روش های متداول اندازه گیری با دستگاه FTIR

دستگاه طیف سنج مادون قرمز فوریه FTIR در آزمایشگاه ها به منظور آنالیز طیف وسیعی از نمونه ها در فاز گاز، جامد، مایع استفاده می شود. بدیهی است با توجه به حالت نمونه، روش آنالیز و اندازه گیری ویژگی های آن متفاوت می باشد. چندین روش اندازه گیری با توجه به نوع نمونه مورد استفاده و هدفی که کاربر دنبال می کند، در دستگاه طیف سنج فروسرخ فوریه FTIR وجود دارد.

تلاش ما در این مقاله بر این است تا شما را با چندین روش متداول و پرکاربرد اندازه گیری با استفاده از دستگاه FTIR آشنا کنیم.

اندازه گیری روش انتشار بازتابنده

روش  انتشار بازتاینده (Diffuse Reflection Method) به منظور اندازه گیری نمونه های جامد بویژه نمونه های پودری توسط دستگاه طیف سنج مادون قرمز فوریه استفاده می شود. در گذشته از روش قرص پتاسیم برمید در جهت آنالیز نمونه های پودری استفاده می شد، که شامل مخلوط کردن نمونه با پتاسیم برمید و تبدیل آن به قرص و در نهایت اندازه گیری ویژگی های نمونه در طیف مادون قرمز می بود. روش قرص پتاسیم متدی برای اندازه گیری اولیه برای نمونه های پودری است. اما با پیشرفت تکنولوژی و افزایش روزافزون استفاده از دستگاه طیف سنج مادون قرمز FTIR استفاده از روش انتشار بازتابنده نیز در جهت آنالیز نمونه های جامد به ویژه پودری افزایش یافته است.

از دلایل محبوبیت روش انتشار بازتابنده در مقایسه با روش قرص پتاسیم می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

1. آماده سازی آسان نمونه برای آنالیز
2. امکان اندازه گیری نمونه با توجه به ضریب گرمایشی آن در خلا
3. امکان اندازه گیری مواد چسبیده به نمونه برخلاف روش های انتقال: در روش انتشار بازتابنده پس از برخورد، نور مادون قرمز منعکس شده و امکان تحلیل ویژگی های ماده چسبیده به نمونه را توسط دستگاه طیف سنج نیز امکان پذیر می سازد. اما در روش های انتقال، نور هم از سطح ماده چسبیده و هم نمونه عبور خواهد کرد و اطلاعاتی در خصوص ماده ایی که نمونه را کاور کرده است، نخواهد گذاشت.

موارد گفته شده دلیلی برای استفاده گسترده روش انتشار بازتابنده در زمینه کاتالیزور می باشد. از روش اندازه گیری انتشار بازتاینده در دستگاه طیف سنج مادون قرمز فوریه IRSpirit و دستگاه IRTracer-100 به طور گسترده استفاده می شود.

اصول روش انتشار بازتابنده

پس از تابیدن نور به یک نمونه پودری نور در همه جهات منعکس می شود. این انعکاس به دو صورت می باشد:

1. Specular reflected light
2. Diffuse reflected light

در نور منتشر شده اسپکولار، نور همچون آینه با همان زاویه ایی که بر سطح پودر تابیده شده است، انتشار می یابد. اما در روش دوم همان طور که از نام آن پیدا است به دلیل متفاوت بودن شکل ذرات تشکیل دهنده پودر و عبور از نمونه و نفوذ به داخل آن، نور تحت شکست های متوالی و مختلف قرار گرفته و در جهت های مختلف و متفاوت با زاویه نور ورودی منعکس می شود.

از آن جاییکه در روش انتشار بازتابنده هدف، اندازه گیری طیف Diffuse reflected light قوی تری می باشد، باید تا حد ممکن مقدار نور منتشر شده اسپکولار را کاهش داد که این امر با کاهش ذرات به اندازه ایی معادل طول موج امکان پذیر است. علاوه بر اندازه ذرات، شکل ذرات و وضعیت بسته بندی نمونه هم از عوامل تاثیرگذار هستند. همچنین ذکر این نکته نیز بسیار حائز اهمیت بوده که اندازه گیری نمونه ها در روش انتشار بازتابنده با دستگاه طیف سنج مادون قرمز فوریه به طور مستقیم انجام نمی شود، بلکه به شکل رقیق شده تا غلظت مناسب (1 تا 10 درصد) در پودر استاندارد KBr و KCl انجام می شود.

لوازم جانبی انتشار بازتابنده

یکی از لوازم جانبی روش انتشار بازتابنده قطعه DRS-8000 می باشد.

