1- مقدمه:
اشعه مادون قرمز، به قسمتی از طیف امواج الکترومغناطیسی با محدوده طول موج بین 700 نانومتر تا 1000 میکرومتر گفته می‌شود که در سال 1800 توسط سر ویلیام هرشل کشف شد [1]. طول موج مادون قرمز بلندتر از نور مرئی است و با چشم انسان قابل دیدن نمی‌باشد. پرتوهای مادون قرمز در زمینه‌های مختلفی چون کنترل از راه دور، دوربین‌های تصویربرداری از راه دور، لامپ‌های مادون قرمز، اجاق گازهای مادون قرمز، ترمومترهای مادون قرمز و طیف سنجی کاربرد دارند که طیف‌سنجی مادون قرمز، یکی از مهم‌ترین این کاربردهاست[2].
در این روش، پرتو مادون قرمز به نمونه مورد‌نظر تابیده شده، بخشی از پرتو جذب نمونه شده و بخشی از آن عبور می‌کند[3, 4]. ماده متشکل از مولکول‌هایی است که دارای گشتاور دوقطبی هستند و می‌توانند در حضور تابش الکترومغناطیسی مقادیر خاص انرژی که مربوط مدهای ارتعاشی آن‌‌هاست را، جذب کنند. فرکانس جذب شده توسط مولکول‌ها، تا حد زیادی به گروه‌های عاملی در مولکول بستگی دارد[5]. بنابراین با اندازه‌گیری فرکانس ارتعاش، ساختار مولکول‌ها، گروه‌های عاملی و پیوندهای موجود، قابل شناسایی می‌باشد. با این روش طیف‌سنجی، امکان آنالیز نمونه‌های موجود بر روی زیرلایه هم ممکن است [6]. مزیت اصلی روش FTIR نسبت به سایر روش‌های طیف‌سنجی، این است که همه ترکیبات پیک‌های مشخصه‌ای را در ناحیه طیفی IR نشان می‌دهند و بر اساس این ویژگی می‌توان آن‌ها را هم از نظر کمی و هم از نظر کیفی آنالیز کرد[7].
1-1-کاربردهای طیف سنجی مادون قرمز:
طیف سنجی مادون قرمز در زمینه‌های مختلفی همچون پزشکی، صنعت، شیمی، محیط زیست به کار می‌رود. در ادامه به چند نمونه از کاربردهای مهم این روش مشخصه‌یابی اشاره خواهد شد[4, 7-9].
شکل 1 شماتیک مراحل مختلف طیف سنجی FTIR را نمایش می‌دهد. همانطور که در تصویر مشخص است، پرتو از منبع نوری خارج شده و وارد تداخل سنج می‌گردد. با توجه به اینکه تداخل سنج قادر است پرتوهای منحصر بفردی در تمامی فرکانس‌های مادون قرمز تولید کند، مدت زمان مصرفی برای ثبت طیف هر نمونه را کاهش می‌یابد. تابش پرتو مادون قرمز، بر ارتعاشات اتمی یک مولکول در نمونه تأثیر می‌گذارند، که منجر به جذب و یا انتقال خاص انرژی می‌شود. تابش جذب شده توسط نمونه، به انرژی چرخشی یا ارتعاشی نمونه تبدیل شده و معمولا سیگنالی بین cm-1ا4000 تا cm-1ا400 توسط آشکار ساز ثبت می‌شود. طیف ثبت شده توسط آشکارساز مانند اثرانگشت برای هر نمونه است[4]. بعد از اینکه داده‌های خام توسط آشکارساز ثبت می‌شود، با استفاده از کامپیوتر مورد محاسبه قرار می‌گیرد. طیف نهایی با انجام عملیات ریاضی”تبدیل فوریه” بر روی داده‌های اولیه، بدست می‌آید.
3-1-تحلیل نتایج طیف سنجی مادون قرمز:
با توجه به اینکه در طیف سنجی مادون قرمز، امکان تجزیه و تحلیل بسیار سریع با دقت خوب و نسبتا حساس وجود دارد، این روش، یکی از مهم‌ترین و محبوب‌ترین تکنیک‌های تحلیلی برای محققان به شمار می‌رود[10, 11]. در این قسمت نحوه خوانش و تحلیل پیک‌های موجود در طیف سنجی مادون قرمز، شرح داده خواهد شد.
