اسپکتروسکوپی چیست؟ – به زبان ساده + تفاوت با اسپکترومتری

اسپکتروسکوپی، مطالعه جذب و تابش نور و سایر برهمکنش‌های نور با ماده است. این دانش شامل شکافت نور (تابش امواج الکترومغناطیسی) به طول موج‌های سازنده آن (یک طیف) است. اسپکتروسکوپی همچنین به تعدد زیادی تکنیک برای بررسی برهمکنش نور با ماده نیز اشاره دارد. در علوم مختلف به اسپکتروسکوپی، طیف‌سنجی یا طیف‌شناسی گفته می‌شود. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم اسپکتروسکوپی چیست و چه تفاوتی با اسپکترومتری دارد.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم اسپکتروسکوپی چیست و چه انواعی دارد. سپس به بررسی طیف و انواع طیف سنجی بر اساس اصول اسپکتروسکوپی می‌پردازیم. در نهایت، تجهیزات اسپکتروسکوپی را آموخته و کاربرد این روش را در صنایع و تحقیقات مختلف یاد می‌گیریم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل بیاموزید اسپکتروسکوپی چیست.

اسپکتروسکوپی چیست؟

اسپکتروسکوپی (Spectroscopy)، مطالعه نحوه برهمکنش امواج الکترومغناطیسی با ماده است. در واقع، هر اتم یا مولکول به شیوه منحصر به فردی با نور برهمکنش می‌کند و یک پاسخ مشخص مانند جذب یا دفع در طول موج مشخص را نمایش می‌دهد. به همین دلیل دانشمندان با استفاده از دانش اسپکتروسکوپی می‌توانند این پاسخ‌ها را بررسی و اندازه‌گیری کرده و یک ماده و ساختار اتمی آن را تشخیص دهند.

اندازه‌گیری‌های انجام شده به شکل یک طیف اسپکتروسکوپی نمایش داده می‌شوند که این طیف‌ها با روش‌های اسپکترومتری و با تجهیزاتی مانند طیف‌سنج‌ها مشخص می‌شوند. در طیف‌های مختلف مواد، برهمکنش ماده با امواج به شکل الگوهایی مشخص می‌شوند که مربوط به سطوح انرژی مختلف در ارتباط با طول موج نور و پاسخ اتم هستند. این جزئیات زیاد، اسپکتروسکوپی را به یک دانش و روش کمی و کیفی بسیار مناسب برای شناسایی و آنالیز مواد تبدیل می‌کند.

اصول اسپکتروسکوپی چیست؟

هر ماده به شکل مشخصی با نور و امواج الکترومغناطیسی برهمکنش می‌کند و رفتار مشخص و منحصر به فردی را از خود نشان می‌دهد. این موضوع، اساس روش‌های اسپکتروسکوپی است. برای مثال طیف جذبی و نشری هر عنصر با عنصر دیگر متفاوت است و هر طیف مانند اثر انگشت برای شناسایی مواد و عناصر مختلف استفاده می‌شود.

هنگامی که یک باریکه نور از یک نمونه ماده که در آب مقطر حل شده است عبور می‌کند، طول موج‌های مشخص جذب شده و طول موج‌های دیگری پراکنده شده یا منتشر می‌شوند. با اندازه‌گیری و بررسی این تغییرات، دانشمندان می‌توانند تشخیص دهند که چه مواد و عناصری و با چه کمیتی در نمونه وجود دارند.

یادگیری طیف سنجی با فرادرس

برای درک بهتر این موضوع که اسپکتروسکوپی چیست، ابتدا باید با مفاهیمی چون امواج الکترومغناطیس، دوگانگی موج و ذره، سرعت نور، اتم برانگیخته و الکترون ظرفیت، اوربیتال و آرایش الکترونی آشنا شویم. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مسائل می‌پردازد.

همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری درباره اسپکتروسکوپی و طیف سنجی دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش طیف سنجی مولکولی جامع و کاربردی فرادرس
• فیلم آموزش طیف سنجی آلی پیشرفته فرادرس
• فیلم آموزش کاربرد طیف سنجی در شیمی آلی فرادرس

تفاوت اسپکترومتری با اسپکتروسکوپی چیست؟

«طیف‌سنجی» (Spectroscopy) و «اسپکترومتری» (Spectrometry) اصطلاحاتی هستند که اغلب به جای یکدیگر استفاده می‌شوند، اما در معنی دقیق آن‌ها تفاوت‌های ظریفی وجود دارد. کتاب اتحادیه بین‌المللی شیمی محض و کاربردی (IUPAC) با عنوان «مجموعه اصطلاحات شیمیایی» طیف‌سنجی را این‌گونه تعریف می‌کند: «مطالعه سیستم‌های فیزیکی از طریق تابش الکترومغناطیسی که این سیستم‌ها با آن برهمکنش دارند یا آن را تولید می‌کنند.»

