طیف سنج مرئی فرابنفش

جذب (Absorbance) فرآیندی است که در آن یک ماده به طور گزینشی، انرژی فرکانس های خاصی از تابش الکترومغناطیسی را جذب نموده و در نتیجه پرتو تابشی اولیه را تضعیف می کند. طیف سنجی فرابنفش و مرئی، جذب تابش الکترومغناطیسی توسط ماده در ناحیه فرابنفش / مرئی است. مولکول های آلی، گونه های معدنی و کمپلکس های انتقال بار سه دسته مهم از جاذب ها در طیف سنجی فرابنفش و مرئی هستند. مهمترین انتقالات ترکیبات آلی مربوط به دو انتقال n به *π و π به *π  است. الکترون های مسئول جذب در گونه های معدنی در اوربیتال های d و f قرار دارند و جذب انتقال بار در کمپلکس ها 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 کمیّت نور جذب نشده است. جذب نیز یک کمیّت بدون واحد است که با غلظت رابطه مستقیم دارد. قانون بیر-لامبرت (Beer-Lambert) رابطه ی بین جذب و غلظت را بیان می کند. یکی از عواملی که بر طیف های جذبی اثر می گذارد قطبیّت حلال است که بر حسب نوع انتقال می تواند باعث ایجاد انتقال در فرکانس نور قابل جذب (انتقال قرمز به سمت فرکانس های کمتر یا آبی به سمت فرکانس های بیشتر شود.
۱- مقدمه ( انتقالات الکترونی و گونه های جاذب ):

در این بخش انواع گونه های مولکولی را بررسی می کنیم که تابش فرابنفش یا مرئی را جذب می کنند و بنابراین می توانند توسط طیف بینی 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 می شود: دسته ی اول جذب توسط مولکول های آلی، دسته ی دوم جذب توسط گونه های معدنی و دسته ی سوم جذب توسط کمپلکس های انتقال بار.
دسته ی اول جذب های مربوط به انتقالات الکترونی الکترون های موجود در اوربیتال های n(اوربیتال غیر پیوندی)، σ (اوربیتال پیوندی) و π (اوربیتال پای) است. اینگونه انتقالات بیشتر در مولکول های آلی انجام می شوند (شکل ۱). برای آشنایی بیشتر با ترکیبات آلی می توانید به مقاله ” شیمی ترکیبات کربن” مراجعه نمایید. به طور کلی دو نوع الکترون مسئول جذب فرابنفش / مرئی در مولکول های آلی هستند. الکترون های پیوندی که مستقیماً در تشکیل پیوند شرکت دارند (مانند الکترون های σ) و بنابراین با بیش از یک اتم همراهند و الکترون های خارجی غیر پیوندی (الکترون های n) که تا حد زیادی حول اتم هایی مانند اکسیژن، هالوژن ها، گوگرد و نیتروژن (هترواتم‌ها) مستقرند. طول موج مشخصی که در آن یک مولکول آلی تابش را جذب می کند به این که چه مقدار الکترون های مختلف محکم پیوند شده اند بستگی دارد. الکترون های پیوندی در پیوند های یگانه مانند کربن-کربن یا کربن-هیدرژن به حدی محکم نگهداشته می شوند که برانگیختن آنها به انرژی هایی متناظر با طول موج هایی زیر ۱۹۰nm  که در ناحیه فرابنفش خلاً (Vacuum UV) قرار می گیرند، نیاز دارد. طیف های پیوند یگانه برای مقاصد تجزیه ای زیاد مورد مطالعه قرار نگرفته اند.

