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TGA-FTIR|熱重量分析儀串聯傅立葉轉換紅外線光譜儀

TGA-IR對於橡膠、塑膠等聚合物產業以及其他混和化合物的分析,是非常強大的分析利器,特別是在產品失效分析與逆向工程的應用,提供相當有價值的物性與化性數據結果,包含成分比例與成分鑑定等。

什麼領域與應用的人需要TGA-FTIR?

  在橡膠(Rubber)、塑膠(Plastics)、樹脂(Resins)、製藥(Pharmaceuticals)、膠(Adhesives)以及包裝(Packaging)產業的業者,對於了解不同競爭者的產品、產品失效(Failures)、產品發出臭味或者釋出有毒氣體等,都需要一個適當的分析技術來了解產品之間的差異性。包含配方中低含量的添加物或者是汙染物,此外同樣的成分在不同的製程條件,例如溫度導致成分之間有不同的交互作用,使得最終產品達不到預期的效果,或者與競爭產品之間的差異。

 
什麼是TGA-FTIR?
  過去(Thermal gravity analyzer; TGA)透過樣品成分的蒸發與燃燒分解而反應在重量損失上,透過特定的溫度、時間與相對應的百分比,可以對個別成分做定量,無法提供各別成分的化學定性。在加上適當的介面之後,傅立葉轉換紅外線光譜儀(Fourier transform infrared spectrometer; FTIR)可以對TGA釋放的氣體進行化學鑑定分析,了解不同時間點釋放的氣體。
 
TGA-FTIR可以提供什麼資訊?
  以下圖作為範例:
圖中上半部依序是TGA的升溫程序、TGA重量損失的一次微分圖以及Gram-Schmidt(GS) 趨勢圖,GS訊號變化來自於不同時間紅外光訊號相對於起始點的差異,可以注意到與TGA重量損失的曲線一次微分圖類似。下半部則是升溫程序第25分的紅外線光譜圖。
 
GS圖包含了整體IR訊號變化的圖,當我們在加入波數(wavenumber; cm-1)的資訊之後,可以得到上方的3D圖,在這個範例之中,TGA的升溫程序為在室溫下以每分鐘上升15度的梯度,升溫至900度,維持2分鐘。同時FTIR以每5秒進行一次光譜收集,最終會取得720張光譜圖。
 
從TGA-FTIR的數據我們主要取得:
1)樣品中包含哪一些成分,以及
2)這些成分又在什麼時間點釋放(Evolution)出來。
  結合溫度與成分資訊,最直接的效益就是了解產品的熱穩定性,例如碳黑橡膠提早了30度就釋放出來,可以解釋成產品本身不如預期。
 
如何處理數據TGA-FTIR取得的數據?
  同時對於720張光譜進行手動分析基本上會花費相當多的時間,為此而選擇特定的區域進行分析又有可能失去重要的訊息,再加上樣品中的成分會同時釋放出來,增加光譜本身的複雜程度,這些都需要有經驗的專業光譜分析師來完成,使得TGA-IR這麼好的工具變得不親民,減少利用度。所以Thermo Fisher Scientific特別發展了OMNIC Mercury TGA軟體來協助這些複雜的問題。
 
  我們使用TGA常見的標準品:草酸鈣單水化合物(Calcium oxalate monohydrate)來展示OMNIC Mercury TGA軟體的性能,以下面兩張圖為範例:
 
GS(兩張圖的上半)的結果依然與TGA的重量損失一次微分圖類似,差別在於當我們將指標移至6分鐘與29分鐘的主要訊號上,在兩張圖的下半出現各別的紅外線光譜結果,6分鐘的訊號為典型的水氣訊號,來自於樣品的水合物,29分的訊號則混和了一氧化碳(CO)與二氧化碳(CO2)。
 

目前有三種方式來進行數據分析:

1) 將指標指到GS圖中各個主要訊號,並對IR光譜進行光譜比對,在含有混和光譜的訊號(第29分),在進行比對之後,將原始光譜扣除比對結果排序第一的光譜之後再進行分析,了解可能的其他化合物。
 
2) 將指標指到GS圖中各個主要訊號,並對IR光譜進行光譜比對,在含有混和光譜的訊號(第29分),採用multi-component 搜尋比對功能。Multi-component會自動依據使用者的設定決定預計拆解的成分數量與特定的光譜範圍,透過演算法去解析混和光譜中的每一個成分,如下圖所示。
 
3)點擊軟體功能:Mercury TGA,精靈會帶領使用者完成所有步驟。
OMNIC Mercury TGA Software如何協助使用者處理巨量的數據?

Mercury TGA在使用者點擊的功能之後,依序會完成下列的步驟:

1) 套用所有收集到的光譜

2) 處理並辨識所有時間內釋放的物質

3) 過程中會顯示給使用者確認所有的結果是合理的

4) 提供與使用者無關的穩定結果

5) 自動產生完整的報告
 
  在下圖中的Mercury TGA設定頁面,軟體可以自動計算可能的成分,使用者可以進一步設定比對的資料庫以及光譜範圍,最後點擊TGA Identify:
結果如下:
左上顯示GS圖,左下顯示時間內各個成分(共五個)的釋放狀況,右上顯示特定時間可能成分光譜與參考光譜的重疊圖,右下則是各別成分從超過8500張TGA蒸氣參考IR光譜的比對結果。
 
一般TGA-FTIR的分析需要注意什麼?
  在TGA-IR的分析過程,由於大多數的資料庫都是以光譜解析度4cm-1為主,加上TGA的升溫程序為了得到更好的溫度解析度,會採取較慢的升溫梯度,5秒取得光譜的分析頻率足以符合一般的TGA分析。由於TGA的燃燒過程時常伴隨水氣與二氧化碳的產生,因此使整個系統充滿氮氣是必須的。Mercury TGA的軟體介面,提供使用視覺化的實際光譜比對操作介面,在提供正確的成分資訊之外,也可以增加整體分析的便利性。此外Mercury-TGA軟體可以呈現樣品在TGA實驗下的動態數據結果,對於樣品在升溫過程中,內部成分之間的反應可以被即時的記錄下來(如下圖),對於缺陷分析與逆向工程都是相當有價值的參考資料。
 
thermo scienetific Nicolet iS50 and TGA-interface Module

thermo scientific是世界分子光譜儀的領導品牌,累積20年的FTIR生產製造經驗,承襲Nicolet FTIR優異的硬特設計與穩定性,加上強大的OMNIC軟體,除了包含Mercury TGA的專用軟體,也內建適合Kinetic動態量測的Series軟體。

thermo scientific Nicolet iS50研究級FTIR光譜儀,其靈敏度與分析速度都能符合TGA-FTIR的分析需求,可以同時存在室溫DTGS偵測器以及符合快速分析的MCT偵測器,同時可以根據其他分析需求擴充到Near-IR與Far-IR的範圍。

thermo scientific專為TGA-FTIR應用所設計的TGA interface module,在出廠前就已經完成光學校準,安裝只需要輕易的『放上去』,透過保溫的傳輸管線,串聯多種廠牌的TGA設備,不會受限於硬體設計,靈活的擺放TGA與FTIR的相對位置。

 

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