التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ثنائي الأبعاد

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة
تسلسل النبضات المستخدم للحصول على طيف الأشعة تحت الحمراء ثنائي الأبعاد بتقنية تحويل فورييه :ت1{\displaystyle t_{1}}هو زمن التماسك،ت2{\displaystyle t_{2}}هو وقت الانتظار. تحويل فورييه بالنسبة إلىت1{\displaystyle t_{1}}يوفر طيف الإثارة (التردد)ω1{\displaystyle \omega _{1}}).

يُعدّ التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ثنائي الأبعاد ( 2D IR ) تقنيةً غير خطية في مجال التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ، تتميز بقدرتها على ربط أنماط الاهتزاز في الأنظمة المكثفة. توفر هذه التقنية معلوماتٍ تتجاوز ما توفره أطياف الأشعة تحت الحمراء الخطية، وذلك من خلال نشر معلومات الاهتزاز على محاور متعددة، مما ينتج عنه طيف ارتباط التردد. [ 1 ] [ 2 ] يمكن لطيف ارتباط التردد أن يوفر معلوماتٍ هيكلية، مثل اقتران أنماط الاهتزاز، واللا توافقية ، بالإضافة إلى معلوماتٍ عن الديناميكيات الكيميائية، مثل معدلات نقل الطاقة والديناميكيات الجزيئية، بدقة زمنية تصل إلى الفيمتوثانية. لم تُصبح تجارب 2DIR ممكنة إلا مع تطور الليزر فائق السرعة والقدرة على توليد نبضات الأشعة تحت الحمراء الفيمتوثانية.

الأنظمة المدروسة

من بين الأنظمة العديدة التي تمت دراستها باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء: الماء ، وكربونيلات المعادن ، والببتيدات القصيرة ، والبروتينات ، والخلايا الشمسية البيروفسكيتية ، وقليلات الحمض النووي . [ 3 ] [ 4 ]

المناهج التجريبية

هناك نهجان رئيسيان للتحليل الطيفي ثنائي الأبعاد، وهما طريقة تحويل فورييه ، حيث يتم جمع البيانات في المجال الزمني ثم تحويلها باستخدام فورييه للحصول على طيف ارتباط ثنائي الأبعاد بين الترددات، ونهج مجال التردد حيث يتم جمع جميع البيانات مباشرة في مجال التردد.

المجال الزمني

تعتمد طريقة المجال الزمني على تطبيق نبضتين ضخيتين. النبضة الأولى عندت=0{\displaystyle t=0}يُنشئ ذلك ترابطًا بين أنماط اهتزاز الجزيء والنبضة الثانية عندت1{\displaystyle t_{1}}يُنشئ هذا التفاعل مجموعة من الجزيئات، مما يُخزّن المعلومات فيها. بعد فترة انتظار محددة، تتراوح من الصفر إلى بضع مئات من البيكوثانية ، يتفاعل النبض الثالث مع نبضة أخرى مُحدثًا تماسكًا، والذي يُشعّ إشارة تحت حمراء نتيجة لتذبذب ثنائي القطب. تُخلط الإشارة المُشعّة مع نبضة مرجعية لاستخلاص معلومات التردد والطور ؛ وعادةً ما تُجمع الإشارة في نطاق التردد باستخدام مطياف، مما يُتيح الحصول على تردد الكشف .ω3{\displaystyle \omega _{3}}تحويل فورييه على طولت1{\displaystyle t_{1}}ثم ينتج عنه (ω1{\displaystyle \omega _{1}}،ω3{\displaystyle \omega _{3}}طيف الارتباط. في جميع هذه القياسات، يجب الحفاظ على استقرار الطور بين النبضات. وقد طُوّرت مؤخرًا أساليب تشكيل النبضات لتبسيط التغلب على هذا التحدي. [ 5 ] [ 6 ]

مجال التردد

وبالمثل، في منهجية مجال التردد، يتم تطبيق نبضة ضخ ضيقة النطاق، وبعد فترة انتظار معينة، يتم تطبيق نبضة واسعة النطاق لاستكشاف النظام. ويتم الحصول على طيف ارتباط ثنائي الأبعاد عن طريق رسم طيف تردد الاستكشاف عند كل تردد ضخ.

التفسير الطيفي

رسم تخطيطي لطيف الأشعة تحت الحمراء ثنائي الأبعاد. تمثل الدوائر الحمراء تلاشي الحالة الأرضية، بينما تمثل الدوائر الزرقاء امتصاص الحالة المثارة. أما الدوائر الأصغر خارج القطر فتمثل اقتران الحالتين. يظهر طيف الامتصاص الخطي (FTIR) أعلى طيف الأشعة تحت الحمراء ثنائي الأبعاد. لا تكشف القمتان في الطيف أحادي البعد عن أي معلومات حول اقتران الحالتين.