با این حال، تعریف اسپکترومتری در این کتاب به این صورت است: «اسپکترومتری اندازه‌گیری چنین تابش‌هایی به عنوان روشی برای به دست آوردن اطلاعات درباره سیستم‌ها و اجزای آن‌ها است.» بنابراین، اسپکتروسکوپی (طیف‌سنجی)، به بررسی سیستم‌های فیزیکی از طریق تابش الکترومغناطیسی و برهمکنش آن با ماده یا تابش تولیدشده توسط آن‌ها گفته می‌شود و اسپکترومتری به فرایند اندازه‌گیری این تابش‌ها برای استخراج اطلاعات درباره خود سیستم و اجزای تشکیل‌دهنده آن اشاره دارد.

انواع اسپکتروسکوپی چیست؟

در قسمت قبل آموختیم اسپکتروسکوپی چیست. اسپکتروسکوپی یک تکنیک منحصر به فرد نیست و شامل تمامی روش‌هایی است که برهمکنش ماده با نور را بررسی می‌کنند. هر یک از روش‌های اسپکتروسکوپی بر روی یک نوع از امواج الکترومغناطیسی یا یک روش برهمکنش مشخص با نور تمرکز می‌کند.

برای مثال روش‌های اسپکتروسکوپی مختلف می‌توانند مواردی مانند طول موج فروسرخ برای بررسی ارتعاشات مولکولی، یا امواج اشعه ایکس برای بررسی ساختار اتمی باشند. هر یک از این روش‌ها اطلاعات مشخص و متفاوتی را در مورد ساختار ماده مشخص می‌کند. در ادامه مهم‌ترین انواع اسپکتروسکوپی را بررسی می‌کنیم.

اسپکتروسکوپی چرخشی

اسپکتروسکوپی چرخشی به بررسی نحوه چرخش مولکول‌های کوچک در یک فضای مشخص با استفاده از امواج ماکروویو می‌پردازد. در این روش شکل مولکول‌ها و طول پیوندهای شیمیایی مولکول مشخص می‌شود و معمولا برای مواد گازی و مطالعات اتمسفری استفاده می‌شود.

اسپکتروسکوپی ارتعاشی

اسپکتروسکوپی ارتعاشی شامل مطالعه برهمکنش مواد با امواج مادون قرمز و اسپکتروسکوپی رامان است که مشخص می‌کند مولکول چگونه ارتعاشاتی را از خود نشان می‌دهد. در این روش انبساط و خمیدگی پیوندهای مولکول بررسی می‌شود.

این ارتعاشات، اطلاعاتی را در مورد پیوندهای شیمیایی و گروه‌های عاملی مولکول مشخص می‌کند و نشان می‌دهد مولکول چگونه تشکیل شده است.

اسپکتروسکوپی الکترونی

اسپکتروسکوپی الکترونی معمولا در محدوده طیف مرئی - فرابنفش استفاده و بررسی می‌شود. این روش طیف شناسی، انتقال الکترون‌های ماده را بین اوربیتال‌ها و سطوح انرژی مختلف بررسی می‌کند. این روش اسپکتروسکوپی برای مطالعه رنگ، مزدوج شدن و ساختار الکترونی مولکول و اتم در ترکیبات آلی و معدنی استفاده می‌شود.

طیف چیست؟

در قسمت‌های قبل آموختیم اسپکتروسکوپی چیست. اسپکتروسکوپی یا طیف شناسی با استفاده از روش‌های طیف سنجی مختلف، برهمکنش نور با ماده را بررسی می‌کند. از برهمکنش نور با ماده، الگوهای مشخصی با شکل‌ها و رنگ‌های مشخص با اسم «طیف» (Spectra) به وجود می‌آید.

طیف‌ها با استفاده از آشکارسازها و محاسبات کامپیوتری که در طیف‌سنج‌ها وجود دارد نمایش داده می‌شوند. این طیف‌ها عموما بر روی نموداری قرار می‌گیرند تا مقدار دقیق طول موج و جذب و نشر مواد در آن طول موج‌ها مشخص شود. بدین ترتیب می‌توان با استفاده از طیف‌های مختلف ساختار مواد مختلف را مشخص و بررسی کرد.

انواع طیف

در قسمت‌های قبل آموختیم اسپکتروسکوپی یا طیف شناسی بررسی و مطالعه طیف‌های به دست آمده از روش‌های طیف سنجی است. تمامی طیف‌های به دست آمده از رو‌ش‌های طیف سنجی، برهمکنش نور با امواج الکترومغناطیس را نمایش می‌دهند. تفاوت انواع مختلف طیف‌ها، روش بررسی برهمکنش و همچنین، طول موج بررسی شده برهمکنش با نور است.

بدین ترتیب می‌توان طیف‌های مختلف را به دسته‌های زیر تقسیم و بررسی کرد.

• طیف پیوسته
• طیف جذبی
• طیف نشری
• طیف خورشیدی
• طیف عبوری
• طیف بازتابی

در ادامه این انواع مختلف طیف را بررسی می‌کنیم.

طیف پیوسته

یک طیف پیوسته، طیفی از رنگ‌های مختلف است که از بررسی برهمکنش ماده با نور به دست می‌آید. در این طیف تقریبا تمامی رنگ‌های نور مرئی به صورت پیوسته وجود دارند و مقدار شدت نور آن‌ها ممکن است اختلافی جزئی داشته باشد.

طیف پیوسته می‌تواند به عنوان پایه شروع بررسی سایر طیف‌ها مور استفاده قرار گیرد. در تصویر زیر یک نمونه طیف پیوسته مشخص شده است.

