مطيافية الأشعة تحت الحمراء

التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ( أو التحليل الطيفي الاهتزازي ) هو قياس تفاعل الأشعة تحت الحمراء مع المادة عن طريق الامتصاص أو الانبعاث أو الانعكاس . يُستخدم لدراسة وتحديد المواد الكيميائية أو المجموعات الوظيفية في الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية. ويمكن استخدامه لتوصيف المواد الجديدة أو لتحديد هوية العينات المعروفة وغير المعروفة والتحقق منها. تُجرى عملية التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء باستخدام جهاز يُسمى مطياف الأشعة تحت الحمراء (أو مطياف ضوئي) والذي يُنتج طيفًا للأشعة تحت الحمراء . يُمكن تمثيل طيف الأشعة تحت الحمراء بيانيًا من خلال رسم بياني يوضح امتصاص (أو نفاذية ) ضوء الأشعة تحت الحمراء على المحور الرأسي مقابل التردد أو العدد الموجي أو الطول الموجي على المحور الأفقي. الوحدات الشائعة للعدد الموجي المستخدم في أطياف الأشعة تحت الحمراء هي السنتيمترات المقلوبة ، ويرمز لها بـ cm⁻¹ ^. أما وحدات الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء فتُعطى عادةً بالميكرومتر (أو الميكرون سابقًا)، ويرمز لها بـ μm، وهي مرتبطة بالعدد الموجي بشكل عكسي . من الأجهزة المختبرية الشائعة التي تستخدم هذه التقنية مطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) . كما يمكن الحصول على صور الأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد كما هو موضح أدناه .

ينقسم الجزء تحت الأحمر من الطيف الكهرومغناطيسي عادةً إلى ثلاثة نطاقات: الأشعة تحت الحمراء القريبة ، والمتوسطة، والبعيدة ، وذلك نسبةً إلى علاقتها بالطيف المرئي. تُثير الأشعة تحت الحمراء القريبة، ذات الطاقة العالية (حوالي 14000-4000  سم⁻¹ ، أي ما ^يعادل طول موجة 0.7-2.5 ميكرومتر)، أنماطًا توافقية أو تركيبية للاهتزازات الجزيئية . أما الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، ذات الطاقة العالية (حوالي 4000-400 سم⁻¹ ^، أي ما يعادل طول موجة 2.5-25 ميكرومتر)، فتُستخدم عمومًا لدراسة الاهتزازات الأساسية والبنية الدورانية-الاهتزازية المرتبطة بها . بينما تتميز الأشعة تحت الحمراء البعيدة، ذات الطاقة المنخفضة (حوالي 400-10 سم⁻¹ ^، أي ما يعادل طول موجة 25-1000 ميكرومتر)، ويمكن استخدامها في التحليل الطيفي الدوراني ودراسة الاهتزازات منخفضة التردد. تُعتبر المنطقة الممتدة من 2 إلى 130 سم⁻¹ ^، والمتاخمة لمنطقة الموجات الميكروية ، منطقة تيراهيرتز ، ويمكن استخدامها لدراسة الاهتزازات بين الجزيئات. ^{[ 1 ]} إن أسماء وتصنيفات هذه المناطق الفرعية هي اصطلاحات، وتستند بشكل غير دقيق إلى الخصائص الجزيئية أو الكهرومغناطيسية النسبية.      

يُعدّ التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء تقنية بسيطة وموثوقة تُستخدم على نطاق واسع في الكيمياء العضوية وغير العضوية، في كلٍ من البحث العلمي والصناعة. ويُستخدم في مراقبة الجودة، والقياس الديناميكي، وتطبيقات الرصد مثل القياس طويل الأمد وغير المراقب لتركيزات _ثاني أكسيد الكربون في البيوت الزجاجية وغرف النمو باستخدام أجهزة تحليل الغاز بالأشعة تحت الحمراء. ^{[ 2 ]}

كما يُستخدم في التحليل الجنائي في القضايا الجنائية والمدنية، على سبيل المثال في تحديد تحلل البوليمرات . ويمكن استخدامه في تحديد نسبة الكحول في دم السائق المشتبه في قيادته تحت تأثير الكحول.

