Qu’est-ce que le FTIR?
La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, également connue sous le nom d’analyse FTIR ou de spectroscopie FTIR, est une technique analytique utilisée pour identifier les matériaux organiques, polymères et, dans certains cas, inorganiques. La méthode d’analyse FTIR utilise la lumière infrarouge pour balayer les échantillons à tester et observer les propriétés chimiques.
Comment fonctionne la FTIR ?
L’appareil IRTF envoie un rayonnement infrarouge d’environ 10 000 à 100 cm-1 à travers un échantillon, une partie du rayonnement étant absorbée et une autre traversée. Le rayonnement absorbé est converti en énergie rotationnelle et/ou vibratoire par les molécules de l’échantillon. Le signal résultant au niveau du détecteur se présente sous la forme d’un spectre, typiquement de 4000 cm-1 à 400cm-1, représentant une empreinte moléculaire de l’échantillon. Chaque molécule ou structure chimique produira une empreinte spectrale unique, ce qui fait de l’analyse IRTF un excellent outil d’identification chimique.
À quoi sert l’IRTF ?
La spectroscopie FTIR est une technique établie pour le contrôle de la qualité lors de l’évaluation des matériaux fabriqués industriellement, et peut souvent servir de première étape dans le processus d’analyse des matériaux. Un changement dans le motif caractéristique des bandes d’absorption indique clairement un changement dans la composition du matériau ou la présence d’une contamination. Si des problèmes avec le produit sont identifiés par une inspection visuelle, l’origine est généralement déterminée par la microanalyse FTIR. Cette technique est utile pour analyser la composition chimique de plus petites particules, généralement de 10 à 50 microns, ainsi que de plus grandes zones sur la surface.
L’analyse FTIR est utilisée pour :
- Identifier et caractériser des matériaux inconnus (par exemple, des films, des solides, des poudres ou des liquides)
- Identifier la contamination sur ou dans un matériau (par exemple, particules, fibres, poudres ou liquides)
- Identifier les additifs après extraction d’une matrice polymère
- Identifier l’oxydation, la décomposition, ou les monomères non polymérisés dans les enquêtes d’analyse des défaillances
Interprétation du spectre IRTF
Nous avons montré que la spectroscopie IRTF est un outil très puissant avec de nombreuses applications, cependant l’interprétation des données n’est pas simple. Par nature, le spectre total généré est une fonction en série de la réponse énergétique absorbée (d’où la partie transformée de Fourier du nom). Les bandes absorbées présentées dans le spectre ne sont que peu discrètes et dégénératives. Le « pic » particulier d’énergie à un certain nombre d’ondes peut se déplacer en fonction d’autres facteurs chimiques et matriciels (ainsi que de la manière dont l’énergie incidente est introduite). Par conséquent, nous ne disposons pas simplement d’une table de « consultation » pour dire à quelle bande d’énergie particulière appartient absolument. Le spectre doit être interprété comme un système complet et exige donc probablement les analystes les plus expérimentés dans toutes les techniques spectrographiques pour caractériser correctement la fonctionnalité présentée. Oui, il existe des bibliothèques qui peuvent donner des informations de recherche, mais ces bibliothèques sont limitées en portée et en profondeur par rapport aux millions de produits chimiques industriels utilisés, et elles ne tiendront pas compte non plus des mélanges de produits chimiques qui peuvent donner des informations de recherche erronées.
Bien qu’il s’agisse généralement d’un outil qualitatif pour l’identification des matériaux, l’analyse IRTF peut également être utilisée comme un outil quantitatif pour quantifier des groupes fonctionnels spécifiques, lorsque la chimie est comprise et que des matériaux de référence standard sont disponibles. L’intensité de l’absorbance sera corrélée à la quantité de fonctionnalité présente dans l’échantillon. Par exemple, nous utilisons l’IRTF pour l’analyse quantitative afin de caractériser la quantité d’eau dans un échantillon d’huile et le degré d’oxydation et de nitration d’une huile. Nous avons même développé une méthode pour caractériser le degré de paraffinisme ou de naphtalinisme d’un échantillon d’huile. Il faut cependant noter que l’IRTF est une technique d’analyse » en vrac « , en ce sens que peu d’informations peuvent être obtenues à partir de traces ou de petites concentrations de matière dans un échantillon (généralement plus de 5 % de constituant).
