طیف سنجی مادون قرمز (طیف سنجی مادون قرمز فوریه) طیف سنجی FTIR  است که با ناحیه مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی ، یعنی نوری با طول موج بلندتر و فرکانس کمتر از نور مرئی سروکار دارد. این شامل طیف وسیعی از تکنیک ها است که عمدتا بر اساس طیف سنجی جذب است. مانند همه روشهای طیف سنجی ، می توان از آن برای شناسایی و مطالعه مواد شیمیایی استفاده کرد. یکی از تجهیزات آزمایشگاهی رایج که از این تکنیک استفاده می کند ، طیف سنج مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) است.

اجزا طیف سنج مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR)

یک طیف سنج FTIR متداول شامل یک منبع ، تداخل سنج ، محفظه نمونه ، آشکارساز ، تقویت کننده ، مبدل A/D و یک کامپیوتر است. منبع تابش ایجاد می کند که نمونه را از طریق تداخل سنج عبور داده و به آشکارساز می رسد.

 سپس سیگنال به ترتیب توسط تقویت کننده و مبدل آنالوگ به دیجیتال به سیگنال دیجیتال تبدیل می شود. در نهایت ، سیگنال به کامپیوتری منتقل می شود که در آن تبدیل فوریه انجام می شود. شکل زیر بلوک دیاگرام طیف سنج FTIR است. تفاوت عمده بین طیف سنج FTIR و طیف سنج IR پراکندگی تداخل سنج مایکلسون است.

قسمت مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی معمولاً به سه ناحیه تقسیم می شود. مادون قرمز نزدیک ، میانی و دور ، که به دلیل ارتباط آنها با طیف مرئی نامگذاری شده است. انرژی بالاتر نزدیک به IR ، تقریبا 14000-4000 سانتی متر ^-1 (طول موج 0.8-2.5 میکرومتر) می تواند ارتعاشات رنگی یا هارمونیک را برانگیزد.

 مادون قرمز متوسط ​​، تقریباً 4000-400 سانتی متر ^-1 (2.5-25 میکرومتر) ممکن است برای مطالعه ارتعاشات اساسی و ساختار ارتعاشی چرخشی مرتبط استفاده شود. مادون قرمز دور ، تقریباً 400-10 سانتی متر ^-1 (25-1000 میکرومتر) ، در مجاورت ناحیه مایکروویو ، دارای انرژی کمی است و ممکن است برای طیف سنجی چرخشی استفاده شود.

 نام ها و طبقه بندی این زیرمنطقه ها قراردادی هستند و فقط بر اساس خواص نسبی مولکولی یا الکترومغناطیسی است.

تئوری طیف سنجی مادون قرمز

طیف سنجی مادون قرمز از این واقعیت استفاده می کند که مولکولها فرکانسهای خاصی را که مشخصه ساختار آنهاست جذب می کنند. این جذبها فرکانس های طنین انداز هستند ، یعنی فرکانس تابش جذب شده با فرکانس پیوند یا گروه ارتعاشی مطابقت دارد. انرژیها بر اساس شکل سطوح انرژی بالقوه مولکولی ، جرم اتمها و اتصال ارتعاشی مرتبط با آن تعیین می شوند.

به طور خاص ، در تقریب های ایجاد شده-اوپنهایمر و هارمونیک ، یعنی زمانی که همیلتونی مولکولی مربوط به حالت پایه الکترونیکی را می توان با یک نوسان ساز هارمونیک در همسایگی هندسه مولکولی تعادل تقریبی کرد ، فرکانس های رزونانس با حالت های طبیعی مربوط به سطح الکترونیکی مولکولی سطح انرژی بالقوه.

با این وجود ، فرکانس های طنین می توانند در اولین رویکرد مربوط به قدرت پیوند و جرم اتم ها در دو انتهای آن باشند. بنابراین ، فرکانس ارتعاشات می تواند با یک نوع پیوند خاص مرتبط باشد.

برای اینکه حالت ارتعاشی در یک مولکول “IR فعال” باشد ، باید با تغییرات دوقطبی دائمی همراه باشد.

