طیف ‌سنجی جذبی مرئی – فرابنفش Uv-Vis Spectroscopy

جذب (Absorbance) فرآیندی است که در آن یک ماده به طور گزینشی، انرژی فرکانس‌‎های خاصی از تابش الکترومغناطیسی را جذب کرده و در نتیجه پرتو تابشی اولیه را تضعیف می‎‌کند. طیف‎‌سنجی فرابنفش و مرئی، جذب تابش الکترومغناطیسی توسط ماده در ناحیه فرابنفش/مرئی است. مولکول‎های آلی، گونه‌‎های معدنی و کمپلکس‎‌های انتقال بار سه دسته مهم از جاذب‎‌ها در طیف‎‌سنجی فرابنفش و مرئی هستند. مهمترین انتقالات ترکیبات آلی مربوط به دو انتقال n به *π و π به *π  است. الکترون‎‌های مسئول جذب در گونه‎‌های معدنی در اوربیتال‎‌های d و f قرار دارند و جذب انتقال بار در کمپلکس‎‌ها نیز محصول یک نوع فرآیند اکسایش/کاهش درونی است. ممکن است تمام انرژی یک فرکانس از تابش توسط ماده جذب نشود. عبور (transmittance) مقیاسی از کمیت نور جذب نشده است. جذب نیز یک کمیت بدون واحد است که با غلظت رابطه مستقیم دارد. قانون بیر-لامبرت (Beer-Lambert) رابطه بین جذب و غلظت را بیان می‎‌کند. یکی از عواملی که بر طیف‎‌های جذبی اثر می‎‌گذارد، قطبیت حلال است که بر حسب نوع انتقال می‌‎تواند باعث ایجاد انتقال در فرکانس نور قابل جذب به سمت فرکانس‌‎های کمتر (انتقال قرمز) یا به سمت فرکانس‎‌های بیشتر (آبی) شود.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه (انتقالات الکترونی و گونه‌‎های جاذب)
2 – معرفی چند اصطلاح در طیف‌‎بینی جذبی
1-2- عبور (Transmittance)
2-2- جذب
3- اثر حلال‎‌ها در طیف‎‌سنجی فرابنفش/مرئی
4- طیف‌‎های تشدید پلاسمون سطحی (SPR) در نانوذرات فلزی
5- بحث و نتیجه‌گیری

1- مقدمه (انتقالات الکترونی و گونه‎‌های جاذب)

در این بخش انواع گونه‌‎های مولکولی را بررسی می‎‌کنیم که تابش فرابنفش یا مرئی را جذب می‎‌کنند و بنابراین می‌‎توانند توسط طیف‎‌بینی جذبی تعیین مقدار شوند. سه نوع کلی از انتقالات الکترونی باعث جذب در طیف سنجی فزابنفش/مرئی هستند. این انتقالات در سه دسته از ترکیبات دیده می‌شود: دسته اول جذب توسط مولکول‎‌های آلی، دسته دوم جذب توسط گونه‎‌های معدنی و دسته سوم جذب توسط کمپلکس‎‌های انتقال بار.
دسته اول، جذب‌های مربوط به انتقالات الکترونی الکترون‎‌های موجود در اوربیتال‎‌های n (اوربیتال غیرپیوندی)، σ (اوربیتال پیوندی) و π (اوربیتال پای) است. این‎گونه انتقالات بیشتر در مولکول‎‌های آلی انجام می‌‎شوند (شکل 1). برای آشنایی بیشتر با ترکیبات آلی می‌توانید به مقاله “شیمی ترکیبات کربن” مراجعه کنید. به طور کلی دو نوع الکترون مسئول جذب فرابنفش/مرئی در مولکول‎‌های آلی هستند. الکترون‎های پیوندی که مستقیماً در تشکیل پیوند شرکت دارند (مانند الکترون‎های σ) و بنابراین با بیش از یک اتم همراه هستند و الکترون‎‌های خارجی غیرپیوندی (الکترون‎های n) که تا حد زیادی حول اتم‌‎هایی مانند اکسیژن، هالوژن‌‎ها، گوگرد و نیتروژن (هترواتم‌ها) مستقرند. طول موج مشخصی که در آن یک مولکول آلی تابش را جذب می‎‌کند، به این که چه‌مقدار الکترون‎های مختلف محکم پیوند شده‎‌اند، بستگی دارد. الکترون‌‎های پیوندی در پیوندهای یگانه مانند کربن-کربن یا کربن-هیدرژن به حدی محکم نگه‌داشته می‎‌شوند که برانگیختن آن‎ها به انرژی‎‌های متناظر با طول موج‎‌های زیر 190nm، که در ناحیه فرابنفش خلاً (Vacuum UV) قرار می‎‌گیرند، نیاز دارد. طیف‌‎های پیوند یگانه برای مقاصد تجزیه‎‌ای زیاد مورد مطالعه قرار نگرفته‎‌اند.

