آنالیز FTIR

آنالیز FTIR یا طيف سنجي مادون قرمز تبديل فوريه (Fourier Transform Infrared Spectrometer) یکی از روش های آنالیز خواص فیزیکی مواد است. آناليز FTIR اغلب در کاربردهای سنتز مواد آلی، پلیمرها، مطالعه مواد غذایی و دارویی و صنایعی مانند نفت و پتروشیمی، صنعت تولید دارو و در مطالعات علوم شیمی استفاده می شود. در مورد روش اناليز FTIR می توان گفت، تکنیکی شیمیایی است که به منظور شناسایی گروه های عاملی از آن استفاده می شود. نمودار FTIR به صورت شدت طیف مادون قرمز بر حسب طول موج جذبی رسم می شود. از روش FTIR برای کاربردهای دیگری به جز شناسایی پیوندها و گروه های عاملی نیز می توان استفاده کرد.

جزئیات نحوه کار آزمون FTIR

در روش آناليز FTIR ، پرتوی مادون قرمز یا طیف IR با 100 الی 10000 cm^-1 به نمونه تابیده می شود. سپس بخشی از پرتوی IR توسط نمونه جذب شده و بخش دیگر آن نیز از نمونه عبور می کند. اشعه هایی که توسط مولکول های نمونه جذب می شوند، به انرژی چرخشی و ارتعاشی تبدیل می شوند.

دستگاه آنالیز FTIR

سیگنال های نهایی توسط آشکارساز دستگاه روش FTIR در محدوده 400 الی 4000 cm^-1 نمایش داده می شوند. نمودار FTIR در نهایت بر اساس جذب و عبور پرتو IR خواص مولکول های نمونه را نشان می دهد. ساختار و خواص مولکولی پارامتری است که مانند اثر انگشت هر انسان، برای هر ماده منحصر به فرد می باشد. به همین دلیل، انالیز FTIR برای آنالیز انواع مختلف مواد، تستی کاربردی و مفید است.

مولکول ها دارای دو نوع حرکت ارتعاش کششی و ارتعاش خمشی هستند و حرکت ارتعاش کششی خود به دو صورت متقارن و نامتقارن انجام می شود. اگر ارتعاش کششی نامتقارن در یک نیم تناوب رخ دهد، گشتاور دو قطبی در یک جهت تغییر کرده و درنهایت در جهت گشتاور نیم تناوب دیگر، تغییر رخ می دهد. در نتیجه مولکول ” فعال مادون قرمز ” نامیده می شود. در مقابل، اگر ارتعاش کششی متقارن رخ دهد، در گشتاور دو قطبی مولکول تغییر نهایی ایجاد نشده و به مولکول، ” غیرفعال مادون قرمز ” گفته می شود.

آزمایشگاه روش آنالیز FTIR

در حین انجام آنالیز FTIR ، به منظور اینکه انرژی مادون قرمز توسط مولکول جذب شود، گشتاور دو قطبی باید در حین ارتعاش تغییر کند. به بیانی دیگر، تغییر انرژی ارتعاشی پیوند در مولکول های ماده که درنتیجه تابش نور مادون قرمز در روش FTIR ایجاد می شود، راهی کارآمد برای تشخیص گروه های عاملی و ساختار مولکولی نمونه می باشد.

به طور دقیق تر، هر ماده در محدوده 25-8 میکرومتر که ناحیه اثر انگشت نامیده می شود، طیف مخصوص خود را دارد که برای شناسایی گروه های عاملی و ساختار مولکولی و هم چنین پیوندهای شکل گرفته استفاده می شود. به همین دلیل، قرار گرفتن مولکول ها در معرض تابش نور مادون قرمز در روش FTIR باعث می شود در فرکانس های ارتعاشی خود، تابش را جذب کنند. طیفی که در نتیجه اندازه گیری جذب تابش مادون قرمز در نمونه ها به عنوان تابعی از فرکانس تولید می شود، برای شناسایی گروه های عاملی و ساختار مولکولی مواد در روش FTIR به کار گرفته می شود.

