Suradnik:Oskar Stepančić/Stranica za vježbanje

{{subst:submit}}

FTIR Spektroskopija

FTIR spektroskop na Fizičkom odsjeku Prirodoslovno-matematičkog fakulteta u Zagrebu

FTIR spektroskopija spektroskopska je metoda koja analizom zračenja iz infracrvenog područja elektromagnetskog spektra, nakon interakcije s promatranim uzorkom, daje podatke o sastavu proučavanog uzorka, preciznije o tome koje su molekule prisutne u uzorku te o koncentraciji zadanih molekula. Pomicanjem zrcala po optičkom putu unutar Michaelsonovog interferometra dolazi do interferencije svjetlosti reflektirane sa zrcala interferometra. Ovisnost intenziteta svjetlosti o pomaku interferometra naziva se interferogram. Interferogram sadrži informacije o svim valnim duljinama svjetlosti prisutnima u upadnoj svjetlosti. Fourierovim transformatom interferograma dobiva se spektrogram upadne svjetlosti. Taj proces jako je povoljan jer je strahovito brz stoga se isti postupak može ponoviti mnogo puta. Fourierova spektroskopija ima značajne prednosti nad disperzivnom spektroskopijom.

Povijest

Počeci FT spektroskopije sežu u sredinu 19. stoljeća kada su francuski znanstvenici Hippolite Fizeau i Leon Fucault istraživali interferenciju IC zračenja sa velikom razlikom u putu, bilježenja svjetlih i tamnih pruga te mjerenje njihovih valnih duljina pomoću spektroskopa s prizmom gdje je izvor zračenja bilo Sunce. Za ta mjerenja koristili su Frenesnelova zrcala.

Nakon uspješnih eksperimentalnih rezultata ubrzo se sa svjetlosti prešlo na proučavanje IC dijela spektra i izmjeren je prvi kvantitativni IC spektar pomoću interferencije. 1923. Nicholas i Tear proširili su IC dio spektra i time udarili temelje za svu buduću FT spektroskopiju.

Ključni korak za razvitak spektroskopije pa time i FTIR spektroskopije napravio je Michaelson izumom interferometra. Makar, sam Michaelson komentira kako je bez obzira što je metoda u nekim aspektima odlična, dosta spora za konkretne observacije spektralnih linija.

Narednih godina unaprijeđivalo se mjerenje IC spektra kojem su uz Michaelsona i Reyleigha doprinjeli i Lord Kelvin, Zeeman te sir Arthur Schuster koji je uveo numeričku metodu za proučavanje spektra potpuno ekvivalentnu Furierovom transformatu. Heinrich Rubens potpuno odvojeno od Michaelsona proučavao je IC spektar i unaprijedio rekonstrukciju spektra čime je nenamjerno unaprijedio i Michaelsonovu metodu. Revolucija u FTIR spektroskopiji dogodila se oko 1965. kada su se počeli koristiti laseri koji su postali sastavni dio svakog Fourierovog spektrometra. Zatim uporaba računala i otkriće brzog Furierovog transformata koji su značajno ubrzali proces dobivanja Furierovog transformata i analize spektra.

FTIR spektroskop sa software-om na Fizičkom odsjeku Prirodoslovno-matematičkog fakulteta u Zagrebu

Princip rada FTIR spektroskopa

Interferometar

Shematski prikaz FTIR uređaja

Interferometar je glavni dio svakog FTIR uređaja koji mjeri interferentni uzorak između dvije zrake svjetlosti. Na slici se vidi prikaz interferometra. Zraka IC svjetlosti iz izvora upada na optički instrument koji razdvaja jednu zraku na dvije zrake sa amplitudama A₁ i A₂ koje zatim prelaze različite puteve. Jedna putuje do pokretnog a druga do mirujućeg zrcala nakon čega se zrake ponovno spajaju u jednu i izlaze iz interferometra. Nakon što izađu iz interferometra, zrake intereagiraju sa uzorkom i odlaze u senzor. Kada se zrake spajaju dolazi do interferencije, otkud i dolazi ime interferometar, kod koje se amplitude te dvije zrake zbrajaju prema jednadžbi:

$A_{konacno}=A_{1}+A_{2}$.

