التحليل الطيفي التطبيقي

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 13 صور
الموسوعة الحرة

علم الأطياف التطبيقي هو تطبيق طرق طيفية مختلفة للكشف عن العناصر أو المركبات المختلفة وتحديدها لحل المشكلات في مجالات مثل الطب الشرعي والطب وصناعة النفط وكيمياء الغلاف الجوي وعلم الأدوية .

الطرق الطيفية

التحليل الطيفي الاهتزازي

FT-IR

تُعدّ مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) من الطرق الطيفية الشائعة للتحليل ، حيث يمكن الكشف عن الروابط الكيميائية من خلال ترددات أو أطوال موجات امتصاص الأشعة تحت الحمراء المميزة لها [ 1 ] . تجعل خصائص الامتصاص هذه أجهزة تحليل الأشعة تحت الحمراء أداةً لا غنى عنها في علوم الأرض، والعلوم البيئية، وعلوم الغلاف الجوي. فعلى سبيل المثال، سهّل تطوير أجهزة تحليل الغازات المتوفرة تجاريًا، والقادرة على التمييز بين ثاني أكسيد الكربون ، والميثان ، وأول أكسيد الكربون ، والأكسجين ، وأكسيد النيتريك ، عملية رصد الغازات في الغلاف الجوي [ 2 ] . يمكن تحليل ثلاثة أنواع من العينات: المحلول ( KBr )، والمسحوق، والفيلم [ 3 ] . يُعدّ الفيلم الصلب من أسهل أنواع العينات وأكثرها مباشرةً في الاختبار [ 3 ] .

رامان

يتزايد استخدام مطيافية رامان في تطبيقات أكثر تخصصًا. تُعدّ مطيافية رامان تقنية أخرى يمكن استخدامها كميًا لتحديد المواد المراد تحليلها، مثل المركبات غير العضوية والمعادن والأصباغ الاصطناعية والطبيعية والكربوهيدرات [ 4 ] . ومن مزايا رامان على مطيافية الأشعة تحت الحمراء أن الماء لا يمتص بقوة في رامان ، مما يُسهّل تحليل العينات المائية [ 5 ] .

المجهر بالأشعة تحت الحمراء

وهناك أيضًا طرق مشتقة مثل المجهر بالأشعة تحت الحمراء ، والذي يسمح بتحليل مناطق صغيرة جدًا في المجهر الضوئي [ 6 ] .

مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية

تُستخدم الكوفيتات في تجربة فحص بروتين برادفورد .

تُستخدم مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (UV-vis) عندما يكون للمادة المراد تحليلها امتصاص قوي للضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية أو المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي . تُعرف هذه المواد باسم الكروموفورات ، وتشمل المجموعات العطرية ، وأنظمة الروابط المترافقة ، ومجموعات الكربونيل، وغيرها [ 7 ] . عادةً ما تكون عينات مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية سوائل أو محاليل، وتُوضع هذه العينات في خلايا تُسمى الكوفيتات [ 8 ] . تُستخدم مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية في تطبيقات توصيف وتحليل الكميات، حيث يُمكن تحديد معامل الامتصاص المولي للمادة المراد تحليلها أو تركيز العينة [ 9 ] .

عينة الرنين النووي المغناطيسي في أنبوب الرنين النووي المغناطيسي

مطيافية الرنين المغناطيسي النووي

يمكن استخدام مطيافية الرنين المغناطيسي النووي لتحديد المركبات عن طريق الكشف عن ذرات الهيدروجين ( رنين البروتون النووي ) [ 10 ] أو ذرات أخرى مثل الكربون ( رنين الكربون-13 النووي ) [ 11 ] ، في بيئات محددة. كما يُستخدم الرنين المغناطيسي النووي ثنائي الأبعاد على نطاق واسع للحصول على معلومات إضافية لا يوفرها الرنين المغناطيسي النووي أحادي الأبعاد [ 12 ] . تشمل تجارب الرنين المغناطيسي النووي ثنائية الأبعاد الشائعة COSY و NOESY و TOCSY و HSQC . يمكن أيضًا استخدام الرنين المغناطيسي النووي كميًا لتحديد التركيز النسبي للمادة المراد تحليلها في المحلول أو لتحديد نقائها [ 10 ] . تُحضّر عينات الرنين المغناطيسي النووي في أنابيب خاصة ، حيث تُصنع المحاليل باستخدام مذيبات مرجعية مُدَوتَرة، مثل المذيبات التالية:د6{\displaystyle d_{6}}-DMSO ، CDCl3{\displaystyle _{3}}و د2{\displaystyle _{2}}O [ 13 ] . عند تحضير عينات الرنين المغناطيسي النووي، يُعد نوع التجربة عاملاً مهماً في تحضير العينة وتحديد المعايير التجريبية، على سبيل المثال13ج{\displaystyle ^{13}C}يجب أن تكون عينات الرنين النووي المغناطيسي أكثر تركيزًا من1ح{\displaystyle ^{1}H}الرنين النووي المغناطيسي لأن13ج{\displaystyle ^{13}C}يُعدّ الرنين النووي المغناطيسي أقل حساسية من1ح{\displaystyle ^{1}H}الرنين النووي المغناطيسي [ 11 ] .

