طیف‌سنجی ارتعاشی گروهی از تکنیکها برای بررسی ارتعاشات مولکولی در نمونه‌های مختلف را شامل میشود. به طور کلی، روشهای طیف بینی ارتعاشی شامل طیف سنجی رامان (Raman Spectroscopy) و مادون قرمز (FTIR) است. این تکنیکها مکمل هم هستند و برای بررسی ساختار مولکولی و درک اثرات درون مولکولی و بین مولکولی استفاده می شوند.
علت این موضوع حساسیت بسیار زیاد ارتعاشات مولکولی به شرایط محیطی، دما و برهمکنش‌های مختلف مولکولی است. دسترسی سریع و غیرتهاجمی به خواص فیزیکوشیمیایی مختلف مولکولها، توسط آنالیز کیفی و کمّی دقیق، امکان استفاده از روش های طیف سنجی ارتعاشی را برای گسترده وسیعی از کاربردها فراهم می کند.
بنابراین، استفاده از اسپکتروسکوپی رامان و مادون قرمز (FTIR) نسبت به تکنیک‌های تجزیه ای زمان‌بر، مانند کروماتوگرافی گازی (GC)، کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC))، طیف‌سنجی جرمی (MS) و رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) ترجیح دارد.
اسپکتروسکوپی ارتعاشی چیست؟
تغییرات در انرژی مولکولها هنگام انتقال بین سطوح انرژی ارتعاشی متمایز باعث جذب یا نشر تابش الکترومغناطیس از مولکول می شود. انتقالات انرژی ارتعاشی مختلف، منجر به فرکانس های متفاوت تابش الکترومغناطیسی می شود.
اصول اسپکتروسکوپی مولکولی، تابش دهی مولکولهای موجود در نمونه، با بخش گزینش شده از طیف الکترومغناطیس و بررسی برهمکنش تابش با مولکولهای نمونه است. هر مولکول بستگی به ساختار شیمیایی خود دارای الگوی متمایز جذب و نشر تابش است. یک ارتعاش مولکولی زمانی اتفاق می‌افتد که اتم‌های آن مولکول نسبت به حرکت انتقالی و چرخشی ثابت کل مولکول، حرکت تناوبی داشته باشند. بنابراین، فرکانس ارتعاش آن مولکول فرکانس حرکت تناوبی است.
برای مولکولی با تعداد N اتم، ۳N – ۶ حالت ارتعاشی برای مولکولهای غیرخطی و ۳N – ۵ برای مولکولهای خطی وجود دارد. ولی، وقتی تعداد اتمها افزایش می یابد، تعداد حالتهای ارتعاشی مربوطه نیز افزایش می یابد.
حرکات های ارتعاشی در یک مولکول شامل حالت های ارتعاش کششی یا خمشی است. ارتعاش کششی شامل تغییر پیوسته در پیوند بین اتمی در امتداد محور پیوند بین دو اتم است. ارتعاش خمشی (یا حالت تغییر شکل) زمانی است که زاویه بین دو پیوند تغییر می کند. طیف‌سنجی مادون قرمز و رامان تکنیک‌هایی در طیف‌سنجی ارتعاشی هستند که از این حرکات مولکولی بهره‌برداری می‌کنند.
اسپکتروسکوپی زیرقرمز (IR: Infrared Spectroscopy)
اسپکتروسکوپی مادون قرمز تکنیکی جذبی است که از بخش مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی استفاده می کند. این محدوده شامل زیرقرمز نزدیک (NIR: Near InfraRed)، زیرقرمز میانی (MIR: Mid InfraRed) و زیرقرمز دور (FIR: Far InfraRed) (همچنین به عنوان تراهرتز شناخته می شود) است. ناحیه زیر قرمز نزدیک در گستره ۱۴۰۰۰ الی ۴۰۰۰ cm-1 است و می‌تواند شیوه های اورتون یا ترکیبی ارتعاشات مولکولی را تحریک کند.
ناحیه فروسرخ میانی در محدوده ۴۰۰۰ الی ۲۰ cm-1 قرار دارد و عموماً برای مطالعه ارتعاشات اساسی (منطقه اثر انگشت) استفاده میشود. ناحیه مادون قرمز دور یا تراهرتز در گستره ۲۰۰ الی ۱۰ cm-1 است و برای طیف‌سنجی چرخشی و ارتعاشات فرکانس پایین استفاده می شود. جذب مادون قرمز زمانی اتفاق می‌افتد که حالت ارتعاشی یک مولکول دارای تغییری خالص در گشتاور دوقطبی باشد که در آن تابش با فرکانس یکسان با آن تعامل می‌کند و باعث میشود که به حالت ارتعاشی برانگیخته ارتقا یابد.
انواع مختلف طیف‌سنجی مادون قرمز برای کاربردهای مختلف در علوم زیستی، بیوساینس، تشخیص‌های زیست پزشکی و علوم محیطی استفاده شده است. معمولاً الگوریتم‌های تبدیل فوریه به همراه مادون قرمز برای تولید دستگاهوری FTIR استفاده می‌شوند.