ترکیبات آلی حاوی پیوندهای دوگانه یا سه گانه (Multiple Bonds) معمولاً پیک‎‌های جذبی مفیدی را نشان می‎‌دهند. زیرا الکترون‎‌ها در پیوندهای سیرنشده (Unsaturated) نسبتاً شل نگه داشته می‌‎شوند (معمولاً الکترون‌های π) و بنابراین به سهولت برانگیخته می‎‌شوند. گروه‎‌های عاملی آلی سیر نشده‎‌ای که در ناحیه فرابنفش و مرئی جذب دارند را اصطلاحاً رنگ‎ساز (Chromophore) می‎‌گویند. ترکیبات آلی حاوی گوگرد (S)، برم (Br) و ید (I) نیز در ناحیه فرابنفش جذب نشان می‌دهند، زیرا این عناصر دارای الکترون‌‎های غیرپیوندی هستند که در مقایسه با الکترون‌‎های پیوندی یک پیوند سیر شده، راحت‎‌تر برانگیخته می‌‎شوند و بنابراین به آسانی توسط فوتون‎‌ها برانگیخته می‌شوند [1]. پس با توجه به مباحث فوق، انتقالات الکترونی ممکن با الکترون‎‌های موجود در اوربیتال‎‌های n ،σ و π به این ترتیب هستند (شکل 1)؛ انتقالات σ به *σ σ به *π ،π به *σ که احتیاج به انرژی زیادی دارند. به طور مثال جذب پیوند C-H متان (σ به *σ) در طول موج 125nm است. جذب‎‌های مربوط به این انتقالات در طیف‎‌های UV-Vis معمولی دیده نمی‌‎شوند. جذب‎‌های مربوط به انتقالات n به *σ  در مولکول‎‌های دارای اتم‎هایی با زوج الکترون‎‌های آزاد مشاهده می‎‌شود. این گونه جذب‌‎ها در نواحی nm 150-250 قرار می‎‌گیرند. البته تعداد گروه‎‌های عاملی که این انتقال را دارند، اندک است. اکثر انتقالات ترکیبات آلی بر اساس انتقال الکترون‎هایشان از اوربیتال‎‌های n و π به *π است؛ یعنی دو انتقال n به *π و π به *π. این گونه انتقالات نیازمند وجود یک گره غیراشباع در مولکول است و نسبت به انتقالات قبلی نیازمند انرژی کمتری هستند [2و3].
دسته دوم، جذب‎‌های مربوط به یون‎‌های کمپلکس و مولکول‎‌های معدنی است. طیف‎‌های این گونه‌ها مشابه با طیف‎‌های ترکیبات آلی است ولی یک پیک جذبی پهن ایجاد می‌کند. طیف‎‌های مربوط به لانتانیدها و اکتینیدها (Lanthanides ،Actinides) یک استثنای مهم است. از آنجا که به ترتیب الکترون‎‌ها در ترازهای 4f و 5f مسئول جذب نور هستند، این الکترون‎‌ها توسط دیگر الکترون‎‌های اتم (که در اوربیتال‎‌هایی با اعداد کوانتومی اصلی بزرگ‎تر هستند) پوشیده شده (Shielding Effect) و بنابراین از آثار خارجی حفظ می‌‎شوند. این امر باعث می‌‎شود که نوارهای جذبی حاصله باریک شوند (پیک پهنی مشاهده نمی‌شود). دلیل آن است که الکترون‌های مسئول جذب تقریباً تحت تأثیر ماهیت گونه‌های پیوند شده (محیط شیمیایی) و الکترون‌های بیرونی قرار نمی‌‎گیرند. با چند استثنا، یون‌ها و کمپلکس‎های 18 عنصر در اولین دو سری واسطه، در حداقل یکی از چند حالت اکسایش خود رنگی هستند (در ناحیه مرئی فعالند). جذب تابش مرئی توسط این گونه‌‎ها شامل انتقالات الکترون‎‌ها بین اوربیتال‎‌های d پرشده و پرنشده‎‌ای است که بر اثر لیگاندهای پیوند شده به یون‎‌های فلزی از نظر انرژی با هم تفاوت دارند. اختلاف بین اوربیتال‎‌های d (و بنابراین موقعییت پیک جذبی مربوطه) به حالت اکسایش عنصر، موقعیت آن در جدول تناوبی و نوع لیگاند پیوند شده به آن بستگی دارد.
در نهایت دسته سوم جذب متناظر با انتقال بار است. این گونه انتقالات بیشتر در کمپلکس‎‌های آلی و معدنی انجام می‎‌شوند و به آن‎ها کمپلکس‌‎های انتقال بار (Charge Transfer Complexes-CTC) می‎‌گویند. این انتقالات دارای حساسیت بسیار بالایی هستند و ضرایب جذب مولی بسیار بالایی دارند (در ادامه در مورد ضریب جذب مولی صحبت خواهیم کرد). یک کمپلکس انتقال بار متشکل از یک گروه الکترون‎‌دهنده (Electron Donor) و یک الکترون‎‌پذیرنده (Electron Acceptor) است. هنگامی که کمپلکس تابش را جذب می‌کند، یک الکترون از دهنده به اوربیتالی منتقل می‌شود که عمدتاً مربوط به گیرنده است. بنابراین حالت برانگیخته در نتیجه یک نوع فرآیند اکسایش/کاهش درونی رخ می‌‎دهد. در حقیقت طیف‎‌های انتقال بار هنگامی حاصل می‌‎شود که جذب یک فوتون، یک الکترون را از لیگاند به فلز یا از فلز، به لیگاند در کمپلکس‎‌های فلزات واسطه ارتقا دهد. این رفتار با رفتار یک رنگ‌ساز آلی (Organic Chromophore) که در آن الکترون برانگیخته در اوربیتال مولکولی است (معمولاً الکترون‎‌ها در اوربیتال‎‌های مولکولی n و *π)، تفاوت دارد. رنگ قرمز کمپلکس آهن (III)/تیوسیانات مثالی از جذب انتقال بار است. در این کمپلکس جذب یک فوتون به انتقال یک الکترون از یون تیوسیانات به اوربیتالی منجر می‌‎شود که عمدتاً مربوط به یون آهن (III) است و محصول عمدتاً شامل آهن (II) و رادیکال تیوسیانات است [1].