طیف جذبی

طیف جذبی نیز مانند طیف پیوسته به نظر می‌رسد با این تفاوت که برخی از طول موج‌ها (رنگ‌ها) کمرنگ‌تر هستند یا حذف شده و به صورت خطوط مشکی نمایان می‌شوند. این خطوط سیاه به عنوان خطوط جذب شناخته شده و برای هر عنصر منحصر به فرد هستند. نمایان شدن این خطوط به دلیل جذب طول موج‌های مشخصی از نور توسط ماده هستند. در تصویر زیر نمونه‌ای از طیف جذبی نمایش داده شده است.

طیف نشری

طیف نشری یک نوع طیف پیوسته است که از یک نوار سیاه با خطوط مشخص رنگی بر روی آن تشکیل شده است. خطوط رنگی با طول موج‌های مشخص نمایانگر طول موج‌هایی هستند که عناصر در آن‌ها نور دریافت شده را نشر یا بازتاب کرده‌اند. این طیف متضاد طیف جذبی است.

خطوط طیفی مشخص شده در طیف نشری دارای طول موج برابری با طیف جذبی برای همان عنصر هستند. در تصویر زیر نمونه‌ای از طیف نشری نمایش داده شده است.

طیف عبوری

طیف عبوری نوعی از طیف جذبی است. این طیف مربوط به جذب و عبور امواج الکترومغناطیس از یک ماده است. این طیف به صورت یک نمودار با قله‌ها (پیک‌های) مشخص نمایش داده می‌شود. در تصویر زیر نمونه‌ای از طیف عبوری نمایش داده شده است.

طیف خورشید

طیف خورشید یک طیف پیوسته متشکل از تعداد زیادی خطوط جذبی است. این خطوط مربوط به وجود عناصری در سطح خورشید هستند. برخی از طول موج‌های تولید شده توسط خورشید با عبور این امواج در فضا، توسط لایه‌های سردتر خورشید جذب شده و طیف خورشیدی را تشکیل می‌دهند.

طیف بازتابی

یک طیف بازتابی نموداری متشکل از خطوط و منحنی‌های رنگی بازتاب شده از سطح یک جسم یا ماده است. این طیف برای مطالعه ستارگان وسیاره‌های مختلف استفاده می‌شود و مقدار شدت وطول موج نور بازتاب شده را نمایش می‌دهد. دانشمندان زمین‌شناسی از طیف بازتابی برای مطالعه سنگ‌ها، خاک، آب‌های اقیانوس‌ها ، یخ‌های طبیعی و ... استفاده می‌کنند.

خطوط منحنی نمایش داده شده در این نوع طیف به طول موج جذب شده و عبوری، سختی جسم، شکل آن و جهت‌گیری آن در فضای سه‌بعدی بستگی دارد. این نوع طیف‌ها نسبت به طیف‌های جذبی نشری پیچیده‌تر هستند و مطالعه آن‌ها دشوارتر است.

انواع طیف سنجی

در قسمت‌های قبلی آموختیم اسپکتروسکوپی چیست. دانشمندان با استفاده از روش‌های مختلف طیف سنجی اسپکتروسکوپی می‌توانند ساختار مواد و مولکول‌های مختلف در نمونه‌های مجهول را به دست آورند. در ادامه، انواع روش‌های اسپکتروسکوپی و روش‌های طیف سنجی متناسب با آن‌ها را توضیح می‌دهیم.

پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با انواع روش‌های طیف سنجی، مطلب انواع طیف سنجی چیست مجله فرادرس را مطالعه کنید.

اسپکتروسکوپی جذبی - عبوری

در قسمت‌ها قبلی آموختیم اسپکتروسکوپی جذبی چیست. این روش شامل جذب طول موج‌های مختلف توسط عناصر موجود در یک ماده در اثر برهمکنش با امواج الکترومغناطیسی است. با عبور نور از یک ماده، طول موج‌های مشخصی توسط نمونه جذب شده و باعث انتقال سطوح انرژی در اتم‌ها یا مولکول‌ها می‌شود. میزان شدت جذب به غلظت مواد جذب کننده در نمونه بستگی دارد.

از اسپکتروسکوپی جذبی برای تعیین غلظت مواد در نمونه نیز استفاده می‌شود. در ادامه، می‌آموزیم انواع روش‌های طیف سنجی اسپکتروسکوپی جذبی چیست. روش‌هایی مانند طیف سنجی فرابنفش - مرئی، طیف سنجی فروسرخ، طیف سنجی جذبی اشعه ایکس، طیف سنجی جذب اتمی، طیف سنجی فروسرخ نزدیک، طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) و طیف‌سنجی نجومی همگی از روش‌های اسپکتروسکوپی جذبی برای بررسی مواد استفاده می‌کنند.

طیف سنجی فرابنفش - مرئی

در روش طیف سنجی فرابنفش - مرئی (Ultraviolet-Visible (UV-Vis) Spectroscopy) میزان جذب نمونه در محدوده نور مرئی و فرابنفش (بین ۲۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر) بررسی می‌شود. در این محدوده برخی از مواد نور را در طول موج مشخصی جذب می‌کنند.

