Che cos’è la FTIR?
La spettroscopia infrarossa con trasformata di Fourier, nota anche come analisi FTIR o spettroscopia FTIR, è una tecnica analitica utilizzata per identificare materiali organici, polimerici e, in alcuni casi, inorganici. Il metodo di analisi FTIR utilizza la luce infrarossa per analizzare i campioni e osservare le proprietà chimiche.
Come funziona la FTIR?
Lo strumento FTIR invia radiazioni infrarosse da circa 10.000 a 100 cm-1 attraverso un campione, con alcune radiazioni assorbite e altre attraversate. La radiazione assorbita viene convertita in energia rotazionale e/o vibrazionale dalle molecole del campione. Il segnale risultante al rivelatore si presenta come uno spettro, tipicamente da 4000 cm-1 a 400cm-1, che rappresenta un’impronta digitale molecolare del campione. Ogni molecola o struttura chimica produrrà un’impronta spettrale unica, rendendo l’analisi FTIR un ottimo strumento per l’identificazione chimica.
A cosa serve la FTIR?
La spettroscopia FTIR è una tecnica consolidata per il controllo di qualità nella valutazione dei materiali prodotti industrialmente, e spesso può servire come primo passo nel processo di analisi del materiale. Un cambiamento nel modello caratteristico delle bande di assorbimento indica chiaramente un cambiamento nella composizione del materiale o la presenza di contaminazione. Se i problemi con il prodotto sono identificati dall’ispezione visiva, l’origine è tipicamente determinata dalla microanalisi FTIR. Questa tecnica è utile per analizzare la composizione chimica delle particelle più piccole, tipicamente 10 -50 micron, così come le aree più grandi sulla superficie.
L’analisi FTIR è usata per:
- Identificare e caratterizzare materiali sconosciuti (per esempio, film, solidi, polveri o liquidi)
- Identificare la contaminazione su o in un materiale (per esempio particelle, fibre, polveri o liquidi)
- Identificare gli additivi dopo l’estrazione da una matrice polimerica
- Identificare l’ossidazione, la decomposizione, o monomeri non polimerizzati nelle indagini di analisi dei guasti
Interpretazione spettrale FTIR
Abbiamo dimostrato che la spettroscopia FTIR è uno strumento molto potente con molte applicazioni, tuttavia l’interpretazione dei dati non è semplice. Per natura, lo spettro totale generato è una funzione in serie della risposta dell’energia assorbita (da qui la parte del nome relativa alla trasformata di Fourier). Le bande assorbite presentate nello spettro sono solo un po’ discrete e degenerative. Il particolare “picco” di energia ad un certo numero d’onda può spostarsi in base ad altri fattori chimici e di matrice (così come dal modo in cui l’energia incidente viene introdotta). Quindi non abbiamo semplicemente una tabella di “look up” per dire a quale banda particolare di energia apparterrà assolutamente. Lo spettro deve essere interpretato come un intero sistema e quindi probabilmente richiede gli analisti più esperti in tutte le tecniche spettrografiche per caratterizzare correttamente la funzionalità presentata. Sì, ci sono librerie che possono fornire informazioni di ricerca, ma queste librerie sono limitate in termini di portata e profondità rispetto ai milioni di sostanze chimiche industriali utilizzate, e inoltre non tengono conto delle miscele di sostanze chimiche che possono fornire informazioni di ricerca errate.
Anche se è tipicamente uno strumento qualitativo per l’identificazione dei materiali, l’analisi FTIR può anche essere usata come strumento quantitativo per quantificare specifici gruppi funzionali, quando la chimica è compresa e sono disponibili materiali di riferimento standard. L’intensità dell’assorbanza sarà correlata alla quantità di funzionalità presenti nel campione. Per esempio, utilizziamo la FTIR per l’analisi quantitativa per caratterizzare la quantità di acqua in un campione di olio e il grado di ossidazione e nitrazione di un olio. Abbiamo anche sviluppato un metodo per caratterizzare quanto sia paraffinico o naftenico un campione di olio. Bisogna comunque notare che la FTIR è una tecnica analitica “bulk”, nel senso che si possono ottenere poche informazioni da tracce o piccole concentrazioni di materiale in un campione (tipicamente maggiore del 5% di costituente).