استُخدمت تقنية التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء في تحديد الأصباغ في اللوحات ^{[ 3 ]} وغيرها من الأعمال الفنية ^{[ 4 ]} مثل المخطوطات المزخرفة . ^{[ 5 ]}

يُعدّ التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء مفيدًا أيضًا في قياس درجة البلمرة في صناعة البوليمرات . ويتم تقييم التغيرات في طبيعة أو كمية رابطة معينة عن طريق القياس عند تردد محدد مع مرور الوقت. ويمكن للأجهزة تسجيل العديد من الأطياف في الثانية الواحدة بشكل روتيني في الموقع، مما يوفر معلومات قيّمة حول آلية التفاعل (مثل الكشف عن المركبات الوسيطة) ومراحل تقدم التفاعل.

يتم استخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء في مجال الإلكترونيات الدقيقة لأشباه الموصلات: ^{[ 6 ]} على سبيل المثال، يمكن تطبيق مطيافية الأشعة تحت الحمراء على أشباه الموصلات مثل السيليكون ، وأرسينيد الغاليوم ، ونيتريد الغاليوم ، وسيلينيد الزنك ، والسيليكون غير المتبلور، ونيتريد السيليكون ، وما إلى ذلك.

ومن التطبيقات المهمة الأخرى لتقنية التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء استخدامها في صناعة الأغذية لقياس تركيز المركبات المختلفة في المنتجات الغذائية المتنوعة. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

تُستخدم تقنية التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء أيضاً في أجهزة الكشف عن تسرب الغاز مثل DP-IR و EyeCGAs. ^{[ 9 ]} تكشف هذه الأجهزة عن تسربات غاز الهيدروكربون أثناء نقل الغاز الطبيعي والنفط الخام.

يُعد التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء طريقة تحليل مهمة في عملية إعادة تدوير النفايات البلاستيكية المنزلية ، وطريقة ملائمة لفرز البلاستيك من أنواع البوليمرات المختلفة ( PET ، HDPE ، ...). ^{[ 10 ]}

وتشمل التطورات الأخرى مطياف الأشعة تحت الحمراء المصغر المرتبط بقاعدة بيانات سحابية ومناسب للاستخدام الشخصي اليومي، ^{[ 11 ]} ورقائق مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة ^{[ 12 ]} التي يمكن تضمينها في الهواتف الذكية والأجهزة المختلفة.

في أبحاث التحفيز، تُعد أداة مفيدة للغاية لتوصيف المحفز، ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} وكذلك للكشف عن المواد الوسيطة. ^{[ 16 ]}

يُعدّ التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء، مقترنًا بالتعلم الآلي والذكاء الاصطناعي، تقنية واعدة للكشف السريع والدقيق وغير الجراحي عن البكتيريا. ^{[ 17 ]} ينتج عن التركيب الكيميائي المعقد للبكتيريا، بما في ذلك الأحماض النووية والبروتينات والكربوهيدرات والأحماض الدهنية، مجموعات بيانات عالية الأبعاد، حيث تُخفى السمات الأساسية فعليًا تحت الطيف الكلي. ولذلك، يتطلب استخلاص هذه السمات الأساسية أساليب إحصائية متقدمة، مثل التعلم الآلي والشبكات العصبية العميقة. وقد ثبتت جدوى هذه التقنية في تصنيف البكتيريا، حيث تم التمييز بينها على مستوى الجنس ^{[ 18 ]} والنوع ^{[ 19 ]} والنمط المصلي ^{[ 20 ]} ، كما أظهرت نتائج واعدة في اختبار حساسية المضادات الحيوية ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} ، وهو أمر بالغ الأهمية في العديد من البيئات السريرية، حيث يُسهم اختبار الحساسية الأسرع في تقليل العلاج العشوائي غير الضروري بالمضادات الحيوية واسعة الطيف. أما العائق الرئيسي أمام هذه التقنية في التطبيقات السريرية، فهو حساسيتها العالية للأجهزة التقنية وتقنيات تحضير العينات، مما يُصعّب إنشاء قواعد بيانات واسعة النطاق. ومع ذلك، فقد بذلت شركة بروكر محاولات في هذا الاتجاه باستخدام جهاز IR Biotyper لعلم الأحياء الدقيقة للأغذية. ^{[ 24 ]}

