انواع طیف سنجی چیست؟ – زبان ساده + روش ها، کاربرد و مثال
طیفسنجی تعامل میان نور و ماده را بررسی میکند، که در آن جذب و تابش نور یا تابشهای دیگر توسط ماده اندازهگیری میشود. این تکنیک عمدتا به بررسی پراکندگی نور و تابشهای دیگر که توسط یک جسم ایجاد میشود، میپردازد و ویژگیهای مختلف جسم را مورد مطالعه قرار میدهد. روش طیفسنجی انواع مختلفی دارد که از آنها میتوان به طیفسنجیهای فرابنفش، فروسرخ، گاما، NMR و... اشاره کرد. اندازهگیریها در طیفسنجی به طول موج تابش مشاهده شده وابسته است. بر این اساس، روشهای متفاوتی برای انجام طیفسنجی وجود دارد و دستگاههای مختلفی تا به امروز برای این منظور تولید شده اند. طیفسنجی به طور گستردهای استفاده میشود، زیرا این روش امکان تعیین ترکیب، ساختار فیزیکی و الکترونیکی ذرات در سطوح مولکولی یا اتمی را فراهم میآورد. در این مطلب از مجله فرادرس به بررسی اساس کار طیفسنجی، اصلاحات و تعاریف آن و تشریح انواع طیف سنجی میپردازیم.
با استفاده از انواع طیف سنجی، میتوان ویژگیهای دقیق مواد را در مقیاسهای مختلف بررسی کرد و به اطلاعات مهمی درباره ساختار و رفتار آنها دست یافت. در ابتدای این مطلب به شکلی خلاصه با انواع طیف سنجی آشنا میشویم و اساس کار دستگاههای طیفسنجی از جمله انتقالات الکترونی و جذب و نشر نور را توضیح میدهیم. سپس با انواع مختلف دستگاههای طیفسنج آشنا شده و محدوده طیفهای الکترومغناطیسی را بررسی میکنیم. در ادامه با اصطلاحات رایج طیفسنجی مانند تکفامساز و آشکارساز آشنا میشویم و در نهایت ۲۲ نوع از انواع طیف سنجی را همراه با اساس کار و مراحل کار و کاربردهایشان بررسی میکنیم. با مطالعه این مطلب تا انتها با هریک از این انواع طیف سنجی و جزئیات آنها آشنا شوید.
انواع طیف سنجی چیست؟
طیفسنجی یک روش بسیار تخصصی و خاص است که بسیاری از رشتهها و تخصصها به آن وابسته است. در ادامه به لیستی از انواع روشهای طیفسنجی اشاره شده است.
- طیفسنجی جذبی
- طیفسنجی فروشکست القایی لیزر (LIBS)
- طیفسنجی فرابنفش
- طیفسنجی فرابنفش-مرئی
- طیفسنجی نجومی
- طیفسنجی جذب اتمی
- طیفسنجی مادون قرمز تبدیل فوریه
- طیفسنجی پرتو گاما
- طیفسنجی مادون قرمز
- طیفسنجی رزونانس مغناطیسی
- طیفسنجی جرمی
- طیفسنجی مولکولی
- طیفسنجی رزونانس مغناطیسی هسته
- طیفسنجی فوتوالکترون
- طیفسنجی رامان
- طیفسنجی پرتو ایکس فوتوالکترون
- طیفسنجی مقاومت الکتروشیمی
- طیفسنجی نشری
- طیفسنجی پراکندگی انرژی
- طیفسنجی رزونانس چرخش الکترونی
- طیفسنجی دیکروییسم دایرهای
- طیفسنجی فلوئورسانس
انواع طیف سنجی علاوهبر پشتیبانی از نظریههای اولیه در تحقیقات کوانتومی در ساختار اتمی و پرتوشناسی، کاربردهای زیاد و قابل توجهی نیز دارد. برای مثال دستگاههای تصویربرداری مغناطیسی رزونانسی (MRI)، دستگاههای تصویربرداری X-RAY از یک سیستم طیفسنجی با فرکانس امواج رادیویی بهره میبرند. از طیفسنجی حتی در تست دوپینگهای ورزش نیز استفاده میشود.
بسته به برهمکنش مواد با نور تابیده شده به آنها در طیفسنج و همچنین طول موج مورد استفاده در این دستگاهها، چندین روش طیفسنجی وجود دارد. انواع طیف سنجی میتوانند از مادون قرمز، فرابنفش، مرئی، جذب اتمی باشد و حتی در مدلهای پیشرفته تر در دستگاههای طیفسنجی دیکروییسم دایرهای یا فلوئورسانس، خاصیتهایی منحصر به فرد در مواد اندازهگیری شود. در ادامه این مطلب با انواع و روشهای کار این دستگاهها آشنا خواهیم شد.
