53. کارگاه جامع آنالیزهای طیف‌سنجی و غیرطیف‌سنجی نانوساختارها و داربست‌های مهندسی بافت

Description

کارگاه جامع آنالیزهای طیف‌سنجی و غیرطیف‌سنجی نانوساختارها و داربست‌های مهندسی بافت

طیف سنجی چیست؟

طیف سنجی یک ابزار اکتشافی اساسی در زمینه های فیزیک ، شیمی و نجوم است که امکان ترکیب ساختار فیزیکی و ساختار الکترونیکی ماده را در مقیاس اتمی ، مقیاس مولکولی ، مقیاس ماکرو  و مسافت های نجومی بررسی می کند. کاربردهای مهم  طیف سنجی پزشکی در زمینه آنالیز بافتی و تصویربرداری پزشکی است. از زمان شروع کاربرد این روش در نیمه دوم قرن نوزدهم  این تکنیک برای توسعه هر منطقه از طیف الکترومغناطیسی و هر فرآیند اتمی یا مولکولی قابل دستیابی توسعه یافته است. در نتیجه ، اکثر مهندسین و دانشمندان در مقطعی از حرفه خود به طور مستقیم یا غیرمستقیم با این روش کار می کنند. طیف بینی و طیف سنجی اصطلاحاتی هستند که برای اندازه گیری شدت تابش به عنوان تابعی از طول موج استفاده می شوند و اغلب برای توصیف روش های طیف سنجی تجربی مورد استفاده قرار می گیرند. دستگاه های اندازه گیری طیف به عنوان طیف سنج ، اسپکتروفتومتر ، اسپکتروگراف  یا آنالایزر طیفی شناخته می شوند.

بهتر است بدانید:

مشاهدات روزانه رنگ می تواند مربوط به طیف سنجی باشد. احتراق نئون کاربرد مستقیمی در طیف سنجی اتمی دارد. گازهای نئون و دیگر گازهای نجیب دارای فرکانس انتشار (رنگ) هستند. لامپ های نئون برای تحریک این نشر از برخورد الکترون ها با گاز استفاده می کنند. جوهرها و رنگها ترکیبات شیمیایی هستند که به دلیل ویژگیهای طیفی به منظور تولید رنگها و اشکال خاص انتخاب شده اند. بیشترین طیف مولکولی که معمولاً با آن روبرو می شویم، دی اکسید نیتروژن است. دی اکسید نیتروژن گازی است که ویژگی جذب نور قرمز را  دارد و این باعث می شود هوای آلوده به دی اکسید نیتروژن به رنگ قهوه ای مایل به قرمز باشد.

تاریخچه طیف سنجی

تاریخچه اسپکتروسکوپی با آزمایش های اپتیک اسحاق نیوتن (۱۶۶۶-۱۶۶۶) آغاز شد. نیوتن کلمه طیف را برای توصیف رنگین کمانی از رنگ هایی که برای تشکیل نور سفید ترکیب شده اند و هنگامی که نور سفید از یک منشور عبور می کند ، آشکار می شود ، استفاده کرد. در اوایل دهه ۱۸۰۰ ، جوزف فون فرونهافر با استفاده از طیف سنج های اولیه کارهایی را انجام داد كه این روش را قادر می ساخت تا به یک روش علمی دقیق تر و كمی تر تبدیل شود. از آن زمان تاکنون طیف سنجی نقش مهمی در شیمی ، فیزیک و نجوم بازی کرده است.

جالب است بدانید:

در سال ۱۸۰۲ ، ویلیام هاید ولاستون طیف سنج پیشرفته تری اختراع کرد که شامل یک لنز برای تمرکز طیف خورشید بر روی صفحه بود. پس از استفاده ، ولاستون متوجه شد که رنگ ها به طور یکنواخت پخش نمی شوند  در عوض تکه هایی از رنگ ها که از دست رفته اند به صورت نوارهای تیره ظاهر می شوند. بعداً ، در سال ۱۸۱۵ ، فیزیکدان آلمانی جوزف فرنهاوفر نیز طیف خورشیدی را مورد بررسی قرار داد و حدود ۶۰۰ خطوط تیره (رنگ های از دست رفته) پیدا کرد ، که اکنون به عنوان خطوط Fraunhofer یا خطوط جذب شناخته می شوند.