تستغل مطيافية الأشعة تحت الحمراء حقيقة أن الجزيئات تمتص ترددات مميزة لبنيتها . يحدث هذا الامتصاص عند ترددات رنينية ، أي أن تردد الإشعاع الممتص يتطابق مع تردد الاهتزاز. تتأثر الطاقات بشكل أسطح طاقة الوضع الجزيئية ، وكتل الذرات، والاقتران الاهتزازي الإلكتروني المصاحب . ^{[ 25 ]}

على وجه الخصوص، في تقريبي بورن-أوبنهايمر والتوافقي (أي عندما يمكن تقريب الهاميلتوني الجزيئي الموافق للحالة الإلكترونية الأرضية بواسطة مذبذب توافقي في جوار هندسة الجزيء المتوازنة )، ترتبط ترددات الرنين بأنماط الاهتزاز الطبيعية الموافقة لسطح طاقة الوضع للحالة الإلكترونية الأرضية للجزيء . وبالتالي، فهي تعتمد على كل من طبيعة الروابط وكتلة الذرات المشاركة. وباستخدام معادلة شرودنغر، نحصل على قاعدة اختيار العدد الكمي الاهتزازي في النظام الذي يخضع لتغيرات اهتزازية.

${\displaystyle \bigtriangleup v=\pm 1}$

يمكن تشبيه انضغاط الرابطة وتمددها بسلوك الزنبرك ، لكن الجزيئات الحقيقية نادراً ما تكون مرنة تماماً . فعند تمدد رابطة بين ذرتين، على سبيل المثال، تصل إلى نقطة تنكسر عندها الرابطة ويتفكك الجزيء إلى ذرات. لذا، تنحرف الجزيئات الحقيقية عن الحركة التوافقية المثالية، وتكون حركتها الاهتزازية الجزيئية غير توافقية . وقد اشتق بي. إم. مورس تعبيراً تجريبياً يُطابق منحنى طاقة جزيء ثنائي الذرة يخضع لتمدد وانضغاط غير توافقيين بتقريب جيد، ويُسمى دالة مورس . وباستخدام معادلة شرودنغر، نصل إلى قاعدة الاختيار للنظام الذي يخضع لتغيرات اهتزازية  .

${\displaystyle \bigtriangleup v=\pm 1,\pm 2,\pm 3,\cdot \cdot \cdot }$^{[ 26 ]}

عدد أنماط الاهتزاز

لكي يكون نمط اهتزازي في عينة ما "نشطًا بالأشعة تحت الحمراء"، يجب أن يرتبط بتغيرات في عزم ثنائي القطب الجزيئي. ولا يشترط وجود ثنائي قطب دائم، إذ يكفي في هذه الحالة حدوث تغيير في عزم ثنائي القطب. ^{[ 27 ]}

يمكن للجزيء أن يهتز بطرق متعددة، ويُسمى كل نمط منها نمطًا اهتزازيًا . بالنسبة للجزيئات التي تحتوي على N ذرة، فإن الجزيئات الخطية هندسيًا لها 3N  -  5 درجات من الأنماط الاهتزازية، بينما الجزيئات غير الخطية لها 3N -  6  درجات من الأنماط الاهتزازية (وتُسمى أيضًا درجات حرية الاهتزاز). على سبيل المثال، يحتوي ثاني أكسيد الكربون الخطي (CO₂ ₎ على 3  ×  3  -  5  = 4 درجات، بينما يحتوي الماء  غير الخطي ( _H₂O ) على 3 × 3 - 6 = 3 درجات فقط. ^{[ 28 ]}      

