رتبها

في تطبيقات علم الكيمياء، تحوز التقنيات الكيميائية التحليلية على أهمية، فاقت العديد من التقنيات العلمية الأخرى، لذا من المهم جدًا على مختصي الكيمياء وطلابها السعي في اكتساب المعرفة الكافية بهذه التقنيات نظريًا وعمليًا. فلكل تقنية نظرية وتطبيق واستخدامات مغايرة عن التقنيات الأخرى👍🏻

هنا في مبادرة كيم 🧪
نأتيكم بسلسلة من الثريدات الثرية، التي تهدف الى التعريف بأبرز التقنيات الكيميائية التحليلية، وأجزائها وآلية عملها، وتطبيقاتها ومبادئ تفسير نتائج التحاليل، ومراجع ومصادر مهمة عن هذه التقنيات
وذلك بشكل أسبوعي كل ثلاثاء🤍🤍.

كما وعدناكم وعودناكم، تبدأ اليوم سلسلة ثريدات التقنيات الكيميائية بأول مواضيعها بعنوان UV-Vis spectrometer ✨✨

يعتبر مطياف الأشعة المرئية وفوق البنفسجية UV-Vis spectrometer أحد أبرز تقنيات التحليل ومن الأكثر شيوعًا، حيث لم تقتصر تطبيقاته على المختبرات الكيميائية فقط، بل امتدت الى العديد من التخصصات العلمية والصحية، في هذا الثريد نسلط الضوء على هذه التقنية بطريقة جاذبة ومفيدة.

في البداية من المهم جدًا التحدث عن مبدأ أجهزة التحليل الطيفي، ونقصد بالتقنيات الطيفية، تلك التي تعتمد في آلية تحليلها على الاشعة الكهرومغناطيسية، حيث من الجدير ذكره أنه كما يتأثر جسم الأنسان بالضوء، فأن المواد الكيميائية كذلك تتأثر بالضوء، علمًا بأن الضوء نوع من انواع الاشعاع.

دلالة على ذلك نشاهد في حياتنا اليومية العديد من الأدوية او المواد الكيميائية التي يجب أن تحفظ في عبوات معتمة، أو بعيدًا عن الضوء، ولكن باختلاف الأشعة الكهرومغناطيسية وباختلاف تركيب المادة الكيميائية يختلف التأثير الواقع، ولكن مجملًا يوجد هناك تأثير.

ومن باب استغلال التأثير الناتج من التعامل بين المواد الكيميائية والاشعاع الكهرومغناطيسي، ابتكر العلماء التقنيات الطيفية، ومن الأمثلة المهمة في الكيمياء وأبرزها من الإشعاع الكهرومغناطيسي هي: الضوء المرئي (Visible light)، الأشعة فوق البنفسجية (UV)، الأشعة تحت الحمراء (IR) وغيرها.

يوجد أنواع عديدة من الأشعة تقع ضمن الأشعة الكهرومغناطيسية، حيث يقع نطاق أشعة الـ UV ما بين 200 - 400 نانومتر والأشعة الـمرئية ما بين 400 الى 700 نانومتر. (والنانو متر هي وحدة الطول الموجي ويرمز له بـ λ تنطق لامدا ويمكن تحويل الطول الموجي من nm الى وحدات طولية أخرى مثل cm وµm ).

إذا ماهي تطبيقات مطياف UV-Vis؟
مثل العديد من التقنيات التحليلية مطياف UV-Vis له القدرة على تحليل المواد كميًا (تقدير التركيز) Quantitative، ونوعيًا (التعرف على نوع المادة) Qualitative، ومن أبرز تطبيقاته هي تقدير وكشف المعادن والمركبات العضوية وغير العضوية في المحاليل غالبًا.

وتتكون معظم الأجهزة الطيفية مثل مطياف UV/Vis و FT-IR و Raman، من خمس أجزاء رئيسية هي:
1- مصدر الضوء (المصباح).
2- مسار الضوء (العدسات / المنشور).
3- العينة.
4- الكاشف (المقدر / المطياف).
5- القارئ (الحاسوب).

ويبدأ التحليل بانطلاق الضوء من المصباح (Light Source)، ثم تنقية وتركيز الضوء والتحكم بنوعية الضوء من خلال ادوات مسار الضوء (Light path)، (الهدف من مسار الضوء هو معالجة الضوء بهدف إيصال النوع المراد من الضوء الى العينة) ثم مرور الضوء من خلال العينة الى الكاشف او المقدر Detector.

ولكن كيف تتم عملية التقدير؟
يعتمد مبدأ التقدير بشكل رئيسي على "قياس شدة الضوء الساقط على المقدر (بعد الامتصاص). وللتوضيح بعد وصول الضوء الى العينة، تمتص العينة جزءًا من الضوء المار من خلالها في اتجاه المقدر، وينعكس ذلك في خفض او تقليل شدة الضوء الأصلية الصادرة من المصباح.

سيمثل الفارق بين الشدتين الامتصاص Absorbance، ويرمز له بـ (A)، وقيمة الامتصاص تتناسب مع تركيز المادة في العينة. يحول المقدر الضوء الساقط الى إشارة كهربائية، يمكن قراءتها من خلال القارئ او الحاسوب.

ومن المهم ذكره ان المواد الكيميائية انتقائية للضوء، حيث تمتص الضوء عند أطوال موجية معينة فقط، بطريقة مشابهة لبصمة الأصبع، تمثل λ max، مفادها: الطول الموجي الذي يحدث عنده أعلى نسبة امتصاص من الضوء من المادة، ويمكن التعرف على المادة (نوعيًا) من خلال الحصول على قيمة لامدا ماكس.

إذا ماهو التحليل النوعي و الكمي؟
يهدف التحليل النوعي الى التعرف على المواد المجهولة، وذلك عن طريق مسح العينة بمدى متواصل من الطيف (Scanning)، يقوم المطياف بإطلاق الضوء على العينة، مثلًا من 300 وحتى 800 نانومتر، لمعرفة الطول الموجي الذي يحدث عنده أعلى قدر من الامتصاص (λ max).

وبمجرد الحصول على قيمة الطول الموجي الذي يحصل عنده أعلى امتصاص، يمكن معرفة نوع المادة من خلال الرجوع الى المراجع العلمية الموثوقة، والبحث عن المادة التي تمتلك نفس الطول الموجي للامتصاص.

في التحليل الكمي Quantitativeمن المهم جدًا معرفة نوع المادة واعلى امتصاص لها λ max (يمكن ايجادها في المراجع بمعرفة اسم المادة او صيغتها او عمل التحليل النوعي)، عادةً بعد الحصول على قيمة الامتصاصية وإعداد الجهاز يتم البدء في تحليل العينات، حيث ستظهر نتائج التحليل كقيم امتصاص (A).

ولكن هل تعبر قيم الامتصاص عن تركيز المادة؟
الإجابة هي لا، لمعرفة تراكيز العينة يجب تطبيق قانون بير لامبرت المتمثل في المعادلة:
A =ε cl → C=A/εl
حيث ε تمثل معامل الامتصاص المولي وهو ثابت لكل مادة يوجد في المراجع.
وتمثل l طول خلية العينة (في المعظم = 1 سم).
تمثل c التركيز.

في الختام
1- يوجد العديد من الاختلافات بين التقنيات الطيفية، ولكن جميعها يتبع نفس المبدأ.
2- قبل البدء بالتحليل تتطلب معظم التقنيات القيام بإعداد الجهاز للتحليل مثل المعايرة والتصفير وتقدير الخلفية.
3- يأتي مطياف UV-Vis بتصاميم متعددة وقدرات مختلفة حسب الحاجة والتطبيق.

مقطع مبسط يوضح آلية القيام بالتحليل عمليًا:
youtube.com

تقييمكم للثريد يشجعنا لبذل المزيد بأفضل صورة ممكنة، هل إستفدت من الثريد؟

من أجهزة التحليل الطيفي ذات الأهمية البالغة جدًا في #التقنيات_الكيميائية "مطياف الامتصاص الذري" (Atomic Absorption Spectrometer AAS)، في هذا الثريد نسلط الضوء على هذه التقنية الطيفية المهمة بأسلوب ممتع ومعلومات مثرية ومهم لكل الكيميائيين.
"فضل الثريد ممكن يفيدك مستقبلًا"

أولاً ماهي أهم المعلومات التي يجب معرفتها عن مطياف AAS؟
بدءًا، يستخدم جهاز AAS بشكل رئيسي في تحليل المواد كميًا Quantitative (معرفة التركيز) في المحاليل، وذلك بناءً على الامتصاص الانتقائي للمواد (امتصاص اطوال موجية محددة) للأشعة الكهرومغناطيسية، حيث يستخدم مصدر ضوئي خاص بكل عنصر.

كذلك، يختص مطياف الامتصاص الذري كما يتضح من نهاية اسمه "الذري" بتحليل الذرات (التحليل العنصري Elemental Analysis)، حيث ترتكز تطبيقاته في المختبرات البحثية او مختبرات الجودة، على تقدير تراكيز العناصر والمعادن في العينات المختلفة مثل عينات الماء، والأغذية، والتربة، وغيرها.

كذلك على النظير من الأجهزة الطيفية الأخرى يتكون من خمس أجزاء رئيسية هي:
- مصدر الضوء (المصباح).
2- مسار الضوء (العدسات / المنشور).
3- حامل العينة.
4- الكاشف (المقدر / المطياف).
5- القارئ (الحاسوب).

ولكن يوجد العديد من الإضافات الجوهرية والاختلافات التي تميز بها مطياف الامتصاص الذري، ومن الجدير بالذكر انه لا يمكن تحليل المركبات في AAS كما هي، لذلك يلزم تفكيك هذه المركبات الى ذرات منفصلة (أيونات).
إذا ماهي آلية عمل الجهاز؟

مثل بقية التقنيات الطيفية الأخرى، يعتمد AAS على الأشعة الكهرومغناطيسية الصادرة من مصدر الإشعاع/ مصدر الضوء (Lights source)، ولكن يتم استخدام مصدر ضوء خاص بكل عنصر مراد قياس، بما معناه عند الرغبة في قياس عنصر الصوديوم في عينةً ما يتم استخدام مصباح عنصر الصوديوم وهلم جرا.

بنفس طريقة التحليل في التقنيات الطيفية الأخرى، يعتمد AAS على قياس فرق شدة الأشعة الساقطة على المقدر (بعد امتصاصها من قبل العينة) والأشعة الصادرة من مصدر الضوء (قبل الامتصاص). كما ذكرنا سابقًا الجهاز ليس له القدرة على تحليل المركبات ويلزم تفكيكها، فكيف يتم تفكيك المركبات الى ذرات؟

يتم تفكيك المركبات الى ذرات لتحليلها، من خلال عملية تسمى بالتذرير (Atomization)، يتم فيها تحويل المركبات الى ← ذرات بخطوتين رئيسية هي:
1- ترذيذ العينة من خلال المرذاذ Nebulizer)).
2- تفكيكها من خلال اللهب (Flame).