Ako je konačna amplituda manja od A₁ ili A₂ interferencija je bila destruktivna a ako je veća interfencija je bila konstruktivna. Kako bi razumjeli kako nastaje spektrogram uzeti ćemo idelan slučaj kod kojeg izvor IC svjetlosti proizvodi samo jednu valnu duljinu λ i da nema razlike u putu dvije zrake. Tada dobivamo konstruktivnu interferenciju i intenzitet konačne zrake će biti veći od intenziteta pojedinačnih zraka jer intenzitet je funkcija kvadrata amplitude. Kada pomičemo lijevo zrcalo zrake više nisu u fazi te dobijemo destruktivnu interferenciju što znači da intenzitet konačne zrake, kako razlika u putu raste, slabi dok ne dođe do nule. Ako mjerimo intenzitet kontinuirano kako raste i pada taj zapis zove se interferogram. On izgleda kao kosinusoida i prikaz je električnog, ne svjetlosnog signala, koji izlazi iz detektora.

Interferogram jedne valne duljine IC svjetlosti

Prilikom pomicanja pomičnog zrcala jednom natrag i naprijed dobiva se snimka i kada se ta snimka obradi Fourierovim transformatom, dobiva se spektar. Zato se tehnika i zove FTIR, (eng. Fourier Transform Infrared Spectroscopy), tj. spektroskopija IC zračenja s Fourierovim transformatom. Ovo je bio idealan slučaj sa jednom zrakom iz izvora. Dodavanjem još jedne zrake sa različitom valnom duljinom od prve, amplitude te dvije zrake se zbroje i rezultat je novi interferogram.

Fourierov transformat interferograma jedne valne duljine

IC spektar stoga sadrži dvije informacije: valni broj i intenzitet. Budući da se spektar dobiva iz interferograma, obje veličine sadržane su u interferogramu. Amplituda Fourierove frekvencije proporcionalna je količini svjetla koje ulazi u detektor sa kojim valnim brojem i kada bi stavili uzorak koji apsorbira valnu duljinu λ, amplituda na interferogramu će pasti a Fourierova analiza će na tom mjestu dati maksimum u spektru. Stoga postoji jedinstven interferogram za svaki valni broj sa jedinstvenom Fourierovom frekvencijom.

Centralni snop nastaje jer svjetlost konstruktivno interferira kada je pomično ogledalo u početnom položaju. Proporcionalan je intenzitetu svjetla koje upada u detektor. Mjesta sa malim intenzitetom na lijevoj i desnoj strani zovu se krila a ukupni intenzitet je maksimalna vrijednost intenziteta svjetla koje upada na detektor. Broj potrebnih snimaka za postizanje povoljnog omjera signala i šuma ovisi o prirodi uzorka. Budući da kod svakog uređaja postoji šum, bolje je izvesti što više mjerenja jer svako novo mjerenje umanjuje šum. Npr. 10 snimaka ima dosta veliki šum dok 100 snimaka značajno umanjuje šum dok i 1000 snimaka za neke uzorke nije puno. Uobičajeno se broj snimaka uzima kao višekratnik broja 2 prema konvenciji.

Uloga Fourierovog transformata

Fourierov teorem govori da sve integrabilne funkcije mogu biti prikazane kao superpozicija sinusa i kosinusa stoga se Fourierov transformat koristi kako bi se dobila superpozicija sinusa i kosinusa za danu funkciju i obrnuto, funkciju koja odgovara superpoziciji sinusa i kosinusa. Budući da je interferogram superpozicija kosinusa, Furierov transformat interferograma daje funkciju koja odgovara tom interferogramu a predstavlja spektar IC zračenja koji ulazi u detektor, nakon interakcije sa uzorkom. Drugim riječima, interferentnu sliku sa detektora prebacuje u IC spektar. Fourierov transformat funkcije kosinus je delta funkcija, a vrijedi i obrat, Fourierov transformat delta funkcije je funkcija kosinus što se može vidjeti na slikama.

Ako je polupropusno zrcalo idealno tada je intenzitet I izazne zrake razdijeljen na dva jednaka intenziteta I₀ i vrijedi jednadžba:

$I=I_{0}(1+\cos \delta )$

sa faznom razlikom δ. Kut upadne zrake je θ a optička razlika u putu x za dvije zrake nakon polupropusnog zrcala je:

$x=2nd\cos \theta$

sa indeksom loma medija n i razlike u optičkom putu 2d. Razlika u fazi δ je: $\delta ={\frac {2\pi x}{\lambda }}={\frac {2\pi }{\lambda }}2ndcos\theta$

Time je dobiven interferentni uzorak sa uvjetima za maksimum:

$\delta =l2\pi ,l=0,\pm 1,\pm 2,...$$2nd\cos \theta =l\lambda ,l=0,\pm 1,\pm 2,...$

Za zraku koja putuje po optičkom putu je θ=0, u vakuumu gdje n=1, izvor je točkasti i svjetlost monokromatska a razlika u optičkom putu je x=2d, intenzitet je:

$F=2I_{0}[1+\cos(2\pi \upsilon 2d)]$

i dobijemo interferogram koji je funkcija kosinusa.