تحتوي الجزيئات ثنائية الذرة البسيطة على رابطة واحدة فقط وحزمة اهتزازية واحدة فقط. إذا كان الجزيء متناظرًا، مثل النيتروجين (N₂) _، فإن هذه الحزمة لا تُلاحظ في طيف الأشعة تحت الحمراء، وإنما في طيف رامان فقط . أما الجزيئات ثنائية الذرة غير المتناظرة، مثل أول أكسيد الكربون ( CO )، فتمتص في طيف الأشعة تحت الحمراء. تحتوي الجزيئات الأكثر تعقيدًا على روابط متعددة، وبالتالي تكون أطيافها الاهتزازية أكثر تعقيدًا، أي أن الجزيئات الكبيرة تحتوي على العديد من القمم في أطياف الأشعة تحت الحمراء.

_تستطيع الذرات في مجموعة _CH₂X₂ ، الشائعة في المركبات العضوية حيث يمثل X أي ذرة أخرى، أن تهتز بتسعة أنماط مختلفة. ستة من هذه الاهتزازات تقتصر على جزء CH₂ فقط : نمطان للتمدد (ν): _متناظر ( νs ₎ وغير متناظر ( _νas )؛ وأربعة أنماط للانحناء : القص (δ)، والتأرجح (ρ)، والاهتزاز (ω)، والالتواء (τ)، كما هو موضح أدناه. تتميز البنى التي لا تحتوي على مجموعتي X إضافيتين بأنماط اهتزاز أقل، لأن بعض الأنماط تُحدد بعلاقات محددة مع تلك المجموعات الأخرى المرتبطة بها. على سبيل المثال، في الماء، لا توجد أنماط التأرجح والاهتزاز والالتواء، لأن هذه الأنواع من حركات ذرات الهيدروجين تمثل دورانًا بسيطًا للجزيء ككل، وليس اهتزازات داخله. في حالة الجزيئات الأكثر تعقيدًا، قد توجد أيضًا أنماط اهتزاز خارج المستوى (γ). ^{[ 29 ]}

التناظر اتجاه	متماثل	مضاد للتناظر
شعاعي	التمدد المتناظر (ν s )	التمدد غير المتناظر (ν as )
خطوط العرض	القص (δ)	التأرجح (ρ)
دراسة طولية	التذبذب (ω)	الالتواء (τ)

لا تمثل هذه الأرقام " ارتداد " ذرات الكربون ، والتي على الرغم من وجودها بالضرورة لتحقيق التوازن في الحركات الكلية للجزيء، إلا أنها أصغر بكثير من حركات ذرات الهيدروجين الأخف وزناً .

تنشأ أبسط وأهم نطاقات الأشعة تحت الحمراء الأساسية من إثارة الأنماط الاهتزازية الطبيعية، وهي أبسط تشوهات الجزيء، من الحالة الأرضية ذات العدد الكمي الاهتزازي v = 0 إلى الحالة المثارة الأولى ذات العدد الكمي الاهتزازي v = 1. في بعض الحالات، تُلاحظ نطاقات توافقية . ينشأ النطاق التوافقي من امتصاص فوتون يؤدي إلى انتقال مباشر من الحالة الأرضية إلى الحالة الاهتزازية المثارة الثانية ( v = 2). يظهر هذا النطاق عند طاقة تُقارب ضعف طاقة النطاق الأساسي لنفس النمط الاهتزازي الطبيعي. تتضمن بعض الإثارات، التي تُسمى أنماط التجميع ، إثارة متزامنة لأكثر من نمط اهتزازي طبيعي واحد. يمكن أن تحدث ظاهرة رنين فيرمي عندما يكون نمطان متشابهين في الطاقة؛ ويؤدي رنين فيرمي إلى انزياح غير متوقع في طاقة وشدة النطاقات، إلخ.

يُسجَّل طيف الأشعة تحت الحمراء لعينة ما بتمرير شعاع من ضوء الأشعة تحت الحمراء عبرها. عندما يتطابق تردد الأشعة تحت الحمراء مع تردد اهتزاز رابطة أو مجموعة روابط، يحدث امتصاص. يكشف فحص الضوء النافذ عن مقدار الطاقة الممتصة عند كل تردد (أو طول موجي). يمكن إجراء هذا القياس بمسح نطاق الأطوال الموجية باستخدام مُوحِّد اللون . أو بدلاً من ذلك، يُقاس نطاق الأطوال الموجية بالكامل باستخدام جهاز تحويل فورييه ، ثم يُستخلص طيف النفاذية أو الامتصاص .

