التحليل الطيفي: أنواعه، أدواته واستعمالاته

تعريف التحليل الطيفي:

هو دراسة امتصاص، وانبعاث الضوء، والإشعاعات الأخرى حسب المادة. إنه ينطوي على تقسيم الضوء، (أو بشكل أكثر دقة الإشعاع الكهرومغناطيسي)، إلى الأطوال الموجية المكونة له (الطيف)، والذي يتم بنفس الطريقة التي يقسم بها الموشور الضوء إلى قوس قزح من الألوان. أي أنه مجال الدراسة الذي يتضمن مراقبة، وقياس، وتفسير الأطياف الكهرومغناطيسية التي تنتجها مادة تصدر، أو تمتص الطاقة المشعة. تعتبر الطرق الطيفية مهمة للتحليل الكيميائي للمواد، وتستخدم في علم الفلك. وُلد التحليل الطيفي في عام 1666 عندما قام إسحاق نيوتن بتمرير أشعة ضوئية من الشمس عبر موشور زجاجي، ولاحظ ألوان الطيف المرئي.

يتكون الضوء من موجات كهرومغناطيسية، كل لون يتوافق مع طول موجي مختلف. في الواقع، تم إجراء التحليل الطيفي القديم باستخدام الموشور ولوحات التصوير. في الآونة الأخيرة، تم توسيع تعريف التحليل الطيفي ليشمل أيضًا دراسة التفاعلات بين الجسيمات، مثل الإلكترونات، والبروتونات، والأيونات ، بالإضافة إلى تفاعلها مع الجسيمات الأخرى كدالة لطاقة تصادمها. أثناء تجربة التحليل الطيفي، يمر الإشعاع الكهرومغناطيسي لنطاق الطول الموجي المحدد من مصدر عبر عينة تحتوي على مركبات ذات أهمية، مما يؤدي إلى الامتصاص، أو الانبعاث. أثناء الامتصاص، تمتص العينة الطاقة من مصدر الضوء. أثناء الانبعاث، تصدر العينة ضوءًا بطول موجة مختلف عن الطول الموجي للمصدر.

على ماذا يعتمد التحليل الطيفي:

يعتمد التحليل الطيفي البصري على فصل الضوء إلى أطوال موجية فردية، باستخدام جهاز مثل الموشور، أو محزوز الحيود. لتشتيت الضوء، والذي يتم عرضه بعد ذلك على أجهزة CCD (أجهزة مقترنة بالشحن)، على غرار تلك المستخدمة في الكاميرات الرقمية. يتم استخراج الأطياف ثنائية الأبعاد بسهولة من هذا التنسيق الرقمي، ومعالجتها لإنتاج أطياف أحادية الأبعاد، تحتوي على قدر هائل من البيانات المفيدة. ومع ذلك، فإن الجزء المرئي لا يشتمل إلا على جزء صغير من الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله. تنتقل منطقة الأشعة فوق البنفسجية من الأطوال الموجية الأقصر من البنفسجي، إلى مجال الأشعة السينية، حيث تنتقل منطقة الأشعة تحت الحمراء من أطوال موجية أطول من الأحمر، إلى نطاقات الموجات الميكروية والراديو. غالبًا ما يتميز الإشعاع في هذه المناطق بتردده بدلاً من طوله الموجي، ولكن هاتين الكميتين مرتبطتين، لأن منتجهما يساوي سرعة الضوء (299792458 م/ث).

تنبعث أو تمتص جميع المواد الإشعاع وفقًا للتردد، أو الطول الموجي المميز الخاص بها. لذلك، فإن طيف المادة يشكل "بصمة" تجعل من الممكن التعرف عليها. يكشف فصل ضوء النجم إلى ألوان مختلفة، عن العديد من التفاصيل الصغيرة التي تسمى الخطوط الطيفية. توفر دراسة تواتر، وشدة هذه الخطوط معلومات عن كمية المواد المختلفة الموجودة، ودرجة الحرارة، والضغط، والإشعاع الذي يغمر الغاز المنبعث.