مطيافية الأشعة السينية

إحدى طرق التحليل العنصري المهمة في التحليل الجنائي هي مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) التي تُجرى باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح البيئي (ESEM) [ 14 ] . تعتمد هذه الطريقة على تحليل الأشعة السينية المتناثرة من العينة نتيجة تفاعلها مع حزمة الإلكترونات [ 15 ] . كما تُستخدم تقنية EDX الآلية في مجموعة من تقنيات علم المعادن الآلية لتحديد العناصر ورسم خرائط نسيجها.

تحضير العينة

في العديد من طرق التحليل الطيفي، عادةً ما يتطلب الأمر وجود العينة في محلول، مما قد يُسبب مشاكل في تحليل بعض العينات. وخلال الفحص الجنائي، قد يُشكل ذلك عائقًا لأنه يستلزم بالضرورة أخذ عينة صلبة من الجسم المراد فحصه.

التطبيقات الطبية والصيدلانية

تُستخدم مطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR) على نطاق واسع في المجالين الطبي والصيدلاني . ويُعدّ التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) أحد أبرز تطبيقاتها، حيث يستخدمه الأطباء بكثرة لفحص وتشخيص الأمراض [ 16 ] . وفي صناعة الأدوية، يُعدّ تحديد وتقييم نقاء المنتج مهمة أساسية في اكتشاف الأدوية وإنتاجها وتوزيعها [ 17 ] . كما تُسهم مطيافية الرنين المغناطيسي النووي ومطيافية الرنين المغناطيسي الإلكتروني (EPR) بشكل كبير في تحسين اكتشاف وتطوير وإنتاج الأدوية، مثل الأدوية ذات الجزيئات الصغيرة ، والمستحضرات البيولوجية المعقدة، والعلاجات الخلوية والجينية [ 18 ] .

تطبيقات البوليمر

تحليل البوليمرات

يضم علم التحليل الطيفي العديد من الأدوات التي يمكن استخدامها في التحليل الكمي والنوعي . ويعتمد اختيار تقنية محددة على نوع التجربة والعينة المراد تحليلها. يُستخدم التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء بتقنية فورييه (FT-IR) في دراسة معالجة البوليمرات في عمليات الاستخلاص والتجفيف والتشريب والصباغة والمزج ، في ظل ظروف مختلفة، مثل استخدام ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج مع بولي فينيل ميثيل إيثر ( PVME ) وبوليسترين ( PS) وبولي إيثيلين جلايكول/بولي فينيل بيروليدون ( PEG / PVP) وبولي إيثيلين أوكسيد/بولي ميثيل ميثاكريلات ( PEO / PMMA ) وبولي إيثيلين تيريفثالات (PET) [ 19 ] .

مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية

يمكن أن تساعد تقنية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية أيضًا في تحديد بعض خصائص البوليمر محل الاهتمام. على سبيل المثال، يمكن استخدام مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية كطريقة بديلة لتقنية كروماتوغرافيا التغلغل الهلامي (GPC) لتحديد متوسط ​​الوزن الجزيئي العددي (Mn ) لبوليمر مرتبط بمجموعة كروموفورية (مثل الفلورين [ 20 ] )، تم تصنيعه بواسطة تقنية ATRP . يتم تحديد Mn باستخدام قياسات الامتصاص للبوليمر الموسوم بالمجموعة الكروموفورية [ 20 ] ومعادلة قانون بير-لامبرت .

