Molekyylispektroskopia 

Kaikki ympärillämme olevat molekyylit värähtelevät niille ominaisilla taajuuksilla. Värähtelyyn liittyy aina myös säteilyn absorptiota. Molekyylien absorptio tapahtuu tyypillisesti näkyvää valoa pidempiaaltoisella infrapuna-alueella. Molekyylien tapaa värähdellä voidaan käyttää hyödyksi materiaalin karakterisoinnissa, sillä erilaiset funktionaaliset ryhmät värähtelevät hiukan eri taajuuksilla ja siten myös absorboivat tulevasta säteilystä eri aallonpituuksia. Tätä absorptiota voidaan mitata FTIR laitteella. Laitteen tuottaman absorptiospketrin informaatio käännetään kemialliseksi kieleksi ja näin materiaalin funktionaaliset ryhmät voidaan selvittää. FTIR ei kuitenkaan kerro mitään siitä miten funktionaaliset ryhmät sijoittuvat molekyylissä. Toinen keino mitata näitä absorptioita käyttää hyväkseen molekyylien elektronien tapaa virittyä eri energiatiloille. Pienelle alueelle kohdistetun lasersäteen siroamisen yhteydessä säteen energiassa tapahtuu muutoksia, koska elektronien siirtymät vuorovaikuttavat lasersäteen kanssa. Nämä energiamuutokset ovat suoraan verrannollisia molekyylin absorptiospektriin. Raman-spektroskopiaksi kutsuttu menetelmä hyödyntää edellä kuvatun kaltaista lasersäteen sirontaa. Näiden kahden spektrometrisen menetelmän erona on kuitenkin tuotetun informaation luonne. Siinä missä FTIR reagoi herkästi kemiallisesti polaarisiin sidoksiin niin Raman instrumentin signaali muodostuu tyypillisesti poolittomista sidoksista.

FTIR-spektroskopia

Matemaattiseen Fourier muunnokseen pohjautuva infrapuna-absorptio spektrofotometria (Fourier Transform InfraRed, FTIR) on käytännössä ainoa vaihtoehto IR-spektrin mittaamiseen. Eroja laitteiden välillä on lähinnä näytteen analyysimenetelmän suhteen. Top Analytica Oy:n käytössä olevalla sinkkiseleenikiteisellä ATR yksiköllä voidaan mitata liuoksia, jauhemaisia näytteitä ja kiinteitä materiaaleja reflektioon perustuen. Analyysisyvyys on 1 – 10 µm. Diffuusiin reflektanssiin perustuva DRIFT puolestaan tarjoaa mahdollisuuden, jos materiaali on kovaa ja sitä täytyy raaputtaa irti mittauksen onnistumiseksi. KBr tabletin puristaminen näytejauheesta ja kaliumbromidista tuottaa läpinäkyvän matriisin, jolloin ATR ja DRIFT yksiköiden heijastusefektit eivät häiritse spektrin mittaamista vaan IR säde ohjataan näytteen läpi.

Sovelluskohteita

  • Materiaalin tunnistus (kirjastohaku)
  • Epäpuhtauksien tunnistus (likatahra)
  • Vertailumittaukset (referenssi)
  • Kemiallisen ryhmän identifionti
  • Voidaan tehdä kvantitatiivinen mittaus (vaatii standardit)
  • Analyysisyvyys n. 1-10 µm

Näytemateriaalit

  • Nesteet, jauheet ja kiinteät materiaalit
  • Näytteessä on oltava kovalenttisia sidoksia
  • Orgaaniset aineet kuten muovit, vahat ja öljyt
  • Epäorgaaniset aineet kuten karbonaatit, sulfaatit ja fosfaatit
  • Metallit eivät ole IR-aktiivisia

RAMAN-spektroskopia

Raman-spektroskopiassa käytetään analyyttisen signaalin muodostumiseen laservaloa. Laserin intensiteetti on ensinnäkin riittävän voimakas, jotta heikot muutokset valon sironnassa voidaan rekisteröidä, mutta se on myös riittävän pienelle alueelle kohdistettavissa. Näin tuotettu informaatio pitää sisällään mahdollisuuden analysoida pieniäkin kohteita, aina mikroniin kokoluokkaan saakka ja heikkokin signaali saadaan erottumaan taustasäteilystä eli siitä signaalin osasta, jonka energia ei ole muuttunut sironnan seurauksena.

Top Analytica Oy:n instrumentilla voidaan tavanomaisen pisteanalyysin lisäksi suorittaa nopeita materiaalin kartoituksia suhteellisen laajoilta jopa useiden neliösenttien kokoiselta alueelta. Tähän liittyen laitteella voidaan suorittaa nopea PC (principle component) analyysi jota voidaan hyödyntää faasirajapintojen kartoituksissa. Lisäksi Ramanin etuna FTIR-laitteeseen verrattuna on sen pintaherkkyys, spatiaalinen resoluutio, helppo näytteenvalmistus ja 3D-kartoitus. Raman-instrumentilla voidaan mitata kalvojen paksuuksia karkeasti ja analyyttisesti mielenkiintoisia kohteita vaikkapa lasipurkin sisältä. Raman sopii eritoten hiiliyhdisteiden, sähköä johtavien polymeerien sekä metallioksidien analysointiin.

Sovelluskohteita

  • Materiaalin tunnistus (kirjastohaku)
  • Epäpuhtauksien tunnistus (likatahra)
  • Vertailumittaukset (referenssi)
  • Faasirajapintojen kartoitus

Näytemateriaalit

  • Nesteet, jauheet ja kiinteät materiaalit
  • Metallioksidit, hiilisidokset
  • Pääasiassa kovalenttisten sidosten spektrometria

Esimerkkejä:

PET

Lue koko case-study täältä