2 – معرفی چند اصطلاح در طیف‎‌بینی جذبی
1-2- عبور (Transmittance)

شکل 2 باریکه‌‎ای از تابش را نشان می‎‌دهد که از درون لایه‎‌ای از محلول با ضخامت (b (cm و غلظتی معادل c با واحد M از گونه جاذب عبور کرده است.

در اثر برهم‎کنش بین فوتون‎‌ها و ذرات جاذب، توان باریکه از P₀ به P کاهش می‎‌یابد. طبق تعریف، عبور (Transmittance ,T) کسری از تابش فرودی است که توسط محلول عبور داده می‎‌شود (معادله 1). عبور اغلب به صورت درصد گزارش می‌‎شود.

(1)             T= P/P₀

2-2- جذب

جذب (Absorbance, A) توسط معادله 2 تعریف می‌شود:

  (2)              (A=-Log₁₀ (T) = Log₁₀ (P₀/P

افزایش در تضعیف توان باریکه تابش عبور کرده از محلول، به معنای افزایش جذب و کاهش عبور است. درصورتی‌که خروجی یک طیف نورسنج هم برحسب عبور و هم برحسب جذب درجه‎بندی شود، بر طبق معادله 2 مقیاس جذب باید لگاریتمی باشد. شکل 3 خروجی یک طیف نورسنج را نشان می‎‌‌‌دهد. مقیاس‎های خروجی روی برخی طیف نورسنج‌‎ها بر حسب درصد عبور خطی هستند. به‌‍طوری‌که در شکل نشان داده شده است، در این صورت مقیاس‎های جذب باید لگاریتمی باشند [4].

رابطه بین جذب و غلظت توسط قانون بیر-لامبرت بیان می‌‎شود. این قانون در حقیقت بیان می‎‌کند که یک رابطه تابعی خطی بین کمیّت اندازه‎‌گیری شده در یک روش جذبی (A) و کمیّت مورد بررسی (غلظت آنالیت c) وجود دارد (معادله 3).

