طیف‌سنجی مادون قرمز (که به اختصار IR spectroscopy نامیده می‌شود) به ناحیه مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی اشاره دارد، یعنی نوری که طول موج آن بیشتر و فرکانس آن کمتر از نور مرئی است. در طیف‌سنجی مادون قرمز معمولاً به تحلیل تعامل مولکول‌ها با نور مادون قرمز پرداخته می‌شود.
مفهوم طیف‌سنجی مادون قرمز را به‌طور کلی می‌توان از سه طریق تحلیل کرد: اندازه‌گیری بازتابش، تابش و جذب. استفاده اصلی از طیف‌سنجی مادون قرمز برای تعیین گروه‌های عاملی مولکول‌ها است که در شیمی آلی و معدنی کاربرد دارد.
طیف‌سنجی مادون قرمز چیست؟
طیف مادون قرمز اساساً نموداری است که در آن نور مادون قرمز جذب‌شده در محور عمودی (Y) و فرکانس یا طول موج در محور افقی (X) نشان داده می‌شود. در ادامه، تصویری از مناطق مختلفی که نور می‌تواند در آن طبقه‌بندی شود، ارائه شده است.
طیف‌سنجی مادون قرمز فرکانس‌های نور مادون قرمز را که توسط یک مولکول جذب می‌شود شناسایی می‌کند. مولکول‌ها تمایل دارند که فرکانس‌های خاصی از نور را جذب کنند زیرا این فرکانس‌ها با فرکانس ارتعاشات پیوندهای موجود در مولکول‌ها ارتباط دارند.
انرژی لازم برای تحریک پیوندهای مولکول‌ها و ایجاد ارتعاش با دامنه بیشتر در ناحیه مادون قرمز رخ می‌دهد. یک پیوند تنها زمانی با تابش الکترومغناطیسی مادون قرمز تعامل می‌کند که قطبیت داشته باشد. وجود نواحی مجزا از بار مثبت و منفی جزئی در مولکول باعث می‌شود که مؤلفه میدان الکتریکی تابش الکترومغناطیسی بتواند انرژی ارتعاشی مولکول را تحریک کند.
تغییر در انرژی ارتعاشی منجر به تغییر مشابهی در قطبش لحظه‌ای مولکول می‌شود. شدت جذب به قطبیت پیوند بستگی دارد. پیوندهای غیرقطبی و متقارن مانند N≡N و O=O تابش را جذب نمی‌کنند زیرا قادر به تعامل با میدان الکتریکی نیستند.
مناطق طیف مادون قرمز
بیشتر باندهایی که نشان‌دهنده گروه‌های عاملی مختلف هستند، در ناحیه 4000 cm-1 تا 1300 cm-1 قرار دارند. این باندها قابل شناسایی هستند و برای تعیین گروه عاملی یک ترکیب ناشناخته استفاده می‌شوند.
باندهایی که منحصر به هر مولکول هستند، مشابه یک اثر انگشت، در ناحیه انگشت‌نگاری (1300 cm-1 تا 400 cm-1) پیدا می‌شوند. این باندها فقط برای مقایسه طیف‌های یک ترکیب با ترکیب دیگر به کار می‌روند.
نمونه‌ها در طیف‌سنجی مادون قرمز
نمونه‌های استفاده‌شده در طیف‌سنجی مادون قرمز می‌توانند به صورت جامد، مایع یا گازی باشند.
نمونه‌های جامد معمولاً با یک ماده حلال که بافت روغنی دارد خرد می‌شوند. یک لایه نازک از این مخلوط روی یک صفحه نمکی برای اندازه‌گیری قرار می‌گیرد. نمونه‌های مایع معمولاً بین دو صفحه نمکی قرار داده می‌شوند و اندازه‌گیری می‌شوند چون این صفحات در برابر نور مادون قرمز شفاف هستند. صفحات نمکی معمولاً از کلرید سدیم، فلوراید کلسیم یا حتی برومید پتاسیم ساخته می‌شوند.
از آنجایی که غلظت نمونه‌های گازی ممکن است به قسمت‌های در میلیون برسد، سل نمونه باید دارای طول مسیر نسبتا بلند باشد، به این معنا که نور باید در فاصله طولانی از سل نمونه عبور کند. بنابراین، نمونه‌ها از چندین حالت فیزیکی مختلف می‌توانند در طیف‌سنجی مادون قرمز مورد استفاده قرار گیرند.
