات به‌دست‌آمده از این آشکارساز‌ها در نهایت یک طیف را ارائه می‌دهند که شدت نور را بر اساس طول موج دریافتی نشان می‌دهد.
• کالیبراسیون جریان: برای اطمینان از اطلاعات به‌دست‌آمده، دستگاه باید با یک طیف از جریان‌های نمونه کالیبره شود. این مرحله شامل مقایسه طیف به‌دست‌آمده از نمونه مورد آزمایش با طیف نمونه مرجع نیز هست.

کاربرد‌های طیف سنجی نجومی

طیف‌سنج‌های نجومی که بیشتر برای مطالعات اجرام آسمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند، اطلاعات ارزشمندی را از نور دریافت شده به‌دست می‌آورند. این اطلاعات شامل اندازه‌گیری و شناخت ترکیب شیمیایی، اندازه‌گیری دما، چگالی و جرم، حرکت و ارتعاشات این اجرام هستند. تمامی این اطلاعات به وسیله شدت و طول موج نور دریافتی و مقایسه آن با مواد مرجع اندازه‌گیری می‌شود. همچنین با این روش طیف‌سنجی می‌توان ساختار و ترکیب کهکشان‌ها را نیز به‌دست آورد و فرایند‌های تکامل این اجرام آسمانی را بررسی کرد.

طیف سنجی جذب اتمی

این روش طیف‌سنجی خصوصا برای اندازه‌گیری فلزات یک نمونه به وسیله جذب نور توسط اتم‌های گازی است.«طیف‌سنجی جذب اتمی»(Atomic Absorption Spectrometry) یک روش تجزیه‌ای مهم است که بر پایه جذب و نشر الکترون‌ها برای اندازه‌گیری عناصر خاصی در نمونه مجهول به کار می‌رود. این روش بر اساس برهم‌کنش‌های پایه بین اتم‌ها و نور استوار است که به شناسایی ساختار نهایی مواد می‌انجامد. هسته این فرایند، تولید الکترون‌های آزاد به وسیله اتم‌ساز (اتمایزر) است. این دستگاه با تبدیل نمونه‌ها به فاز گازی و تبدیل آن‌ها به شکل عنصری کار می‌کند. الکترون‌های آزاد شده هنگامی که در معرض نور فرابنفش یا مرئی قرار بگیرند، طول موج‌هایی مشخص را جذب کرده و سطوح انرژی آن‌ها تغییر می‌کند. با جذب انرژی توسط الکترون‌ها، یک طیف جذبی برای نمونه رسم می‌شود. این طیف رسم شده مانند اثر انگشت برای هر عنصر عمل می‌کند و هر اتم یک الگوی خاص جذبی دارد. شدت جذب در طیف به دست آمده، به شکل مستقیم با تعداد اتم‌های فاز گازی و به دنبال آن، غلظت عنصر مورد نظر در نمونه مرتبط است.

مراحل کار طیف سنجی جذب اتمی

طیف‌سنجی جذب اتمی از چند مرحله کلی تشکیل شده است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

• آماده‌سازی نمونه: اولین مرحله در این روش طیف‌سنجی، آماده‌سازی نمونه برای آنالیز است. این مرحله شامل ساختن نمونه‌های مایع به شکل محلول در حلالی مشخص است. این محلول باید برای تبخیر شدن مناسب باشد. سپس نمونه آماده شده درون محفظه نمونه این دستگاه منتقل می‌شود.
• تبخیر: نمونه مایع مورد آزمایش، به دستگاه اتمایزر منتقل می‌شود تا به حالت گازی عنصری دربیاید. این کار به وسیله حرارت دادن به وسیله یک منبع حرارتی که معمولا استیلن نیتروس اکسید است اتفاق می‌افتد.
• فعال‌سازی منبع نور: یک منبع نور که طول موج‌هایی مشخص را نشر می‌دهد، در این مرحله فعال می‌شود. این طول موج‌ها با دقت بسیاری انتخاب می‌شوند تا با جذب نمونه مورد نظر همخوانی داشته باشند.
• آشکارسازی: همچنان که اتم‌های گازی نور را با طول موج‌های مشخص جذب می‌کنند، غلظت آن‌ها به وسیله یک آشکارساز که میزان جذب را اندازه‌گیری می‌کند اندازه‌گیری می‌کند.
• تصحیح خط پایه: برای اطمینان از درست بودن اطلاعات به دست امده از این روش طیف‌سنجی، باید میزان جذب حلال بدون نمونه نیز توسط دستگاه اندازه‌گیری شود. این حلال باید شامل تمامی موارد مورد آزمایش بجز آنالیت باشد. این مرحله طیف‌سنجی باعث تصحیح مواردی می‌شود که ممکن است مربوط به جذب حلال یا سایر موارد باشد.
• کالیبراسیون استاندارد: یک محلول استاندارد که شامل غلظتی مشخص از آنالیت است با همان روش طیف‌سنجی می‌شود. این مرحله برای کالیبره کردن دستگاه بسیار با اهمیت است.
• اندازه‌گیری کمی: در نهایت یک نمودار بر اساس جذب و غلظت محلول استاندارد رسم می‌شود. میزان جذب اندازه‌گیری شده برای نمونه می‌تواند با نمودار کالیبراسیون مقایسه شده تا میزان غلظت مجهول به دست آید.

کابرد‌های طیف سنجی جذب اتمی

طیف‌سنجی جذب اتمی کاربرد‌های فراوانی در شناسایی و تعیین غلظت مواد در صنایع مختلف دارد. این روش طیف‌سنجی در مطالعه نمونه‌های بیولوژیک مانند ارگان‌ها، خون یا سایر قسمت‌های بدن مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین از این روش برای اندازه‌گیری عناصر فلزی در نمونه‌ها نیز استفاده می‌شود که این گزینه آن را به روشی کارآمد در صنایع محیط زیست برای آنالیز نمونه‌های آب و خاک تبدیل می‌کند. همچنین در تحقیقات در زمینه‌های دارویی نیز از این روش برای اندازه‌گیری خلوص محصولات تولید شده استفاده می‌شود. در صنایع نفت و پتروشیمی از طیف‌سنجی جذب اتمی برای آنالیز مواد تشکیل دهنده فراورده‌های نفتی و روغنی استفاده می‌شود.

طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه

این طیف‌سنجی که با نام FTIR نیز شناخته می‌شود، پیوند‌های شیمیایی یک مولکول‌ را با تولید یک طیف جذب مادون قرمز، شناسایی می‌کند. این روش برای شناسایی‌های مربوط به مواد آلی بسیار کاربرد دارد. این روش با نمایش دادن طرح‌های جذب و نشر مولکول‌ها در فاز‌های مختلف مانند مایع، جامد و گاز برای شناسایی و آنالیز طیف مادون قرمز استفاده می‌شود. عبارت تبدیل فوریه اشاره به الگوریتم ریاضی دارد که اطلاعات داده خام را به طیف نهایی تبدیل می‌کند.

اساس کار طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه

طیف‌سنجی FTIR بر اساس اصل پراکندگی نور کار می‌کند که وقتی یک یک باریکه نور متشکل از فرکانس‌های مختلف به آن تابیده می‌شود، کار می‌کند. مقادیری که نمونه در آن طیف‌های مختلف را جذب می‌کند اندازه‌گیری شده و از یک باریکه دیگر برای مقایسه مقادیر فرکانس‌ها استفاده می‌شود.این فرایند به دفعات زیادی در زمان کوتاه تکرار می‌شود. اطلاعات به دست آمده از این فرایند‌ها به وسیله یک الگوریتم تبدیل فوریه پردازش می‌شوند. دستگاه طیف‌سنج در این روش معمولا ویژگی‌های یک تداخل سنج را دارد که شامل آینه‌هایی است که به سمت منبع نور حرکت می‌کنند.