تُستخدم هذه التقنية بشكل شائع لتحليل العينات ذات الروابط التساهمية . يرتبط عدد الحزم تقريبًا بالتناظر والتعقيد الجزيئي.

تُستخدم مجموعة متنوعة من الأجهزة لحمل العينة في مسار شعاع الأشعة تحت الحمراء. يتم اختيار هذه الأجهزة على أساس شفافيتها في المنطقة محل الاهتمام ومقاومتها تجاه العينة.

مقارنة بمرجع

من المعتاد تسجيل طيف كل من العينة و"مرجع". تتيح هذه الخطوة التحكم في عدد من المتغيرات، مثل كاشف الأشعة تحت الحمراء ، التي قد تؤثر على الطيف. كما يُمكّن قياس المرجع من استبعاد تأثير الجهاز.

يعتمد "المرجع" المناسب على القياس والهدف منه. أبسط قياس مرجعي هو إزالة العينة (واستبدالها بالهواء). مع ذلك، قد يكون استخدام مرجع مختلف أكثر فائدة في بعض الأحيان. على سبيل المثال، إذا كانت العينة عبارة عن مذاب مخفف في الماء داخل كأس زجاجي، فقد يكون من المفيد قياس الماء النقي في الكأس نفسه كمرجع. عندئذٍ، سيلغي القياس المرجعي جميع خصائص الجهاز (مثل مصدر الضوء المستخدم)، بالإضافة إلى خصائص امتصاص الضوء وانعكاسه للماء والكأس، وستُظهر النتيجة النهائية خصائص المذاب فقط (تقريبًا على الأقل).

إحدى الطرق الشائعة للمقارنة مع مرجع هي القياس التسلسلي: أولاً، قياس المرجع، ثم استبدال المرجع بالعينة وقياس العينة. هذه التقنية ليست دقيقة تمامًا؛ فإذا كان مصباح الأشعة تحت الحمراء أكثر سطوعًا قليلاً أثناء قياس المرجع، ثم أقل سطوعًا قليلاً أثناء قياس العينة، فسيتشوه القياس. يمكن لأساليب أكثر تطورًا، مثل إعداد "شعاعين" (انظر الشكل)، تصحيح هذه الأنواع من التأثيرات للحصول على نتائج دقيقة للغاية. يمكن استخدام طريقة الجمع القياسي لإلغاء هذه الأخطاء إحصائيًا.

مع ذلك، من بين التقنيات المختلفة القائمة على الامتصاص والمستخدمة للكشف عن الأنواع الغازية، يمكن استخدام مطيافية اضمحلال الرنين التجويفي (CRDS) كطريقة لا تتطلب معايرة. ولأن CRDS تعتمد على قياسات أعمار الفوتونات (وليس شدة الليزر)، فإنها لا تحتاج إلى أي معايرة أو مقارنة مع مرجع ^{[ 33 ].}

تقوم بعض الأجهزة أيضاً بتحديد المادة التي يتم قياسها تلقائياً من خلال مخزن يحتوي على آلاف الأطياف المرجعية المحفوظة.

FTIR

توفر مطيافية تحويل فورييه بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) أطيافًا تحت حمراء. يُوجَّه ضوء الأشعة تحت الحمراء عبر مقياس تداخل ، ثم عبر العينة (أو العكس). تعمل مرآة متحركة داخل الجهاز على تغيير توزيع طاقات الأشعة تحت الحمراء التي تمر عبر مقياس التداخل. تمثل الإشارة المسجلة مباشرةً، والتي تُسمى "مخطط التداخل"، ناتج الضوء كدالة لموضع المرآة. تقوم تقنية معالجة البيانات، المسماة تحويل فورييه، بتحويل هذه البيانات الأولية إلى النتيجة المطلوبة (طيف العينة): ناتج الضوء كدالة لطول موجة الأشعة تحت الحمراء (أو ما يعادلها، العدد الموجي ). وكما ذُكر أعلاه، تتم مقارنة طيف العينة دائمًا بطيف مرجعي.