وتتم عملية التفكيك فيما يسمى بـ المذرر (Atomizer)، وتحدث فيه عملية التذرير كما يمثل خلية/حامل العينة في جهاز AAS، وفيه تكون العينة (الذرات المفككة) متطايرة في داخل اللهب، ويعبر الضوء من خلال اللهب متجهًا الى المقدر، ويكون مسار الضوء هنا بعد العينة على العكس من مطياف UV-VIS.

تتمحور مهمة مسار الضوء في منع التداخلات الطيفية، بمنع مرور الاطوال الموجية الأخرى بحيث يمر الطول الموجي الموافق للعنصر فقط. بعد وصول الضوء الى المقدر، يقوم الجهاز بقياس الفارق بين الضوء الصادر والممتص بناءً على معايرة الجهاز، (كمية الضوء الممتص تتناسب مع تركيز العنصر في العينة).

أبرز المكونات؟
بالنسبة لأبرز الإضافات في مطياف الامتصاص الذري، هي:
1- موقد اللهب ويرتبط بغرفة لخلط كلًا من الوقود (غاز الأسيتيلين غالبًا) مع غاز الاوكسجين او الهواء (غاز مؤكسد لتحقيق مثلث النار)، مع رذاذ العينة. (يوجد في غرفة الخلط مصرف للقطرات الكبيرة التي لم تترذذ من العينة).

2- مدخل العينة الذي يرتبط كذلك بغرفة الخلط.
3- مصرف الغازات (يقع فوق اللهب مباشرة، لشفط الغازات والمواد الناتجة من عملية التحليل).
ولمطياف الامتصاص الذري القدرة على تقدير التراكيز الضئيلة جدًا مثل الـ PPM جزء من المليون، PPT جزء من التريليون.

خطوات اجراء التحليل بعد تجهيز العينة تتمثل بشكل رئيسي في (موجزة):
1- تشغيل الجهاز.
2- التأكد من عمل مصرف الغازات.
3- اختيار مصدر الضوء المناسب.
4- تصفير او معايرة الجهاز.
5- وضع الانبوب في كأس او دورق العينة لبدء عملية التحليل.

6- فتح مصدر الوقود والغاز لإشعال اللهب.
7- إطلاق عملية التحليل من خلال الحاسوب.
8- اغلاق صمام الغاز والوقود بعد انتهاء التحليل.
وقد تختلف الخطوات حسب حداثة الجهاز او الشركة المصنعة، ولكن تتشارك في السابق.
ولكن كيف تظهر نتائج التحليل؟

تظهر نتائج التحليل كذلك كنتائج امتصاص Absorbance، ولمعرفة تراكيز العينة يجب تطبيق قانون بير لامبرت المتمثل في المعادلة:
A =ε cl → C=A/εl
حيث ε تمثل معامل الامتصاص المولي وهو ثابت لكل مادة يوجد في المراجع.
وتمثل l طول خلية العينة (في المعظم = 1 سم).
تمثل c التركيز.

في الختام
1- يوجد العديد من الاختلافات بين التقنيات الطيفية، ولكن جميعها يتبع نفس المبدأ.
2- قبل البدء بالتحليل تتطلب معظم التقنيات القيام بإعداد الجهاز للتحليل مثل المعايرة والتصفير وتقدير الخلفية.
مقطع مبسط يوضح آلية القيام بالتحليل عمليًا:
youtu.be

لقد مرت 25 عامًا منذ أن بدأ استخدام مقاييس الطيف الضوئي للانبعاثات الضوئية (ICP-OES) على نطاق واسع، وهي الآن واحدة من أكثر الطرق تنوعًا في التحليل غير العضوي.

يعد مطياف الانبعاث البصري للبلازما المقترن حثيًا (ICP-OES)، والذي يشار إليه أحيانًا باسم مطيافية الانبعاث الذري ICP، هو الأسلوب المفضل للعديد من التطبيقات التي تتطلب تحليل عينة لمحتواها العنصري.

تشمل العينات النموذجية تلك الموجودة في المجالات البيئية والمعدنية والجيولوجية والبتروكيماوية والصيدلانية والمواد وسلامة الأغذية.

تشمل مزايا استخدام ICP-OES على تقنيات التحليل العنصري الأخرى مثل مطياف كتلة البلازما المقترن بالحث (ICP-MS) أو مطياف الامتصاص الذري (AAS) نطاقها الديناميكي الخطي الواسع، وسرعة التحليل التي يمكن تتحقق.

كما يتضح من اسمه، فإن مطيافية الانبعاث البصري للبلازما المقترنة بالحث (ICP-OES أو ICP-AES) هي تقنية تستخدم البلازما كمصدر وتعتمد على الانبعاث البصري للتحليل.

ومع ذلك، على عكس العديد من أجهزة قياس الطيف الأخرى، لا يتم وضع العينة ببساطة بين المصدر والكاشف. يستخدم ICP-OES بشكل أساسي في العينات السائلة، والتي تحتاج أولاً إلى تحويلها إلى رذاذ ("إرذاذ") ثم حقنها في البلازما.

يمكن تحليل العينات الصلبة مباشرة في حالة توفر وسيلة للتبخير، على سبيل المثال، الاستئصال بالليزر (LA-ICP-OES) أو التبخير الكهروحراري (ETV). تكفي درجات الحرارة المرتفعة في البلازما لتقسيم العينة إلى ذرات وتوفير الطاقة للتأين والإثارة.

يتكون ICP-OES من أربعة مكونات أساسية: نظام إدخال العينة، ومصدر الإثارة (البلازما)، ومقياس الطيف (لاختيار الطول الموجي) ، والكاشف.

مبدأ عمل الجهاز:
يعد ICP، وهو اختصار لـ "البلازما المقترنة بالحث"، إحدى طرق قياس طيف الانبعاث البصري. عندما يتم إعطاء طاقة البلازما لعينة التحليل من الخارج، فإن العناصر المكونة (الذرات) تكون مثارة.

عندما تعود الذرات المثارة إلى وضع الطاقة المنخفض، يتم إطلاق أشعة الانبعاث (أشعة الطيف)، ويتم قياس أشعة الانبعاث التي تتوافق مع طول موجة الفوتون.

يتم تحديد نوع العنصر بناءً على موضع أشعة الفوتون، ويتم تحديد محتوى كل عنصر بناءً على شدة الأشعة.

لتوليد البلازما، أولاً، يتم توفير غاز الأرجون لملف الشعلة، ويتم تطبيق تيار كهربائي عالي التردد على ملف العمل عند طرف أنبوب الشعلة.

باستخدام المجال الكهرومغناطيسي الذي تم إنشاؤه في أنبوب الشعلة بواسطة تيار عالي التردد، يتأين غاز الأرجون وتتولد البلازما.

تتميز هذه البلازما بكثافة إلكترون عالية ودرجة حرارة (10000 كلفن)❗️وتستخدم هذه الطاقة في انبعاث الإثارة للعينة. يتم إدخال عينات المحلول في البلازما في حالة ذرية من خلال الأنبوب الضيق في وسط أنبوب الشعلة.

مزايا الاستخدام بالنسبة لمقاييس طيف الامتصاص الذري المستخدمة لأغراض مماثلة:
١-إمكانية التحليل المتزامن والمتسلسل لعناصر متعددة
٢-قلة التداخل الكيميائي أو تداخل التأين
٣-حساسية عالية (الحد الأدنى للكشف عن غالبية العناصر هو 10 جزء في المليون أو أقل).

٤-عدد كبير من العناصر القابلة للقياس - يمكن بسهولة تحليل العناصر التي يصعب تحليلها في مطياف الامتصاص الذري مثل Zr وTa
٥-مستقر
غالبية الميزات المذكورة أعلاه مستمدة من هيكل وخصائص بلازما مصدر الضوء.

التطبيقات:
1-يستخدم ICP-OES لضمان جودة المواد الخام وكذلك المنتج النهائي.
2-تستخدم البتروكيماويات أيضًا ICP-OES، لتكرير البترول وإنتاج زيوت التشحيم

3-يستخدم أيضًا لبعض التطبيقات مثل معادن التآكل في تحليل الزيت التي تسمح بإجراء الصيانة الوقائية للمحركات (شاحنات التعدين والطائرات).

فيديو لشرح التقنية: youtu.be

مقياس الطيف الكتلي للبلازما المقترن بالحث (ICP-MS) هو أسلوب تحليلي يمكن استخدامه لقياس العناصر عند مستويات التتبع في السوائل البيولوجية.

على الرغم من أن التقنيات القديمة مثل الامتصاص الذري والانبعاثات الذرية لا تزال قيد الاستخدام من قبل بعض المختبرات، فقد كان هناك تحول بطيء نحو ICP-MS، خاصة في العقد الماضي.

نظرًا لأنه من المرجح أن يستمر هذا التحول، يجب أن يكون العلماء السريريون على دراية بالجوانب التحليلية لـ ICP-MS، بالإضافة إلى إمكانية التداخل الطيفي وغير الطيفي، والاستراتيجيات التي يمكن استخدامها للقضاء على هذه المشكلات أو تخفيفها.

يجب أن نعرف أن هذا الجهاز كاشف ومخصص لكشف العناصر بالحالة المتأينة وليس بالحالة العادية لذلك هناك جزأين من الجهاز جزأ يعمل على تجهيز العينة لتكون بحالة تأين، وجزء يكشف عن العنصر الموجود بالعينة بناء على كتلته.

شكل وآلية عمل الجهاز:
كما هو مبين في الشكل، يتكون ICP-MS من:
مصدر أيوني (ICP)، وواجهة أخذ عينات، وعدسة أيونية، ومقياس طيف ضوئي جماعي وكاشف.

مصدر الأيونات، ICP هو مصدر تأين مثالي لقياس الطيف الكتلي، ويمكن أن يؤين أكثر من 90٪ من العديد من العناصر. البلازما هي في الأساس غاز مؤين، يتكون من أيونات موجبة الشحنة وإلكترونات حرة (غير مرتبطة).

يتمثل دور البلازما (ICP) في ICP-MS في تأين العينة. على عكس مصادر التأين المستخدمة في أشكال أخرى من قياس الطيف الكتلي (مثل الرذاذ الكهربائي) والتي تنقل طاقة قليلة نسبيًا إلى المادة التحليلية.

تستخدم أدوات ICP-MS بلازما الأرجون على الرغم من وجود العديد من المزايا لاستخدام الهليوم، يفضل الأرجون لأن تكلفة الهيليوم باهظة.

تتكون وحدة واجهة أخذ العينات من مخروطين معدنيين، مخروط أخذ العينات (نصف قطر الفتحة حوالي 0.5 إلى 1 مم) ومخروط الكاشطة (نصف قطر الفتحة حوالي 0.5 إلى 1 مم).

يعد تحضير العينة لبرنامج ICP-MS بسيطًا نسبيًا:
عادة ما يتم تخفيف العينات البيولوجية أو هضمها حرارياً قبل التحليل. تشتمل المواد المخففة الشائعة على الأحماض المخففة (مثل حمض النيتريك وحمض الهيدروكلوريك) أو القلويات (مثل هيدروكسيد الأمونيوم ورباعي ميثيل الأمونيوم هيدروكسيد).