مراحل کار طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه

مراحل کار با دستگاه FTIR شامل آماده‌سازی نمونه، تابش نور و آنالیز داده است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

• آماده‌سازی نمونه: نمونه آماده شده در این روش معمولا لایه باریکی از نمونه است که نور مادون قرمز به خوبی به آن نفوذ کند. سپس این نمونه داخل دستگاه قرار می‌گیرد.
• تابش نور مادون قرمز: طیف‌سنج در این مرحله نور مادون قرمز را به نمونه می‌تاباند و پس از آن مقادیر و فرکانس جذب نور اندازه‌گیری می‌شود.
• آنالیز داده‌ها: داده‌های جمع‌آوری شده در این مرحله، توسط الگوریتم تبدیل فوریه پردازش می‌شوند تا طیف نهایی به دست آید. مراجع آنلاین نمونه‌های اندازه‌گیری شده در این مرحله به شناسایی مواد نمونه مورد آزمایش کمک می‌کنند.

کاربرد‌های طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه

این روش طیف سنجی یکی از روش‌های کارآمد در آنالیز مواد شیمیایی مانند مواد آلی، پلیمر‌ها و مواد معدنی است. این روش همچنین در کنار روش جداسازی کروماتوگرافی گازی برای شناسایی مواد مجهول به کار می‌رود. FTIR همچنین در اندازه‌گیری قطبیت مکان ممان‌های هیدروفوبیک نیز کاربرد دارد.

طیف سنجی پرتو گاما

این روش، در بسیاری از زمینه‌ها مانند فیزیک هسته‌ای کاربرد دارد. در این نوع طیف‌سنجی پرتو‌های گاما منتشر شده توسط مواد رادیواکتیو را اندازه می‌گیرد. این روش طیف‌سنجی اطلاعات کارآمدی را درباره ساختار‌های هسته اتم‌ها و فرایند‌های انجام شده در آن‌ها در اختیار قرار می‌دهد.

اساس کار طیف سنجی پرتو گاما

در طی زمان تجزیه رادیواکتیو، تجزیه پرتو گاما در کنار سایر انواع تجزیه پرتوی اتفاق می‌افتد. در تجزیه گاما، نوکلئون‌های درون هسته به لایه‌های پایین‌تر انرژی می‌روند و پرتو گاما را منتشر می‌کنند. این پرتو‌های گاما، سپس به سمت آشکارساز هدایت شده و تشعشات را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند که قابل آنالیز با کامپیوتر هستند. با مقایسه سطوح انرژی با انرژی پرتو‌های گاما منتشر شده از ایزوتوپ‌های شناخته شده، ویژگی‌های ماده مشخص می‌شود.

مراحل کار طیف سنجی پرتو گاما

مراحل کار با این دستگاه طیف‌سنجی کمی با سایر دستگاه‌ها متفاوت است. این مراحل در ادامه توضیح داده می‌شود.

• آماده‌سازی مخزن شمارش: مخزن شمارش، یک مخزن است که معمولا با لایه‌ای از سرب (برای جلوگیری از خروج پرتو‌های رادیواکتیو) پوشانده شده است و با مس پر شده است تا تشعشات پس‌زمینه آزمایش را تا حد ممکن کاهش دهد.
• جای‌گذاری نمونه: ظرف نمونه باید با احتیاط زیادی روی آشکارساز درون مخزن شمارش قرار بگیرد.
• شمارش پس‌زمینه: این شمارش برای بررسی احتمال وجود هرگونه آلودگی یا تشعشات طبیعی که ممکن است با اطلاعات نمونه تداخل داشته باشد، بررسی می‌شود.
• آنالیز داده: داده‌های جمع آوری شده از آشکارساز در این مرحله با کمک سیستم‌های محاسبه آنالیز می‌شوند. این آنالیز برای بررسی انرژی پرتو‌های گاما که از نمونه نشر شده است انجام می‌شوند.

کاربرد‌های طیف سنجی پرتو گاما

از این روش طیف‌سنجی برای مطالعه درباره ساختار هسته اتم‌ها، واکنش‌ها و انتقالات آن‌ها و رفتار هسته اتم‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در علم نجوم نیز، از این نوع طیف‌سنجی برای بررسی وجود آب و سایر ترکیبات روی اجرام آسمانی استفاده می‌شود. همچنین این روش برای آنالیز ایزوتوپ‌های مواد مختلف نیز استفاده می‌شود.

طیف سنجی مادون قرمز

این روش طیف‌سنجی که با نام IR نیز شناخته می‌شود، ارتعاشات مولکولی را اندازه‌گیری می‌کند. با این اندازه‌گیری‌ها، اطلاعات ارزشمندی را درباره ساختار مولکولی، خصوصا گروه‌های عاملی اتم‌ها ارائه می‌دهد.

اساس کار طیف سنجی مادون قرمز

طیف مادون قرمز طول موج‌های بین ۲۵۰۰ تا ۱۶۰۰۰ نانومتر را دربرمی‌گیرد. برخلاف نور فرابنفش و مرئی، نور مادون قرمز انرژی کافی برای برانگیختن الکترون‌ها را ندارد. در عوض، این نور باعث برانگیختن حرکت‌های ارتعاشی پیوند‌های کووالانسی در مولکول‌ها می‌شود. طیف مادون قرمز، میزان شدت نشر مادون قرمز را در برابر فرکانس آن مشخص می‌کند. با آنالیز کردن فرکانس و ارتعاشات اتم‌ها، گروه‌های عاملی در مولکول‌ها مشخص می‌شوند.

مراحل کار با طیف سنجی مادون قرمز

مراحل کار با این روش طیف‌سنجی از چند مرحله اساسی تشکیل شده است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

• آماده‌سازی دستگاه: دستگاه مادون قرمز روشن شده و اجازه داده می‌شود تا حدود ۳۰ دقیقه گرم شود.
• آماده‌سازی نمونه: نمونه مورد ازمایش جمع‌آوری شده و ویژگی‌های آن یادداشت می‌شود.
• جمع آوری طیف‌های پس‌زمینه: یک طیف پس‌زمینه برای کاهش تداخل با پدیده‌های طبیعی اندازه‌گیری و مشخص می‌شود.
• دست‌یابی به طیف IR: طیف مادون قرمز نمونه طی چند مرحله تکرار به دست می‌آید.
• اندازه‌گیری فرکانس جذب: جذب‌های مربوط به گروه‌های عاملی موجود در نمونه یادداشت می‌شوند.
• آنالیز طیف: در نهایت طیف به دست آمده برای دست‌یابی به ساختار نمونه مجهول بررسی می‌شود.

کاربرد‌های طیف سنجی مادون قرمز

طیف‌سنجی مادون قرمز یکی از روش‌های پایه ولی پرکاربرد طیف‌سنجی به شمار می‌آید. این روش طیف‌سنجی برای دست‌یابی به ساختار مواد در حالت‌های جامد، مایع و گاز به کار می‌رود. همچنین شناسایی گروه‌های عاملی نمونه نیز یکی از اصلی‌ترین کاربرد‌های این روش است. این روش همچنین در صنایع پزشکی و بیوپزشکی برای شناسایی تغییر ساختار‌های مولکولی مرتبط با بیماری‌ها نیز به کار می‌رود.

طیف سنجی رزونانس مغناطیسی

نام دیگر این روش طیف‌سنجی MRS است برای شناسایی تغییرات متابولیک در مغز و سایر ارگان‌های بدن است. این روش طیف‌سنجی در تحقیقات پزشکی روشی تکمیل کننده برای MRI است.