تُعدّ طريقة "التشتيت" أو " الموحد اللوني الماسح" طريقةً بديلةً للحصول على الأطياف . في هذه الطريقة، تُشعّع العينة تباعًا بأطوال موجية مفردة مختلفة. تُعدّ طريقة التشتيت أكثر شيوعًا في مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية ، ولكنها أقل عمليةً في الأشعة تحت الحمراء مقارنةً بطريقة FTIR. أحد أسباب تفضيل FTIR هو ما يُعرف بـ" ميزة فيلجيت " أو "ميزة التعدد": حيث تُجمع المعلومات عند جميع الترددات في آنٍ واحد، مما يُحسّن كلاً من السرعة ونسبة الإشارة إلى الضوضاء . سبب آخر هو ما يُعرف بـ"ميزة جاكينو للإنتاجية": يتطلب القياس التشتيتي الكشف عن مستويات إضاءة أقل بكثير من قياس FTIR. ^{[ 34 ]} هناك مزايا أخرى، بالإضافة إلى بعض العيوب، ^{[ 34 ]} ولكن جميع أجهزة قياس الطيف بالأشعة تحت الحمراء الحديثة تقريبًا هي أجهزة FTIR.

تُستخدم مطيافية الأشعة تحت الحمراء غالبًا لتحديد البنى، لأن المجموعات الوظيفية تُنتج نطاقات مميزة من حيث الشدة والموقع (التردد). وتُلخص مواقع هذه النطاقات في جداول الارتباط كما هو موضح أدناه.

قد تُظهر النظائر المختلفة في نوع معين تفاصيل دقيقة مختلفة في مطيافية الأشعة تحت الحمراء. على سبيل المثال، تم تحديد تردد تمدد الرابطة O–O (بالسنتيمترات المقلوبة) في أوكسي هيموسيانين تجريبياً عند 832 و788 ^سم⁻¹  لـ ν( ^¹⁶O – ^¹⁶O ) وν( ^¹⁸O – ^¹⁸O ) على التوالي.

من خلال اعتبار الرابطة O–O بمثابة زنبرك، يمكن حساب تردد الامتصاص كعدد موجي [= التردد/(سرعة الضوء)]

${\displaystyle {\tilde {\nu }}={\frac {1}{2\pi c}}{\sqrt {\frac {k}{\mu }}}}$

حيث k هو ثابت الزنبرك للرابطة، و c هي سرعة الضوء، و μ هي الكتلة المختزلة لنظام A–B:

${\displaystyle \mu ={\frac {m_{\mathrm {A}} m_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {A} }+m_{\mathrm {B} }}}}$

(${\displaystyle m_{i}}$كتلة الذرة${\displaystyle i}$).

يمكن تقريب الكتل المختزلة لـ ^16O – ^16O و ^18O – ^{18O إلى 8 و 9 على التوالي.}

${\displaystyle {\frac {{\tilde {\nu }}(^{16}\mathrm {O} )}{{\tilde {\nu }}(^{18}\mathrm {O} )}}={\sqrt {\frac {9}{8}}}\approx {\frac {832}{788}}.}$

تبين أن تأثير النظائر، على كلٍ من ديناميكيات الاهتزاز والاضمحلال، أقوى مما كان يُعتقد سابقًا. ففي بعض الأنظمة، كالسيليكون والجرمانيوم، يتضمن اضمحلال نمط التمدد غير المتناظر للأكسجين البيني نمط التمدد المتناظر مع اعتماد قوي على النظائر. فعلى سبيل المثال، تبين أن عمر الاهتزاز غير المتناظر في عينة من السيليكون الطبيعي يبلغ 11.4 بيكو ثانية. وعندما تزداد نسبة نظير إحدى ذرات السيليكون إلى ^29Si ، يرتفع العمر إلى 19 بيكو ثانية. وبالمثل، عندما تُستبدل ذرة السيليكون بنظير ^30Si ، يصبح العمر 27 بيكو ثانية. ^{[ 49 ]}