وتم استخدام الماء منزوع الأيونات كمخفف، ومع ذلك فإن بعض العناصر غير مستقرة في الماء النقي، ولكن ليست كل العناصر قابلة للذوبان عند درجة الحموضة القلوية، لذلك غالبًا ما يتم دمج عامل مخلبي مثل EDTA في مواد مخففة قلوية.

يتم أيضًا إضافة المواد الخافضة للتوتر السطحي مثل Triton- X100 بشكل شائع للمساعدة في إذابة وتشتيت البروتينات الدهنية والغشائية في العينة.

يتقارب مسار الأيونات التي يتم سحبها من خلال مخروط أخذ العينات ومخروط الكاشطة في مقياس الطيف الضوئي الكتلي من خلال العدسة الأيونية.

الكاشف:
يتم الكشف عن الأيونات المصنفة حسب الكتلة باستخدام مقياس الطيف الضوئي الكتلي بواسطة كاشف الأيونات وهذا ما يمكننا استنباطه من اسم الجهاز حيث ان الكاشف هو (MS مقياس الكتلة).

مميزات جهاز ICP-MS:
1-تحليل عالي الحساسية العالية
2-إمكانية التحليل المتزامن متعدد العناصر
3-يمكن تحديد الجودة والكمية بسرعة.
4-نطاق ديناميكي عريض مع 8 أرقام
5-مقارنة النظائر الممكنة.

تكون الميزة الأكثر أهمية لبرنامج ICP-MS هي قدرته على تعدد العناصر، والتي تسمح بقياس عناصر متعددة في وقت واحد في تحليل واحد!.

هذا على عكس الامتصاص الذري لفرن اللهب والجرافيت حيث يكون المصباح محددًا لعدد محدود من العناصر، لذلك يمكن قياس عنصر واحد (أو عدد قليل) في المرة الواحدة. إلى جانب وقت التحليل القصير والتحضير البسيط للعينة.

استخداماته:
أحد أكبر استخدامات ICP-MS هو في المجال الطبي والطب الشرعي، على وجه التحديد، علم السموم. وحتى أمراض الكبد.

الاستخدام الأساسي الآخر لهذه الأداة يكمن في المجال البيئي تشمل هذه التطبيقات اختبار المياه للبلديات أو الأفراد على طول الطريق إلى التربة والمياه وتحليل المواد الأخرى للأغراض الصناعية.

شرح مختصر للتقنية وطريقة العمل :
bing.com

bing.com/videos/search?…

تعد تقنية مطياف تحويل فورييه بالأشعة تحت الحمراء (FT-IR) من أشهر التقنيات المستخدمة في المجالات العلمية المختلفة مثل الصيدلة، الصناعة، الأطعمة، والمجالات البيئية وغيرها لتحليل المواد الكيميائية في العينات.

سنقوم في هذا الثريد بإثراء معلوماتنا أكثر عن هذه التقنية المثيرة والمهمة للكيميائيين.

لكي نُكَوِّن معرفة متكاملة عن هذه التقنية يجب أن نعرف أولاً ماذا نعني بالمطياف؟ المطياف هو علم يدرس تفاعل وتأثير الأشعة على جزيئات وذرات المادة.

وتعتبر مطيافية الأشعة تحت الحمراء أحد فروع علوم المطياف الذي يتعامل مع المنطقة الأشعة تحت الحمراء ويقع نطاق طوله الموجي ما بين 800 نانومتر و 1 مليمتر.

ومن أبرز استخدامات هذا النوع من المطياف هو تحليل المركبات الكيميائية وتحديد المجموعات الوظيفية. ولكن كيف تساعدنا هذه الأشعة على تحليل وتحديد هذه المركبات؟

قبل ان نتطرق لكيفية عمل الجهاز دعنا نتعرف على أساس عمل مطياف الأشعة تحت الحمراء؛ نعرف جميعاً أن أي مركب كيميائي مكون من ذرات مرتبطة ببعض عن طريق روابط. عندما تتعرض هذه الروابط إلى أشعة تحت حمراء فأنها تتأثر ويحصل لها تمدد.

ما يميز هذه الروابط هو أن لكل رابطة ثابت قوة تمدد يميزها عن غيرها. على سبيل المثال: التردد اللازم لتمدد روابط مجموعة الألكين مختلفة عن تردد الألكان.

لذلك عند تسليط الأشعة على العينة يقوم الجهاز بقياس التردد الذي تسبب في تمدد الرابطة ومن خلالها يتم تحديد أنواع الروابط فبالتالي يتم تحديد المجموعات الوظيفية في العينة.

ينقسم نطاق الأشعة تحت الحمراء إلى ثلاثة اقسام:
1-قريب من الأشعة تحت الحمراء ((Near Infrared
2-منتصف الأشعة تحت الحمراء ((Mid infrared غالبًا يستخدم هذا النطاق للمركبات العضوية
3-بعيد من الأشعة تحت الحمراء ((Far Infrared غالبًا يستخدم هذا النطاق للمركبات غير العضوية

يتكون جهاز FT-IR من:
1-مصدر الأشعة تحت الحمراء
2-فاصل الاشعة (Beam splitter)
3-مرآة الثابتة (Fixed Mirror)
4-مرآة متحركة (Movable Mirror)
5-كاشف (Detector)

تمر حزمة الأشعة عبر فاصل الأشعة الذي يقوم بتقسيم الشعاع الساقط إلى حزمتين. تنتقل الحزمتين الى المرآة الثابتة والمتحركة والتي بدورها تقوم بعكس الأشعة لكي تمر عبر خلية العينة والكاشف.

كيف يمكن للكيميائي أن يحصل على المعلومات من الجهاز؟ بعد أن تتم عملية التحليل يقوم الكاشف بإرسال المعلومات إلى جهاز الحاسوب لإعطاء طيف الأشعة تحت الحمراء وهو عبارة عن رسم بياني محوره السيني يمثل النفاذية للإشعاع، ومحوره الصادي يمثل الرقم الموجي.

عندما نحصل عل المطياف للعينة حينها يمكننا أن نتعرف على المجموعات الوظيفية الموجودة في العينة. لكل مجموعة وظيفية نطاق معين يظهر فيه قمة (Peak) الخاص فيها. في الصورة التالية أمثلة على منطقة امتصاص المجموعات الوظيفية الشائعة.

كما اتضح أن لجهاز FT-IR أهمية كبيرة في مجالات متعددة لكن ما الذي يميزه؟
1- السرعة: وذلك لأنه يتم قياس جميع الترددات في وقت واحد فإن معظم القياسات FT-IR تتم في غضون ثوانٍ
2- الحساسية: الكاشفات المستخدمة في جهاز FT-IR حساسة جدًا فبالتالي تعطي نتائج أكثر دقة 3- سهولة الاستخدام.

وأخيرا، جهاز FT-IR من أهم الأجهزة في المجالات الكيميائية وغيرها. يستخدم لتحليل المواد العضوية وبعض المواد غير العضوية بشكل سريع وبدقة عالية. تعلمك وبحثك وخبرتك عن هذا الجهاز سيضيف لك الكثير في حياتك المهنية والدراسية.

وهنا بعض المصادر تمكنك من المعرفة أكثر عن جهاز FT-IR:
فيديو شرح طريقة عمل الجهاز: youtube.com
مقطع يشرح الجزء النظري للجهاز: youtube.com
مقطع يشرح الجزء العملي للجهاز:
youtube.com

يشير مصطلح NMR إلى الرنين المغناطيسي النووي. إنها تقنية طيفية تستخدم في الكيمياء التحليلية لتحديد المحتوى والنقاء والتراكيب الجزيئية الموجودة في العينة.

أساس الرنين المغناطيسي النووي هو استخدام الخصائص المغناطيسية للنواة الذرية، كما أن الرنين المغناطيسي النووي هو أحد أقوى الأدوات التي يمكن استخدامها لتحديد التركيب الجزيئي للمركبات العضوية.

هناك نوعان شائعان من الرنين المغناطيسي النووي: 1H NMR و13 C NMR.
الفرق الرئيسي بين 1H NMR و13 C NMR هو أن 1H NMR يستخدم لتحديد أنواع وعدد ذرات الهيدروجين الموجودة في الجزيء بينما يستخدم 13C NMR لتحديد نوع وعدد ذرات الكربون في الجزيء.

هناك ٥ مكونات لكل نظام NMR:
١-مغناطيس مستقر ينتج مجال مغناطيسي متجانس.
٢- جهاز إرسال التردد اللاسلكي (RF) الذي ينتج الإشعاع الكهرومغناطيسي اللازم.
٣-جهاز استقبال RF حساس للغاية يمكنه اكتشاف الإشارات الضعيفة التي تنتجها النوى الرنانة.

٤-وحدة تحكم، للتحكم في نبضات التردد اللاسلكي وتحويل الإشارات المكتشفة بواسطة جهاز الاستقبال إلى تنسيق رقمي.
٥-برنامج يمكن استخدامه لمساعدة المستخدم على تفسير البيانات التي تنتجها الأداة.

مبدأ عمل الرنين المغناطيسي النووي (NMR):
عندما يتم وضع نواة تمتلك عزم مغناطيسي (مثل نواة الهيدروجين 1H، أو نواة الكربون 13C) في مجال مغناطيسي قوي، فإنها ستبدأ في التقدم بتردد معين. هذه البادئة هي السمة الأساسية للنواة التي تسمح لنا باستخدام الرنين المغناطيسي النووي.

أساس الرنين المغناطيسي النووي:
جميع النوى الذرية مشحونة كهربائيًا (بسبب وجود البروتونات). بعض النوى الذرية لها "دوران" حول محورها. فعندما نطبق مجال مغناطيسي خارجي، يكون نقل الطاقة ممكنًا؛ مع الدوران، تنتقل النوى الذرية إلى مستوى طاقة مرتفع من مستوى طاقة أساسي.

يتوافق نقل الطاقة هذا مع تردد لاسلكي، وعندما يعود الدوران إلى مستوى الطاقة الأساسي، تنبعث هذه الطاقة بنفس تردد الإشارة. تُستخدم هذه الإشارة لإنتاج طيف الرنين المغناطيسي النووي لتلك النواة الذرية.

التحول الكيميائي:
تعطي النوى الذرية المختلفة ترددات رنين مختلفة اعتمادًا على التوزيعات الإلكترونية. تُعرف الاختلافات في ترددات NMR لنفس النوع من النوى بسبب الاختلافات في التوزيعات الإلكترونية باسم التحول الكيميائي.

:1H NMR
1H NMR هي طريقة طيفية تستخدم لتحديد أنواع وعدد ذرات الهيدروجين الموجودة في الجزيء. في هذه التقنية، يتم إذابة العينة (الجزيء / المركب) في مذيب مناسب ويتم وضعها داخل مقياس الطيف الضوئي بالرنين المغناطيسي النووي.