اساس کار طیف سنجی رزونانس مغناطیسی

طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی «MRS» شامل آنالیز اتم هیدروژن برانگیخته درون نمونه مورد ازمایش است. هنگامی که نمونه در میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، هسته اتم‌ هیدروژن برانگیخته شده و در یک جهت مشخص می‌چرخد. این چرخش باعث به وجود آمدن یک طیف بر اساس میزان انرژی مربوط به این چرخش‌ها می‌شود. با آزمایش فرکانس‌های این طیف به دست آمده، غلظت مواد مختلف به دست می‌آید. با مقایسه این غلظت‌ها با مقادیر نرمال موجود در سلول‌ها، بافت‌های مختلف شناسایی می‌شوند.

مراحل کار با طیف سنجی رزونانس مغناطیسی

مراحل کار با این دستگاه طیف‌سنجی شامل ۴ مرحله اصلی آماده‌سازی دستگاه و نمونه، کالیبراسیون دستگاه و جمع‌آوری اطلاعات است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

• آماده‌سازی دستگاه: دستگاه MR روشن شده و حدود ۳۰ دقیقه گرم می‌شود.
• کالیبراسیون دستگاه: این مرحله برای دست‌یابی به اطلاعات درست بسیار مهم است. یک تیوب MR خالی برای شناسایی سیگنال‌های پس‌زمینه وارد دستگاه شده و طیف آن بررسی می‌شود.
• آماده‌سازی نمونه: نمونه با دقت درون تیوب دستگاه قرار گرفته می‌شود. جایگذاری درست نمونه در این مرحله بسیار حائز اهمیت است.
• جمع‌آوری اطلاعات: طیف رزونانس مغناطیسی به وسیله دستگاه اندازه‌گیری و رسم می‌شود. این مرحله فرکانس‌های خاص مربوط به نمونه را مشخص می‌کند که به وسیله آن‌ها می‌توان به ساختار نمونه یا بافت مورد نظر دست یافت.

کاربرد طیف سنجی رزونانس مغناطیسی

این روش طیف‌سنجی در دست‌یابی به اطلاعاتی برای تشخیص ترکیب بافت‌ها و انواع شرایط پزشکی کاربرد دارد. همچنینی این روش کامل کننده روش MRI است که با دادن اطلاعات تکمیلی درمورد ترکیبات بافت میزان تشخیص را ارتقا می‌بخشد. همچنین روش طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی برای تحقیقات پزشکی نیز استفاده می‌شود.

طیف سنجی جرمی

این روش طیف‌سنجی، نسبت جرم به بار یون‌ها را اندازه‌گیری می‌کند و مقادیر کمی را درباره مولکول‌های موجود در نمونه مشخص می‌کند. این روش به شکل گسترده‌ای در شیمی و بیوشیمی استفاده می‌شود.

اساس کار طیف سنجی جرمی

طیف‌سنجی جرمی بر اساس اصول یونش کار می‌کند که یک نمونه تحت بمباران الکتریکی قرار گرفته و مولکول‌ها یا اتم‌های آن تبدیل به یون می‌شوند.

این یون‌ها سپس بر اساس نسبت جرم به بار جداسازی می‌شوند. این جداسازی توسط میدان الکترومغناطیسی انجام می‌شود. میزان ترک نسبی یون‌ها در برابر نسبت جرم به بار آن‌ها رسم شده و طیف جرمی مواد به این روش به دست می‌آید.

مراحل کار با طیف سنج جرمی

این روش طیف‌سنجی از ۴ مرحله ساده آماده‌سازی نمونه، یونش، جداسازی و آشکارسازی و آنالیز داده تشکیل شده است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

• آماده‌سازی نمونه: نمونه به صورت مخلوط با حلال یا بافر مناسب آماده می‌شود.
• یونش: نمونه آماده شده به وسیله الکترون بمباران می‌شود تا اتم‌ها و مولکول‌هایش یونیزه شوند.
• جداسازی و آشکارسازی: یون‌ها بر اساس نسبت جرم به بار آن‌ها جداسازی شده و شناسایی می‌شوند.
• آنالیز اطلاعات: اطلاعات به دست آمده به وسیله نرم افزار بررسی می‌شوند تا طیف جرمی نمونه به دست بیاید.

کابردهای طیف سنجی جرمی

این روش طیف‌سنجی در زمینه‌هایی مانند اندازه‌گیری‌های کمی، شناسایی مواد مجهول، آنالیز ساختاری مواد و کنترل کیفیت مواد در صنایع دارویی و غذایی کاربرد دارد.

طیف سنجی مولکولی

این روش گسترده شامل روش‌هایی برای مشخص کردن برهم‌کنش بین نشر‌های الکترومغناطیسی و مولکول‌های نمونه است که به وسیله آن ساختار مواد را مشخص می‌کند.

اساس کار طیف سنجی مولکول

طیف‌سنجی مولکولی بر اساس تکنیک‌های تجزیه‌ای که میزان برهم‌کنش بین مولکول‌ها و میدان مغناطیسی را بررسی می‌کنند استوار است. به وسیله این روش ساختار ترکیب مواد مشخص می‌شود. انتقالات مولکولی بین سطوح مختلف انرژی باعث به وجود آمدن طیف مولکولی آن می‌شود. این انتقالات شامل انتقالات الکترونی، چرخشی و ارتعاشی هستند. این روش طیف‌سنجی می‌تواند از هر دو خاصیت جذب و نشر برای اندازه‌گیری‌های خود استفاده کند.

مراحل کار با طیف سنج مولکولی

این روش طیف‌سنجی شامل چند مرحله اساسی است که در ادامه توضیح داده خواهد شد.

• آماده‌سازی دستگاه: این روش اندازه‌گیری می‌تواند از دستگاه‌هایی مانند طیف‌سنج نشری یا فوریه استفاده کند.
• آماده‌سازی نمونه: با جایگذاری نمونه در دستگاه طیف‌سنج، آن‌را در معرض تابش امواج قرار می‌دهیم.
• اندازه‌گیری: نور از نمونه عبور داده شده و میزان جذب یا نشر آن اندازه‌گیری می‌شود.
• آنالیز اطلاعات: سیگنال‌های به دست آمده به اطلاعات ریاضی تبدیل شده و نمودار جذب بر حسب غلظت رسم می‌شود.
• تفسیر اطلاعات: نمودار طیف رسم شده در آخرین مرحله بررسی و تفسیر می‌شود تا اطلاعاتی درباره ساختار اتمی و مولکولی نمونه به دست آید.

کاربرد‌های طیف‌سنج مولکولی

این روش طیف‌سنجی در زمینه‌های مختلفی مانند آنالیز ساختاری مواد، اندازه‌گیری و شناخت ترکیبات مجهول، شناسایی ترکیبات شیمیایی و اندازه‌گیری‌های کمی غلظت کاربرد دارد.

طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته

این روش پرکاربرد که با نام NMR نیز شناخته می‌شود، اندازه‌گیری‌هایی را درباره خواص مغناطیسی هسته‌ی اتم‌ها به دست می‌اورد و می‌توان اطلاعات دقیقی درباره ساختار مولکولی و ویژگی‌های آن‌ها ارائه دهد. توصیف و تحلیل داده‌های متابولیکی بیماران نیز یکی دیگر از کاربرد‌های این روش است.

اساس کار طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته

اساس کار طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته بر ۴ اصل کلی برقرار است. این اصول چرخش هسته، تنظیم میدان مغناطیسی، موقعیت رزونانسی و سیگنال‌های دریافتی هستند. چرخش هسته اتم‌ها به شکل یک آهن‌ربای کوچک عمل می‌کند. هنگامی که نمونه در یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرد، هسته آن هم‌جهت یا خلاف جهت میدان مغناطیسی می‌چرخد.

با تابش امواج رایویی، هسته اتم می‌تواند بین دو سطح انرژی ایجاد شده حرکت کرده و انرژی جذب و دفع کند و در نهایت طیف NMR ماده به دست می‌آید. این طیف اطلاعات ارزشمندی را درباره خواص شیمیایی ماده و فعالیت‌های هسته آن ارائه می‌دهد.

