مطيافية الأشعة تحت الحمراء ، الأشعة تحت الحمراء

في مجال الكيمياء التحليلية ، والتكنولوجيا التي يمكن أن دقة تحليل التركيب الجزيئي للمواد دائما تحتل مكانة رئيسية . ظهور تحويل فورييه مطيافية الأشعة تحت الحمراء ( FTIR ) قد تغير نمط التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء التقليدية . . . . . . . مقارنة مع تشتت الطيف بالأشعة تحت الحمراء التي تعتمد على المنشور أو مقضب الطيفي ، FTIR يدرك الثلاثي قفزة في الكشف عن السرعة ، والحساسية ، القرار من خلال مبدأ تحويل فورييه . من البحوث الأساسية في المختبرات إلى مراقبة الجودة في خطوط الإنتاج الصناعية ، من تحليل المكونات الفلكية في استكشاف الفضاء إلى الكشف عن الأمراض في التشخيص السريري ، FTIR ، مع فريدة من نوعها " البصمات الجزيئية " القدرة ، لا تزال تدفع حدود الإدراك البشري في العالم المادي .

المبدأ الأساسي فورييه مطيافية الأشعة تحت الحمراء : من interferogram " فك " عملية الأشعة تحت الحمراء

منطق FTIR تنبع من التداخل مايكلسون والرياضيات تحويل فورييه .

تدخل إشارة : توليد الأشعة تحت الحمراء مصدر الضوء ( عادة السيليكون قضيب ، مصباح الديوتيريوم ، أو مصدر ضوء الليزر ) التي بنيت في الصك تنبعث منها ضوء الأشعة تحت الحمراء مع الطول الموجي المستمر ، وينقسم إلى اثنين من الحزم من خلال شعاع الخائن : شعاع واحد تنتقل إلى مرآة ثابتة ، والآخر ينعكس على منقول مرآة . اثنين من أشعة الضوء تتلاقى مرة أخرى بعد أن ينعكس على شكل " interferogram " الذي يحتوي على جميع المعلومات من الطول الموجي بسبب فرق المسار البصري ، وهو نوع من إشارة في المجال الزمني الذي يظهر منحنى الموجة من شدة الضوء يختلف مع فرق المسار البصري .

تحويل فورييه " فك " وظيفة : interferogram لا يمكن أن تعكس مباشرة التركيب الجزيئي للمواد ، تحتاج إلى تحويل فورييه من خلال الكمبيوتر . في هذه العملية ، تدخل إشارة في المجال الزمني هو تحويلها إلى إشارة الطيف في نطاق التردد ، وهذا هو ، شدة الضوء يختلف مع فرق المسار البصري و شدة الضوء يختلف مع عدد من الموجات ( أو الطول الموجي ) ، وأخيرا تشكيل طيف امتصاص الأشعة تحت الحمراء التي نراها .

" البصمة الجزيئية " الاعتراف المنطق : جزيئات مختلفة من الرابطة الكيميائية الاهتزاز ( تمتد الاهتزاز ، اهتزازات الانحناء ، وما إلى ذلك ) تردد معين ، فقط المقابلة الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء تنتج امتصاص ، لذلك سوف يكون على شكل طيف امتصاص مميزة الذروة . على سبيل المثال ، مجموعة الهيدروكسيل ( أوه ) لديه امتصاص قوي الذروة في 3200-3600 سم ⁻ مجموعة الكربونيل ( ج = س ) في 1600-1800 سم ⁻ مجموعة وظيفية و التركيب الجزيئي يمكن الحكم عليها بدقة من خلال المقارنة بين موقف قوة وشكل مميزة الذروة .

المكونات الأساسية : الأجهزة الدقيقة والتكنولوجيا ميزة FTIR

الأداء العالي FTIR يعتمد على العمل التعاوني من أربعة عناصر رئيسية ، والخصائص التقنية لكل عنصر يحدد مباشرة القدرة التحليلية للجهاز :

الأشعة تحت الحمراء مصدر الضوء : تحتاج إلى توفير كثافة مستقرة ، الطول الموجي واسعة النطاق ( عادة 4000-400 سم ⁻ 185 ، وهذا هو ، في منطقة الأشعة تحت الحمراء ) الطيف المستمر . قضيب السيليكون هو مناسبة لأنّ التحليل التقليدي ، في حين أن مصدر ضوء الليزر ( مثل الليزر تتالي الكم ) يمكن تحقيق دقة عالية للكشف عن تلبية متطلبات تتبع عنصر التحليل .

