اسپکتروسکپی چیست؟

اسپکتروسکوپی چیست؟

اسپکتروسکوپی مطالعه برهمکنش های نور (تابش الکترومغناطيس) با ماده است.

انواع مختلفی از تکنيک های اسپکتروسکوپی موجود است که اصل اوليه به اشتراک گذاشته توسط همه آن ها عبارت است از: تابش يک پرتو الکترومغناطيس خاص به نمونه و

بررسی پاسخ نمونه نسبت به اين محرک. تکينيک اسپکتروسکوپی به دانشمندان اجازه می دهد اطلاعات مورد نياز خود در رابطه با ساختار و خواص ماده را از نمونه مورد بررسی بدست آورند.

نور چیست؟

نور انرژی را به صورت بسته های کوچکی به نام فوتون، حمل می کند. هر فوتون دارای مقدار گسسته و مشخصی از انرژی به نام يک کوانتوم است. نور همچنين دارای خواص موجی با مشخصه های طول موج و فرکانس نيز می باشد. انرژی فوتون از طريق دو

رابطه زير به فرکانس و طول موج آن مرتبط می شود.

E=hν and ν=c/λ

که h ثابت پلانک و c سرعت نور می باشد. بنابراين تابش های با انرژی بالا دارای فرکانس بالا و طول موج پايين می باشند و  بالعکس.

گستره فرکانس ها و طول موج های نور به عنوان طيف الکترومغناطيس شناخته می شوند. اين طيف به مناطق مختلفی از طول موج های کوتاه با انرژی بسيار بالا )اشعه گاما و X( تا طول موج های بالا با انرژی پايين )ميکروويو و امواج راديويی( تقسيم می

شود. ناحيه مرئی )نور سفيد( تنها بخش کوچکی از طيف الکترومغناطيس را تشکيل می دهد که از 380-770 nm را در بر می گيرد. زمانی که ماده تابش الکترومغناطيس را جذب می کند، تغيير ايجاد شده به نوع تابش و مقدار انرژی آن وابسته است. جذب انرژی

منجر می شود الکترون يا مولکول از حالت پايه انرژی )انرژی اوليه ( به حالت برانگيخته )انرژی بالاتر( يرود که اين انرژی برانگيخته می تواند به شکل چرخشی، ارتعاشی يا برانگيختگی الکترونی باشد.

اسپکتروسکوپی فرابنفش مرئی

جذب تابش UV با برانگيختگی الکترون های اتم ها و مولکول ها از پايين ترين سطح انرژی تا بالاترين سطح همراه است. از آنجايی که سطح انرژی های ماده کوانتيده هستند، تنها تابشی با مقدار انرژی مشخص که برابر اختلاف انرژی بين سطوح مختلف است،

جذب می شود. انتقال های الکترونی محتمل به شرح زير می باشند:  زمانی که مقدار مشخص انرژی دقيقا برابر با انرژی مورد نياز برای هر کدام از اين انتقال ها باشد، در آن صورت انرژی جذب خواهد شد.

هر چقدر شکاف بين سطوح انرژی بيشتر باشد، انرژی بيشتری برای انتقال الکترون ها به سطوح بالاتر نياز است که نشان دهنده تابش با طول موج های کوچکتر و فرکانس بالاتر است.

جذب نور در ناحيه فرابنفش مرئی تنها بر اثر انتقال های زير اتفاق می افتد:

بنابراين برای جذب نور در ناحيه 200-800 nm مولکول ها بايد شامل پيوندهای π يا اتم های با اوربيتال های غير پيوندی باشند. يک اوربيتال غير پيوندی يک جفت الکترون تنها بر روی اتم هايی مانند اکسيژن، نيتروژن يا هالوژن ها می باشند.

می توان طول موجی را که توسط ماده رنگی بيشترين احتمال جذب را دارد، پيش بينی کرد. زمانی که نور سفيد از يک نمونه رنگی عبور می کند يا توسط آن منعکس می شود، بخش مشخصی از طول موج ها جذب می شوند. رنگ محلول نمونه نشان می دهد که طول موج مربوط به رنگ مکمل آن جذب شده است. اين رابطه توسط چرخه رنگ نشان داده شده است:

اسپکتروفوتومتر فرابنفش مرئی:

دستگاه اسپکتروفتومتر را می توان برای اندازه گيری جذب نمونه ها در ناحيه فرابنفش مرئی چه در تک طول موج يا بصورت  انجام اسکن در گستره ای از طول موج، به کار برد. گستره UV از 190-400 nm و گستره مرئی از 400-800 nm را شامل می

شوند. اين تکنيک را می توان هم برای اندازه گيری های کمی و هم کيفی به کار برد. در شکل زير اجزای يک اسپکتروفتومتر را مشاهده می کنيد.

