التحليل الطيفي الحراري الضوئي

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

التحليل الطيفي الحراري الضوئي هو مجموعة من تقنيات التحليل الطيفي عالية الحساسية تُستخدم لقياس الامتصاص الضوئي والخصائص الحرارية للعينة. يعتمد هذا التحليل على التغير في الحالة الحرارية للعينة الناتج عن امتصاص الإشعاع. فالضوء الممتص، والذي لا يُفقد عن طريق الانبعاث، يؤدي إلى التسخين. وترفع هذه الحرارة درجة الحرارة، مما يؤثر على الخصائص الديناميكية الحرارية للعينة أو لمادة مناسبة مجاورة لها. ويُعد قياس التغيرات في درجة الحرارة أو الضغط أو الكثافة الناتجة عن الامتصاص الضوئي أساسًا لقياسات التحليل الطيفي الحراري الضوئي.

كما هو الحال مع مطيافية الصوت الضوئي ، تُعدّ مطيافية الحرارة الضوئية طريقة غير مباشرة لقياس الامتصاص الضوئي ، لأنها لا تعتمد على القياس المباشر للضوء المُشارك في الامتصاص. مع ذلك، تقيس طرق الحرارة الضوئية (والصوت الضوئي) الامتصاص مباشرةً ، بدلاً من حسابه من النفاذية، كما هو الحال في تقنيات المطيافية الأكثر شيوعًا (النفاذية). وهذا ما يمنح هذه التقنية حساسيتها العالية، لأنه في تقنيات النفاذية، يُحسب الامتصاص على أنه الفرق بين إجمالي الضوء الساقط على العينة والضوء النافذ (بالإضافة إلى الضوء المنعكس والمشتت )، مع ما يصاحب ذلك من مشاكل في الدقة عند التعامل مع فروق صغيرة بين قيم كبيرة، إذا كان الامتصاص ضئيلاً. أما في مطيافية الحرارة الضوئية، فإن الإشارة تتناسب طرديًا مع الامتصاص، وتكون صفرًا عند انعدام الامتصاص الحقيقي ، حتى في وجود الانعكاس أو التشتت.

توجد عدة طرق وتقنيات مستخدمة في التحليل الطيفي الحراري الضوئي. ولكل منها اسم يشير إلى التأثير الفيزيائي المحدد الذي يتم قياسه.

  • يقيس التحليل الطيفي للعدسة الكهروضوئية (PTS أو TLS) التوهج الحراري الذي يحدث عندما يسخن شعاع ضوئي عينة شفافة. ويُستخدم عادةً لقياس كميات ضئيلة من المواد في محاليل غازية وسائلة متجانسة.
  • يقيس التحليل الطيفي للانحراف الضوئي الحراري (PDS)، والذي يُعرف أيضاً بتأثير السراب ، انحناء الضوء الناتج عن الامتصاص الضوئي. وتُعد هذه التقنية مفيدة بشكل خاص لقياس امتصاص السطح وتحديد الخصائص الحرارية في المواد الطبقية.
  • يُستخدم حيود الضوء الحراري، وهو نوع من أنواع مزج الموجات الأربع ، لمراقبة تأثير محززات الحيود العابرة "المكتوبة" في العينة باستخدام الليزر المتماسك. وهو شكل من أشكال التصوير المجسم في الوقت الحقيقي .
  • يقيس الانبعاث الكهروضوئي الزيادة في إشعاع الأشعة تحت الحمراء للعينة نتيجةً للامتصاص. ويخضع انبعاث العينة لقانون ستيفان للانبعاث الحراري. تُستخدم هذه الطريقة لقياس الخصائص الحرارية للمواد الصلبة والطبقية.
  • المجهر الضوئي الحراري للجسيمات المفردة . تتيح هذه التقنية الكشف عن الجسيمات النانوية الممتصة المفردة من خلال إنشاء عدسة حرارية متناظرة كرويًا للتصوير والتحليل الطيفي الترابطي.

مطيافية الانحراف الحراري الضوئي

مطيافية الانحراف الكهروضوئي هي نوع من المطيافية يقيس تغير معامل الانكسار الناتج عن تسخين وسط ما بالضوء. وتعتمد هذه التقنية على ما يُعرف بـ" تأثير السراب " [ 1 ]، حيث يوجد تدرج في معامل الانكسار بالقرب من سطح العينة. ينكسر شعاع الليزر المُسلط بطريقة تتناسب مع تدرج درجة حرارة الوسط الشفاف قرب السطح. ومن خلال هذا الانحراف، يُمكن تحديد كمية الإشعاع المُمتص. تُعد هذه التقنية مفيدة عند دراسة العينات الرقيقة بصريًا، إذ تُتيح الحصول على قياسات دقيقة لتحديد حدوث الامتصاص. كما أنها ذات قيمة في الحالات التي لا يُمكن فيها استخدام مطيافية "النفاذ" أو مطيافية النقل.