ثم ستعطي المعدات طيفًا يوضح بعض القمم للبروتونات الموجودة في العينة وفي المذيب أيضًا. لكن تحديد البروتونات الموجودة في العينة أمر صعب بسبب التداخل القادم من بروتونات المذيب. لذلك، يجب استخدام مذيب لا يحتوي على أي بروتونات. على سبيل المثال لا الحصر: (D2O)، CCl4.

"هنا، يتم إعطاء القمم التي قدمتها ذرات الهيدروجين المختلفة بألوان مختلفة. نطاق التحول الكيميائي لـ 1H NMR هو 0-14 جزء في المليون.

في الحصول على أطياف NMR لـ 1 H NMR، يتم استخدام طريقة الموجة المستمرة. ومع ذلك، فهذه عملية بطيئة. نظرًا لأن المذيب لا يحتوي على أي بروتونات، فإن أطياف H NMR لا تحتوي على قمم للمذيب."

13C NMR
يستخدم 13C NMR لتحديد نوع وعدد ذرات الكربون في الجزيء. هنا أيضًا، يتم إذابة العينة (الجزيء / المركب) في مذيب مناسب ويتم وضعها داخل مقياس الطيف الضوئي بالرنين المغناطيسي النووي.

ثم ستعطي المعدات أطيافًا تظهر بعض القمم للبروتونات الموجودة في العينة.
على عكس الحالة في الرنين المغناطيسي النووي 1H، يمكن استخدام السوائل المحتوية على البروتون كمذيب لأن هذه الطريقة تكتشف ذرات الكربون فقط، وليس البروتونات.

"13C NMR هي دراسة تغيرات الدوران في ذرات الكربون. نطاق التحول الكيميائي لـ 13C NMR هو 0-240 جزء في المليون. للحصول على طيف الرنين المغناطيسي النووي، يمكن استخدام طريقة تحويل فورييه. هذه عملية سريعة حيث يمكن ملاحظة ذروة المذيب."

تطبيقات التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي:
1. التفسير البنيوي: تحتوي معظم المركبات العضوية على الهيدروجين. يساعد الرنين المغناطيسي النووي على تحديد عدد ذرات الهيدروجين وأنواعها وموضعها وشخصياتها الأخرى. وبالتالي فإنه يساعد على فهم هيكل المركب.

2. الفحص الكمي للمكونات: يمكن تقدير مكون أو أكثر بدون فصل. حتى النسبة المئوية للهيدروجين في المركب، يمكن تحليل طول سلسلة البوليمرات مثل)متعدد الإيثلين)، ومحتوى الرطوبة.

3. يمكن تحديد خصائص الجزيئات مثل التماثل و الرابطة الهيدروجينية باستخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي.

فروقات:

تحليل Raman الطيفي هو أحد أساليب التحليل الطيفي الجزيئي، والذي يستخدم تفاعل الضوء مع المادة للحصول على رؤية لتكوين المادة أو خصائصها.

يُستخدم التحليل الطيفي لرامان بشكل شائع في الكيمياء لتوفير بصمة هيكلية يمكن من خلالها التعرف على الجزيئات.

يعتمد التحليل الطيفي لرامان على التشتت غير المرن للفوتونات، والمعروف باسم تشتت رامان. يتم استخدام مصدر للضوء أحادي اللون، عادةً من الليزر في النطاق المرئي.

يتفاعل ضوء الليزر مع الاهتزازات الجزيئية أو الفوتونات أو غيرها مما يؤدي إلى إزاحة طاقة فوتونات الليزر لأعلى أو لأسفل.

وسيتشتت عدد صغير من هذه الفوتونات بتردد مختلف عن الفوتون الساقط وتسمى هذه العملية بالتشتت غير المرن أو تأثير Raman، نسبة للسيد Raman الذي اكتشفها وحصل على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1930.

في تقنية النانو، يمكن استخدام مجهر رامان لتحليل الأسلاك النانوية لفهم هياكلها بشكل أفضل. وفي كيمياء الحالة الصلبة وصناعة الأدوية الحيوية، يمكن استخدام التحليل الطيفي لرامان ليس فقط لتحديد المكونات الصيدلانية، ولكن لتحديد أشكالها المتعددة ايضًا.

مكونات مطياف رامان:
هناك ثلاث مكونات أساسية لأي مطياف رامان: مصدر الإثارة، وجهاز أخذ العينات، والكاشف.

نظرًا لأن التحليل الطيفي لرامان يعتمد على القدرة على قياس التحول في الطول الموجي (أو التردد)، فمن الضروري استخدام مصدر إثارة أحادي اللون.

في حين أن الليزر هو عادةً أفضل مصدر إثارة، إلا أنه ليست كل أنواع الليزر مناسبة لتحليل Raman الطيفي، لذلك من الضروري أن يكون تردد الليزر مستقرًا للغاية.

الاعتبار الأخير عند تحديد الليزر الذي يجب استخدامه لمطياف رامان هو الطول الموجي. من الواضح أنه كلما كان الطول الموجي أقصر، زادت قوة إشارة رامان.

ومع ذلك، ليس هذا هو الاعتبار الوحيد خاصة عند التعامل مع الجزيئات العضوية. تميل معظم الجزيئات العضوية إلى التألق عندما تستثار بفوتونات ذات طاقة عالية (طول موجي قصير).

مبدأ مطيافية رامان:
المبدأ الكامن وراء التحليل الطيفي لرامان هو أن الإشعاع أحادي اللون يمر عبر العينة بحيث ينعكس الإشعاع أو يمتص أو يتشتت.

الفوتونات المبعثرة لها تردد مختلف عن الفوتون الساقط حيث تختلف خاصية الاهتزاز والدوران. ينتج عن ذلك تغير في الطول الموجي، والذي يتم دراسته في أطياف الأشعة تحت الحمراء.

كما يُعرف الفرق بين الفوتون الساقط والفوتون المتناثر باسم انزياح رامان. عندما تكون الطاقة المرتبطة بالفوتونات المبعثرة أقل من طاقة الفوتون الساقط، يُعرف الانتثار باسم تشتت ستوكس.

عندما تكون طاقة الفوتونات المبعثرة أعلى من طاقة الفوتون الساقط، يُعرف الانتثار باسم تشتت مضاد ستوكس.

أنواع مطيافية رامان:
١-مطيافية رامان بالرنين (RRS)
٢-مطيافية رامان المعززة بالسطح (SERS)
٣-مطيافية رامان الدقيقة
٤-تقنيات رامان الطيفية غير الخطية

يُستخدم تحليل Raman الطيفي في الصناعة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك ما يلي:
* عمليات البلورة.
* تفاعلات البلمرة والهدرجة.
* التركيب الكيميائي.
* التحفيز الحيوي والتحفيز الإنزيمي.
* مراقبة العمليات الحيوية.

مميزات جهاز Raman للتحليل الطيفي:
1- تحليل سريع وسهل.
2- يمكن تحليل العينات مباشرة عبر حاويات شفافة او شبه شفافة مثل البلاستيك والزجاج.
3- تتطلب تجهيز بسيط للعينة او قد لا تتطلب تجهيز.

فيديو يشرح تقنية RAMAN:
youtu.be

كما أن لكل علمٍ أب ومُكتشف، فإن أبو الكروماتوغرافيا هو عالم النبات الروسي ميخائيل (سيميونوفيتش تسويت)، الذي اخترع تقنية الكروماتوغرافيا من خلال أبحاثه على الكلوروفيل.

الكروماتوغرافيا أو الاستشراب، هي طريقة لفصل وتنقية المواد الكيميائية المختلطة. تعتمد الطريقة على أن مكونات المخلوط توزع نفسها بنسب مختلفة بين مكوني نظام ثنائي أحدهما متحرك والآخر ثابت.

سنتطرق في هذا الثريد لنوعين من الكروماتوغرافيا ونقاط الاختلاف بين التقنيتين:

الكروماتوغرافيا الغازية (GC): هي تقنية تحليلية تعتمد على فصل وتنقية الغازات والسوائل المتطايرة منخفضة الوزن الجزيئي ليصار إلى تحديد هويتها بدقة عالية.

وتعتمد آلية الفصل على التوزع الانتقائي للمركبات الموجودة ضمن الطور الحامل (الغازي)، والمتدفق ضمن طور صلب امتزازي محمول على مواد صلبة خاملة موجودة ضمن أنبوب شعري.

الكروماتوغرافيا السائلة العالية الأداء (HPLC): تشابه الكروماتوغرافيا الغازية من حيث مبدأ الفصل، ولكن تستخدم لتحديد هوية المركبات والسوائل ذات درجات الغليان المرتفعة (أي التي تملك وزن جزيئي مرتفع نسبيًا).

وتعتمد آلية الفصل على درجة التوزع للمحلول الحاوي على المركب المدروس بين الطور الحامل (السائل) والطور الثابت الموجود ضمن العمود.

ما هو مبدأ عمل الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء؟

تشمل المكونات الرئيسية في نظام HPLC:
١-خزان المذيبات.
٢-مضخة الضغط العالي
٣-العمود
٤- نظام الحاقن
٥-الكاشف

الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) هي شكل من أشكال كروماتوغرافيا العمود التي تضخ خليط عينة أو مادة تحليلية في مذيب (يُعرف بالطور المتحرك) عند ضغط عالٍ من خلال عمود به مادة تعبئة كروماتوغرافية (مرحلة ثابتة).

تُحمل العينة بواسطة تيار غاز ناقل متحرك من الهيليوم أو النيتروجين. كما أن (HPLC) لديه القدرة على فصل وتحديد المركبات الموجودة في أي عينة، والتي يمكن إذابتها في سائل بتركيزات ضئيلة تصل إلى أجزاء لكل تريليون.

أما عن مكونات ومبدأ عمل الكروماتوغرافيا الغازية!

فيتكون كروماتوغرافيا الغاز بشكل أساسي من الأجزاء التالية:
١- الغاز الحامل في أسطوانة الضغط العالي مع منظمات الضغط وعدادات التدفق
٢-نظام حقن العينة
٣-عمود الفصل
٤- الطور السائل
٥- الكاشف
٦- المسجل

ويتضمن المبدأ في كروماتوغرافيا الغاز فصل المكونات المتطايرة للعينة بين الطور الغازي المتحرك والمرحلة السائلة الثابتة.
إن قابلية ذوبان مادة ما بين الطور الغازي المتحرك والمرحلة السائلة الثابتة تعتمد على معامل التقسيم.

تظهر مكونات العينة التي تم تقسيمها إلى الطور الغازي أولاً بينما تأتي المكونات التالية لاحقًا.

أهم نقاط الاختلاف بين التقنيتين:
١-الطور الحامل: في الكروماتوغرافيا الغازية يكون عبارة عن غاز أما في الـ HPLC فيكون سائلاً لذلك فإن الأخيرة بحاجة إلى مضخة للتحكم بمدى تدفق السائل ضمن العمود.

٢-طبيعة المادة المراد تحليلها: المواد التي تستخدم في تحليلها تقنية الـ HPLC تكون عبارة عن سوائل أو مواد صلبة محلولة في سائل. أما المواد التي تستخدم تقنية الـ GC فهي عبارة عن مواد غازية أو سائلة سريعة التطاير.

