ספקטרוסקופיה

ספקטרוסקופיה הוא תחום מחקר, שבו נמדד ספקטרום של רמות אנרגיה או ספקטרום של תדרי קרינה אלקטרומגנטית, למשל תדרי אור. שיטות ספקטרוסקופיות נפוצות בכימיה, בפיזיקה ובביולוגיה, והן משמשות פעמים רבות לזיהוי חומרים. המכשיר המשמש לספקטרוסקופיה קרוי ספקטרומטר, ויש סוגים שונים של ספקטרומטרים שההבדלים ביניהם גדולים ולכל אחד שם המייחד אותו. משותף למכשירי ספקטרוסקופיה רבים הוא שלב הפרדה בין הקרינה הנבדקת לבין הקרינה הנפלטת מהמערכת והפרדת הקרינה הנפלטת לרכיביה. הפרדה זו מתבצעת למשל על ידי סינון אורך גל מסוים על ידי מערך של סריגים, על ידי מונוכרומטור או על ידי הפרדה מרחבית על פריזמה או אלמנט הולוגרפי. בספקטרוסקופיית פליטה, המודגמת בתמונה, הספקטרומטר מפריד לאורכי גל את הקרינה הנפלטת על ידי חומר מעורר שמתרחשים בו מעברי אנרגיה, כאשר בכל מעבר אטום או מולקולה עוברים מרמת אנרגיה גבוהה E 1 {\displaystyle E_{1}} לרמה נמוכה יותר באנרגיה E 2 {\displaystyle E_{2}} ופולטים את האנרגיה העודפת בצורה של פוטון. בספקטרוסקופיית בליעה, בודקים איזה אורכי גל בולע תווך מסוים. לשם כך מאירים את התווך במקור אור עם טווח אורכי גל רחב, מציבים אחרי התווך את הספקטרומטר ובודקים את ספקטרום האור העובר, בהשוואה לספקטרום ללא התווך הבולע. לחלופין, משתמשים במקור אור מונוכרומטי הסורק תחום רחב של אורכי גל. האנרגיה h ν {\displaystyle h\nu } של הפוטון הנפלט או הנבלע ניתנת על ידי תנאי בוהר לתדירות, h ν = | E 1 − E 2 | {\displaystyle h\nu =|E_{1}-E_{2}|} כאשר אורך הגל λ נתון על ידי λ = c/ѵ. בכימיה פיזיקלית, ספקטרוסקופיה עוסקת ביחסי הגומלין בין חומר ואנרגיה. הכימיה האנליטית עושה שימוש בשיטות ספקטרומטריות רבות המבוססות על ההבדלים בספיגת קרינה אלקטרומגנטית על ידי תרכובות שונות. בבדיקה שעושים באמצעות ספקטרוסקופיית בליעה מקרינים על החומר הנבדק סוג מסוים של קרינה; החומר קולט חלק מהקרינה ופולט חלק אחר, אותו מנתח גלאי. הגלאי שולח את ממצאיו למעבד מחשב, אשר מתרגם את התוצאות לצורה גרפית. התוצאות מוצגות על גבי צג או מודפסות על נייר, כמו בספקטרום השמיים הכחולים המוצג בתמונה בצד שמאל. תהליך זה מתרחש במכשיר אלקטרוני סגור, האטום לאור המגיע מהסביבה, אשר עלול לשבש את התוצאות (כיוון שאור מהווה אף הוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית). מכשירים ספקטרומטריים נחשבים לעדינים ויקרים מאוד. החומרים הנבדקים הם בדרך כלל נוזלים, או שהם מומסים בנוזל. את החומר הנבדק מוזגים לתיבה קטנה (קיוֵוטָה; באנגלית: Cuvette), שמידותיה נעות סביב 1X1X3 ס"מ. התיבה עשויה לעיתים קוורץ, KBr או פלסטיק שקוף, המאפשרים מעבר בלתי-מופרע של הקרינה הנבדקת דרך דפנות התיבה (חומרים שונים בולעים אורכי גל שונים). לעיתים התיבה אטומה לגמרי, כשרק חור שקוף קטנטן מאפשר את