طیف‌ سنجی چیست؟

آینده طیف سنجی

قرن بیستم را به دلیل انقلاب‌هایی که در زمینه الکترونیک در آن رخ داد، به نوعی قرن الکترونیک می‌نامند. در سال‌ها و دهه‌های ابتدایی قرن بیستم، مبانی نظری المان‌های مهم الکترونیکی مثل لامپ‌های خلا و ترازیستورها چیده شد. سیستم ‌های الکترونیکی پرکاربرد در دهه‌های میانی توسعه پیدا کردند و در دهه‌های پایانی قرن بیستم ورود پر قدرت سیستم‌های پیچیده و رایانه‌ها به زندگی بشر، صورت و شکل زندگی را به کلی تغییر داد.

اما نکته‌ای که علاقمند هستم در سیر تاریخی پیشرفت این تکنولوژی بیان کنم را با گذاری به سال‌های پیشین آغاز می‌کنم:

شاید برایتان جالب باشد که شرکت سونی که کار خود را ابتدا با ساخت پلوپز برقی شروع کرده بود و با تعمیرات آن کسب درآمد می‌کرد، وقتی می‌خواست در دهه ۵۰ میلادی یک رادیو سبک جیبی بسازد، همه این کار را نشدنی و غیرممکن می‌دانستند. ماسارو ایبوکا مرد تکنولوژی سونی، شیفته ترانزیستوری شده بود که در آن زمان آزمایشگاه بل به‌تازگی اختراع کرده بود. در آن زمان رادیو چیزی نبود که در جیبتان بگذارید، رادیو قسمتی سنگین از دکور و مبلمان خانه بود!

ایبوکا شرکت سونی را با خون دل خوردن متقاعد ساخت تا حق اختراع ترانزیستور را بخرد و پس از کوششی تحسین برانگیز در سال ۱۹۵۷ اولین رادیو قابل حمل ترانزیستوری را با نام تی‌آر۵۵ ساخت و وارد بازار کرد. بلافاصله یک‌ونیم میلیون رادیو فروخته شد و سونی جهانی شد.

هدف از این داستان کوتاه بیان این مطلب بود که روزگاری رادیو جیبی در نظر بشر غیر ممکن می‌نمود. اما اکنون یک مفهوم بدیهی است! شاید هزاران گونه از این مثال‌ها را در نقاط دیگری از سیر تکامل علمی و تکنولوژی بشر بتوان پیدا کرد.

اما برگردیم به طیف‌ سنجی! قرن ۲۱ را به واسطه اختراعات شگفت انگیز در زمینه نور، شاید بتوان قرن نور نامید. اکنون نور سردمدار تکنولوژی‌های بهت‌آور بشر است. اینکه نور و ابزارهای نوری در جیب شما باشند به وقوع پیوسته است. کافی است به سیستم‌های با کیفیت چندمگاپیکسلی دوربین تلفن همراه خود فکر کنید و آن را با دوربین های اولیه مقایسه کنید. اما این روند متوقف نشده است و ابزارهای دیگری نیز سودای قرارگرفتن در جیب شما را دارند (از تست‌های پزشکی مثل تست قندخون اپتیکی بگیرید تا سیستم‌های بررسی سلامت میوه و موادغذایی ارزان و قابل حمل. با این دستگاه به راحتی در موقع خرید می‌توانید، مواد را  طیف‌سنجی کنید و مواد ناسالم و تقلبی را بشناسید و نخرید. به این صورت خانواده‌ای را از نگرانی برهانید!)

یکی از جذاب ترین ابزارها در این میان، تکنولوژی‌ طیف‌ سنجی است. شاید اولین بار باشد که این واژه را می‌شنوید، شاید هم به خوبی آن را می‌شناسید.

تعریف طیف سنجی

طیف‌ سنجی در تعریف ساده آن عبارت است از ثبت و سنجش نور و در معنای تخصصی آن به مجموعه ای از روش‌ها و فرآیندهایی گفته می‌شود که در آن برهمکنش نور با ماده مورد مطالعه قرار بگیرند. اما اگر از تعاریف علمی و شاید سخت آن بگذریم شاید بتوان  طیف‌سنجی را اینگونه ساده نمود:

ما به ماده یک نور مشخص می‌تابانیم. ماده با توجه با ساختارهای درونی خود یک واکنش به این نور خواهد داد. ما این واکنش را ثبت می‌کنیم و از روی آن به چیستی ماده پی میبریم.