Techniques d’introduction d’échantillons IRTF
Une analyse IRTF appropriée ne vaut que par la capacité à introduire et à observer l’énergie d’une matrice particulière. Heureusement, nous disposons de nombreuses techniques de préparation et d’introduction d’échantillons dans le laboratoire pour analyser correctement l’échantillon. Au début de la spectroscopie infrarouge, la seule méthode d’analyse disponible était la transmission. Pour une analyse par transmission, l’échantillon devait être rendu translucide au laser et à l’énergie infrarouge, en insérant directement l’échantillon dans le chemin optique, en coulant un film mince sur un cristal de sel, ou en mélangeant une version en poudre de l’échantillon avec un sel et en le coulant.
Aujourd’hui, cependant, nous avons la capacité d’utiliser non seulement des techniques de transmission, mais aussi des techniques de réflectance. En raison de la possibilité de focaliser et de manipuler le faisceau incident avec l’optique, nous nous appuyons généralement sur des variations des techniques ATR (réflectance totale atténuée) pour introduire et observer l’énergie. L’ATR consiste à utiliser un phénomène de réflectance interne pour propager l’énergie incidente. Le faisceau est introduit dans un cristal à un angle d’incidence qui permet à la réflectance interne de « rebondir » au bas et au haut du cristal avant de quitter le cristal sur le côté opposé. L’échantillon est mis en contact avec le cristal par le haut, de sorte qu’une interaction énergétique se produit à l’interface cristal-échantillon, où se trouvent les positions de rebond. Généralement, plus il y a de positions de rebond, plus le transfert d’énergie est important (et donc une meilleure réponse spectrale), cependant les systèmes à rebond unique sont utilisés lorsqu’une très petite zone doit être analysée.
Pour les échantillons liquides et pâteux. échantillons, nous utiliserons généralement une technique HATR (Horizontal Attenuated Total Reflectance) multi bounce qui consistera à placer l’échantillon sur une plaque de cristal ou une auge en position horizontale de telle sorte que la gravité agisse pour établir le contact intime avec la cellule. On peut utiliser différents cristaux qui affecteront la profondeur de pénétration dans l’échantillon. Par exemple, nous utiliserons un cristal de germanium pour l’analyse du caoutchouc afin de limiter l’effet des matériaux à forte absorption IR dans le caoutchouc (à savoir le noir de carbone), mais pour les échantillons normaux de tous les jours, le cristal de séléniure de zinc est le cristal de choix pour la durabilité, la résistance à l’humidité et la profondeur de pénétration.
Lorsque nous cherchons à focaliser le faisceau sur de petites zones d’intérêt, nous utiliserons un accessoire micro-ATR sur le banc FTIR pour focaliser le faisceau sur un cristal ATR à rebond unique. Avec une capacité d’observation optique à travers la cellule ATR, nous pouvons positionner l’échantillon pour qu’il soit en contact intime avec le cristal ATR, la zone d’irradiation occupant environ 0,2 mm de diamètre.
Lorsqu’un positionnement précis est nécessaire pour caractériser une zone d’échantillon, une couche ou une particule microfine, nous déplaçons l’analyse vers un système FTIR microscopique qui a une résolution de positionnement de l’ordre de 10 microns de diamètre. Le FTIR microscopique en mode réflectance nous permet d’introduire une sonde ATR directement dans la zone d’intérêt en utilisant des optiques microscopiques en conjonction avec le faisceau infrarouge focalisé. Cette technique nous permet également de résoudre spatialement la chimie différentielle dans une très petite zone.
En plus des techniques de réflectance ATR ci-dessus, nous disposons également d’autres techniques de réflectance telles que la réflectance spéculaire, qui est la mesure de l’énergie d’une réflectance de surface réelle à un seul angle de mesure ; et la réflectance diffuse, qui est la mesure de l’énergie d’une réflectance de surface réelle à plusieurs angles de mesure. Votre analyste-conseil peut vous conseiller sur la technique qui sera la plus appropriée pour votre application, votre matrice et votre objectif de mesure.