دستگاه FTIR و اجزای آن

پرتویی که در دستگاه FTIR به نمونه تابیده می شود، یک بیم تکفام نیست بلکه یک بیم با هزاران فرکانس یا طول موج مختلف است که به طور هم زمان تابیده می شود. بعد از آن، میزان و چگونگی پرتو در آنالیز FTIR بررسی می شود. در مرحله بعد نقطه دیگری از نمونه توسط بیم دیگری با هزاران طول موج تحت تابش قرار می گیرد و این روند بارها در روش اناليز FTIR تکرار می شود.

شماتیک دستگاه آنالیز FTIR

طیف تابیده شده از دستگاه روش انالیز FTIR ، بر روی یک سیستم اپتیکی که چندین آیینه دارد تابانده می شود. این سیستم، اینترفرومتر میشلسون نام دارد و یکی از آیینه های آن توسط یک موتور حرکت داده می شود. وقتی این آیینه حرکت می کند، هر طول موج از نوری که از آیینه تابیده می شود توسط اینترفرومتر قطع و وصل می گردد. تداخل موجی در این پروسه ایجاد می شود و برآیند دو بیم آیینه ثابت و متحرک به عنوان بیم خروجی در هر لحظه در نظر گرفته می شود. همان طور  که واضح است، برآیند دو بیم در هر لحظه طول موج خاصی را بیان می کند. رویه گفته شده تا زمانی که تمامی طول موج ها تولید شده و تمامی بازه های طول موجی پیمایش شوند، ادامه پیدا می کند. در آخر، یک سیستم کامپیوتری در دستگاه FTIR وجود دارد که اطلاعات خام را به اطلاعات قابل استفاده تبدیل می کند. اطلاعات خام شامل میزان جذب به ازای هر موقعیت آیینه متحرک و اطلاعات قابل استفاده شامل میزان جذب به ازای هر طول موج می باشد.

اجزای دستگاه آنالیز FTIR شامل منبع پرتو مادون قرمز، منبع نور لیزر، تجزیه کننده نور، اینترفرومتر دارای آیینه ثابت و آیینه موتور دار و محفظه نمونه می باشد که هر کدام را در ادامه توضیح خواهیم داد.

منبع نور مادون قرمز (IR)

مدت زمان طولانی ای در دستگاه های ازمون FTIR از منبع نور مادون قرمز المنتی یا گرافیتی استفاده می شد. اما امروزه این منبع نور به منبع سرامیکی تغییر یافته که ویژگی های مفیدتری دارد. منبع سرامیکی در دستگاه آنالیز FTIR نور بسیار ثابتی ارائه داده و عمر بیشتری نیز دارد.

شماتیک نحوه تابش نور در آنالیز FTIR

منبع نور لیزر

نور لیزر در دستگاه آنالیز FTIR به صورت ثابت و در تمام مراحل و فرکانس ها تابیده می شود. نور لیزر به خصوص هنگامی که آیینه متحرک، نور IR را با فرکانس های مختلف می سازد، به دیتکتور تابیده می شود و هنگام محاسبه جذب یا عبور به کار می رود.

تجزیه کننده نور

تجزیه کننده نور در دستگاه طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه ، یک نیم آیینه است که جنس آن Csl یا نمک های KBr یا CaF₂ است. انتخاب نوع این نیم آیینه، وابسته به بازه مورد آنالیز می باشد. برای مثال از نمک KBr برای کار در بازه نانومتری (7800 تا 350) استفاده می شود. وظیفه تجزیه کننده نور در دستگاه آزمون FTIR ، جدا کردن نور آیینه های ثابت و متحرک و فرستادن آن ها به سمت دیتکتور است.

اینترفرومتر

اینترفرومتر دستگاه FTIR ، نور مادون قرمز را در تمامی فرکانس ها تولید می کند. این قسمت از چندین آیینه، لنز و نیم آیینه تشکیل شده است.

قرار دادن نمونه در دستگاه برای انجام روش FTIR

محفظه نمونه دستگاه آنالیز FTIR

این قسمت جایی است که نمونه در آن گذاشته شده و تحت آنالیز FTIR قرار می گیرد. جای محفظه نمونه درست قبل از ورود نور به داخل دیتکتور و در بین دو آیینه کالیمیتور قرار دارد. نمونه مورد آنالیز FTIR ، معمولا باید به صورت شفاف و در فازهای جامد به صورت فیلم یا پودر باشد.