داده‌های این روش، می‌تواند به صورت میزان جذب بر حسب عدد موج یا میزان عبور بر حسب عدد موج گزارش شود. عدد موج هر پیک نشان دهنده حضور یک گروه عاملی خاص در نمونه است.
محدوده امواج مادون قرمز به سه دسته کلی تقسیم می‌شود:
جدول1- جدول طیف IR برای برخی از پیوندها [12][14]
| نام | نوع ارتعاش | عدد موج (cm-1) |
| C-C | کششی | 1300-700 |
| C-H | کششی | 2900-2880 |
| C-H | خمشی | 1350-1330 |
| تیول (S-H) | کششی | 2600-2550 |
| الکل (O-H) | کششی | تیز 3584-3700 متوسط 3200-3550 |
| آمین (NH) | کششی | 3400
3500 |
| O-CH3 | 2850-2815 | |
| N-CH3 | 2720-2780 | |
| C=C | 1600 | |
| کربن‌دی اکسید (O=C=O) | 2349 | |
| CH3-O- | 2820-2810 | |
|
C-O-O-
|
890-820 | |
| -C=N- | 1690-1590 | |
| کربوکسیلیک اسید | 1725-1700 | |
| کتون | 1725-1705 | |
| آلدهید | 1740-1725 | |
| آلکین(C≡C) | کششی | 2260-2190 |
| نیتریل(C≡N) | کششی | 2260-2222 |
| کتن(C=C=O) | کششی | 2150 |
| ترکیبات آروماتیک(C-H) | خمشی | 2000-1650 |
| فنول(O-H) | خمشی | 1390-1310 |
| یون کربنات | 880-860 1490-1410 |
|
| یون سولفات | 680-610 1130-1080 |
|
| یون نیترات | 840-815 1380-1350 |
|
| یون فسفات | 1100-1000 |
4-1-مراحل تحلیل طیف FTIR:
علاوه بر اینکه در جدول طیف IR عدد موج مربوط به هر گروه عاملی وجود دارد، برای شناسایی پیوندها و گروه‌های عاملی موجود در نمونه می‌توان از مراحل پنج‌گانه تحلیل و تفسیر طیف مادون قرمز استفاده کرد. در ادامه این مراحل به صورت مختصر شرح داده خواهند شد[13].
1-4-1-شناسایی تعداد باندهای جذبی در طیف مادون قرمز
اگر نمونه دارای طیف ساده باشد یا به عبارت دیگر، کمتر از 5 باند جذبی داشته باشد، نمونه مورد بررسی، شامل ترکیب آلی ساده با وزن مولکولی کوچک یا ترکیبات معدنی مانند نمک‌های ساده هستند. اما اگر طیف FTIR بیش از 5 باند جذب داشته باشد، نمونه می‌تواند یک مولکول پیچیده باشد.
2-4-1-شناسایی تعداد پیک‌ها در ناحیه پیوند یگانه
– باند باریک جذبی در بالای cm-13000، نشان دهنده ترکیبات غیراشباع یا حلقه های آرومتایک است. به عنوان مثال، وجود جذب در عدد موج بین cm-1ا3010 تا 3040 وجود ترکیبات الفینی غیراشباع ساده را تایید می‌کند.
– باند باریک جذبی در پایین cm-1ا3000، نشان دهنده ترکیبات آلیفاتیک می‌باشد.
– پیک خاص آلدهید بین cm-1ا2700 تا 2800 است.
3-4-1-شناسایی پیک ها در ناحیه پیوند سه‌گانه
با توجه به داده‌های موجود در جدول پیوندهای سه‌گانه قابل شناسایی هستند. برای مثال پیک جذب در cm-1ا2200، باید نوار جذبی C≡C باشد. این پیک معمولاً با حضور جذب در فرکانس‌های cm-1ا1300-1600 و cm-1ا1000-1200 و cm-1ا600-800 همراه خواهد بود.
4-4-1-شناسایی پیک ها در ناحیه پیوند دوگانه
پیوند دوگانه می تواند به صورت گروه‌های کربونیل (C = C)، (C = N) و (N = N) باشد.
