مبدأ عمل الانعكاس الكلي الموهن
يعتمد مبدأ عمل ATR على ظاهرة تسمى “الانعكاس الكلي”. عندما يمر شعاع من الضوء (في هذه الحالة، الأشعة تحت الحمراء) عبر مادة ذات معامل انكسار عالٍ ويصطدم بواجهة مع مادة ذات معامل انكسار أقل، فإنه يمكن أن يعكس داخليًا بشكل كامل إذا كان زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة. في ATR، يتم توجيه شعاع الأشعة تحت الحمراء عبر بلورة ATR، وهي مادة ذات معامل انكسار مرتفع (مثل الماس أو الزنك سيلينيد). يتم وضع العينة في اتصال مباشر مع سطح البلورة. عندما يدخل شعاع الأشعة تحت الحمراء البلورة وينعكس داخليًا، فإنه يخلق مجالًا زائلًا يمتد إلى ما وراء سطح البلورة إلى العينة. هذا المجال الزائل يتفاعل مع جزيئات العينة، مما يؤدي إلى امتصاص الأشعة تحت الحمراء في أطوال موجية معينة تتوافق مع الاهتزازات الجزيئية للعينة. يتم بعد ذلك قياس كمية الضوء الممتص بواسطة الكاشف، مما يوفر طيفًا للأشعة تحت الحمراء للعينة.
مكونات نظام الانعكاس الكلي الموهن
يتكون نظام ATR النموذجي من عدة مكونات رئيسية:
- مصدر الأشعة تحت الحمراء: يوفر الأشعة تحت الحمراء اللازمة لتحليل العينة.
- بلورة ATR: هي الجزء الأساسي من النظام. وهي مصنوعة من مادة شفافة للأشعة تحت الحمراء ذات معامل انكسار مرتفع. الماس والزنك سيلينيد (ZnSe) هما المادتان الأكثر شيوعًا.
- نظام البصريات: يوجه شعاع الأشعة تحت الحمراء إلى بلورة ATR ويجمعه بعد تفاعله مع العينة.
- حامل العينة: يثبت العينة في اتصال وثيق مع سطح بلورة ATR.
- الكاشف: يقيس كمية الأشعة تحت الحمراء التي تمر عبر العينة بعد تفاعلها معها.
- وحدة المعالجة: تعالج البيانات التي تم جمعها من الكاشف لإنشاء طيف الأشعة تحت الحمراء.
أنواع بلورات ATR
تتوفر بلورات ATR بأشكال وأحجام مختلفة، كل منها مصمم لتطبيقات معينة. تشمل الأنواع الأكثر شيوعًا:
- بلورات الماس: تتميز بمتانتها العالية ومقاومتها للمواد الكيميائية، مما يجعلها مناسبة لتحليل مجموعة واسعة من العينات، بما في ذلك المواد الصلبة المتينة.
- بلورات الزنك سيلينيد (ZnSe): أقل تكلفة من الماس، وهي مناسبة لتحليل السوائل والمعاجين، ولكنها أقل مقاومة للمواد الكيميائية.
- بلورات الجرمانيوم (Ge): تستخدم بشكل أساسي لتحليل العينات ذات الامتصاص القوي في نطاق الأشعة تحت الحمراء.
- بلورات السيليكون (Si): تستخدم لتطبيقات محددة تتطلب مقاومة كيميائية عالية.
مزايا استخدام ATR
يوفر ATR العديد من المزايا مقارنة بتقنيات قياس الطيف الأخرى للأشعة تحت الحمراء:
- الحد الأدنى من تحضير العينة: لا يتطلب ATR عمومًا تحضيرًا معقدًا للعينة، مما يوفر الوقت والجهد.
- القدرة على تحليل مجموعة واسعة من العينات: يمكن استخدامه لتحليل المواد الصلبة والسوائل والمعاجين والمسحوق.
- قياسات سريعة: يمكن جمع الأطياف بسرعة، مما يسمح بتحليل سريع للعينة.
- سهولة الاستخدام: واجهة المستخدم بسيطة نسبيًا، مما يجعلها سهلة التشغيل.
- غير مدمر: ATR هو أسلوب غير مدمر، مما يعني أنه لا يغير تكوين العينة.
تطبيقات الانعكاس الكلي الموهن
يستخدم ATR في مجموعة واسعة من المجالات والتطبيقات، بما في ذلك:
- الكيمياء: تحديد الهوية والتحليل الكمي للمركبات العضوية وغير العضوية.
- علوم المواد: تحليل البوليمرات، واللدائن، والأغشية، والطلاءات، والمواد المركبة.
- الصيدلة: تحليل الأدوية، وتحديد جودتها، وفحص المنتجات الصيدلانية.
- الأغذية والزراعة: تحليل المنتجات الغذائية، والتحقق من جودتها، وكشف التلوث.
- علوم البيئة: مراقبة تلوث المياه والتربة، وتحديد الملوثات.