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
شکل ۱- انتقالات الکترونی در مولکول ها
ترکیبات آلی حاوی پیوند های دوگانه یا سه گانه (Multiple Bonds) معمولاً پیک های جذبی مفیدی را نشان می دهند. زیرا الکترون ها در پیوندهای سیرنشده (Unsaturated) نسبتاً شل نگه داشته می شوند (معمولا الکترون های π) و بنابراین به سهولت برانگیخته می شوند. گروه های عاملی آلی سیر نشده ای که در ناحیه فرابنفش و مرئی جذب دارند را اصطلاحاً رنگساز (Chromophore) می گویند. ترکیبات آلی حاوی گوگرد (S)، برم (Br) و ید (I) نیز در ناحیه فرابنفش جذب می کنند، زیرا این عناصر دارای الکترون های غیرپیوندی هستند که در مقایسه با الکترون های پیوندی یک پیوند سیر شده راحت تر برانگیخته می شوند و بنابراین به آسانی توسط فوتون ها برانگیخته می گردند [۱]. پس با توجه به مباحث فوق، انتقالات الکترونی ممکن با الکترون های موجود در اوربیتال های n، σ و π به این ترتیب اند (شکل ۱)؛ 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 ۱۲۵nm است. جذب های مربوط به این انتقالات در طیف های Uv-Vis معمولی دیده نمی شوند. جذب های مربوط به انتقالات n به *σ  در مولکول های دارای اتمهایی با زوج الکترون های آزاد مشاهده می شود. این گونه جذب ها در نواحی nm 150-250 قرار می گیرند. البته تعداد گروه های عاملی که این انتقال را دارند اندک است. اکثر انتقالات ترکیبات آلی بر اساس انتقال الکترون هایشان از اوربیتال های n و π به *π است. یعنی دو انتقال n به * π و π به *π . اینگونه انتقالات نیازمند وجود یک گره غیر اشباع در مولکول است و نسبت به انتقالات قبلی نیازمند انرژی کمتری هستند[۲و۳].
دسته ی دوم، جذب های مربوط به یون های کمپلکس و مولکول های معدنی است. طیف های این گونه ها مشابه با طیف های ترکیبات آلی است ولی یک پیک جذبی پهن است ایجاد می نماید. طیف های مربوط به لانتانید ها و اکتینید ها (Lanthanides، Actinides) یک استثنای مهم است. از آنجا که به ترتیب الکترون ها در ترازهای f4 و f5 مسئول جذب نور هستند، این الکترون ها توسط دیگر الکترون های اتم (که در اوربیتال هایی با اعداد کوانتومی اصلی بزرگتر هستند) پوشیده شده (Shielding Effect) و بنابراین از آثار خارجی حفظ می شوند. این امر باعث می شود که نوار های جذبی حاصله باریک شوند (پیک پهنی مشاهده نمی شود). دلیل آن است که الکترون های مسئول جذب تقریبا تحت تأثیر ماهیت گونه های پیوند شده (محیط شیمیایی) و الکترون های بیرونی قرار نمی گیرند. با چند استثناء، یونها و کمپلکس های ۱۸ عنصر در اولین دو سری واسطه، در حداقل یکی از چند حالت اکسایش خود رنگی اند (در ناحیه مرئی فعالند). جذب تابش مرئی توسط این گونه ها شامل انتقالات الکترون ها بین اوربیتال های d پرشده و پرنشده ای است که بر اثر لیگاند های پیوند شده به یون های فلزی از نظر انرژی با هم تفاوت دارند. اختلاف بین اوربیتال های 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 ی سوم جذب متناظر با انتقال بار است. این گونه انتقالات بیشتر در کمپلکس های آلی و معدنی انجام می شوند و به آنها کمپلکس های انتقال بار (Charge Transfer Complexes-CTC) می گویند. این انتقالات دارای حساسیت بسیار بالایی هستند و ضرائب جذب مولی بسیاربالایی دارند (در ادامه در مورد ضریب جذب مولی صحبت خواهیم کرد). یک کمپلکس انتقال بار متشکل از یک گروه الکترون دهنده (Electron Donor) و یک الکترون پذیرنده (Electron Acceptor) است. هنگامی که کمپلکس تابش را جذب می کند، یک الکترون از دهنده به اوربیتالی منتقل می شود که عمدتاً مربوط به گیرنده است. بنابراین حالت برانگیخته درنتیجه یک نوع فرآیند اکسایش / کاهش درونی رخ می دهد. در حقیقت طیف های انتقال بار هنگامی حاصل می شود که جذب یک فوتون، یک الکترون را از لیگاند به فلز یا از فلز به لیگاند در کمپلکس های فلزات واسطه ارتقاء دهد. این رفتار با رفتار یک رنگساز آلی (Organic Chromophore) که در آن الکترون برانگیخته در اوربیتال مولکولی است (معمولا الکترون ها در اوربیتال های 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 می شود که عمدتاً مربوط به یون آهن (III) است و محصول عمدتاً شامل آهن (II) و رادیکال تیوسیانات است [۱].

۲ – معرفی چند اصطلاح در طیف بینی جذبی:

۱-۲- عبور (Transmittance):
شکل ۲ باریکه ای از تابش را نشان می دهد که از درون لایه ای از محلول با ضخامت( b (cm و غلظتی معادل  c  با واحد M از گونه جاذب عبور کرده است.

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل ۲- کاهش توان باریکه ای از تابش توسط یک محلول جاذب
در اثر برهم کنش بین فوتون ها و ذرات جاذب، توان باریکه از P0 به P کاهش می یابد. طبق تعریف، عبور (Transmittance , T) کسری از تابش فرودی است که توسط محلول عبور داده می شود (معادله ۱). عبور اغلب به صورت درصد گزارش می شود.

