طیف سنجی مادون قرمز فوریه (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FT-IR) یکی از پرکاربردترین روشهای آنالیز در شیمی تحلیلی و علوم مواد است. این روش بر اساس برهمکنش پرتو مادون قرمز با ماده طراحی شده و برای شناسایی ترکیبات شیمیایی، تعیین ساختار مولکولی و تحلیل پیوندهای شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرد.
در این تکنیک، انرژی تابشی مادون قرمز (IR) هنگام عبور از نمونه، توسط گروههای عاملی خاصی از مولکول جذب میشود و هر ترکیب طیف منحصربهفردی از خود نشان میدهد؛ به همین دلیل از FT-IR به عنوان اثر انگشت مولکولها یاد میشود. اگر در صنعت، تحقیق یا کنترل کیفیت فعالیت دارید، آشنایی با این دستگاه میتواند به شما کمک کند تا ترکیبات ناشناخته را شناسایی کرده، خلوص مواد را بسنجید و کیفیت محصولات را با دقت بالا کنترل کنید.
تعریف علمی و مفهوم «فوریه»
واژهی «فوریه» از نام دانشمند فرانسوی ژان باتیست ژوزف فوریه (Fourier) گرفته شده است. او پایهگذار مفهوم تبدیل فوریه (Fourier Transform) بود — روشی ریاضی برای تجزیه سیگنالهای پیچیده به مؤلفههای سادهتر.
در دستگاه FT-IR، دادههای خام حاصل از نور تابیدهشده به نمونه با استفاده از تبدیل فوریه به طیف نهایی و قابل تفسیر تبدیل میشوند.
به زبان سادهتر:
تبدیل فوریه کاری میکند که دستگاه از دادههای نوری نامنظم، یک نمودار جذب بر حسب عدد موج بسازد که برای شناسایی ترکیبها به کار میرود.
نواحی مختلف طیف مادون قرمز
طیف مادون قرمز به سه ناحیه تقسیم میشود که هر کدام کاربردهای خاص خود را دارند:
| ناحیه | بازه عدد موج (cm⁻¹) | کاربرد |
| Far-IR (مادون قرمز دور) | 15 تا 400 | بررسی ارتعاشات شبکهای در مواد جامد و کریستالها |
| Mid-IR (مادون قرمز میانی) | 400 تا 4000 | شناسایی گروههای عاملی در ترکیبات آلی |
| Near-IR (مادون قرمز نزدیک) | 4000 تا 18000 | تحلیل سریع مواد غذایی، دارویی و پلیمرها |
اساس عملکرد دستگاه طیف سنجی مادون قرمز
در طیف سنجی مادون قرمز فوریه، پرتوی IR از منبع نوری تولید و از تداخلسنج مایکلسون (Michelson Interferometer) عبور داده میشود. این بخش قلب دستگاه است.
مراحل عملکرد:
- تولید پرتو IR: منبع نوری مانند گلوبار (Globar) یا نرنست (Nernst Rod) پرتو مادون قرمز ایجاد میکند.
- تقسیم پرتو: آینه نیمهشفاف (Beam Splitter) پرتو را به دو مسیر جداگانه هدایت میکند.
- ایجاد تداخل: پرتوها پس از بازتاب از آینه ثابت و متحرک، دوباره ترکیب میشوند.
- عبور از نمونه: پرتو ترکیبشده از نمونه عبور کرده و توسط آشکارساز (Detector) دریافت میشود.
- تبدیل داده: سیگنال نهایی توسط نرمافزار با استفاده از تبدیل فوریه به طیف قابلخواندن تبدیل میشود.
اجزای اصلی دستگاه FT-IR
- منبع تابش IR – برای تولید طیف وسیعی از طولموجهای مادون قرمز.
- تداخلسنج مایکلسون – برای ایجاد الگوی تداخلی نوری.
- محفظه نمونه (Sample Compartment) – محل قرارگیری نمونه در حالت جامد، مایع یا گاز.
- آشکارساز (Detector) – تبدیل پرتو عبوری به سیگنال الکتریکی.
- رایانه و نرمافزار پردازش – انجام تبدیل فوریه و نمایش طیف.
انواع نمونهها در طیف سنجی مادون قرمز
- نمونههای جامد: به صورت قرص KBr یا فیلم نازک آماده میشوند.
- نمونههای مایع: در سلهای مخصوص با پنجرههای NaCl یا CaF₂ قرار میگیرند.
- نمونههای گازی: با استفاده از سل گازی با مسیر نوری طولانی بررسی میشوند.
تفسیر طیف مادون قرمز
در طیف FT-IR، محور افقی عدد موج (cm⁻¹) و محور عمودی شدت جذب را نشان میدهد. هر پیک جذب در طیف به ارتعاش خاصی از پیوندهای شیمیایی مربوط است.