مراحل کار با طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته

این روش طیف‌سنجی از چند مرحله کلی تشکیل شده است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

• تنظیم و آماده‌سازی دستگاه: هنگامی که یک دستگاه طیف‌سنجی NMR مورد استفاده قرار می‌گیرد، باید از قبل آماده و پایدار شود تا به خوبی عمل کند.
• کالیبراسیون: یک تیوب NMR خالی داخل دستگاه قرار می‌گیرد تا سیگنال‌های پس‌زمینه اندازه‌گیری شوند.
• آماده‌سازی نمونه: نمونه مورد آزمایش با یک حلال مناسب ترکیب شده و داخل لوله NMR قرار می‌گیرد.
• به دست‌ آوردن اطلاعات: طیف NMR با قرار دادن نمونه در معرض امواج رادیویی به دست می‌آید.
• آنالیز: طیف به دست آمده از لحاظ شدت قله‌ها، تفسیر انتقالات شیمیایی و الگوهای جفت شدن مورد آنالیز قرار می‌گیرد تا اطلاعاتی درباره ساختار مولکولی نمونه به دست آید.

کابرد‌های طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته

طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته یکی از پرکاربرد‌ترین روش‌های طیف‌سنجی موجود است. از این روش طیف‌سنجی در سیستم‌های کنترل کیفیت دارویی و غذایی، شناسایی ساختار مواد آلی و معدنی، شناسایی ساختار ترکیبات جامد و شناسایی ساختار پروتئین‌ها برخی از کاربرد‌های این روش طیف‌سنجی هستند.

طیف سنجی فوتوالکترون

این روش انرژی سینتیکی الکترون‌ها را که در پاسخ به تابش نور از مواد جدا میشوند، اندازه‌گیری می‌کند. این روش طیف‌سنجی، به آنالیز سطح مواد و اندازه‌گیری‌هایی مختلف درباره آن‌ها کمک می‌کند.

اساس کار طیف سنجی فوتوالکترون

این روش طیف‌سنجی بر اثر فوتوالکتریکی استوار است که در آن فوتون‌ها از یک منبع تابش، باعث جدا شدن یک الکترون از نمونه می‌شوند. این الکترون‌های جدا شده یک انرژی سینتیکی دارند که به انرژی فوتون‌های اولیه و انرژی پیوند این الکترون‌ها با مواد مختلف بستگی دارد. با اندازه‌گیری این انرژی سینتکی، می‌توان میزان انرژی پیوند این الکترون‌ها در سطوح انرژی مختلف را اندازه‌گیری کرد. در نهایت میزان انرژی پیوند در برابر انرژی سینتیکی در نموداری به نام طیف فوتواکترونی یا (طیف نشر الکترونی) رسم می‌شود.

مراحل کار طیف سنجی فوتوالکترون

مراحل کار با این سیستم طیف‌سنجی متفاوت از سایر انواع طیف سنجی است. در ادامه این مراحل توضیح داده می‌شوند.

• آماده‌سازی نمونه: نمونه مورد آزمایش پس از تمیز شدن داخل دستگاه طیف‌سنجی در شرایط خلا نصب می‌شود. این شرایط برای جلوگیری از اثر هوا بر نتیجه آنالیز است.
• نشر امواج: نمونه در معرض امواج فرابنفش یا ایکس قرار گرفته و این فرایند سبب یونیزه شدن آن به وسیله نور و نشر الکترون می‌شود.
• جمع آوری اطلاعات: انرژی آزاد شده از نمونه ضبط شده و طیف فوتوالکترون بر اساس انرژی پیوند و انرژی سینتیکی رسم می‌شود.
• آنالیز: قله‌های موجود در طیف فوتوالکترون نشان‌دهنده سطوح مختلف الکترونی نمونه است که اطلاعات مهمی درباره ساختار الکترونی آن را ارائه می‌دهد.

کاربرد‌های طیف سنجی فوتوالکترون

طیف‌سنجی فوتوالکترون کابرد‌های فراوانی در زمینه‌های مختلف تحقیقاتی مانند شناسایی ساختار فلزات، آنالیز شیمیایی مواد، مهندسی سطح و شناسایی نیمه رساناها دارد.

طیف سنجی رامان

طیف‌سنجی رامان، انواع انرژی‌های فرکانس پایین مربوط به مولکول‌ها مانند انرژی‌های ارتعاشی و چرخشی آن‌ها را اندازه‌گیری می‌کند و به این وسیله اطلاعات ارزشمندی درباره این خواص ترکیب‌های شیمیایی ارائه می‌دهد.

اساس کار طیف سنجی رامان

طیف‌سنجی رامان شامل آنالیز نور پراکنده شده از یک نمونه مورد آزمایش است. سپس با برخورد نور با نمونه، بیشتر آن توسط نمونه عبور داده می‌شود، در حالی که قسمت کوچکی از آن به شکل آیزنتروپی پراکنده می‌شود. طول موج نور پراکنده شده برابر با طول موج نور اولیه است.

قسمت کوچکی از نور پراکنده شده دچار تغییر فرکانس می‌شود. این تغییر فرکانس به دلیل برهم‌کنش‌های مولکول با نور است. تفاوت انرژی بین نور اولیه و نور پراکنده شده، مربوط به برهم‌کنش‌های مولکول با نور است که در نهایت طیف رامان را تولید می‌کند.

مراحل کار طیف سنجی رامان

کار با دستگاه طیف‌سنجی رامان شامل ۵ مرحله کلی است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

• آماده‌سازی: محلول‌های آبی از نمونه آماده می‌شوند و طول موج پرتو لیزر مورد نظر انتخاب می‌شود.
• آماده‌سازی دستگاه: دستگاه طیف‌سنجی رامان به وسیله یک نمونه مرجع کالیبره می‌شود که به این طریق میزان انرژی و زمان آزمایش اندازه‌گیری شود.
• جایگذاری نمونه: نمونه مورد ازمایش زیر میکروسکوپ جایگذاری می‌شود.
• جمع آوری اطلاعات: آشکارساز میزان تعداد طول موج‌های را اندازه‌گیری می‌کند و طیف رامان تولید می‌شود.
• آنالیز داده‌ها: از یک نرم افزار برای بررسی اطلاعات و طیف به دست آمده استفاده می‌شود تا از قله‌های به دست آمده در طیف رامان ترکیب مولکولی و برهم‌کنش‌ها مشخص شود.

کاربرد‌های طیف سنجی رامان

طیف‌سنجی رامان برای آنالیز نمونه‌ها در فاز آبی، بهتر از طیف‌سنجی فروسرخ عمل می‌کند. این طیف‌سنجی برای آنالیز ترکیبات شیمیایی و ساختار مولکولی ترکیبات به کار می‌رود. از این روش طیف‌سنجی برای تحقیقات بیوپزشکی در شناسایی سلول‌ها، بافت‌ها و بیومولکول‌ها استفاده می‌شود. همچنین از این روش در صنایع داروسازی برای پیشرفت‌های دارویی، کنترل کیفیت و آنالیز فرمولاسیون دارو‌ها استفاده می‌شود. از این روش در علم مواد نیز در بررسی خواصی مانند کریستال‌مانندی، عیوب و برهم‌کنش‌های مولکولی با مواد مختلف استفاده می‌شود.

طیف سنجی پرتو ایکس فوتوالکترون

این روش طیف‌سنجی ساختار سطح مواد و ساختار الکترونی آن‌ها را با اندازه‌گیری انرژی سینتیکی الکترون‌های نشر شده از نمونه در معرض پرتو ایکس را بررسی می‌کند.

