Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR) je dnes nejrozšířenější analytickou technikou ze skupiny molekulových vibračních technik a je široce využívána zejména díky nedestruktivnosti, nenáročnosti na úpravu vzorku a skupenství a také díky nulovým provozním nákladům a jednoduché obsluze.
Tyto aspekty vedly FTIR spektroskopii k získání statusu všeobecně respektované techniky s častým výskytem v normách a standardech pro kvantitativní i kvalitativní analýzu. FTIR spektrometrie splňuje i nejpřísnější požadavky farmaceutického průmyslu (kontrola kvality látek, ověřování chemismu atd.). Velikému využití se FTIR spektrometry těší i v dalších oblastech průmyslu. V oblasti výzkumu tato technika také zastává významnou pozici. Pro oba segmenty (průmysl a výzkum) hraje důležitou roli spektrální rozsah FTIR spektrometrů – rozšiřování spektrálního rozsahu do blízké (NIR) a vzdálené (FIR) infračervené oblasti otevírá příležitost novým aplikacím a novým výzkumným příležitostem. V tomto článku se podíváme na aplikace a na nová a zcela unikátní instrumentální řešení týkající se využití FTIR spektrometrů ve FIR a NIR oblastech.
Obr. 1 – Elektromagnetické spektrum a rozdělení infračervené spektrální oblasti
Běžné FTIR spektrometry primárně pokrývají střední infračervenou oblast (MIR) náležící rozsahu 2.500 – 25.000 nm odpovídající vlnočtům 4.000 – 400 cm-1. Proto když se mluví o FTIR spektroskopii, obvykle je brána v povědomí právě tato oblast – v tomto regionu se totiž nacházejí také normální (fundamentální) vibrační pásy organických i anorganických vazeb. V MIR spektru je tak možné naleznout charakteristickou oblast vibrací funkčních skupin a oblast otisku palce. Oblast otisku palce je jedinečná pro každou konkrétní látku a je proto používaná pro identifikaci či kontrolu kvality látek.
V blízké infračervené oblasti 800 – 2.500 nm odpovídající vlnočtům 12.500 – 4.000 cm-1 je ve spektrech možné vidět kombinační přechody (rozvibrování dvou sousedících vazeb) a vyšší harmonické přechody - tzv. overtony, které lze v jednoduchosti vysvětlit rozvibrováním molekul vzorkům násobně vyšší frekvencí (např. 1. overton je energetický přechod odpovídající rozvibrování molekuly s dvojnásobnou frekvencí atd.). Tyto overtony jsou výrazné zejména u běžných organických vazeb C-H, O-H, N-H. NIR spektra látek s těmito vazbami pak s sebou nesou důležitou informaci o chemismu látky a díky tomu je možné NIR spektroskopii široce uplatnit pro kontrolu identity či stanovení důležitých kvantitativních parametrů např. ve farmacii, potravinářství atd.
Ačkoliv pro měření v této oblasti se obvykle používají dedikované FT-NIR spektrometry, obsahující zdroj NIR záření (halogenová žárovka), CaF2 dělič paprsků a NIR detektor na bázi Ge, InAs či InGaAs. Vyšší řady FTIR spektrometrů dnes lze těmito komponentami také vybavit a výsledkem potom je možnost využití FTIR přístrojů pro některé zajímavé NIR aplikace, jako například:
Ve FIR oblasti (25.000 – 106 nm odpovídající vlnočtům 400 – 5 cm-1) je možné vidět základní vibrace vazeb těžších atomů a také frekvence strukturní mříže. Ve FIR spektru díky tomu mohou být ukryté důležité spektrální informace, které se mohou dobře doplňovat s daty získanými ze střední infračervené oblasti (MIR).
Pro tuto oblast se obvykle používají FTIR spektormetry s klasickým globarovým zdrojem nebo rtuťovou lampou. Děliče se používají obvykle Mylarové (PET) a silikonové „solid state“ nebo speciální více vrstvé děliče. Pro detekci se používají DTGS detektory nebo případně kapalným heliem chlazené bolometry.
FIR oblast může být výhodnou volbou pro následující aplikace:
Kombinace širších spektrálních rozsahů ve FTIR spektrometru je možná už delší dobu, ale vždy měla své nevýhody. Výměna komponent musela obvykle probíhat manuálně, kdy hrozí nebezpečí poškození při manipulaci a vždy dojde k „vyvětrání přístroje“ a je nutné dlouze čekat na ustálení podmínek. Navíc je otázkou také správná justace/seřízení vyměněné komponenty. Automatizované mechanismy výměny komponent zase obvykle nedisponují dostatečně velkým zásobníkem pro pokrytí kompletního rozsahu FIR-MIR-NIR a nebo jsou velice nákladné. Německý výrobce Bruker Optics přišel na trh s inovativním FTIR spektrometrem Invenio-X, kterému se podařilo tyto nedostatky eliminovat.
