اصول اولیه‌ی اندازه‌گیری UV-Vis

در این مطلب قصد داریم در مورد مفاهیم پایه‌ی UV-Vis اندکی صحبت کنیم و به موارد زیر اشاره می‌کنیم:

طیف الکترومغناطیسی

یک طیف الکترومغناطیسی شامل امواج زیر است:

1. پرتو گاما (Gama-Rays)
2. پرتو ایکس (X-Rays)
3. فرابنفش (UV)
4. مرئی (Vis)
5. مادون قرمز (IR)
6. امواج رادیویی (Radio Waves)

در نظر داشته باشید که ناحیه‌ی مرئی و فرابنفش، تنها بخش کوچکی از این طیف را تشکیل می‌دهند. تصویر زیر را مشاهده نمایید.

فرمول زیر رابطه‌ی موج الکترومغناطیس را با انرژی نشان می‌دهد.

E = hv

که در این رابطه، E نماد انرژی با واحد ژول (J)، h ثابت پلانک با واحد ژول‌ثانیه (Js) معادل 6.62 × 10^-34 و v نمای فرکانس با واحد Hz (1/s) است.

طیف‌سنجی (اسپکتروسکوپی) علم مطالعه‌ی برهم‌کنش‌های امواج الکترومغناطیسی با مواد است که حاصل این برهم‌کنش می‌تواند جذب یا نشر نور باشد. طیف‌سنجی انواع گوناگونی دارد و هرکدام از این انواع، متناسب با یک طول موج خاص است. به عنوان مثال طیف‌سنجی فرابنفش – مریی (اسپکتروسکوپی UV-Vis) از امواج مرئی و فرابنفش طیف الکترومغناطیسی استفاده می‌کند. یا مثلا طیف‌سنجی فروسرخ (اسپکتروسکوپی IR) از انرژی بخش پایینی تابش‌های فروسرخ در طیف استفاده می‌کند.

طول موج و فرکانس

موج الکترومغناطیس، یک پدیده‌ی موجی منتشرشده در فضاست. این موج از دو میدان مغناطیسی و الکتریکی عمود بر هم ساخته می‌شود. با توجه به اینکه پرتوهای الکترومغناطیسی به صورت موج رفتار می‌کنند، می‌توان از رابطه‌ی زیر برای ارتباط فرکانس و طول موج آن‌ها استفاده کرد.

v = c/λ

در رابطه‌ی بالا، v نماد فرکانس با واحد Hz (1/s)، c نماد سرعت نور با واحد متر بر ثانیه (m/s) معادل 3 × 10⁸ و λ نماد طول موج با واحد متر (m) است.

از ترکیب دو رابطه‌ی بالا، رابطه‌ی E = hc/λ به دست می‌آید. طبق این رابطه هر قدر طول موج کمتر شود، انرژی افزایش می‌یابد. حال با توجه به این که در گستره‌ی فرابنفش و مرئی، هر قدر به سمت فرابنفش حرکت کنیم طول موج کاهش می‌یابد، پرتو فرابنفش بیشترین انرژی را دارد. گاهی اوقات این انرژی به قدری زیاد است که باعث ایجاد واکنش‌های فوتوشیمیایی ناخواسته در زمان اندازه‌گیری نمونه‌های حساس به نور مریی یا فرابنفش می‌شود.

طیف مریی – فرابنفش (UV-Visible)

وقتی امواج الکترومغناطیسی با مواد برخورد می‌کنند، فرآیندهای بسیار زیادی رخ می‌دهد. از جمله این فرایندها می‌توان به بازتاب موج، پراکندگی تابش، جذب انرژی، فلوئورسانس / فسفرسانس (جذب و وانشر) و واکنش‌های فوتوشیمیایی ( جذب و شکست پیوند) اشاره کرد. دقت نمایید که معمولا در اندازه‌گیری و مشخص کردن طیف UV-Vis برای یک ماده، میزان جذب اندازه‌گیری می‌شود.

با توجه به این که نور متشکل از بسته‌های انرژی (فوتون) است، جذب نور توسط اجسام باعث افزایش انرژی در مولکول‌های (یا اتم‌های) مواد می‌شود. انرژی پتانسیل کلی هر مولکول از طریق مجموع انرژی‌های الکترونیکی، لرزشی و چرخشی آن مولکول محاسبه می‌شود.

