روش های اندازه گیری خواص

 

تحول سریعی که در علم نانو دیده می شود به دلیل پیشرفت های متعددی است که در زمینه تجهیزات ساخت، شناخت و بررسی خواص مواد با تغییر سایز آن ها ایجاد شده است. نمونه هایی از این پیشرفت ها توانایی روزافزون در تولید ساختارهای کوچکتر و بهبود دقت در ساخت آن ها. و به دنبال آن اصلاح ابزارهای ارزیابی و تعیین مشخصات چنین ساختارهایی می باشد. 

امروزه روش های آنالیز و شناسایی مواد، بسیار حائز اهمیت است. خواص فیزیکی و شیمیایی یک محصول به نوع مواد اولیه و ریزساختار آن بستگی دارد. بنابراین، به منظور شناسایی ویژگی های یک ماده برای انجام پژوهش و نیز کنترل کیفیت محصولات صنعتی، نیاز به روش ها و تجهیزات شناسایی است. روش های آنالیز را می توان به سه دسته ی کلی تقسیم بندی نمود:

   - آنالیز عنصری: در این روش تنها نوع عنصر و یا مقدار آن مشخص شده ولی ساختار بلوری عنصر یا ماده تعیین نمیشود. نام دیگر این روش آنالیز شیمیایی است.

   - آنالیز فازی: در این نوع آنالیز، ساختار بلوری یا کانی های موجود در ماده مشخص می شود.
   - آنالیز ریزساختاری: در این روش شکل، اندازه و توزیع فازها مورد بررسی قرار می گیرد. این ویژگی ها اثر مهمی بر خواص نهایی ماده دارند.

 

در ادامه نمونه هایی از این ابزارها را بررسی خواهیم کرد.

 

تعیین ساختار

برای درک ماهیت یک نانوساختار، ابتدا باید اطلاعات مربوط به ترکیب و ساختار آن ها مانند نوع اتم های سازنده و چگونگی قرار گرفتن این اتم ها نسبت به هم را به دست آوریم. بیشتر نانوساختارها بلوری هستند، یعنی اتم ها در آرایشی منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند که به آن شبکه بلوری گقته می شود. یک شبکه از تکرار سلول های واحد به وجود آمده است. هر شبکه با ثابت های a , b, c و زوایای بین آن ها تعیین می شود که این ثابت ها و زوایا تعیین کننده بعضی از خواص مواد می باشد. 

آرایش های ساختاری مهم، سلول واحد مکعبی ساده(SC)، مکعبی مرکز سطحی(FCC)، مکعبی مرکز حجمی(BCC)، تنگ چین شش گوشی(HCP) هستند. 

برای تعیین ساختار بلوری ماده(بلورشناسی)، باریکه ای موازی از پرتوهای X، الکترون ها یا نوترون ها به بلور تابانده می شود و زاویه هایی را که تحت آن باریکه منحرف می شود را اندازه می گیرند. به عنوان مثال پرتوی x را در نظر بگیرید. معمولا باریکه در یک جهت ثابت نگه داشته می شود و بلور در محدوده ای از زاویه ها چرخانده می شود تا طیف پرتوی x ثبت شود. که این کار را روبش پراش پرتوی x یا ثبت پراش سنج نامیده می شود. هر سیگنال آشکارشده ی پرتوی x با یک بازتاب همدوس از صفحات متوالی بلور که برای آن ها قانون براگ صادق است، متناظر است. 

                          

                                                                                                                   2dsinα=nλ      قانون براگ                                         

 

           

در این رابطه d فاصله بین صفحات، α زاویه ای که باریکه ی پرتوی x با صفحه می سازد. λ طول موج پرتو و n عدد صحیح می باشد.

هر صفحه ی بلورشناختی با مشخصه های h,k,l تعریف می شود. برای یک بلور مکعبی، این مشخصه ها نسبت های نقاطی هستند که محل برخورد صفحات با محورهای مختصات کارتزی اند. برای یک بلور مکعبی با ثابت شبکه ی a، فاصله ی بین صفحات موازی با رابطه زیر تعیین می شود: 

 

                                                                                                                  ^1/2(h²+k²+l²)/d=a

                                                                                                      

با توجه به رابطه ی بالا، صفحات با مشخصه های بزرگتر به یکدیگر نزدیک تر هستند و زاویه ی پراش بزرگتری دارند. دامنه خطوط پرتو x برای بعضی از صفحات صفر می باشد. به عنوان مثال برای یک شبکه ی مکعبی مرکز سطحی، تنها خطوط پراشی قابل مشاهده هستند که همه مشخصه هایش زوج یا فرد باشد.  