نمونه مورد آنالیز در تست FTIR اگر در فاز مایع باشد، باید به صورت سُل مایع یا ژل باشد؛ اگر نمونه در فاز گاز باشد، باید از یک سل به شکل بشکه استفاده شود که گاز داخل آن حبس شود و برای آنالیز FTIR نمونه های جامد غیر شفاف، از وسیله ای به نام ATR (Attenuated Total Reflection) استفاده می شود.

قیمت دستگاه FTIR

همان طور که انتظار می رود، هر چه تجهیزات به کار رفته در دستگاه بیشتر باشد، قیمت دستگاه FTIR بالاتر خواهد رفت. در واقع قيمت دستگاه FTIR وابسته به نحوه آنالیز، سرعت و دقت آن می باشد. هم چنین با طراحی دقیق تر و پیشرفته تر قسمت های اصلی دستگاه مانند تداخل سنج و آشکارساز، قیمت دستگاه FTIR نیز بالاتر خواهد رفت.

دستگاه آنالیز FTIR مدل IRAffinity-1S

برخی ویژگی های دیگر مانند جداسازی یا رزولوشن طیفی، سرعت سینتیکی، سخت افزار مستحکم و قابل اطمینان و نرم افزار توانمند قابلیت هایی هستند که روی قیمت دستگاه FTIR تاثیر می گذارند. برخی آپشن های اضافی مانند اسکن مرحله به مرحله TGA-IR ، میکروسکوپ و تصویربرداری شیمیایی گزینه هایی هستند که باعث افزایش قیمت دستگاه FTIR می شوند.

کاربرد آزمون FTIR

برخی مواد دارای پیوندهایی هستند که اشعه مادون قرمز را بسیار بیشتر از سایر پیوند ها جذب می کنند (فعال) و برخی پیوندهای دیگر نیز کلا این نور را جذب نمی کنند (غیرفعال). به صورت کلی تر می توان گفت، هر چه گروه عاملی قطبی تر باشد، جذب اشعه توسط آن در روش FTIR بیشتر خواهد بود. برای مثال گروه کربونیل گروه عاملی بسیار قطبی است و جذب بالایی از خود نشان می دهد. اما پیوند سه گانه کربن-کربن در بیشتر ساختار های آلکینی، قطبیت کمتری دارد. گروه های آلکیلی نیز نسبت به گروه کربونیل جذب نسبتا ضعیف تری دارند. ترکیبات HCl و CO₂ نیز نمونه های فعال مادون قرمز هستند. برای اینکه نمونه ای در آنالیز FTIR پیک نشان دهد، باید مولکول آن بعد از جذب پرتو بتواند دچار تغییر ممان دو قطبی شود. مولکول هایی که پیوند کششی متقارن دارند، دارای ممان دو قطبی صفر و غیر فعال در آنالیز FTIR هستند.

محققی در حال انجام آنالیز FTIR

روش طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه بیشتر برای کاربردهای کیفی استفاده می شود. به خصوص برای اثبات اینکه یک گونه خاص عامل دار شده یا خیر، از روش آنالیز FTIR استفاده می شود. به این صورت که، طیف ترکیب اولیه و ترکیب عامل دار شده با هم مقایسه شده و تغییرات ظاهر شده مورد بررسی قرار می گیرد.

چگونگی رسم طیف ها و نمودار FTIR

همان طور که پیش تر نیز اشاره شد، ازمون FTIR‌ توانایی شناسایی ارتعاشات موجود در گروه های عاملی یک نمونه را دارد. به بیانی ساده تر، با برخورد پرتو مادون قرمز به این گروه های عاملی، پیوندهای شیمیایی موجود در نمونه کش آمده و یا خم می شوند. درنتیجه گروه شیمیایی موجود در نمونه، بدون در نظر گرفتن ساختار بقیه مولکول، در طیف خاصی از طول موج تمایل به جذب اشعه مادون قرمز دارد.

یک نمونه نمودار FTIR همراه با پیوندهای شکل گرفته در سه ماده

 برای مثال، پیوند کششی C=O گروه کربونیل، در مولکول های مختلف در محدوده 1700 cm^-1 ظاهر می شود. در نتیجه برای شناسایی گروه های عاملی مختلف، باید به رابطه بین موقعیت طول موج و ساختار شیمیایی آن توجه کرد. اینگونه می توان گفت که، موقعیت گروه های عاملی همیشه ثابت بوده و با تغییر پارامترهایی مانند دما، فشار، نمونه برداری، تغییر ساختار مولکول و غیره سازگار است.

