อินฟราเรดและรามานสเปกโทรสโกปี
อินฟราเรดและรามานสเปกโทรสโกปีใช้การสั่นสะเทือนของโมเลกุลเพื่อระบุหมู่ฟังก์ชันและจำแนกลักษณะโครงสร้างทางเคมี
Definition
อินฟราเรดและรามานสเปกโทรสโกปีเป็นวิธีการทางสเปกโทรสโกปีแบบสั่นสะเทือนที่ใช้ลักษณะเฉพาะของโมเลกุลจากพลังงานของการสั่นสะเทือนของพันธะ ซึ่งวัดได้จากการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดและการกระเจิงแสงแบบไม่ยืดหยุ่นตามลำดับ
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมเทคนิคการสั่นสะเทือนสองแบบที่เสริมกัน ได้แก่ การดูดกลืนรังสีอินฟราเรด ซึ่งปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้เครื่องมือฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์มที่ใช้โหมดการสุ่มตัวอย่าง เช่น การสะท้อนกลับทั้งหมดแบบลดทอน (attenuated total reflectance) และการกระเจิงรามาน โดยจะกล่าวถึงกฎการเลือก (selection rules) ที่กำหนดว่าการสั่นสะเทือนใดที่ไวต่ออินฟราเรดหรือรามาน เทคโนโลยีอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์และตัวตรวจจับ และการใช้ลายนิ้วมือการสั่นสะเทือนสำหรับการระบุเชิงคุณภาพ และการวิเคราะห์เชิงปริมาณที่เพิ่มขึ้น
Core questions
- การสั่นสะเทือนของโมเลกุลใดที่ไวต่ออินฟราเรดเทียบกับรามาน และเพราะเหตุใด?
- สเปกโทรเมตรีอินฟราเรดแบบฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์มบรรลุข้อได้เปรียบด้านความเร็วและความไวได้อย่างไร?
- มีการใช้บริเวณลายนิ้วมือ (fingerprint region) เพื่อระบุและแยกแยะสารประกอบได้อย่างไร?
- เมื่อใดที่อินฟราเรดและรามานเสริมกันมากกว่าที่จะซ้ำซ้อนกัน?
Key theories
- กฎการเลือกการสั่นสะเทือน
- การสั่นสะเทือนจะดูดกลืนรังสีอินฟราเรดก็ต่อเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงโมเมนต์ขั้วคู่ของโมเลกุลเท่านั้น ในขณะที่มันจะกระเจิงรังสีรามานก็ต่อเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงสภาพโพลาไรซ์ (polarizability) เท่านั้น ความสมบูรณ์ซึ่งกันและกันนี้หมายความว่าการสั่นสะเทือนแบบสมมาตรที่อ่อนแอในอินฟราเรดมักจะแข็งแกร่งในรามาน และในทางกลับกัน
- การกระเจิงรามาน
- ส่วนเล็กๆ ของแสงที่กระเจิงโดยโมเลกุลจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานเท่ากับปริมาณควอนตัมของการสั่นสะเทือน ทำให้เกิดเส้นสโตกส์ (Stokes) และแอนติสโตกส์ (anti-Stokes) ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของมันระบุโหมดการสั่นสะเทือนโดยไม่ขึ้นกับความยาวคลื่นกระตุ้น
Mechanisms
ในการสเปกโทรสโกปีอินฟราเรด รังสีบรอดแบนด์จะผ่านหรือสะท้อนจากตัวอย่าง และการสั่นสะเทือนที่ปรับเปลี่ยนโมเมนต์ขั้วคู่จะดูดกลืนที่ความถี่เฉพาะของมัน เครื่องมือฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์มจะเข้ารหัสความถี่ทั้งหมดพร้อมกันผ่านอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์และกู้คืนสเปกตรัมทางคณิตศาสตร์ ในการสเปกโทรสโกปีรามาน เลเซอร์โมโนโครมาติกจะส่องสว่างตัวอย่าง และส่วนเล็กๆ ที่กระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นจะถูกกระจายและตรวจจับ การเปลี่ยนแปลงความถี่ของมันจะรายงานโหมดการสั่นสะเทือนเดียวกัน
Clinical relevance
สเปกโทรสโกปีแบบสั่นสะเทือนถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการระบุวัสดุและพอลิเมอร์ การตรวจสอบวัตถุดิบทางเภสัชกรรมและการคัดกรองพอลิมอร์ การวิเคราะห์ร่องรอยทางนิติวิทยาศาสตร์ และการตรวจสอบกระบวนการ ซึ่งมีคุณค่าตรงที่ไม่ต้องเตรียมตัวอย่างเพียงเล็กน้อยหรือไม่ต้องเตรียมเลย
History
การดูดกลืนรังสีอินฟราเรดถูกนำมาใช้วิเคราะห์ตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 20 โดยเครื่องมือฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์มเริ่มมีบทบาทสำคัญหลังทศวรรษ 1960 เนื่องจากการประมวลผลที่เร็วขึ้นและข้อได้เปรียบแบบมัลติเพล็กซ์ ปรากฏการณ์รามานถูกรายงานโดย C. V. Raman และ K. S. Krishnan ในปี 1928 และแหล่งกำเนิดเลเซอร์ในเวลาต่อมาได้เปลี่ยนการกระเจิงรามานให้เป็นเครื่องมือวิเคราะห์ที่ใช้งานได้จริง
Key figures
- C. V. Raman
- K. S. Krishnan
- Peter Fellgett
Related topics
Seminal works
- raman1928
- skoog2017
- harris2020
Frequently asked questions
- เหตุใดอินฟราเรดและรามานสเปกโทรสโกปีจึงถือว่าเสริมกัน?
- ทั้งสองเทคนิคมีกฎการเลือกที่แตกต่างกัน: อินฟราเรดตรวจจับการสั่นสะเทือนที่เปลี่ยนแปลงโมเมนต์ขั้วคู่ ส่วนรามานตรวจจับการสั่นสะเทือนที่เปลี่ยนแปลงสภาพโพลาไรซ์ ดังนั้นการสั่นสะเทือนที่อ่อนแอในเทคนิคหนึ่งมักจะแข็งแกร่งในอีกเทคนิคหนึ่ง และเมื่อใช้ร่วมกันจะให้ภาพการสั่นสะเทือนที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น
- ข้อดีของอินฟราเรดแบบฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์มเหนือเครื่องมือแบบกระจายแสงคืออะไร?
- อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์วัดความถี่ทั้งหมดพร้อมกันแทนที่จะสแกนทีละความถี่ ทำให้ได้ข้อมูลที่เร็วขึ้น มีปริมาณงานสูงขึ้น และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ดีขึ้น ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบแบบมัลติเพล็กซ์และปริมาณงาน