یک مولکول می تواند به طرق مختلف ارتعاش کند و هر راه را حالت ارتعاشی می نامند. مولکولهای خطی دارای 3N – 5 درجه حالت ارتعاشی هستند در حالی که مولکولهای غیر خطی دارای 3N – 6 درجه حالت ارتعاشی هستند (که به آنها درجه ارتعاشی آزادی نیز گفته می شود). به عنوان مثال H ₂ 6 = 3 درجه آزادی ارتعاشی، و یا حالت – O، یک مولکول غیر خطی، 3 × 3 است.

مولکولهای ساده دو اتمی فقط یک پیوند و تنها یک نوار ارتعاشی دارند. اگر مولکول متقارن است، به عنوان مثال N ₂ ، گروه در طیف مادون قرمز مشاهده نمی شود، اما تنها در طیف رامان. مولکولهای دی اتمی نامتقارن ، مانند CO ، در طیف IR جذب می شوند. مولکولهای پیچیده پیوندهای زیادی دارند و طیف ارتعاشی آنها نیز پیچیده تر است ، یعنی مولکولهای بزرگ قله های زیادی در طیف IR خود دارند.

اتم ها در یک CH ₂ گروه، معمولا در ترکیبات آلی موجود، می تواند در شش روش های مختلف ارتعاش: متقارن و پادمتقارن کشش، قیچی، تاب، تکان و پیچش

طیف سنج مادون قرمز چگونه کار می کند؟

مرحله 1 : اولین مرحله آماده سازی نمونه است . روش استاندارد برای تهیه نمونه جامد برای طیف سنج FTIR استفاده از KBr است. حدود 2 میلی گرم نمونه و 200 میلی گرم KBr خشک شده و آسیاب می شوند. اندازه ذرات باید یکسان و کمتر از دو میکرومتر باشد.

 سپس ، مخلوط فشرده می شود تا گلوله های شفاف ایجاد شود که می توانند مستقیماً اندازه گیری شوند. برای مایعات با نقطه جوش بالا یا محلول چسبناک ، می توان آن را بین دو گلوله NaCl اضافه کرد. سپس نمونه در سلول با کج ثابت شده و اندازه گیری می شود. برای نمونه مایع فرار ، در CS ₂ یا CCl _{4  حل می شود .}

برای تشکیل محلول 10 سپس محلول برای اندازه گیری به سلول مایع تزریق می شود. نمونه گاز باید در یک سلول گازی با دو پنجره KBr در هر طرف اندازه گیری شود. سلول گازی ابتدا باید جاروبرقی بکشد. سپس نمونه را می توان برای اندازه گیری به سلول گازی معرفی کرد.

مرحله 2: مرحله دوم بدست آوردن طیف پس زمینه با جمع آوری تداخل و تبدیل بعدی آن به داده های فرکانس با تبدیل معکوس فوریه است. 

ما طیف پس زمینه را بدست می آوریم زیرا حلالی که نمونه خود را در آن قرار می دهیم دارای آثاری از گازهای محلول و همچنین مولکول های حلال است که اطلاعاتی را که نمونه ما نیستند ، به اشتراک می گذارد.

 طیف پس زمینه حاوی اطلاعاتی در مورد گونه های گازها و مولکول های حلال است ، که ممکن است سپس از طیف نمونه ما حذف شوند تا اطلاعات مربوط به نمونه را بدست آوریم. شکل زیر نمونه ای از طیف پس زمینه FTIR را نشان می دهد.

طیف پس زمینه همچنین چندین فاکتور دیگر مربوط به عملکرد دستگاه را در نظر می گیرد که شامل اطلاعات مربوط به منبع ، تداخل سنج ، آشکارساز و سهم آب محیط است (به دو گروه خطوط نامنظم در حدود 3600 سانتی متر ^-1 و حدود 1600 توجه کنید. سانتی متر ^-1 در شکل زیر) و دی اکسید کربن (به دوبل در 2360 سانتی متر ^-1 و سنبله تیز در 667 سانتی متر ^-1 در شکل توجه کنید.66) در نیمکت نوری موجود است.

مرحله 3: در مرحله بعد ، ما یک طیف تک پرتو از نمونه را جمع آوری می کنیم که شامل نوارهای جذب کننده از نمونه و همچنین پس زمینه (گازی یا حلال) خواهد بود.

مرحله 4: نسبت بین طیف نمونه تک پرتو و طیف پس زمینه تک پرتو طیف نمونه را می دهد (شکل زیر)

آشکارسازهای فتوولتائیک InAsSb