کاربرد طیف سنجی مادون قرمز نزدیک در نانو ساختارها

کاربرد طیف سنجی مادون قرمز نزدیک در نانو ساختارها

اشتراک گذاری در email
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در whatsapp
با افزایش اهمیت روز افزون فناوری نانو،‌ نیاز به یک روش تحلیلی سریع و آسان برای کنترل برای بررسی نانو مواد،‌ بیشتر احساس می شود. طیف سنجی مادون قرمز نزدیک (NIR Spectroscopy) روشی سریع،‌ آسان، قدرتمند،‌ غیر مخرب است که چندین پارامتر را به طور همزمان اندازه گیری می کند و موادی مانند ذرات نانوپور سیلیس (nano-porous silica)، دندریمر ها،‌ مویرگهای پوشش داده شده نانو، نانو وزیکول های لیپیدی و نانومواد کربنی مانند فولرن ها، نانولوله های کربنی (CNT) و الماس نانوکریستالی (NCD) را می توان با این روش مورد بررسی قرار داد.
کاربرد طیف سنجی مادون قرمز نزدیک در نانو ساختارها

فهرست مطالب

مقدمه

با افزایش اهمیت روز افزون فناوری نانو،‌ نیاز به یک روش تحلیلی سریع و آسان برای کنترل برای بررسی نانو مواد،‌ بیشتر احساس می شود. روش های متداولی مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، تخلخل سنجی نفوذ جیوه (MIP)، پراش لیزر، جذب نیتروژن و کروماتوگرافی حذف اندازه (SEC) وجود دارد؛ اما همه این روش ها فقط یک پارامتر را اندازه گیری می کنند، زمان بر هستند، کار با این دستگاه ها سخت است و نیاز به پرسنل مجرب دارند. طیف سنجی مادون قرمز نزدیک (NIR Spectroscopy) روشی سریع،‌ آسان، قدرتمند،‌ غیر مخرب است که چندین پارامتر را به طور همزمان اندازه گیری می کند و موادی مانند ذرات نانوپور سیلیس (nano-porous silica)، دندریمر ها،‌ مویرگهای پوشش داده شده نانو، نانو وزیکول های لیپیدی و نانومواد کربنی مانند فولرن ها، نانولوله های کربنی (CNT) و الماس نانوکریستالی (NCD) را می توان با این روش مورد بررسی قرار داد. علاوه این طیف سنجی مادون قرمز نزدیک امکان تعیین اندازه نانو ذرات پودری را نیز فراهم می کند.

طی سال های اخیر، نانو مواد، جایگاه ویژه ای در علم و صنعت یافته است. ریشه کلمه نانو به زبان یونانی برمی‌گردد که به معنی کوتوله است. هر نانو برابر با ۹-۱۰ متر است. برای مقایسه این مقدار یک تار عنکبوت را در نظر بگیرید. هر تار عنکبوت تقریباً برابر ۱۰۰۰ نانو هست. وقتی صحبت از فناوری نانو می شود، معمولاً اندازه مواد بین بازه ۰.۱ تا ۱۰۰ نانومتر لحاظ می شود. با داشتن ماده ای در اندازه نانو،‌ می توان به ویژگی های خاص فیزیکی،‌ شیمیایی،‌ الکتریکی، پزشکی،‌ مکانیکی و نوری دست یافت.

طیف سنجی NIR اکنون با استفاده از اولین ابزارهای مستقل موجود در بازار که در دهه ۱۹۸۰ ظاهر شده اند، یک روش کاملاً ثابت است. علاوه بر مزایای ذکر شده، طیف سنجی NIR می تواند، برای برخی از تجزیه و تحلیل های کمّی، عملکرد بالاتری را در مقایسه با طیف سنجی مادون قرمز نشان دهد، عمدتاً به دلیل ارتعاشات ترکیبی در محدوده طول موجی ۴۰۰۰ تا cm ۱۰۰۰۰ ظاهر می شود و همچنین امکان تعیین خصوصیات فیزیکی و شیمیایی را به طور همزمان فراهم می کند. یک روند نسبتاً جدید در زمینه طیف سنجی NIR، تصویربرداری ابر طیفی است که طیف ها به عنوان تابعی از توزیع منطقه ثبت می شوند. ابزارهای پیشرفته، در ترکیب با میکروسکوپ، می توانند طیف هایی را با وضوح جانبی چند میکرومتر ضبط کنند. در حال حاضر، طیف سنجی NIR به عنوان یک روش تحلیلی در کشاورزی، مواد غذایی، پتروشیمی، دارویی، محیط زیست، بخش بالینی و بسیاری از زمینه های دیگر استفاده می شود. این مقاله کاربردهای اخیر طیف سنجی NIR بر روی مواد ساختار نانو را برجسته می کند.