                               

دسته بندی روش های طیف سنجی

اسپکتروسکوپی  یک رشته گسترده و شامل بسیاری از رشته های فرعی است که هر یک با چندین تکنیک خاص ، پیاده سازی و روش های مختلف می توانند از چند طریق طبقه بندی شوند که در ادامه شرح داده شده است.

نوع انرژی تابشی

انواع طیف سنجی با نوع انرژی تابشی دخیل در تعامل مشخص می شود. در بسیاری از کاربردها ، طیف با اندازه گیری تغییرات در شدت یا فرکانس این انرژی تعیین می شود. انواع انرژی تابشی مورد مطالعه شامل موارد زیر است:

تابش الکترومغناطیسی اولین منبع انرژی مورد استفاده در مطالعات  اسپکتروسکوپی بود. تکنیک هایی که از اشعه الکترومغناطیسی استفاده می کنند ، به طور معمول توسط منطقه طول موج طیف طبقه بندی می شوند و شامل مایکروویو ، تراهرتز ، مادون قرمز ، نزدیک مادون قرمز ، قابل مشاهده با ماوراء بنفش ، اشعه ایکس و طیف سنجی گاما هستند.

ماهیت تعامل

انواع اسپکتروسکوپی همچنین می تواند با ماهیت تعامل بین انرژی و ماده مشخص شود. این تعاملات شامل:

طیف سنجی جذب: جذب هنگامی اتفاق می افتد که انرژی از منبع تابش توسط مواد جذب شود. جذب اغلب با اندازه گیری کسری از انرژی منتقل شده از طریق مواد تعیین می شود.

طیف سنجی نشری: انتشار نشان می دهد که انرژی تابشی توسط مواد آزاد می شود. طیف سیاه ماده،  یک طیف نشری خود به خودی است که با دمای آن تعیین می شود. این ویژگی را می توان در مادون قرمز با وسایلی مانند تداخل سنج اندازه گیری کرد.

در صورت فلورسانس ، انتشار می تواند توسط سایر منابع انرژی مانند شعله های آتش ، جرقه ها ، قوس الکتریکی یا تابش الکترومغناطیسی نیز ایجاد شود.

پراکندگی الاستیک و طیف سنجی بازتاب: تعیین کننده چگونگی بازتاب یا پراکندگی پرتو توسط یک ماده است. کریستالوگرافی از پراکندگی پرتوهای پر انرژی مانند اشعه ایکس و الکترون ها برای بررسی چیدمان اتم ها در پروتئین ها و کریستال های جامد استفاده می کند.

طیف سنجی امپدانس: امپدانس توانایی یک واسطه برای ممانعت یا کند کردن انتقال انرژی است. برای کاربردهای نوری ، این روش با استفاده از شاخص شکست انجام می شود.

طیف سنجی منسجم یا رزونانس: تکنیک هایی هستند که انرژی تابشی دو حالت کوانتومی ماده را در تعامل منسجمی توسط میدان تابش پایدار جفت می کند. انسجام را می توان با تعامل های دیگر مانند برخوردهای ذرات و انتقال انرژی مختل کرد و به همین دلیل غالباً نیاز به تابش با شدت زیاد است.

 طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) : یک روش رزونانس گسترده است و طیف سنجی لیزر ultrafast نیز در مناطق طیف مادون قرمز و مرئی امکان پذیر است.

طیف سنجی هسته ای: روش هایی هستند که از خواص هسته های خاص برای بررسی ساختار موضعی ماده ، عمدتا ماده متراکم ، مولکول های موجود در مایعات یا مایعات یخ زده و مولکول های زیستی استفاده می کنند.

کاربرد طیف سنجی چیست؟

اسپکتروسکوپی  به مجموعه ای از تکنیک های مختلف که به منظور دستیابی به داده ها در مورد ساختار و خواص ماده استفاده می شود ، اشاره دارد که برای حل طیف گسترده ای از مشکلات تحلیلی استفاده می شود.