– جذب در محدوده cm-1ا1650 – 1850 مربوط به ترکیبات کربونیل می‌باشد.
– جذب بالای cm-1ا1775، نشان‌دهنده وجود گروه‌های کربونیل فعال مانند انیدریدها، اسیدهای هالید یا کربونیل هالوژنه، یا کربن‌های کربونیل حلقه‌ای مانند لاکتون یا کربنات آلی است.
– جذب در محدوده بین cm-1ا1750 و 1700، حضور ترکیبات کربونیل ساده مانند کتون‌ها، آلدئیدها، استرها یا کربوکسیل را تایید می‌کند.
– جذب در زیر cm-1ا1700، ناشی از حضور آمیدها یا گروه عاملی کربوکسیلات است.
– اگر این ترکیبات با گروه کربونیل دیگری ترکیب شده باشند، شدت پیک مربوط به پیوند دوگانه یا ترکیب آروماتیک کاهش می‌یابد. بنابراین وجود گروه‌های عاملی مزدوج مانند آلدئیدها، کتون ها، استرها و اسیدهای کربوکسیلیک می‌تواند فرکانس جذب کربونیل را کاهش دهد.
-جذب در محدوده cm-1ا1620 – 1670 مربوط به پیوندهای غیراشباع (پیوند دوگانه و سه‌گانه) می‌باشد. به طور خاص، پیک در cm-1ا1650 مربوط به پیوند دوگانه کربن یا ترکیبات الفینی است (C = C). ترکیب شدن با دیگر ساختارها با پیوند دوگانه مانند C = Cو C = O یا حلقه های آروماتیک، فرکانس جذب را کاهش می‌دهند.
– جذب بین cm-1ا1615 و 1495، ناشی از وجود حلقه‌های آروماتیک هستند. این ترکیبات به صورت دو مجموعه از نوارهای جذبی در حدود cm-1ا1600 و cm-1ا1500 ظاهر می‌شوند. حلقه‌های آروماتیک معمولاً با پیک جذب ضعیف تا متوسط در ناحیه‌ای بین cm-1ا3150 تا 3000 (برای کشش C-H) همراه هستند.
– برای ترکیبات آروماتیک ساده، نوارهای جذبی متعددی بین cm-1ا2000 تا 1700 متعدد با شدت ضعیف نیز قابل مشاهده است.
5-4-1-شناسایی پیک ها در ناحیه اثرانگشتی
پیک‌های این ناحیه کاملا خاص و منحصر به فرد هستند. برای آنالیز پیک‌های این ناحیه، می‌توان از داده‌های موجود در جدول طیف IR استفاده کرد.
– جذب در حدود cm-1ا900 و 990 نشان‌دهنده پایانه‌های وینیل (-CH=CH2)، جذب بین cm-1ا965 و 960 مربوط به وینیل غیراشباع ترانس (CH=CH) و جذب حدود cm-1ا890 مربوط به پیوندهای الفینی دوگانه در وینیل منفرد (C=CH2) می‌باشد.
– در ترکیبات آوماتیک، وجود پیک جذبی منفرد و قوی در حدود cm-1ا750 تایید کننده وجود orto و cm-1ا830 نشان‌دهنده para است.
5-1- تحلیل دو نمونه طیف FTIR:
به عنوان مثال دو نمونه تجزیه و تحلیل طیف FTIR گزارش شده در مقالات را مورد بررسی قرار می‌دهیم. برای تحلیل طیف جذبی هر نمونه باید مراحل مطرح شده گام به گام طی شود.
1-5-1-نمونه اول 2-propanone :
– هیچ باند جذب گسترده ای یافت نشد، بنابراین پیوند هیدروژنی در نمونه مورد بررسی وجود ندارد.
– جذب در حدود cm-1ا3500 تایید کننده وجود پیوند مرتبط با اکسیژن می‌باشد.
– هیچ پیک جذب دیگری بین cm-1ا3000 تا 3200 مشاهده نمی‌شود، به این معنی که ساختار آروماتیک وجود ندارد.
– جذب در کمتر از cm-1ا3000 مربوط به پیوند C-C است.
– پیک خاصی برای آلدهید یافت نشد.