برای به دست آوردن یک ساختار بلوری کامل، طیف های پرتوی x برای چرخش هایی حول سه صفحه از بلور که دو به دو بر هم عمودند، ثبت می شود. این کار، اطلاعات جامعی درباره ی این صفحات بلورشناختی مختلف شبکه فراهم می کند. مرحله ی بعدی در تحلیل، تبدیل داده های این صفحات به اطلاعاتی مربوط به مکان اتم ها در سلول واحد می باشد که با روش ریاضی "تبدیل فوریه" امکان پذیر است. انجام این روند به ما کمک می کند که نوع ساختار را تعیین کنیم. ثابت های شبکه ای a,b,c و مقادیر زوایا و مختصات موضع های هر اتم در سلول واحد را نیز به ما می دهد. 

 

                                                                                                

                                                                   

نمونه ای از طیف پراش پرتوی x نانوذرات نقره. قله های پراش با مشخصات صفحات نشان داده شده است

 

تعیین اندازه ی ذرات

در قسمت قبل ساختار ترکیبات شناسایی شد. حال نوبت تعیین اندازه ذرات است. ساده ترین راه برای این کار، نگاه کردن به نانو ذرات با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) می باشد. شکل زیر تصویری از ذرات می باشد که با استفاده از TEM گرفته شده است. 

 

                                                      

تصویر TEM نانوذرات طلا

 

روش دیگر برای تعیین اندازه ی ذرات، بررسی چگونگی پراکندگی نور توسط آنها است. دامنه ی پراکندگی به رابطه ی بین اندازه ذره(d)، طول موج نور (λ) و به قطبش باریکه ی نور فرودی بستگی دارد. به عنوان مثال، پراکندگی نور سفید از مولکول های نیتروژن و اکسیژن در جو نشان می دهد که چرا نور پراکنده شده در طول روز آبی رنگ و در هنگام طلوع و غروب خورشید قرمز رنگ به نظر می رسد. 

در این روش از باریکه ی لیزری تکفام با قطبش های موازی و عمود در یک زاویه ی خاص(معمولا 90درجه) انجام می شود. براساس شدت های آشکارشده می توان اندازه، تراکم ذرات و ضریب شکست را تعیین کرد. این روش برای اندازه گیری نانوذراتی با قطر بیشتر از 2نانومتر قابل استفاده است. برای نانوذرات کوچکتر باید روش های دیگری به کار برد.  

ذرات با اندازه ی کوچکتر از 2نانومتر را می توان با استفاده از روش طیف سنج جرمی به دست آورد. در یک طیف سنج جرمی، نانوذرات بر اثر برخورد الکترون های گسیل شده از فیلامان گرم واقع در اتاقک یونش، یونیزه می شود و یون های مثبت تشکیل می شوند. یون های تازه تشکیل شده به کمک افت پتانسیل در ولتاژ بین صفحات دافع و شتاب دهنده شتاب می گیرند. سپس به وسیله ی عدسی ها کانونی و به کمک شکاف هایی در طول مسیر آنها تا تحلیلگر جرمی قرار دارد، موازی می شوند. نیروی مغناطیسی که جهتش عمود بر صفحه است به یون ها وارد می شود و باریکه ی یونی را خمیده می کند. یون ها در یک جمع کننده آشکار می شوند. نسبت جرم به بار به صورت زیر تعریف می شود:

 

 

                       B²r²/2V = m/q

 

معمولاً در یک دستگاه مقدار شعاع خمیدگی ثابت نگه داشته می شود و با تغییر میدان یا ولتاژ می توان یون هایی با جرم های مختلف را روی آشکارساز متمرکز کرد. مقدار بار مشخص است، در نتیجه می توان مقدار جرم و درنهایت با استفاده از چگالی، اندازه ذره محاسبه می شود. 

 

ساختار سطح

 برای به دست آوردن اطلاعات راجع به لایه های سطح یک ماده، می توان از روش های پراش الکترون کم انرژی، پراش ناشی از انعکاس الکترون پرانرژی استفاذه کرذ.