این روش طیف سنجی برای تعیین میزان غلظت ترکیبات آلی، فلزات و کمپلکس‌های فلزات واسطه استفاده می‌شود. از این روش به شکل گسترده‌ای در آنالیزهای شیمیایی و بیوشیمیایی استفاده می‌شود.

طیف سنجی فروسرخ

روش طیف سنجی فروسرخ (Infrared (IR) Spectroscopy) میزان جذب مواد مختلف را در محدوده فروسرخ (مادون قرمز) که در محدود طول موج ۴۰۰۰ تا ۴۰۰ $$cm^{-1}$$ بررسی می‌کند. این طول موج امواج الکترومغناطیسی باعث ایجاد ارتعاشات مولکولی می‌شود. روش طیف سنجی فروسرخ برای شناسایی گروه‌های عاملی در مولکول‌های آلی و شناسایی پیوندهای شیمیایی استفاده می‌شود. این روش در شیمی آلی، پایش‌های زیست محیطی و علم مواد استفاده می‌شود.

طیف سنجی جذبی اشعه ایکس

طیف سنجی جذبی اشعه ایکس (X-ray Absorption Spectroscopy (XAS)) میزان جذب این اشعه را در یک نمونه بررسی می‌کند. تابش اشعه ایکس به نمونه باعث برانگیخته شدن الکترون‌های درونی شده و اطلاعاتی در مورد ساختار کلی ماده و محیط الکترونی عناصر مختلف را مشخص می‌کند.

این روش طیف سنجی برای آنالیز مواد (خصوصا در علم مواد و متالورژی، شیمی و کاتالیست‌ها) استفاده می‌شود. به دست آوردن اطلاعات در مورد کوئوردیناسیون ماده، حالت اکسایش آن و ساختار الکترونی از کاربردهای این روش است.

طیف سنجی جذب اتمی

طیف سنجی جذب اتمی (Atomic Absorption Spectroscopy (AAS)) میزان جذب نور اتم‌های آزاد در حالت گازی را بررسی می‌کند. در این روش نمونه معمولا با کوره گرافیتی یا شعله حرارت داده شده و اتم آزاد در حالت گازی تولید می‌شود و برهمکنش عنصر آن با نور بررسی می‌شود.

این روش برای اندازه‌گیری و بررسی مقادیر ناچیز فلزات در نمونه‌های مختلف استفاده شده و در حوزه‌های محیط زیست، داروشناسی و داروسازی و آنالیز مواد غذایی کاربرد دارد. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این روش اسپکتروسکوپی، فیلم آموزش طیف سنجی اتمی فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

طیف سنجی فروسرخ نزدیک

در طیف سنجی فروسرخ نزدیک (Near-Infrared (NIR) Spectroscopy)، میزان جذب نمونه درمحدوده فروسرخ نزدیک (۱۰۰۰ تا ۲۵۰۰ نانومتر) بررسی می‌شود. امواج فروسرخ در این محدوده با تن‌های بالا هستند و مجموعه‌های ارتعاشات مولکولی مخصوصا در شیمی آلی را به دنبال دارند.

این روش طیف سنجی در زمینه‌های کشاورزی، داروسازی و صنایع غذایی برای آنالیزهای غیرتخریبی مواد استفاده می‌شود. برای مثال بررسی محتوای رطوبت، چربی و پروتئین مواد از کاربردهای این طیف سنجی است.

طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR)

روش تبدیل فوریه در طیف‌سنجی روشی است که به‌جای بررسی جداگانه هر طول موج، یک بازه وسیع از طول موج‌های نور را به‌طور هم‌زمان به نمونه می‌تاباند. این نور می‌تواند در ناحیه‌های مختلف طیف مثل فروسرخ باشد و هنگام عبور یا بازتاب از نمونه، با آن برهم‌کنش می‌کند.

بعضی از طول موج‌ها توسط پیوندهای شیمیایی موجود در ماده جذب می‌شوند، به‌خصوص طول موج‌هایی که با نوع ارتعاش یا کشش آن پیوندها هماهنگ هستند. در نهایت دستگاه با استفاده از محاسبات ریاضی، مشخص می‌کند کدام طول موج‌ها جذب شده‌اند و از روی آن‌ها می‌توان نوع پیوندها و ساختار ماده را تشخیص داد.

طیف‌سنجی نجومی

طیف‌سنجی نجومی روشی است که اخترشناسان برای تعیین ترکیب عنصری اجرام آسمانی دوردست، که امکان نمونه‌برداری آزمایشگاهی از آن‌ها وجود ندارد، استفاده می‌کنند. این اجرام در سراسر طیف الکترومغناطیسی تابش گسیل می‌کنند. با این حال، هر عنصر چندین طول موج مشخص از نور را جذب می‌کند. بنابراین، با اندازه‌گیری طول موج‌هایی از نور که توسط آن نمونه بسیار بزرگ گسیل نمی‌شوند، می‌توان نوعی اثر انگشت از تمام عناصر موجود به دست آورد.