بعد انقضاء فترة الانتظار في التجربة، يُمكن الوصول إلى حالتين مُثارتين . ينتج عن ذلك ظهور قمة توافقية. يُمكن قراءة اللا توافقية للاهتزاز من الأطياف كالمسافة بين القمة القطرية والقمة التوافقية. من المزايا الواضحة لأطياف الامتصاص ثنائي الأبعاد بالأشعة تحت الحمراء (2DIR) مقارنةً بأطياف الامتصاص الخطي العادية، أنها تكشف عن الاقتران بين الحالات المختلفة. وهذا يسمح، على سبيل المثال، بتحديد الزاوية بين ثنائيات الأقطاب الانتقالية المعنية.

تكمن القوة الحقيقية لتقنية مطيافية الأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد (2DIR) في قدرتها على تتبع العمليات الديناميكية، مثل التبادل الكيميائي، وتضييق نطاق الحركة ، وانتقال التوزيع الاهتزازي، وإعادة توجيه الجزيئات، وذلك على نطاق زمني دون البيكوثانية. وقد استُخدمت بنجاح، على سبيل المثال، لدراسة تكوين الروابط الهيدروجينية وكسرها، ولتحديد هندسة الحالة الانتقالية لإعادة ترتيب بنيوي في مركب كربونيل الحديد. [ 7 ] ويمكن الاستعانة بالأساليب النظرية المتطورة في تفسير الأطياف. [ 8 ]

يوجد حاليًا حزمتان متاحتان مجانًا لنمذجة أطياف الأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد. وهما SPECTRON [ 9 ] الذي طورته مجموعة موكاميل (جامعة كاليفورنيا، إرفاين) وبرنامج NISE [ 10 ] [ 11 ] الذي طورته مجموعة جانسن (جامعة جرونينجن).