Ako je spektar kontinuiran i sastoji se od mnoštva valnih brojeva te obje zrake imaju raspodjele E(ν) tada je infinitezimalni dio spektra:

$dF(x,\upsilon )=2E(\upsilon )[1+\cos(2\pi \upsilon x)]d\upsilon$

Integracijom dobijemo ukupni signal F(x):

$F(x)=2\int _{0}^{\infty }2E(\upsilon )[1+\cos(2\pi \upsilon x)]d\upsilon$

Ako se oduzme konstantan član iz F(x):

Interferogram I(x) kontinuiranog spektra i infinitesimalni dio širine dν

${\frac {1}{2}}F(0)\int _{0}^{\infty }E(\upsilon )d\upsilon$

dobije se:

$I(x)=F(x)-{\frac {1}{2}}F(0)=2\int _{0}^{\infty }E(\upsilon )\cos(2\pi \upsilon x)d\upsilon$

što je upravo interferogram na slici. Konačno, ako je intenzitet simetričan i definiramo E(ν)=E(-ν) možemo dobiti:

$F(x)=\int _{-\infty }^{\infty }E(\upsilon )\cos(2\pi \upsilon x)d\upsilon =\int _{-\infty }^{\infty }E(\upsilon )e^{i2\pi \upsilon x}d\upsilon =f(E(\upsilon ))$

gdje je f Fourierov transformat. I(x) i E(ν) su par u Fourierovom transformatu i za oboje vrijedi da se iz jednog može dobiti drugi i obrat kao što je prije spomenuto:

$I(x)=\int _{-\infty }^{\infty }E(\upsilon )e^{i2\pi \upsilon x}d\upsilon =f{[E(\upsilon )]}$

$E(\upsilon )=\int _{-\infty }^{\infty }I(x)e^{-i2\pi \upsilon x}dx=f^{-1}[I(x)]$

Priprema uzoraka

Transmisijska metoda

Dvije su glavne vrste pripreme uzoraka: transmisijska i refleksijska. Kod transmisijske IC zraka prolazi kroz uzorak i upada na detektor i uobičajena debljina uzorka je od 1-20 mikrona. Prednosti transmisijske metode su što se tek mali broj uzoraka ne može promatrati tom metodom što znači da je ta metoda sveoubuhvatna. Nadalje, alati za pripremu uzoraka su jeftini te uzorci pripremljeni za tu metodu imaju jako dobar omjer signala i šuma, tj. dobiveni spektar će biti jako dobar. Glavni nedostatak te metode je problem neprozirnosti što znači da uzorak može upiti ili previše ili premalo upadnog zračenja te ili spektar neće biti vidljiv ili maksimumi neće biti vidljivi. Zato se priprema uzorke debele od 1-20 mikrona, ali to nije uvijek moguće, pogotovo kod krutina. Tada se uzorci melju, tlače, razrjeđuju ili se koristi neka druga metoda kako bi se postigli uzorci povoljni za određivanje spektra. Tu dolazi do pokušaja i pogreške pri pripremi uzorka što može uzeti dosta vremena a i loše je za uzorak ukoliko ima kratak vijek trajanja.

Nosač za uzorak kod refleksijske metode

Refleksijska metoda

Kod refleksijske pripreme uzorka zračenje je reflektirano sa površine uzorka koje zatim dolazi do detektora. Može biti zrcalna refleksija kod koje je izlazni kut zrake jednak upadnom kutu. Difuzna refleksija koja se javlja kad zraka upada na grubu površinu stoga izlazni kut može poprimiti razne vrijednosti. Zadnja je potpuna refleksija koja se događa kada izlazna zraka prolazi kroz uzorak i ne izlađe van nego se transmitira kroz uzorak. Na tom principu funkcioniraju optička vlakna. Da bi mogli koristiti metodu refleksije treba imati dodatna zrcala kako bi se svjetlost fokusirala na uzorak i kasnije prikupila. Često su ta zrcala napravljena za specifičan uređaj stoga imaju visoku cijenu. Također, kod difuzne refleksije nije uvijek moguće prikupiti svu svjetlost u detektor što rezultira šumom u spektru. Kod refleksije dosta faktora igra ulogu kod formiranja spektra kao što su upadni kut, grubost površine, geometrija uzorka i njegova absorpcijka sposobnost. Ukoliko površina uzorka ima drugačiju strukturu ili sastav od unutrašnjosti, tada ova metoda neće biti povoljna. Velika prednost ove metode je što nema problema sa neprozirnosti kao kod ima transmisijske metode stoga gotovo da ni nema posla oko pripreme uzorka.