Tecniche di introduzione del campione FTIR
Un’analisi FTIR corretta è buona solo quanto la capacità di introdurre e osservare l’energia da una particolare matrice. Fortunatamente abbiamo molte tecniche di preparazione e introduzione del campione disponibili in laboratorio per analizzare correttamente il campione. Nei primi tempi della spettroscopia infrarossa, l’unico metodo di analisi disponibile era la trasmissione. Per l’analisi in trasmissione, il campione doveva essere reso traslucido al laser e all’energia infrarossa, inserendo direttamente il campione nel percorso ottico, fondendo un film sottile su un cristallo di sale, o mescolando una versione in polvere del campione con un sale e fondendo.
Oggi, tuttavia, abbiamo la possibilità di utilizzare non solo tecniche di trasmissione, ma anche di riflettanza. A causa della capacità di focalizzare e manipolare il fascio incidente con l’ottica, generalmente ci affidiamo a variazioni di tecniche ATR (Attenuated Total Reflectance) per introdurre e osservare l’energia. L’ATR comporta l’utilizzo di un fenomeno di riflettanza interna per propagare l’energia incidente. Il fascio viene introdotto in un cristallo con un angolo di incidenza che permette alla riflettanza interna di “rimbalzare” nella parte inferiore e superiore del cristallo prima che lasci il cristallo sul lato opposto. Il campione viene fatto entrare in contatto con il cristallo nella parte superiore in modo tale che l’interazione dell’energia avvenga nell’interfaccia del cristallo e del campione dove si trovano le posizioni di rimbalzo. In genere più posizioni di rimbalzo, maggiore è il trasferimento di energia (e quindi una migliore risposta spettrale), tuttavia i sistemi a singolo rimbalzo sono utilizzati quando è necessario analizzare un’area molto piccola.
Per campioni liquidi e in pasta useremo tipicamente una tecnica HATR (Horizontal Attenuated Total Reflectance) multi bounce che implica il posizionamento del campione su una piastra di cristallo o un trogolo in posizione orizzontale in modo che la gravità agisca per creare un contatto intimo con la cella. Si possono usare diversi cristalli che influenzeranno la profondità di penetrazione nel campione. Per esempio, useremo un cristallo di germanio per l’analisi della gomma per limitare l’effetto dei materiali altamente assorbenti IR nella gomma (cioè il nerofumo), ma per i normali campioni di tutti i giorni, il cristallo di seleniuro di zinco è il cristallo da scegliere per la durata, la resistenza all’umidità e la profondità di penetrazione.
Quando si cerca di focalizzare il fascio su piccole aree di interesse, useremo un accessorio micro-ATR sul banco FTIR per focalizzare il fascio su un singolo cristallo ATR di rimbalzo. Con la capacità di osservazione ottica attraverso la cella ATR, possiamo posizionare il campione in modo che sia a stretto contatto con il cristallo ATR, con l’area di irradiazione che occupa circa 0,2 mm di diametro.
Quando è necessario un posizionamento preciso per caratterizzare un’area del campione, uno strato o una particella micro-fine, spostiamo l’analisi su un sistema FTIR microscopico che ha una risoluzione di posizionamento dell’ordine di 10 micron di diametro. L’FTIR microscopico in modalità di riflettanza ci permette di introdurre una sonda ATR proprio nell’area di interesse usando un’ottica microscopica insieme al fascio infrarosso focalizzato. Questa tecnica ci permette anche di risolvere spazialmente la chimica differenziale in un’area molto piccola.
In aggiunta alle tecniche di riflettanza ATR di cui sopra, abbiamo anche altre tecniche di riflettanza come la riflettanza speculare, che è la misurazione dell’energia di una vera riflettanza superficiale ad un singolo angolo di misurazione; e la riflettanza diffusa, che è la misurazione dell’energia di una vera riflettanza superficiale ad angoli multipli di misurazione. Il vostro consulente analista può consigliarvi su quale sia la tecnica più appropriata per la vostra applicazione, matrice e obiettivo di misurazione.