منبع نور که شامل لامپ هالوژن تنگستن به همراه لامپ دوتريوم می باشد، ناحيه مرئی و فرابنفش نزديک – 200-800 nm را پوشش می دهد. خروجی منبع نور بر روی طول موج گزين )توری يا منشور( متمرکز می شود تا نور به رنگ های تشکيل دهنده

خود با طول موج های مختلف تفکيک شود.

نمونه های مايع بايد در کووت يا سل های شفاف و دارای ديواره های تخت ريخته شوند. سل مرجع، شاهد يا بلانک شامل حلالی است که نمونه در آن حل شده است در حقيقت شاهد تمام بافت نمونه را داراست به غير از پارامتر مورد اندازه گيری. برای هر طول

موج، شدت نور عبوری از نمونه ( I ) و بلانک ( I0  ) اندازه گرفته می شود. اگر I کمتر از  I0 باشد نشان می دهد که نمونه نور را جذب کرده است.

جذب نمونه نيز بر طبق فرمول زير محاسبه می شود:

?=???10?0?

آشکارساز شدت نور ورودی را به جريان تبديل کرده و هر چقدر ميزان اين جريان بيشتر باشد پس شدت نيز بيشتر است. در ناحيه فرابنفش مرئی نمودار جذب بر حسب طول موج ( nm ) رسم می شود (نکته : جذب واحد ندارد ) .

طیف فرابنفش مرئی:

نمودار زير طيف جذبی 1 و 3 بوتا دی ان را نشان می دهد. به سادگی می توان از روی اين نمودار طول موج هايی را که ماده در آن ها جذب دارد (قله ها) و طول موج هايی را که ماده نور را از خود عبور می دهند (دره ها) تشخيص داد.

همان طور که درنمودار بالا مشاهده می کنيد بيشينه جذب در طول موج بيشينه جذب در طول موج 217 nm انجام می گيرد که در ناحيه فرابنفش قرار دارد و هيچ جذب رنگی وجود ندارد پس 1 و 3 بوتا دی ان بی رنگ است.

طيف کمپلکس آبی مس نشان می دهد که رنگ مکمل آن يعنی رنگ زرد، جذب می شود.

قانون بیر لامبرت :

بر طبق قانون بير لامبرت، جذب متناسب با غلظت پارامتر مورد نظر در نمونه است. پس با استفاده از تکنيک اسپکتروسکوپی فرابنفش مرئی می توان غلظت نمونه را نيز تعيين کرد. قانون بير لامبرت به شرح زير است:

A=εcl

A= جذب

ε = ضريب جذب مولی که برای يک پارامتر خاص در يک طول موج مشخص ثابت است

c = غلظت محلول

l = طول مسير نوری، ابعاد کووت يا سل

اگر جذب يکسری از محلول های نمونه با غلظت مشخص نسبت به غلظت آن ها رسم شود، در حالی که از قانون بير لامبرت پيروی شود، اين نمودار خطی خواهد بود و به عنوان منحنی کاليبراسيون شناخته می شود. غلظت نمونه های مجهول را می توان با

اندازه گيری جذب آن ها و استفاده از منحنی های کاليبراسيون تعيين کرد.

از آنجايی که جذب محلول ها به طور مستقيم با غلظت آنها ارتباط دارد. از داده های اسپکتروسکوپی می توان برای مطالعات سينتيک نيز استفاده کرد. سرعت تغيير در غلظت واکنشگر يا محصول را می توان با تغيير ميزان جذب اندازه گيری کرد. با رسم

منحنی جذب در برابر زمان می توان مرتبه و همچنين معادله سرعت را با توجه به واکنش دهنده ها تعيين کرد.

کاربردهای جدید اسپکتروسکوپی:

✓ در شيمی پزشکی، اسپکتروسکوپی به طور گسترده ايی در مطالعه سينتيک آنزيم ها ، بررسی آسيب های بافت ها و تشخيص بيماری های اندام هايی چون کبد و پانکراس به کار می رود.

✓ در صنعت داروسازی برای انجام تست های تجزيه ايی به منظور طراحی فرمول و کنترل کيفی به کار می رود. همچنين بررسی های in-vivo و in-vitro را نيز می توان با بررسی تجزيه پذيری دارو انجام داد.

✓ در زمينه بيوشيمی و ژنتيک از اسپکتروسکوپی برای تعيين کمی DNA و نسبت فعاليت پروتئين/ آنزيم استفاده کرد.

✓ در صنايع رنگ سازی به منظور کنترل کيفی و توسعه محصول به کار می رود.

✓ در زمينه زيست محيطی و کشاورزی به منظور تعيين کمی مواد آلی و فلزات سنگين در آب به کار می رود.

آرتین آزما مهر نماینده HACH در ایران، تأمین کننده تجهیزات آنالیز آزمایشگاه های نفت و گاز و پتروشیمی و انواع اسپکتروفتومترهای تخصصی همچون HACH DR-6000 است. برای تامین دستگاه ها و مواد مصرفی مورد نیاز خود با ما در ارتباط باشید.

منبع :

The Royal Society of Chemistry (RSC), 2009, Spectroscopy in a suitcase