من الأمثلة المبكرة لهذا النوع من الدراسة، ملاحظة جوزيف فون فراون هوفر لخطوط الامتصاص المظلمة في الطيف المرئي للشمس، هذه الخطوط ناتجة عن وجود الصوديوم والكالسيوم، وعناصر أخرى في الغلاف الجوي الشمسي. تم اكتشاف الهيليوم في الطيف الشمسي قبل وجوده على الأرض.

تقدم نظرية الكم، التي طورها ماكس بلانك عام 1900، فهماً مفصلاً لأطياف الذرات والجزيئات. تنص هذه النظرية على أن الطاقة تنبعث، أو تمتص في وحدات منفصلة تسمى الكوانتا. في عام 1913، تمكن نيلز بور من شرح طيف ذرة الهيدروجين بالتفصيل، من خلال افتراض أن طاقة الأخير يمكن أن تأخذ فقط سلسلة من القيم المنفصلة (مستويات الطاقة المنفصلة)، وأن انبعاث، أو امتصاص الإشعاع فقط، يحدث عند الانتقال من مستوى طاقة إلى آخر.

تطور مهم آخر كان إدخال ميكانيك الكم من قبل Werner Heisenberg ، و Erwin Schrödinger في عامي 1925 و 1926. عادة ما يتم ملاحظة الأطياف المرتبطة بتغير أرقام الكم الدوراني للجزيء في مجال الميكروويف، والمناطق المجاورة للطيف الكهرومغناطيسي. تحدث تلك المرتبطة بالاختلاف في أرقام الكم الاهتزازية في مجال الأشعة تحت الحمراء. تتم دراسة الأطياف الإلكترونية بشكل عام في المناطق المرئية، والأشعة فوق البنفسجية.

التحليل الطيفي للامتصاص:

في التحليل الطيفي للامتصاص، تتأثر مركبات العينة بالإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يوفره مصدر الضوء. تمتص جزيئاتها الطاقة من الإشعاع الكهرومغناطيسي، وتصبح متحمسة، وتقفز من حالة أرضية منخفضة الطاقة إلى حالة طاقة أعلى من الإثارة. يسجل الكاشف، عادة ثنائي ضوئي، على الجانب الآخر من العينة امتصاص العينة لأطوال الموجات، ويحدد مدى امتصاصها. يُعرف طيف الأطوال الموجية الممتصة للعينة باسم طيف الامتصاص، وكمية الضوء التي تمتصها العينة هي امتصاصها. سوف يمتص كل جزيء داخل العينة فقط الأطوال الموجية ذات الطاقات المقابلة لاختلاف الطاقة في الانتقال الحالي. بعبارات أبسط، هذا يعني أن الجزيء الذي يقفز من الحالة الأرضية 1 إلى الحالة المثارة 2، بفارق طاقة قدره E، سيسمح لأطوال موجية أخرى بالمرور، حتى يتمكن من امتصاص الإشعاع من الطول الموجي الذي يتوافق مع ΔE. يُطلق على الضوء الذي يمر إلى الثنائي الضوئي دون أي امتصاص للطاقة المشعة الشاردة، أو الضوء الشارد. الامتصاص الذي يحدث بسبب اختلاف الطاقة بين الحالتين يسمى خط الامتصاص ، وتخلق مجموعة من خطوط الامتصاص أطياف الامتصاص. يخبرنا تردد كل خط امتصاص في أطياف الامتصاص، عن التركيب الجزيئي للعينة، ويمكن أن يتأثر بعوامل مثل الضوء الشارد.

