衰减全反射(ATR)模式- FT-IR光谱的优势

随着色散系统被更强大的傅里叶变换红外光谱仪所取代，红外光谱技术发展成为一种广泛应用的分析工具。FT-IR光谱的一个优点是能够识别诸如C=O、C- h或N-H等官能团。大多数物质表现出可以直接识别的特征光谱。FT-IR光谱可以测量所有类型的样品:固体，液体和气体。

样品制备

准备用于传输测量的样本是一个相当复杂的任务。必须将液体样品倒入具有合适的路径长度的液体细胞中。通常必须用IR-Invoort KBr稀释固体，并压入众所周知的“KBr-Pellet”。

但是，这两种类型的测量技术都有它们的缺点：

• 液体细胞必须不含气泡，并且不易清洁。
• KBR是吸湿的，因此不容易处理和存储。
• 好的KBr颗粒是相当难制造的。这个操作很耗时，需要一个特殊的工具包，包括一个液压机(图1)
• 球团中任何样品物质的进入都会导致总吸收。
• 处理和测量KBr颗粒需要特殊的技能。
• 对于橡胶或弹性体等某些物质，样品和KBr的均质化很难实现。制造和测量合适的KBr球团是耗时的，只有经验丰富的操作人员才能获得良好的结果。在许多情况下，颗粒是浑浊的，由于杂散光的影响，产生的光谱基线漂移。
• 此外，极性KBr与样品之间的相互作用也是可能的

图1所示。KBr工具包。

为了克服KBR颗粒和液体电池的缺点，现在在ATR（衰减的总反射）模式下进行IR测量，因为该技术更简单地使用比传统传输模式更简单。所有类型的样品（例如固体，液体，粉末，糊剂，粒料，浆料，纤维等）在ATR晶体上没有稀释。测量通常在几秒钟内执行

ATR原则

如上所述，ATR的主要好处是能够测量各种固体和液体样品，而不需要复杂的制剂。基本原理如图2所示。ATR晶体包括具有高折射率和抛光表面的IR透明材料，如图2所示。

图2。ATR原则。

如图所示，红外光束以典型的45°(相对于晶体表面)的角度进入ATR晶体，并在晶体上完全反射到样品界面。由于其波状性质，光不是直接被边界表面反射，而是被光学密度较低的样品内的虚层反射(Goos-Hänchen效应，图3虚线黄线)。射入样品的那部分光被称为倏逝波。它的穿透深度取决于波长、ATR晶体和样品的折射率以及进入光束的角度。它通常在几微米量级(约0.5 - 3 μm)。在样品吸收能量的光谱区域，倏逝波衰减。经过一个或几个内部反射后，红外光束离开ATR晶体并被定向到红外探测器。

图3。ATR的效果。

为了获得高质量的频谱，必须满足一些要求。它们是:

• 由于渐逝波仅渗透到样品中的特定数量的微米之间，必须确保样品和ATR晶体之间的良好接触。
• 晶体的折射率必须明显高于样品的折射率，如ATR晶体表所示。由于ATR晶体的典型折射率在2到4之间，而聚合物等有机物质的典型折射率在1.2到1.5之间，因此可以测量大量的红外活性样品。

ATR仪器

大多数ATR单元被设计为水平晶体，带有一种夹紧实用工具，确保固体良好的样品接触。对于液体和膏体，滴一滴在晶体上就可以开始测量了。与现代小型ATR晶体和强大的压力夹良好的样品接触可以获得甚至样品弹性体，细粉末，玻璃纤维增强聚合物或矿物。可用的晶体材料包括金刚石、硒化锌(Z亚博网站下载nSe)和锗。

图4。布鲁克光学阿尔法钻石ATR配件。

属性如下表所示:

材料	光谱区(cm-1）	折射率	穿透深度45°，1000cm-1(μm)	硬度(努普)
奈米	20,000-500.	2.43	1.66	130
zns.	22000 - 750	2.25	1.54	355
通用电气	5,000-600.	4.01	0．65	550.
如果	10000 - 100	3.42	0.81	11150
钻石	45,000-10.	2.40	1.66	9000年