أ=ϵجℓ{\displaystyle A=\epsilon c\ell }

حيث A هي الامتصاصية، وε هو معامل الامتصاص المولي، وc هو تركيز العينة، وl هو طول مسار العينة. [ 21 ]

يمكن أيضًا استخدام الأشعة فوق البنفسجية المرئية ومعادلة قانون بير-لامبر لتحديد كمية عوامل نقل السلسلة المستخدمة في RAFT وتحديد M n للبوليمر محل الاهتمام [ 22 ] ، أي ما إذا كان عامل نقل السلسلة يمتص في منطقة الأشعة فوق البنفسجية المرئية.

تحلل البوليمر

يمكن تتبع العديد من آليات تحلل البوليمر باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء، مثل التحلل بالأشعة فوق البنفسجية والأكسدة، من بين العديد من أنماط الفشل الأخرى.

التحلل بالأشعة فوق البنفسجية

طيف الأشعة تحت الحمراء الذي يظهر امتصاص الكربونيل بسبب التحلل بالأشعة فوق البنفسجية للبولي إيثيلين [ 23 ]

تتعرض العديد من البوليمرات لهجوم الأشعة فوق البنفسجية عند نقاط ضعفها في بنيتها الجزيئية. لذا، يُعاني البولي بروبيلين من تشققات شديدة تحت أشعة الشمس ما لم تُضَف إليه مضادات الأكسدة . ويحدث الهجوم عند ذرة الكربون الثالثية الموجودة في كل وحدة متكررة، مما يُسبب الأكسدة وانكسار السلسلة في النهاية. كما أن البولي إيثيلين عُرضة للتلف بفعل الأشعة فوق البنفسجية، وخاصةً الأنواع المتفرعة منه، مثل البولي إيثيلين منخفض الكثافة . وتُعد ذرات الكربون الثالثية هي نقاط التفرع، لذا يبدأ تحلل البوليمر من هناك، مما يؤدي إلى انقسام السلسلة وهشاشتها. في المثال الموضح على اليسار، تم الكشف بسهولة عن مجموعات الكربونيل باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء من غشاء رقيق مصبوب. كان المنتج عبارة عن مخروط مروري تشقق أثناء الاستخدام، وقد فشلت العديد من المخاريط المماثلة أيضًا لعدم استخدام مادة مضافة مضادة للأشعة فوق البنفسجية.

أكسدة

طيف الأشعة تحت الحمراء الذي يظهر امتصاص الكربونيل بسبب التدهور التأكسدي لقولبة عكاز البولي بروبيلين [ 23 ] .

تُعدّ البوليمرات عرضةً للتلف بفعل الأكسجين الجوي ، لا سيما عند درجات الحرارة المرتفعة التي تُصادف أثناء عمليات التشكيل. تتضمن العديد من طرق التشكيل، كالبثق والقولبة بالحقن ، ضخ البوليمر المنصهر في قوالب، وقد تؤدي درجات الحرارة العالية اللازمة للصهر إلى الأكسدة ما لم تُتخذ الاحتياطات اللازمة. على سبيل المثال، انكسر عكاز ساعد فجأةً، ما أدى إلى إصابة المستخدم بجروح بالغة جراء السقوط [ 24 ] . كان العكاز قد انكسر عند حشوة من البولي بروبيلين داخل أنبوب الألومنيوم للجهاز، وأظهر التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء للمادة أنها قد تأكسدت، ربما نتيجةً لسوء عملية القولبة.

يسهل عادةً اكتشاف الأكسدة نسبيًا، نظرًا لامتصاص مجموعة الكربونيل القوي في طيف البولي أوليفينات . يتميز البولي بروبيلين بطيف بسيط نسبيًا، مع عدد قليل من القمم عند موضع الكربونيل (مثل البولي إيثيلين). تميل الأكسدة إلى البدء عند ذرات الكربون الثالثية لأن الجذور الحرة فيها أكثر استقرارًا، وبالتالي تدوم لفترة أطول وتتعرض لهجوم الأكسجين. يمكن أن تتأكسد مجموعة الكربونيل بشكل أكبر لكسر السلسلة، مما يُضعف المادة عن طريق خفض الوزن الجزيئي ، وتبدأ الشقوق بالظهور في المناطق المتأثرة.

