طیف‌سنجی

طیف‌سنجی یکی از کاربردی‌ترین و دقیق‌ترین ابزارهای دانش شیمی برای شناسایی ساختار مواد، اندازه‌گیری مقدار آلاینده‌های هوا و کاوش در جهان هستی است. مبنای این روش، برهم‌کنش پرتوی الکترومغناطیس با ماده است.

۱. گستره امواج الکترومغناطیس و انرژی آن‌ها

طیف الکترومغناطیس شامل بازه گسترده‌ای از امواج با طول‌موج‌ها (\(\mathbf{\lambda}\)) و فرکانس‌های (f) متفاوت است. رابطه بین انرژی (E)، فرکانس و طول‌موج موج الکترومغناطیس به صورت زیر بیان می‌شود:

\[\mathbf{E = h}\mathbf{\cdot}\mathbf{f =}\frac{\mathbf{h}\mathbf{\cdot}\mathbf{c}}{\mathbf{\lambda}}\]

- E: انرژی فوتون

- h: ثابت پلانک

- f: فرکانس (بسامد)

- c: سرعت نور در خلاء

- λ: طول‌موج

طول‌موج (λ) افزایش می‌یابد \(\mathbf{\leftrightarrow}\) انرژی (E) و فرکانس (f) افزایش می‌یابد 

[ رادیویی] ── [ فروسرخ (IR)] ── [مرئی (400-700 نانومتر)] ── [ فرابنفش (UV)] ── [پرتو X] ── [پرتو گاما ]

فرکانس با انرژی رابطه مستقیم و هر دو با طول موج رابطه عکس دارند.

مقایسه مناطق طیفی اصلی در شیمی:

1.  امواج فرابنفش (UV) و مرئی: دارای انرژی بالایی هستند و موجب جهش و جابه‌جایی الکترون‌ها میان ترازهای انرژی در اتم‌ها یا مولکول‌ها می‌شوند (مبنای طیف‌سنجی مرئی/فرابنفش و رنگ مواد).

2.  امواج فروسرخ (IR): انرژی کمتری نسبت به نور مرئی دارند و باعث ارتعاش، خمش و کشش پیوندهای شیمیایی در مولکول‌ها می‌شوند (بدون اینکه پیوند را بشکنند یا الکترون را بکنند).

۲. طیف‌سنجی فروسرخ

تابش فروسرخ بخشی از طیف الکترومغناطیس است که طول‌موج آن از نور مرئی بلندتر (و انرژی آن کمتر) است. وقتی پرتوی فروسرخ به یک نمونه مولکولی فرستاده می‌شود، پیوندهای کووالانسی موجود در مولکول فرکانس‌های مشخصی از این پرتو را جذب کرده و به ارتعاش درمی‌آیند.

الف) شناسایی و تشخیص گروه‌های عاملی

- هر پیوند کووالانسی (مانند \(\mathbf{C}\mathbf{=}\mathbf{O}\mathbf{،\ }\mathbf{O}\mathbf{-}\mathbf{H}\mathbf{،\ }\mathbf{N}\mathbf{-}\mathbf{H}\mathbf{،\ }\mathbf{C}\mathbf{-}\mathbf{H}\)) فرکانس مشخص و منحصربه‌فردی از پرتو فروسرخ را جذب می‌کند.

- اثرانگشت مولکولی: طیف حاصل از دستگاه IR برای هر ترکیب مانند اثرانگشت عمل می‌کند. شیمی‌دان‌ها با نگاه کردن به پیک‌های جذبی در طیف IR، بلافصل به وجود گروه‌های عاملی مختلف (مانند کربونیل، هیدروکسیل، آمین و …) در ساختار ماده پی می‌برند.

ب) اندازه‌گیری و شناسایی آلاینده‌های هوا

یکی از مهم‌ترین کاربردهای زیست‌محیطی طیف‌سنجی فروسرخ، پایش لحظه‌ای و آنلاین آلاینده‌های هوا در شهرهای بزرگ و اطراف صنایع است:

1.  ناسایی کربن مونوکسید (\(\mathbf{C}\mathbf{O}\)):مولکول \(\mathbf{C}\mathbf{O}\)دارای قطبیت و پیوند کووالانسی است؛ بنابراین پرتو فروسرخ را در طول‌موج مشخصی جذب می‌کند. دستگاه طیف‌سنج با اندازه‌گیری میزان جذب پرتو IR، غلظت دقیق این گاز سمی را در هوا تعیین می‌کند.

2.  شناسایی اکسیدهای نیتروژن (\(\mathbf{N}\mathbf{O}_{\mathbf{x}}\)​ شامل \(\mathbf{N}\mathbf{O}\)و \(\mathbf{N}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}\mathbf{}\)):این گازها که از آلاینده‌های اصلی خروجی از اگزوز خودروها و پیش‌زمینه‌ساز باران اسیدی و اوزون تروپوسفری هستند، دارای طیف جذبی مشخص در ناحیه فروسرخ می‌باشند.

3.  مزیت این روش: اندازه‌گیری بسیار سریع، دقیق، بدون نیاز به تخریب نمونه و به‌صورت مستقیم در محیط واقعی .

ج) شناسایی مولکول‌ها در فضای بین‌ستاره‌ای

شیمی‌دان‌ها و اخترشناسان (کوانتوم و اخترشیمی) برای بررسی ترکیب شیمیایی ابرها و غبارهای بین‌ستاره‌ای از طیف‌سنجی فروسرخ استفاده می‌کنند:

- به دلیل دمای بسیار پایین فضای بین‌ستاره‌ای، مولکول‌ها نور مرئی ساطع نمی‌کنند؛ اما سیگنال‌های فروسرخ ناشی از ارتعاشات مولکولی خود را ارسال می‌کنند.

- پرتوهای فروسرخ به راحتی از میان گرد و غبار کیهانی عبور می‌کنند.

- با استفاده از تلسکوپ‌های فضایی و زمینی مجهز به طیف‌سنج IR، وجود مولکول‌هایی مانند آب (\(\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{ O}\))، کربن مونوکسید (\(\mathbf{C}\mathbf{O}\))، متان \(\mathbf{(}\mathbf{C}\mathbf{H}_{\mathbf{4}}\mathbf{}\mathbf{)}\)، آمونیاک (\(\mathbf{N}\mathbf{H}_{\mathbf{3}}\mathbf{}\)) و حتی مولکول‌های پیچیده آلی و هیدروکربن‌های آروماتیک در فاصله هزاران سال نوری از زمین اثبات شده است.