اساس کار طیف سنجی پرتو ایکس فوتوالکترون

این روش طیف‌سنجی بر اساس اثر فوتو الکتریک انجام می‌گیرد. زمانی که یک پرتو ایکس با طول موجی مشخص به نمونه تابیده می‌شود، باعث جدا شدن یک فوتوالکترون از سطح آن می‌شود. انرژی فوتو الکترون جدا شده از سطح ماده، به اندازه‌گیری انرژی پیوند مواد نمونه می‌انجامد و نشان دهنده وضعیت شیمیایی مواد نمونه است. این انرژی با استفاده از انرژی فوتون‌های پرتو ایکس و انرژی سینتیکی فوتو الکترون جدا شده به دست می‌آید. در نهایت یک نمودار از انرژی پیوند در برابر شدت الکترون‌ها به دست می‌آید که به شناسایی مواد و پیکربندی الکترونی آن‌ها می‌انجامد.

مراحل کار با طیف سنجی پرتو ایکس فوتوالکترون

مراحل کار با این نوع طیف‌سنجی به شرح زیر است.

• آماده‌سازی نمونه: نمونه مورد آزمایش به خوبی تمیز می‌شود تا سطح آن از هرگونه آلودگی پاک شود.
• تابش پرتو ایکس: پرتو‌های ایکس با انرژی‌های مشخص به سطح نمونه تابیده می‌شوند و سپس فوتوالکترون جداسازی می‌شود.
• آشکارسازی و آنالیز: فوتوالکترون‌های جداشده به وسیله یک آنالیز کننده انرژی جذب و شناسایی می‌شوند که انرژی سینتیکی آن‌ها را اندازه ‌گیری می‌کند.
• تفسیر داده‌ها: در این مرحله طیف به دست آمده آنالیز می‌شود تا انرژی‌های پیوند فوتو الکترون‌ها به دست آید و بدین ترتیب اطلاعاتی درباره ساختار و ترکیب مواد شیمیایی نمونه به دست می‌آید.
• شناسایی عناصر: پیک‌ها (قله‌ها) در نمودار طیف به دست آمده هریک مربوط به یک عنصر خاص خواهند بود و با مقایسه این طیف با طیف‌های مرجع می‌توان عناصر موجود در نمونه را شناسایی کرد.

کاربرد‌های طیف‌سنجی پرتو ایکس فوتوالکترون

از روش طیف‌سنجی پرتو ایکس فوتوالکترونی در شناسایی و تشخیص مواد و ترکیب‌های موجود در سطح نمونه استفاده می‌شود که آن‌ را به روشی کارآمد در مطالعه شیمی سطح، آنالیز نیمه هادی‌ها و مطالعات زیست پزشکی تبدیل کرده است.

طیف سنجی مقاومت الکتروشیمی

این تکنیک طیف‌سنجی که به نام طیف‌سنجی امپدانس الکتریکی یا EIS نیز شناخته می‌شود، با اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی یک سیستم و اعمال ولتاژ AC انجام می‌شود. یکی از پرکاربرد‌ترین تکنیک‌ها برای مطالعه تکنولوژی باتری‌ها و همچنین خوردگی مواد است.

اساس کار طیف سنجی مقاومت الکتروشیمی

این روش طیف‌سنجی، توانایی قابل توجهی در مشخص کردن چگونگی ایجاد مقاومت برای جریان الکتریسیته توسط مواد دارد. این روش اسپکتروسکوپی با ارائه دادن یک جریان AC به نمونه از طریق الکترود‌ها و ایجاد فرکانس‌های گوناگون، نحوه پاسخ مواد مورد آزمایش به این جریان‌ها را اندازه‌گیری می‌کند. اطلاعات نهایی به دست آمده در این روش، شامل اندازه‌گیری شدت و همچنین تغییر فاز ولتاژ اعمال شده به نمونه است.

این اطلاعات برای محاسبه مقادیر مقاومت واقعی و غیرواقعی به کار می‌رود. این مقادیر، درواقع میزان بازداری الکتریکی و ظرفیت الکتریکی مواد را مشخص می‌کند. روابط بین این مقادیر مقاومت و فرکانس اغلب با یک نمودار نایکویست نشان داده می‌شود که در آن مقاومت در برابر فرکانس اندازه‌گیری می‌شود. این نمودار یک دیدگاه کلی از فرایند‌های الکتروشیمیایی نمونه را نشان می‌دهد.

مراحل کار با طیف سنجی مقاومت الکتروشیمی

روش‌ کار با این سیستم طیف‌سنجی در چند مرحله در ادامه توضیح داده شده است.

• آماده‌سازی دستگاه: در اولین قدم، وسایل آزمایش و دستگاه طیف‌سنجی با یک نمونه تست برای اطمینان از درست کارکردن دستگاه آزمایش می‌شوند.
• جانمایی پارامتر‌ها: پارامتر‌های مورد بررسی در این روش طیف‌سنجی توسط یک نرم‌افزار مانند Zplot جانمایی و پیکربندی می‌شوند. این پارامتر‌ها مواردی مانند بزرگی جریان AC یا میزان فرکانس مورد نیاز آزمایش هستند.
• انجام مراحل اندازه‌گیری: هنگامی که پارامتر‌های مورد آزمایش تعیین شدند، سیستم طیف‌سنجی جریان الکتریسیته مورد نیاز را به نمونه القا می‌کند. نتایج به دست آمده توسط دستگاه اندازه‌گیری می‌شود.
• آنالیز داده‌ها: اطلاعات به دست آمده توسط برخی نرم‌افزار‌های خاص این روش طیف‌سنجی، آنالیز و بررسی می‌شوند. این نرم افزار‌ها طیف مقاومت الکتریکی نمونه را رسم می‌کنند و اطلاعات ارزشمندی را در مورد ویژگی‌های الکتروشیمیایی نمونه ارائه می‌دهند.
• آماده‌سازی و تست نمونه مجهول: پس از انجام این مراحل برای نمونه تست، نمونه مجهول اصلی به دستگاه وارد شده و اندازه‌گیری می‌شود.

کاربرد‌های طیف سنجی مقاومت الکتروشیمی

این روش طیف‌سنجی کاربرد‌های مهمی در زمینه‌های پزشکی و متالورژی دارد. در کاربرد‌های بیولوژیک، این روش می‌تواند میزان رشد میکروب‌ها را در میکروارگانیسم‌ها اندازه‌گیری کند. همچنین این روش در شناسایی و رشد بافت‌های سرطانی نیز بسیار حائز اهمیت است. از روش طیف‌سنجی مقاومت الکتروشیمی در مطالعه خواص الکتروشیمیایی مواد پوششی، پلیمر‌ها و لایه‌های شیمیایی اعمال شده روی الکترود‌ها نیز استفاده می‌شود.

طیف سنجی نشری

این تکنیک شامل آنالیز نور نشر شده از یک ماده است زمانی که به آن انرژی داده می‌شود و بیشتر برای آنالیز عناصر استفاده می‌شود.

اساس کار طیف‌سنجی نشری

اساس کار طیف‌سنجی نشری بر پایه پدیده نشر فوتون‌ها به وسیله اتم‌ها یا مولکول‌ها بنا شده است. این نشر هنگامی که الکترون‌های مواد برانگیخته شده و سپس به سطوح انرژی پایین‌تر می‌ایند اتفاق می‌افتد. این فرایند معمولا از طریق برانگیختگی نمونه به وسیله شعله یا حرارت الکتریکی اتفاق می‌افتد. نور نشر شده طی این فرایند، از درون طیف‌سنج عبور داده می‌شود و طیف‌سنج این نور را به طول موج‌های تشکیل دهنده‌اش پراکنده می‌کند. هر عنصر قابلیت نشر نور را در طول موج‌های منحصر به فردی دارد. این طول موج‌ها به ساختار و آرایش الکترونی هر عنصر مربوط می‌شود. با بررسی این طول موج‌های نشر شده، ساختار عنصری نمونه مجهول به دست می‌آید.

