Malé FTIR spektrometry a jejich rostoucí význam pro průmysl i R&D

V dnešní době je Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR) zaběhnutou analytickou technikou, která nachází své uplatnění v mnoha odvětvích průmyslu, v analytických laboratořích i v oblasti vědy a výzkumu – zkrátka všude tam kde je potřeba sledovat chemismus látek – ať už ověřovat správné chemické složení materiálů, identifikovat neznámé látky nebo kvantifikovat jednotlivé komponenty ve směsích. Za bezmála 50 let své existence se tato technika vyvinula z tzv. high-endového vědeckého prostředí do současné podoby – rutinní techniky s jednoduchým vzorkováním i obsluhou a zodpovědnými výsledky analýz v krátkém čase.



Jak tedy vypadají současné spektrometry, na co se soustředí vývojáři a kde všude tyto přístroje nacházejí svoje uplatnění? Na to vše přináší odpovědi následující článek pojednávající o malých FTIR spektrometrech se zaměření na jeden z nejnovějších modelů – FTIR spektrometr ALPHA II od německého výrobce Bruker Optics.

Využití malých FTIR spektrometrů

S rostoucí cenovou dostupností FTIR spektrometrie a s dalšími faktory, jako je zmenšování instrumentace, zjednodušování, automatizace vyhodnocovacích procedur, zdokonalování metodiky – s tím vším souvisí rostoucí škála aplikací, ke kterým je malé FTIR spektrometry možno využít. Dnes lze malé infraredy využít k opravdu velkému množství různých aplikací – souhrn nejčastějších aplikací na území ČR a SR lze naleznout níže:

  • Průmysl – kontrola kvality, identifikace a kvantifikace látek a kontaminantů, reverzní inženýrství a speciální aplikace
  • Farmacie – kontrola kvality, verifikace, R&D
  • Polymery – kontrola kvality, identifikace, stanovení obsahu plniv, analýza a identifikace elastomerů a kontrola o-kroužků a další speciální aplikace
  • Adhesiva a nátěry – sledování vytvrzovacích reakcí (stupeň či doba vytvrzení), reverzní inženýrství, identifikace povlaků aj.
  • Odpadové hospodářství – stanovení NEL v odpadních vodách, uhlovodíků ve vodě apod.
  • Forenzika – identifikace drog a výbušnin, analýza důkazních materiálů, stanovení FAME v pohonných hmotách
  • Oleje, ropné látky, pohonné hmoty – identifikace, analýza biopaliv, stanovení FAME, analýza a kontrola použitých mazacích olejů
  • Mineralogie, restaurátorství, gemologie – identifikace a studium anorg. materiálů a pigmentů, identifikace a diferenciace diamantů a drahých kamenů
  • Pedologie – sledování parametrů půdy
  • Potravinářství – analýza vína a moštů
  • Zdravotnictví – analýza složení ledvinových kamenů
  • Věda a výzkum – charakterizace chemického složení, identifikace látek, sledování průběhu chemických reakcí, analýza tenkých vrstev, optických materiálů aj. speciální aplikace

Malé rozměry, ale obdivuhodný výkon

ALPHA II (obr.1) – nejmenší FTIR spektrometr od německého výrobce BRUKER je ukázkou toho, že v dnešní době i malý a cenově přijatelný IČ spektrometr může dosahovat skvělých parametrů, a být tím pádem široce využitelný v praxi. Přístroj má cca půdorys o velikosti papíru A4 a hmotnost pouhých 7 kg – jedná se o přenosný přístroj. Nicméně je důležité podotknout, že svojí výkoností je to naprosto plnohodnotný vědecký spektrometr. Všechny komponenty uvnitř jsou totožné s komponentami z vyšších přístrojových řad a tyto komponenty jsou pevně umístěny v kovové přístrojové skříni.