يوجد نوعان رئيسيان من تقنية قياس الانبعاج الضوئي (PDS): الخطي والمستعرض. طُرح النوع الخطي في ورقة بحثية عام 1980 من قِبل أ. س. بوكارا، د. فورنييه، وآخرين [ 2 ] . في هذا النوع، يمر شعاعان ضوئيان عبر الوسط ويتقاطعان فيه. يُسخّن شعاع الضخ المادة، بينما ينحرف شعاع القياس. هذه التقنية فعّالة فقط مع الأوساط الشفافة. أما في النوع المستعرض، فيصل شعاع الضخ عموديًا على السطح، بينما يمر شعاع القياس موازيًا له. وفي حالة أخرى، قد ينعكس شعاع القياس عن السطح، ويقيس الانبعاج الناتج عن التسخين. يمكن إجراء قياس الانبعاج الضوئي المستعرض في النيتروجين، ولكن يُحقق أداءً أفضل في خلية سائلة، حيث تُستخدم عادةً مادة خاملة غير ماصة، مثل مركبات الكربون الفلورية .

في كلٍ من تقنية الانحراف الضوئي الحراري الخطي والمستعرض، يُسخَّن السطح باستخدام مصدر ضوئي مُعدَّل دوريًا، مثل شعاع ضوئي يمر عبر مُقطِّع ميكانيكي أو مُنظَّم بواسطة مُولِّد وظائف. ثم يُستخدم مُضخِّم مُتزامن لقياس الانحرافات عند تردد التعديل. تستخدم طريقة أخرى ليزرًا نبضيًا كمصدر إثارة. في هذه الحالة، يُمكن استخدام مُتوسِّط مُربّع لقياس الانحراف الزمني لشعاع المسبار بالنسبة لإشعاع الإثارة. تتناقص الإشارة أُسِّيًا كدالة للتردد، لذا تُستخدم الترددات التي تتراوح بين 1 و10 هرتز بشكل مُتكرر. نُشر تحليل نظري كامل لنظام الانحراف الضوئي الحراري بواسطة جاكسون، عامر، وآخرون في عام 1981. [ 3 ] ناقشت الورقة البحثية نفسها أيضًا استخدام الانحراف الضوئي الحراري كشكل من أشكال المجهر، يُسمى "مجهر الانحراف الضوئي الحراري"، والذي يُمكنه توفير معلومات حول الشوائب وطوبولوجيا سطح المواد. [ 3 ]

يمكن أيضًا إجراء تحليل PDS للأغشية الرقيقة باستخدام ركيزة منقوشة تدعم الرنين البصري، مثل رنين النمط الموجه وأنماط الهمس. يتم ربط شعاع التحليل بنمط رنيني، وتتأثر كفاءة الربط بشدة بزاوية السقوط. وبسبب تأثير التسخين الضوئي، تتغير كفاءة الربط وتُحدد خصائصها للإشارة إلى امتصاص الغشاء الرقيق. [ 4 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. في السراب الحقيقي ، ينحني شعاع الضوء تدريجيًا حتى ينعكس كليًا بفعل الهواء الساخن جدًا بالقرب من التربة. أما هنا، فلا يوجد انعكاس، وينحني الشعاع بسلاسة بفعل تدرج معامل الانكسار، الذي يعمل كمنشور .
  2. ↑ بوكارا، أ.س.؛ فورنييه، د.؛ جاكسون، وارن؛ عامر، نبيل. (1980). "تقنية انحراف حراري ضوئي حساسة لقياس الامتصاص في الأوساط الرقيقة بصريًا" . رسائل البصريات . 5 (9): 377-379 . Bibcode : 1980OptL....5..377B . doi : 10.1364/OL.5.000377 . PMID 19693234 . 
  3. جاكسون ، دبليو بي؛ عامر، إن إم؛ بوكارا، إيه سي؛ فورنييه، دي. (15 أبريل 1981). "مطيافية الانحراف الكهروضوئي والكشف" . البصريات التطبيقية . 20 (8): 1333-1344 . Bibcode : 1981ApOpt..20.1333J . doi : 10.1364/AO.20.001333 . PMID 20309309 . 
  4. ↑ تشاو ي، ليو ل، تشاو إكس، لو إم (2016). "عدسة حرارية ضوئية محسّنة باستخدام سطح بلوري ضوئي". رسائل الفيزياء التطبيقية . 109 (7): 071108. Bibcode : 2016ApPhL.109g1108Z . doi : 10.1063/1.4961376 .
  • جيه إيه سيل، التحقيقات الكهروضوئية للمواد الصلبة والسوائل ، دار النشر الأكاديمية، نيويورك ، 1989
  • دي بي ألموند وبي إم باتيل، العلوم والتقنيات الكهروضوئية، تشابمان وهول، لندن 1996
  • إس إي بيالكوفسكي، طرق التحليل الطيفي الحراري الضوئي للتحليل الكيميائي، جون وايلي، نيويورك ، 1996
  • الكميات والمصطلحات والرموز في التحليل الطيفي الضوئي الحراري وما يتصل به (توصيات الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية 2004)
  • النسخة الإلكترونية، الفصل الأول من كتاب ستيفن إي. بيالكوفسكي، طرق التحليل الطيفي الحراري الضوئي للتحليل الكيميائي، جون وايلي، نيويورك ، 1996