التداخل مايكلسون : قلب الصك ، تتألف من شعاع الفاصل ، مرآة ثابتة ، منقولة مرآة . شعاع الفاصل يجب أن يكون ارتفاع نسبة انتقال / انعكاس الأشعة تحت الحمراء ، والمواد المشتركة هي الجرمانيوم أو بروميد البوتاسيوم . من أجل تحقيق دقة عالية ، من الضروري ضمان دقة السيطرة على مسار بصري الفرق .

الكاشف : هو المسؤول عن التقاط إشارة التدخل وتحويلها إلى إشارة كهربائية ، تحتاج إلى حساسية عالية وسرعة الاستجابة . وتشمل الأنواع الشائعة تيلوريد كادميوم زئبق كاشف ( MCT ) ، deuterated triglycine كبريتات كاشف ( dtgs ) - MCT الكاشف هو حساسية عالية ، ويمكن استخدامها في تتبع التحليل . dtgs الكاشف هو الاستقرار جيدة ومنخفضة التكلفة ، ويستخدم على نطاق واسع في الكشف التقليدية .

الكمبيوتر و نظام البرمجيات : تحمل مهام تحويل فورييه الطيف ومعالجة البيانات وتحليلها . البرمجيات الحديثة FTIR ليس فقط يدعم المهام الأساسية مثل الطيف جمع خط الأساس تصحيح حساب منطقة الذروة ، ولكن أيضا يدمج قاعدة بيانات ضخمة الطيفية القياسية ( على سبيل المثال ، ساتلر قاعدة البيانات الطيفية ) ، والتي يمكن التعرف على المواد غير معروف بسرعة من خلال المقارنة الطيفية ، وفي الوقت نفسه ، فإنه يدعم تطبيقات متقدمة مثل التحليل الكمي متعدد المكونات ، ودينامية عملية الرصد .

بالمقارنة مع تشتت الطيف بالأشعة تحت الحمراء ، FTIR لديها مزايا واضحة على النحو التالي : ( 1 ) الكشف عن سرعة عالية ( فقط بضع ثوان أو حتى ميلي ثانية واحدة في وقت واحد ) ، ومناسبة لرصد عملية رد الفعل السريع . ② حساسية عالية ( تداخل الإشارات للحد من الضوضاء ، والحد من الكشف عن جزء في المليون ) ، يمكن الكشف عن العناصر النزرة . ③ ارتفاع القرار ( يمكن أن تميز بدقة ذروة امتصاص الطول الموجي مماثلة ) ، تنطبق على تحليل خليط معقد . ④ كفاءة استخدام الطاقة العالية ( لا تحتاج إلى تقسيم الضوء ، الأشعة تحت الحمراء ضوء النطاق الترددي الكامل للمشاركة في الكشف ) ، والحد من فقدان مصدر الضوء .

تطبيقات متعددة : من البحث العلمي إلى الصناعة " أداة تحليلية شاملة "

الكيمياء والهندسة الكيميائية : ① تحديد هيكل المركبات غير معروف ، من خلال تحديد مجموعة وظيفية مميزة الذروة ( مثل الحكم على ما إذا كانت المواد العضوية تحتوي على مجموعة الهيدروكسيل ، الأمينية ، الكربونيل ، وهلم جرا ) ؛ ② رصد عملية رد الفعل ، في الوقت الحقيقي تتبع التغيرات الطيفية المتفاعلة والحد من المنتجات ، وتحسين ظروف رد الفعل . نقاء التحليل ، الحكم على نقاء المواد من خلال كثافة النجاسة مميزة الذروة ( على سبيل المثال ، الكشف عن محتوى الشوائب في المخدرات ) .

مجال علم المواد : ① تحليل البوليمر ، وتحديد المواد البلاستيكية والمطاط والألياف ( مثل التمييز بين البولي ايثيلين والبولي بروبيلين ) ، الكشف عن محتوى المضافة ؛ ② تحليل الفيلم طلاء ، قياس سماكة الطلاء ، تكوين التوحيد ، وتقييم المواد الشيخوخة درجة ؛ توصيف المواد النانوية ، وتحليل المجموعات الوظيفية على سطح الجسيمات النانوية ، الرابطة الكيميائية .

مجال الطب الحيوي : ① المخدرات البحث والتطوير ، بسرعة فحص جزيئات المخدرات ، وتحسين صياغة المخدرات ، اختبار الاستقرار ؛ ② التشخيص السريري ، تشخيص مرض السكري وأمراض الكبد وغيرها من الأمراض ( على سبيل المثال ، العلاقة بين تركيز السكر في الدم و كثافة الطيف محددة الذروة ) من خلال الأشعة تحت الحمراء أطياف الدم والبول . التعرف على الكائنات الحية الدقيقة ، وسرعة التمييز بين أنواع البكتيريا والفطريات ( مختلف الكائنات الحية الدقيقة جدار الخلية مكونات الطيف الخلافات ) .