(۱)             T= P / P0
۲-۲ جذب

جذب (Absorbance, A) توسط معادله ۲ تعریف می شود:

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

افزایش در تضعیف توان باریکه تابش عبور کرده از محلول به معنای افزایش جذب و کاهش عبور است. در صورتی که خروجی یک طیف نورسنج هم بر حسب عبور و هم بر حسب جذب درجه بندی شود، بر طبق معادله ۲ مقیاس جذب باید لگاریتمی باشد. شکل ۳ خروجی یک طیف نور سنج را نشان می دهد.مقیاس های خروجی روی برخی طیف نور سنج ها بر حسب درصدعبور خطی اند. به طوری که در شکل نشان داده شده است، در این صورت مقیاس های جذب باید لگاریتمی باشند [۴].

filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9
شکل ۳-  قانون بیر-لامبرت (The Beer-Lambet Law)
ε مشخص می گردد (معادله ۴).

رابطه بین جذب و غلظت توسط قانون بیر-لامبرت را بیان می شود. این قانون در حقیقت بیان می کند که یک رابطه تابعی خطی بین کمیّت اندازه گیری شده در یک روش جذبی (A) و کمیّت مورد بررسی (غلظت آنالیت c ) وجود دارد (معادله ۳).

 (۳)                        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 ۲). از آنجایی که جذب کمیّتی بدون واحد(Unit less) است، واحد ضریب جذب طوری است که واحدهای b و c را حذف می کند. چنانچه غلظت در معادله (۳) 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 می گردد(معادله ۴).

(۴)                 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 وبه ماهیت گونه، نوع حلال و طول موج پرتو عبوری بستگی دارد. بنابر این با کاهش غلظت، جذب کاهش یافته تا ضریب جذب مولی ثابت بماند. در نهایت این طور انتظار می رود که یک ترکیب با ε بالا (مثل کمپلکس های انتقال بار) به طور مؤثری تابش را جذب کند و بنابراین در غلظت های کم هم به دلیل جذب شدید، قابل شناسایی و تعیین مقدار باشد [۱و ۵].

در نهایت باید ذکر شود که قانون بیر-لامبرت تنها در توصیف رفتار جذب محلول های رقیق موفقیّت دارد و معمولاً در غلظت های بزرگتر از ۰٫۰۱M  فاصله های میانگین بین ذرات جاذب به حدی کاهش می یابد که هر ذره بر توزیع بار همسایه های خود اثر می گذارد. این بر هم کنش توانایی ذرات را برای جذب یک طول موج معین تابش تغییر میدهد. انحرافات از قانون بیر-لامبرت همچنین به این علت مشاهده می شود که ضریب جذب مولی به ضریب شکست محلول (Refractive Index) بستگی دارد. بنابراین اگر تغییرات غلظتی باعث تغییرات قابل توجهی در ضریب شکست محلول بشود، انحرافاتی از قانون بیر-لامبرت مشاهده می شود. به طور کلی این اثر در غلظت های کمتر از ۰٫۰۱M کوچک و به ندرت قابل توجه است [۱].

۴- اثر حلال ها در طیف سنجی فرابنفش / مرئی :

همان طوری که مطرح شد طیف های فرابنفش / مرئی اکثراً در محلول های رقیق آنالیت ثبت می شوند. البته در مورد ترکیبات فرّار، طیف های مفید تر هنگامی به دست می آیند که نمونه به صورت گاز آزمایش شود. حلال، برای طیف بینی فرابنفش / مرئی باید در طول این ناحیه شفاف باشد (جذب نداشته باشد) و مقدار کافی آنالیت را برای تولید پیک های کاملاً مشخص در خود حل کند. علاوه براین، احتمال برهم کنش حلال با گونه جاذب هم باید مد نظر باشد [۱] دیده شده که وقتی طیف جذبی یک گونه در حلال های مختلف با قطبیت Polarity )، پلاریته ( های مختلف ثبت شده است؛ موقعیّت، شدت و شکل طیف تحت تأثیراین تغییر قطبیت قرار گرفته است. عبارت Solvatochromism برای توصیف تغییرات طیف جذبی در اثر تغییر قطبیت محیط کار برده می شود. پدیده Solvatochromism ناشی از اثر تغییر در ساختار الکترونی و توزیع بار در حالت های پایه و برانگیخته با تغییر پلاریته محیط است. اگر دریک انتقال الکترونی یک حالت انرژی قطبی تر از حالت دیگر باشد باشد، افزایش پلاریته حلال باعث پایدارتر شدن این حالت انرژی می گردد. مثلاً در انتقال π به *π با افزایش قطبیت حلال، سطح انرژی*π پایدارتر از سطح انرژی π خواهد شد (شکل ۴) و به همین علت، کاهش سطح انرژی *π بیشتر از π خواهد بود (*π سطح قطبی و π سطح غیرقطبی است). این امر باعث می شود 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 موج های بلندتر (انرژی و فرکانس های کمتر) برود. به این حالت انتقال قرمز(Red Shift, Bathochromic Shift) و یا Positive Solvatochromism می گویند.

filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6
شکل ۴- تغییرات در انتقال π به *π  در اثر افزیش پلاریته حلال
حالت دیگر حالتی است که با افزایش قطبیت حلال، حالت پایه پایدارتر شود؛ مثل انتقال n به *π  (شکل ۵). در این حالت به علت کاهش سطح انرژی n  نسبت به *π ، فاصله بین ترازهای انرژی بیشتر شده و انرژی بیشتری بری انجام این انتقال الکترونی لازم خواهد بود و در نتیجه پیک جذب به سمت طول موج های کوتاه تر (فرکانس های بلندتر) می رود. به این حالت انتقال آبی (Blue shift, Hypsochromic shift) و یا Negative solvatochromism می گویند[۶ و۷].
filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
شکل ۵- تغییرات در انتقال n به *π  در اثر افزیش پلاریته حلال
دو اصطلاح دیگر هم در مورد تغییرات طیفی در این ناحیه به کار برده می شود: Hypochromic Shift و Hyperchromic Shift که به ترتیب مربوط به کاهش و افزایش درε است [۸]. مزدج شدن (Conjugation C=C-C=C, C=C-C=O, Ph-C=C) معمولاً باعث ایجاد Hyperchromic Effect و همزمان باعث Bathochromic Shift می شود (شکل ۶).

filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257
شکل ۶- انتقال های Bathochromic, Hypsochromic, Hyperchromic, Hypochromic


۵- طیف های تشدید پلاسمون سطحی (SPR) در نانوذرات فلزی:

همانگونه که در بالا ذکر شد، فرآیند جذب نور در خصوص مولکول های آلی معمولا به برانگیختگی الکترون های موجود در اوربیتال های مولکولی نسبت داده می شود. برخی از نانوذرات فلزی (به طور ویژه Au و Ag) رفتار جذبی مشابهی را نشان می دهند. به دلیل فقدان اوربیتال های مولکولی در ساختار نانوذرات فلزی، جذب نور در این مورد به پدیده تشدید پلاسمون سطحی (Surface Plasmon Resonance-SPR) مربوط است[۹]. به طور ساده می توان گفت که دریایی از الکترون های غیرمستقر بر سطح یک نانوذره فلزی شناورند. در فلزاتی خاص (که مشخصا قابلیت SPR را نشان می دهند)، جذب نور منجر به تشدید نوسان این الکترون های سطحی می شود. رنگ محلول های کلوئیدی طلا و نقره با اندازه ذرات نانو به همین پدیده ربط داده می شود. در مقالات تخصصی SPR و همچنین مقالات مربوط به نانوذرات فلزی (به خصوص نانوذرات فلزات نجیب) بیشتر به مقوله SPR پرداخته می شود.

۶ – بحث و نتیجه گیری:
در این مقاله در مورد انتقالات الکترونی، انواع مولکول های جاذب در ناحیه فرابنفش / مرئی، قانون بیر-لامبرت، انتقال آبی و قرمز و پدیده ی Solvatochromism صحبت شده است. همچنین رفتار SPR محلول های کلوئیدی برخی نانوذرات فلزی به صورت مختصر ارائه گردیده است.

منابـــع و مراجــــع

۱٫ ] اسگوگ، وست، هالر،” مبانی شیمی تجزیه، جلد دوم.” ترجمه: عبدالرضا سلاجقه، ابوالقاسم نجفی. چاپ دوم. تهران: مرکز نشر دانشگاهی، (۱۳۸۰).

۲٫ http://teaching.shu.ac.uk/hwb/chemistry/tutorials/molspec/uvvisab1.htm

۳٫ http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/Spectrpy/UV-Vis/spectrum.htm#uv2

۴٫ Skoog, D. A. , Holler, F. J. , Crontch, S. R. “Principles of Instrumental Analysis”, ۶th edition, Canada:David Harris, (2007).

۵٫ http://teaching.shu.ac.uk/hwb/chemistry/tutorials/molspec/beers1.htm

۶٫ Reichardt C. (Ed.), “Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry”, ۳rd edition, Germany:Wiley-VCH, (2003).

۷٫ Hemmateenejad, B., Yazdani, M., Sharghi, H., “Effects of solvent and substituent on the electronic absorption spectra of some substituted Schiff bases: A chemometrics study”, Spectrochimica Acta Part A, Vol. 91, pp. 198–۲۰۵, (۲۰۱۲).

۸٫ Ingle, J. D. , Crouch, S. “Spectrochemical Analysis”, USA:Prentice-Hall, Inc., (1988).

۹٫ Jones M. R., Osberg, K. D., Macfarlane, R. J., Langille, M. R., Mirkin C. A., “Templated Techniques for the Synthesis and Assembly of Plasmonic Nanostructures”, Chemical Reviews, 111, 3736–۳۸۲۷, (۲۰۱۱).