نمودار FTIR

به منظور به دست آوردن طیف تابشی در روش آنالیز FTIR ، باید تابش را در زمان های مختلف داشته باشیم. در نتیجه باید از تمام نقاط نمونه تصویربرداری شود. اگر این کار انجام شود، تغییرات فرکانس بسیار زیاد خواهد شد و هیچ آشکارسازی توانایی دنبال کردن و نشان دادن آن را ندارد. روش آنالیز FTIR نمودار شدت بر حسب زمان را ارائه خواهد داد. اما به دست آوردن نمودار FTIR به صورت شدت بر حسب عدد موج (فرکانس) کاربردی تر می باشد. به همین دلیل تبدیل فوریه به شکل یک عمل ریاضی، فرکانس های جذب شده را تفکیک کرده و طیف شدت بر حسب زمان را به طیف شدت بر حسب فرکانس تبدیل می کند.

نمودار طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه نمونه های الماس

محور شدت در نمودار FTIR نهایی می تواند بر حسب شدت جذب یا عبور رسم شود. عدد موج هر پیک در نمودار FTIR ، نشاندهنده وجود یک گروه عاملی خاص است. با بررسی مراجع موجود می توان نوع ماده و پیوند تشکیل شده را تشخیص داد. از طرفی، شدت پیک های نمودار FTIR متناسب با میزان جذب نور توسط پیوندهای موجود در نمونه است. هر چقدر پیوند قطبی تر باشد، ارتفاع پیک شکل گرفته نیز بلندتر خواهد بود.

تحلیل تست FTIR

برای تفسیر تست FTIR بعد از دریافت نمودار FTIR باید از مراجع موجود کمک گرفت. همان طور که پیش از این اشاره کردیم، از آزمون FTIR برای شناسایی ترکیبات شیمیایی و پیوندهای موجود در نمونه استفاده می شود. هر پیک در هر عدد موج نشاندهنده وجود پیوند خاصی است. برای تحليل تست FTIR باید پیک های شکل گرفته در نمونه خود را با پیک های نمودارهای موجود در مراجع مقایسه کرده و تطبیق داد. برای مثال با تفسير تست FTIR و با توجه به طیف مربوط به محصول ایجاد شده می توان صحت انجام یک واکنش شیمیایی را تعیین کرد.

نمونه ای از نمودار طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه همراه با راهنمای تفسیر تست FTIR

هم چنین با تحلیل تست FTIR و با توجه به شدت پیک های مربوط به ماده اولیه در زمان های مختلف پس از شروع واکنش می توان میزان پیشرفت واکنش های مختلف را تعیین کرد. علاوه بر تعیین گروه های عاملی و پیوندهای شیمیایی، با تحلیل تست FTIR می توان صحت پوشش یک سطح به وسیله یک ترکیب خاص را تعیین کرد. داده های حاصل از این آنالیز در کنار سایر آنالیزهای دیگر مانند، آنالیز XRD ، رامان ، آنالیز SEM و آنالیز TEM می تواند اطلاعات مفیدی در مورد ماده سنتز شده ارائه دهد و در انجام کارهای تحقیقاتی به یافته های ارزشمندی رسید.

هزینه آزمایش FTIR

اگر بخواهیم در مورد هزینه آزمايش FTIR بحث کنیم، اولین نکته ای که می توان گفت این است که این هزینه به تعداد نمونه های مورد آنالیز بستگی دارد. اما در موارد خاص مثلا برای نمونه های ATR که مربوط به نمونه های جامد غیر شفاف است، هزینه ازمایش FTIR کمتر می باشد و هزینه ازمايش FTIR برای نمونه های مایع نسبت به نمونه های ATR بیشتر است. اگر برای تحلیل تست FTIR نیاز به کمک داشته باشید، در اغلب مراکز تحقیقاتی و آزمایشگاه های آنالیزی کارشناسانی حضور دارند که این کار را انجام می دهند. مشخصا، دریافت خدمات اضافی مانند این، هزینه آزمایش FTIR را افزایش خواهد داد.