Kızılötesi Spektroskopisi Nedir?

Işık, farklı dalga boylarında ve frekanslarda yayılabilir. İnsan gözü, "görünür bölge" olarak adlandırılan 380 nm ile 700 nm arasındaki dalga boylarını algılayabilir. Kızılötesi ışınların dalga boyları 750 nm ile 1000$\mu$m (yani 1 milimetre) arasındadır. Bu nedenle insanlar, kızılötesi ışınları göremezler; ancak bu dalga boyunu ısı olarak hissedebilirler.

Her atom ya da molekül elektromanyetik ışınım ile etkileşime girdiğinde karakteristik bir özellik gösterir. Kızılötesi spektroskopisi, kızılötesi ışık ile etkileşime giren maddeyi inceler. Madde kızılötesi ışık ile etkileşime girdiğinde ışınların bir kısmını soğurur ve maddeyi oluşturan moleküllerin titreşim enerji seviyeleri uyarılır. Bu sayede, kızılötesi spektroskopisi ile atomların titreşim enerji seviyeleri ölçülerek fonksiyonel grupların belirlenmesi mümkün olduğu gibi, maddenin moleküler yapısı ve molekülün madde içindeki miktarı gibi bilgilere ulaşmak da mümkün olur.

Madde ile etkileşime giren çeşitli dalga boylarındaki ışınımların bazıları soğurulur ve ışınım enerjisi, maddeye aktarılır. Bu durumda madde, "uyarılmış" hale geçer. Uyarılmış madde, soğurduğu ışınım enerjisini geri vererek, "temel" haline geri döner. Bu olay, moleküllerin dipol momentinde değişimlere neden olur.

Homonükleer moleküller dışında tüm moleküller, kızılötesi ışınları soğururlar ve belirli bir kızılötesi spektrumu yayarlar. Çünkü bir molekülün kızılötesi spektrumunun alınabilmesi için, kızılötesi ışık ile etkileşime girdiğinde dipol momentinde bir değişiklik olması gerekir. Yani molekülün dipol momenti yoksa, kızılötesi spektroskopisi ölçülemez. Ayna simetrisine sahip olan oksijen, nitrojen (azot), karbon dioksit ve karbon tetraklorür gibi moleküllerde kalıcı dipol momentleri bulunmaz. Tabii ki bu moleküller, dışarıda var olan bir elektromanyetik alanın etkisiyle geçici olarak dipol momentine kavuşabilirler.

Kızılötesi spektroskopisi, dalga boyuna, dalga sayısına ve frekansına göre yakın, orta, uzak olmak üzere üç bölgeye ayrılmıştır. Analizi yapılan maddenin bu bölgelerdeki davranışları, madde hakkında bilgiler verir.

Kızılötesi spektrum almak için genellikle Fourier dönüşümlü kızılötesi (FT-IR) spektrometreler kullanılır. FT-IR spektrometreleri, bir ışık kaynağı, bir ışın bölücü ve detektör olmak üzere üç kısımdan oluşur. Fourier dönüşümlü kızılötesi spektrometrelerde genellikle Michelson interferometresi yöntemi kullanılır. Michelson interferometresi, ışık kaynağı, sabit ayna, hareketli ayna ve detektör olmak üzere dört kısımdan oluşur.

Işın bölücü, kızılötesi kaynaktan çıkan ışığı iki eşit parçaya bölerek iki farklı optik yol oluşmasını sağlar. Işınlardan biri sabit aynadan yansıyarak detektöre ulaşır. Diğer ışın ise hareketli aynadan yansıyarak detektöre ulaşır. Eğer ışınların aldığı yollar eşit ise, optik yol farkı sıfır (ZPD) olur. Hareketli ayna çalıştırıldığında eşitlik bozulur ve optik yol farkı meydana gelir. Optik yol farkı, kaynaktan gelen ışığın tam katlarına eşitse yapıcı girişim oluşur ve sinyal kuvvetlenir.

$\delta =n\lambda$ n=0,1,2,3,... (n bir tam sayı)

Optik yol farkı, kaynaktan gelen ışığın dalga boyunun tek katlarına eşitse yıkıcı girişim oluşur ve sinyal yok olur.

$\delta =(n+\genfrac{}{}{0ex}{}{1}{2})\lambda$ n=0,1,2,3,... (n bir tam sayı)

Wikimedia Commons

Kızılötesi spektroskopisi, organik kimya ve anorganik kimyada bilinmeyen maddelerin analizinde kullanıldığı gibi protein karakterizasyonu, yarıiletken analizi, uzay araştırmaları, gıda, ilaç, ahşap, toprağın fiziksel ve kimyasal analizi gibi çeşitli alanlarda kalite kontrol için de kullanılmaktadır.

Ayrıca kızılötesi spektroskopisi adli kimyada çok önemli bir yere sahiptir. Adli bir olayda bölgede bulunan saç, kan, yağ, tükürük gibi kalıntıların ve olay yerinde bulunan boya, patlayıcı, yapıştırıcı, ilaç gibi maddelerin neden olduğu lekelerin içerikleri kızılötesi spektroskopisi ile kolaylıkla belirlenebilir. Bu veriler olay ve orada bulunan kişiler hakkında bilgiler verir. Adli kimyada, kızılötesi spektroskopisinin kullanılmasının en önemli sebepleri analiz edilecek maddenin yapısını bozmadan incelenmesine olanak sağlaması ve çok az miktarda numune ile yeterli bilgiye ulaşılabilmesidir.

Kızılötesi spektroskopisinin hızlı, kolay ve uygun maliyetli olması çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılmasını sağlamaktadır.