الأشعّة تحت الحمراء (FTIR)
مقدمة:
تحليل FTIR هو واحد من التحاليل الأكثر استخدامًا في مجال تحديد المركبات والروابط الموجودة في المواد العضوية والمعدنية، وهو جزء من التحاليل الطيفية. يقوم تحليل FTIR على دراسة الإشعاع تحت الحمراء الذي يتم امتصاصه من قبل العينة المُحلَّلة. من خلال دراسة طيف الأشعة تحت الحمراء الخارج من الجهاز، يمكن تحديد الروابط الكيميائية، والتفاعلات الجزيئية، وخصوصًا نوع المجموعات الوظيفية في المواد.
مبدأ الفحص
تحليل الطيف تحت الأحمر (FTIR) هو تقنية متقدمة تُستخدم لاستكشاف الروابط الكيميائية والمجموعات الوظيفية في المواد. من خلال هذه الطريقة، يمكن تحديد وجود أو غياب روابط معينة، بالإضافة إلى قياس التغييرات في مستوياتها، مما يجعلها أداة حيوية في مجالات متعددة تشمل الكيمياء، والبوليمرات، والصيدلة، وهندسة المواد، وتكنولوجيا النانو، والبيوتكنولوجيا، فضلاً عن حماية البيئة وصناعات النفط والغاز.
عند تعرض العينة لأشعة تحت الحمراء، تبدأ جزيئاتها في الاهتزاز. لفهم هذه الظاهرة، ينبغي معرفة أن طاقة الجزيئات تتكون من أربعة مكونات: الطاقة الإلكترونية، والطاقة الاهتزازية، والطاقة الدورانية، والطاقة الانتقالية.
الأشعة تحت الحمراء تؤثر على الأنماط الاهتزازية في الجزيئات فقط ، في الوضع الطبيعي تهتز الجزيئات في مواقعها التوازنية دون تغيير مركز ثقلها. يختلف عدد أنماط الاهتزاز باختلاف نوع الجزيء؛فالجزيئات الثنائية تمتلك نمط اهتزازي واحد، بينما تمتلك الجزيئات الأكثر تعقيدًا عدة أنماط.
ليس كل نمط اهتزازي يمكن اكتشافه بواسطة FTIRفقط الأنماط التي تُعرف بـ"النشطة تحت الحمراء" يمكنها امتصاص الأشعة. عندما تتطابق ترددات الأشعة تحت الحمراء مع ترددات الاهتزاز الطبيعية للجزيئات، يتم امتصاص الطاقة، مما يؤدي إلى زيادة سعة حركة الروابط الكيميائية. ومن المهم ملاحظة أن الروابط التي تحتوي على عزم ثنائي قطب هي الوحيدة القادرة على امتصاص الأشعة تحت الحمراء.
تُعتبر تقنية FTIR فريدة من نوعها، حيث لا يمكن لجزيئين مختلفين في هيكلهما الذري أن يمتصا الأشعة تحت الحمراء بنفس الطريقة. لذا، يُعتبر الطيف الناتج بمثابة بصمة فريدة لكل مادة، مما يسهل التعرف على المجموعات الوظيفية والروابط والبنى الجزيئية.
تتميز منطقة الأشعة تحت الحمراء بتعقيد طيفها، حيث تحتوي على عدد أكبر من المناطق الممتصة مقارنةً بالنطاقات فوق البنفسجية والمرئية. تُعرض النتائج على شكل ترددات اهتزازية، وتحويلها باستخدام تحويلات فورييه يُنتج طيفًا يوضح نسبة الامتصاص أو النفاذ للأشعة حسب الطول الموجي.
لتمييز المجموعات الوظيفية، يمكن استخدام جداول محددة تشير إلى مواقع اهتزاز الروابط المختلفة. على سبيل المثال، يرتبط الامتصاص عند الطول الموجي 3400 نانومتر بتمديد روابط C-H، بينما تشير الامتصالات في النطاق من 5000 إلى 6800 نانومتر إلى الروابط الثلاثية، مما يبرز القدرة الفائقة لتقنية FTIR في تحليل المواد الكيميائية.
فوائد القياس
تحليل الطيف تحت الأحمر (FTIR) هو تقنية متقدمة تُستخدم في مجموعة متنوعة من التطبيقات، منها:
تحليل العينات: الجامدات والباودر والسوائل
المساحيق: دراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية.
الغازات: تحليل مكونات الغاز في الهواء.
تحديد تركيز المحاليل:
دراسات تحرير الدواء:
تُستخدم لتحليل كيفية تحرير الأدوية من أنظمة توصيل معينة، مما يعزز فعالية العلاج.