التحليل الطيفي الجزيئي:

مثل الذرات، تمتلك الجزيئات مستويات طاقة منفصلة، (والتي يمكن أن تأخذ فقط قيمًا معينة). ولكن بالإضافة إلى مستويات الطاقة المرتبطة بإلكترونات الذرات التي تتكون منها ، فإن للجزيئات مستويات طاقة تتوافق مع طاقاتها في الدوران والاهتزاز. لذلك، فإن الطيف الجزيئي أكثر تعقيدًا من الطيف الذري. عادة ما يتم ملاحظة التجمعات المميزة للخطوط التي تسمى العصابات، وغالبًا ما يشار إلى الأطياف الجزيئية باسم أطياف النطاق .

الأدوات المستعملة في التحليل الطيفي:

هناك أنواع مختلفة من الأجهزة المستخدمة في التحليل الطيفي:

مطياف الموشور:

اخترعه الألماني جوستاف كيرشوف عام 1859، وهو يتألف من شق يسمح بدخول أشعة مصدر الضوء وموشور وعدة عدسات وعينية. من خلال وضع العينة المراد تحليلها قبل الموشور مباشرة، يتم ملاحظة سلسلة من الخطوط السوداء المقابلة للأطوال الموجية التي تمتصها المادة المدروسة.

مطياف محزوز الحيود:

يتشتت الضوء بواسطة محزوز حيود، (بشكل عام مرآة محفور عليها خطوط متوازية)، وهو أكثر كفاءة من الموشور البسيط. تم تطويره في عام 1814 من قبل الفيزيائي الألماني جوزيف فون فراون هوفر.

مقياس الطيف:

مطياف يتم استبدال محدد المنظر الخاص به بكاميرا. في حالة طيف الشمس الناتج عن مطياف، فإن الخطوط السوداء هي خطوط امتصاص: فهي ناتجة عن امتصاص الإشعاع بواسطة العناصر الموجودة في الغلاف الجوي للشمس. وبالتالي فإن دراسة هذه الخطوط تمكن العلماء من تحديد العناصر المكونة للهياكل الشمسية. على سبيل المثال، تشير الخطوط السوداء باللون الأصفر إلى وجود الصوديوم.

مقياس الطيف الضوئي:

يستخدم لمقارنة التوزيع الطيفي لمادة مجهولة، مع التوزيع الطيفي لعنصر كيميائي قياسي .

تطبيقات التحليل الطيفي:

يُستخدم التحليل الطيفي في الفيزياء الفلكية، والكيمياء الفيزيائية، والتحليلية لاكتشاف، أو تحديد التركيب الجزيئي، أو الهيكلي للعينة. حيث يعكس كل نوع من الجزيئات، أو الذرات الإشعاع الكهرومغناطيسي، أو يمتصه، أو ينبعث منه بطريقته المميزة. يستخدم التحليل الطيفي هذه الخصائص لاستنتاج، وتحليل تكوين العينة.

استخدام التحليل الطيفي في التحليل الكيميائي:

يستخدم التحليل الطيفي بشكل شائع في التحليل الكيميائي، لتحديد وجود، أو عدم وجود عنصر كيميائي معين . اعتمادًا على طبيعة العينة المراد تحليلها، يتم استخدام طرق مختلفة توفر أنواعًا مختلفة من الأطياف لتوصيف العناصر الكيميائية المطلوبة: أطياف الانبعاث الذري (طيف من الخطوط الملونة الدقيقة)، أو أطياف الامتصاص (خطوط سوداء دقيقة الطيف المخطط المستمر)، أطياف الأشعة السينية والأشعة (تستخدم بشكل خاص من قبل الشرطة العلمية، لتحديد كميات صغيرة جدًا من العناصر الكيميائية في العينة).

بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام تقنيات طيفية أخرى لتحديد بنية الجزيئات العضوية:

مطياف رامان:

اكتشفه الفيزيائي الهندي شاندراسيخارا فينكاتا رامان في عام 1928، مما يجعل من الممكن اكتشاف مجموعات معينة من الذرات في الجزيء، وتحديد تكوينها.

الرنين المغناطيسي النووي (NMR):

وهو أساس التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) - تقنية التصوير الطبي المستخدمة للحصول على مناظر ثنائية، أو ثلاثية الأبعاد لداخل الجسم.