اسپکتروسکوپی نشری

در قسمت‌های قبل آموختیم مفهوم نشر در اسپکتروسکوپی چیست. اسپکتروسکوپی نشری (Emission Spectroscopies) بر اساس اصل تابش نور (فوتون) توسط اتم‌ها در حالت برانگیخته استوار است. با برانگیخته کردن اتم‌های مواد و بازگشت آن‌ها به حالت پایه، نور با طول موجی مشخص (دقیقا برابر با اختلاف سطوح انرژی بین حالت برانگیخته و حالت پایه دوم)، منتشر می‌شود.

نور تابیده شده از اتم برای آنالیز و بررسی ساختار و غلظت عناصر مختلف در نمونه‌ها استفاده می‌شود. در ادامه می‌آموزیم روش‌های طیف سنجی بر پایه اسپکتروسکوپی نشری چیست.

طیف سنجی فلورسانس

برخی از مولکول‌ها نور را در محدوده طول موج نور مرئی و فرابنفش جذب کرده و سپس آن‌را با طول موجی بلندتر با بازگشت به حالت پایه منتشر می‌کنند. این پدیده اساس طیف سنجی فلورسانس (Fluorescence Spectroscopy) است و طول موج نشر حاصل از این بازتاب برای آن‌ها اندازه‌گیری و بررسی می‌شود.

این روش برای تشخیص و سنجش کمیت مقادیر ناچیز ترکیبات مختلف در نمونه‌های بیولوژیکی، محیط زیستی و شیمیایی استفاده می‌شود. طیف سنجی فلورسانس انتخاب پذیری و دقت بسیار بالایی دارد.

طیف سنجی نشر اتمی

در طیف سنجی نشر اتمی (Atomic Emission Spectroscopy (AES))، اتم‌ها توسط شعله، پلاسما یا قوس الکتریکی برانگیخته می‌شوند. سپس با بازگشت آن‌ها به حالت پایه، امواج نشر شده از آن‌ها اندازه‌گیری و بررسی می‌شود.

این روش برای آنالیز عناصر تشکیل دهنده یک نمونه، خصوصا در نمونه‌های زیست محیطی، صنعتی و دارویی استفاده می‌شود.

طیف سنجی انتشار اتمی پلاسمای جفت شده القایی

در روش طیف سنجی انتشار اتمی پلاسمای جفت شده القایی (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES))، یک نمونه با تابش پلاسما (گاز یونیزه شده با دمای بالا) برانگیخته می‌شود. با بازگشت الکترون‌های نمونه به حالت پایه، میزان نشر آن‌ها در این روش طیف سنجی بررسی می‌وشد.

این روش می‌تواند پاسخ‌های دقیق و حساس با سنجش همزمان چند عنصر را فراهم کند. به همین دلیل از آن در تست‌های زیست محیطی، بررسی سلامت مواد غذایی و آنالیز مواد استفاده می‌شود.

اسپکتروسکوپی نشر شعله

در این روش طیف سنجی اسپکتروسکوپی نشری، با قرار دادن نمونه در معرض شعله، آن را اتم‌سازی شده و برانگیخته می‌کنند. با بازگشت الکترون‌های برانگیخته به حالت پایه، و بررسی طیف‌های نشر شده از آن، عناصر موجود در نمونه مشخص و شناسایی می‌شوند.

روش اسپکتروسکوپی نشر شعله (Flame Emission Spectroscopy (FES))، برای بررسی احتمال حضور یون‌های فلزی در محلول‌های آبی استفاده می‌شود.

اسپکتروسکوپی نشر اشعه ایکس

اشعه ایکس با یک نمونه برهمکنش کرده و باعث حدا شدن الکترون‌های لایه‌های درونی الکترونی آن می‌شود. در روش اسپکتروسکوپی نشر اشعه ایکس (X-ray Emission Spectroscopy)، اتم‌ها پس از جدا شدن این الکترون‌ها انرژی را به شکل فلورسانس اشعه ایکس آزاد می‌کنند و این انرژی اندازه‌گیری می‌شود. این روش برای آنالیزهای عنصری، به خصوص در علم مواد و زمین شناسی استفاده می‌شود.

اسپکتروسکوپی پراکندگی

اسپکتروسکوپی پراکندگی (Scattering Spectroscopies)، شامل پراکنده شده نور توسط مولکول‌ها یا ذرات نمونه است. در این روش اسپکرتوسکوپی، بر خلاف جذب، نور در اثر برخورد با ذرات نمونه جذب نشده و به جهت‌های مختلف پراکنده می‌شود. میزان شدت و الگوی پراکندگی نور می‌تواند اطلاعاتی درباره اندازه، شکل و خواص ذرات و ساختار مولکولی نمونه را نشان دهد.

در ادامه می‌آموزیم روش‌های مختلف طیف سنجی در اسپکتروسکوپی پراکندگی چیست.

طیف سنجی رامان

طیف سنجی رامان (Raman Spectroscopy)، پراکندگی‌های غیر الاستیکی نور (پراکندگی رامان) را اندازه‌گیری می‌کند. این پراکندگی در اثر برخورد نور با ارتعاشات مولکولی انجام می‌شود و در نتیجه آن، نور در یک فرکانس مشخص پراکنده شده و اطلاعاتی در مورد ساختار مولکولی و پیوندهای شیمیایی نمونه مشخص می‌شود.