ZnSe是一种便宜的材料;它适用于液体和“软”样品的分析。然而，ZnSe很容易划伤，只能在pH值5和pH值9之间使用。

锗具有高折射率，常用于研究高吸收率的样品，如炭黑橡胶。如果需要高的表面灵敏度，比如薄层，Ge是理想的，因为它的渗透深度很低。钻石是非常坚固和化学惰性的，使它成为一个理想的晶体材料的常规测量范围广泛的样品。尽管初始投资较高，但由于金刚石具有较高的抗划痕性和完全不溶解性，因此在整个仪器寿命期内的成本往往较低。atr测量的程序很简单，步骤如下:

• 清洁晶体（例如用纤维素组织和异丙醇）。
• 用ATR装置测量背景。
• 将样品放在晶体上，确保良好的接触。
• 测量样品

Bruker的光谱软件OPUS提供了一种“预览模式”，在atr晶体上制备样品期间显示活光谱。这使得在对固体样品施加压力后能够实时监测“光谱质量”。一旦达到令人满意的质量，就可以直接测量光谱。在ATR测量中，样品的厚度不影响吸光度带的强度;然而，在传输模式下，非常厚的样品会导致“总吸光度”。

通过样品的有效路径长度受倏逝波穿透深度的影响。这可能导致不同厚度的样品具有相似的光谱强度。样品穿透深度的波长依赖性和红外光的反常色散导致ATR-和透射技术测量的光谱之间存在典型的系统差异。为了更好地比较ATR和透射光谱，OPUS提供了“扩展ATR校正”功能。一种复杂的算法优化atr光谱中吸收波段的位置和强度，以匹配同一样品的透射光谱。

ATR材亚博网站下载料-金刚石和锗

对于硬质或增强材料，必须使用较高的压力来获得良好的光谱。亚博网站下载对于硬质玻璃纤维增强聚酰胺颗粒样品，必须采用高压夹紧装置。此外，高光程是理想的。图5显示的光谱都是用Bruker ALPHA光谱仪测量的;测量是在相同的条件下进行的，但分别使用diamond-和Ge-ATR单位。正如预期的那样，由于钻穿深度的增加，金刚石ATR谱显示出更高的信号。

图5。用锗-和金刚石- atr测量聚酰胺。

ATR实例应用-黑色橡胶

橡胶是汽车工业中广泛使用的材料。弹性和稳定性是这种材料最独特的特点。为了监测弹性，添加了增塑剂。通常，不正确的数量或不充分的混合会导致不理想的效果，如在橡胶表面形成“油腻”薄膜或晶体“开花”。这可能导致无法识别物质。一般橡胶有很强的红外吸收，由于嵌入炭黑粒子。yabo214

图6显示了一种表面有白色结晶物质的黑色橡胶。为了识别白色物质，以表面干净区域的光谱作为参考(使用ge晶体，这是这种光谱任务的理想选择)。然后在ATR晶体上放置有白色物质的区域并测量。

图6。黑橡胶。

结果如图7所示:

图7。一种黑色橡胶聚合物(蓝色)和其表面白色颗粒(粉色)的红外光谱。yabo214用锗晶体板在ATR模式下测量光谱。

• 白色物质的测定不受橡胶基体的干扰。
• 橡胶和其他物质表现出非常不同的光谱。
• 在图书馆搜索清楚地发现白色物质是一种常用的增塑剂(图8)。
• 在这种情况下，锗是晶体材料的理想选择。锗的低渗透深度允许分别测量高吸收的黑色橡胶和橡胶上的薄白色薄膜。

图8。对黑色橡胶聚合物样品上的白色材料进行库检索的结果。

ATR的优点

ATR的主要优点如下:

• 更快的抽样，没有准备。
• 优秀的样本再现性。
• 最小的操作员引起的变化。

概括

ATR先进成为标准的FT-IR采样技术，提供出色的数据质量结合高再现性。大多数样品可以用钻石ATR晶体分析，该菱形液体具有极端的化学和机械稳健性，而锗可用于特殊目的，例如，用于测量高度吸收样品或薄层。使用ZnSE作为晶体材料是一种非常有效的选择，用于分析液体和软固体样品。

此信息已采购，从Bruker Optics提供的材料进行审核和调整。亚博网站下载

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