الأوزونوليز

طيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) لسطح الشق
طيف EDX لسطح المطاط غير المتأثر

يُعرف التفاعل الذي يحدث بين الروابط المزدوجة والأوزون باسم الأوزونوليز عندما يتفاعل جزيء واحد من الغاز مع الرابطة المزدوجة [ 25 ] :

مخطط عام لعملية الأوزونوليز
مخطط عام لعملية الأوزونوليز

تتمثل النتيجة المباشرة في تكوين الأوزونيد ، الذي يتحلل بسرعة مما يؤدي إلى انكسار الرابطة المزدوجة. هذه هي الخطوة الحاسمة في انكسار السلسلة عند تعرض البوليمرات للهجوم. تعتمد قوة البوليمرات على الوزن الجزيئي للسلسلة أو درجة البلمرة : فكلما زاد طول السلسلة، زادت القوة الميكانيكية (مثل قوة الشد ). بانكسار السلسلة، ينخفض ​​الوزن الجزيئي بسرعة حتى تصل إلى نقطة تصبح فيها القوة ضئيلة للغاية، ويتشكل الشق. يستمر الهجوم على أسطح الشق المكشوفة حديثًا، وينمو الشق بثبات حتى يُكمل دورة كاملة، ثم ينفصل المنتج أو يتلف. في حالة مانع التسرب أو الأنبوب [ 26 ] ، يحدث التلف عند اختراق جدار الجهاز.

