Co je FTIR?
Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací, známá také jako FTIR analýza nebo FTIR spektroskopie, je analytická technika používaná k identifikaci organických, polymerních a v některých případech i anorganických materiálů. Metoda analýzy FTIR využívá infračervené světlo ke skenování testovaných vzorků a pozorování chemických vlastností.
Jak funguje FTIR?
Přístroj FTIR vysílá infračervené záření o vlnové délce přibližně 10 000 až 100 cm-1 přes vzorek, přičemž část záření je pohlcena a část projde. Absorbované záření se v molekulách vzorku přemění na rotační a/nebo vibrační energii. Výsledný signál se na detektoru zobrazí jako spektrum, obvykle od 4000 cm-1 do 400 cm-1, které představuje molekulární otisk vzorku. Každá molekula nebo chemická struktura vytvoří jedinečný spektrální otisk, díky čemuž je analýza FTIR skvělým nástrojem pro chemickou identifikaci.
K čemu se používá FTIR?
FTIR spektroskopie je zavedenou technikou pro kontrolu kvality při hodnocení průmyslově vyráběného materiálu a často může sloužit jako první krok v procesu analýzy materiálu. Změna charakteristického vzoru absorpčních pásů jasně indikuje změnu složení materiálu nebo přítomnost kontaminace. Pokud jsou problémy s výrobkem zjištěny vizuální kontrolou, původ se obvykle určí pomocí mikroanalýzy FTIR. Tato technika je užitečná pro analýzu chemického složení menších částic, obvykle 10 – 50 mikrometrů, i větších ploch na povrchu.
Analýza FTIR se používá k:
- Identifikaci a charakterizaci neznámých materiálů (např. filmů, pevných látek, prášků nebo kapalin)
- Identifikaci kontaminace na materiálu nebo v něm (např, částice, vlákna, prášky nebo kapaliny)
- Identifikovat přísady po extrakci z polymerní matrice
- Identifikovat oxidaci, rozklad, nebo nevytvrzené monomery při vyšetřování analýzy poruch
Interpretace FTIR spekter
Ukázali jsme, že FTIR spektroskopie je velmi mocný nástroj s mnoha aplikacemi, interpretace dat však není jednoduchá. Z podstaty věci je celkové generované spektrum řadovou funkcí absorbované energetické odezvy (odtud část názvu Fourierova transformace). Absorbované pásy prezentované ve spektru jsou pouze do jisté míry diskrétní a degenerativní. Konkrétní „vrchol“ energie při určitém vlnovém čísle se může pohybovat na základě dalších chemických a matricových faktorů (a také podle způsobu zavedení dopadající energie). Proto nemáme jednoduše k dispozici „vyhledávací“ tabulku, která by říkala, do jakého pásma bude určitá energie bezpodmínečně patřit. Spektrum je třeba interpretovat jako celý systém, a proto při správné charakterizaci prezentované funkce vyžaduje pravděpodobně nejzkušenější analytiky ve všech spektrografických technikách. Ano, existují knihovny, které mohou poskytnout vyhledávací informace, ale tyto knihovny mají omezený rozsah a hloubku ve srovnání s miliony průmyslově používaných chemických látek a také nezohlední směsi chemických látek, které mohou poskytnout chybné vyhledávací informace.
Ačkoli se obvykle jedná o kvalitativní nástroj pro identifikaci materiálu, lze analýzu FTIR použít také jako kvantitativní nástroj pro kvantifikaci specifických funkčních skupin, pokud je chemie pochopena a jsou k dispozici standardní referenční materiály. Intenzita absorbance bude korelovat s množstvím funkčních skupin přítomných ve vzorku. FTIR využíváme například ke kvantitativní analýze pro charakterizaci množství vody ve vzorku oleje a stupně oxidace a nitrace oleje. Vyvinuli jsme dokonce metodu pro charakterizaci toho, jak je vzorek oleje parafinický nebo naftenický. Je však třeba poznamenat, že FTIR je „objemová“ analytická technika v tom smyslu, že ze stopových nebo malých koncentrací materiálu ve vzorku (obvykle více než 5 % složky) lze získat jen málo informací.