الرنين المغناطيسي الإلكترون (EPR) أو الرنين المغزلي للإلكترون (ESR):

والذي يستخدم بشكل خاص لتحليل المواد، وفي التأريخ الأثري.

استخدام التحليل الطيفي في الفيزياء الفلكية:

يشكل التحليل الطيفي تقنية أساسية في الفيزياء الفلكية، لأنه يجعل من الممكن تحديد التركيب الكيميائي للنجوم، وكذلك تحديد سرعة ودرجة حرارة وطبيعة النجوم. في الواقع، توفر مراقبة النجوم، والكواكب، وأقمارها باستخدام أجهزة التحليل الطيفي، معلومات قيمة عن طبيعة العناصر الكيميائية التي تتكون منها. على سبيل المثال، تم اكتشاف عنصر الهيليوم في الشمس، حتى قبل اكتشافه على الأرض، (ومن هنا جاء اسم "الهيليوم" المشتق من اليونانية helios ، "الشمس"). علاوة على ذلك، عندما يقترب نجم (أو مصدر إشعاع بشكل عام)، أو يتحرك بعيدًا عن مراقب، يتم ملاحظة إزاحة موقع الخطوط الطيفية. هذا التحول في الأطوال الموجية، المعروف باسم تأثير دوبلر، يعطي قيمة دقيقة نسبيًا للسرعة النسبية للنجم. يشير التحول نحو اللون الأحمر للخطوط الطيفية للنجم، إلى أن هذا النجم يتحرك بعيدًا عن الأرض. على العكس من ذلك، إذا اقترب النجم من الأرض، يتحول الطيف إلى اللون الأزرق. أتاحت ملاحظة عمليات إزاحة الخطوط في أطياف المجرات إثبات أن الكون يتوسع، (ظاهرة كونية تنبأ بها جورج لوميتر. في وقت مبكر من عام 1927، وأظهره إدوين هابل في عام 1929). ومن أمثلة على تطبيقات التحليل الطيفي نجد:

1 ـ تحديد التركيب الذري للعينة.

2 ـ تحديد البنية الأيضية للعضلة.

3 ـ مراقبة محتوى الأكسجين المذاب في المياه العذبة، والأنظمة البيئية البحرية.

4 ـ دراسة خطوط الانبعاث الطيفي للمجرات البعيدة.

5 ـ تعديل هيكل الأدوية لتحسين الفعالية.

6 ـ توصيف البروتينات.

7 ـ استكشاف الفضاء.

8 ـ تحليل غازات الجهاز التنفسي في المستشفيات.

أنواع المطيافات أو مقاييس الطيف:

المطيافات، أو مقاييس الطيف، هي أجهزة متطورة مصممة لقياس توزيع الطاقة الطيفية للمصدر. يولد الإشعاع الساقط إشارة تجعل من الممكن تحديد طاقة الجسيم الساقط. في حين أن هناك أنواعًا عديدة من أجهزة قياس الطيف، فإن جميع أجهزة قياس الطيف تأخذ الضوء، وتقسمه إلى مكوناته الطيفية، ثم تقوم برقمنة الإشارة كدالة لطول الموجة، وتعرضها من خلال جهاز كمبيوتر. يتغير تصميم مقياس الطيف اعتمادًا على نطاق التجربة ومقاصدها، مما يسمح للباحثين بقياس الاهتزازات الجزيئية، والامتصاصية، ونسب الكتلة إلى الشحن، وغير ذلك الكثير.

مطيافية جاما:

بشكل عام، يعتبر التحليل الطيفي لجاما هو دراسة أطياف الطاقة لمصادر أشعة جاما، كما هو الحال في الصناعة النووية، والبحوث الجيوكيميائية، والفيزياء الفلكية.