٣-الكاشف:
الكاشفات القياسية المستخدمة في تقنية الـ HPLC هي كاشف الأشعة فوق البنفسجية وكاشف التألق وكاشف معامل الانكسار وكاشف الموصلية.

أما الكاشفات المستخدمة في تقنية الـ GC هي كاشف التأين باللهب، وكاشف الموصلية الحرارية، وكاشف التقاط الإلكترون، وكاشف النيتروجين والفوسفور، وكاشف قياس الضوء باللهب، وكاشف التأين الضوئي.

٤-درجة حرارة التشغيل: تختلف درجات حرارة التشغيل لكلتا الطريقتين. تُجرى تجارب الـ HPLC دائمًا في درجات حرارة قد تمتد من 40 درجة مئوية إلى 60 درجة. من ناحية أخرى، يمكن إجراء تجارب الـ GC حتى 400 درجة مئوية، حيث إن العينات لا تقاوم لدرجات الحرارة المرتفعة.

تطبيقات HPLC:
١-تحليل إضافات البوليمر (مضادات الأكسدة، ومثبتات الضوء، والمضادات الحيوية)
٢-اختبار المقايسة والنقاء والاستقرار للمكونات الصيدلانية الفعالة

٣-تحليل مثبطات اللهب في اللدائن والأقمشة
٤-اختبارات جودة وسلامة الغذاء
٥-تحليل المواد الحافظة في مستحضرات التجميل
٦-تحليل المخلفات المتفجرة

: GCتطبيقات
١-يمكن استخدام كروماتوغرافيا الغاز لتحديد هوية المنتجات العشبية.
٢-هو الأكثر ملاءمة لفصل وتحليل المركبات المتطايرة مثل؛ الزيوت الأساسية والزيوت الدهنية.

٣-يتم استخدامه في تحليل الأطعمة مثل؛ الكربوهيدرات، البروتينات، الفيتامينات، المنشطات، الأدوية ومخلفات المبيدات.
٤-يمكن استخدامه في تحليل منتجات الألبان من أجل النتانة.

للتعرف أكثر على التقنيات المذكورة أعلاه:
youtu.be

youtu.be

كروماتوغرافيا نفاذية الهلام:

هي نوع من كروماتوغرافيا استبعاد الحجم (SEC)، التي تفصل التحليلات على أساس الحجم، وهذا ما يجعلها تختلف عن تقنيات الفصل الأخرى التي تعتمد على التفاعلات الكيميائية أو الفيزيائية للفصل. غالبًا ما تستخدم هذه التقنية لتحليل البوليمرات.

ولكن من ماذا تتكون هذه التقنية وما هو مبدأ عملها؟

تتكون كروماتوغرافيا نفاذية الهلام من:
١-طور ثابت:
وهو يتألف من حبيبات هلام البوليمر ذات مسامية شبه نفاذة مع نطاق محدد جيدًا لأحجام المسام.

لهذا الطور الخصائص التالية:
أ-خامل كيميائيًا
ب-مستقر
ج- بنية مسامية مثالية ومتجانسة (حجم المسام الواسع يعطي دقة منخفضة).
د-حجم الجسيمات والمسام موحدة.

٢-طور متحرك: يتكون من سائل يستخدم في إذابة الجزيئات الحيوية لجعل
الطور المتحرك يسمح باستجابة عالية للكشف.

٣-الأعمدة

٤-مضخات، وهي إما مضخات حقن أو مضخات ترددية ذات معدل تدفق ثابت عالٍ.

٥-كاشف، وقد تكون أجهزة الكشف عبارة عن كاشفات حساسة للتركيز أو كاشف معامل الانكسار (RI).

مبدأ عمل كروماتوغرافيا نفاذية الهلام:

١-الطور الثابت المستخدم عبارة عن مصفوفة بوليمر مسامية ذات مسام
مملوءة بالكامل بالمذيب لاستخدامه كطور متحرك.

٢-يتم ضخ الجزيئات في العينة من خلال أعمدة تحتوي على مواد التعبئة الصغيرة التي يسهل اختراقها (الهلام).

أساس الفصل هو أن الجزيئات (فوق حجم معين) يتم استبعادها تمامًا من المسام، بينما تصل الجزيئات الأصغر الجزء الداخلي من المسام جزئيًا أو كليًا.

ثم سوف يتسبب تدفق الطور المتحرك في زيادة حجم الجزيئات التي تمر عبر العمود دون اختراق الهلام (المصفوفة)، في حين أن الجزيئات الأصغر ستتأخر وفقًا لتغلغلهم في الهلام.

تطبيقات كروماتوغرافيا نفاذية الهلام:
١-تجزئة البروتينات.
٢-تحديد الوزن الجزيئي.
٣-فصل السكر والبروتينات والببتيدات والمطاط وغيرها على أساس حجمها.
٤- يمكن أن تستخدم لتحديد الهيكل الرباعي لتنقية البروتينات.

مزايا كروماتوغرافيا نفاذية الهلام:
١-وقت قصير للتحليل.
٢-لا يوجد فقدان للعينة.
٣-يتطلب كمية صغيرة من الطور المتحرك.
٤- يمكن ضبط معدل التدفق.

لمعرفة أكثر حول التقنية:
youtu.be

كروماتوغرافيا التبادل الأيوني (أو الكروماتوغرافيا الأيونية) هي عملية تسمح بفصل الأيونات والجزيئات القطبية على أساس تقاربها مع المبادلات الأيونية.

وبالتالي، فإن مبدأ الفصل يكون عن طريق التبادل العكسي للأيونات بين الأيونات المستهدفة الموجودة في محلول العينة إلى الأيونات الموجودة في المبادلات الأيونية.

في هذه العملية، يمكن استخدام نوعين من المبادلات، أي المبادلات الموجبة والأنيونية.

تمتلك المبادلات الكاتيونية مجموعة سالبة الشحنة، وهذه سوف تجتذب الكاتيونات موجبة الشحنة. تسمى هذه المبادلات أيضًا بمواد "التبادل الأيوني الحمضي"، لأن شحناتها السالبة ناتجة عن تأين المجموعة الحمضية.

المبادلات الأنيونية لها مجموعات مشحونة إيجابيا تجذب الأنيونات سالبة الشحنة. وتسمى هذه أيضًا مواد "التبادل الأيوني القاعدي".

غالبًا ما يتم إجراء كروماتوغرافيا التبادل الأيوني في شكل كروماتوغرافيا العمود. ومع ذلك، هناك أيضًا طرق كروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة التي تعمل أساسًا على أساس مبدأ التبادل الأيوني.

تشتمل أجهزة التبادل الأيوني على:
١-مضخة
٢-نظام حقن
٣-عمود
٤-مثبط
٥- كاشف
٦-مسجل أو نظام بيانات.

مبدأ عمل كروماتوغرافيا التبادل الأيوني:
يعتمد هذا الشكل من الكروماتوغرافيا على التجاذب بين الطور الثابت المشحون بشكل معاكس، والمعروف باسم المبادل الأيوني، والمحلل.

يُستخدم هذا النوع في فصل الجزيئات المشحونة منها الببتيدات، والأحماض الأمينية، ويعتبر هذا النوع من أنواع الكروماتوغرافيا السائلة.

يكون الطور الثابت هنا عبارة عن مادة صلبة مشحونة تتميز بخصائص أيونية محددة بالنسبة لعدد الشحنات الموجبة أو السالبة، وموقعها على المادة.

بينما يكون الطور المتحرك عبارة عن محلول موصِّل، وتكون شحنته معاكسة لشحنة الطور الثابت حتى يحدث التبادل الأيوني، يتحقق التقارب بين الجزيئات والمادة الصلبة بواسطة الروابط الأيونية.

يتضمن الفصل ظروفًا مختلفة مثل القوة الأيونية «تركيز الأملاح»، ودرجة الحموضة «الأس الهيدروجيني» بحيث تنطلق الجزيئات الذائبة من العمود بترتيب نقاط قوة ارتباطها، ويتم التخلص من المواد الأكثر ضعفًا أولاً.

تطبيقات كروماتوغرافيا التبادل الأيوني:
١-من الاستخدامات المهمة لكروماتوغرافيا التبادل الأيوني تحليل مخاليط الأحماض الأمينية.
٢-يتم فصل الأحماض الأمينية الرئيسية العشرين من مصل الدم أو من التحلل المائي للبروتينات واستخدامها في التشخيص السريري.

٣- الطريقة الأكثر فعالية لتنقية المياه.
٤-تستخدم لتحليل الصخور القمرية والعناصر النادرة على الأرض.

مميزات كروماتوغرافيا التبادل الأيوني:
١- واحدة من أكثر الطرق فعالية لفصل الجسيمات المشحونة.
٢-يمكن استخدامه لأي نوع من الجزيئات المشحونة تقريبًا بما في ذلك البروتينات الكبيرة والنيوكليوتيدات الصغيرة والأحماض الأمينية.

٣-يمكن أيضًا فصل الأيونات غير العضوية عن طريق كروماتوغرافيا التبادل الأيوني.

حدود كروماتوغرافيا التبادل الأيوني:
١-يمكن فصل الجزيئات المشحونة فقط.

شرح مختصر للتقنية وطريقة العمل في دقيقتين:
youtu.be

التحليل الحراري الوزني (TGA)

التحليل الوزني الحراري هي طريقة تحليل حرارية يراقب خلالها تغيرات في الخواص الفيزيائية والكيميائية للمواد وتتم العملية أثناء زيادة درجة الحرارة مع بقاء معدل زيادة الحرارة ثابتًا، أو قد يجرى التفاعل ويراقب زمن التفاعل مع بقاء درجة الحرارة ثابتة أو فقدان للوزن ثابت.

يعتبر التحليل الحراري الوزني (TGA) مثاليًا لتوصيف الخصائص الحرارية للمواد مثل البلاستيك واللدائن والمواد المرنة والمركبات المعدنية والسيراميك وكذلك للمنتجات الكيميائية والصيدلانية.

يزودنا الجهاز بمعلومات عن الخواص الطبيعية للمادة، مثل التبخير والتسامي، والامتصاص وتغير الحالة، كذلك يعطي معلومات عن العمليات الكيميائية، مثل الامتصاص الكيميائي والذوبان وفقد الماء، ومعلومات عن تفاعلات مادة صلبة مع غاز مثل الأكسدة.

كما يوفر معلومات قيمة لمراقبة الجودة والتطور والأبحاث، ويعتبر أداة مفيدة لفحص الثبات الحراري للمواد، وتعتبر درجة الحرارة التي يحدث عندها فقدان الوزن مهمة لفهم كيفية بقاء المادة في ظل الظروف القاسية.

مكونات جهاز التحليل الوزني الحراري:

١-ميزان دقيق ذو كفة توضع عليها العينة.
٢-فرن يعمل ببرمجة حاسوبية، ويمكن برمجة الفرن بحيث أن يقوم بتسخين العينة بمعدل ثابت أو أن يكون التسخين بغرض حدوث معدل تغير ثابت في وزن العينة، مع مراعاة استخدام معدل تسخين ثابت ليحمي العينة من التفاعلات غير المرغوبة.

