ספקטרוסקופיית פורייה

ספקטרוסקופיית פוּרִיֵה (באנגלית: Fourier Transform Infra-Red Spectroscopy, ובראשי תיבות: FTIR) היא שיטה בכימיה אנליטית המאפשרת זיהוי הימצאות של קבוצות אטומים ואף מולקולות בדוגמת חומר. זו אחת משיטות הספקטרוסקופיה שבה מתקבל ספקטרום בליעה או פליטה של דוגמה המוקרנת באנרגיה בתחום הגל התת-אדום (תחום ה-IR).

מכשיר ספקטרומטר ה-IR מקרין גל תת-אדום על הדגימה הנבדקת. חלק מהאנרגיה של קרינה זו נבלע על ידי המולקולה ומוביל לוויברציות (תנודות) בקשרים הכימיים שבין האטומים בעוד חלק מאנרגיית הקרינה עובר דרך הדוגמה הנבדקת ולא גורם בה לשינויים ויברציונים.

המונח "ספקטרוסקופיית פורייה" נובע מכך שבסיום תהליך ההקרנה המידע שנאסף על ידי הגלאי של מכשיר הספקטרומטר מומר בעזרת שיטה מתמטית הנקראת התמרת פוריה. המרה זו מובילה לקבלת ספקטרום ה-IR של הדוגמה הנבדקת. הספקטרום המתקבל מציג את אחוז ההעברה (או לחלופין- הבליעה) של הקרינה כנגד תדירות הקרינה.

עיקרי שיטת המדידה
ספקטרוסקופיה מוגדרת כאינטראקציות שבין חומר לקרינת-אור. ספקטרוסקופיית IR היא כלי אנליטי המודד את האינטראקציות שבין חומר לקרינה אלקטרומגנטית בתחום האינפרא אדום לצורך זיהוי מבנה מולקולרי (חלקי או מלא) של החומר ובמקרים מסוימים גם לכימות החומר הנבדק. ספקטרומטריית ה-IR משתמשת במכשור אופטי לצורך פיזור ומיקוד של קרינה אלקטרומגנטית בתדירות ה-IR אשר מוקרנת על הדוגמה הנבדקת. כאשר קרינה זו נבלעת על ידי האטומים במולקולה מובילה לשינויים אנרגטיים אשר באים לידי ביטוי בשינויים בתדירות הוויברציות במולקולה. שינויים אלו נמדדים ומוצגים לבסוף כספקטרום ה-IR של המולקולה.

תחום הIR מוגדר בין 33-12820cm-1 והוא נחלק לשלושה אזורים מוגדרים:
 התחום הקרוב (Near IR) הנע בין 4000-12820cm-1. תחום זה עני במידע ספציפי לגבי ויברציות במולקולה והוא מורכב בעיקר מתנועות הרמוניות של המולקולה הנובעות משינויים ויברציונים המתרחשים בתחום ה-IR האמצעי (Mid IR).
 התחום האמצעי (Mid IR) הנע בין 400-4000cm-1. תחום זה מספק אינפורמציה מבנית על רוב המולקולות האורגניות בעקבות שינויים ויברציונים המתרחשים בתחום זה במולקולה.
 התחום הרחוק (Far IR) הנע בין 33-400cm-1. תחום זה משמש בעיקר עבור מידע מבני לגבי מולקולות אי-אורגניות והוא תחום ה-IR שהמחקרים לגביו פחותים ביחס לשני התחומים האחרים.

האלקטרונים המשתתפים בקשר הקוולנטי שבין שני אטומים עולים לרמה אנרגטית גבוהה יותר כאשר הם בולעים קרינה. קרינת IR היא קרינה בעלת שיעור אנרגיה העשוי להוביל לוויברציות בקשר הקוולנטי ובמידת האפשר גם לרוטציות של המולקולה (הדבר אפשרי כאשר מדידת הIR מבוצעת בפאזה גזית או נוזלית). את הקשר הקוולנטי בין שני אטומים ניתן לדמות לקפיץ ואת הויברציות המתרחשות בקשר לאחר הבליעה אפשר לדמות למתיחה ושחרור של הקפיץ.