از این روش برای مطالعه ارتعاشات مولکولی، ساختار شیمیایی و گروه‌های عاملی استفاده می‌شود. همچنین، این روش به شکل گسترده‌ای در علم مواد، شیمی و مطالعات زیستی استفاده می‌شود.

پراکنش رایلی

پراکنش رایلی (Rayleigh Scattering)، یک روش طیفسنجی شامل پراکنش الاستیک نور است که توسط مولکول‌ها یا ذرات نمونه انجام می‌شود. نور پراکنده شده فرکانسی برابر با نور تابیده شده دارد. از این روش عموما برای مطالعه اندازه، شکل و غلظت ذرات کوچک ماده مانند ذرات آئروسل‌ها، کلوییدها و نانومواد استفاده می‌شود.

پراکنش نور دینامیک

در این روش میزان تغییرات در شدت نور پراکنده شده طی حرکت ذرات در یک محلول اندازه‌گیری می‌شود. از روش پراکنش نور دینامیک (Dynamic Light Scattering (DLS))، می‌توان برای تعیین اندازه و پخش ذرات در محلول استفاده کرد. این روش بیشتر برای سنجش و بررسی ذرات نانومواد، کلوئیدها و بیومولکول‌ها در سوسپانسیون‌ها استفاده می‌شود.

پراکنش نوترونی

در این روش از ذرات نوترون بجای نور برای بررسی و پایش پراکندگی توسط ذرات استفاده می‌شود. پراکنش نوترونی (Neutron Scattering)، اطلاعاتی را درباره ساختار اتمی و مولکولی نمونه، به ویژه برای مواد با اتم‌های سبک مانند هیدروژن استفاده می‌شود. از این روش در علم مواد، زیست شناسی و شیمی برای مطالعه ساختارهای اتمی و مولکولی مواد نرم و کمپلکس‌ها استفاده می‌شود.

پراکنش کامپتون

در روش پراکنش کامپتون (Compton Scattering)، از پراکندگی غیرالاستیک اشعه ایکس یا امواج گاما توسط الکترون‌ها استفاده می‌شود. تغییرات انرژی و جهت‌گیری فوتون‌های پراکنده شده اطلاعاتی درباره چگالی الکترونی و ساختار و ویژگی مواد را فراهم می‌کند. کاربردهای عمده این روش در فیزیک و علم مواد برای مطالعه ساختار الکترونی و چگالی مواد است.

روش‌های پر انرژی و تبدیل فوریه

روش‌های پر انرژی، مانند طیف‌سنجی پرتو ایکس و طیف‌سنجی پرتو گاما، از فوتون‌های پر انرژی برای بررسی ساختار درونی اتم‌ها و مواد استفاده می‌کنند. این روش‌ها برای مطالعه آرایش الکترونی و ویژگی‌های ساختاری در مقیاس اتمی بسیار مهم هستند. روش‌های تبدیل فوریه، که در تکنیک‌هایی مانند طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) به کار می‌روند، شامل اندازه‌گیری هم‌زمان گستره وسیعی از طول موج‌ها هستند.

این روش‌ها وضوح و سرعت جمع‌آوری داده‌های طیفی را افزایش می‌دهند و امکان تحلیل دقیق نمونه‌های پیچیده را فراهم می‌کنند. ترکیب روش‌های پر انرژی و روش‌های تبدیل فوریه، اطلاعات جامعی درباره ویژگی‌های مواد ارائه می‌دهد.

سایر روش‌های اسپکتروسکوپی

بسیاری از روش‌های طیف‌سنجی دیگر نیز در صنعت و دانشگاه استفاده می‌شوند، اما اغلب بر پایه همان اصول کلی روش‌های رایج مثل جذب، نشر یا پراکندگی نور هستند. از جمله این روش‌ها می‌توان به دایره‌دوگسیل (Circular Dichroism Spectroscopy) و الیپسومتری طیفی (Spectroscopic Ellipsometry) اشاره کرد که هرکدام برای بررسی ویژگی‌های خاص مواد، مانند ساختار مولکولی، اندازه ذرات یا خواص نوری سطح به کار می‌روند.

یکی از روش‌های مهم که برخلاف روش‌های معمول جذب، نشر یا پراکندگی عمل می‌کند، طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) است. در شیمی آلی، NMR برای بررسی آرایش پیوندها در یک مولکول استفاده می‌شود و می‌تواند اطلاعات دقیقی درباره تعداد و محل اتم‌هایی مانند هیدروژن، کربن یا سایر عناصر در نمونه ارائه دهد.

تجهیزات اسپکتروسکوپی چیست؟

روش‌های اسپکتروسکوپی برای بررسی برهمکنش بین نور و ماده از تجهیزات متعدد، گوناگون و دقیقی استفاده می‌کنند. این تجهیزات برای تهیه داده‌های دقیق و مشخص طراحی شده‌اند. در ادامه برخی از مهم‌ترین تجهیزات اسپکتروسکوپی را معرفی می‌کنیم.

اسپکترومتر (طیف سنج)

اسپکترومتر وسیله‌ای است که خواص نور را طی نسبت مشخصی از طیف الکترومغناطیسی اندازه می‌گیرد. از این وسیله برای آنالیز محتوای طیفی نور و شناسایی ساختار تشکیل‌دهنده ماده استفاده می‌شود.

