Ce este FTIR?
Spectroscopia în infraroșu cu transformată Fourier, cunoscută și sub numele de analiză FTIR sau spectroscopie FTIR, este o tehnică analitică utilizată pentru a identifica materiale organice, polimerice și, în unele cazuri, anorganice. Metoda de analiză FTIR utilizează lumina în infraroșu pentru a scana probele de testare și a observa proprietățile chimice.
Cum funcționează FTIR?
Instrumentul FTIR trimite radiații infraroșii de aproximativ 10.000 până la 100 cm-1 printr-o probă, cu o parte din radiații absorbite și o parte trecute. Radiația absorbită este transformată în energie rotațională și/sau vibrațională de către moleculele probei. Semnalul rezultat la detector se prezintă sub forma unui spectru, de obicei de la 4000 cm-1 la 400 cm-1, reprezentând o amprentă moleculară a probei. Fiecare moleculă sau structură chimică va produce o amprentă spectrală unică, ceea ce face ca analiza FTIR să fie un instrument excelent pentru identificarea chimică.
Pentru ce se utilizează FTIR?
Spectroscopia FTIR este o tehnică consacrată pentru controlul calității la evaluarea materialelor fabricate industrial și poate servi adesea ca primă etapă în procesul de analiză a materialelor. O modificare a modelului caracteristic al benzilor de absorbție indică în mod clar o schimbare în compoziția materialului sau prezența unei contaminări. În cazul în care se identifică probleme cu produsul prin inspecție vizuală, originea este determinată, de obicei, prin microanaliză FTIR. Această tehnică este utilă pentru analiza compoziției chimice a particulelor mai mici, de obicei de 10 -50 microni, precum și a zonelor mai mari de pe suprafață.
Analiza FTIR este utilizată pentru:
- Identificarea și caracterizarea materialelor necunoscute (de exemplu, filme, solide, pulberi sau lichide)
- Identificarea contaminării pe sau într-un material (de ex, particule, fibre, pulberi sau lichide)
- Identificați aditivii după extragerea dintr-o matrice polimerică
- Identificați oxidarea, descompunerea, sau monomerii nepolimerizați în investigații de analiză a defecțiunilor
Interpretarea spectrală FTIR
Am arătat că spectroscopia FTIR este un instrument foarte puternic, cu numeroase aplicații, cu toate acestea, interpretarea datelor nu este simplă. Prin natura sa, spectrul total generat este o funcție în serie a răspunsului energetic absorbit (de unde și partea de transformată Fourier din denumire). Benzile absorbite prezentate în spectru sunt doar oarecum discrete și degenerative. „Vârful” special de energie la un anumit număr de undă se poate deplasa în funcție de alți factori chimici și de matrice (precum și de modul în care este introdusă energia incidentă). Prin urmare, nu dispunem pur și simplu de un tabel de „căutare” care să spună cărei benzi de energie îi va aparține în mod absolut o anumită bandă de energie. Spectrul trebuie interpretat ca un întreg sistem și, prin urmare, necesită probabil cei mai experimentați analiști în toate tehnicile spectrografice pentru a caracteriza corect funcționalitatea prezentată. Da, există biblioteci care pot furniza informații de căutare, dar aceste biblioteci sunt limitate în ceea ce privește domeniul de aplicare și profunzimea în comparație cu milioanele de substanțe chimice industriale utilizate și, de asemenea, nu iau în considerare amestecurile de substanțe chimice care pot furniza informații de căutare eronate.
Deși în mod obișnuit un instrument calitativ pentru identificarea materialelor, analiza FTIR poate fi utilizată, de asemenea, ca instrument cantitativ pentru a cuantifica grupe funcționale specifice, atunci când chimia este înțeleasă și sunt disponibile materiale de referință standard. Intensitatea absorbanței va fi corelată cu cantitatea de funcționalitate prezentă în probă. De exemplu, utilizăm FTIR pentru analiza cantitativă în vederea caracterizării cantității de apă dintr-o probă de ulei și a gradului de oxidare și nitrare a unui ulei. Am dezvoltat chiar și o metodă pentru a caracteriza cât de parafinică sau naftenică este o probă de ulei. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că FTIR este o tehnică analitică „în vrac”, în sensul că se pot obține puține informații de la urme sau concentrații mici de material într-o probă (de obicei, mai mult de 5% constituenți).