קשר כימי בין שני אטומים במולקולה עשוי להתנודד בתדירות שונה, התלויה בקירוב ראשוני באטומים שביניהם הקשר מתנודד ובחוזק הקשר בלבד. לפיכך, ההנחה שעומדת במרכזה של שיטה זו היא שקשר כימי בין שני אטומים יתנודד בצורה זהה ללא תלות במולקולה שבה נמצאים אטומים אלו או בסביבתם. הנחה זו מובילה לכך ששיטת ה-IR נחשבת לשיטה קלה ומהירה לזיהוי של קבוצות כימיות בדגימה הנבדקת.

לא כל קשר במולקולה יכול לבלוע קרינת IR. הדבר תלוי במסות של האטומים המשתתפים בקשר הקוולנטי, בחוזק הקשר ובגאומטריה של המולקולה. על מנת שתתרחש בליעה הקשר צריך להיות בעל מומנט דיפול (התלוי במטען ובמרחק בין האטומים). לפיכך למולקולות הומואטומיות (מולקולות הבנויות מאטומים זהים) כגון O2, N2, H2 לא יבלעו קרינת IR כיוון שאינן מכילות קשר בעל מומנט דיפול. למולקולות בעלות 3 אטומים יכול להיות מומנט דיפול, אך הדבר תלוי בגאומטריה של במולקולה. מולקולת הפחמן דו-חמצני למשל (CO2) היא מולקולה בעלת מבנה קווי, כך שלמרות שלקשר C=O יש מומנט דיפול, הוא מתבטל בגלל המבנה הסימטרי של המולקולה. לעומת זאת למולקולת המים (H2O) יש מבנה זוויתי, ושני קשרי O-H אינם מבטלים את הדיפול האחד של השני ולמולקולת המים יש מומנט דיפול נטו, ולפיכך בליעה משמעותית בתחום ה-IR.

ב-FTIR מקרינים על הדגימה קרינה בעלת אורכי גל רבים בו זמנית (אור פוליכרומטי), ומודדים כמה מהקרינה נבלע על ידי הדגימה. לאחר מכן, מקרינים אור עם אורכי גל שונים מהמדידה הראשונה, וכך מושג עוד מידע. חוזרים על התהליך פעמים רבות. בסוף, מחשב מעבד את כל המידע ומסיק מה הייתה הבליעה בכל אורך גל. עיבוד המידע הדרוש הוא אלגוריתם נפוץ הקרוי טרנספורמציית פורייה ולכן שם השיטה. לעיתים המידע הגולמי קרוי "אינטרפרוגרמה" (באנגלית "interferogram"). צירי "אינטרפרוגרמה" הם ביחידות אורך. מכיוון שנעשית עליה טרנספורמציית פורייה, המידע שמתקבל אחרי הטרנספורמציה הוא מספר גל והיחידות שלו הן הופכיות לאורך - לדוגמה אחד חלקי סנטימטר.

לאחרונה נעשה שימוש במכשיר ה-FTIR לזיהוי מינרלים שונים בתוך דגימה של משקע מאתר ארכאולוגי. אמצעי זה, בנוסף לרבים אחרים, הכניס ממד של מדע מדויק לארכאולוגיה.

יתרונות:
 מאפשר זיהוי של מולקולות מאחר שהספקטרום של כל מולקולה אינו תלוי בסביבתה.
 מאפשר אנליזה כמותית
 שיטה לא הרסנית (אין צורך לשנות מאום במבנה המולקולה לצורך הבדיקה (כמו :גיבוש, המסה, שינוי בטמפרטורה וכו').
חסרונות:
 לא ניתן לזהות מולקולות סימטריות (כמו מימן וחמצן)
 רגישות לא גבוהה.
 פענוח מסובך שזהו הקושי המרכזי בשיטה זו.

קישורים חיצוניים

כימיה אנליטית
ספקטרוסקופיה
מכשירי מדידה