طیف‌سنج‌های زیرقرمز پاشنده که به طور ساده به دستگاه IR معروف اند، به بخش‌های کوچکی از ناحیه طیفی در هر زمان معین دسترسی دارنده و لذا، داده‌های طیفی را به طور کند ارائه می دهند. ولی، طیف‌سنج‌های مدرن FTIR این مزیت را دارند که آشکارساز به طور همزمان به تمام فرکانس‌های تولید شده توسط منبع تابش دسترسی دارد. بنابراین، زمان اکتساب داده های طیفی آنها بسیار سریعتر است. تکنیک های طیف سنجی FTIR کاربردهای وسیعی به ویژه در تشخیص های زیست پزشکی سرطان، بیماریها و عفونتها دارند. در برخی کاربردها از FTIR با تشعشع سنکروترون، آشکارسازهای آرایه صفحه کانونی (FPAD: Focal Plane Array Detectors) و بازتاب کلی ضعیف (ATR: Attenuated Total Reflectance ) برای تشخیص عفونتهای مالاریا استفاده می کنند.
برای مثال، از FTIR برای تشخیص دقیق هموگلوبین متابولیزه شده در واکوئل گوارشی انگل مالاریا (هموزوئین) و همچنین، تشخیص دقیق مراحل مختلف چرخه زندگی انگل مالاریا براساس تغییر در ترکیب اسیدهای چرب و حضور هموزوئین در گلبول قرمز، استفاده می شود.
کاربردهای دیگر استفاده از FTIR بازتاب نفوذی (DRIFT: Diffuse Reflectance FTIR) در علوم محیطی برای شناسایی خواص خاک و آلاینده‌های مختلف در خاک برای کاربردهای تجاری است. کاربردهای دیگری از NIR برای تشخیص قندهای مختلف و اسیدیته در میوه ها و محصولات کشاورزی است.
طیف سنجی رامان (Raman Spectroscopy)
طیف‌سنجی رامان یک تکنیک پراکندگی است و مکمل طیف‌سنجی فروسرخ است. در این روش، از اثر پراکندگی غیرالاستیک نور تک رنگ برای تولید اثر رامان استفاده می شود. شدت پراکندگی رامان با طول موج نور نسبت معکوس دارد. بنابراین، طول موج کوتاهتر، اثر رامان بزرگتری نسبت به طول‌موج‌های بلندتر ایجاد می‌کند. انواع مختلفی از مکانیسم های پراکندگی وجود دارد. یکی از آنها پراکندگی رامان رزونانسی است که شامل افزایش شدت رامان با تحریک مولکول ها در رزونانس یا پیش تشدید با طول موج هایی است که تحت انتقال الکترونیکی قرار می گیرند.
با تنظیم نوارهای جذب الکترونی مختلف، حالتهای ارتعاشی را می‌توان به صورت انتخابی افزایش داد. یکی از کاربردهایی که از این مکانیسم استفاده می شود، بررسی تغییرات ساختاری در پروتئین‌ها است. مزیت رامان نسبت به مادون قرمز این است که ارتعاشات مولکول آب مانند مادون قرمز در طیف تداخلی ندارد. بنابراین، طیف اسپکتروسکوپی رامان کاربردهای گسترده ای در علوم زیستی و تشخیص های زیست پزشکی برای مطالعه نمونه های بیولوژیکی و همچنین عفونت های مختلف دارد. روش دیگری که در طیف‌سنجی ارتعاشی مورد استفاده قرار می‌گیرد، پراکندگی رامان ارتقا یافته سطحی (SERS: Surface-Enhanced Raman Scattering) است که یک تکنیک افزایش سطح است که سیگنال رامان را بر روی سطوح فلزی توسط یک پلاسمون سطحی با ساختارهای لایه نازک فلزی افزایش می‌دهد.
در مقابل، تکنیک دیگری با حساسیت کمتر، طیف‌سنجی رامان SORS است. ولی، این مزیت اضافی در تشخیص داروها بدون باز کردن بسته بندی و آنالیز غیرتهاجمی بافت بیولوژیکی دارد.
علاوه بر این، یکی دیگر از تکنیک‌های طیف‌سنجی ارتعاشی، میکرو طیف‌سنجی رامان است که از میکروسکوپ برای آنالیز و شناسایی مولکولهای مختلف در نمونه‌های بیولوژیکی مانند ساختارهای درون سلولی در سلول‌ها استفاده می‌کند.
پیشرفتها در طیف‌سنجی ارتعاشی مکمل (CVS: Complementary Vibrational Spectroscopy) طیف‌سنجی IR و رامان را به عنوان یک رویکرد دوگانه برای به دست آوردن همزمان طیف‌های IR و رامان ترکیب می‌کند. این رویکرد پتانسیل مطالعه تغییرات دینامیکی در ساختارهای مولکولی پیچیده را در یک موقعیت معین در نمونه را دارد. ترکیب کردن روش زیرقرمز و رامان، کاربردهای متنوعی برای تعیین تقارن مولکولی یا طیف‌سنجی همبستگی دو بعدی دارد. بنابراین، پیشرفت در کمومتریکیس و آمار چند متغیره همراه با تکنیک های پیشرفته طیف سنجی مادون قرمز و رامان کاربردهای گسترده ای را برای طیف سنجی ارتعاشی ارائه می دهد.