اصل طیف‌سنجی مادون قرمز
نظریه طیف‌سنجی مادون قرمز از این مفهوم استفاده می‌کند که مولکول‌ها تمایل دارند که فرکانس‌های خاصی از نور را جذب کنند که این فرکانس‌ها مختص ساختار مولکولی آن‌ها هستند. انرژی‌ها به شکل سطوح مولکولی، کوپلینگ ویبرونیک و جرم اتم‌های موجود بستگی دارند.
برای مثال، مولکول می‌تواند انرژی موجود در نور تابشی را جذب کند و نتیجه این جذب، چرخش سریع‌تر یا ارتعاش بیشتر مولکول خواهد بود.
دستگاه‌های طیف‌سنجی مادون قرمز
دستگاه‌های طیف‌سنجی مادون قرمز به‌صورت زیر عمل می‌کنند. ابتدا، یک پرتو نور مادون قرمز از منبع به دو بخش تقسیم می‌شود و از طریق مرجع و نمونه عبور می‌کند. حالا، هر دو پرتو به وسیله یک تقسیم‌کننده دوباره به سمت یک آشکارساز هدایت می‌شوند. در نهایت، نتیجه مورد نیاز بعد از پردازش داده‌ها به‌وسیله پردازشگر چاپ می‌شود.
نمودار طیف مادون قرمز
در زیر نمونه‌ای از فرکانس‌های معمول جذب مادون قرمز آورده شده است.
در نتیجه، طیف‌سنجی مادون قرمز شامل جمع‌آوری اطلاعات جذب و تحلیل آن‌ها به‌صورت طیف است.
سوالات متداول (FAQs)
سوال 1: آیا می‌توان از آب در طیف‌سنجی مادون قرمز استفاده کرد؟ چون آب دارای دو قله جذب مادون قرمز بالا است، نمی‌توان از آن به‌عنوان حلال در طیف‌سنجی مادون قرمز استفاده کرد. همچنین آب یک حلال قطبی است که دیسک‌های هالید قلیایی را که به‌طور گسترده در طیف‌سنجی مادون قرمز استفاده می‌شوند، حل می‌کند.
سوال 2: حساسیت طیف‌سنجی مادون قرمز چقدر است؟ طیف‌سنجی مادون قرمز می‌تواند نمونه‌هایی به اندازه 1 تا 10 گرم را شناسایی کند. تقریباً تمام مولکول‌های آلی و برخی از مولکول‌های معدنی را می‌توان با استفاده از طیف‌سنجی مادون قرمز تجزیه و تحلیل کرد. این روش هم در تحلیل‌های کیفی و هم در تحلیل‌های کمی کاربرد دارد و دامنه وسیعی از کاربردها دارد.
سوال 3: شرایط لازم برای طیف‌سنجی مادون قرمز چیست؟ تغییر در قطبش لحظه‌ای گروه عاملی موجود در یک مولکول یا نمونه حین ارتعاش بر اساس قانون انتخابی برای انتقال‌های مادون قرمز، یک پیش‌شرط لازم برای این است که یک مولکول یا نمونه طیف مادون قرمز را نشان دهد.
سوال 4: کدام لامپ در طیف‌سنجی مادون قرمز استفاده می‌شود؟ برای طیف‌سنجی مادون قرمز، از لامپ گلوبار به‌عنوان منبع حرارتی استفاده می‌شود. این یک میله سیلیکون کربید است که قطر آن بین 5 تا 10 میلی‌متر و طول آن بین 20 تا 50 میلی‌متر است و به‌طور الکتریکی به دمای 1000 تا 1650 درجه سانتی‌گراد (1830 تا 3000 درجه فارنهایت) گرم می‌شود.
سوال 5: کدام حلال‌ها در طیف‌سنجی مادون قرمز استفاده می‌شوند؟ کربن تتراکلرید (CCl4) و کربن دی‌سولفاید (CS2) از رایج‌ترین حلال‌ها هستند. حلال‌هایی برای مواد قطبی شامل کلروفرم، متیلن کلراید، استونیتریل و استون هستند. مواد جامد که به ذرات ریز تبدیل شده‌اند، می‌توانند به‌صورت یک خمیر نازک یا مول تحلیل شوند.
