Co to jest FTIR?
Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera, znana również jako analiza FTIR lub spektroskopia FTIR, jest techniką analityczną używaną do identyfikacji materiałów organicznych, polimerowych i w niektórych przypadkach nieorganicznych. Metoda analizy FTIR wykorzystuje światło podczerwone do skanowania próbek i obserwacji właściwości chemicznych.
Jak działa FTIR?
Przyrząd FTIR wysyła promieniowanie podczerwone o długości fali od około 10,000 do 100 cm-1 przez próbkę, przy czym część promieniowania jest pochłaniana, a część przepuszczana. Pochłonięte promieniowanie jest przekształcane w energię rotacyjną i/lub wibracyjną przez cząsteczki próbki. Powstały sygnał w detektorze przedstawia widmo, zwykle od 4000 cm-1 do 400 cm-1, reprezentujące molekularny odcisk palca próbki. Każda molekuła lub struktura chemiczna wytworzy unikalny widmowy odcisk palca, co czyni analizę FTIR doskonałym narzędziem do identyfikacji chemicznej.
Do czego używa się FTIR?
Spektroskopia FTIR jest uznaną techniką kontroli jakości przy ocenie materiałów produkowanych przemysłowo i często może służyć jako pierwszy krok w procesie analizy materiału. Zmiana w charakterystycznym wzorze pasm absorpcji wyraźnie wskazuje na zmianę w składzie materiału lub obecność zanieczyszczeń. Jeśli problemy z produktem zostaną zidentyfikowane podczas inspekcji wizualnej, ich pochodzenie jest zazwyczaj określane za pomocą mikroanalizy FTIR. Technika ta jest przydatna do analizy składu chemicznego mniejszych cząstek, typowo 10-50 mikronów, jak również większych obszarów na powierzchni.
Analiza FTIR jest wykorzystywana do:
- Identyfikacji i charakterystyki nieznanych materiałów (np. folii, ciał stałych, proszków lub cieczy)
- Identyfikacji zanieczyszczeń na lub w materiale (np, cząstki, włókna, proszki lub ciecze)
- Identyfikacja dodatków po ekstrakcji z matrycy polimerowej
- Identyfikacja utleniania, rozkładu, lub nieutwardzonych monomerów w badaniach analizy awarii
Interpretacja widma FTIR
Wykazaliśmy, że spektroskopia FTIR jest bardzo potężnym narzędziem o wielu zastosowaniach, jednak interpretacja danych nie jest prosta. Z natury, całkowite wygenerowane widmo jest szeregową funkcją zaabsorbowanej energii odpowiedzi (stąd część nazwy poświęcona transformacie Fouriera). Pochłonięte pasma przedstawione w widmie są tylko w pewnym stopniu dyskretne i zdegenerowane. Szczególny „pik” energii przy określonej liczbie falowej może się przemieszczać w oparciu o inne czynniki chemiczne i matrycowe (jak również przez sposób wprowadzania energii padającej). Dlatego nie mamy po prostu tabeli „look up”, aby powiedzieć, do jakiego konkretnego pasma energii będzie bezwzględnie należeć. Widmo musi być interpretowane jako cały system i dlatego prawdopodobnie wymaga najbardziej doświadczonych analityków we wszystkich technik spektrograficznych w prawidłowym scharakteryzowaniu funkcji przedstawionych. Tak istnieją biblioteki, które mogą przynieść informacje lookup, ale te biblioteki są ograniczone w zakresie i głębokości w porównaniu do milionów przemysłowych substancji chemicznych stosowanych, a także nie będzie uwzględniać mieszanin substancji chemicznych, które mogą przynieść błędne informacje wyszukiwania.
Ale zazwyczaj jest to jakościowe narzędzie do identyfikacji materiałów, Analiza FTIR może być również używana jako narzędzie ilościowe do oznaczania określonych grup funkcyjnych, gdy chemia jest zrozumiała i dostępne są standardowe materiały referencyjne. Intensywność absorbancji będzie skorelowana z ilością funkcji obecnych w próbce. Na przykład, wykorzystujemy FTIR do analizy ilościowej w celu określenia ilości wody w próbce oleju oraz stopnia utlenienia i nitrowania oleju. Opracowaliśmy nawet metodę pozwalającą określić jak bardzo parafinowa lub naftenowa jest próbka oleju. Należy jednak zauważyć, że FTIR jest „masową” techniką analityczną, w której niewiele informacji można uzyskać ze śladowych lub małych stężeń materiału w próbce (zazwyczaj większych niż 5% składnika).