References
- Pezzei, C.K.; Watschinger, M.; Huck-Pezzei, V.A.; Lau, C.; Zuo, Z.; Leung, P.C.; Huck, C.W. “Infrared spectroscopic techniques for the non-invasive and rapid quality control of Chinese traditional medicine”. Si-Wu-Tang. Spectrosc. Eur. 2016, 28, 16–۲۱٫
- Siesler, H.W.; Ozaki, Y.; Kawata, S.; Heise, H.M.; (Eds.) Near-Infrared Spectroscopy: Principles, Instruments, Applications; Wiley: Weinheim, Germany, 2008.
- Sasic, S.; Ozaki, Y. Raman, Infrared, and Near-Infrared Chemical Imaging; Wiley: Hoboken, NJ, USA, 2010.
- Zeitler, J. Axel; Taday, Philip F.; Newnham, David A.; Pepper, Michael; Gordon, Keith C.; Rades, Thomas (2007). “Terahertz pulsed spectroscopy and imaging in the pharmaceutical setting – a review”. Journal of Pharmacy and Pharmacology. 59 (2): 209–۲۲۳٫
- Atkins PW, de Paula J (2009). Elements of physical chemistry (۵th ed.). Oxford: Oxford U.P. p. 459.
- Webster, G. T., de Villiers, K., Egan, T. J., Deed, S., Tilley, L., Tobin, M., Bambery, K., McNaughton, D., Wood, B. R. J. Anal. Chem. 2009, 81, 2516-2524.
- Webster, G. T, Soriano-Disla, J. M, Kirk, J, Janik, L. J, Forrester, S. T, McLaughlin, M. J, Stewart, R. J, Talanta. 2017, 160, 410–۴۱۶٫
- Eisenstecken, D.; Panarese, A.; Robatscher, P.; Huck, C.; Zanella, A.; Oberhuber, M. A Near-Infrared Spectroscopy (NIRS) and Chemometric Approach to Improve Apple Fruit Quality Management: A Case Study on the Cultivars “Cripps Pink” and “Braeburn”. Molecules 2015, 20, 13603 – ۱۳۶۱۹٫
- Webster, G. T., McNaughton, D., Wood, B. R. J. Phys. Chem. B. ۲۰۰۹, ۱۱۳, ۶۹۱۰-۶۹۱۶٫
- Wood, B. R., Hermelink, A., Lasch, P., Bambery. K. R., Webster, G. T., Asghari Khiavi, M., Cooke, B. M., Deed, S., Naumann, D., McNaughton, D. Analyst. 2009, 134, 1119-1125.
- Webster, G. T, Tilley, L, Deed, S, McNaughton, D, Wood, B. R, FEBS Lett. 2008, 582, 1087-1092.
- Skoog, D. A.; Holler, E. J.; Nieman, T. A. Principles of Instrumental Analysis 5th Edition; Saunders College Publishing: USA, 1992.
- Spiro, T. G.; Strekas, T. J. Am. Chem. Soc. ۱۹۷۴, ۹۶, ۳۳۸ – ۳۴۵٫
- Spiro, T. G.; Strekas, T. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1972, 69, 2622 – ۲۶۲۶٫
- Butler, Holly J.; Ashton, Lorna; Bird, Benjamin; Cinque, Gianfelice; Curtis, Kelly; Dorney, Jennifer; Esmonde-White, Karen; Fullwood, Nigel J.; Gardner, Benjamin; Martin-Hirsch, Pierre L.; Walsh, Michael J.; McAinsh, Martin R.; Stone, Nicholas; Martin, Francis L. (2016). “Using Raman spectroscopy to characterize biological materials”. Nature Protocols. 11 (4): 664–۶۸۷٫
- Taylor, P.D.; Vinn, O.; Kudryavtsev, A.; Schopf, J.W. (2010). “Raman spectroscopic study of the mineral composition of cirratulid tubes (Annelida, Polychaeta)”. Journal of Structural Biology. 171 (3): 402–۴۰۵٫
- Blackie, Evan J.; Le Ru, Eric C.; Etchegoin, Pablo G. (2009). “Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Spectroscopy of Nonresonant Molecules”. J. Am. Chem. Soc. ۱۳۱ (۴۰): ۱۴۴۶۶–۱۴۴۷۲٫
- Müller, N., Brückner, L. & Motzkus, M. Coherent Raman and mid-IR microscopy using shaped pulses in a single-beam setup. APL Photonics 3, 092406 (2018).
- Ziffer, H. & Levin, I. W. Determining centrosymmetric dimers by infrared and Raman spectroscopy. J. Org. Chem. 34, 4056–۴۰۶۰ (۱۹۶۹).
- Barón, M., Bain, A. D. & Conde, R. S. A dynamic look on molecular symmetry. Can. J. Chem. 95, 736–۷۴۳ (۲۰۱۷).
- Park, Y., Noda, I. & Jung, Y. M. Two-dimensional correlation spectroscopy in polymer study. Front. Chem. 3, 14 (2015).