٣-مرفق لتوفير جو خامل (مثل غاز N2) أو بيئة مؤكسدة.
٤-مسجل أو نظام بيانات، لجمع البيانات وتخزينها ومعالجتها.

مبدأ عمل جهاز التحليل الوزني الحراري:
يعتمد مبدأ عمل جهاز التحليل الحراري الوزني على معدّل التغير في درجة الحرارة أو التغير في الوزن، حيثُ يُرافق هذه التغيرات تغيرًا في الصفات الكيميائيّة والفيزيائيّة للعينات المطلوبة.

يتكون الجهاز من وعاء من مادة خاملة لا تتفاعل مع العينة، حيثُ تُوضع العينة داخله وتُعلّق داخل ميزان حراري يقيس قراءات أوزان العينة بدلالة الحرارة أو الزمن باستمرار أثناء عملية التسخين التي تحدث من خلال فرن يحتوي على غاز الأكسجين أو النيتروجين،

ثمّ تُسجّل قيمة التغير في الوزن بالزيادة أو النقصان أو درجة الحرارة التي يحدث عندها التغير في وزن العينة.

العينات في جهاز التحليل الوزني الحراري:
يجب أن تكون العينة صلبة أو سائلة، توضع في بوتقة تتحمل درجات الحرارة العالية وتكون من مادة خاملة لا تتفاعل، مثل البلاتين أو أكسيد الألمونيوم؛ وتوضع في فرن يسخن حتى ٢٤٠٠ درجة مئوية،

وتعلق البوتقة بميزان دقيق، وتؤخذ قراءة الميزان أثناء عملية التسخين باستمرار.

الأجهزة الحديثة للتحليل الوزني الحراري تكون متصلة بحاسوب يحدد أعلى درجة حرارة للتحليل، كما ينظم معدل التسخين ومعدل تمرير الغاز.

آلية تغيير الوزن في التحليل الحراري الوزني (TGA):
فقدان الوزن بسبب:
١-التحلل
٢-التبخر
٣-الاختزال

زيادة الوزن بسبب:
١-الأكسدة
٢-الامتصاص
٣-الامتزاز

التطبيقات التحليل الحراري الوزني:
١- يُعتبر جهاز التحليل الحراريّ الوزنيّ مهمًّا في معرفة التركيب الكيميائيّ للعينة سواء لمكون واحد أو أكثر، لذلك يُستخدم في العديد من التطبيقات العلميّة، ومنها: مخلفات الاحتراق، ومواد البناء والجير المُطفأ، وصناعة الإسمنت والسيراميك.

٢-يمكن أن يقترن النظام في خط الإنتاج بمقياس طيف الكتلة أو مقياس طيف FTIR لتحديد طبيعة المنتجات الغازية المتصاعدة.

٣-يمكن أيضًا استخدامه مع مولد الرطوبة لدراسة عمليات الامتصاص
في اللدائن الحرارية والمواد المطاطية، واللدائن المتصلدة بالحرارة والمعادن والخزفيات، ومواد العزل البلاستيكية.

حدود تقنية التحليل الوزني الحراري:
إمكانية دراسة العملية التي تصاحب التغيير الشامل. أي أنها لا تستطيع دراسة عملية مثل الذوبان، والانتقال من شكل بلوري إلى آخر.

للاطلاع على آلية عمل الجهاز:
youtu.be

جهاز المسح الضوئي التفاضلي DSC

تقنية المسح الضوئي التفاضلي هي تقنية تحليلية، قائمة على مبدأ إيجاد المحتوى الحراري بمقارنة العينة بمادة مرجعية. وتستخدم هذه التقنية لدراسة سلوك المواد كدالة لدرجة الحرارة أو الزمن (قياس الخواص الحرارية للمواد).

-هناك نوعان مختلفان من قياس المسح الضوئي التفاضلي في الممارسة:
١-قياس المسح الضوئي التفاضلي لتدفق الحرارة: يظل التدفق الحراري ثابتًا
٢-قياس المسح الضوئي التفاضلي للطاقة: يظل مصدر الطاقة ثابتًا

تقيس أجهزة المسح الضوئي التفاضلي درجات الحرارة وتدفقات الحرارة المرتبطة بالتحولات الحرارية في المادة. كما تستخدم على نطاق واسع في تطبيقات البحث ومراقبة الجودة والتصنيع، للبحث والاختيار والمقارنة بين المواد وتقييم أداء الاستخدام النهائي.

تشمل الخصائص التي يتم قياسها بهذه التقنية انتقالات الزجاج، والتبلور البارد، وتغيرات الطور، والذوبان، والتبلور، واستقرار المنتج، والاستقرار التأكسدي. تعد تقنية المسح الضوئي التفاضلي هي الطريقة الأكثر دقة لقياس تدفق الحرارة.

مكونات جهاز المسح الضوئي التفاضلي:
١-وحدة حمل العينة والمادة المرجعية
٢-وحدة تحكم في الفرن

٣-حجرة تفاعل، تتيح إجراء التحليل في أجواء غازية مختلفة
٤-مزدوجات حرارية للقياس الدقيق للفرن في درجتي حرارة العينة والمادة المرجعية

٥-مضخم للإشارة الناتجة من الفرق في درجة الحرارة
٦-وحدة تسجيل المنحنيات المطلوبة

مبدأ عمل جهاز المسح الضوئي التفاضلي:

بعد تحضير بوادق العينات وتجهيزها توضع العينة داخل حجرة الجهاز التي تحتوي على مكانين أحدهما للعينة المطلوب فحصها (تحتوي على المادة) والمكان الآخر للعينة المرجعية (فارغة) ويتم ضخ غاز خامل داخل حجرة الفحص.

بعدها يتم تسليط حرارة على حجرة الفحص بمعدل ثابت فيظهر منحنى على شاشة الحاسوب يوضح التغيرات التي تحدث للمادة. يتم تحليل هذا المنحنى بواسطة برنامج خاص بكل جهاز للحصول على المعلومات التي يريدها الباحث كدرجة التحول الزجاجي أو التبلور أو السعة الحرارية.

-الناتج من فحص جهاز المسح الضوئي التفاضلي هو منحنى بين تدفق الحرارة ودرجة الحرارة أو الزمن.

-التفاعلات الباعثة للحرارة تظهر العينة قمة للمنحنى إما موجبة أو سالبة بالاعتماد على نوع التقنية المستخدمة بالتجربة.

تحضير العينات للجهاز:
يتكون قرص العينات من جزئين الأول وعاء توضع به المادة
والجزء الثاني الغطاء يكون ذو نصف قطر ٣ ملم، حيث توضع المادة التي تكون على شكل مسحوق او ألياف في الوعاء بمقدار ١٠-٢٠ ميلجرام بعد ذلك تغطى بالغطاء الخاص بها ثم توضع بمكبس خاص لغرض كبسها.

-من الجدير بالذكر أن جهاز المسح الضوئي التفاضلي يمتاز بوجود حساس مبتكر، به ١٢٠ من الأزواج الحرارية؛ مما يضمن حساسية ودقة استثنائية.

تطبيقات الجهاز:
• تحديد حرارة التبخر ودرجة الانصهار للسبائك المعدنية
• حرارة التحول للتراكيب والمعادن المغناطيسية

• درجة حرارة تكون الأطوار المعدنية والطاقة المنبعثة
• درجة حرارة التأكسد وطاقة التأكسد

• الطاقة المنبعثة لتقسية البوليمرات
• تحديد سلوك الانصهار للمواد العضوية المعقدة

• درجة حرارة التبلور والانصهار
• تحديد فترة حدوث الأكسدة للزيوت

• تستخدم كواحدة من التقنيات لتحديد المواد غير المعروفة او لتأكيد نوع المادة
• تحديد الثبات الحراري للمواد وتحديد حركية التفاعلات

المراجع:
LEW-2008-NATAS-4.pdf (weebly.com)
للاطلاع على طريقة تحضير العينات للجهاز:
youtu.be

weebly.com

Weebly is the easiest way to create a website, store or blog

Weebly’s free website builder makes it easy to build a website, blog, or online store. Find customiz...

STM (scanning tunneling microscope)
المجهر النفقي الماسح

عندما نتحدث عن المجهر فإن اول ما نفكر به هو جهاز المجهر الذي نعرفه في مختبرات المدراس والذي يعمل بتكوين صورة ضوئية عن العينة المراد النظر لها بشكل مكبر، ومع تقدم العلم وتطوره أصبح بالإمكان ان نحصل على تكبير يفوق أي توقع.

في بدايات القرن العشرين مع اكتشاف الفيزياء الحديثة والخاصية المزدوجة للإشعاع الكهرومغناطيسي والجسيمات المادية ونظرية ميكانيكا الكم التي تدرس الاجسام على المستوى الذري الدقيق أصبح بالإمكان تصميم مجهر يعمل على التكبير بدرجة عالية جدًا وهي تعتمد على استخدام موجة الالكترون.

يعتبر جهاز المجهز النفقي الماسح من الاجهزة الاساسية في علم النانو والذي ساعد في دراسة المواد على المستوى الذري وفي بناء وفحص التراكيب النانوية.

وتعتمد فكرة عمله على مبدأ النفق الكمي. فعندما يقترب طرف المجس الموصل للكهرباء من السطح المراد فحصه يطبق فرق جهد بين السطح وطرف المجس بحيث يسمح بمرور الالكترونات من خلال نفق في الفراغ بينهما.

تيار الالكترونات هذا يعرف باسم التيار النفقي، ويعتمد التيار النفقي على موضع المجس بالنسبة للسطح وعلى فرق الجهد المطبق وعلى الكثافة الموضعية للعينة.

تم اختراع هذا الجهاز في العام 1981 على يدي العالمين Gerd Binnig وHeinrich Rohrer في شركة IBM. وحصلا على جائزة نوبل في عام 1986 لاختراعهما هذا الجهاز الذي سمح لأول مرة برؤية الذرة وفي الابعاد الثلاثة.

يتمتع جهاز STM بقدرة تحليلية عالية تصل إلى 0.1nm وعمق يصل الى 0.01nm وبهذه القدرة التحليلية العالية يمكن أن نحصل على صور للذرات داخل المواد هذا بالإضافة الى التحكم في الذرات وتحريكها.

المكونات الرئيسية للمجهر النفقي الماسح:
يشمل تركيب الجهاز على:
١-المجس الماسح
٢-ماسح يعمل بالكهرباء الانضغاطية للتحكم في الارتفاع وفي الابعاد السطحية
٣- جهاز التحكم في المسافة بين مجس المسح وسطح العينة
٤-نظام العزل من الاهتزازات
٥-وحدة معالجة البيانات والعرض

مبدأ عمل الجهاز:
من المعروف في ظروف الضغط والحرارة الاعتياديتين أن الهواء عازل للكهرباء، ولهذا إذا قربنا رأسًا معدنيًا مدببًا من سطح موصل، فإن التيار الكهربائي لا ينتقل إليه، لأن الهواء يشكل حاجزًا يمنع الالكترونات من المرور نحوه.