Tehnici de introducere a probelor FTIR
Analiza FTIR adecvată este la fel de bună ca și capacitatea de a introduce și de a observa energia dintr-o anumită matrice. Din fericire, avem la dispoziție în laborator multe tehnici de pregătire și introducere a probelor pentru a analiza corect proba. În primele zile ale spectroscopiei în infraroșu, singura metodă de analiză disponibilă era transmisia. Pentru analiza prin transmisie, proba trebuia să fie făcută translucidă pentru laser și energia infraroșie, prin introducerea directă a probei în calea optică, turnarea unei pelicule subțiri pe un cristal de sare sau amestecarea unei versiuni de pulbere a probei cu o sare și turnarea.
Astăzi, însă, avem capacitatea de a utiliza nu numai tehnici de transmisie, ci și tehnici de reflexie. Datorită capacității de a focaliza și manipula fasciculul incident cu ajutorul opticii, ne bazăm, în general, pe variații ale tehnicilor ATR (Reflectanță totală atenuată) pentru a introduce și observa energia. ATR presupune utilizarea unui fenomen de reflexie internă pentru a propaga energia incidentă. Fasciculul este introdus într-un cristal la un unghi de incidență care permite ca reflexia internă să „ricoșeze” în partea inferioară și superioară a cristalului înainte de a părăsi cristalul pe partea opusă. Eșantionul este pus în contact cu cristalul în partea de sus, astfel încât interacțiunea energetică are loc la interfața dintre cristal și eșantion, unde se află pozițiile de ricoșeu. În mod obișnuit, cu cât sunt mai multe poziții de ricoșeu, cu atât mai mare este transferul de energie (și, prin urmare, un răspuns spectral mai bun); cu toate acestea, sistemele cu un singur ricoșeu sunt utilizate atunci când trebuie analizată o suprafață foarte mică.
Pentru lichide și pastă eșantioane vom utiliza în mod obișnuit o tehnică HATR (Horizontal Attenuated Total Reflectance – Reflectanță totală atenuată orizontală) cu ricoșeu multiplu, care va implica plasarea eșantionului pe o placă de cristal sau pe un jgheab în poziție orizontală, astfel încât gravitația să acționeze pentru a realiza contactul intim cu celula. Se pot utiliza cristale diferite care vor afecta adâncimea de penetrare în eșantion. De exemplu, vom folosi un cristal de germaniu pentru analiza cauciucului pentru a limita efectul materialelor cu absorbție IR ridicată din cauciuc (și anume negrul de fum), dar pentru probele obișnuite de zi cu zi, cristalul de seleniură de zinc este cristalul ales pentru durabilitate, rezistență la umiditate și adâncime de penetrare.
Când dorim să focalizăm fasciculul pe zone mici de interes, vom folosi un accesoriu micro-ATR de pe bancul FTIR pentru a focaliza fascicululul pe un cristal ATR cu un singur ricoșeu. Cu capacitatea de observare optică prin celula ATR, putem poziționa proba pentru a face contact intim cu cristalul ATR, zona de iradiere ocupând aproximativ 0,2 mm în diametru.
Când este necesară o poziționare precisă pentru a caracteriza o zonă de probă, un strat sau o particulă microfină, mutăm analiza la un sistem microscopic FTIR care are o rezoluție de poziționare de ordinul a 10 microni în diametru. FTIR microscopic în modul de reflexie ne permite să introducem o sondă ATR chiar în zona de interes, folosind optica microscopică împreună cu fasciculul infraroșu focalizat. Această tehnică ne permite, de asemenea, să rezolvăm din punct de vedere spațial chimia diferențială într-o zonă foarte mică.
În plus față de tehnicile de reflectanță ATR de mai sus, avem și alte tehnici de reflectanță, cum ar fi reflectanța speculară, care este măsurarea energiei de la o reflectanță reală a unei suprafețe la un singur unghi de măsurare; și reflectanța difuză, care este măsurarea energiei de la o reflectanță reală a unei suprafețe la mai multe unghiuri de măsurare. Analistul dumneavoastră consultant vă poate sfătui cu privire la tehnica care va fi cea mai potrivită pentru aplicația, matricea și obiectivul de măsurare.