مجال الرصد البيئي : ① الكشف عن ملوثات الهواء ، في الوقت الحقيقي رصد الفورمالديهايد والمركبات العضوية المتطايرة ( المركبات العضوية المتطايرة ) ، وثاني أكسيد الكبريت وغيرها من تركيزات الغاز . ② تحليل نوعية المياه ، والكشف عن المواد العضوية والمعادن الثقيلة وغيرها من الملوثات المعقدة ؛ فحص تلوث التربة لتحديد أنواع ومحتويات المواد الضارة مثل الهيدروكربونات النفطية و بقايا المبيدات في التربة .

الغذاء والزراعة : ① تحليل المكونات الغذائية ، تحديد البروتين ، الدهون ، الرطوبة ، النشا ، وغيرها من المحتوى ( مثل الحليب المجفف في محتوى البروتين الكشف ) ؛ ② الكشف عن المضافات الغذائية والمواد الضارة ، مثل الكشف عن النتريت والمواد الحافظة في الغذاء ؛ تقييم جودة المنتجات الزراعية ، من خلال الخصائص الطيفية للحكم على نضج الثمار والحبوب العفن .

اتجاه التنمية فورييه مطيافية الأشعة تحت الحمراء التكنولوجيا : intelligentization ، التصغير ، والجمع بين

مع تطور العلم والتكنولوجيا ، FTIR هو النامية نحو أكثر كفاءة وأكثر ملاءمة وأكثر دقة الاتجاه .

intelligentization والتشغيل الآلي : دمج الذكاء الاصطناعي ( منظمة العفو الدولية ) خوارزمية لتحقيق التلقائي تحليل البيانات الطيفية ، التعرف السريع على المجهول و التحليل الكمي . جنبا إلى جنب مع تكنولوجيا الروبوت ، منصة الاختبار التلقائي ( على سبيل المثال ، تدفق عالية عينة اختبار النظام ) هو بناء ، والتي يمكن استخدامها على نطاق واسع في تحليل العينات ( على سبيل المثال ، ومراقبة الجودة من المخدرات خط الانتاج ) .

التصغير والمحمولة : التقليدية FTIR لديها حجم كبير و يعتمد على البيئة في المختبر ، في حين أن المحمولة FTIR يدرك القدرة على الكشف في الموقع ( على سبيل المثال ، والرصد البيئي في حالات الطوارئ ، في الموقع تحليل الآثار الثقافية ، وسلامة الأغذية التفتيش ، وما إلى ذلك ) . بعض الأجهزة المحمولة وزنها فقط بضعة كيلوغرامات ، ويمكن تشغيلها باليد ، لتلبية متطلبات العمل في الهواء الطلق .

الجمع بين التكنولوجيا الترقية : استخدام جنبا إلى جنب مع غيرها من التقنيات التحليلية ، وتوسيع نطاق تطبيق الحدود . على سبيل المثال ، gc-ftir جنبا إلى جنب مع الفصل اللوني للغاز ، FTIR يمكن استخدامها لتحليل العناصر النزرة في خليط معقد . lc-ftir ( السائل chromatography-فورييه مطيافية الأشعة تحت الحمراء ) يحل مشكلة تحليل المركبات غير المتطايرة . وبالإضافة إلى ذلك ، فإن الجمع بين FTIR مع أطياف رامان ، مطياف الكتلة يزيد من دقة التحليل الشامل .

سادساً - خاتمة : آفاق تكنولوجيا التحليل الجزيئي

فورييه مطيافية الأشعة تحت الحمراء ( FTIR ) أصبحت جسرا بين العالم الجزيئي والجزئي تحليل المواد بسبب مبدأ عملها الفريد والأداء . من تحليل التركيب الجزيئي في البحوث الأساسية ، ومراقبة الجودة في الإنتاج الصناعي ، وسلامة الأغذية ، والرصد البيئي في مجال معيشة الشعب ، FTIR دائما يلعب دورا لا غنى عنه . جنبا إلى جنب مع التقدم المستمر في تكنولوجيا الذكاء ، التصغير ، والجمع بين استخدام FTIR سوف تظهر إمكانات في أكثر المجالات الناشئة ( مثل استكشاف الفضاء ، والعلاج الطبي الدقيق ، والطاقة الجديدة من المواد ) ، وتوفير أدوات تحليلية قوية لحل المشاكل المعقدة . في المستقبل ، FTIR ليس فقط سوف تصبح " القياسية " في المختبر ، ولكن أيضا سوف تدخل في كل مشهد من الإنتاج والحياة ، وسوف تصبح التكنولوجيا الأساسية لدعم حماية الصحة والسلامة وتعزيز الابتكار .