FTIR分析原理|傅立葉轉換紅外光譜儀

紅外線光譜儀是不可或缺的材料定性工具

FTIR技術發展:1957年至今超過半個世紀

分析目的:以材料官能基團進行定性分析用途

樣品種類:固態、液態與氣態

量測特點:速度快、對樣品不具破壞性,特定情況下可以達到快篩定量的能力

儀器核心:麥克森干涉儀(Michelson interferometer)

常見量測模式:穿透(Transmission)、反射(Reflectance)、衰減式全反射(Attenuated total reflectance, ATR)

FTIR 傅立葉轉換紅外線光譜儀的核心為麥克森干涉儀(Michelson interferometer)

一道紅外線光源(IR beam)經過分光鏡(Beam splitter)時,分成兩道紅外線光束射向固定鏡與移動鏡

經由固定鏡移動鏡反射後,兩道紅外線光束產生的光程差,會在不同時間點造成破壞性干涉與建設性干涉,干涉現象最終形成具有能量差異的紅外線光束

Michelson
FTIR儀器內部的麥克森干涉儀設計圖

當紅外光束與樣品接觸(穿透、反射)後,具有偶極矩的化合物,因為不同官能基振動能量的差異,吸收不同能量的紅外光,在偵測器上形成不同的干涉圖。

FTIR principle

干涉圖經過傅立葉轉換(Fourier Transfer, FT)的運算之後,將以基於時域的訊號轉換為頻域,由光譜儀收集樣品訊號與環境中的背景訊號,經兩張光譜訊號相扣(ratio)處理,即可得到我們一般所認知的紅外線吸收光譜。

FTIR Spectrum

X軸呈現方式為波數(cm-1),Y軸呈現方式為穿透度(%)或吸收值,利用光譜上官能基區的訊號指認後,指紋區訊號針對分子構型差異進一步確認。

FTIR spectrum
x軸依波數大小可分為官能基區(Functional group)與指紋區(Fringerprint region)
圖譜訊號峰(peak)與官能基可以人工進行比對

現今FTIR做為成熟的分析量測設備,實際應用上,可以快速將分析結果與光譜資料庫的數據進行比對。

用戶量測圖譜與資料庫圖譜進行比對的軟體畫面

FTIR用途為利用官能基的振動能量差異,鑑別有機物及部分無機氧化物的樣品結構,依照材料特性差異,與紅外線光源到樣品再回到偵測器的路徑,可分為穿透(Transmission)、反射(Reflectance)與衰減式全反射(Attenuated total reflectance, ATR)。

FTIR傅立葉轉換紅外光譜儀量測方式說明

穿透式傅立葉轉換紅外線光譜分析法(Transmission FTIR)

穿透分析是最初發展的量測方式,具有最高能量的訊號,可以最大程度顯示所有屬於樣品的波峰,為最適合用於建立光譜資料庫的定性方式。可惜樣品前處理較為複雜,一般會將粉類樣品和KBr等鹽類混和後,以研缽磨細,再使用加壓裝置壓製成片(亦稱為打錠),以進行粉末的樣品製備。

若遇到液體或是氣體樣品,則需要使用其他的樣品配件,例如Liquid Cell或是Gas Cell等,可以提供一個空間填滿樣品,使紅外光線通過這個空間進行分析。

FTIR spectrometer

反射式傅立葉轉換紅外線光譜分析法(Reflectance FTIR)

此分析方法適用於可以反射紅外線光束的樣品,或者將薄膜放置於有反射特性的金屬上,常見的應用為:金屬表面的有機物塗層、金屬表面的潤滑油等分析。

在研究領域中,大角度反射或稱之為掠角反射的Grazing Angle,是將入射角控制在80度以上,搭配偏極片產生特定偏極光,與高感度的MCT偵測器,可以對材料表面原子級厚度的官能基進行分析。

反射式傅立葉轉換紅外線光譜分析法也包含漫反射分析,藉由光學鏡組設計,偵測器收集的紅外線光束,為不同角度接觸樣品之後,所產生的鏡像反射(Specular)與擴散式漫反射(Diffuse)訊號,適用於粉體樣品,免除打碇的步驟,可搭配積分球,或是一個微小的空間,用於控制溫度或是環境氣體。

FTIR Reflection

衰減式全反射傅立葉轉換紅外線光譜分析法(Attenuated total reflectance FTIR)

ATR屬於反射式傅立葉轉換紅外線光譜分析法的一種,是目前應用最多,且樣品處理最簡單的量測方式,最初的開發是為了對材料進行表面分析。

透過不同折射率的ATR晶體,應付不同的深度、硬度與pH值等分析條件,常見的有ZnSe(硒化鋅)、Ge(鍺)與Diamond(鑽石)。分析範圍在0.6到2微米之間,根據入射深度(dp)公式,以及預設的樣品厚度或深度,可以選擇適合的晶體。

ATR晶體的使用,最常見的為ZnSe,入射深度在2微米左右,但是其硬度與酸鹼值耐受範圍遠不如Diamond,另外當需要分析淺層樣品或是深色的碳黑樣品時,我們建議使用Ge材質的ATR晶體。

常用的ATR晶體資訊簡單整理如下(點擊下表即可放大):

傅立葉轉換紅外光譜(Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR)以紅外線(Infrared, IR)作為光源,當光束經過樣品時,化合物中不同官能基振動能量的差異,使用傅立葉轉換(Fourier transform, FT)的運算,將干涉圖訊號轉換為以波數(cm-1)為單位的吸收或穿透圖,鑑定樣品中含有化學有機物及部分無機氧化物的訊號。

可以量測固體、液體、氣體樣品,為得到品質好的光譜量測數據,儀器可替換不同量測配件,以符合不同樣品特性,常見以ATR配件進行實驗。若有需求針對小於5平方毫米內的特定區域進行分析,可選擇顯微紅外光譜儀(micro-FTIR)進行實驗。

從過去常見的桌上型的量測設備,放樣品後即進行量測的實驗流程,儀器廠商設計可導出光源再外接顯微鏡的方式,直接觀察樣品量測區域,進而取得特定小範圍區域的訊號進行分析外,亦推出將傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)與顯微鏡(Microscope)完全結合的顯微紅外線光譜儀(Micro-FTIR)。

FTIR傅立葉轉換紅外光譜儀進階應用介紹

is50-TGA

熱重分析儀串聯紅外光譜儀(TGA-FTIR)

樣品類型:橡膠、塑料等材料,樹脂、藥品、黏合劑和包裝材
目的:需要了解競爭產品之間的差異,故障的原因或氣味的來源或潛在的有毒廢氣。
分析需求:標準分析程序通常是無法區分細微的差異,例如存在低濃度添加劑或污染物。此外,相同的組件可能存在於兩個不同的材料,但用於製造的過程產品 - 例如加工溫度 - 可能會有所不同,導致組件之間的交互材質不同。這可能會導致性能不佳。
例如:材料疲乏或材料完全失效。完整的分析需要這些材料變形 - 基本上被撕裂以暴露他們的底層性質。

TGA-FTIR

熱重分析 (TGA)是執行此操作的常用工具。溫度梯度是應用於樣品和跟踪的故障通過成分蒸發時的重量減輕。儘管通過分解、氧化、揮發過程提供定量訊息,這個過程沒有提供對化學物質的排氣材料的定性。故將TGA與IR串聯可得到每個階段氣體分析的直接證據。