تتكون عادةً مجموعات الكربونيل الطرفية من الألدهيدات أو الكيتونات ، والتي يمكن أن تتأكسد لاحقًا إلى أحماض كربوكسيلية . والنتيجة النهائية هي تركيز عالٍ من الأكسجين العنصري على أسطح الشقوق، والذي يمكن الكشف عنه باستخدام مطيافية تشتت طاقة الأشعة السينية (EDX) في المجهر الإلكتروني الماسح البيئي (ESEM). على سبيل المثال، تم الحصول على طيفين من مطيافية تشتت طاقة الأشعة السينية (EDX) أثناء دراسة تشقق أغشية منع التسرب بفعل الأوزون في مصنع لتصنيع أشباه الموصلات. يُظهر طيف مطيافية تشتت طاقة الأشعة السينية (EDX) لسطح الشق ذروة عالية للأكسجين مقارنةً بذروة ثابتة للكبريت . في المقابل، يُظهر طيف مطيافية تشتت طاقة الأشعة السينية (EDX) لسطح المطاط غير المتأثر ذروة منخفضة نسبيًا للأكسجين مقارنةً بذروة الكبريت.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "دليل مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتقنية فورييه" . bruker.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2026-05-03 .
  2. ↑ "جهاز تحليل الغاز المحمول GT6000 Mobilis لاختبارات المداخن والانبعاثات والاختبارات الميدانية" . Gasmet.com . تاريخ الاسترجاع: 3 مايو 2026 .
  3. 1 2 وركمان الابن، جيري؛ سبرينغستين، آرت دبليو. (3 يونيو 1998). التحليل الطيفي التطبيقي: مرجع موجز للممارسين . دار النشر الأكاديمية. الصفحات 54-68 . ISBN  978-0127640709.
  4. ↑ "18.3: تطبيقات مطيافية رامان" . نصوص الكيمياء الحرة . 17-06-2022 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 04-05-2026 .
  5. ↑ "18.2: الأجهزة" . نصوص الكيمياء الحرة . 17-06-2022 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 04-05-2026 .
  6. ↑ وركمان الابن، جيري؛ سبرينغستين، آرت دبليو. (3 يونيو 1998). التحليل الطيفي التطبيقي: مرجع موجز للممارسين . دار النشر الأكاديمية. الصفحات 507-512 . ISBN  978-0127640709.
  7. ↑ "14.2: الأنواع الممتصة" . نصوص الكيمياء الحرة . 17-01-2022 . تم الاسترجاع في 04-05-2026 .
  8. ↑ "13.4: الأجهزة" . نصوص الكيمياء الحرة . 17-01-2022 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 04-05-2026 .
  9. ↑ "14.4: التطبيقات الكمية" . نصوص الكيمياء الحرة . 17-01-2022 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 04-05-2026 .
  10. 1 2 "19.4: تطبيقات الرنين النووي المغناطيسي للبروتون" . نصوص الكيمياء الحرة . 2022-07-26 . تم الاسترجاع في 2026-05-03 .
  11. 1 2 "19.5: الرنين النووي المغناطيسي للكربون-13" . نصوص الكيمياء الحرة . 2022-07-26 . تم الاسترجاع في 2026-05-03 .
  12. ↑ "19.6: الرنين النووي المغناطيسي ثنائي الأبعاد بتحويل فورييه" . نصوص الكيمياء الحرة . 2022-07-26 . تم الاسترجاع في 2026-05-03 .
  13. ↑ هورناك، جوزيف ب. (1997). "الاعتبارات العملية" . أساسيات الرنين النووي المغناطيسي .
  14. ↑ لويس، بيتر ريس؛ رينولدز، كين؛ غاغ، كولين (2004). هندسة المواد الجنائية: دراسات حالة . مطبعة سي آر سي. الصفحات 102-104 . ISBN  978-0849311826.
  15. ↑ "ما هو مطياف تشتت الطاقة للأشعة السينية؟ | مطيافية تشتت الطاقة للأشعة السينية" . www.bruker.com . تاريخ الاسترجاع: 4 مايو 2026 .
  16. ↑ "الرنين النووي المغناطيسي والتصوير بالرنين المغناطيسي: تطبيقات في الكيمياء والطب" . acs.org . 8 أبريل 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أبريل 2026 .
  17. ↑ "تنظيم المستحضرات الصيدلانية - نظرة عامة | مواضيع ساينس دايركت" . www.sciencedirect.com . تاريخ الاسترجاع: 29 أبريل 2026 .
  18. ↑ "حلول الرنين المغناطيسي النووي والرنين المغناطيسي الإلكتروني في مجال الصناعات الدوائية الحيوية | صناعة الأدوية" . www.bruker.com . تاريخ الاسترجاع: 29-04-2026 .
  19. ↑ أوزاكي، يوكيهيرو؛ ساتو، هارومي، محرران. (2021-12-06). تقنيات التحليل الطيفي لتوصيف البوليمرات: الطرق، والأجهزة، والتطبيقات ( الطبعة الأولى). وايلي (نُشر في 22 أكتوبر 2021). الصفحات 55-68 . doi : 10.1002/9783527830312 . ISBN   978-3-527-34833-6.
  20. 1 2 تيلمان، إريك س.؛ روف، أماندا س.؛ بالمر، ستيفن م.؛ زاركو، بيث آن؛ غودمان، كاتون س.؛ رولاند، أليسا م. (1 أغسطس 2006). "تخليق البوليمرات الموسومة بالكروموفور وتحديد وزنها الجزيئي باستخدام مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية" . مجلة التعليم الكيميائي . 83 (8): 1215. doi : 10.1021/ed083p1215 . ISSN 0021-9584 - عبر منشورات الجمعية الكيميائية الأمريكية. 
  21. ↑ "قانون بير-لامبرت" . نصوص الكيمياء الحرة . 2013-10-03 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2026-03-12 .
  22. ↑ سكرابانيا، كاتيا؛ مياسنيكوفا، آنا؛ بيفيجو-كومبا، أشيل مايل؛ زيم، دانيال؛ لاشيفسكي، أندريه (2011). "دراسة امتصاص الأشعة فوق البنفسجية والمرئية لعوامل نقل سلسلة RAFT واستخدامها في تحليل البوليمرات" . كيمياء البوليمرات . 2 (9): 2074. doi : 10.1039/c1py00173f . ISSN 1759-9954 . 
  23. 1 2 لويس، بيتر ريس؛ رينولدز، كين؛ غاغ، كولين (2004). هندسة المواد الجنائية: دراسات حالة . مطبعة سي آر سي. ص 125-126 . ISBN  978-0849311826.
  24. ↑ لويس، بيتر ريس؛ رينولدز، كين؛ غاغ، كولين (2004). هندسة المواد الجنائية: دراسات حالة . مطبعة سي آر سي. الصفحات 313-315 . ISBN  978-0-8493-1182-6.
  25. ↑ "تحلل الأوزون" . نصوص الكيمياء الحرة . 2018-11-05 . تم الاسترجاع في 2026-05-04 .
  26. ↑ لويس، بيتر ر.؛ هاينسورث، سارة (سبتمبر 2006). "فشل خط الوقود نتيجة تشقق التآكل الإجهادي" . تحليل فشل الهندسة . 13 (6): 946-962 - عبر إلسيفير ساينس دايركت .