اهداف کلی این روش درک چگونگی تعامل نور با ماده و چگونگی استفاده از این اطلاعات برای درک کمی نمونه خاص است و باید به عنوان مجموعه ای از ابزارهایی که می توانند در کنار هم برای درک سیستم های مختلف و حل مشکلات شیمیایی پیچیده به کار روند ، استفاده شود. برخی از کاربردهای این روش عبارتند از:

• نظارت دقیق بر کامپوزیت ها با استفاده از فیبر نوری
• تخمین سن چوب با استفاده از طیف سنجی مادون قرمز
• اندازه گیری ترکیبات مختلف در نمونه های مواد غذایی
• اندازه گیری ترکیبات سمی در نمونه خون
• تجزیه و تحلیل عنصری غیر مخرب توسط فلورسانس اشعه  X
• بررسی ساختار الکترونیکی با طیف های مختلف

مفهوم اسپکتروسکوپی

طیف نگاری یا اسپکتروسکوپی به مطالعه برهمکنش نور و ماده گفته می شود، به عبارتی دیگر؛ نور مرئی، برای مطالعات ساختار ماده و تجزیه و تحلیل کمی و کیفی استفاده می شود. اسپکتروسکوپی از زمان قدیم به شکل ساده تر وجود داشته و با استفاده از منشور و صفحات عکاسی انجام می شد اما با مرور زمان طیف سنجی گسترش یافت و امروزه برای مطالعه برهم‌کنش‌های بین ذرات مانند الکترون‌ها، پروتون‌ها و یون‌ها و غیره استفاده می شود. وسیله ای که توسط آن طیف ماده ثبت می شود طیف سنج نام دارد، این دستگاه نور را به نمونه می تاباند و پس از برخورد نور و ماده؛ موج الکترومغناطیسی که به شکل نور است ایجاد می شود و سپس امواج این نور ها توسط دستگاه های جدا کننده طول موج که در داخل دستگاه تعبیه شده است از یکدیگر جدا می شوند.

کاربرد اسپکتروسکوپی

اسپکتروسکوپی یک شاخه منحصر به فرد و تخصصی از علم است که در تمامی رشته ها کاربرد دارد و یک پشتوانه نظری برای تحقیقات کوانتومی در تابش و ساختار اتمی ارائه می‌ دهد، همچنین اسپکتروسکوپی در دستگاه های منحصر به فرد کاربرد دارد از جمله دستگاه‌های تصویر برداری تشدید مغناطیسی (MRI) و اشعه X، همچنین این دستگاه در اختر شناسی جهت اندازه گیری ترکیبات شیمیایی و خواص فیزیکی و برای آزمایش دوپینگ در ورزش استفاده می‌شود. لازم به ذکر است که انواع مختلف از اسپکتروسکوپی وجود دارد که آن ها را می توان بر اساس برهمکنش انرژی و ماده تقسیم بندی کرد، که در ادامه به چند مورد از آن می پردازیم.

اسپکتروسکوپی نجومی

این نوع طیف‌سنجی عمدتاً به تجزیه و تحلیل اجسام در فضا کاربرد دارد، توسط تجزیه و تحلیل ارائه شده به روش اسپکتروسکوپی می توان به سادگی طیف تابش الکترومغناطیسی را اندازه گیر و طول موج آن را مشخص کرد و به کمک این مورد می توان ترکیب شیمیایی جسم، دما، فاصله و سرعت را تعیین کرد.

اسپکتروسکوپی جذبی

طیف سنجی جذبی از تکنیک های طیف سنجی می باشد که میزان جذب تابش در ماده را اندازه گیری می کند که به کمک آن می توان ساختار اتمی یک نمونه را با آزمایش جذب عناصر خاص در طیف الکترومغناطیسی مشخص کرد.

اسپکتروسکوپی در علم زیست پزشکی

این نوع اسپکتروسکوپی در علم زیست پزشکی استفاده می شود، به عنوان مثال طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی اغلب برای تشخیص و مطالعه تغییرات شیمیایی در مغز که می تواند باعث ایجاد آسیب های متعدد از جمله افسردگی و تومور شود، استفاده گردد. همچنین این روش برای تجزیه و تحلیل ساختار متابولیک ماهیچه‌ها کاربرد دارد. این کار با نگاشت طیفی از طول موج ها انجام می شود و الگوها و انحرافات را به دقت تجزیه و تحلیل می کند.

اسپکتروسکوپی طیف سنجی پراکندگی انرژی پرتو ایکس

طیف سنجی پراکندگی انرژی پرتو ایکس (که به عنوان EDS/EDX شناخته می شود) برای شناسایی و تعیین کمیت عناصر موجود در یک نمونه استفاده می شود، این تکنیک توسط Phenom ProX Desktop SEM انجام می شود. همچنین می‌توان آن را همراه با میکروسکوپ الکترونی انتقالی (TEM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM) برای آنالیز عنصری تفکیک شده فضایی در مناطقی به قطر چند نانومتر استفاده کرد.