تأثير المذيب

لقد ثبت أن مراعاة تأثير المذيب أمر بالغ الأهمية [ 12 ] [ 13 ] لوصف الاقتران الاهتزازي في المحلول بشكل فعال، حيث يُعدِّل المذيب كلاً من الترددات الاهتزازية واحتمالات الانتقال [ 14 ] والاقترانات. [ 15 ] [ 16 ] ويمكن لمحاكاة الحاسوب أن تكشف عن البصمات الطيفية الناجمة عن درجات حرية المذيب وتغيرها عند إعادة تنظيم جزيئات الماء. [ 17 ] [ 18 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ب. هام؛ م. هـ. ليم؛ ر. م. هوخستراسر (1998). "بنية نطاق الأميد الأول للببتيدات المقاسة بواسطة مطيافية الأشعة تحت الحمراء غير الخطية بالفيمتوثانية". مجلة الكيمياء الفيزيائية ب . 102 (31): 6123. doi : 10.1021/jp9813286 .
  2. ↑ زاني، م.؛ هوخستراسر، ر.م. (2001). "مطيافية الأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد: طريقة جديدة واعدة للتحليل الزمني للهياكل". الرأي الحالي في علم الأحياء الهيكلي . 11 (5): 516-22 . doi : 10.1016/S0959-440X(00)00243-8 . PMID 11785750 . 
  3. ↑ س. موكاميل (2000). "مطيافية الارتباط متعددة الأبعاد بالفيمتوثانية للإثارات الإلكترونية والاهتزازية". المراجعة السنوية للكيمياء الفيزيائية . 51 : 691-729 . Bibcode : 2000ARPC...51..691M . doi : 10.1146/annurev.physchem.51.1.691 . PMID 11031297. S2CID 31230696 .  
  4. ↑ MH Cho (2008). "مطيافية بصرية ثنائية الأبعاد متماسكة". Chemical Reviews . 108 (4): 1331–1418 . doi : 10.1021/cr078377b . PMID 18363410 . 
  5. ↑ "مُشكِّل نبضات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2016-03-03.
  6. ↑ ستون، ك. و.؛ غوندوغدو، ك.؛ تيرنر، د. ب.؛ لي، إكس.؛ كونديف، س. ت.؛ نيلسون، ك. أ. (2009). "مطيافية تحويل فورييه ثنائية الأبعاد الكمومية". مجلة ساينس . 324 (5931): 1169-1173 . doi : 10.1126/science.1170274 . PMID 19478176. S2CID 33665702 .  
  7. ↑ كاهون، جيه إف؛ سوير، كيه آر؛ شليغل، جيه بي؛ هاريس، سي بي (2008). "تحديد هندسة الحالة الانتقالية في السوائل باستخدام الأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد" . مجلة ساينس (مخطوطة مُقدمة). 319 (5871): 1820-1823 . رمز Bibcode : 2008Sci...319.1820C . doi : 10.1126/science.1154041 . PMID 18369145. S2CID 206511012 .  
  8. ↑ ليانغ، سي.؛ جانسن، تي إل سي (2012). "مخطط انتشار فعال بتوسيع نطاق N3 لمحاكاة أطياف الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي ثنائية الأبعاد". مجلة نظرية الحساب الكيميائي . 8 (5): 1706-1713 . doi : 10.1021/ct300045c . hdl : 11370/bc0baef0-d27f-4f67-95a6-ebccd323f530 . PMID 26593664 . 
  9. ↑ "مجموعة موكاميل: البرمجيات" . mukamel.ps.uci.edu .
  10. ↑ جانسن، تي إل سي (2021). "التحليل الطيفي الحاسوبي للأنظمة المعقدة" . مجلة الفيزياء الكيميائية . 155 (17): 170901. Bibcode : 2021JChPh.155q0901J . doi : 10.1063/5.0064092 . hdl : 11370/cedb4316-5fac-4df3-9935-ff050f108adc . PMID 34742221 . 
  11. ^ "إصدار جيثب NISE" . جيثب.كوم .
  12. ↑ ديشامب، إم إف؛ دي فلوريس، إل؛ مكراكين، جيه إم؛ توكماكوف، إيه؛ كواك، كيه؛ تشو، إم إتش (2005). "ديناميكيات اهتزاز الأميد الأول لـ N-ميثيل أسيتاميد في المذيبات القطبية: دور التفاعلات الكهروستاتيكية". مجلة الكيمياء الفيزيائية ب . 109 (21): 11016-26 . doi : 10.1021/jp050257p . PMID 16852342 . 
  13. ↑ لي، تشيووك؛ تشو، مينهاينغ (2007). "الديناميكيات الاهتزازية للحمض النووي: الجزء الرابع. الخصائص الطيفية الاهتزازية للحمض النووي من النوع A وB وZ". مجلة الفيزياء الكيميائية 126 (14): 145102. Bibcode : 2007JChPh.126n5102L . doi : 10.1063/1.2715602 . PMID 17444751 . 
  14. ↑ شميدت، جيه آر؛ كورسيلي، إس إيه؛ سكينر، جيه إل (2005). "تأثيرات غير كوندونية بارزة في مطيافية الأشعة تحت الحمراء فائقة السرعة للماء" . مجلة الفيزياء الكيميائية . 123 (4): 044513. Bibcode : 2005JChPh.123d4513S . doi : 10.1063/1.1961472 . PMID 16095375 . 
  15. ↑ غوربونوف، ر.د.؛ كوسوف، د.س.؛ ستوك، ج. (2005). "نموذج إكسيتون قائم على مبادئ أولية لاهتزازات الأميد الأول في الببتيدات: التعريف، والاعتماد على التشكيل، وقابلية النقل". مجلة الفيزياء الكيميائية . 122 (22): 224904. رمز Bibcode : 2005JChPh.122v4904G . doi : 10.1063/1.1898215 . PMID 15974713. S2CID 13626090 .  
  16. ↑ بيانكاردي، أ.؛ كامي، ر.؛ مينوتشي، ب.؛ توماسي، ج. (2011). "نمذجة الاقتران الاهتزازي في قليل النوكليوتيدات DNA: استراتيجية حسابية تجمع بين نماذج ميكانيكا الكم ونماذج المذيبات المتصلة". حسابات الكيمياء النظرية: النظرية، والحساب، والنمذجة . 131 (3): 1157. doi : 10.1007/s00214-012-1157-3 . S2CID 96524330 . 
  17. ↑ بارون، ريكاردو؛ سيتني، بيوتر؛ بايساني، فرانشيسكو (2012). "بنية الماء، وديناميكياته، وبصماته الطيفية: التغيرات عند التعرف على تجويف نموذجي للرابطة". مجلة الكيمياء الفيزيائية ب . 116 (46): 13774-13780 . doi : 10.1021/jp309373q . PMID 23102165 . 
  18. ↑ جانسن، تي إل سي؛ نوستر، ج. (2006). "خريطة كهروستاتيكية قابلة للنقل لتأثيرات الذوبان على اهتزازات الأميد الأول وتطبيقها على التحليل الطيفي الخطي وثنائي الأبعاد" (ملف PDF) . مجلة الفيزياء الكيميائية . 124 (4): 044502. Bibcode : 2006JChPh.124d4502L . doi : 10.1063/1.2148409 . hdl : 11370/ff86995f-bb47-4312-9e26-25b3f6980669 . PMID 16460180 .