در روش پراش الکترون کم انرژی(LEED)، از آنجایی که الکترون انرژی (100-10 الکترون ولت)کمی دارد تنها در فاصله ی خیلی کمی از سطح عبور می کند، بنابراین الگوی پراش آنها، فواصل اتمی در لایه ی سطحی را نشان می دهد. باریکه ی الکترونی مانند یک موج رفتار می کند و مشابه با باریکه پرتوی x از صفحات منعکس می شود. طول موج الکترون، "طول موج دوبروی" نامیده می شود. 

روش پراش ناشی از انعکاس الکترون پرانرژی(RHEED)، در زوایای فرودی خراشان که تحت آن ها نفوذ سطحی کمینه است، انجام می شود. هنگامی که در رابطه ی براگ، زاویه ی فرود کوچک است، طول موج نیز باید کوچک باشد و در نتیجه انرژی بزرگ. بنابراین در انرژی های بزرگتر، زاویه ی فرود خراشان است.

 

طیف سنجی

طیف سنجی به عنوان برهمکنش ماده و نور نیز نامیده می شود. در این روش از نور مرئی برای مطالعات نظری در ساختار ماده و آنالیزهای کمی و کیفی استفاده می شود. 

اگر قسمت های مختلف موج الکترومغناطیس را مورد مطالعه قرار دهیم می بینیم هر بخش از این امواج می توانند ماده را دستخوش تغییر خاصی کنند. به عنوان مثال پرتوی ایکس باعث شکست پیوند می شود، پرتوی فرابنفش برانگیختگی الکترونی را به همراه دارد. بنابراین طیف سنجی به روش های مختلفی انجام می شود.

1) طیف سنجی فروسرخ و رامان

2) طیف سنجی فرابنفش و مرئی  

2) طیف سنجی فوتوالکترون و پرتوX

3) تشدید مغناطیسی

 

1) طیف سنجی فروسرخ و رامان

این نوع طیف سنجی فوتون هایی را دربرمی گیرد که موجب القای گذارهایی بین حالت های ارتعاشی، معمولاً در محدوده ی بسامد فروسرخ، در مولکول ها و جامدات می شوند. گاف های انرژی بسیاری از نیمه رساناها در این ناحیه از بسامد قرار دارند و میتوان آن ها را به روش طیف سنج فروسرخ مطالعه کرد. این روش برای شناسایی ترکیبات به ویژه ترکیبات آلی مورد استفاده قرار می گیرد. این ترکیبات پیوند کوالانسی دارند و این پیوندها به دلیل به اشتراک گذاشتن الکترون ها جاذبه ی بسیار قوی ایجاد می کنند. ترکیبات با پیوند کووالانسی می توانند در طیف IR مورد مطالعه قرار بگیرند. طیف IR اطلاعات کلی در مورد ساختار ماده می دهد. پیوندهای عاملی در این طیف به صورت پیک نشان داده می شوند. 

برای مشخص کردن باندهای جذبی در فروسرخ دو روش طول موج نور جذب شده و عدد موج وجود دارد. وقتی پیکی را نزدیک به عدد موج      cm^-1 3000 میبینیم این عدد موج متناسب با انرژی است. هر چه عدد موج بیشتر، انرژی بیشتر. پس در پیک مشاهده شده در 3000 در مقایسه با پیک مشاهده شده در 4000 انرژی بیشتری جذب شده و در نتیجه پیک 3000 نشان دهنده ی پیوند قوی تری می باشد.

اما چه چیز باعث می شود که پیک ها در طول موج خاصی خود را نشان دهند؟   دو اتم به وسیله یک پیوند به هم متصل شده اند. پیوند مانند فنر در نظر گرفته می شود، پس پیوندها نیز مانند فنر قابلیت ارتجاعی دارد. در حالت عادی ارتعاشات بسیار کوچک هستند، بنابراین پیک قابل مشاهده ای ظاهر نمی شود. اما هنگامی که پرتوی فروسرخ به این پیوندها برخورد می کند، این ارتعاشات آنقدر تحریک می شوند که خودشان را به صورت جذب در طیف سنجی IR نشان می دهند. گاهی ارتعاشات با هم ادغام می شوند، بنابراین پیک مشاهده شده مربوط به یک پیوند یا گروه عاملی نیست. نکته ای دیگر، بعضی از ترکیبات بسیار شبیه به هم هستند. بنابراین طیف سنجی با شدت انجام می شود. در نهایت طیفی ظاهر می سود که تعیین کننده می باشد و به آن ناحیه ی اثرانگست گفته می شود.