تعیین اندازه ذرات

مدت هاست که مشخص شده است که اندازه ذرات در یک پودر تأثیر زیادی بر روی طیف های بازتاب منتشر NIR دارد. این امر به وضوح در شیفت زمینه مشاهده می شود. این پدیده را می توان به بهترین وجه با مدل

 Kubelka – Munk توصیف کرد که در آن بازتاب (R) به ضریب پراکندگی (S) و ضریب جذب (K) مربوط است:

رابطه۱ f(R_∞ )=(۱-R_∞ )^۲/(۲R_∞ )=K/S

نشریاتی زیادی درباره تعیین اندازه ذرات با استفاده از طیف سنجی NIR ‌وجود دارد که همه آن ها بر اساس تئوری Kubelka-Munk هستند. کار تحقیقاتی Ciurczak در مورد آسپرین، اسید اسکوربیک،  و  برای ذرات بزرگتر از ۸۵ میکرومتر،‌ نشان می دهد که هر چه ذرات بزرگتر باشند، میزان جذب نیز بالاتر می رود (۱۲،۱۳). Higgins و همکاران اولین کسانی بودند که نانو ذرات با D90 کوچکتر از ۲۵۰ نانومتر را تجزیه و تحلیل کردند. D90 به عنوان قطری تعریف می شود که در آن ۹۰٪ ذرات دارای قطر معادل کوچکتر باشند (۱۴). آنها مشاهده کردند که در این مقیاس،‌ نظریه Kubelka-Munk دیگر قابل اجرا نیست؛ زیرا ذرات کوچکتر جذب بیشتری را نسبت به ذرات بزرگتر نشان می دادند. این پدیده را به این صورت می توان توضیح داد که نور در اندرکنش با ذرات کوچکتر مسیر طولانی تری را طی می کند؛ زیرا تعداد بازتابش مجدد بین ذرات کوچکتر افزایش می یابد؛ اما در ذرات بزرگتر تعداد این بازتابش ها کم است و نور مسیر کوتاه تری را طی می کند. این توضیحات در شکل ۱ نشان داده شده است.

شکل ۱: شماتیک پراکندگی نور توسط (A) ذرات بزرگ و (B) ذرات کوچکتر.

بیتنر و همکاران رویکردی را برای شناسایی و تعیین همزمان اندازه ذرات تری هیدرات آموکسی سیلین در محدوده زیر میکرومتر (D90 = 6.9–۲۱.۷ µm) مشاهده کردند که همان اثرات Higgins را نشان می دهد و یک خطی بین جذب و قطر ذرات متقابل را در تعداد موج بالاتر ( cm–۱ ۷۰۰۰ > ) ثابت می کند (۱۵).

مواد نانوپور سیلیکا

ژل های سیلیکا، نقش مهمی به عنوان فازهای ثابت برای مراحل جداسازی مبتنی بر کروماتوگرافی، دارند. برای دستیابی به حداکثر بازده جداسازی، دانستن خصوصیات فیزیکی مانند اندازه ذرات، حجم منافذ و سطح خاص بسیار مهم است. فازهای ثابت مبتنی بر سیلیکا را می توان به ذرات نانوپور، غیر نانوپور و یکپارچه تقسیم کرد. ذرات نانوپور سیلیکا بیشترین کاربرد را در جهان دارند که در استخراج فاز جامد، کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا، میکرو کروماتوگرافی مایعات، الکتروفورز مویرگی، الکترو کروماتوگرافی مویرگی، کروماتوگرافی گازی و افزایش یونیزاسیون لیزر با مواد یونیزان زمان پرواز استفاده می شود- طیف سنجی جرمی (enhanced laser desorption ionisation time-of-flight-mass spectrometry (MELDI-ToF/MS)) مورد استفاده قرار می گیرد.

