FTIR分析常見的問題與原因

作者利泓科技技術專員 呂昌諺
日期2020-02-13
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FTIR是相當成熟的技術，本文所提供的問題與訣竅無法面面俱到，如果您有其他儀器分析問題，可參考其他FTIR相關文章▸點我了解配件與應用介紹  或點選右下角的【聯絡我們】與我們聯繫。

我們將說明幾個FTIR分析時的 常見問題、可能原因、相關訣竅 根據分類如下：

(下滑可閱讀全文，亦可直接點選下列條目進行快速檢視)

1.儀器問題

2. 來自配件的問題

3. 來自樣品本身的問題

4. 數據處理或參數設定的問題

5. 實驗過程遭遇的汙染

當您在進行FTIR分析的時侯，不妨朝本文提到的這些因素檢查，也許可以揭開您心中的疑惑，或者對您日常的分析工作提供幫助。

1. 並非沒有出現光譜數據就是儀器出了問題，我們可以先從光譜觀察設備的狀態。

a.收集一張100%線性圖譜來確認儀器狀態

100% Line圖譜收集沒有樣品存在的背景圖譜，接著再次以一樣的條件收集一次。將結果以穿透度(%T; Transmittance)顯示。

正常設備會得到結果：

FTIR問題與原因

當加入配件的話，紅外線訊號會受到部分衰減而呈現雜訊明顯的圖譜狀態：

FTIR問題與原因

如果您得到的100%線性圖譜，在低波數的地方發現基線上飄，這是來自於設備些微不穩定的強度導致，但是整體來說屬於正常的結果：

當環境中有許多水氣與二氧化碳，您會得到下方的圖，這代表您的乾燥系統或是設備在量測時需要進行氮氣或乾燥空氣的吹掃Purge：

FTIR問題與原因

當樣品室中有樣品的殘留或是其他未揮發完全的有機物存在，會出現下方的圖，這代表您需要額外的清潔步驟來處理樣品分析：

FTIR問題與原因

b.其他儀器問題可能狀態如下

在配件的校準(alignment)或是配件使用過程出現不正常的反射時，可以在圖譜中發現一個不應該出現的外來雜訊(spike)：

FTIR問題與原因

樣品量測過程的光徑不一致時，使得紅外線光源通過樣品與通過參考物不一致，使得最終取得的光譜產生異常，下圖中可以發現樣品的100%線落在30%左右，放大之後，水氣與二氧化碳的圖形也不正常：

FTIR問題與原因

在光譜解析度的選擇上，一般來說固體或是液體，只需要選擇4cm-1或是8cm-1的解析度，因為在往下到2cm-1或是1cm-1，在光譜上並沒有差異，除非分析的樣品是氣態，才需要使用到1cm-1或是0.5cm-1甚至到0.1cm-1的解析度。

FTIR resolution

2. 配件相關的問題

目前最常被使用的配件為ATR(衰減全反射)，透過ATR晶體與樣品接觸後取得紅外線光譜的技術。所以當晶體表面有殘留的樣品時，很容易會交叉汙染到下一個樣品光譜之中，如下圖：

FTIR問題與原因

當使用適當溶劑清潔之後取得的光譜如下圖：

FTIR問題與原因

由於ATR分析必須接觸樣品來取得光譜，因此接觸的程度也會影響光譜的收集與品質，下圖為接觸程度不佳的光譜，除了雜訊很多之外，也很難得知光譜的資訊。

FTIR問題與原因

再重新調整樣品位置與接觸的程度之後，可以清楚地取得聚苯乙烯(Polystyrene)的光譜。

FTIR問題與原因

此外ATR晶體與樣品之間折射率的比較會影響到光譜的品質，例如使用折射率相對較低的ZnSe(硒化鋅)分析含有碳黑的膠帶時，會發現訊號偏移及基線飄移等現象。

FTIR問題與原因

此時若使用折射率更大的Ge(鍺)晶體來分析樣品，可以取得品質較好的光譜。

FTIR問題與原因

此外ATR分析會與樣品的折射率、入射角度及波數等，所以ATR取得的光譜，必須經過ATR校正(Correction)之後，與穿透式收集的參考光譜進行比對的時候，可以減少這些因素對搜尋結果的影響。

ATR問題與原因

3.樣品本身的問題

當紅外線光譜穿透樣品兩端呈現幾乎平行的程度時，光譜基線會出現波浪起伏的現象，稱之為『Fringes』，主要是由於紅外光在樣品內部反射所導致，可以改變入射角度，以『Brewster’s angle』的方式進行量測來消除。

Fringes

而樣品如果在製備的時候太厚使得紅外線光譜的吸收達到飽和，則會出現訊號偏移的現象，如下方位於3000cm-1附近的C-H鍵結訊號。此時我們只能將樣品重新處理成較薄的厚度。或者使用ATR進行分析。

另外樣品本身若為粉末形式，容易讓紅外光產生散射，則在光譜上會出現基線偏離(offset)的現象。

FTIR問題與原因

此外樣品的表面如果發生變質，產生內外層不一致的條件時，用ATR進行分析就會因為ATR本身只分析表面數微米的特點，導致光譜與預期的光譜不一致，這部分可以透過消除樣品部分的表層來確認。

FTIR問題與原因

4.數據處理所導致的問題

a.Y軸

您是否有注意過光譜的Y軸單位，最常見到的是Transmittance(%T)或是Absorbance(abs)，在數據處理上的差別，由於Transmittance(%T)並不會正比於成分的濃度，所以通常Transmittance(%T)用於定性而不是用於定量。反之abs單位就會應用於定量的應用。其他單位及相對應的使用目的如下表：

FTIR問題與原因

下面有一個使用錯誤的案例，KM Unit適用於Diffuse reflection分析，所以當將ATR收集的光譜Y軸轉換成KM Unit，會發現除了部分的訊號幾乎消失，某些波峰也會變形，使得整張光譜都變得不一樣。

FTIR問題與原因

b.光譜比對

光譜比對除了要選擇正確的資料庫之外，比對分數也並非是絕對的，需要從結果以及光譜中的訊號出現的位置來進行反證。比對功能的演算法有時候會被較強的訊號影響結果，需要選取特定的光譜範圍或是移除造成影響的區域。此外要進行比對的光譜可以先進行初步的光譜處理，例如：ATR校正或是基線校正等等，使光譜在進行比對時候，與參考光譜在同一個水平。

5.樣品汙染

常見的汙染源可能來自吹掃(Purge)的氣源或是疏於吹掃、樣品的包裝、樣品的處理方式或是ATR晶體的污染等等。以下有幾個常見的汙染：

a.護手霜

大多數的實驗室人員可能會忘記戴手套就開始處理樣品，使得洗手液殘留在樣品表面影響到紅外線光譜的分析。

FTIR問題與原因

b.矽膏

實驗室時常會使用到矽膏來達到密封效果，因此到處可能都有矽膏的殘留。

FTIR問題與原因

c.包裝袋溶出物『Bag Wax』

通常我們會使用夾鏈袋來裝樣品或是包存樣品，但隨著時間推移，包裝袋會逐漸溶出有機物質，並殘留在樣品，形成汙染源之一。

FTIR問題與原因

參考資料：society for applied spectroscopy webinar: Solving problem when using FTIR

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