- علم الجريمة: تحليل الأدلة الجنائية، مثل الألياف والأصباغ والدهانات.
العوامل المؤثرة على جودة طيف ATR
تعتمد جودة طيف ATR على عدة عوامل:
- جودة بلورة ATR: تلعب جودة البلورة دورًا مهمًا في الحصول على أطياف عالية الدقة.
- اتصال العينة بالبلورة: يجب أن يكون هناك اتصال وثيق بين العينة والبلورة لضمان تفاعل جيد للأشعة تحت الحمراء.
- قوة الضغط: يجب تطبيق قوة ضغط مناسبة على العينة لضمان اتصال جيد.
- معامل انكسار العينة: يؤثر معامل انكسار العينة على عمق الاختراق للمجال الزائل.
- نطاق قياس الطيف: يجب اختيار نطاق قياس الطيف المناسب لتحليل العينة.
- طريقة تحضير العينة: يجب تحضير العينة بعناية لتجنب التلوث أو تلف البلورة.
تقنيات ATR المتقدمة
بالإضافة إلى تقنية ATR الأساسية، توجد تقنيات ATR متقدمة لتحسين الأداء وتوسيع نطاق التطبيقات:
- ATR متغيرة الزاوية: يسمح هذا الأسلوب بتغيير زاوية السقوط، مما يوفر مزيدًا من المعلومات حول خصائص العينة.
- ATR التصويري: يجمع هذا الأسلوب بين ATR والتصوير المجهري، مما يسمح بتحليل توزيع المكونات داخل العينة.
- ATR مقترن بالهندسة الدقيقة: تستخدم هذه التقنية بلورات ATR ذات تصميمات هندسية معقدة لتحسين الحساسية.
نصائح لتحليل العينات باستخدام ATR
لتحقيق أفضل النتائج عند استخدام ATR، يجب مراعاة النصائح التالية:
- اختر البلورة المناسبة: اختر البلورة المناسبة لنوع العينة وتطبيق التحليل.
- تأكد من اتصال جيد: تأكد من وجود اتصال وثيق بين العينة والبلورة.
- تحكم في قوة الضغط: استخدم قوة ضغط مناسبة للعينة.
- نظف البلورة بانتظام: نظف البلورة بعناية بعد كل استخدام لمنع التلوث.
- استخدم معايرة مناسبة: استخدم معايرة مناسبة لضمان دقة النتائج.
عيوب استخدام ATR
على الرغم من مزاياه العديدة، فإن ATR له بعض العيوب:
- القياسات الكمية قد تكون صعبة: قد يكون من الصعب الحصول على قياسات كمية دقيقة، خاصةً للمواد الصلبة.
- حساسية محدودة: بالمقارنة ببعض التقنيات الأخرى، قد تكون الحساسية محدودة للعناصر التي تمتص الإشعاع بشكل ضعيف.
- تدهور البلورة: قد تتدهور بلورات ATR بمرور الوقت، خاصةً إذا تعرضت للمواد الكيميائية القوية.
مقارنة ATR بتقنيات الأشعة تحت الحمراء الأخرى
بالمقارنة بتقنيات الأشعة تحت الحمراء الأخرى، يقدم ATR بعض المزايا والعيوب:
- مقابل الإرسال (Transmission): يتطلب الإرسال تحضير عينات أكثر تعقيدًا (مثل إعداد أقراص KBr أو إعداد أفلام رقيقة). ATR أسهل في الاستخدام، ولكنه قد لا يكون مناسبًا لجميع العينات.
- مقابل الانعكاس (Reflection): يمكن استخدام الانعكاس لتحليل الأسطح، ولكنه قد يكون أقل حساسية من ATR.
- مقابل الأشعة تحت الحمراء المجهرية: يوفر المجهر بالأشعة تحت الحمراء دقة مكانية أفضل، ولكنه قد يكون أكثر تعقيدًا وأكثر تكلفة.
خاتمة
الانعكاس الكلي الموهن (ATR) هو أسلوب فعال ومفيد في علم قياس الطيف بالأشعة تحت الحمراء، يوفر طريقة مريحة لتحليل مجموعة متنوعة من العينات دون الحاجة إلى تحضير معقد للعينة. ومع ذلك، يجب فهم القيود المحتملة والتحكم في العوامل المؤثرة لضمان الحصول على نتائج دقيقة وموثوقة. من خلال اختيار البلورة المناسبة، وضمان الاتصال الجيد بين العينة والبلورة، واتباع إجراءات التنظيف والصيانة المناسبة، يمكن للمستخدمين الاستفادة القصوى من هذه التقنية القيمة في مختلف المجالات العلمية والصناعية.
المراجع
- Thermo Fisher Scientific – ATR Spectroscopy
- Shimadzu – What is ATR (Attenuated Total Reflectance) method?
- Agilent – ATR Accessories for FTIR Spectroscopy
- Bruker – Attenuated Total Reflection (ATR) Spectroscopy
“`