به عنوان مثال:
- ناحیه 3200–3600 cm⁻¹ → پیوندهای O–H یا N–H
- ناحیه 2850–2950 cm⁻¹ → پیوندهای C–H در آلکانها
- ناحیه 1650–1750 cm⁻¹ → گروههای کربونیل (C=O)
- ناحیه 1000–1300 cm⁻¹ → پیوندهای C–O یا C–N
اهمیت و مزایای طیف سنجی FT-IR
- دقت و سرعت بالا در شناسایی مواد
- نیاز به مقدار کم نمونه
- عدم تخریب نمونه در بسیاری از موارد
- توانایی شناسایی ترکیبات آلی و غیرآلی
- قابلیت اتصال به سیستمهای کروماتوگرافی (GC یا HPLC)
- مناسب برای کنترل کیفیت و پایش فرآیندها در زمان واقعی
کاربردهای طیف سنجی مادون قرمز در صنایع مختلف
۱. شیمی و پتروشیمی
در صنایع نفت، گاز و پلیمر، FT-IR برای شناسایی ساختار پلیمرها، بررسی اکسیداسیون، تشخیص ناخالصی و آنالیز ترکیب مواد نفتی به کار میرود.
۲. داروسازی
در آزمایشگاههای دارویی از FT-IR برای کنترل خلوص مواد اولیه، بررسی پایداری دارو و مطالعه برهمکنش بین ترکیبات فعال و مواد جانبی استفاده میشود.
۳. صنایع غذایی
این دستگاه قادر است نسبت چربی، رطوبت، قند و پروتئین در محصولات غذایی را در مدت چند ثانیه اندازهگیری کند. به همین دلیل در کنترل کیفیت کارخانههای لبنی، روغن و شیرینیجات کاربرد زیادی دارد.
۴. علوم زیستی و پزشکی
FT-IR در تشخیص تغییرات ساختار پروتئینها، بررسی غشاهای سلولی و مطالعه اثر داروها بر بافتهای بیولوژیکی استفاده میشود.
۵. محیطزیست
در پایش آلودگیهای هوا و گازهای صنعتی مانند CO، SO₂، NOx و بخارات آلی فرار (VOCs) از FT-IR استفاده میشود.
این دستگاه حتی قادر است ترکیبات سمی در دود حاصل از آتشسوزیها را شناسایی کند.
کوپل FT-IR با سایر تکنیکها
یکی از نقاط قوت طیف سنجی مادون قرمز امکان اتصال آن با سایر روشهای آنالیزی مانند کروماتوگرافی گازی (GC)، کروماتوگرافی مایع (HPLC) و میکروسکوپ مادون قرمز (IR Microscope) است.
سیستم GC-FTIR ترکیبی از جداسازی دقیق کروماتوگرافی و شناسایی ساختاری FT-IR است که برای ترکیبات فرار و ناپایدار کاربرد دارد.
محدودیتهای FT-IR
با وجود مزایای فراوان، FT-IR محدودیتهایی نیز دارد:
- حساسیت پایینتر نسبت به روشهای طیف سنجی جرمی (MS)
- دشواری تحلیل نمونههای بسیار رقیق
- نیاز به حذف کامل رطوبت، چون آب خود جذب IR قوی دارد
- احتمال همپوشانی پیکها در نمونههای پیچیده
تولیدکنندگان برتر و بازار جهانی
طبق گزارشهای صنعتی، ارزش بازار جهانی تجهیزات طیف سنجی مادون قرمز تا سال 2020 حدود ۱.۶ میلیارد دلار بوده و روند رشد آن همچنان صعودی است.
برندهای مطرح تولیدکننده این دستگاه شامل:
- Thermo Scientific (آمریکا)
- PerkinElmer (آمریکا)
- Agilent Technologies (آمریکا)
- Shimadzu (ژاپن)
- Bruker (آلمان)
در سالهای اخیر، شرکتهای چینی نیز با سرمایهگذاری در بخش تحقیق و توسعه در تلاشاند تا در تولید قطعات نوری و نرمافزارهای پردازش داده خودکفا شوند.
آینده طیف سنجی مادون قرمز
با پیشرفت فناوری، دستگاههای FT-IR امروزی به سمت کوچکسازی (Miniaturization)، قابلحمل بودن و اتصال به هوش مصنوعی برای تحلیل خودکار طیفها پیش میروند.
همچنین انتظار میرود در آینده نزدیک، این دستگاهها بتوانند در خطوط تولید صنعتی بهصورت آنلاین و بلادرنگ (Real-Time) فرآیندها را پایش کنند.
جمعبندی
طیف سنجی مادون قرمز فوریه (FT-IR) ابزاری قدرتمند و دقیق برای شناسایی ساختار مولکولی مواد است.
بهواسطهی سرعت، دقت، سادگی کاربری و توانایی شناسایی اثر انگشت مولکولها، این دستگاه یکی از ابزارهای کلیدی در آزمایشگاههای تحقیقاتی، صنعتی و محیطزیستی محسوب میشود.
با رشد تقاضا در صنایع شیمی، داروسازی، محیطزیست و غذا، آیندهی FT-IR روشنتر از همیشه است و نقش آن در شناسایی و کنترل کیفیت ترکیبات شیمیایی روزبهروز پررنگتر میشود.