آشکارسازی حركات درونی مولكول برانگیخته

شیمی‌دان‌ها نخستین طیف فروسرخ یك تركیب فلزی را در لحظه‌ای كه با یك فوتون، یعنی یك كوانتوم نور، برانگیخته می‌شود ثبت كردند. این طیف بینشی درباره ساختار درونی یك مولكول به دست می‌دهد، زیرا مولكول موقعی نور فروسرخ گسیل می‌كند كه تغییراتی در ارتعاشات درونی آن ایجاد شود. جیم ترنر و همكارانش در دانشگاه ناتینگهام تركیب كمپلكسی از فلزات رنیم را بررس كرده‌اند. این تركیب پس از جذب یك فوتون، فقط به مدت یك میلیونیم ثانیه به حالت برانگیخته باقی می‌ماند. طیفی كه پژوهشگران به دست آورده‌اند حاكی از آن است كه بعضی از پیوندهای شیمیایی ماده مركب در حالت برانگیخته قوی‌تر می‌شوند. پژوهش درباره این مولكول‌های برانگیخته از لحاظ نقشی كه در طبیعت دارند حائز اهمیت است. مثلاً فقط یك فوتون كافی است كه الكترون‌های مولكولی مانند كلروفیل را فعال كند. فوتون مولكول را به حالتی بر می‌انگیزاند كه می‌تواند كربن دیوكسید را به كربوهیدرات و اكسیژن تبدیل كند.
شیمی‌دان‌ها برای آشكار كردن این رمز و سایر فرایندهای فوتوشیمیایی، باید دقیقاً بدانند كه در مولكول، در لحظه‌ای كه با یك فوتون برانگیخته می‌شود، چه اتفاقی می‌افتد. با كسب این اطلاعات آن‌ها خواهند توانست كاتالیزورهایی بسازند كه این كاتالیزرها با استفاده از نور خورشید می‌توانند بعضی مواد خام مورد نیاز صنایع شیمیایی را فراهم كنند. برای این كار شیمیدان‌ها به خصوص باید بدانند كه ورود ناگهانی انرژی دقیقاً چه اثری بر پیوندهای مولكول دارد. اما بررسی این امر كاری مشكل است، زیرا روش‌ها و فنونی – از قبیل تحلیل پرتو x و طیف بینی تشدید مغناطیسی هسته‌ای یا طیف بینی فروسرخ – كه پژوهشگران معمولاً برای به دست آوردن چنین اطلاعاتی به كار می‌گیرند، مستلزم آن است كه مولكول دست كم در مدتی كه تحت بررسی است، پایدار باشد.
ترنر و همكارانش از نوعی طیف بینی فروسرخ جدید موسوم به طیف بینی فروسرخ تفكیك شده زمانی (TRIR) استفاده كردند. این روش می‌تواند اطلاعات ساختاری درباره انواع بسیار ناپایدار فراهم آورد.
نحوه كار طیف سنج فروسرخ این است كه یك باریكه فروسرخ از نمونه ماده مورد نظر عبور داده می‌شود و طول موج‌هایی كه در آن‌ها نور جذب می‌شود، ثبت می‌شود. نور فروسرخ وقتی جذب می‌شود كه فركانس آن با فركانس ارتعاشات اتم‌های مولكول مطابقت داشته باشد. اتم‌های یك مولكول را می‌توان به صورت گلوله‌هایی تصور كرد كه با فنرهایی به هم متصل شده‌اند و این فنرها موجب ارتعاش گلوله‌ها می‌شوند. غالباً فركانسی كه در آن نور جذب می‌شود می‌تواند مربوط به پیوند شیمیایی خاصی در مولكول – مانند پیوند كربن و اكسیژن باشد.
معمولاً تهیه طیف فروسرخ یك نمونه فقط چند دقیقه طول می‌كشد. ولی، شیمیدان‌ها باید روش‌های خاصی را به كار بگیرند تا طیف فروسرخ یك مولكول بسیار ناپایدار را به دست بیاورند. یك راه، منجمد كردن آن ماده در ماتریسی از گاز جامد آرگون در دمای ℃263- است. در چنین دمای كمی، مولكول می‌تواند مدت زیادی دوام بیاورد تا مشاهده طیف آن امكان‌پذیر شود. ولی، این روش انجمادی در مورد مولكولی كه در حالت برانگیخته است كارساز نیست.
ترنر و همكارانش با تهیه مرحله به مرحله طیف فروسرخ مولكول تحریك شده این مشكل را حل كردند. آن‌ها مولكول را با یك جرقه لیزری به طول موج 308 نانومتر تحریك كردند. چند میكرو ثانیه بعد، مولكول را با نور فروسرخی كه فركانس معینی داشت وارسی كردند تا ببینند كه مولكول این نور را جذب می‌كند یا نه. سپس نمونه دیگری از این تركیب را تحریك كردند و آن را با نور فروسرخی كه فركانس‌اش اندكی بیشتر بود وارسی كردند. به این ترتیب، توانستند ذره ذره تصویر فروسرخ مولكول تحریك شده را بسازند. ماده مركبی كه ترنر و همكارانش آن را بررسی كردند كمپلكسی از رنیم بود كه در آن كلر، بی‌پیریدیل و گروه‌های كربن مونواكسید به اتم فلز مركزی متصل شده بودند. گروه‌های كربن مونواكسید دلیلی بود بر اینكه آنچه ترنر و همكارانش دیده‌اند نور فروسرخ گسیل شده از تركیب در حالت برانگیخته بوده است.
آن‌ها از روی طیف فروسرخ به دست آمده دریافتند كه وقتی مولكول با یك فوتون نور برخورد كند فركانس ارتعاشی گروه‌های كربن مونواكسید زیاد می‌شود.
پژوهشگران اكنون در تدارك آن‌اند كه طیف نمایی فروسرخ تفكیك شده زمانی، كاربرد عمومی پیدا كند. در دهه 1990 این روش، روشی استاندارد در آزمایش‌های شیمی خواهد شد.