تاریخچه طیف سنجی

تاریخچه تکنولوژی طیف‌سنجی شاید به اولین آزمایش‌هایی برگردد که نیوتن در قرن ۱۷ انجام داد. تجزیه نور خورشید با یک منشور ساده و مشاهده طیف‌ نور آن، جزو اولین تلاش‌های بشر برای ورود به عرصه طیف‌ سنجی است.

کاربرد طیف سنجی

اما  طیف‌ سنجی به چه کار می‌آید؟ بگذارید با چند مثال جواب این سوال را بدهیم، فرض کنید:

۱. به شما بگوییم که ممکن است در پسته‌هایی که می‌خورید یک سم خطرناک به نام آفلاتوکسین وجود داشته باشد که سرطان زا و در مقادیر بالا کشنده است.

۲. در شیر خشک کودکان ممکن است از ماده سمی ملامین برای ماندگاری بیشتر استفاده شود که اثرات غیرقابل بازگشتی بر کودک دارد.

۳. فرض کنید آبی که میخورید به مواد سمی آلوده باشد.

در همه این موارد سریعا یک نتیجه حاصل می‌شود: چه طور حضور این مواد خطرناک را بفهمیم؟

جواب: طیف‌ سنجی و حالا بهتر می‌توان گفت طیف‌ سنجی به چه کار می‌آید.

سازمان‌های کنترل کننده مثل سازمان غذا و دارو با داشتن تجهیزات طیف‌ سنجی، سلامت مواد تولیدی مورد استفاده عموم مردم را بررسی و در صورت عدم حضور مواد زیان‌آور برای سلامت انسان، به آن‌ها مجوز می‌دهند.

موارد بالا بخشی از کاربردهای  طیف‌ سنجی در بخش سلامت، مواد غذایی و خوراکی بود. کاربرد این روش به این حوزه محدود نمی‌شود. طیف‌ سنجی در  اکثر علوم مانند مواد و پلیمر، شیمی، نفت، نانو، فیزیک، پزشکی، داروسازی، زمین شناسی، زیست شناسی، دامپزشکی، معدن، کشاورزی، برق، هنر و … کاربردهای گسترده دارد.

باز هم اگر بخواهیم ساده بگوییم هر زمان شما به دنبال اندازه‌گیری یک ماده معلوم، حضور یک ماده مجهول در یک ترکیب مشخص و کیفیت مواد، بخواهید اطلاعات داشته باشید، طیف‌ سنجی کلید مشکل شماست.

انواع طیف سنجی

اکنون که بیشتر در مورد  طیف‌ سنجی اطلاعات پیدا کردیم و فهمیدیم در کاربردهای صنعتی، علمی و روزمره نقش فراوانی دارد. بیایید در مورد انواع آن نیز اطلاعاتی را داشته باشیم:

اگر بخواهیم همه روش‌های طیف‌ سنجی را برشماریم شاید بیش از ۴۰ نوع روش طیف‌ سنجی وجود داشته باشد که هر کدام برای کاربرد خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اما اگر بخواهیم پرکاربردترین‌ها را دسته‌بندی و معرفی کنیم، باید بگوییم طیف‌ سنجی‌های مولکولی و طیف‌ سنجی‌های اتمی بیشترین کاربرد را دارند.  طیف‌ سنجی مولکولی به روش هایی اطلاق می‌گردد که در آن موادی که در ساختار خود به شکل مولکولی هستند، وارد اندرکنش شده و مورد بررسی قرار می‌گیرند. طیف‌ سنجی‌های اتمی نیز با برهمکنش با اتم‌های سازنده مواد، اطلاعات مورد نیاز ما را به دست می‌دهند.

در تمام آزمایش‌های طیف‌ سنجی سه قسمت اصلی وجود دارد:

• عامل تحریک
• نمونه (ماده یا چیزی که قرار است مورد آزمایش قرار بگیرد)
• آشکارساز (قطعه یا سیستمی که اطلاعات را برهمکنش را ثبت می‌کند)

فرض کنید می‌خواهیم میزان محکم بودن یک آجر را تست کنیم. آزمایش ساده است با یک چکش با قدرت های مختلف روی آن می‌کوبیم و مشاهده می‌کنیم. در این آزمایش عامل تحریک چکش ماست، نمونه آجر است و آشکارساز چشم ما. در یک آزمایش  طیف‌ سنجی عامل تحریک می‌تواند امواج الکترومغناطیسی، شعله آتش، صوت، ضربه و یا واکنش‌های شیمیایی باشد.