 (3)                        A = Log₁₀ (P₀ /P) = abc

در رابطه بالا a ثابت تناسب به نام ضریب جذب (Absorption or Extinction Coefficient) و b طول مسیر تابش از درون جاذب (محفظه حاوی نمونه، سل Cell) است (شکل 2). از آنجایی که جذب کمیتی بدون واحد (Unit less) است، واحد ضریب جذب طوری است که واحدهای b و c را حذف می‌‎کند. چنان‌چه غلظت در معادله (3) بر حسب مولاریته (مول بر لیتر) و b بر حسب cm بیان شود، ثابت تناسب ضریب جذب مولی نام دارد و با نماد ε مشخص می‌شود (معادله 4).

(4)                 A = εbc

که در این صورت واحد ε برابر است با L cm^-1mol^-1. به عبارت دیگر ε مقدار تابش جذب شده در واحد غلظت است. در حقیقت ε برای یک ماده مشخص ثابت است و به ماهیت گونه، نوع حلال و طول موج پرتو عبوری بستگی دارد. بنابراین با کاهش غلظت، جذب کاهش یافته تا ضریب جذب مولی ثابت بماند. در نهایت این طور انتظار می‎‌رود که یک ترکیب با ε بالا (مثل کمپلکس‎های انتقال بار) به طور مؤثری تابش را جذب کند و بنابراین در غلظت‎‌های کم هم به دلیل جذب شدید، قابل شناسایی و تعیین مقدار باشد [1و5].

در نهایت باید ذکر شود که قانون بیر-لامبرت تنها در توصیف رفتار جذب محلول‎‌های رقیق موفقیّت دارد و معمولاً در غلظت‌‎های بزرگ‎تر از 0.01M فاصله‎‌های میانگین بین ذرات جاذب به حدی کاهش می‎‌یابد که هر ذره بر توزیع بار همسایه‎‌های خود اثر می‌‎گذارد. این برهم‎‌کنش توانایی ذرات را برای جذب یک طول موج معین تابش تغییر می‎‌دهد. انحرافات از قانون بیر-لامبرت همچنین به این علت مشاهده می‌‎شود که ضریب جذب مولی به ضریب شکست محلول (Refractive Index) بستگی دارد. بنابراین اگر تغییرات غلظتی باعث تغییرات قابل توجهی در ضریب شکست محلول شود، انحرافاتی از قانون بیر-لامبرت مشاهده می‌‎شود. به طور کلی این اثر در غلظت‎‌های کمتر از 0.01M کوچک و به ندرت قابل توجه است [1].

3- اثر حلال‎‌ها در طیف‎‌سنجی فرابنفش/مرئی

همان‎طوری که مطرح شد طیف‎های فرابنفش/مرئی اکثراً در محلول‎های رقیق آنالیت ثبت می‎‌شوند. البته در مورد ترکیبات فرار، طیف‎‌های مفیدتر هنگامی به دست می‎‌آیند که نمونه به صورت گاز آزمایش شود. حلال، برای طیف‎‌بینی فرابنفش/مرئی باید در طول این ناحیه شفاف باشد (جذب نداشته باشد) و مقدار کافی آنالیت را برای تولید پیک‎‌های کاملاً مشخص در خود حل کند. علاوه‌براین، احتمال برهم‎‌کنش حلال با گونه جاذب هم باید مدنظر باشد [1]. دیده شده که وقتی طیف جذبی یک گونه در حلال‎‌های مختلف با پلاریته‎‌های (قطبیت Polarity) مختلف ثبت شده است؛ موقعیت، شدت و شکل طیف تحت تأثیراین تغییر قطبیت قرار گرفته است. عبارت Solvatochromism برای توصیف تغییرات طیف جذبی در اثر تغییر قطبیت محیط  به‌کار  برده می‌‎شود. پدیده Solvatochromism ناشی از اثر تغییر در ساختار الکترونی و توزیع بار در حالت‎‌های پایه و برانگیخته با تغییر پلاریته محیط است. اگر در یک انتقال الکترونی یک حالت انرژی قطبی‎‌تر از حالت دیگر باشد، افزایش پلاریته حلال باعث پایدارتر شدن این حالت انرژی می‌شود. مثلاً در انتقال π به *π با افزایش قطبیت حلال، سطح انرژی*π پایدارتر از سطح انرژی π خواهد شد (شکل 4) و به همین علت، کاهش سطح انرژی *π بیشتر از π خواهد بود (*π سطح قطبی و π سطح غیرقطبی است). این امر باعث می‎‌شود که در این حالت فاصله بین ترازهای انرژی کمتر شده و انرژی کمتری برای انجام این انتقال الکترونی لازم باشد و در نتیجه پیک جذب به سمت طول موج‎‌های بلندتر (انرژی و فرکانس‎های کمتر) برود. به این حالت انتقال قرمز (Red Shift, Bathochromic Shift) یا Positive Solvatochromism می‎‌گویند.

