بازتاب کلی تضعیف شده (ATR)
برای تعیین کیفیت و کمیت مواد آلی، طیف سنج FTIR مجهز به سل ATR ابزاری قدرتمند به‌شمار می‌رود که برای تمام حالات نمونه از جامد تا مایع کاربرد دارد. این روش برخلاف دیگر تکنیک ها نیازی به مرحله آماده سازی پیچیده نداردو این ویژگی آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای آزمایشگاه‌های تحقیقاتی، کنترل کیفیت و صنایع مختلف تبدیل کرده است. در این مقاله نحوه عملکرد و کاربرد این روش را بررسی می‌کنیم.
تکنیک این روش چیست؟
اصل کار ATR بر پایه پدیده فیزیکی بازتاب کل داخلی است. در این پدیده، وقتی پرتو IR از محیطی با ضریب شکست بالاتر( کریستال ATR) به سمت محیطی با ضریب شکست پایین‌تر (نمونه) بتابد و زاویه تابش از زاویه بحرانی بیشتر باشد، نور به طور کامل در کریستال بازتاب می‌شود. اما در همین لحظه، یک موج میرا (evanescent wave) در مرز دو محیط ایجاد می‌شود که به صورت سطحی (چند میکرومتر) وارد نمونه شده و با ارتعاشات مولکولی آن تعامل می‌کند. این تعامل باعث جذب انتخابی نور در طول‌موج‌های خاص می‌شود و در نهایت، شدت نور بازتاب‌شده کاهش می‌یابد. این کاهش شدت، اساس تشکیل طیف ATR است.
زاویه تابشی که در آن نور به‌طور کامل منعکس می‌شود زاویه بحرانی نام دارد این زاویه با استفاده از قانون اسنل قابل محاسبه است. برای بسیاری از نمونه‌های آلی که ضریب شکست حدود 1.5 دارند، انتخاب کریستال‌هایی مانند ZnSe، Ge یا الماس امکان ایجاد بازتاب داخلی کلی مناسب را فراهم می‌کند.
بازتاب کلی تضعیف‌شده (ATR) – پرتوهای نور ورودی
عمق نفوذ و اهمیت آن
موج میرا تنها در عمق بسیار کمی از نمونه نفوذ می‌کند ( معمولاً بین ۰٫۵ تا ۵ میکرومتر. )این عمق به عوامل مختلفی بستگی دارد از جمله:
- طول‌موج نور
- ضریب شکست کریستال و نمونه
- زاویه تابش
انتخاب کریستال مناسب
انتخاب کریستال مناسب، کلید موفقیت در تحلیل ATR است. کریستال باید ضریب شکست بالاتری نسبت به نمونه داشته باشد تا بازتاب کل داخلی رخ دهد. همچنین باید در ناحیه IR میانی( ۴۰۰۰ تا ۴۰۰ cm⁻¹) شفاف باشد و از نظر شیمیایی پایدار باشد. جدول زیر، مشخصات کریستال‌های رایج را نشان می‌دهد:
| کریستال | ضریب شکست در ۱۰۰۰ cm⁻¹ | زاویه بحرانی (برای نمونه با ضریب ۱٫۵) | ویژگی‌ها و کاربردها |
|---|---|---|---|
| کلرید نقره (AgCl) | ۱٫۹۸ | ۴۹° | حساس به نور، مناسب نمونه‌های نرم |
| KRS-5 | ۲٫۳۷ | ۴۰° | مقاوم، اما سمی (حاوی تالیوم) |
| سلنید روی (ZnSe) | ۲٫۴۰ | ۴۰° | پرکاربرد، مقاوم، شفاف در مادون قرمز |
| سولفید روی (ZnS) | ۲٫۲۰ | ۴۳° | مقاوم به خراش، مناسب محیط‌های سخت |
| ژرمانیوم (Ge) | ۴٫۰۰ | ۲۲° | برای نمونه‌های با ضریب شکست بالا (مانند پلیمرها) |
| سیلیکون (Si) | ۳٫۴۱ | ۲۶° | مقاوم، مناسب نمونه‌های آبی (کم‌جذب در ۱۰۰۰ cm⁻¹) |
| الماس | ۲٫۴۱ | ۴۰° | بسیار مقاوم، گران، ایده‌آل برای نمونه‌های سخت یا ساینده |
مزایای ATR نسبت به دیگر روش‌ها
آماده‌سازی نمونه: فقط تماس مستقیم لازم است ( یک قطره مایع، یک تکه جامد یا کمی پودر.)