Techniky zavádění vzorků FTIR
Vhodná analýza FTIR je tak dobrá, jak dobrá je schopnost zavést a pozorovat energii z konkrétní matrice. Naštěstí máme v laboratoři k dispozici mnoho technik přípravy a zavádění vzorků pro správnou analýzu. V počátcích infračervené spektroskopie byla jedinou dostupnou metodou analýzy transmisní analýza. Pro analýzu transmisí bylo nutné vzorek učinit průsvitným pro laser a infračervenou energii, a to přímým vložením vzorku do optické dráhy, odlitím tenké vrstvy na krystal soli nebo smícháním práškové verze vzorku se solí a odlitím.
Dnes však máme možnost používat nejen transmisní techniky, ale také techniky reflektance. Vzhledem k možnosti zaostřit a manipulovat s dopadajícím paprskem pomocí optiky se při zavádění a pozorování energie obvykle spoléháme na varianty technik ATR (Attenuated Total Reflectance). ATR zahrnuje využití jevu vnitřní odrazivosti k šíření dopadající energie. Paprsek je do krystalu zaveden pod takovým úhlem dopadu, který umožňuje vnitřní reflexi „odrazem“ na spodní a horní straně krystalu předtím, než krystal opustí na opačné straně. Vzorek se dostane do kontaktu s krystalem v horní části tak, aby došlo k interakci energie na rozhraní krystalu a vzorku, kde se nacházejí místa odrazu. Čím více míst odrazu, tím větší přenos energie (a tím lepší spektrální odezva), avšak systémy s jedním odrazem se používají v případě, že je třeba analyzovat velmi malou oblast.
Pro kapaliny a pasty vzorků budeme obvykle používat techniku HATR (Horizontal Attenuated Total Reflectance) multibounce, která zahrnuje umístění vzorku na krystalovou desku nebo žlábek v horizontální poloze tak, aby gravitace působila na intimní kontakt s buňkou. Lze použít různé krystaly, které ovlivní hloubku průniku do vzorku. Například pro analýzu pryže použijeme germaniový krystal, abychom omezili vliv vysoce IČ absorbujících materiálů v pryži (konkrétně sazí), ale pro běžné každodenní vzorky je pro trvanlivost, odolnost vůči vlhkosti a hloubku průniku zvolen krystal selenidu zinečnatého.
Pokud chceme zaměřit paprsek na malé oblasti zájmu, použijeme příslušenství micro-ATR na stole FTIR k zaměření paprsku na krystal ATR s jedním odrazem. Díky možnosti optického pozorování přes ATR buňku můžeme umístit vzorek tak, aby byl v těsném kontaktu s ATR krystalem, přičemž ozařovaná oblast zaujímá přibližně 0,2 mm v průměru.
Pokud je k charakterizaci oblasti vzorku, vrstvy nebo mikročástice zapotřebí přesné polohování, přesuneme analýzu do mikroskopického systému FTIR, který má polohovací rozlišení v řádu 10 mikrometrů v průměru. Mikroskopický FTIR v reflexním režimu nám umožňuje zavést ATR sondu přímo do oblasti zájmu pomocí mikroskopické optiky ve spojení s fokusovaným infračerveným paprskem. Tato technika nám také umožňuje prostorově rozlišit diferenciální chemii na velmi malé ploše.
Kromě výše uvedených technik reflektance ATR máme k dispozici také další reflektanční techniky, jako je zrcadlová reflektance, což je měření energie ze skutečného odrazu povrchu pod jedním úhlem měření, a difúzní reflektance, což je měření energie ze skutečného odrazu povrchu pod více úhly měření. Váš poradenský analytik vám poradí, která technika bude nejvhodnější pro vaši aplikaci, matrici a cíl měření.