מעבר הקרינה. את התיבה מניחים במקום המיועד במיוחד לכך במכשיר. ספקטרוסקופיית בליעה - אפיון על ידי בליעת אור בחומר - מחולקת בדרך כלל לשני תחומים עיקריים: נראה ואולטרא-סגול, ואינפרא אדום. ספקטרוסקופיית פליטה - מבוססת פלואורסצנציה, התפרקות חשמלית של גזים, התפרקות מושרית על ידי לייזר, ועוד. ספטרוסקופיית פיזור - שיטות אלו הן בדרך כלל שיטות המבוססות על אינטראקציה לא-ליניארית בין אור לחומר, למשל פיזור ראמאן או תופעות של FOUR WAVE MIXING. ניתן גם להסתכל על אפיון חומר בעזרת מקדמי השבירה באורכי גל שונים כעל ספטרוסקופיית פיזור המאפיינת את האינטראקציה הליניארית בין אור לחומר. במיקרוביולוגיה ובביוכימיה משמשת הספקטרוסקופיה לעיתים קרובות לזיהוי עקיף של מספר גורמים אחרים, שאינם חומרים: נוכחות מיקרואורגניזמים (חיידקים בעיקר) בתמיסה. חיידקים גורמים לעכירות בתמיסה, אותה ניתן למדוד בצורה מדויקת בעזרת הספקטרומטר ולחשב בצורה מדויקת למדי את ריכוז החיידקים בתמיסה. גם חיידקים מתים גורמים לעכירות; לעומת זאת, חיידקים מתים שדופן התא שלהם התפרק אינם גורמים לעכירות. בעובדה זו משתמשים לעיתים קרובות בבדיקת ההשפעה של אנטיביוטיקה על חיידקים, שכן סוגים רבים של אנטיביוטיקה גורמים לפירוק דופן התא. מחקרים מהשנים האחרונות מאפשרים להשתמש בטכניקות כמו ספקטרוסקופיית ראמאן ופלואורסצנציה לזיהוי ואפיון של חיידקים ספציפיים בתמיסות ואף בסביבה. פעילות אנזימטית. כשאנזים מזרז תגובה כימית שבסופה נוצר חומר מסוים הגורם לעכירות או לשינוי צבע או כושר הספיגה של התמיסה, ניתן למדוד זאת בצורה מדויקת בעזרת הספקטרומטר. בדרך-כלל מבוצעת מדידה כל פרק זמן מסוים (דקה, למשל); השינוי בעכירות כנגד הזמן נרשם על גרף, וממנו ניתן להסיק נתונים על אופי פעילות האנזים. דימות תהודה מגנטית, שיטה המשמשת רבות ברפואה, היא סוג של ספקטרוסקופיה. ספקטרוסקופיה באסטרונומיה - מציאת הרכב הכוכבים ספקטרוסקופיה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) נתוח ספקטרלי, דף שער בספרייה הלאומית Amir Nakar, Ze’ev Schmilovitch, Dalit Vaizel-Ohayon, Yulia Kroupitski, Quantification of bacteria in water using PLS analysis of emission spectra of fluorescence and excitation-emission matrices, Water Research 169, 2020-02-01, עמ' 115197 doi: 10.1016/j.watres.2019.115197 Björn Lorenz, Christina Wichmann, Stephan Stöckel, Petra Rösch, Cultivation-Free Raman Spectroscopic Investigations of Bacteria, Trends in Microbiology 25, 05 2017, עמ' 413–424 doi: 10.1016/j.tim.2017.01.002 Elfrida M. Carstea, John Bridgeman, Andy Baker, Darren M. Reynolds, Fluorescence spectroscopy for wastewater monitoring: A review, Water Research 95, 2016-05-15, עמ' 205–219 doi: 10.1016/j.watres.2016.03.021