تشخيص التلوث والشوائب العضوية:
تساهم في تحديد وتقييم الملوثات مثل الجسيمات والنفايات العضوية.
تحديد وتحليل المواد العضوية:
تشمل دراسة المواد الصلبة، والمساحيق، والأفلام، والسوائل لتحديد تركيبها الكيميائي.
حساب الكميات النسبية للأكسجين والهيدروجين:
يتم تحديد كميات O وH في السيليكون وشرائح SiN (مثل Si-H وN-H).
تشخيص المجموعات الوظيفية العضوية:
القدرة على التعرف على المجموعات الوظيفية المحددة وعناصرها.
المصادر الشاملة لتحديد التركيب:
توفر FTIR مصادر غنية لتحديد التركيب الكيميائي من خلال الطيف الناتج.
الظروف البيئية:
تعمل التقنية في ظروف غير فراغية، مما يجعلها مناسبة للعناصر الطيارة.
عادة ما تكون غير مخرِّبة
لا تؤثر على العينة أثناء عملية التحليل، مما يحافظ على سلامتها.
دراسة الخصائص الامتصاصية والنفاذية:
تحليل امتصاص ونفاذية المادة في نطاق طول موجي معين.
أنواع العينات التي يمكن قياسها
العينات البودرة:
طريقة التحضير: يتم خلط مسحوق المادة المستهدفة مع مسحوق ملح KBr باستخدام هاون خاص (عادةً ما يكون من الياقوت). بعد ذلك، يُوضع الخليط في قالب خاص ويُضغط تحت فراغ نسبي لإزالة الهواء، مما يتيح تشكيله في شكل قرص بأبعاد محددة.
ميزة استخدام KBr: يُستخدم ملح KBr لأنه لا يمتص الأشعة تحت الحمراء، مما يجعله مناسبًا لتحضير العينات البودرة.
العينات الغازية
العينات السائلة:
طريقة التحضير: عادةً ما تُصب العينات السائلة مباشرة في حاويات خاصتحضيرها كما هو الحال في العينات البودرة.
العينات الصلبة القابلة لتمرير الأشعة تحت الحمراء:
طريقة التحضير: تتطلب هذه العينات عادةً إعدادًا أكثر تعقيدًا، يعتمد على نوع العينة ومواصفات الجهاز المستخدم. ومع ذلك، يمكن استخدام طريقة عامة تتمثل في تحويل العينات إلى مسحوق واستخدام طريقة التحليل البودري.
العينات الصلبة غير القابلة لتمرير الأشعة تحت الحمراء:
طريقة التحضير: بسبب عدم قدرتها على تمرير الأشعة تحت الحمراء، تُستخدم طريقتان رئيسيتان لتحليل هذه العينات:
تحويل العينة من شكلها الكتلي إلى مسحوق واستخدام طريقة التحليل البودري.
استخدام جهاز FTIR مزود بتقنية ATR (Total Reflectance)، حيث يتم تحليل الروابط الكيميائية من خلال الانعكاس السطحي للعينة.
تحليل النتائج:
تحليل الطيف تحت الأحمر (FTIR) هو تقنية متقدمة تُستخدم في تحليل مجموعة متنوعة من المواد، حيث تقدم إمكانيات واسعة في نطاقات مختلفة من الأشعة تحت الحمراء. تشمل هذه الإمكانيات:
نطاق الطول الموجي:
يمكن إجراء التحليل في نطاقي الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MidIR) والأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، مما يتيح دراسة مجموعة واسعة من المواد.
تحليل الروابط الكيميائية:
يوفر FTIR القدرة على تحليل الروابط الكيميائية وتحديد العينات غير المعروفة في مجالات متعددة، بما في ذلك:
الأدوية، البوليمرات، الأصباغ، السراميك، المواد المعدنية
تحليل الانعكاس الكلي (ATR):
يتيح FTIR إجراء تحليل باستخدام تقنية الانعكاس الكلي (ATR)، التي تتطلب أن تكون العينات مرنة، مما يسهل دراسة المواد في حالات مختلفة.
يمكن من خلال التحليل المتخصص باستخدام FTIR أو ATR دراسة ما يلي:
اهتزازات المواد السيراميكية والمعدنية: لفهم الخصائص الفيزيائية والكيميائية لهذه المواد.
اهتزازات المجموعات الوظيفية في ظروف مختلفة: لدراسة تأثير العوامل البيئية أو التركيب الكيميائي على سلوك المادة.
دراسة الإضافات: لفهم تأثير المضافات على خصائص المواد المختلفة.
تحليل التفاعلات الجزيئية في المواد المركبة: لدراسة كيفية تفاعل المكونات المختلفة وتأثيرها على الأداء الكلي للمواد.