ارتعاش به چه عواملی بستگی دارد؟  هرچه اتم ها سبکتر و پیوند قوی تر باشد، ارتعاش بیشتر خواهد بود و شدت پیک در طیف IR قوی تر خواهد بود. 

 

امروزه دستگاه هایی که طیف سنجی فروسرخ را انجام می دهند FT-IR نامیده می شوند. در این ابزار، نوار پهنی از بسامدهای طیف فروسرخ به طور همزمان به نمونه تابیده می شود و سپس سیگنال خروجی به وسیله ی روش ریاضی "تبدیل فوریه" تحلیل می شود تا سیگنال آشکارشده به شکل طیف جذب IR تبدیل شود. سیگنال خروجی، طیف تبدیل فوریه ی فروسرخ نامیده می شود. به زبانی دیگر بازه زمانی را به بازه فرکانسی تبدیل می کند. طیف بر حسب فرکانس سنجیده می شود. 

 

آماده سازی نمونه برای انجام طیف سنجی فروسرخ

شیشه و پلاستیک جذب خوبی در طیف IR دارند و نمی توان از این مواد به عنوان بستری برای قرارگیری نمونه ها استفاده کرد. بنابراین از ترکیبات یونی NaCl و KBr استفاده می شود. NaCl در طیف IR تنها در 650 نانومتر حذب دارد و KBr جذبی در IR ندارد. از این رو KBr در این زمینه کاربرد بیشتری دارد.  

آماده سازی نمونه مایع:

نمونه ی مورد نظر را بدون آب به صورت لایه ی نازک روی قرص قرار می دهیم و قرص دیگری روی آن قرار داده می شود. سپس مجموعه درون دستگاه قرار می گیرد. 

آماده سازی نمونه جامد:

اگر نمونه به صورت جامد باشد سه روش وجود دارد.

روش اول: نمونه جامد با KBr درون هاون آسیا می شود. سپس مخلوط پرس می شود و قرص ظریفی ساخته می شود که در دستگاه قرار داده شود. هرچه قرص ریزتر باشد جذب و عبور طیف بهتر و نتایج خوبی به دست خواهد آمد.

روش دوم: استفاده از روغن معدنی نوژل، ذرات جامد ساییده شده را درون روغن پخش می کنیم. که این ذرات درون روغن به خوبی پخش می شوند. حال مانند حالت مایع نمونه را بین دو قرص قرار می دهیم. اما این نکته را نیز باید در نظر داشت که روغن نوژل در محدوده ی 2900، 1300، 1400 پیک دارد. اگر نمونه نیز در این مکان ها پیکی داشته باشد و با این روش طیف سنجی انجام شود، این پیک ها نشان داده نمی شود. پس این روش روشی مناسب برای این نمونه و نمونه های مشابه نخواهد بود و درصد خطای بالایی خواهد داشت.

روش سوم: در این روش از حلال تتراکلرید کربن که ترکیبی غیر قطبی است استفاده می شود. نمونه در این ترکیب حل می شود و بین دو قرص قرار داده می شود. CCl₄ تنها در محدوده ی 760 نانومتر پیک دارد. بنابراین باید دقت داشت اگر نمونه در این ناحیه پیک دارد، از این روش برای طیف سنجی استفاده نشود. زیرا پیک نمونه با پیک حلال پوشیده می شود . پیک دیگر قابل شناسایی نیست. 

بنابراین در بین همه این روش ها، روش اول دقت بالاتر و نتیجه ی مطلوب تری خواهد داشت. 

 

پراکندگی رامان پراکندگی غیر الاستیکی است که باعث تغییر طول موج می‌شود و از این طریق می‌توان اطلاعاتی در مورد مواد را استنباط کرد. خصوصیات ماده را می‌توان با تجزیه و تحلیل طیف رامان، تعیین کرد. با توجه به اینکه پراکندگی رامان از نوع غیر کشسان است،‌ فوتون‌ها در طی پراکندگی، انرژی خود را از دست می‌دهند و یا در حالتی انرژی به دست می‌آورند. بنابراین به ترتیب طول موج فوتون پراکنده شده افزایش یا کاهش می‌یابد. اگر مولکول از حالت پایه به تراز مجازی گذار کند، سپس با از دست دادن مقداری از انرژی خود به حالت ارتعاشی (تراز انرژی بالاتر از تراز پایه) پایین بیاید، فوتون پراکنده انرژی کمتری (طول موج بلندتر) نسبت به فوتون فرودی خواهد داشت. به این عمل پراکندگی استوکس گفته می‌شود. حال اگر مولکول در ابتدا در حالت ارتعاشی باشد و پس از پراکندگی در حالت پایه قرار گیرد،‌ فوتون پراکنده انرژی بیشتری آزاد می‌کند. بنابراین طول موج کوتاه‌تری خواهد داشت. به این عمل پراکندگی ضد استوکس می‌گویند. شکل زیر تفاوت پراکندگی ریلی، استوکس و آنتی استوکس را نشان می‌دهد.

