FTIR הן ראשי תיבות של Fourier Transform Infrared Spectroscopy. השיטה משמשת לאפיון של תרכובות כימיות עפ"י ספקטרום הבליעה שלהן בתחום גלי האינפרא-אדום (750 ננומטר עד מילימטר), הממוקם בספקטרום האלקטרומגנטי בין המיקרוגל לבין האור הנראה. במולקולה הבולעת אור בתחום זה מתרחשות ויברציות – תנודות של האטומים מסביב לנקודת שיווי משקל קבועה (לשם השוואה, בתחום המיקרוגל מתרחשות רוטציות – סיבובים של המולקולה כולה ללא מתיחה של הקשרים, תנועה הדורשת פחות אנרגיה, ובתחום הנראה עד האולטרה-סגול מתרחשים מעברים אלקטרוניים, שכתוצאה מהם יכול למשל להיחלש קשר ספציפי במולקולה, אפילו עד כדי שבירתו – תהליך הדורש יותר אנרגיה). המטרה במדידת ספקטרום בליעה מכל סוג שהוא היא לבדוק אילו אורכי גל בולעת דוגמת החומר הנבדק מתוך אור שמועבר דרכה. אורכי הגל שנבלעו מתאימים לאופני הויברציה (vibrational modes) הייחודיים הקיימים במולקולה, ואילו שאר האור עובר בלי להיבלע (החומר שקוף אליו). לכן צורת הספקטרום שמתקבלת מהווה טביעת אצבעות לחומר ומאפשרת זיהוי חד משמעי שלו.
הטכנולוגיה הישנה למדידת ספקטרום בליעה בתחום האינפרא-אדום השתמשה במכשירים דיספרסיביים (מהמילה דיספרסיה, פיזור). בעזרת פריזמה או סריג, הופרד האור ממקור האור האינפרא-אדום לתדירויות בודדות, כך שקרני אור מונוכרומטיות (בעלות צבע אחד) נשלחו אל עבר הדוגמא. הגלאי (דטקטור) מדד את עצמת האור שנבלעה עבור כל תדירות בנפרד. התקבל ספקטרום, שהוא גרף של עצמת האור כפונקציה של אורך גל. החיסרון הגדול בשיטה זו היה איטיות תהליך הסריקה, ונוצר צורך במדידת כל התדירויות באופן סימולטני.
השיטה החדשה, FTIR, משתמשת במכשיר הנקרא אינטרפרומטר. הסיגנל שמייצר האינטרפרומטר מחביא בתוכו את כל אורכי הגל ויש לפענח אותו כדי לקבל ספקטרום כפי שתואר לעיל. הדבר נעשה באמצעות טכניקה מתמטית הנקראת התמרת פורייה. היתרון הגדול של השיטה הוא שהסיגנל מתקבל במהירות גבוהה – שניות ספורות במקום דקות.
אינטרפרומטר טיפוסי (הרווח ביותר הוא אינטרפרומטר מייקלסון) מכיל מפצל קרניים, אשר מפצל את הקרן הנשלחת לעבר הדוגמא לשתיים. קרן אחת מוחזרת ממראה הקבועה במקומה. הקרן השנייה מוחזרת ממראה אשר חופשייה לנוע מרחק קצר (כמה מילימטרים) ממקומה. שתי הקרניים מתחברות כאשר הן נפגשות מחדש במפצל הקרניים, וממשיכות לנוע לעבר הדוגמא. בסופו של דבר הקרן מתפקסת מחדש על הגלאי.
מבנה סכימטי של מכשיר ה- FTIR
הסיגנל (הנקרא גם אינטרפרוגרמה) מתקבל משינוי מיקומה של המראה השנייה ובכך שינוי במרחק שעוברת הקרן השנייה. בנוכחות הדוגמא נבלע אור בחלק מאורכי הגל (בהתאם לזהותו של החומר הנבדק) וכתוצאה מכך יורדת עצמת האור המתקבלת בגלאי. התמרת פורייה, המתבצעת במחשב המהווה חלק מהמערכת הניסיונית, הופכת את הסיגנל לספקטרום של עצמת אור כפונקציה של אורך הגל (במקום עצמה כפונקציה של הבדל המרחק).
נדגים עבור אור בעל אורך גל אחד (רכיב אחד): כאשר שתי הקרניים עוברות את אותה דרך, הן עוברות התאבכות בונה מלאה ומקבלים מקסימום. כאשר הפרש המרחקים הוא חצי אורך גל, ההתאבכות היא הורסת ומקבלים מינימום, וכאשר הפרש המרחקים הוא אורך גל שלם, מקבלים שוב מקסימום. התוצאה המתקבלת היא גל סינוס, שיש לו תדירות אחת מדויקת. התמרת פורייה תגלה מהי (בשפה מתמטית יותר, התמרת פורייה של גל סינוס היא פונקצית דלתא, שהיא פונקציה השווה ל-1 בתדירות האחת הזאת, ו-0 בכל שאר המרחב). בנוכחות אורכי גל רבים לא נקבל כמובן סינוס פשוט אלא סכום של סינוסים רבים ולכן המבנה נראה מורכב. תפקידה של התמרת הפורייה היא לומר אילו סינוסים יש בסיגנל (אילו תדירויות) – וזהו הספקטרום הסופי.
.png)
דוגמאות פשוטות לאינטרפרוגרמות (ימין) והתמרות פורייה שלהן (שמאל). ציור עליון – תדירות אחת, ציור אמצעי – שתי תדירויות, ציור תחתון – תדירויות רבות, כך שהספקטרום נראה רציף
מאת: נעה זמשטיין
המחלקה לפיזיקה כימית
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
