Mi az FTIR?
A Fourier transzformációs infravörös spektroszkópia, más néven FTIR analízis vagy FTIR spektroszkópia egy analitikai technika, amelyet szerves, polimer és bizonyos esetekben szervetlen anyagok azonosítására használnak. Az FTIR elemzési módszer infravörös fényt használ a vizsgálati minták letapogatására és a kémiai tulajdonságok megfigyelésére.
Hogyan működik az FTIR?
Az FTIR műszer körülbelül 10 000 és 100 cm-1 közötti infravörös sugárzást küld át a mintán, amelynek egy része elnyelődik, másik része pedig áthalad. Az elnyelt sugárzást a minta molekulái forgási és/vagy rezgési energiává alakítják át. Az így kapott jel a detektoron spektrumként jelenik meg, jellemzően 4000 cm-1 és 400 cm-1 között, amely a minta molekuláris ujjlenyomatát mutatja. Minden molekula vagy kémiai szerkezet egyedi spektrális ujjlenyomatot produkál, így az FTIR-elemzés kiváló eszköz a kémiai azonosításhoz.
Mire használják az FTIR-t?
AFTIR-spektroszkópia az iparilag előállított anyagok értékelésénél a minőségellenőrzés bevett technikája, és gyakran az anyagvizsgálati folyamat első lépéseként szolgálhat. Az abszorpciós sávok jellegzetes mintázatának megváltozása egyértelműen jelzi az anyag összetételének változását vagy szennyeződés jelenlétét. Ha a termékkel kapcsolatos problémákat szemrevételezéssel azonosítják, az eredet meghatározása általában FTIR-mikroelemzéssel történik. Ez a technika hasznos a kisebb, jellemzően 10-50 mikrométeres részecskék, valamint a felületen lévő nagyobb területek kémiai összetételének elemzésére.
Az FTIR analízist a következőkre használják:
- Ismeretlen anyagok (pl. filmek, szilárd anyagok, porok vagy folyadékok) azonosítására és jellemzésére:
- az anyagon vagy az anyagban lévő szennyeződések azonosítására (Pl, részecskék, szálak, porok vagy folyadékok)
- Az adalékanyagok azonosítása a polimer mátrixból történő kivonás után
- Az oxidáció, bomlás, vagy kikeményítetlen monomerek azonosítása a hibaelemzési vizsgálatok során
FTIR spektrumok értelmezése
Megmutattuk, hogy az FTIR spektroszkópia egy nagyon hatékony eszköz, amelynek számos alkalmazása van, azonban az adatok értelmezése nem egyszerű. Természeténél fogva a keletkező teljes spektrum az elnyelt energiaválasz sorozatfüggvénye (innen a név Fourier-transzformációs része). A spektrumban bemutatott elnyelt sávok csak némileg diszkrétek és degeneratívak. Az adott “energiacsúcs” egy bizonyos hullámszámnál más kémiai és mátrix-tényezők alapján (valamint a beeső energia bevezetésének módja alapján) elmozdulhat. Ezért nem áll rendelkezésünkre egyszerűen egy “keresőtáblázat”, amely megmondja, hogy egy adott energiasáv abszolút hova fog tartozni. A spektrumot egész rendszerként kell értelmezni, és ezért valószínűleg az összes spektrográfiai technikában legtapasztaltabb analitikusoktól követeli meg a bemutatott funkcionalitás helyes jellemzését. Igen, léteznek olyan könyvtárak, amelyek keresési információt szolgáltatnak, de ezek a könyvtárak korlátozott terjedelműek és mélységűek az ipari vegyi anyagok millióihoz képest, és nem veszik figyelembe a vegyi anyagok keverékeit sem, amelyek hibás keresési információt szolgáltathatnak.
Bár jellemzően minőségi eszköz az anyagazonosításhoz, az FTIR-analízis kvantitatív eszközként is használható bizonyos funkciós csoportok számszerűsítésére, ha a kémia érthető és standard referenciaanyagok állnak rendelkezésre. Az abszorbancia intenzitása korrelál a mintában jelen lévő funkcionalitás mennyiségével. Például az FTIR-t mennyiségi elemzésre használjuk az olajmintában lévő víz mennyiségének, valamint az olaj oxidációjának és nitrációjának mértékének jellemzésére. Még annak jellemzésére is kifejlesztettünk egy módszert, hogy mennyire paraffinos vagy nafténes egy olajminta. Meg kell azonban jegyezni, hogy az FTIR egy “ömlesztett” analitikai technika, mivel a mintában lévő nyomokban vagy kis anyagkoncentrációkból (jellemzően 5%-nál nagyobb összetevők) kevés információ nyerhető.