تنتج معظم المصادر المشعة أشعة جاما ذات طاقات وشدة مختلفة. غالبًا ما تصاحب أشعة جاما انبعاث إشعاع ألفا وبيتا. عندما يتم الكشف عن هذه الانبعاثات وتحليلها باستخدام نظام التحليل الطيفي، يمكن إنتاج طيف طاقة جاما. أشعة جاما من الاضمحلال الإشعاعي في نطاق الطاقة من بضعة keV إلى ~ 8 MeV، وهو ما يقابل مستويات الطاقة النموذجية في النوى ذات العمر الطويل بشكل معقول. يتم إنتاجها عن طريق اضمحلال النوى أثناء انتقالها من حالة طاقة عالية إلى حالة أقل. يستخدم التحليل التفصيلي لهذا الطيف عادةً لتحديد هوية، وكمية بواعث جاما الموجودة في العينة، وهو أداة أساسية في التحليل الإشعاعي. طيف جاما هو سمة من سمات النويدات الباعثة لأشعة جاما، الموجودة في المصدر.

مطيافية الأشعة السينية:

التحليل الطيفي بالأشعة السينية هو مصطلح عام للعديد من تقنيات التحليل الطيفي، لتوصيف المواد باستخدام إثارة الأشعة السينية، فعندما يتم إثارة إلكترون في الغلاف الداخلي للذرة بواسطة طاقة الفوتون، فإنه ينتقل إلى مستوى طاقة أعلى. نظرًا لأن العملية تترك فراغًا في مستوى الطاقة الإلكترونية الذي نشأ منه الإلكترون، فإن الإلكترونات الخارجية للذرة تنزل لملء المستويات الذرية السفلية، وواحد أو أكثر من الأشعة السينية المميزة عادة ما يتم إصدارها. نتيجة لذلك، تظهر قمم شدة حادة في الطيف عند الأطوال الموجية التي تتميز بها المادة، التي يتكون منها هدف الأنود. يمكن توقع ترددات الأشعة السينية المميزة من نموذج بوهر. ينتج عن تحليل طيف انبعاث الأشعة السينية نتائج نوعية على التركيب الأولي للعينة.

مطيافية الأشعة تحت الحمراء (IR):

يُلاحظ هذا النوع من أطياف النطاق بشكل خاص في التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء (IR): عندما يمر الإشعاع الضوئي عبر عينة من المادة، تمتص بعض روابط الجزيئات طاقة الاهتزازات، ثم يُلاحظ فقد الإشعاع، بعد مرور الضوء عبر العينة، في نطاق الأشعة تحت الحمراء.

مطيافية الأشعة فوق البنفسجية المرئية:

في التحليل الطيفي المرئي فوق البنفسجي، الذي يتعلق بامتصاص الطاقة الكهرومغناطيسية للإشعاع الذي ينتمي إلى النطاق المرئي (400-800 نانومتر)، والأشعة فوق البنفسجية (100-400 نانومتر) - خصائص امتصاص المحاليل السائلة لمعرفة المواد الكيميائية تعبير. يتم إذابة المادة المراد تحليلها في مذيب، ويتم سكب المحلول الناتج في خزان مخصص لوضعه في المطياف. ثم نحدد الامتصاصية مع النفاذية، يتناسب الامتصاص مع طول الخزان، وتركيز الأنواع الملونة. وهكذا تم وضع قانون بير لامبرت، وتجدر الإشارة إلى أن قانون بيرلامبرت لا ينطبق إلا إذا كان تركيز الحلول منخفضًا. علاوة على ذلك، يشتمل الطيف المرئي للأشعة فوق البنفسجية دائمًا على طول موجي (λ_max )، يكون الامتصاص فيه أقصى (A_max ). وبالتالي، فإن λ_max تشكل كمية مميزة خاصة بكل نوع كيميائي، يسهل بعد ذلك تحديدها في المحلول.