طیف سنجی چیست؟
از میان تکنیکهای علمی که برای تحلیل ماده به کار میرود، انواع طیف سنجی یکی از مفیدترین ابزارها به شمار میروند. این شاخه بسیار تخصصی، نحوه جذب و انتشار نور توسط ماده را بررسی میکند و دادههای آن برای تحلیل نمونهها در مقیاسهای ماکرو، مولکولی و اتمی مورد استفاده قرار میگیرد. طیفسنجی با بهرهگیری از مفهوم استفاده از منشور برای تجزیه نور سفید به رنگهای مختلف، تابش الکترومغناطیسی را به طولموجهای مختلف پراکنده کرده و طیفی را ایجاد میکند. طیفسنجی برای شناسایی عناصر و دستیابی به ویژگیهای منحصربهفرد یک نمونه استفاده میشوند. توانایی بررسی ماده با چنین جزئیاتی، طیفسنجی را به ابزاری مهم در تحقیقات گستردهای از جمله تصویربرداری پزشکی و تحلیل بافت گرفته تا تحقیقات نجومی تبدیل کرده است. این امر منجر به توسعه انواع مختلف طیفسنجی شده است که معمولا بر اساس منبع انرژی تابشی مورد استفاده برای انتشار نور و ایجاد واکنشها دستهبندی میشوند.
انواع طیف سنجی مطالعه جذب و انتشار نور و سایر تابشها توسط ماده است. این فرآیند شامل تجزیه نور (یا دقیقتر تابش الکترومغناطیسی) به طولموجهای تشکیلدهنده آن (یک طیف) است. در حقیقت، طیفسنجیهای قدیمی با استفاده از منشور و صفحات عکاسی انجام میشد. طیفسنجی مدرن از توری پراش برای پراکندن نور استفاده میکند، که سپس بر روی آشکارسازهایی مانند CCDها (دستگاههای جفتشده باردار) مشابه با آنهایی که در دوربینهای دیجیتال به کار میرود، قرار میگیرد. طیفهای دوبعدی بهراحتی از این فرمت دیجیتال استخراج و به طیفهای یکبعدی تبدیل میشوند که دادههای بسیار مفیدی را در خود دارند. در سالهای اخیر، تعریف انواع طیف سنجی گسترش یافته و شامل مطالعه تعاملات بین ذراتی مانند الکترونها، پروتونها و یونها، و همچنین تعاملات آنها با سایر ذرات بهعنوان تابعی از انرژی برخورد آنها نیز شده است. انواع طیف سنجی مختلف برای کاربردهای متفاوتی مناسب هستند و هر تکنیک مزایا و معایب خاص خود را دارد. در ادامه، نگاهی دقیقتر به انواع طیف سنجی و نحوه استفاده از این تکنیکها در کاربردهای متنوع داریم.
یادگیری اصول طیف سنجی با فرادرس
روشهای طیفسنجی یکی از مهمترین روشهای شناسایی و تشخیص ترکیبات و عناصر به شمار میآید. کاربرد این روش به حدی گسترده است که همواره روشهای جدید و دستگاههای متفاوتی برای آنالیز ترکیبات به وسیله طیفسنجی به بازار عرضه میشود. بنابراین شناخت روشهای طیفسنجی و کاربرد آنها یکی از اصول مهم در مسیر تحصیل هر محققی است. برای شناخت طیفسنجی و اصول آن باید با مفاهیمی مانند موقعیت الکترونها و رفتار آنها در اثر انرژیهای مختلف، میدانهای الکترومغناطیسی، مکانیسم جذب و نشر نور، تحلیل طیفهای اسپکترومتری و... آشنا شوید. مجموعه فیلم آموزش شیمی دانشگاهی به شکلی روان و کاربردی این مفاهیم را در دورههای آموزش جداگانه ای مانند آموزش کاربرد طیفسنجی در شیمی آلی توضیح میدهند. پیشنهاد میکنیم برای یادگیری بیشتر و عمیقتر این مفاهیم از این مجموعه آموزشی استفاده کنید.
همچنین با مراجعه به فیلمهای آموزشی فرادرس که لینک آن در زیر آورده شده میتوانید به آموزشهای بیشتری در زمینه انواع طیف سنجی، دسترسی داشته باشید.