Kvantitativna IC spektroskopija

To je važna primjena FTIR-a kod koje se koristi IC zračenje kako bi se odredile koncentracije kemijskih spojeva u uzorcima. U srži te metode je Lambert – Beerov zakon:

$A=\epsilon lc$

gdje je A absorbancija svjetlosti, ϵ je apsorbcijski koeficijent, l duljina svjetlosti kroz uzorak i c je koncentracija. Ova jednadžba govori o tome koliko svjetlosti može biti apsorbirano u uzorak kod neke koncentracije spoja. Jednadžba za intenzitet zračenja je:

$I=I_{0}e^{-Ax}$

gdje je I₀ početni intenzitet, A je absorbancija svjetlosti a x dubina prodiranja zračenja. Drugi oblik ovog zakona je:

$I=I_{0}10^{-kx}$

gdje je k duljina puta na kojoj je intenzitet atenuiran na 1/10.

ATR-IR spektroskopija

ATR (eng. Attenuated Total Reflection) spektroskpija metoda je koja se bazira na potpunoj refleksiji svjetlosti na granici dva sredstva čije se rezultantno polje tada koristi za spektroskopiju. Ukoliko svjetlost dolazi iz optički gušćeg sredstva do granice između dva sredstva i ako je kut refleksije veći od kritičnog kuta, svjetlost će se reflektirati natrag u gušće sredstvo i to se naziva potpuna refleksija. Kada optički rijeđe sredstvo apsorbira dio intenziteta svjetlosti, rezultatno električno polje biti će atenuirano zbog te apsorpcije, stoga će reflektirani intenzitet biti manji. Upravo to je atenuirana potpuna refleksija, skraćeno ATR. Kako signal putuje tako se potpuno reflektira u materijalu i do nekoliko desetaka puta što uvelike poboljšava signal stoga je ATR prilično učinkovita metoda ispitivanja materijala. Jako je povoljna za proučavanje biomolekula u kojima je prisutna voda i proučavanje gibanja na skali od nekoliko sekundi do nekoliko minuta, kod procesa adsorpcije ili desorpcije, strukturalne promjene molekula na granici dva sredstva i određivanja koncentracije molekula na površini proučavanog uzorka.

Nedostatak metode je da proučavani materijali moraju imati povoljna optička svojstva i velik indeks loma, ali bez obzira na nedostatke ATR-IR je brza, jednostavna i povoljna metoda za analizu materijala.

IC mikroskopija

IC mikroskopija je tehnika koja se dobije spajanjem FTIR spektroskopije sa mikroskopom koja se koristi kako bi se dobio IC spektar jako malih uzoraka. Takav uređaj dobije se kada se mikroskop spoji sa FTIR uređajem ukoliko su oba uređaja predviđena za takvu upotrebu. Uzorci veličine promjera od 8 mikrona uspješno su snimljeni tom tehnikom. Upravo iz tog razloga koristi se za analiziranje hrane i lijekova kako bi se utvrdilo da li je u tim uzorcima prisutna neka tvar koja ne bi trebala biti tamo. Također se koristi za pronalaženje defekata u 2D materijalima kao što su papir, tanki film, tkanina te u forenzici.

Literatura

1. Fundamentals of Fourier transform infrared spectroscopy, second edition, Brian C. Smith
2. Introduction to spectroscopy, Donald L. Pavia, Gary M. Lampman, George S. Kriz, James R. Vyvyan
3. Fourier Transforms in Spectroscopy. J. Kauppinen, J. Partanen
4. Handbook of Spectroscopy. Edited by Günter Gauglitz and Tuan Vo-Dinh
5. Early history of Fourier transform spectroscopy, Pierre Connes
6. Fourier Transform-Infrared Spectroscopy, Part I. Instrumentation, W. D. Perkins
7. Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Part II. Advantages of FT-IR, W. D. Perkins
8. Biointerface Characterization by Advanced IR Spectroscopy, edited by C.M. Pradier, Y. J. Chabal