Решение задач методом нарушенного полного внутреннего отражения с помощью ИК-Фурье спектрометра ATP 8900 Plus от компании Optosky Photonics

С тех пор как ИК-Фурье спектрометры вытеснили дисперсионные спектрометры, ИК спектроскопия стала повсеместным стандартным аналитическим методом. Достоинством ИК-Фурье спектроскопии является возможность выявления функциональных групп, таких как C-O, C-H или N-H.

ИК-спектроскопия успешно применяется для идентификации неизвестных веществ, потому что инфракрасный спектр каждой молекулы столь же уникален и неповторим, как отпечаток пальца человека. С помощью ИК-Фурье спектроскопии можно измерять твердые, жидкие и газообразные образцы. Подготовка образца для измерения в режиме пропускания — трудоемкая задача. Жидкие образцы необходимо помещать в кювету с подходящей длиной оптического пути; твердые образцы обычно смешивают с прозрачным в ИК-области KBr (бромид калия) и запрессовывают в таблетки. У этих методик есть свои недостатки.

Жидкостную кювету необходимо наполнять без воздушных пузырьков, а после ее довольно сложно чистить. Работа с KBr и его хранение осложняются тем, что он гигроскопичен. Также довольно сложно сделать хорошую таблетку с KBr, для этого требуется время и специальные приспособления, такие как гидравлический пресс. Слишком большое количество образца в таблетке приведет к полному поглощению излучения. Необходимо иметь определенный навык для приготовления таблеток KBr. Некоторые вещества, как резины или другие эластомеры, довольно трудно измельчить и смешать с KBr до гомогенного состояния.

Для того, чтобы получить хороший результат, необходимо подготовить подходящую таблетку KBr, для чего требуется время и определенный навык. Часто таблетка получается мутной, и базовая линия спектра смещается под влиянием рассеянного света. Более того, существует вероятность взаимодействия KBr с образцом.

Для преодоления этих недостатков существует методика измерения в режиме Нарушенного Полного Внутреннего Отражения (НПВО), где образец (твердый, жидкий, пудра, паста, таблетка, волокно и т.д.) помещается на кристалл НПВО. Затем регистрация спектра проводится за считанные секунды.

Большим преимуществом НПВО является возможность измерять широкий спектр жидких и твердых образцов без сложной пробоподготовки.

Кристалл НПВО сделан из прозрачного в ИК-области материала с высоким показателем преломления и имеет отполированную рабочую поверхность, на которую помещается образец. Как показано на рисунке, инфракрасное излучение входит в кристалл под углом в 45° к поверхности и отражается на границе кристалл-образец. Согласно волновым свойствам, свет отражается не точно от границы, а от виртуальной границы внутри образца, имеющего меньшую оптическую плотность. Часть световой волны, которая входит в образец, называется затухающей волной. Глубина ее проникновения зависит от длины волны, показателей преломления кристалла и образца и угла падения ИК излучения. Обычно она достигает нескольких микрон (0,5 — 3 мкм). В тех спектральных диапазонах, где образец поглощает энергию, интенсивность затухающей волны будет уменьшена. После одного или нескольких внутренних отражений, ИК излучение выходит из кристалла и поступает на ИК-детектор.

Для получения спектра высокого качества необходимо соблюсти некоторые условия:

• хороший контакт между кристаллом НПВО и образцом, так как затухающая волна входит в образец только на несколько микрон;
• показатель преломления кристалла должен быть значительно выше, чем у образца.

В большинстве приставок НПВО кристалл расположен горизонтально. Для твердых образцов имеются специальные зажимы, обеспечивающие хороший контакт образца с кристаллом. Для жидкостей и паст достаточно просто нанести образец на кристалл и начать измерение.

Современные кристаллы НПВО и прочные зажимы ИК-Фурье спектрометра ATP 8900 Plus обеспечивают хороший контакт для таких образцов как каучуки, мелкие порошки и даже для стекловолокна, армированных полимеров и минералов. Кристаллы НПВО делают из алмаза, селенида цинка (ZnSe) или германия. ZnSe — распространенный недорогой материал идеально подходящий для анализа жидкостей и «мягких» образцов. Однако ZnSe подвержен царапинам и может быть использован только от pH 5 до pH 9. Германий имеет большой показатель преломления и поэтому используется для анализа сильно поглощающих образцов, таких как резина с угольным наполнителем. Если необходима высокая чувствительность для исследования поверхностей, на германиевом кристалле получаются лучшие результаты, благодаря маленькой глубине проникновения.

Алмаз — сверхпрочный и химически инертный материал. Благодаря этому он подходит для проведения измерений широкого класса образцов. Несмотря на то, что алмазный кристалл дороже, чем другие кристаллы НПВО, это компенсируется тем, что он не портится в процессе использования и обычно служит гораздо дольше.

Проводить измерения на приставке НПВО очень просто:

• очистите кристалл (например, салфеткой с изопропанолом);
• зарегистрируйте спектр фона;
• прижмите образец к кристаллу;
• зарегистрируйте спектр образца.

НПВО становится стандартной методикой в ИК-Фурье спектроскопии, благодаря отличному качеству спектров и высокой воспроизводимости.

Основные преимущества НПВО:

• отсутствие пробоподготовки;
• отличная воспроизводимость;
• минимум артефактов, связанных с пробоподготовкой.

Большинство образцов может быть исследовано на приставке НПВО с алмазным кристаллом благодаря его химической и механической стабильности. Германиевый кристалл может быть использован для специальных задач, например, для исследования сильно поглощающих тонких пленок. ZnSe кристалл является более дешевым материалом и подходит для анализа жидкостей и мягких образцов.

Подробнее об ИК-Фурье спектрометр ATP 8900 plus здесь.