روش کار با طیف سنجی نشری

روش کار با طیف‌سنجی نشری از چند مرحله ساده تشکیل شده است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

• آماده‌سازی نمونه: نمونه مورد آزمایش معمولا در حالت محلول آماده می‌شود. این محلول به وسیله حرارت شعله یا حرارت الکتریکی گرم می‌شود و حلال نمونه تبخیر می‌شود. سپس جامد باقی مانده خالص مودر آزمایش قرار می‌گیرد.
• برانگیختن و نشر نمونه: فرایند گرم کردن نمونه باعث برانگیختن الکترون‌های آن می‌شود. الکترون‌ها در این فرایند به سطوح بالاتر انرژی رفته و با بازگشت آن‌ها فوتون‌هایی با طول موج‌های مشخص نشر می‌شوند.
• آنالیز طیف‌سنج: امواج نشر شده به طیف‌سنج هدایت شده و یک تکفام‌ساز این امواج را به طول‌موج‌های تشکیل دهنده مواد تفکیک می‌کند.
• آنالیز اطلاعات: در مرحله آخر، یک نمودار طول موج در برابر شدت یا غلظت مواد رسم شده و اندازه‌گیری و تشخیص عناصر نمونه را ممکن می‌سازد.

کاربرد‌های طیف سنجی نشری

این روش طیف‌سنجی یکی از پرکابردترین روش‌ها در صنایع شیمی و پتروشیمی است. از طیف‌سنجی نشری در شیمی تجزیه برای شناسایی و اندازه‌گیری فلزات و آلیاژ‌ها استفاده می‌شود. هم‌چنین این روش طیف‌سنجی در صنایعی مانند کشاورزی و محیط زیست نیز استفاده می‌شود. از این روش طیف‌سنجی همچنین در اندازه‌گیری ثابت تعادل رزین‌های یون مشترک نیز استفاده می‌شود.

طیف سنجی پراکندگی انرژی

این روش که معمولا با روش‌های میکروسکوپی الکترونی ترکیب می‌شود، موقعیت عناصر موجود در نمونه را به وسیله تابش پرتو ایکس مشخص می‌کند. به این روش طیف‌سنجی «پراکندگی الکترون پرتو ایکس» نیز گفته می‌شود. این طیف‌سنجی یک روش کارآمد در تعیین ساختار شیمیایی یا عنصری نمونه‌ها است.

اساس کار طیف سنجی پراکندگی انرژی

اساس کار این روش طیف‌سنجی مشابه طیف‌سنجی نشری است، با این تفاوت که از پرتو‌های ایکس برای برانگیختن مواد استفاده می‌شود. هنگامی که پرتو‌های ایکس به مواد تابیده می‌شود باعث برانگیختن الکترون‌های آن‌ها به سطوح بالاتر انرژی می‌شود. این پرتو‌ها حتی امکان برانگیختگی الکترون‌های لایه داخلی اتم‌ها را نیز دارند. با برانگیختن این الکترون‌های لایه‌های داخلی و بازگشت آن‌ها، حفره‌های الکترونی در لایه‌های خارجی الکترونی اتم‌ها ایجاد می‌شود که با الکترون‌های لایه‌های بیرونی پر می‌شود. تفاوت انرژی بین این لایه‌های الکترونی به صورت اشعه‌های ایکس از اتم‌ها نشر می‌شود. با بررسی این پرتو‌های نشر شده، ساختار عنصری و ترکیب شیمیایی نمونه‌ها مشخص می‌شود.

مراحل کار طیف سنجی پراکندگی انرژی

روش کار با این روش طیف‌سنجی در ادامه توضیح داده شده است.

• آماده‌سازی نمونه: نمونه‌هایی از غلظت‌های معین و نامعین ماده مورد آزمایش، آماده شده و درون محفظه نمونه مانند کووت قرار می‌گیرند.
• آماده‌سازی دستگاه: ظروف نمونه داخل دستگاه طیف‌سنج قرار می‌گیرند. دستگاه طیف‌سنج شامل مبنع پرتو ایکس، و آشکارساز است.
• برانگیختن با پرتو ایکس: نمونه پس از جای‌گذاری در دستگاه تحت تابش نور ایکس قرر گرفته و الکترون‌های آن برانگیخته می‌شوند.
• اندازه‌گیری و بررسی اطلاعات: در مرحله آخر آشکارساز‌های حساس به نور درون طیف‌سنج، نور‌های نشر شده از نمونه را اندازه‌گیری کرده و آن‌ها را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. این سیگنال‌ها سپس توسط نرم‌افزار‌های به خصوص این روش، اندازه‌گیری و بررسی می‌شوند و عناصر موجود در نمونه مورد آزمایش را مشخص می‌کنند.

کاربرد‌های طیف سنجی پراکندگی انرژی

این روش طیف‌سنجی در زمینه‌های مختلف علوم مانند علم مواد، تشخیص‌های پزشکی، آنالیز اطلاعات زیست محیطی و آنالیز آفت‌کش‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

طیف سنجی رزونانس چرخش الکترونی

این تکنیک طیف‌سنجی موادی که الکترون‌های جفت نشده دارند را با اندازه‌گیری انرژی انتقال بین لایه‌های الکترونی آن‌ها، مشخص می‌کند. این روش در شناسایی رادیکال‌های آزاد ترکیبات فلزات واسطه کاربرد دارد.

اساس کار طیف سنجی رزونانس چرخش الکترونی

در اصول پایه کار طیف‌سنجی رزونانس چرخش الکترونی، اتم‌ها، مولکول‌ها یا یون‌هایی نهفته است که الکترون‌های جفت نشده را در ساختار خود نگه‌ داشته‌اند. در حضور میدان مغناطیسی خارجی، این الکترون‌های جفت نشده می‌توانند دو حالت جداگانه داشته باشند. یکی از این حالات غیر‌هم‌جهت است که سطح انرژی پایین‌تری دارد و حالت دیگر هم‌جهت است که سطح انرژی بالاتری دارد. انتقال الکترون‌ها بین این دوحالت می‌تواند به وسیله جذب ونشر نور اتفاق بیافتد. این پدیده یک حالت رزونانسی به وجود می‌آورد که به وسیله طیف رزونانس چرخش الکترون (رزونانس اسپین الکترون) قابل آشکارسازی است. این طیف اطالاعات کارآمدی را درباره ساختار الکترونی نمونه ارائه می‌دهد.

مراحل کار با طیف‌سنجی رزونانس چرخش الکترونی

مراحل کار با این روش شامل آماده‌سازی دستگاه، کالیبراسیون و آنالیز است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

• آماده‌سازی دستگاه: دستگاه طیف‌سنجی رزونانس چرخش الکترونی ابتدا باید از قبل گرم شود و پایدار شود که این کار حدود ۳۰ دقیقه زمان می‌برد.
• کالیبراسیون: برای اطمینان از درست بودن داده‌ها، دستگاه باید یک تیوب خالی رزونانس چرخش الکترونی کالیبره شود تا سیگنال‌های پس‌زمینه یا خود تیوب اندازه‌گیری شود.
• آنالیز نمونه: نمونه‌ی مورد نظر در تیوب رزونانس چرخش الکترونی قرار داده می‌شود و سپس درون طیف‌سنج قرار می‌گیرد. سپس قله‌های رزونانس نمونه در نمودار توسط آشکارساز رسم می‌شوند.

کاربرد‌های طیف سنجی رزونانس چرخش الکترونی

این روش طیف‌سنجی در اندازه‌گیری و شناسایی پروتئین‌های فلزی، خم شدن و از بین رفتن ساختار پروتئین‌ها، اندازه‌گیری سرعت کاتالیست‌ها و تحقیقات بیولوژیک کاربرد دارد.