اسپکتروفوتومتر (طیف سنج نوری)

اسپکتروفوتومتر یک نوع طیف‌سنج است که میزان شدت نور را به عنوان تابعی از فرکانس طول موج اندازه می‌گیرد. این وسیله عموما برای آنالیز کمی نمونه با استفاده از اندازه‌گیری جذب و انتقال نور استفاده می‌شود.

اسپکتروگراف (طیف نگار)

این وسیله طیف را مشخص کرده و ضبط می‌کند. این کار با استفاده از پایش نور جذب شده، نشر شده یا پراکنده شده توسط یک نمونه انجام می‌شود. این وسیله در کاربردهای گوناگونی مانند علم مواد برای به دست آوردن اطلاعات دقیق طیفی استفاده می‌شود.

منبع نور

منبع نور روشنایی لازم برای انجام طیف‌سنجی را فراهم می‌کند. بسته به نوع طیف‌سنجی، ممکن است از منابع نوری مختلفی مانند لامپ‌ها، لیزرها یا LEDها استفاده شود. کیفیت و پایداری منبع نور برای دستیابی به اندازه‌گیری‌های دقیق اهمیت بسیار زیادی دارد.

همچنین، ممکن است در روش‌های اسپکتروسکوپی از منابع پرتوزای دیگری مانند منابع لیزر، فلزات برانگیخته شده یا منابع الکترون یا نوترون پرانرژی نیز استفاده شود.

توری پراش

یکی از اجزای کلیدی در بسیاری از دستگاه‌های طیف‌سنجی، توری پراش است. توری پراش نور را به طول موج‌های تشکیل‌دهنده آن تجزیه می‌کند. این ویژگی امکان اندازه‌گیری دقیق طیف و شناسایی طول موج‌های ویژه مربوط به مواد مختلف را فراهم می‌سازد.

کووِت (ظرف نمونه)

کووت (Cuvette) ظرف کوچک و شفافی است که برای نگهداری نمونه‌های مایع در طیف‌سنجی جذبی استفاده می‌شود. کووت‌ها بر اساس محدوده طول موج مورد مطالعه انتخاب می‌شوند. انتخاب مناسب کووت باعث می‌شود اندازه‌گیری جذب با دقت بیشتری انجام شود، زیرا تداخل‌ها کاهش یافته و عبور نور به حداکثر می‌رسد. طراحی و جنس کووت نقش بسیار مهمی در قابل‌اعتماد بودن نتایج تحلیل طیف‌سنجی دارند.

آشکارساز

آشکارسازها (Detectors) یکی از مهم‌ترین اجزای تجهیزات اسپکتروسکوپی هستند. این وسایل می‌توانند اطلاعات طیفی به دست آمده از نمونه را به نمودارها و داده‌های ریاضی قابل تحلیل تبدیل کنند.

آشکارسازهای اسپکتروسکوپی به سه نوع عکاسی، فوتوالکتریکی و نیمه رسانا تقسیم می‌شوند. نوع عکاسی مانند فیلم، نور را مستقیما ثبت می‌کند. آشکارسازهای فوتوالکتریکی مانند فوتومولتی پلایر با تبدیل فوتون‌ها به الکترون و تقویت آن‌ها کار می‌کنند. آشکارسازهای نیمه رسانا مانند CCD نیز نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کنند. به طور کلی، همه آشکارسازها وظیفه دارند نور را به سیگنال قابل اندازه‌گیری تبدیل کنند.

کاربرد اسپکتروسکوپی چیست؟

اسپکتروسکوپی تکنیکی کاربردی و قدرتمند است که به شکل گسترده‌ای در آزمایشگاه‌ها برای کاربردهای مختلف استفاده می‌شود. قابلیت ارائه اطلاعات دقیق در مورد ساختار و ویژگی‌های مواد، دلیل استفاده گستره از این روش در زمینه‌های علمی و تحقیقاتی گوناگون است.

در ادامه مهم‌ترین کاربردهای اسپکتروسکوپی را در زمینه‌های تحقیقاتی گوگانون بررسی می‌کنیم.

آنالیز کمی نمونه

اسپکتروسکوپی به شکل عمده‌ای برای آنالیز کمی نمونه‌های مختلف استفاده می‌شود. این روش به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا به شکلی دقیق میزان غلظت مواد و ترکیبات مختلف را در نمونه اندازه‌گیری کنند. تکنیک‌هایی مانند طیف سنجی فرابنفش - مرئی و طیف سنجی جذب اتمی بیشتر برای اندازه‌گیری کمی مقدار یک ماده حاضر در نمونه استفاده میشوند.

این اندازه‌گیری‌های کمی اساس بسیاری از تحقیقات و آنالیزهای شیمیایی، دارویی و زیست‌محیطی است.

شناسایی ناخالصی مواد

یکی از مهم‌ترین کاربردهای روش‌های اسپکتروسکوپی، تعیین و اندازه‌گیری ناخالصی‌ها و آلودگی‌های مختف در نمونه‌ها است. این اندازه‌گیری‌ها شامل شناسایی ناخالصی‌ها در مواد دارویی، آلودگی‌ها در نمونه‌های محیط زیستی و آلودگی‌ها در مواد غذایی است. روش‌هایی مانند طیف سنجی جرمی و طیف‌سنجی مادون قرمز می‌توانند حتی مقادیر ناچیز این ناخالصی‌ها را در نمونه‌ها، تعیین و اندازه‌گیری کنند.