- فیلم آموزش آنالیز طیفسنجی فرابنفش UV و مرئی
- فیلم آموزش تحلیل طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی EIS با ZVIEW
- فیلم آموزش طیفسنجی جرمی اتمی
محدوده طیف الکترومغناطیسی
احتمالا در متون مختلف با واژه طیف الکترومغناطیسی نور رو به رو شده اید. طیف نور، معمولا به رنگهای مشاهده شده از پراکندگی نور به وسیله منشور گفته میشود. یک محدوده طیف وسیع برای نور اندازهگیری شده که شامل فرکانسها و طولموجهای مختلف است. طول موج به فاصله دو قله در یک طیف موج نور گفته میشود. در این طیف از چپ به راست، طول موج نور افزایش یافته و انرژی و فرکانس آن کم میشود. تعداد موجهایی که در یک زمان مشخص از یک نقطه عبور میکند را فرکانس میگویند.
بسیاری از طیفهای الکترومغناطیسی موجود در طبیعت با چشم انسان قابل دیدن نیستند. نور در این طیف در محدوده طول موجی بین تا متر دستهبندی شده است. هر محدوده این طیف بنا بر طول موج و ویژگیهایش نامهای مختلفی دارد. همانگونه که در تصویر مشاهده میکنید، از چپ به راست، گاما، ایکس، فرابنفش، مرئی، مادون قرمز (فروسرخ) و رادیویی این محدوهها هستند. برای مثال، محدوده فرابنفش طیف از ۱۰ نانومتر تا ۴۰۰ نانومتر و محدوده نزدیک به مادون قرمز از ۷۵۰ نانومتر تا ۱۴۰۰ نانومتر را پوشش میدهد.
اصطلاحات رایج طیف سنجی
در مطالعه متون مربوط به طیفسنجی و بررسی انواع طیف سنجی ممکن است با اصطلاحاتی همچون جذب، نشر، تکفامساز، آشکارساز و... مواجه شوید. در جدول زیر به توضیح این موارد و اصطلاحات پرداختهایم.
اصطلاح | توضیح |
طیف | به مجموعهای از طول موجها یا فرکانسها گفته میشود که توسط امواج الکترومغناطیس ایجاد میشوند. |
طیفسنج | دستگاهی برای اندازهگیری ویژگیهای نور یا قسمت مشخصی از طیف الکترومغناطیس است. |
جذب و نشر نور | اگر مادهای قسمتی از طول موجهای الکترومغناطیس را جذب کند به فرایند آن جذب و به عکس آن نشر میگویند. |
پراکندگی نور | اگر نور تابیده شده به ذرات یا مولکولها پخش شود به آن پراکندگی میگویند. |
انتقال (عبور) | اگر نور تابیده شده به ماده ای بدون جذب و نشر تنها از آن عبور کند به این پدیده عبور یا انتقال نور میگویند. |
طول موج | به فاصله دو قله یا قعر در یک موج الکترومغناطیسی گفته میشود. |
فرکانس | تعداد موجهایی که در یک زمان مشخص از یک نقطه عبور میکند را فرکانس میگویند. |
فوتون | به قسمتی از نور که نشاندهنده یک کوانتوم از نور یا موج الکترومغناطیسی باشد، فوتون گفته میشود. |
همچنین در مطالعه انواع دستگاههای طیفسنجی ممکن است با اصطلاحات زیر روبهرو شوید که توضیح آنها در جدول آمده است.
اصطلاح | توضیح |
تکفامساز (مونوکروماتور) | دستگاهی است که برای انتخاب یک طول موج مشخص از نور یا امواج الکترومغناطیسی استفاده میشود. |
آشکارساز | دستگاهی است که برای اندازهگیری شدت نور در طیفسنجی استفاده میشود. آشکارسازها انواع مختلفی دارند که از آنها میتوان به آشکارساز آرایه دیودی یا بار جفت شده اشاره کرد. |
لیزر | به یک منبع متمرکز و تکفام شدهی نور با انرژی بالا گفته میشود. |
کووت | یک ظرف کوچک و شفاف که برای نگهداری سمپل و جایگذاری آن در بیشتر دستگاههای طیفسنجی از آن استفاده میشود. |
توضیح انواع روش های طیف سنجی
انواع طیف سنجی عمدتا برای شناسایی و تشخیص عناصر و ترکیبات اتمها و مولکولها به کار میرود. این شناسایی از طریق بررسی انرژی تابشی جذبشده یا منتشر شده توسط نمونه انجام میشود. در این فرآیند، پرتوهایی از تابش الکترومغناطیسی مانند پرتوهای فروسرخ، پرتوهای فرابنفش و غیره به نمونه اعمال میشود و واکنش نمونه از طریق طول موجهای طیف الکترومغناطیسی که از منبع انرژی خارجی اعمال شدهاند، اندازهگیری میشود. روشهای مختلفی برای طیفسنجی انواع مواد وجود دارد. امروزه بیش از ۲۰ نوع روش طیفسنجی وجود دارد که هریک دستگاهها و روش استفاده منحصر به فردی دارند. از مهمترین انواع طیف سنجی میتوان به طیفسنجی فرابنفش، مادون قرمز، مرئی، ایکس، گاما، جذب اتمی و رزونانس مغناطیسی هسته اشاره کرد.