 

                                                                     

                                                                 انواع پراکندگی رامان، از چپ به راست، ریلی، استوکس، آنتی استوکس                                                                   

 

   برخی از کاربردهای مهم طیف سنجی رامان

        1- شناسائی و جداسازی برخی از ترکیبات آلی و معدنی
         2-تعیین ساختار شیمیائی ترکیبات
         3-تعیین شرایط مرزی برای میدان الکتریکی در نزدیکی سطح

با توجه به توانایی‌های لیزر از جمله قابلیت تشدید، تمرکز و اهمیت این خواص در رابطه با پدیده رامان، لیزر به عنوان منبع مناسبی برای طیف سنجی رامان به شمار می‌رود. در این روش عموماً از لیزرهای آرگون و کریپتون استفاده می‌شود. (چون موج پیوسته بالایی دارند). البته اغلب لیزرهای رنگینه‌ای قابل تنظیم در پراکندگی رامان به کار برده می‌شوند.

 

این نکته را هم باید اضافه کرد که مدهای ارتعاشی فعال در فروسرخ تغییر دو قطبی الکتریکی مولکول را شامل می شود، در صورتی که مدهای ارتعاشی فعال در رامان تغییر در قطبش پذیری را شامل می شود که در آن بردار الکتریکی نور فرودی، گشتاور دو قطبی را به نمونه القا می کند. بنابراین بعضی از مدهای ارتعاشی به وسیله طیف سنجی فروسرخ قابل انداز گیری هستند و برخی به وسیله طیف سنجی رامان. 

 

 

2) طیف سنجی فرابنفش و مرئی

 

این طیف سنجی طیف الکترونی ماده را مشخص می‌­کند چون برهمکنش پرتو فرابنفش با ماده از نوع انتقالات الکترونی است. از طرفی چون محدوده مرئی و فرابنفش بسیار نزدیک به هم هستند. معمولا این دو طیف‌­سنجی توسط یک دستگاه با یک منبع نوری و آشکارساز انجام می‌­شود.

برانگیختگی الکترونی به معنای انتقال الکترون از یک اوربیتال مولکولی پیوندی به اوربیتال مولکولی ضدپیوندی است.

اتم­‌ها اوربیتال­‌های اتمی دارند که در اثر کنار هم قرار گرفتن آن­ها دیگر اوربیتال­‌های اتمی پاسخگوی ساختار و چیدمان الکترونی جدید نیستند و بنابراین در اثر برهمکنش اوربیتال­‌های اتمی، اوربیتال­‌های مولکولی ایجاد می‌­شوند. اوربیتال­‌های مولکولی به دو دسته پیوندی و ضد پیوندی تقسیم می‌­شوند.

به پایدارترین حالت الکترونی ماده حالت پایه (ground state) گفته می‌­شود. اگر انرژی انتقال الکترونی تامین شود (مثلا در اثر تابش الکترومغناطیس)، الکترون از سطح انرژی پایین (اوربیتال پیوندی) به سطح انرژی بالا (اوربیتال ضد پیوندی) منتقل می­‌شود که به این حالت، حالت برانگیخته (excited state) گفته می‌­شود. این انرژی مورد نیاز توسط تابش­‌های فرابنفش و مرئی می‌­تواند تامین شود اما تابش فروسرخ فقط می­‌تواند ارتعاش ایجاد کند و قادر به انتقال الکترون نیست. به همین دلیل است که به طیف­‌هایی که توسط نورهای فرابنفش و مرئی ایجاد می­‌شود طیف­‌های الکترونی گفته می‌­شود. در حالت برانگیخته مولکول سطح انرژی بالاتری داشته و نوعی ناپایداری در آن به وجود می­‌آید. همچنین در اثر برانگیختگی الکترون اسپین خود را حفظ می­‌کند. 