طیف سنجی دیکروییسم دایره‌ای

این روش طیف‌سنجی، تفاوت بین جذب نور تابیده شده از چپ و راست به مواد را اندازه‌گیری می‌کند. این روش طیف‌سنجی برای تشخیص و اندازه‌گیری ایزومر‌ها خصوصا مواد کایرال و انانتیومر‌ها کاربرد دارد.

اساس کار طیف سنجی دیکروییسم دایره‌ای

پایه اصول کار این طیف‌سنجی بر اساس جذب تفاضلی بین چرخش نور پلاریزه ساعت‌گرد و پاد ساعت‌گرد در ترکیباتی است که از نظر نوری فعال هستند. این پدیده به این دلیل اتفاق می‌افتد که ترکیبات کایرال جذب‌های متفاوتی در مورد این دونوع چرخش نور دارند. در مولکول‌های زیستی مانند پروتئین‌ها، برخی از پیوند‌ها مانند پپتید‌ها، نور چرخیده قطبی را به گونه‌ای منعکس می‌کنند که ساختار آن‌ها از روی آن مشخص می‌شود.

مراحل کار با طیف سنجی دیکروییسم دایره‌ای

مراحل کار با این روش طیف‌سنجی از ۴ مرحله کلی تشکیل شده است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

• آماده‌سازی نمونه: در ابتدای کار نمونه مورد نظر باید درون کووت دستگاه قرار بگیرد. این نمونه‌ها همچنین برای افزایش پایداری باید با بافر‌ها مخلوط شوند.
• تابش پرتو: درون طیف‌سنج، نمونه به شکل جداگانه‌ای تحت تابش نور راست‌گرد و چپ‌گرد قرار می‌گیرد. این کار با استفاده از ترکیبات نوری مشخصی انجام می‌شود که قطبیت نور تابیده شده را مدیریت می‌کنند.
• آشکارسازی: با عبورکردن نور قطبی از نمونه، یک آشکارساز که معمولا لوله‌ی فوتومولتی‌پلایر است، میزان شدت نور پراکنده‌ شده را اندازه‌گیری می‌کند. مهم‌ترین پارامتر در این مرحله، تفاوت بین جذب نور راست‌گرد و چپ‌گرد است.
• آنالیز: نتایج به دست آمده از این روش، که تفاوت جذب دو نور تابیده شده را نشان می‌دهد، مورد آنالیز قرار می‌گیرد. با مقایسه این مقادیر با مقادیر مرجع استاندارد، می‌توان به ساختار نمونه مورد آزمایش پی‌برد.

کاربرد طیف سنجی دیکروییسم دایره‌ای

این روش طیف‌سنجی کاربرد‌های فراوانی در زمینه‌های مختلف دارد. از این کاربرد‌ها می‌توان به تعیین ساختار پروتئین‌ها و بیومولکول‌ها اشاره کرد. همچنین می‌توان تغییرات این مولکول‌ها را هم بررسی کرد. با مقایسه اطلاعات به‌دست‌آمده از این طیف‌سنجی برای مولکو‌ل‌ها تحت شرایط مختلف، می‌توان به تفاوت‌های ساختاری این ترکیبات پی‌برد. از روش طیف‌سنجی دیکروییسم همچنین برای آنالیز دارو‌ها نیز استفاده می‌شود.

طیف سنجی فلوئورسانس

این روش طیف‌سنجی میزان نور فلوئورسانس نشر شده از دسته‌ای مواد به خصوص که خاصیت نشر این نور را دارند، اندازه‌گیری می‌کند. این روش اطلاعاتی درباره ساختار و ویژگی‌های این مواد را مشخص می‌کند.

اساس کار طیف سنجی فلوئورسانس

اساس کار این روش طیف‌سنجی موازی با طیف‌سنجی جذبی پیش می‌رود. در این روش طیف‌سنجی، انتقال الکترون‌ها در بین سطوح انرژی مختلف، منجر به جذب برخی از طول موج‌های نور می‌شود. در این روش، مولکول‌ها، انرژی نور را جذب کرده و الکترون را به سطوح بالاتر انرژی منتقل می‌کنند. با بازگشت الکترون‌ها به سطوح پایین‌تر، فوتون‌هایی را نشر می‌دهند که به این پدیده فلوئورسانس یا فلئورسنت گفته می‌شود. قابل توجه است که تنها مولکول‌هایی که در حالت الکترونی برانگیخته هستند می‌توانند نور فلئورسنت را نشر دهند و طیف فلوئورسانس اتم‌ها و مولکول‌ها، همان طیف جذبی آن‌هاست که در آن میزان شدت نور تابیده شده حاکم است.

مراحل کار طیف سنجی فلوئورسانس

ان روش طیف‌سنجی مانند انواع طیف‌ سنجی‌های دیگر از مراحلی مانند آماده‌سازی نمونه و آنالیز داده‌ها تشکیل شده است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

• آماده‌سازی نمونه: نمونه‌هایی از غلظت‌های معلوم و مجهول ماده مورد نظر در ظروف نمونه که معمولا کووت هستند ریخته می‌شوند.
• آماده‌سازی دستگاه: نمونه‌ها به درون دستگاه اسپکتروفلوئورومتر، متنقل شده و دستگاه آماده راه اندازی می‌شود.
• برانگیختگی و اشکارسازی: دستگاه طیف‌سنج، نور با طول موج‌های مشخصی را به نمونه می‌تاباند و آشکارساز‌های حساس به نور، فلوئورسان‌های تابیده از نمونه را اندازه می‌گیرند.
• آنالیز داده: شدت نور فلئورسان در برابر غلظت نمونه در نموداری رسم می‌شود. این نمودار اندازه‌گیری غلظت نمونه مجهول را ممکن می‌سازد.

کاربرد‌های طیف سنجی فلوئورسانس

این روش طیف‌سنجی در زمینه‌های پزشکی و بیوپزشکی کاربرد دارد. در این صنایع مطالعه و آنالیز ترکیبات آلی به وسیله این روش طیف‌سنجی آسان می‌شود. همچنین در مطالعات زیست محیطی نیز با اندازه‌گیری انواع فلزات در نمونه‌های مختلف به وسیله این طیف‌سنجی، کمک شایانی به اندازه‌گیری آلودگی‌های زیست محیطی می‌شود. گاهی این روش طیف‌سنجی با کروماتوگرافی مایع عملکرد بالا ترکیب شده و آنالیز ترکیبات پیچیده را در شیمی تجزیه ممکن می‌سازد.

انواع دستگاه‌های طیف سنج

در مطالعه مطالب مختلف مربوط به طیف‌سنجی احتمالا با مواردی مانند اسپکترومتر (طیف‌سنج)، اسپکتروفوتومتر، اسپکتروسکوپ و اسپکتروگراف برخورد می‌کنید. هر یک از این موارد انواعی از دستگاه‌های طیف‌سنجی هستند که اختلافاتی جزئی با یکدیگر دارند. در ادامه این مطلب از مجله فرادرس هریک از این موارد را به اختصار توضیح داده و مقایسه می‌کنیم.

اسپکترومتر(طیف‌سنج)

اسپکترومتر به طور کلی به دستگاه‌های طیف‌سنجی گفته می‌شود. این دستگاه‌ها برای اندازه‌گیری ویژگی‌های مواد یا بررسی تفاوت‌های آن‌ها در میدان الکترومغناطیسی استفاده می‌شوند. این ویژگی‌های اندازه‌گیری شده بسته به نوع طیف‌سنج می‌توانند از انواع مختلفی باشند. برای مثال طیف‌سنج رزونانسی مغناطیسی هسته، انواع رزونانس هسته اتم‌ها و طیف‌سنج جرمی تفاوت جرم به بار اتم‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند.