حجم نمونه: چند میکرولیتر یا میلی‌گرم کافی است.
سرعت: تحلیل در چند ثانیه انجام می‌شود.
تکرارپذیری: قابلیت تکرارپذیری بسیار بالا.
انواع سل‌های ATR
دو نوع اصلی سل ATR وجود دارد:
تک‌بازتاب (Single-Reflection ATR): نور یک بار بازتاب می‌شود. مناسب برای نمونه‌های با غلظت بالا یا حجم بسیار کم. حساسیت متوسط، اما ساده و ارزان.
بازتاب کلی تضعیف‌شده (ATR)
چندبازتاب (Multiple-Reflection ATR): در این روش نور ۹ تا ۱۲ بار بازتاب می‌شود. هر بازتاب، تعامل بیشتری با نمونه ایجاد می‌کند و نسبت سیگنال به نویز را به شدت افزایش می‌دهد.
بازتاب کلی تضعیف‌شده (ATR)
کاربردهای صنعتی و علمی
ATR در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارد:
- صنعت پلیمر: شناسایی ساختار، تشخیص ناخالصی، بررسی تغییرات کریستالی یا تخریب در جامدات و پودرها بدون نیاز به حلال.
- داروسازی: کمی‌سازی مواد فعال دارویی (API) در قرص‌ها، پمادها یا پودرها بدون تخریب نمونه.
- غذا و نوشیدنی: تحلیل سریع ترکیبات آبمیوه یا روغن‌ها
- محیط‌زیست: شناسایی آلاینده‌های آلی در خاک، آب یا هوا.
- پزشکی قانونی: تشخیص مواد مخدر، سموم یا مواد منفجره در نمونه‌های کوچک.
- هنر و مرمت: بررسی رنگدانه‌ها، پوشش‌ها یا مواد چسبنده در آثار تاریخی.
نکات عملی برای استفاده بهینه
برای دستیابی به نتایج قابل اعتماد:
- جامدات: نمونه را با گیره فشارسنج‌دار روی کریستال فشار دهید تا تماس کامل در ناحیه حدود ۲ میلی‌متر مربع ایجاد شود.
- مایعات: یک قطره کوچک (۱–۲ میکرولیتر) بریزید و مطمئن شوید حباب هوا وجود ندارد.
- پودرها: پودر را به طور یکنواخت پخش کنید و فشار ملایم اعمال کنید.
- تمیزکاری: پس از هر تحلیل، کریستال را با الکل ایزوپروپیل (برای نمونه‌های آلی) یا آب مقطر (برای نمونه‌های آبی) تمیز کنید و با دستمال بدون پرز خشک نمایید.
نتیجه‌گیری
ترکیب طیف‌سنج FTIR با سل ATR، یکی از مؤثرترین و سریع‌ترین روش‌ها برای شناسایی ساختار شیمیایی مواد است. قدرت تحلیل بدون آماده‌سازی، سرعت بالا، دقت قابل‌اعتماد و قابلیت اندازه‌گیری دامنه‌ی وسیعی از مواد، ATR را به ابزاری ضروری برای آزمایشگاه‌های کنترل کیفیت، تحقیق و توسعه، صنایع پلیمری، دارویی، غذایی و پتروشیمی تبدیل کرده است. برای دستیابی به اطلاعات بیشتر می توانید به لینک زیر مراجعه کنید.