E_total = E_electronic + E_vibrational + E_rotational

در نظر داشته باشید که مقادیر انرژی یک مولکول در حالت‌های مختلف، مجموعه‌ای از اعداد گسسته است و این اعداد به هیچ وجه پیوستگی ندارند. به عبارتی انرژی مولکول‌ها به صورت پله‌ای افزایش یا کاهش می‌یابد.

نکته‌ی دیگر که لازم است بگوییم، این است که همواره انرژی الکتریکی بزرگ‌تر از انرژی لرزشی و انرژی لرزشی بزرگ‌تر از انرژی چرخشی است:

E_electronic > E_vibrational > E_rotational

همان‌طور که می‌دانید، الکترون‌های یک اتم، در فواصل معینی از هسته‌ی آن اتم قرار دارند. به این فواصل لایه‌ها یا سطوح انرژی می‌گوییم. برای این که یک الکترون بتواند به لایه‌ی بالاتر (دورتر از هسته) یا پایین‌تر (نزدیک‌تر به هسته) برود، باید به آن مقدار مشخصی از انرژی داده شود یا از آن انرژی گرفته شود. گاهی اوقات فوتون‌های نور مرئی و فرابنفش، انرژی کافی برای انتقال الکترون بین سطوح مختلف انرژی در مولکول‌ها یا اتم‌ها را دارند. طول موج نورهای جذب‌شده به واسطه‌ی میزان انرژی که دارد، یک الکترون را از سطح پایین‌تر به سطح بالاتر انتقال می‌دهد. به عنوان مثال در شکل زیر، انتقال الکترون در فرمالدهید و طول موجی که باعث انتقال شده، مشخص شده است.

همان‌طور که در شکل زیر می‌بینید، این انتقالات در‌ اتم‌ها نیز قابل مشاهده است:

در اینجا لازم است یک توضیح در مورد جابجایی الکترون‌ها بین لایه‌های مختلف ارائه دهیم. همانطور که در بالا هم گفتیم، زمانی که یک الکترون از یک سطح انرژی بالاتر به سطح پایین‌تر می‌آید، این انتقال با آزاد شدن مقدار مشخصی از انرژی همراه است. شکل انرژی‌های آزاد‌شده در اینجا به صورت یک طیف الکترومغناطیس (نور مرئی یا نامرئی) است. به این انرژی‌های آزاد‌شده (نور) طیف نشری خطی می‌گوییم. طیف نشری خطی برای هر پیوند (مثل فرمالدهید) یا عنصر (مانند اکسیژن) یکتاست.

در نظر داشته باشید که اگر ماده‌ی مورد نظر ما یک محلول باشد، به دلیل برهم‌کنش‌های میان حلال و حل‌شونده، طیف دارای پیک‌های بیشتری است.

عبور و جذب

هنگامی که نور (یا همان موج الکترومغناطیس) به یک ماده برخورد می‌کند، دو حالت رخ می‌دهد. بخشی از نور جذب ماده می‌شود و بخش دیگر از ماده عبور می‌کند.

مقدار نوری که از ماده عبور می‌کند، به صورت یک عدد کسری یا درصدی عنوان و با T نمایش داده می‌شود:

T = I/I₀ یا T% = I/I₀ × 100

در رابطه‌ی بالا، I₀ شدت نور اولیه و I شدت نور عبور کرده است. میزان جذب نیز به صورت زیر تعریف می‌شود:

A = –logT

خلاصه

• نور فرابنفش و مرئی ناحیه‌ی کوچکی از طیف الکترومغناطیسی را تشکیل می‌دهند.
• در طیف‌سنجی UV-Vis، طول موج بر حسب نانومتر (nm) بیان می‌شود.
• نور ممکن است از ماده منعکس شود، پراکنده شود، انتقال داده شود یا جذب شود. همچنین می‌تواند موجب رخ دادن واکنش‌های فوتوشیمیایی شود.
• انرژی نور تابشی موجب انتقال الکترون‌ها به سطوح انرژی مختلف می‌شود. انتقال‌های الکترونی نیز بین سطوح انرژی ارتعاشی و چرخشی مولکول‌ها رخ می‌دهند.
• جذب نور برای کاربردهای طیفسنجی UV-Vis استفاده می‌شود و به صورت A=-logT تعریف می‌شود، که در آن T میزان نور عبور کرده است.