يجمع تحليل مطيافية الارتباط بالأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد عينات متعددة من أطياف الأشعة تحت الحمراء للكشف عن خصائص أكثر تعقيدًا. ومن خلال توسيع المعلومات الطيفية لعينة مُعرَّضة للاضطراب، يتم تبسيط التحليل الطيفي وتحسين دقته. تمثل الأطياف المتزامنة ثنائية الأبعاد وغير المتزامنة ثنائية الأبعاد نظرة عامة بيانية على التغيرات الطيفية الناتجة عن اضطراب ما (مثل تغير التركيز أو تغير درجة الحرارة)، بالإضافة إلى العلاقة بين التغيرات الطيفية عند عددين موجيين مختلفين.

يُعدّ التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ثنائي الأبعاد غير الخطي ^{[ 50 ] [ 51 ]} النسخةَ بالأشعة تحت الحمراء من التحليل الطيفي الترابطي . وقد أصبح هذا النوع من التحليل الطيفي متاحًا مع تطور نبضات الليزر بالأشعة تحت الحمراء فائقة السرعة (فيمتوثانية) . في هذه التجربة، تُطبَّق أولًا مجموعة من نبضات الضخ على العينة، ثم يُترك النظام ليسترخي لفترة زمنية محددة. تتراوح فترة الانتظار عادةً بين الصفر وعدة بيكو ثانية، ويمكن التحكم في مدتها بدقة تصل إلى عشرات الفيمتوثانية. بعد ذلك، تُطبَّق نبضة استشعار، مما يؤدي إلى انبعاث إشارة من العينة. يُمثِّل طيف الأشعة تحت الحمراء ثنائي الأبعاد غير الخطي مخططًا ترابطيًا ثنائي الأبعاد للتردد ω1 _الذي أُثير بواسطة نبضات الضخ الأولية، والتردد ω3 _الذي أُثير بواسطة نبضة الاستشعار بعد فترة الانتظار. يسمح هذا بملاحظة الاقتران بين أنماط الاهتزاز المختلفة؛ وبفضل دقته الزمنية العالية للغاية، يُمكن استخدامه لمراقبة الديناميكيات الجزيئية على نطاق زمني بيكوثانية. لا تزال هذه التقنية غير مستكشفة إلى حد كبير، وهي تزداد شعبية في البحوث الأساسية.

كما هو الحال في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي ثنائية الأبعاد ( 2DNMR )، تعمل هذه التقنية على نشر الطيف في بعدين، مما يسمح بملاحظة قمم التداخل التي تحتوي على معلومات حول الاقتران بين الأنماط المختلفة. وعلى عكس 2DNMR، تتضمن مطيافية الأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد غير الخطية أيضًا الإثارة إلى النغمات التوافقية. وتؤدي هذه الإثارات إلى ظهور قمم امتصاص الحالة المثارة أسفل القمم القطرية وقمم التداخل. في 2DNMR، تُستخدم تقنيتان متميزتان بشكل متكرر، وهما COSY و NOESY . ترتبط قمم التداخل في الأولى بالاقتران القياسي، بينما ترتبط في الثانية بانتقال اللف المغزلي بين النوى المختلفة. في مطيافية الأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد غير الخطية، تم وضع نظائر لهذه التقنيات. تتوافق مطيافية الأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد غير الخطية ذات زمن الانتظار الصفري مع COSY، بينما تتوافق مطيافية الأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد غير الخطية ذات زمن الانتظار المحدود الذي يسمح بانتقال التوزيع الاهتزازي مع NOESY. تم استخدام نوع COSY من مطيافية الأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد غير الخطية لتحديد محتوى البنية الثانوية للبروتينات. ^{[ 52 ]}

• التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء للكيميائيين العضويين
• قاعدة بيانات طيف المركبات العضوية، مؤرشفة بتاريخ 14 يناير 2013 على موقع Wayback Machine.