در طیف‌ سنجی‌های مدرن امروزی که روی مولکول‌ها و اتم ها اعمال می‌شود، امواج الکترومغناطیسی بیشترین استفاده را دارند. در این فرآیند یک موج الکترومغناطیسی به ماده تابیده شده و وارد برهمکنش با ماده می‌شود. یک آشکار ساز این برهمکنش را نظاره می‌کند و در نهایت اطلاعات مورد نظر را به ما می‌دهد.

بسته به اینکه چه اطلاعاتی را مد نظر داریم از قسمت‌های مختلف امواج الکترومغناطیسی استفاده می‌کنیم. امواج الکترومغناطیسی آن دسته از امواجی هستند که دارای میدان الکتریکی و مغناطیسی متغیر با زمان هستند که با سرعت نور در فضای خالی منتشر می‌شوند.

این امواج برحسب میزان فرکانس یا انرژی فوتون‌های خود، از امواج رادیویی تا امواج گاما را در برمی‌گیرند:

در واقع در طیف‌ سنجی ما به دنبال جابجا کردن ماده بین ترازهای انرژی کوانتمی آن هستیم. شاید این تعریف سخت به نظر برسد اما مفهوم آن بسیار ساده است. بگذارید یک مثال بزنیم:

فرض کنید در یک بازی شما باید اشیا درون یک جعبه را حدس بزنید. وقتی درون یک جعبه بسته تعدادی شیء ناشناس وجود داشته باشد و از شما بخواهند بدون باز کردن جعبه در مورد اشیا آن اطلاعاتی بدهید اولین کاری که می‌کنید چیست؟ درست است اولین کار این است که جعبه را تکان می‌دهید تا ببینید چه صدایی از درون آن می‌آید. اگر صدای چند مداد از درون جعبه بیاید اکنون کار آسان شده است.

در طیف‌ سنجی هم کار عامل تحریک همین است، ساختار ماده را تکان می‌دهد (البته در مقایس بسیار ریز کوانتومی) و در مقیاس کوانتومی ترازهای انرژی ماده با ورود عامل تحریک مشخص می‌کنند که سیستم به چه قسمت هایی برود. (یا اصطلاحا به کدام ترازها برود)

ترازهای کوانتمی در واقع مکان‌های مجاز انرژی هستند که سیستم می‌تواند بین آن ها جا به جا شود. این تراز‌ها با محاسبات کوانتمی (حل معادله شرودینگر) بدست می‌آیند.

وقتی موج الکترومغناطیسی به ماده برخورد کند، سیستم  از تراز پایه به ترازهای برانگیخته جا به جا‌ می‌شود. سپس چیزی در حدود چند فمتوثانیه (ترازهای ارتعاشی) تا چند نانوثانیه (ترازهای الکترونی) در ترازبالا استراحت می‌کند. سپس با پس دادن انرژی به تراز پایه برمی‌گردد. اگر فرآیند فسفرسانس باشد ممکن است تا چند ساعت هم در ترازهای بالا استراحت کند و سپس برگردد!

بنابراین تا اینجا فهمیدیم امواج الکترومغناطیسی سیستم را بین ترازها جا به جا می‌کند و ماده با جا بجا شدن و پس دادن انرژی به ما کمک می‌کند تا اطلاعاتی را در مورد آن به دست آوریم.

اما در ماده تعداد بسیار زیادی تراز در دسته بندی‌های متنوعی وجود دارند. حالا باید کدام را تحریک کرد؟ جواب در میزان انرژی لازم برای تحریک است. مهم‌ترین قسمت در یک آزمایش طیف‌ سنجی، انتخاب انرژی عامل تحریک است (در طیف‌سنجی عامل تحریک را منبع یا Source می‌گویند). انتخاب منبع بستگی دارد که بخواهیم ماده بین کدام ترازها در ماده جا به جا شود؟

به عنوان مثال هنگامی که بخواهیم از امواج الکترومغناطیسی برای تحریک ماده استفاده کنیم با استفاده از شکل زیر با توجه به ترازهای ماده، ناحیه مورد نظر برای تحریک را انتخاب می‌کنیم:

در شکل بالا بخشی از روش‌های  طیف‌ سنجی متداول و پر کاربرد آمده است. ما در این جا قصد داریم تا برخی از این روش‌ها را بیشتر مورد بررسی قرار دهیم.