نانو مواد کربنی

نانومواد کربن شامل فولرن ها، NCD، CNT ها و نانو الیاف گرافیتی است. مواد کربنی دارای مزیت و خصوصیات منحصر به فردی نسبت به سایر مواد هستند. وجود ۹۹.۵-۸۰ درصد هیبریدهای sp2، مراحل تولید بیشتر را تسهیل می کند و افزایش نسبت سطح باعث افزایش حساسیت برای فازهای ثابت، به عنوان مثال برای SPE یا CE می شود. الکترودهای کربنی شیشه ای اصلاح شده با نانومواد کربن، می توانند عملکرد برنامه های الکتروشیمیایی را به میزان قابل توجهی افزایش دهند، این امر نشان دهنده حساسیت بالاتر، محدودیت های پایین تر تشخیص و حرکت سریع تر انتقال الکترون است. شکل ۲ طیف وسیعی از نانومواد کربن و همچنین ذرات سیلیکا و دندیمرها را نشان می دهد که با طیف سنجی NIR بررسی شده است.

شکل ۲: نانومواد با طیف سنجی NIR بررسی شده است.

نانولوله های کربنی (Carbon NanoTube (CNT))

CNT ها از ویژگی های منحصر به فردی برخوردار هستند که موجب محبوبیت این مواد شده است. نانولوله ها، ساختارهای کربنی توخالی هستند؛ بنابراین، امکان قرار دادن مواد خارجی در داخل آنها وجود دارد. نانولوله های کربنی به دو دسته کلی، نانولوله های کربنی تک دیواره (SWCNT) و نانولوله های کربنی چند دیواره (MWCNT) تقسیم می شوند. چنانچه نانولوله کربنی فقط شامل یک لوله از گرافیت باشد، نانولوله تک دیواره و اگر شامل تعدادی از لوله های متحد المرکز باشد نانولوله چند دیواره نامیده می شود (شکل ۳). در MWCNT ها، لوله های گرافیتی یکدیگر را با فضای بین لایه ۰.۳۴ نانومتر محاصره می کنند. قطر SWCNT ها معمولاً ۴-۰.۳ نانومتر و قطر MWCNT ها ۱۰۰-۱.۴ نانومتر است. طیف سنجی NIR به عنوان ابزاری قدرتمند برای توصیف ساختار باند الکترونیکی CNT ها کاملاً اثبات شده است. یکی از اولین گزارش های طیف سنجی NIR به عنوان ابزاری برای بررسی CNT توسط  Chen و همکارانش منتشر شد (۲۴).

شکل ۳: (a) نانو لوله تک دیواره و (b) نانو لوله چند دیواره.

فولرن C60

فولرن، نخستین مولکول کربن کروی شناخته شده با کربن های مرتب شده، در قالب کره ای به شکل توپ فوتبال است. از زمان کشف باک مینسترفلرن (C60) در سال ۱۹۸۵، تحقیقات در مورد آن رشد کرده است. فولرن های مختلف با قطری در بازه ۲۰-۱۰۰ نانومتر در زمینه شناسایی پپتید و پروتئین برای تحقیقات نشانگر تشخیصی بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. برای کوتاه کردن زمان چرخش در آزمایشگاه، طیف سنجی NIR، همراه با تجزیه و تحلیل داده های چند متغیره، برای نظارت و تأیید مراحل پردازش، مورد استفاده قرار می گیرد.

الماس نانوکریستالی (NCD)

NCD می‌تواند با تشکیل یک لایه روی چندین زیرلایه مانند نیکل، گرافیت و تیتانیوم تشکیل شود و تعدادی مولکول از مایعات بیولوژیکی را به یکدیگر بچسباند. NCD با استفاده از روش مشاهده MELDI بیشترین حساسیت را در بین نانومواد کربنی نشان داده است. این ماده، قابلیت بازسازی بسیار خوبی را براساس ویژگی‌های ترکیبی جذب شیمیایی و فیزیکی ارائه می‌دهد. اگر ساختار شیمیایی به O ختم شود، سطح، آبدوست و اگر به H ختم شود سطح، آبگریز است. برای ایجاد ترکیب جدید، داشتن اطلاعات درباره اینکه ساختار شیمیایی به O ختم شده یا H، بسیار مهم است. طیف سنجی فوتوالکترون اشعه X را می‌توان برای تشخیص تفاوت بین این دو ساختار به کار گرفت. این نوع طیف‌سنجی، هزینه زیاد و آموزش اپراتور را می‌طلبد. Heigl و همکاران، طیف‌سنجی NIR را برای تشخیص این تفاوت با دقت بالا و با استفاده از فیبر نوری در محیط نیتروژن به کار برده‌اند.