آن چیزی که در این طیف سنجی مهم است، زمانی است که از حالت پایه به حالت برانگیخته می رود و در این حالت طیف الکترونی را ایجاد می کند که ما می توانیم در محدوده ی فرابنفش و مرئی آن را مطالعه کنیم. اتم ها فقط تراز انرژی الکترونی دارند، اتم های داخل مولکول ها دارای نوسان و ارتعاش هستند. بنابراین علاوه بر تراز الکترونی، تراز ارتعاشی نیز پیدا می کنند. علاوه بر این مولکول حول مرکز جرم خود می چرخد که این مورد نیز تراز چرخشی ایجاد می کند.
دستگاه‌­های طیف‌­سنجی فرابنفش – مرئی انواع مختلفی دارند که در شکل زیر نمایش داده شده است اما همه آن­ها دارای سه جز اصلی منبع نوری، تکفام‌­ساز و آشکارساز هستند. تکفام‌­سازها و آشکارسازهای مختلفی وجود دارند اما منبع نوری معمولا ثابت و یک لامپ دوتریوم است که محدوده فرابنفش را پوشش دهد و اگر قرار باشد طیف‌­سنجی مرئی به صورت همزمان انجام شود از یک لامپ دوم تنگستنی برای پوشش ناحیه مرئی استفاده می­‌شود. جنس محفظه نمونه بسیار مهم است و برای طیف­‌سنجی مرئی می‌­توان از شیشه و پلاستیک استفاده کرد اما چون این ماده در ناحیه فرابنفش جذب دارند از  محفظه­‌های کوارتزی برای منطقه UV استفاده می‌­شوند. با وجود گران بودن کوارتز در دستگاه‌­هایی که به صورت همزمان طیف­سنجی UV-Vis انجام می‌­دهند برای جلوگیری از نیاز به تعویض محفظه از محفظه­‌های کوارتزی برای ناحیه مرئی هم استفاده می­‌شود. 

کاربرد طیف سنجی فرابنفش در نانوفناوری:

این طیف‌­سنجی ارزان و قابل اطمینان بوده و آماده‌­سازی سختی ندارد. تعیین پایداری نانوذرات پخش شده در یک سیال یکی از متداول‌­ترین کاربردهای این نوع طیف­سنجی در نانوفناوری است. با کلوخه شدن و افزایش اندازه ذرات جذب کاهش می­‌یابد پس می­‌توان با مطالعه طیف فرابنفش آن در زمان­‌های مختلف مدت زمان پایداری نمونه را بررسی کرد.

 

3) طیف سنجی فوتوالکترون و پرتوX

طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس، روشی به منظور بررسی سطح نمونه تا عمق حدود 100 انگستروم از نظر آنالیز عنصری، ترکیب شیمیایی و تعیین حالت پیوندی است. با توجه به این نکته که انرژی جنبشی الکترون های گسیل شده بر اثر یونیزاسیون یک ماده با فوتون تکفام پرتو ایکس مورد اندازه گیری قرار می گیرد، طیف فوتوالکترون های آن ماده، بر مبنای تعداد الکترون های گسیلی برحسب انرژی ترسیم می شود. انرژی فوتوالکترون های هر نمونه آزمون، مشخصه ی اتم های تشکیل دهنده ی آن است، بنابراین اندازه گیری انرژی جنبشی این فوتوالکترون ها معیاری برای تعیین عناصر موجود در آن نمونه است.

آنالیز XPS، در حقیقت یک روش شیمیایی کمی و کیفی است که در آن سطح نمونه ی جامد و قسمتی از عمق نمونه تحت تاثیر بمباران یونی قرار گرفته و نوع و ترکیب شیمیایی عناصر موجود در سطح نمونه قابل استخراج است. همچنین شناسایی حالت شیمیایی گونه های سطحی (از جمله حالت اکسایش عنصر) نیز از قابلیت های این آنالیز است.

شناسایی حالت شیمیایی و الکترونی عناصر ماده مانند تمایز قائل شدن بین اشکال سولفاتی و سولفیدی عنصر گوگرد از انحرافات اندکی در انرژی جنبشی و اندازه گیری میزان غلظت نسبی آن عنصر با توجه به شدت فوتوالکترون های مربوطه امکان پذیر است. از این روش در طیف وسیعی از صنایع چون هوافضا، الکترونیک، ارتباطات و حمل و نقل و غیره میتوان بهره برد.