در قسمت اول این مقاله با اهمیت طیف سنجی آشنا شدیم و تا حدی نیز یادگرفتیم که طیف سنجی چگونه انجام می شود. در ادامه می‌خواهیم با این روش به طور تخصصی‌تری آشنا شویم.

در قسمت اول مشاهده کردیم که برای پیاده سازی یک روش طیف سنجی ابتدا باید تصمیم بگیریم که می‌خواهیم ماده را بین کدام ترازها جابجا کنیم. این تراز‌ها می‌توانند مربوط به قسمت‌های مختلف در ساختار ماده باشند. سپس باتوجه به ترازها باید از یک منبع با انرژی مناسب برای تحریک استفاده نماییم. همچنین طیف سنجی‌هایی با منبع امواج  الکترومغناطیسی در این مقاله بیشتر مد نظر هستند.

در یک دسته بندی سرراست روش‌های متداول را بر اساس افزایش میزان انرژی مورد نیاز معرفی خواهیم کرد.

طیف سنجی Nuclear Magnetic Resonance (NMR)

در این طیف سنجی، نمونه در یک میدان مغناطیسی قوی قرار گرفته و سپس یک میدان الکترومغناطیسی سینوسی عموما با فرکانس نزدیک به امواج رادیویی به آن تابانده ‌می‌شود و باعث می‌شود تا اسپین در ساختار هسته دچار تغییر شود. تغییرات تراز‌های اسپنی هسته به نسبت سایر طیف سنجی‌ها بسیار انرژی کمی مصرف می‌کند.

جابجایی بین این ترازها انرژی کمی از امواج رادیویی را نیاز دارد که عموما در  ناحیه امواج رادیویی (MHz) قرار می‌گیرد.

نمونه یک طیف NMR  و یک دستگاه NMR را در شکل زیر می‌توانید مشاهده نمایید.

روش Electron Spin Resonance (ESR)

روش رزونانس یا تشدید اسپین الکترون (ESR)، که اغلب آن را تشدید مغناطیسی الکترون (EPR) می‌نامند، مکانیزمی مشابه تکنیک رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) دارد. تفاوت اساسی در این است که ESR مربوط به جدایی ترازها در میدان مغناطیسی برای حالت اسپین الکترون‌هاست، در حالی که در روش NMR جدایی تراز‌های اسپین هسته‌ای مد نظر است. در هر دو روش ESR و NMR، نمونه در یک میدان مغناطیسی استاتیک قوی غوطه‌ور شده و در معرض یک میدان الکترومغناطیسی فرکانس بالا با دامنه کم و به طور متعامد قرار می‌گیرد. ESR معمولاً به تابش فرکانس مایکروویو (گیگاهرتز) نیاز دارد، در حالی که NMR در فرکانس‌های رادیویی پایین‌تر (مگاهرتز) مشاهده می‌شود. در روش ESR، انرژی هنگامی جذب نمونه می‌شود که فرکانس تابش با اختلاف انرژی بین دو حالت اسپینی الکترون موجود در نمونه متناسب باشد. علاوه بر این قواعد گذار نیز باید رعایت شوند و گذار بین هر دو تراز دلخواه مجاز نیست. تفکیک خطوط فقط زمانی می‌تواند اتفاق بیفتد که الکترون در وضعیتی با تکانه زاویه‌ای غیر صفر باشد. یعنی الکترون‌ها در اتم‌های دارای لایه‌های اتمی بسته نمی‌توانند این رفتار را نشان دهند. اصطلاح ESR به طور خاص به حالتی اطلاق می شود که اسپین الکترون‌های جذب کننده تابش، تنها با یکدیگر در برهمکنش ضعیف (“ضعیف کوپل شده”) هستند. در روش NMR نیز میدان مغناطیسی استاتیک حالت کوانتومی هسته ای را که دارای اسپین هسته ای غیر صفر است، را تفکیک می کند.

مشاهده NMR مستلزم صفر بودن کل اسپین الکترونی است.

روش ESR معمولا ترازهایی را جابه جا می‌کند که با امواج میکروموج شناخته می‌شود و فرکانسی از مرتبه GHz دارد.