این پایش‌ها برای اطمینان از سلامت و کیفیت مواد مصرفی مختلف و محیط زیست اهمیت بسیاری دارد.

آنالیز پروتئین‌ها و مولکول‌های زیستی

در بیوشیمی و زیست‌شناسی مولکولی، اسپکتروسکوپی برای مطالعه پروتئین‌ها، نوکلئیک اسیدها و سایر مولکول‌های زیستی استفاده می‌شود. تکنیک‌هایی مانند طیف‌سنجی دوگسیل دورانی (Circular Dichroism) و طیف سنجی فلورسانس می‌تونند اطلاعات مفیدی درباره ساختار، عملکرد و برهمکنش مولکول‌های زیستی فراهم کنند.

این اطلاعات برای شناخت و درک فرآیندها زیستی و توسعه استراتژی‌های درمانی جدید بسیار حیاتی است.

آنالیز شیمیایی و تعیین سطح انرژی

اسپکتروسکوپی یک ابزار اساسی در آنالیز شیمیایی است که امکان شناسایی و بررسی ویژگی‌ها و ساختار مواد شیمیایی را فراهم می‌‌کند. روش‌هایی مانند طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته و طیف سنجی رامان برای بررسی ساختار مولکولی ترکیبات شیمیایی و سطوح انرژی آن‌ها استفاده می‌شود.

این اطلاعات، برای مطالعات شیمیایی، علوم مواد و سایر حوزه‌های مطالعاتی مرتبط بسیار کاربردی و حیاتی هستند.

سایر کاربردها

اسپکتروسکوپی به شیمی‌دانان کمک می‌کند جزئیات مولکولی را که به‌طور مستقیم قابل مشاهده نیستند ببینند. طیف‌سنجی NMR آرایش اتم‌ها را آشکار می‌کند، طیف‌سنجی مادون‌قرمز (IR) گروه‌های عاملی را نشان می‌دهد و طیف‌سنجی UV-Vis گذارهای الکترونی را شناسایی می‌کند. این روش‌ها در کنار هم تصویری کامل از ساختار شیمیایی ارائه می‌دهند.

در ادامه برخی دیگر از کاربردهای اسپکتروسکوپی را نام می‌بریم.

• تعیین ساختار مولکول‌ها و آرایش اتم‌ها
• شناسایی گروه‌های عاملی در ترکیبات
• بررسی گذارهای الکترونی مواد
• پایش و کنترل روند واکنش‌های شیمیایی
• بهینه‌سازی فرایندهای صنعتی
• کنترل و تضمین کیفیت محصولات شیمیایی
• شناسایی ترکیب ستارگان در نجوم
• بررسی پوشش‌ها، سوخت‌ها و مواد شیمیایی در صنایع
• تشخیص آلاینده‌ها و گازهای زیست‌محیطی
• کمک به تشخیص زودهنگام بیماری‌ها در پزشکی
• تحلیل نمونه‌های خون و بافت بدون آسیب رساندن به آن‌ها
• استفاده در داروسازی و علم مواد

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم اسپکتروسکوپی چیست. اسپکتروسکوپی یا طیف سنجی، مطالعه برهمکنش نور و سایر امواج الکترومغناطیسی با ماده است و از روی جذب، نشر یا پراکندگی نور می‌توان نوع، ساختار و مقدار مواد را شناسایی کرد. هر ماده طیف مخصوص به خود را دارد و این طیف مانند اثر انگشت برای شناسایی آن عمل می‌کند. روش‌های اصلی اسپکتروسکوپی شامل جذبی، نشری و پراکندگی هستند. در طیف سنجی جذبی مانند UV-Vis و IR، مقدار نور جذب شده بررسی می‌شود. UV-Vis برای انتقال‌های الکترونی و تعیین غلظت کاربرد دارد و IR برای شناسایی گروه‌های عاملی استفاده می‌شود. در طیف سنجی نشری مانند فلورسانس و نشر اتمی نیز نور گسیل شده از مواد برانگیخته اندازه‌گیری می‌شود.

در روش‌های پراکندگی مانند رامان، پراکندگی نور اطلاعاتی درباره ساختار مولکولی می‌دهد و روش‌هایی مانند NMR نیز آرایش اتم‌ها و ساختار مولکول را مشخص می‌کنند. تجهیزات مهم اسپکتروسکوپی شامل منبع نور، توری پراش، کووت، طیف سنج و آشکارساز هستند. آشکارسازها نور را به سیگنال قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کنند و می‌توانند عکاسی، فوتوالکتریکی یا نیمه رسانا باشند. اسپکتروسکوپی در شیمی، پزشکی، داروسازی، صنایع غذایی، محیط زیست، نجوم و علم مواد برای شناسایی مواد، تعیین غلظت، بررسی ناخالصی‌ها و مطالعه ساختار مولکول‌ها کاربرد گسترده دارد.