FTIR minta bevezetési technikák
A megfelelő FTIR analízis csak annyira jó, amennyire az adott mátrixból származó energia bevezetésére és megfigyelésére képesek vagyunk. Szerencsére a laboratóriumban számos mintaelőkészítési és -beviteli technika áll rendelkezésünkre a minta megfelelő elemzéséhez. Az infravörös spektroszkópia kezdeti időszakában az egyetlen rendelkezésre álló elemzési módszer a transzmisszió volt. A transzmissziós elemzéshez a mintát áttetszővé kellett tenni a lézer és az infravörös energia számára, mégpedig úgy, hogy a mintát közvetlenül az optikai útvonalba helyeztük, vékony filmet öntöttünk egy sókristályra, vagy a minta porított változatát összekevertük egy sóval és öntéssel.
Most azonban már nemcsak transzmissziós, hanem reflexiós technikákat is alkalmazhatunk. Mivel a beeső sugárnyalábot optikával tudjuk fókuszálni és manipulálni, általában az ATR (Attenuated Total Reflectance) technikák variációira támaszkodunk az energia bevezetéséhez és megfigyeléséhez. Az ATR a belső visszaverődés jelenségének felhasználásával terjed a beeső energia. A sugárnyalábot olyan beesési szögben vezetjük be egy kristályba, amely lehetővé teszi a belső visszaverődés “visszaverődését” a kristály alján és tetején, mielőtt az ellentétes oldalon elhagyná a kristályt. A mintát úgy hozzák érintkezésbe a kristállyal a tetején, hogy az energia kölcsönhatása a kristály és a minta határfelületén következik be, ahol a visszaverődési pozíciók találhatók. Általában minél több visszapattanási pozíció van, annál nagyobb az energiaátvitel (és így jobb a spektrális válasz), azonban az egy visszapattanásból álló rendszereket akkor használják, ha nagyon kis területet kell elemezni.
Folyadék és paszta esetében. minták esetében jellemzően a HATR (Horizontal Attenuated Total Reflectance) multi bounce technikát alkalmazzuk, amely során a mintát egy kristálylemezre vagy vályúra helyezzük vízszintes helyzetben úgy, hogy a gravitáció hatására a minta intim kapcsolatba kerüljön a cellával. Különböző kristályok használhatók, amelyek befolyásolják a mintába való behatolás mélységét. Például gumianalízishez germániumkristályt fogunk használni, hogy korlátozzuk a gumiban található erősen IR-abszorbeáló anyagok (nevezetesen a korom) hatását, de a normál hétköznapi mintákhoz a cink-szelenid kristály a megfelelő választás a tartósság, a nedvességgel szembeni ellenállás és a behatolási mélység miatt.
Ha a sugárnyalábot kis területekre szeretnénk fókuszálni, akkor az FTIR-padon lévő mikro-ATR tartozékot használjuk, hogy a sugárnyalábot egy egyszeri visszaverődésű ATR-kristályra fókuszáljuk. Az ATR-cellen keresztül történő optikai megfigyelési lehetőséggel a mintát úgy tudjuk pozícionálni, hogy az ATR-kristállyal bensőséges kapcsolatba kerüljön, és a besugárzott terület körülbelül 0,2 mm átmérőjű legyen.
Ha egy mintaterület, réteg vagy mikrofinom részecske jellemzéséhez pontos pozicionálásra van szükség, az elemzést egy mikroszkopikus FTIR-rendszerre helyezzük át, amely 10 mikron átmérőjű pozicionálási felbontással rendelkezik. A mikroszkopikus FTIR a reflexiós üzemmódban lehetővé teszi számunkra, hogy a fókuszált infravörös sugárral együtt mikroszkopikus optikát használva egy ATR-szondát vezessünk be közvetlenül a vizsgált területre. Ez a technika azt is lehetővé teszi, hogy térbeli feloldást alkalmazzunk a differenciális kémia nagyon kis területen.
A fenti ATR-reflexiós technikákon kívül más reflexiós technikákkal is rendelkezünk, mint például a tükrös reflexió, amely a valódi felületi reflexió energiájának mérése egyetlen mérési szögben; és a diffúz reflexió, amely a valódi felületi reflexió energiájának mérése több mérési szögben. A tanácsadó elemzője tanácsot tud adni Önnek, hogy melyik technika a legmegfelelőbb az Ön alkalmazásához, mátrixához és mérési céljához.