طیف سنجی چرخشی (Rotational Spectroscopy)

طیف سنجی ترازهای چرخشی به دسته‌ای از طیف سنجی‌ مواد اطلاق می‌گردد که در آن تحریک به وسیله امواج الکترومغناطیسی، تغییر در راستای دوران مولکول را باعث می‌شوند. ماده در این حالت بین ترازهای چزخشی جابجا می‌شود. این ترازها معمولا در شناسایی و مشخصه یابی گازها مورد استفاده قرار می گیرند. چرا که مولکول‌های گاز فضای آزاد برای چرخش حول محورهای مختلف را دارند. انرژی لازم برای جابجا کردن مولکول در ترازهای چرخشی عموما در ناحیه گیگاهرتز تا تراهرتز قرار دارد. (GHz-THz)

ترازهای چرخشی بسیار نزدیک به هم هستند و تعداد بالایی دارند به همین دلیل طیف های ارتعاشی حاوی تعداد زیادی پیک است. که هر پیک متناظر با یک گذار به خصوص است.

طیف سنجی ارتعاشی (Vibrational spectroscopy)

طیف سنجی ارتعاشی به گونه‌ای از طیف سنجی اطلاق می‌گردد که تحریک ماده توسط منبع امواج الکترومغناطیسی منجر به جا به جا شدن ماده بین تراز‌های ارتعاشی در مولکول می‌شود. روش رامان و IR عموما در این دسته جای می‌گیرند. ارتعاش‌های متفاوت مولکولی در ماده باعث جذب فوتون (طیف سنجی IR) یا پراکندگی فوتون (طیف سنجی رامان) می‌شود.

بازه طیف سنجی  IRمعمولا بین ۲۵۰۰ نانومتر تا ۱۰۰۰ میکرون است. که در سه دسته زیر تقسیم بندی می‌شود:

طیف سنجی IR

طیف سنجی IR با جذب فوتون همراه است و به نوعی طیف سنجی جذبی است. بنابراین برای ترازهایی می‌توان طیف IR داشت که ممان دوقطبی آن تراز غیرصفر باشد. در غیر این صورت آن گذار، طیف IR نخواهد داشت. همچنین اگر یک نمونه حاوی آب باشد نمی‌توان آن را با طیف سنجی IR  بررسی نمود. چون آب جذب شدیدی در IR  دارد و در طیف سنجی IR تداخل ایجاد خواهد کرد. طیف سنجی IR کاربرد فراوانی در تحقیقات و صنعت دارد.

طیف سنجی رامان

طیف سنجی رامان نیز عموما در دسته طیف سنجی های ارتعاشی قرار می‌گیرد. مکانیزم طیف سنجی رامان پراکندگی های فوتون به وسیله ارتعاش‌های مولوکولی است.

معمولا برای تحریک مواد در طیف سنجی رامان از لیزرهایی در  ناحیه ۲۰۰ تا ۱۱۰۰ نانومتر استفاده می‌کنند. سیستم‌های رامان در سه دسته میکروسکوپ رامان، رامان پرتابل، و رامان دستی در بازار ارائه می‌شوند.

طیف سنجی رامان اطلاعات بیشتری در مورد ماده نسبت به طیف سنجی IR به دست می‌دهد و در حالتی که نمونه حاوی آب باشد هم می‌تواند به خوبی نمونه را  طیف سنجی نماید. از این رو در کاربردهای زیستی و دارویی بسیار کارآمدتر است.

طیف سنجی UV – VIS یا اسپکتروفوتومتری

طیف سنجی جذبی عبوری عموما با جابه جایی الکترون‌های لایه بیرونی و هم چنین جذب توسط پیوندهای مولکولی در ساختار ماده باعث جذب امواج الکترومغناطیسی می‌گردد. ناحیه امواج الکترومغناطیسی که برای این طیف سنجی نیاز داریم عموما بین ۲۰۰ تا ۹۰۰ نانومتر است که توسط لامپ‌های حرارتی و آرک تولید می‌شود.  بسیار پر کاربرد است و تقریبا هر آزمایشگاه تحقیقاتی و صنعتی در حوزه ماده به این دستگاه مجهز است.

اگر نمونه مایع و حجم آن در حدود چند میلی‌لیتر باشد از دستگاه های اسپکتروفتومتری با نمونه گیر کوت استفاده خواهد شد. اگر حجم نمونه در حد یک قطره یا میکرومتر باشد از دستگاه های نانودراپ استفاده می‌کنند. اگر نمونه جامد و به شکل پودر باشد دستگاه‌های اسپکتروفتومتر دارای کره جمع کننده (DRS)  مورد نیاز است.