Techniki wprowadzania próbek do FTIR
Właściwa analiza FTIR jest tylko tak dobra jak zdolność do wprowadzenia i obserwacji energii z danej matrycy. Na szczęście w laboratorium mamy do dyspozycji wiele technik przygotowania i wprowadzania próbki, które umożliwiają jej prawidłową analizę. We wczesnych dniach spektroskopii w podczerwieni, jedyną dostępną metodą analizy była transmisja. Dla analizy przez transmisję, próbka musiała być uczyniona półprzezroczystą dla lasera i energii podczerwonej, poprzez bezpośrednie wprowadzenie próbki na ścieżkę optyczną, odlanie cienkiej warstwy na krysztale soli lub zmieszanie sproszkowanej wersji próbki z solą i odlanie.
Dzisiaj, jednak mamy możliwość nie tylko korzystania z technik transmisji, ale także technik refleksyjnych. Ze względu na możliwość ogniskowania i manipulowania wiązką padającą za pomocą optyki, zazwyczaj polegamy na odmianach technik ATR (Attenuated Total Reflectance) w celu wprowadzenia i obserwacji energii. ATR polega na wykorzystaniu zjawiska wewnętrznego odbicia do propagacji energii padającej. Wiązka jest wprowadzana do kryształu pod takim kątem padania, który umożliwia odbicie wewnętrzne „odbijając się” od dna i góry kryształu, zanim opuści kryształ po przeciwnej stronie. Próbka styka się z kryształem od góry w taki sposób, że interakcja energii zachodzi na granicy kryształu i próbki, gdzie znajdują się miejsca odbicia. Zazwyczaj im więcej pozycji odbicia, tym większy transfer energii (i tym samym lepsza odpowiedź spektralna), jednak systemy z pojedynczym odbiciem są używane, gdy analizowany jest bardzo mały obszar.
Dla próbek ciekłych i pasty W przypadku próbek płynnych i pasty zazwyczaj stosujemy technikę HATR (Horizontal Attenuated Total Reflectance) multi bounce, która polega na umieszczeniu próbki na płycie kryształu lub rynnie w pozycji poziomej, tak aby grawitacja spowodowała intymny kontakt z komórką. Można użyć różnych kryształów, które będą miały wpływ na głębokość penetracji próbki. Na przykład, do analizy gumy użyjemy kryształu germanu, aby ograniczyć efekt silnie absorbujących IR materiałów w gumie (mianowicie sadzy), ale dla zwykłych codziennych próbek, kryształ selenku cynku jest kryształem z wyboru ze względu na trwałość, odporność na wilgoć i głębokość penetracji.
Gdy chcemy skupić wiązkę na małych obszarach zainteresowania, użyjemy mikro-ATR akcesorium na stanowisku FTIR, aby skupić wiązkę do pojedynczego kryształu ATR. Dzięki możliwości obserwacji optycznej przez komorę ATR możemy ustawić próbkę w taki sposób, aby była w bliskim kontakcie z kryształem ATR, a obszar napromieniania zajmował około 0.2 mm średnicy.
Gdy wymagane jest precyzyjne pozycjonowanie w celu scharakteryzowania obszaru próbki, warstwy lub mikrocząsteczki, przenosimy analizę do mikroskopowego systemu FTIR, który posiada rozdzielczość pozycjonowania rzędu 10 mikronów średnicy. Mikroskopowy FTIR w trybie reflektancji pozwala nam na wprowadzenie sondy ATR bezpośrednio na interesujący nas obszar przy użyciu optyki mikroskopowej w połączeniu ze skupioną wiązką podczerwieni. Technika ta pozwala nam również na przestrzenne rozdzielenie chemii różnicowej w bardzo małym obszarze.
Oprócz powyższych technik odbiciowych ATR, mamy również inne techniki odbiciowe, takie jak odbicie lustrzane, które jest pomiarem energii z prawdziwego odbicia powierzchniowego pod jednym kątem pomiaru oraz odbicie rozproszone, które jest pomiarem energii z prawdziwego odbicia powierzchniowego pod wieloma kątami pomiaru. Analityk konsultingowy może doradzić, która technika będzie najbardziej odpowiednia dla danego zastosowania, matrycy i celu pomiaru.