3- پیک ها در ناحیه پیوند سه‌گانه
جذبی در ناحیه پیوند سه گانه شناسایی نشد، که به علت عدم وجود پیوند C≡C در نمونه است.
4- پیک ها در ناحیه پیوند دوگانه
در این ناحیه یک قله بزرگ و تیز جذبی در حدود cm-1ا1700 برای نمونه مشاهده شده است. این جذب تاییدی بر وجود پیوند دوگانه کربونیل می‌باشد که می تواند ناشی از وجود کتون‌ها، آلدئیدها، استرها یا کربوکسیل‌ها باشد. با توجه به اینکه پیک جذبی مشخصه آلدئید (بین cm-1ا2700 تا 2800 ) وجود ندارد، پیک منتسب به پیوند دوگانه کربونیل باید ناشی از وجود کتون باشد. علاوه بر این ، پیک جذبی در حدود cm-1ا1600 وجود ندارد، بنابراین پیوند C=C در نمونه مورد بررسی وجود ندارد.
5- با توجه به بررسی پیک‌ها می‌توان نتیجه گرفت:
– ماده مورد بررسی هیچ جزء هیدراتی ندارد.
– این ماده دارای اجزای مرتبط با کتون، بدون پیوند دو یا سه‌گانه است.
– از آنجایی که قله ها فقط حدود 10 قله بودند، ماده باید یک ترکیب آلی کوچک باشد.
2-5-1-نمونه دوم toluene :
1- تعداد پیک‌ها
تعداد زیاد پیک‌های جذبی در نمودار شکل3، تاییدی بر پیچیده بودن نمونه مورد مطالعه است.
2- پیک ها در ناحیه پیوند یگانه
– نبود نوار جذب گسترده در محدوده بین cm-1ا3650 تا 3250 ، نشان دهنده عدم وجود پیوند هیدروژنی است.
– پیک جذب تیز در محدوده بین cm-1ا3000 تا 3200 نشان دهنده وجود حلقه آروماتیک می‌باشد.
– مشاده پیک جذب در محدوده پایین‌تر از cm-1ا3000 نشان‌دهنده پیوند یگانه کربن است.
– هیچ پیک جذب آلدئیدی بین cm-1ا2700 تا 2800 مشاهده نشده است.
3- پیک ها در ناحیه پیوند سه‌گانه
جذبی در ناحیه پیوند سه گانه شناسایی نشد، که تاییدکننده عدم وجود پیوند C≡C در نمونه است.
4- پیک ها در ناحیه پیوند دوگانه
در این ناحیه چندین پیک مشاهده می‌شود.
– جذب در ناحیه بالای cm-1ا1775، نشان‌دهنده گروه‌های کربونیل فعال است که باید از کربونیل‌های حلقوی باشد.
– جذب در محدوده بین cm-1ا1750 تا 1700، ترکیبات کربونیل ساده را توصیف می‌کند، در حالیکه این پیک ناشی از پیوند بین متیل (CH3) و حلقه بنزن است.
– باند جذبی پهن در حدود cm-1ا1600، نشان‌دهنده باندهای دوگانه یا ترکیبات آروماتیک است.
5- پیک‌ها در ناحیه اثر انگشتی
جذب قوی در حدود cm-1ا1500 تایید کننده حلقه آروماتیک و جذب در حدود cm-1ا1000 نشان‌دهنده ترکیب مربوط به وینیل10 می‌باشد. با توجه به آنالیزهای انجام شده، این ماده دارای حلقه آروماتیک و پیوند عملکردی ساده (متیل) است. بنابراین این نمونه تطابق خوبی با ترکیب شیمیایی تولوئن دارد.
طیف‌سنجی مادون قرمز یکی از مهم‌ترین و محبوب‌ترین روش‌ها برای مشخصه‌یابی مواد مختلف می‌باشد.تجزیه و تحلیل طیف FTIR، مسئله مهم و کلیدی در استفاده از این روش بشمار می‌آید. در این مقاله، جدول IR برای برخی از گروه‌های عاملی و مراحل مختلف تحلیل پیک‌های جذبی نمونه مورد بررسی در طیف مادون قرمز بیان شده است.
منابـــع و مراجــــع