مطيافية الكتلة:

يستخدم علماء الأحياء، والكيميائيون مطياف الكتلة لقياس نسبة الكتلة إلى الشحنة (m/z) لجزيء واحد، أو أكثر موجود داخل العينة. يمكن استخدام نسبة الكتلة إلى الشحن لحساب الأوزان الجزيئية لمكونات المحلول، والتي تُستخدم بعد ذلك لتحديد التركيب الجزيئي للمحلول، وتحديده كميًا. يمكن استخدام مطياف الكتلة لتحديد الجزيئات داخل العينة، أو الكشف عن الشوائب، أو تحليل البروتين المنقى، أو دراسة محتوى البروتين في الخلايا.

تستخدم مطياف الكتلة هذه المكونات الثلاثة لقياساتها: مصدر التأين، ومحلل الكتلة، ونظام الكشف عن الأيونات. يقوم مصدر التأين بتحويل الجزيئات إلى أيونات غازية، عن طريق التبخير قبل معالجتها بالمجالات الكهربائية، والمغناطيسية الخارجية. يقوم محلل الكتلة بفرز، وفصل الأيونات وفقًا لنسب الكتلة إلى الشحن، باستخدام التسارع، والانحراف. يقيس نظام الكشف عن الأيونات أيونات مفصولة بواسطة محلل الكتلة، ويرسل البيانات إلى نظام حيث يتم تخزين نسب m/z. في المرحلة الأخيرة من قياس الطيف الكتلي، يتم رسم نسب الكتلة إلى الشحن لأيونات العينة مقابل شدتها.

مطيافية NIR و FT-NIR:

يستخدم التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء، القريبة مصدر ضوء هالوجين لإنتاج أطوال موجية قريبة من الأشعة تحت الحمراء (12000 - 14000 سم)، تتكون من نطاقات مفرطة ومركبة. يرتبط كل نطاق بترددات اهتزاز مرتبطة بالتغير في العزم ثنائي القطب بين روابط الذرات داخل العينة. يتطلب التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (NIR) عادةً مطيافًا عالي الدقة، لضمان دقة البيانات. تستخدم معظم مطياف NIR خوارزميات برمجية، وطرق إحصائية لتفسير كل تردد، والتي يتم التعبير عنها في شكل رسم بياني. تمثل كل قمة تعريفًا للمادة، ويتوافق حجم الذروة مع كمية المادة الموجودة.

يستخدم التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة من فورييه (FT-NIR) موشورًا، أو مقضبًا متحركًا لفصل الترددات الفردية المنبعثة من مصدر الأشعة تحت الحمراء القريبة. يقيس الكاشف كمية الطاقة التي تمر عبر العينة عند كل تردد. تستخدم مقاييس طيف فورييه القريبة من الأشعة تحت الحمراء، إشارة تداخل لتشفير جميع ترددات الأشعة تحت الحمراء للعينة، مما يسمح بجمع الإشارة من خلال عمليات مسح متعددة كل ثانية. يمكن فك تشفير مخطط التداخل إلى طيف من التردد مقابل الشدة، باستخدام تحويل فورييه.

الفرق بين قياس الطيف والتحليل الطيفي:

التحليل الطيفي هو علم دراسة التفاعل بين المادة، والطاقة المشعة. إنها دراسة خصائص امتصاص المادة، أو سلوك امتصاص المادة، عند تعرضها للإشعاع الكهرومغناطيسي. إنه ببساطة النهج النظري للعلم.

من ناحية أخرى، فإن قياس الطيف هو الطريقة المستخدمة للحصول على قياس كمي للطيف. إنه التطبيق العملي حيث يتم إنشاء النتائج، مما يساعد في التقدير الكمي، على سبيل المثال، الامتصاصية، أو الكثافة الضوئية، أو النفاذية. باختصار، التحليل الطيفي هو العلم النظري، والقياس الطيفي هو القياس العملي في موازنة المادة في المستويات الذرية والجزيئية.

بحث هذه المدونة الإلكترونية

بوعلي عبد الحكيم للفيزياء والكيمياء