وإذا جعلنا الرأس المعدني يقترب أكثر فأكثر من السطح الموصل في حدود 0.5 نانومتر، فإن احتمال عبور الالكترونات بينه والسطح المعدني يصبح غير معدوم. ويجري هذا وفق ما يدعى في ميكانيكا الكم أثر النفق. وهو المبدأ الذي صمم على أساسه المجهر النفقي الماسح.

في البداية يطبق فرق جهد على المجس الماسح ليتحرك عموديًا في اتجاه سطح العينة وعندما يصبح على بعد مسافة صغيرة جدًا من سطح العينة يتوقف المجس.

تبدأ بعد ذلك مرحلة التحكم الدقيق في حركة المجس في الابعاد الثلاثة بالقرب من العينة.

ثم يعمل فرق الجهد على دفع الالكترونات للتحرك النفقي بين رأس المجس والعينة، مما ينتج عنه تيار نفقي يمكن قياسه.

عندما يبدأ عمل التيار النفقي يمكن تغيير موضع رأس المجس بالنسبة لسطح العينة ويتم رصد التغيرات في التيار النفقي الناتج ورسمها في شكل صورة.

ويمكن ان تتم عملية رسم الصورة اما من خلال قياس التغيرات في التيار النفقي بالنسبة لسطح العينة عند ارتفاع ثابت بين رأس المجس والعينة، أو من خلال رصد التغير في الارتفاع عند جعل التيار النفقي ثابت ويتم ذلك من خلال تغير ارتفاع رأس المجس بالنسبة لسطح العينة.

مميزات المجهر النفقي الماسح:
١-يسمح للباحثين بفحص العديد من الخصائص، بما في ذلك الخشونة وعيوب السطح وتحديد خصائص الجزيئات مثل الحجم والشكل
٢-قادر على التقاط تفاصيل أكثر، مما يساعد الباحثين على فهم موضوع أبحاثهم بشكل أفضل على المستوى الجزيئي

عيوبه:
١-يتطلب العمل عليه الكثير من المهارة والدقة
٢-يتطلب العمل عليه أسطحًا ثابتة، وتحكمًا ممتازًا في الاهتزازات
٣-باهظ الثمن

تطبيقات المجهر النفقي الماسح:
١- يستخدم بشكل رئيسي لدراسة ترتيب الذرات الفردية على العديد من الأسطح المعدنية كالذهب والبلاتين والنيكل بدقة
٢-يمكن استخدامه لتحريك الذرات بشكل فردي، بالإضافة إلى إنشاء خرائط عالية الدقة لأسطح المواد.

لمعرفة أكثر حول آلية عمل الجهاز:
youtu.be

جهاز المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) 🌟

في السابق كان من المستحيل أن نرى الجزيئات الصغيرة حتى عن طريق استخدام أحدث المجاهر الضوئية؛ لكن بمساعدة جهاز المجهر الإلكتروني الماسح أصبح بإمكاننا ان نرى العينة أصغر بمليون مرة‼️
الآن قد أصبحنا قادرين أن نرى الفيروسات وحتى الـ DNA.

سنقوم في هذا الثريد بالتعمق أكثر والتعرف على هذه التقنية✨

قبل أن نتعمق أكثر في جهاز المجهر الإلكتروني الماسح دعنا نتساءل ما الذي يميز هذا المجهر عن المجاهر المعتادة❔
ما الذي يعطي هذا المجهر القدرة في التقريب ورؤية المواد التي تصل أحجامها الى واحد نانوميتر❔

من أهم ما يميز المجهر الإلكتروني عن المجهر الضوئي هو أن المجهر الضوئي يمرر فوتونات ضوئية عبر العينة للسماح لك بمشاهدتها من خلال العدسات، بينما يمرر المجهر الإلكتروني حزمة الإلكترونات.
🌟لاستيعاب هذا المفهوم بشكل أفضل، تابع التغريدة التالية 🌟...

في المجهر الضوئي، الفوتونات تمر عبر العينات إلى العدسات ومن ثم إلى عينك مباشرة. لكن في المجهر الإلكتروني، حزمة الإلكترونات هي التي تمر عبر العينة وتلك الإلكترونات لا تصل إلى عينك أبدًا. ولكن بدلاً من ذلك، يتم عرض الصورة على شاشة لتتمكن من رؤيتها.

وكما نعلم أن المجاهر الضوئية تعمل في نطاق من واحد مليميتر إلى 0.2 مايكرومتر والذي يتضمن الأشعة فوق البنفسجية والأشعة الحمراء. فإن المجاهر الإلكترونية تعمل في نطاق نهاية طيف الأشعة فوق البنفسجية إلى أشعة جاما.

استخدام حزمة الإلكترونات في تحليل العينات يُمَكِّن المجهر من تقريب العينة مليون مرة، فإن الأشعة السينية وأشعة جاما تتشتت بسهولة.

لهذا السبب لا يمكن استخدام المجاهر الإلكترونية مع العينات الحية، بالإضافة إلى ذلك، فإن تحضير العينات تتم بعناية فائقة وقد تستغرق عملية التحضير عدة أيام.

هناك نوعان رئيسيان للمجهر الإلكتروني:
1- المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)
2- المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)
🌟وفي هذا الثريد سوف نتطرق الى المجهر الإلكتروني الماسح🌟.

ماهي آلية عمل الجهاز❔
يستخدم هذا المجهر تقنية تسمى بالمسح النقطي لتكبير صورة العينة. عند تمرير حزمة الإلكترونات عبر العينة فإن طاقته تتحول إلى شكل آخر من أشكال الطاقة مثل الحرارة والضوء وغيرها، تتم ترجمة هذه المعلومات إلى تصوير للعينة ومكوناتها.

يتكون جهاز المجهر الإلكتروني الماسح من:
1-المدفع الإلكتروني: يقوم المدفع بإرسال حزمة من الإلكترونات، ويتم توجيه هذه الإلكترونات إلى العينة.

2-العدسات: العدسات في المجاهر الإلكترونية ليست عدسات مصنوعة من الزجاج‼️بل مصنوعة من مغناطيس والتي بدورها تقوم بتوجيه حزمة الإلكترونات إلى الهدف المطلوب.

3-غرفة العينة: لأن جهاز المجهر الإلكتروني الماسح حساس جدًا؛ فإن غرفة العينة يجب أن تكون ثابتة تمامًا بحيث أن الحركة البسيطة للعينة خلال التحليل قد تؤدي إلى إعطاء صور غير دقيقة. يجب أن تضع العينة في غرفة قوية ومعزولة وغير قابلة للاهتزاز لإعطاء نتائج دقيقة.

4-الكواشف: تتعدد أنواع الكواشف المستخدمة في المجهر الإلكتروني الماسح، ولكن أبرزها كاشف يدعى (Everhart Thornley).
يقوم هذا الكاشف برصد الإلكترونات الثانوية (الإلكترونات المنبعثة من سطح العينة) ويعتبر هذا النوع من الكواشف قادر على إعطاء نتائج دقيقة.

5-مفرغ الهواء: كما ذكرنا سابقًا بمدى حساسية بالاهتزازات فإنه أيضًا يتأثر بوجود الهواء؛ لأن جزيئات الهواء قد يتم دفعها إلى سطح العينة عن طريق حزمة الإلكترونات وبالتالي يتغير شكل العينة. لذلك يتطلب العمل على الجهاز بيئة مفرغة من جزيئات الهواء.

بعد أن تعرفنا على المجهر الإلكتروني الماسح أكثر وتعرفنا أكثر عن مميزاته، لابد أن نعرف أين وكيف من الممكن أن نستفيد من هذه التقنية❔

يستخدم العلماء المجهر الإلكتروني الماسح في مجموعة متنوعة من المجالات لمعرفة المزيد عن تكوين وتضاريس المواد التي صنعها الإنسان أو المواد الطبيعية.

على سبيل المثال، سمح المجهر الإلكتروني الماسح لعلماء الأحياء بمعرفة المزيد عن الكائنات المجهرية، مثل البكتيريا والفيروسات.
رغم أن هذا الأمر كان أشبه بالمستحيل في السابق. ويستخدمه الكيميائيون لتحليل ودراسة العينات الصغيرة مثل المواد النانونية؛ وغيرها من التطبيقات المختلفة.

وفي النهاية، الصور الدقيقة الملتقطة بالمجهر الإلكتروني الماسح، يجعلها أداة رائعة للدراسات العلمية.
فإن هذه التقنية تجعلنا نتعمق ونتعلم عن العالم الصغير الذي يعد رؤيته بالتقنيات الاعتيادية امرًا مستحيلًا. هذه التنقية ستكون عاملًا هامًا في التطور. ومن المهم الإبحار في تعلمها.

🌟وهنا مقاطع فيديو تساعدك أكثر في فهم التقنية بشكل أعمق🌟
الجزء النظري والعملي للجهاز:
youtube.com

Transmission Electron Microscope
المجهر الإلكتروني النفاذ
المجهر الإلكتروني النفاذ (TEM) هو تقنية عالية الدقة تُستخدم للكشف عن التفاصيل الهيكلية وتوزيع الحجم وتَشَكل الجسيمات النانوية المكونة من الدهون والبروتينات.

والجسيمات النانوية الصلبة المكونة من جزيئات معدنية أو كربون أو بلاستيك.

في هذه التقنية يتم استخدام حزمة من الإلكترونات لإنتاج صورة مكبرة ومفصلة للعينة، حيث إن الإلكترونات ذات طول موجي قصير، فتعطي هذه المجاهر قوة تكبير عالية بأكثر من مليوني مرة من تلك الموجودة في المجهر الضوئي

مما ينتج عنه صورة للعينة تتيح سهولة توصيف الصورة في سماتها والتركيبات ومعلومات التبلور.

مكونات المجهر الإلكتروني النفاذ:
1-المدفع الإلكتروني
2-المدفع الحراري
3-عدسات كهرومغناطيسية
4-غرفة التفريغ
5-غرفة العينة
6-مكثفات
7-شاشة الفوسفور أو الفلورسنت

مبدأ عمل الجهاز:
ينتج المجهر الإلكتروني النفاذ صورة عالية الدقة بالأبيض والأسود من التفاعل الذي يحدث بين العينات والإلكترونات النشطة في غرفة التفريغ.

أولًا يتم ضخ الهواء من حجرة التفريغ، مما يخلق مساحة تُمكِّن الإلكترونات من الحركة.
ثم تمر الإلكترونات عبر عدسات كهرومغناطيسية متعددة.
بعد ذلك يمر الشعاع عبر الملفات اللولبية، أسفل العمود، ويتصل بالشاشة حيث يتم تحويل الإلكترونات إلى ضوء وتتشكل صورة.

ويمكن معالجة الصورة عن طريق ضبط جهد المدفع الإلكتروني لتسريع أو تقليل سرعة الإلكترونات وكذلك تغيير الطول الموجي الكهرومغناطيسي عبر الملفات اللولبية التي تقوم بتركيز الصور على الشاشة.