اسپکتروفوتومتر

اسپکتروفوتومترها نوعی طیف‌سنج هستند که برهم‌کنش بین مواد و نور را اندازه‌گیری می‌کنند. این دستگاه‌ها برای اندازه‌گیری میزان برهم‌کنش مواد با امواج الکترومغناطیسی استفاده می‌شود. این برهم‌کنش‌ها می‌توانند به شکل جذب، و نشر به شکل انعکاس یا پراکندگی باشند. این دستگاه‌ها به شکل گسترده‌ای در انواع آزمایشگاه‌ها برای اندازه‌گیری غلظت نمونه‌ها استفاده می‌شوند.

اسپکتروسکوپ

اسپکتروسوپ‌ها در واقع نوعی طیف‌سنج نوری هستند که ویژگی‌های نور را در محدوده ای از طیف آن برای آنالیز مواد مختلف استفاده می‌کنند. این ویژگی‌های اندازه‌گیری شده بیشتر شامل شدت نور یا پلاریزاسیون (قطبیت) نور است. این دستگاه‌ها بیشتر در مطالعات مربوط به نجوم و شیمی برای آنالیز انواع نمونه استفاده می‌شوند. در زمان‌های گذشته از منشور‌های نشر نور در اسپکتروسکوپ‌ها استفاده می‌شد اما امروزه از توری‌های پراش، شکاف‌های قابل حرکت و آشکارساز‌های نوری در این دستگاه‌ها استفاده می‌شود.

اسپکتروگراف

اسپکتروگراف نوعی دستگاه طیف‌سنجی است که انواع مختلفی از نور را آشکار کرده و آن‌ها را بر اساس میزان طول موجشان جدا می‌کند و این نور‌ها به وسیله چندین آشکارساز شناسایی می‌شوند. این دستگاه‌ها بیشتر در شناسایی و ضبط طیف‌های نجومی استفاده می‌شوند. در روش کار با این دستگاه‌ها گاهی از تلسکوپ‌هایی برای انتقال نور به دستگاه به وسیله آینه‌های موجود در آن‌ها استفاده می‌شود.

اساس کار انواع طیف سنجی

طیف‌سنجی به اندازه‌گیری تعاملات بین نور و ماده، و واکنش‌ها و اندازه‌گیری شدت و طول‌موج تابش‌ها می‌پردازد. به‌عبارت‌دیگر، طیف‌سنجی روشی برای مطالعه و اندازه‌گیری یک طیف خاص است و به طور گسترده برای تحلیل طیف‌سنجی مواد نمونه استفاده می‌شود.

تابش الکترومغناطیسی از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نوسانی تشکیل شده است که به صورت موج در فضا منتشر می‌شوند. این میدان‌ها به‌صورت عمود بر یکدیگر و بر جهت انتشار نوسان می‌کنند. این امواج، انرژی را با سرعت دویست و نودو نه میلیون وهفتصد و نود و دو هزار و چهارصد و پنجاه‌ و هشت متر بر ثانیه (که معمولاً به صورت $$\times 10^8$$ گرد می‌شود) در خلأ انتقال می‌دهند. تصویر امواج الکترومغناطیسی در زیر نشان داده شده است.

بر اساس نظریه دوگانگی موج-ذره، تابش الکترومغناطیسی می‌تواند هم به صورت موج و هم به صورت ذره عمل کند. ذرات نور که به عنوان فوتون‌ها شناخته می‌شوند، بدون جرم و بدون بار هستند. هر فوتون دارای انرژی $$E$$ است که از طریق رابطه زیر تعریف می‌شود:

$$E = h nu$$

که در آن $$h = 6.626 times 10^{-34}$$

فوتون‌ها همچنین از طریق طول‌موج $$lambda$$ که فاصله بین دو قله متوالی است، توصیف می‌شوند. طول‌موج‌های مختلف نور به بخش‌های مختلف طیف الکترومغناطیسی مربوط می‌شوند. برای مثال، نور با طول‌موج حدود ۴۰۰ تا ۷۵۰ نانومتر به طیف مرئی تعلق دارد و در این طیف، طول‌موج ۴۰۰ نانومتر به نور بنفش و ۷۵۰ نانومتر به نور قرمز مربوط می‌شود. فرمول محاسبه طول موجه به شکل زیر است.

$$lambda = frac{c}{nu}$$

در این معادله طیف‌سنجی نوری به‌طور عمده با نور در نواحی فرابنفش (UV)، مرئی و نزدیک به مادون قرمز (NIR) طیف الکترومغناطیسی سروکار دارد.

همچنین، می‌توان طیف‌سنجی را در طول‌موج‌هایی خارج از این محدوده، مانند اشعه ایکس یا امواج مایکروویو، انجام داد.

 پوسته‌های الکترونی و اوربیتال‌ها

در اتم‌ها، الکترون‌ها در اوربیتال‌های الکترونی داخل پوسته‌های الکترونی قرار دارند. طبق اصل آفبا، الکترون‌ها باید ابتدا از اوربیتال با انرژی کمتر شروع به پر کردن کنند و سپس پوسته‌های الکترونی را به ترتیب افزایش انرژی پر کنند. پایین‌ترین سطح انرژی اتم‌ها یا مولکول‌ها در شرایطی اتفاق می‌افتد که تمامی لایه‌های الکترونی پر باشند. هر اوربیتال در هر لایه الکترونی، ظرفیت پذیرش دو الکترون را دارد. تمامی اوربیتال‌های لایه‌های الکترونی بالاتر خالی هستند. برای رسیدن به پایین‌ترین سطح انرژی، اتم‌ها و مولکول‌ها با الکترون‌های فرد، با یکدیگر پیوند برقرار می‌کنند تا اوربیتا‌ل‌ها پر شوند و سطح انرژی پایین بیاید. تمامی اتم‌ها، ساختار الکترونی منحصر به فرد خود را دارند. این ساختار الکترونی به وسیله طیف‌سنجی بررسی می‌شود.

جذب و نشر فوتون‌ها

زمانی که یک ماده فوتونی را جذب می‌کند، یک الکترون از سطح انرژی پایین‌تر به سطح انرژی بالاتر، مثلا از حالت پایه $$E_0$$

جذب و نشر فوتون‌ها همچنین می‌تواند در اثر اختلاف انرژی مربوط به انتفاق الکترون بین حالت ارتعاشی و چرخشی نیز باشد. انتقال‌های ارتعاشی در مولکول‌ها زمانی اتفاق می‌افتند که خمش و کشش پیوند‌ها رخ بدهد. فوتون‌های جذب شده و نشر شده در این حالت در محدوده طیف مادون قرمز قرار دارند. انتقال‌های چرخشی الکترونی مربوط به نیز در همان حالت انتقال ازتعاشی رخ می‌دهند.

جدول خلاصه‌ انواع طیف سنجی

انواع مختلف طیف‌سنجی به وسیله انرژی تابشی مربوط به برهم‌کنش اتم‌ها از یکدیگر تشخیص داده ‌می‌شوند. در بسیاری از کاربرد‌ها، طیف به‌دست‌آمده به وسیله اندازه‌گیری تغییرات در شدت یا فرکانس انرژی تابشی مشخص می‌شود. انواع طیف سنجی همچنین می‌تواند به وسیله برهم‌کنش بین مواد و انرژی نیز شناخته شوند. با پیشرفت علم، امروزه تعداد بسیار زیادی از انواع طیف سنجی اختراع شده و هرکدام بسته به مواد مورد آزمایش و تجهیزات موجود استفاده می‌شوند. در ادامه لیستی از این انواع طیف سنجی آورده شده است.

هریک از این روش‌های طیف‌سنجی، اطلاعات منحصر به فردی را درباره ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و ساختاری مواد ارائه می‌کند. این روش‌ها کاربرد‌های زیادی در زمینه‌های مختلف علوم مانند شیمی، زیست شناسی، مهندسی مواد و فیزیک نجومی دارند.