Obr. 1 – FTIR spektrometr ALPHA II

Že se jedná o plnohodnotný laboratorní přístroj potvrzují také spektrální charakteristiky, které má ALPHA II nejlepší ve své kategorii. Za zmínku stojí velmi široký spektrální rozsah – ALPHA II bezpečně pokrývá celou střední infračervenou spektrální oblast, kdy s rozsahem 350-8.000 cm-1 patří znovu mezi top ve své kategorii. Z hlediska signálu ku šumu má ALPHA II s hodnotou 55.000:1 cm-1 téměř dvojnásobnou citlivost oproti ekvivalentním přístrojům. Spektrální rozlišení až 0.8 cm-1 je dostatečné i pro analýzu plynů. Z hlediska spektrálních parametrů lze tedy říci, že ALPHA vystupuje ze stínu malých infraredů, což může být pro zavedení řady rutinních průmyslových aplikací stěžejním faktorem. Jak již bylo zmíněno, díky skvělým spektrálním charakteristikám je ALPHA II široce využívána i pro vědecké aplikace, kde je výkon přístroje klíčový.

Výčet Inovativních technologií

Za skvělou specifikací přístroje stojí řada menších inovací, které byly vyvíjeny v R&D centru Bruker Optics a následně patentovány a implementovány do přístrojů. Tyto technologie pak dávají dohromady neobyčejně výkonný celek. ALPHA II má těchto prvků hned několik:

Rocksolid™ - osvědčená a patentovaná konstrukce interferometru jejímž principem je využití tzv. koutových odražečů (zlacených rohových zrcadel). Tyto koutové odražeče docílí toho, že jakýkoliv odklon záření je kompenzován optickou cestou – tj. je odchýlen vždy do požadovaného směru. Největšími výhodami technologie Rocksolid™ jsou:

  • Permanentní seřízení zrcadel.
  • Extrémní stabilita a odolnost vůči mechanickým vlivům – vibracím atd.
  • Žádné opotřebení mechanického ložiska, žádné náhradní díly, minimální náklady na servis.

Obr. 2 – Schéma interferometru RockSolidTM

CenterGlow™ - technologie pro kontinuální optimalizaci světelného toku záření ze zdroje. Jedná se o technologii, která umožní centralizaci oblasti emitující záření na úzkou plochu a díky tomu je zvýšena intenzita záření a jsou minimalizovány světelné ztráty.

Teplotně řízený detektor – FTIR spektroskopie je technika závislá na okolní teplotě – dokonce i detekce IČ záření probíhá na principu převodu tepla na elektrickou energii. Aby ALPHA II minimalizovala teplotní vlivy, drží konstantně zvýšenou teplotu na detektoru. Díky tomu je stabilita signálu ještě vyšší.

QuickSnap™ - technologie pro jednoduché napojení různých měřících modulů (obr.3). Díky tomu je možné přístroj vybavit libovolnou měřící jednotkou v závislosti na tom, jaký vzorek chce uživatel měřit. ALPHA II dokáže využívat všechny konvenční módy FTIR spektrometrie – ATR, transmisi, spekulární reflexi, externí reflexi a DRIFTS. Další výhodou je, že každý modul obsahuje čip, se kterým přístroj pozná, jaký modul je aktuálně napojený a dle toho nastaví experimentální parametry tak, aby se uživatel nemusel o nic starat.

Obr. 3 – Přehled QuickSnap™ měřících modulů

OPUS Touch – nový software pro dotykové displeje. ALPHA II může být ovládána z tabletu nebo přimontovaného dotykového displeje s instalovaným softwarem OPUS Touch, který vytváří jednoduché a uživatelsky přívětivé prostředí tak, aby byla pro operátora analýza co nejsnazší. Přiklad identifikační procedury v softwaru OPUS Touch lze vidět na obr. č. 4.

Obr. 4 – Workflow OPUS TOUCH při identifikaci: 1) Zadat parametry; 2) Změřit; 3) Identifikovat

Kompaktní přístroj pro průmysl i výzkum

V dnešní době je úzká hranice mezi rutinními a vědeckými aplikacemi. ALPHA II je kompaktní přístroj schopný vyhovět pracovníkům v průmyslové sféře stejně tak, jako základním vědeckým aplikacím. ALPHA II sleduje trendy vývoje infračervené spektroskopie směřující k jednoduchosti ovládání a vyhodnocování při současném zachování či vylepšování přístrojových charakteristik.