Obr. 2 – Multispektrální FTIR spektrometr Invenio-X
Invenio-X představuje vyšší třídu výzkumných FTIR spektrometrů a vychází z osvědčených přístrojů – rutinního Invenia-S a také z výzkumného Invenia-R. Všechny přístroje ze série Invenio jsou tvořeny robustní přístrojovou skříní a jsou koncipovány tak, aby umožňovaly co největší versatilitu co se týká jak vzorkovacího příslušenství (ATR moduly, reflexní nástavce a jiné) a měřících modulů (mikroskop, Raman, TGA atd.), tak i vnitřních komponent (děliče svazků, zdroje, detektory). Obě výše uvedené verze Invenia jsou s Inveniem-X kompatibilní a lze je navíc na Invenio-X kdykoliv rozšířit, což je výhoda např. v případě nižšího pořizovacího rozpočtu.
Invenio-X nabízí kromě špičkové specifikace i nejvyšší automatizovanost a nejširší kombinaci optických komponent na trhu. Obsahuje 2 interní polohy pro infračervený zdroj a navíc lze další zdroj napojit externě – proto je možné kombinovat 3 různé zdroje záření (Hg obloukovou lampu, globar, halogenovou žárovku). Skutečně revoluční je konstrukce interferometru Integral™, která obsahuje rotační kolo s třemi pozicemi pro dělič svazku a extrémně citlivou mechaniku pro reprodukované a citlivé umístění děliče do cesty optického svazku. Díky tomu je možné velice jednoduše pomocí softwaru zvolit jeden ze 3 děličů, které jsou uloženy trvale uvnitř přístroje. Další výhodou je, že děličům v interní atmosféře přístroje nehrozí poškození ani degradace.
Obr. 3 – Výměna děličů v interferometru Integral™
Poslední komponentou, kterou je třeba v závislosti na požadovaném spektrálním rozsahu změnit je detektor – a i zde nabízí Invenio-X široké možnosti. Díky technologii MultiTect (speciální karuselový zásobník na detektory) je možné automatizovaně měnit až 5 různých detektorů, pracujících za pokojové teploty a nebo přepínat zrcadlo na detektor chlazený dusíkem. S kapacitou 6-ti detektorů má tedy každý uživatel skutečně neomezené možnosti.
Díky zmiňovaným technologiím je možné vidět, kam směřují inovace v oblasti dnešní FTIR instrumentace. S Inveniem-X je kupříkladu možné současně kombinovat globar a halogenovou žárovku, dále použít křemenný, KBr a solid state FIR dělič a záření detekovat GaP, Si, InGaAs a DTGS detektory a tím pádem měřit v rozsahu 80 – 28.000 cm-1 zcela pohodlně a automatizovaně na jediném přístroji. To dokonce značně přesahuje FIR, NIR i MIR oblast, a je tedy možné měřit i ve viditelné (VIS) a terahertzové oblasti (THz).
Obr. 4 – Multispektrální výstup z FTIR spektrometru Invenio-X (Fialová – UV/VIS oblast s GaP detektorem, zelená – UV/VIS oblast s Si diodou, červená – NIR oblast s InGaAs detektorem, oranžová – MIR oblast s DTGS detektorem, modrá – FIR oblast s FIR DTGS detektorem)
Široký spektrální rozsah je velmi důležitým parametrem FTIR spektrometru a v někdy může být skutečně klíčový pro využití spektrometru k dané aplikaci. V jiných případech zase může ušetřit množství přístrojů potřebných na analýzu. Na příkladu FTIR spektrometru Invenio-X bylo popsáno, jak lze pomocí současné instrumentace provádět analýzy ve více spektrálních regionech, jako je FIR, MIR a NIR a jak vypadá současné technologické řešení, které je nejmodernější a zároveň nejekonomičtější.
Srdečně Vás jménem naší firmy zveme na VII. Setkání uživatelů FTIR a Ramanových spektrometrů BRUKER.
Více informací >Staňte se součástí komunity, přispívejte, vzdělávejte se ...
Více informací >Zajímate se o naše produkty, aplikace či události? Přihlaste se k odběru novinek.