انواع مختلفی از طیفسنجی بر اساس جذب یا نشر نور وجود دارد که هرکدام اصول و روشهای مخصوص به خود را دارند. در ادامه این مطلب از مجله فرادرس هریک از این روشها را به شکلی مختصر بررسی میکنیم.
طیف سنجی جذبی
«طیف سنجی جذبی»(Absorption spectroscopy)، طول موج نور جذب شده توسط یک نمونه را اندازهگیری میکند. با توجه به این موضوع که هر ماده دارای جذب در طول موج مشخصی است، ساختار ماده توسط این روش مشخص میشود. این روش به شکل گستردهای در آنالیزهای شیمیایی و اندازهگیریهای زیست محیطی استفاده میشود.
اساس کار طیف سنجی جذبی
روش طیفسنجی جذبی بر برهمکنشهای بین امواج الکترومغناطیس استوار است. این برهمکنشها با توجه به ساختار اتمی و مولکولی مواد، میزان جذب امواج در فرکانسهای مختلف را اندازهگیری میکند. این اندازهگیریها، اطلاعاتی درباره ساختار و غلظت مواد را مشخص میکند. هنگامی که یک فوتون یا باریکهای از نور به یک ماده تابیده میشود، باعث میشود الکترونهای آن برانگیخته شده و به لایههای اوربیتالی بالاتر بروند. این فرایند وابسته به تطابق انرژی فوتون با فاصله انرژی بین لایههای الکترونی مواد است. نتیجه جذب فوتونها با مقادیر انرژی مشخص در نهایت به پدیدار آمدن شکلی به نام خطوط جذب میانجامد که میزان جذب اتمها را در نمونه آزمایش شده نشان میدهند.
مراحل کار طیف سنجی جذبی
هر روش طیفسنجی از مجموعه مراحلی برای به دست آوردن نتیجه مورد نظر تشکیل شده است. در طیفسنجی جذبی این مراحل به شرح زیر است.
- آمادهسازی ظرف نمونه (کووِت): در مراحل اولیه دو ظرف نمونه که با نام کووت شناخته میشوند، آماده شده که یکی برای حلال و دیگری برای محلول نمونه در نظر گرفته میشود. کووتها ظروف شفافی هستند که به طور انحصاری برای انجام آزمایشهای طیفسنجی مورد استفاده قرار میگیرند. دلیل شفافیت این ظروف این است که نور به راحتی از درون آنها و محلولهای حاوی نمونه عبور کند.
- بهدست آورن خط پایه به وسیله حلال: کووتی که شامل حلال است درون دستگاه طیفسنجی قرار گرفته و آنالیز میشود. با اینکار یک خط پایه در خروجی دستگاه به دست میآید که نشان دهنده اطلاعاتی مانند ناخالصیهای حلال و جذب خود حلال نمونه است.
- اندازهگیری نمونه: پس از به دست آوردن خط پایه، کووت حاوی نمونه داخل دستگاه قرار گرفته و آنالیز میشود. سپس دستگاه میزان نور جذب شده توسط نمونه را مشخص میکند.
- جمع آوری اطلاعات جذب نمونه: پس از آنالیز نمونه، خطوط جذبی آن توسط دستگاه مشخص میشود و این اطلاعات در مرحله بعدی انجام طیفسنجی بسیار مهم هستند.
- بهدست آوردن طیف جذبی: اطلاعات به دست آمده از مرحله قبل، در نهایت به رسم یک طیف جذبی برای نمونه میانجامد. این طیف یک نمودار گرافیکی از مقادیر نور جذب شده نور توسط نمونه در برابر طول موجهای جذب است.
- آنالیز غلظت نمونه: در نهایت برای به دست آوردن غلظت نمونه مورد برسی، مقادیر جذب با مقادیر جذبی نمونههای سمپل از قبل آماده شده مقایسه میشوند و به این طریق غلظت مواد نمونه مشخص میشود.