مویرگ های لایه نشانی شده نانو (Nano-coated capillaries)

پوشش دیواره داخلی مویرگ های سیلیس ذوب شده برای CE، به جلوگیری از جذب پروتئین برگشت ناپذیر در طی فرآیند جداسازی الکتروفورزی کمک می کند. یک مدل خوشه ای مبتنی بر PCA، برای شناسایی مویرگ های سیلیس ذوب شده بدون پوشش سیلیس، دی اکسید شده با پوشش لاتکس و فولرنول پوشش داده شده ایجاد شده است. با قطر داخلی <75 میکرومتر و ضخامت پوشش فقط ۱۰۰ نانومتر، یک مجموعه آزمایشی ویژه ایجاد شده است که به موجب آن انتهای مویرگ با استفاده از کاغذ سنباده P1000 در زاویه ۴۵ درجه قبل از اندازه گیری در حالت انعکاس NIR و با وضوح جانبی ۶.۲۵ میکرومتر، سنباده زده می شود (شکل ۴).

شکل ۴: تنظیم اندازه گیری تصویربرداری NIR پوشش نانوپوشش در مویرگهای سیلیس ذوب شده

اندرکنش میزبان- مهمان در دندریمرها

دندریمرها، مولکول های کروی شکل شاخه داری هستند که از یک هسته مرکزی در داخل پوسته و گروه های عاملی در انتهای شاخه ها تشکیل شده اند (شکل ۵). اندازه وزن مولکولی و عملکرد شیمیایی آنها به راحتی قابل کنترل است و دارای کاربردهای فراوانی در زمینه های شیمی، فیزیک، داروسازی و شیمی بالینی هستند. Heigl و همکارانش از طیف سنجی NIR برای اندرکنش بین مهمان-میزبان بین پلی (آمیدوآمین) فسفر آمین G0-G7 به عنوان مهمان و ذرات متخلخل سیلیکا به عنوان میزبان استفاده کردند تا وزن مولکولی و قطر ذرات را با استفاده از این روش به دست آورند. اندازه منافذ ذرات سیلیکا، ثابت است ولی اندازه ذرات دندریمرها در مقایسه با این ذرات کوچک است. به همین دلیل به داخل ذرات سلیکا دسترسی دارند. در حالی که ذرات بزرگتر فقط می توانند یه سطح ذرات سیلیکا اندرکنش داشته باشند.

شکل ۵: دندریمر به مولکول های شاخه داری گفته می شود که حاوی واحدهای تکرار شونده هستند.

نانو ذرات لیپیدی

نانو ذرات لیپیدی، به دلیل فعالیت های منحصر به فرد اسمزی، نفوذ پذیری غشا، ترکیب شیمیایی و ویژگی های سطح در دارورسانی و به عنوان مواد غشایی استفاده می شوند.  Bista و همکارانش از طیف سنجی NIR برای بررسی لیپیدهای پلی اتیلن گلیکولاته مصنوعی استفاده کردند که با هیدراتاسیون خود به خود لیپوزوم تشکیل می دهند. طیف سنجی جذبی NIR برای تجزیه و تحلیل مؤلفه های باند نمونه ها به شکل مایع مستقر شده است تا درک وسیع تری از ساختار و ساختار مولکولی بدست آورد.

نتیجه

در این مقاله مناسب بودن طیف سنجی NIR به عنوان ابزاری برای جایگزینی روش های متداول در بررسی مواد نانوساختار مانند ذرات نانوپور سیلیکا، دندریمرها، مویرگ های لایه نشانی شده نانو، نانو ذرات لیپیدی و نانومواد کربن، به طور خلاصه بررسی شد. با توجه به تمام مزایایی که در زیر ذکر شده است، طیف سنجی مادون قرمز توانایی زیادی در زمینه فناوری نانو دارد. این مزایا عبارتند از:

  1. این روش غیرتهاجمی است.
  2. به طور همزمان خواص فیزیکی و شیمیایی قابل تعیین است.
  3. زمان تجزیه و تحلیل کوتاه است.
  4. توان تجزیه و تحلیل بالایی دارد.
  5. اندازه گیری با این طیف سنج بسیار آسان است.
  6. نیازی به آماده سازی نمونه ندارد.
0
افکار شما را دوست دارم، لطفا نظر دهیدx
()
x