من الجدير بالذكر أن سرعة الإلكترونات ترتبط ارتباطًا مباشرًا بطول موجة الإلكترون؛ كلما تحركت الإلكترونات بشكل أسرع، كلما كان طول الموجة أقصر وزادت جودة وتفاصيل الصورة.

تمثل المساحات ذات اللون الفاتح من الصورة الأماكن التي يمكن أن يمر فيها عدد أكبر من الإلكترونات عبر العينة، وتعكس المناطق الأكثر قتامة المناطق الكثيفة من الجسم.
توفر هذه الاختلافات معلومات عن بنية العينة، وملمسها، وشكلها، وحجمها.

مميزاته:
1-قوة تكبير عالية
2-يوفر معلومات عن بنية العنصر أو المركب
3-الصور عالية الجودة

عيوبه:
1- كبير ومكلف للغاية
2- تحضير العينة شاق
3- تتطلب العملية والتحليل تدريبًا خاصًا
4- تقتصر العينات على تلك التي تكون شفافة الإلكترون، وقادرة على تحمل حجرة التفريغ وصغيرة بما يكفي لتلائم الغرفة
5- يتطلب صيانة خاصة
6-الصور بالأبيض والأسود

تطبيقاته
1-دراسة وتصوير الكائنات الحية الدقيقة
2-دراسة وتصوير العينات البيولوجية مثل الأنسجة الحيوانية والنباتية
3-يستخدم للمنتجات غير البيولوجية كالبلاستيك والبوليمر
4-يستخدم لدراسة المواد النانوية والصيدلانية والأصباغ.

لمعرفة أكثر حول الجهاز:
طريقة التعامل مع الجهاز (باللغة العربية)
youtube.com
How does a transmission electron microscope TEM work?
youtube.com
Electron Microscopy (TEM and SEM)
youtube.com

جهاز حيود الأشعة السينية XRD

يعتبر جهاز حيود الأشعة السينية XRD من الأجهزة الهامة في تحليل العينات واستخراج معلومات عن الخواص الفيزيائية وماهية البنية والتركيب البلوري والكيميائي للمواد.

الأشعة السينية هي نوعٌ من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي أو الموجات الكهرومغناطيسية - كما هو الحال في الضوء المرئي - تمتلك طاقةً عاليةً ويمكنها المرور عبر معظم الأجسام وخاصةً جسم الإنسان على عكس الضوء المرئي الذي توقفه الأجسام العاتمة كأجسادنا.

أكشفت الأشعة السينية عام 1895، اكتشفها أستاذ في جامعة فورتسبورغ الألمانية يدعى Wilhelm Conrad Röentgen، حيث لاحظ بلورات تظهر توهجًا فلوريًا بالقرب من أنبوب أشعة الكاثود وهي أشعةٌ عالية الجهد.

واستمر ظهور هذا التوهج حتى بوضع الورق ذو اللون الغامق لحماية البلورات، حيث كان ذلك نوع من الأشعة يخترق الورق ويسبب توهج البلورات.

وبما أن الأشعة التي تسببت في التوهج غير معروفةً مسبقًا قام رونتجن بإطلاق اسم الأشعة X عليها وتم تسميتها باللغة العربية الاشعة السينية نسبة إلى المتغير س الذي كان يستخدم بدلًا من X في اللغات الأجنبية.

تعتمد تقنية حيود الأشعة السينية على: التداخل البناء (في الطور) للأشعة السينية أحادية اللون والإلكترونات في عينة بلورية أو مسحوق.

فعندما تصطدم حزمة من فوتونات الأشعة السينية بالإلكترونات في الذرة، تخضع بعض الفوتونات لتشتت مرن (بدون نقل للطاقة)، أو تشتت غير مرن (نقل للطاقة) وفقًا لقانون براغ للحيود.

تتكون مقاييس حيود الأشعة السينية من ثلاثة عناصر أساسية:
١-أنبوب الأشعة السينية
٢-حامل العينة
٣-كاشف الأشعة السينية

مبدأ عمل الجهاز:
تتفاعل الأشعة السينية بالدرجة الأولى مع الإلكترونات في الذرة. فعندما تصطدم الفوتونات في الأشعة السينية بالإلكترونات، تحيد بعض فوتونات الحزمة الساقطة عن اتجاهها الأصلي.

إذا لم يتغير طول موجة الأشعة السينية الساقطة (أي أن فوتونات الأشعة السينية لم تفقد أي طاقة) تسمى العملية بالتبعثر المرن أو تبعثر طومسون حيث يتحول زخم الحركة فقط في عملية التبعثر.

وهذه هي الأشعة السينية التي نقيسها في تجارب الحيود والتي تقدم لنا معلومات عن توزع الإلكترونات في المواد.

ومن جهة أخرى، في عملية التبعثر غير المرن أو تبعثر كومبتون تنقل الأشعة السينية بعض طاقتها إلى الإلكترونات فيكون للأشعة السينية المحادة طول موجة مختلف عن طول موجة الأشعة السينية الساقطة.

تتداخل الأمواج المحادة من الذرات المختلفة مع بعضها البعض ويتعدل توزع الشدة الناتجة بهذا التأثر. فإذا كانت الذرات مرتبة بانتظام كما في البلورات، فإن الأمواج المحادة ستتكون من تداخل بنفس تناسق توزع الذرات.

إن قياس نموذج الحيود يتيح لنا استنتاج توزع الذرات في المادة.

من مميزات الجهاز:
١-لا يحتاج إلى تحضير كثير للعينات
٢-النتائج تظهر في وقت قصير جداً
٣- في معظم الحالات، يوفر تحديدًا واضحًا للمعادن

يستخدم جهاز حيود الأشعة السينية على نطاق واسع لتحديد المواد البلورية غير المعروفة (مثل المعادن والمركبات غير العضوية). ويعد تحديد المواد الصلبة غير المعروفة أمرًا بالغ الأهمية للدراسات في علم الأرض وعلوم البيئة وعلوم المواد والهندسة وعلم الأحياء.

تشمل التطبيقات الأخرى:
١-توصيف المواد البلورية
٢-تحديد أبعاد الخلية
٣-قياس نقاء العينة
٤-التعرف على مدى تجانس المادة أو الخليط

لمعرفة أكثر حول الجهاز:
youtu.be
youtu.be

مقياس الأس الهيدروجيني

الأس الهيدروجيني هو مقياس لدرجة حموضة أو قلوية السوائل، ويكون نطاق الأس الهيدروجيني يتراوح من ٠ إلى ١٤، مع اعتبار الرقم ٧ محايد، ويعبر الأس الهيدروجيني إذا كان أقل من ٧ إلى أن السائل حامضي، بينما في حالة كان الأس الهيدروجيني أكبر من ٧ يعني أن السائل قاعدي.

يحدد الرقم الهيدروجيني كمية أيونات الهيدروجين في المحلول.

مقياس الأس الهيدروجيني هو جهاز إلكتروني، يتكون من مقياس للجهد متصل بقطب كهربائي زجاجي مستجيب للأس الهيدروجيني، وقطب مرجعي (غير متغير) يتكون عادةً من كلوريد الفضة، يعطي هذا الجهاز قراءة الرقم الهيدروجيني العشري.

يجب معايرة مقياس الأس الهيدروجيني قبل استخدامه ضد المحاليل العازلة لنشاط أيون الهيدروجين، كما يجب عند القياس مراعاة تأثيرات درجة الحرارة على قياس الأس الهيدروجيني
فما هو تأثير درجة الحرارة على قياس الأس الهيدروجيني؟

تلعب درجة الحرارة دور مهم في قياسات الأس الهيدروجيني، مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد الاهتزازات الجزيئية مما يؤدي إلى قدرة الماء على التأين وتشكيل المزيد من أيونات الهيدروجين، نتيجة لذلك، سينخفض الرقم الهيدروجيني.

تطبيقات مقياس الأس الهيدروجيني:
١-في صناعة الأغذية: يستخدم الأس الهيدروجيني بشكل أساسي للتحكم في التفاعلات الفيزيائية، والكيميائية اللازمة لإنتاج الغذاء ومنع نمو مسببات الأمراض، يتجلى ذلك أثناء إنتاج منتجات الألبان.

٢-الصناعات الكهروكيميائية: في صناعة الكيمياء الكهربائية، يعد قياس الأس الهيدروجيني أمرًا أساسيًا لعمليات الطلاء.

٣-صناعة الورق والمنسوجات: تتطلب صناعة الورق والمنسوجات قياسات دقيقة للأس الهيدروجيني لضمان أن مياه الصرف الناتجة في المصانع لا تلحق الضرر بالمعدات والبيئة.

جهاز منظم الجهد (PS)Potentiostat:
عادة ما نسمع بالثرموستات والذي يتوافر بمعظم منازلنا، والذي يقوم دوره في المحافظة على اتزان درجة حرارة المنزل.
ولكن هل سمعت من قبل عن جهاز منظم الجهد؟

لابد في اثناء عملك في مختبر ما او قراءتك لدليل جهاز يعمل بالكهرباء لاحظت وجود جهاز منظم الجهد كأحد المكونات الاساسية، ولكن هل تعلم اهمية هذا الجهاز وما دوره؟

فكما ذكرنا سابقًا دور جهاز الثرموستات في المنزل، فهو لا يختلف كثيرا عن مبدأ عمل منظم الجهد ألا وهو المحافظة على مستوى جهد كهربائي ثابت، ويتحكم في جهد الخلية المتكونة من اقطاب متعددة للخلية الكهروكيميائية.

انواع منظم الجهد:
اعتمادًا على عدد الاقطاب في الخلية، سيتم تصنيف جهاز منظم الجهد الى:
١- منظم الجهد الثنائي، ويتحكم بجهد اثنين من الاقطاب العملية.

٢-خلية ثلاثية الاقطاب: اي يستخدم للخلايا الكهروكيميائية التي تحتوي على ثلاث أقطاب وهي:
1.القطب المرجعي
2.القطب العملي
3.قطب كهربائي عداد (مساعد)

٣-منظم جهد متعدد القنوات، ويتحكم بجهد لأكثر من اثنين من الأقطاب العملية.

طريقة عمل منظم الجهود:
لفهم طريقة عمل جهاز منظم الجهد بشكل عملي ومبسط، سنمثل ميكانيكية العمل بقيادة السيارة في الطريق السريع، فعند قيادتك يجب ان يكون بين مركبتك والمركبة الاخرى مسافة آمنة وبناء على ذلك ستقوم بتغيير سرعة المركبة محافظًا على هذه المسافة الآمنة.

المسافة الآمنة هنا هي الجهد، بينما مضخمات التشغيل ستقوم بالاستجابة للمحافظة على اتزان الجهد الكهربائي.

استخدامات الجهاز:
- في تخزين وحفظ الطاقة كالبطاريات
-البحوث في مجال الكيمياء الكهربائية كمجال التآكل
مميزات الجهاز:
•تنظيم جهد القطب العامل مقابل القطب المرجعي.
•قياس التيار المتدفق عبر قطب العامل.