 

 

 

4) تشدید مغناطیسی

 

رزونانس مغناطیسی هسته (NMR) نامی برای مطالعه جذب تابش فرکانس رادیویی توسط هسته است. عبارت NMR ساده شده Nuclear Magnetic Resonance است. این روش برای مطالعه و تعیین ساختار ترکیب مواد و یا سنتز شیمیایی استفاده میشود. روش آنالیز NMR موثرتر از روش های دیگر طیف سنجی مولکولی است اما به دلیل بالا بودن هزینه های آنالیز مانند روش طیف سنجی مادون قرمز(FT-IR) متداول و در دسترس نیست. در مجموع نمی­توان از کاربرد  NMRدر پزشکی، دارویی، صنایع غذایی، شیمیایی و کشاورزی چشم پوشی کرد. اساس این روش بر مبنای اندازه گیری، تابش الکترومغناطیس، در محدوده فرکانس رادیویی 4 تا 1000 مگاهرتز(MHZ) است. برخلاف دیگر روش های طیف سنجی مانند (FT-IR) و UV/Visible، که در آنها الکترون در فرایند جذب و انتقال انرژی درگیر است، در NMR هسته اتم درگیر فرایند جذب است.

به طور کلی در روش آنالیز NMRنمونه در یک میدان مغناطیسی قوی خارجی قرار می گیرد. انرژی هسته عناصر مشخص به علت خواص مغناطیسی که دارند، به حداقل دو یا چند تراز کوانتیده شکافته می شود. الکترون ‌ها نیز همانند هسته عمل می ‌کنند. یعنی بین ترازهای الکترونی انتقالاتی صورت میگیرد. درست مانند انتقالات الکترونی که در نتیجه جذب تابش فرابنفش یا مرئی اتفاق می افتد. در حالت عادی اختلاف انرژی بین ترازهای اسپین هسته صفر است. ولی در صورتی که اتم‌ ها در معرض میدان مغناطیسی خارجی قوی قرار بگیرند، حالت تبهگن سیستم کم می شود. (در فیزیک اگر دو (یا چند) حالت فیزیکی وجود داشته باشند که سطح انرژی آنها یکسان باشد به آنها حالت­های چندگانه یا تبهگن می‌گویند.) حال اگر میدان ناپدید شود، اتم تشدید کرده و تابش‌ هایی را از خود نشر می‌ کند که به آن تشدید مغناطیس هسته می ‌گویند.این سیگنال ها در بخش آشکار ساز دستگاه  NMRشناسایی و اندازه گیری می­شوند. برای شناسایی کمی و کیفی ساختمان یک مولکول و گروه های عاملی منحصر به فرد آن، می توان این تشدید را ارزیابی کرد.

 

موارد استفاده NMR:

شناسایی ساختار ترکیبات آلی، معدنی و زیستی

تعیین گروههای عاملی در یک مولکول

مطالعه رفتار ماکرومولکولهای زیستی نظیر پروتئین ها

آنالیز نمونه های نفتی

آنالیز نمونه های غذایی، داروئی

مطالعه ترمودینامیکی واکنش‌های مختلف

 

آماده سازی نمونه ها برای آنالیز NMR:

از الزامات انجام آنالیز NMR  آن است که نمونه ها باید محلول باشد.  در  روش1H NMR حلال های خاصی استفاده می شوند که دارای پروتون نیستند و در آن ها به جای هیدروژن، «دوتریم» وجود دارد. از آنجاییکه این حلال ها فاقد اتم هیدروژن می باشند در طیف NMRنامرئی هستند به زبان ساده تر مزاحمت شیمیایی حلال حذف می گردد. محلول نمونه در یک لوله شیمیایی ویژه به نام تیوب NMR در مرکز مغناطیسی تحت چرخش قرار می گیرد،تا محلول یکنواخت تری برای آنالیز آماده شود معمولا از تترا متیل سیلان (TMS) به عنوان ماده مرجع برای جابه جایی شیمیایی در NMR استفاده می شود، به این صورت که جابه جایی شیمیایی آن صفر در نظر گرفته می شود. کلروفرم دو تره ( کلروفرمی که به جای هیدروژن های آن دوتریمD جایگزین شده است) بیشترین استفاده را درآنالیزNMR برای ترکیبات غیر قطبی دارد. برای ترکیبات قطبی تر حلال های دوتره ی دیگری ( نظیر استونACETON دی متیل سولفوکسید و آب سنگین) به کار می رود.