حالت دیگر حالتی است که با افزایش قطبیت حلال، حالت پایه پایدارتر شود؛ مثل انتقال n به *π  (شکل 5). در این حالت به علت کاهش سطح انرژی n  نسبت به *π ، فاصله بین ترازهای انرژی بیشتر شده و انرژی بیشتری برای انجام این انتقال الکترونی لازم خواهد بود و در نتیجه پیک جذب به سمت طول موج‎‌های کوتاه‌‎تر (فرکانس‎‌های بلندتر) می‌‎رود. به این حالت انتقال آبی (Blue shift, Hypsochromic shift) یا Negative solvatochromism می‎‌گویند [6و7].

دو اصطلاح دیگر هم در مورد تغییرات طیفی در این ناحیه به کار برده می‎شود: Hypochromic Shift و Hyperchromic Shift که به ترتیب مربوط به کاهش و افزایش در ε است [8]. مزدوج شدن (Conjugation C=C-C=C, C=C-C=O, Ph-C=C) معمولاً باعث ایجاد Hyperchromic Effect و هم‎زمان باعث Bathochromic Shift می‎‌شود (شکل 6).

4- طیف‎‌های تشدید پلاسمون سطحی (SPR) در نانوذرات فلزی

همان‎‌گونه که در بالا ذکر شد، فرآیند جذب نور در خصوص مولکول‎‌های آلی معمولاً به برانگیختگی الکترون‎‌های موجود در اوربیتال‎‌های مولکولی نسبت داده می‎‌شود. برخی از نانوذرات فلزی (به طور ویژه Au و Ag) رفتار جذبی مشابه‌ای را نشان می‌‎دهند. به دلیل فقدان اوربیتال‎‌های مولکولی در ساختار نانوذرات فلزی، جذب نور در این مورد به پدیده تشدید پلاسمون سطحی (Surface Plasmon Resonance-SPR) مربوط است، الکترونهای آزاد نانوذرات فلزی، با جذب امواج الکترومغناطیسی، شروع به نوسان می‌کنند. هنگامی که نوسانات موج فرودی با  نوسانات ذاتی الکترون‌های آزاد نانوذره هم‌فرکانس باشند ، پدیده تشدید اتفاق می‌افتد. این پدیده تحت عنوان پدیده تشدید پلاسمون سطحی مشهور است و موجب جذب قابل توجه انرژی موج در حول و حوش فرکانسی با عنوان فرکانس تشدید پلاسمون سطحی می‌شود [9]. به طور ساده می‎‌توان گفت که دریایی از الکترون‎‌های غیرمستقر بر سطح یک نانوذره فلزی شناورند. در فلزاتی خاص (که مشخصاً قابلیت SPR را نشان می‎‌دهند)، جذب نور منجر به تشدید نوسان این الکترون‌های سطحی می‌‎شود. رنگ محلول‌های کلوئیدی طلا و نقره با اندازه ذرات نانو به همین پدیده ربط داده می‌‎شود. در مقالات تخصصی  SPR و همچنین مقالات مربوط به نانوذرات فلزی (به خصوص نانوذرات فلزات نجیب) بیشتر به مقوله SPR پرداخته می‌شود.

5- بحث و نتیجه‌گیری

در این مقاله در مورد انتقالات الکترونی، انواع مولکول‎‌های جاذب در ناحیه فرابنفش/مرئی، قانون بیر-لامبرت، انتقال آبی و قرمز و پدیده Solvatochromism صحبت شده است. همچنین رفتار SPR محلول‎‌های کلوئیدی برخی نانوذرات فلزی به صورت مختصر ارائه شده است.