DRS-8000 یک ابزار جانبی با یک سیستم نوری داخلی می باشد. ابتدا آینه M3 نور مادون قرمز را روی نمونه می تاباند. صفحه نمونه 6 میلی متر قطر و 1.5 میلی متر عمق دارد. نور منتشر شده از سطح نمونه توسط  آینه M4 جمع آوری شده و سپس از طریق آینه های M5 و M6 به سمت دیکتور هدایت می شود. شایان ذکر است با پر کردن صفحه نمونه با پودر KBr و قرار دادن مقدار کمی از پودر نمونه مخلوط شده با پودر KBr روی آن می توان اندازه گیری های با حساسیت بالا را روی حجم کمی از نمونه انجام داد.

اندازه گیری روش بازتابی با حساسیت بالا

روش بازتابی با حساسیت بالا (High-Sensitivity Reflection Method) به منظور اندازه گیری مواد چسبیده شده یا اعمال شده به نمونه هایی مانند نمونه های فلزی که اجازه انتقال نور را نمی دهند استفاده می شود. در این روش نور مادون قرمز در دستگاه طیف سنج مادون قرمز فوریه از زاویه تقریبا افقی برای تجزیه و تحلیل لایه های نازک روی یک بستر فلزی تابانده می شود.

اصول روش بازتابی با حساسیت بالا

در روش انتشار بازتاینده وقتی نور به سطح نمونه تابانده می شود مقدار کمی از نور از سطح نمونه چسبیده به سطح فلزی منعکس می شود و حدود 90 درصد از نور مادون قرمز از سطح نمونه عبور کرده و به لایه های زیرین منتقل می شود. در واقع نور مادون قرمز دو بار از سطح نمونه عبور می کند. نور با زاویه ایی مشابه به نور تابیده شده، منعکس شده و زاویه انتفال بسیار کوچک بوده و در نتیجه طیف انتشار شبیه به طیف انتقال خواهد بود که برای اندازه گیری نمونه های لایه نازک مانند نمونه های فلزی مناسب نیست.

اما در روش انعکاسی با حساسیت بالا از یک روش نوری استفاده می شود. نور مادون قرمز تقریبا به صورت افقی و با زاویه ایی بیشتر با سطح نمونه در مقایسه با روش انتشار بازتابنده بر روی نمونه تابانده می شود، که در نتیجه آن زاویه انتقال و به تبع آن فاصله انتقال افزایش می یابد و فرصت عبور و آنالیز نمونه چسبیده به سطح فلزی را افزایش میدهد، در نتیجه طیفی متفاوت از طیف انتقالی را فراهم می کند.

لوازم جانبی در روش انعکاسی با حساسیت بالا

یکی از لوازم جانبی پرکاربرد در روش بازتابی با حساسیت بالا قطعه RSA-8000 می باشد.

در این قطعه از یک سیستم نوری استفاده می شود. این سیستم نوری معمولا زاویه 70 درجه ایی از تابش نور برخوردی بر سطح نمونه را فراهم می کند. اما امکان انتخاب زاویه 75 درجه با انتخاب صفحه محافظ نور امکان پذیر است. معمولا از آلومینیوم یا آینه رسوب شده با بخار به عنوان مرجع استفاده می شود.

نور پلاریزه بر بستر فلزی

در ابتدا باید به این نکته اشاره کنم که نور پلاریزه به دو صورت عمودی و موازی تعریف می شود. که به اختصار به صورت زیر توضیح داده می شوند:

فرض کنید صفحه فرود که نور بر روی آن تابانده می شود، از یک خط عمود بر بستر و خط فرود تشکیل شده باشد. نوری که در این صفحه نوسان می کند، نور پلاریزه موازی است. در حالیکه نوری که عمود بر این صفحه نوسان می کند، نور پلاریزه عمودی نام دارد. زمانیکه نور مادون قرمز به سطح فلزی تابانده می شود و پس از برخورد با این سطح منعکس می شود، تغییراتی را در فاز نوسان ایجاد می کند که در نتیجه آن یک موج ایستاده در سطح فلز ایجاد می شود.

یک مثال ساده از این پدیده اتفاقی است که در سرعت های بالا هنگام رانندگی در چرخ های با فشار کم می افتد. برای فهم این موضوع تصور کنید چرخ ها با ارتعاشی شبیه یویو مواجه هستند. این موج های ایستاده را می توان به عنوان “ضربه” در نور مادون قرمز در سطح فلز در نظر گرفت. این ضربه ها در نتیجه اختلاف فاز بین نور ورودی و نور منعکس شده از سطح فلزی می باشد. در نور پلاریزه عمودی این اختلاف فازها یکدیگر را خنثی می کند و در نتیجه اندازه موج ایستاده (ضربه) تقریبا صفر است و در نتیجه آن این نور برای اندازه گیری لایه های نازک مناسب نیست. اما در نور پلاریزه موازی، تغییرات فاز در جهت رو به بالا موجب ایجاد یک موج ایستاده بزرگتر می شود که توسط لایه نازک روی سطح فلزی جذب می شود و امکان اندازه گیری را فراهم می نماید.

بزرگی موج ایستاده با افزایش زاویه تابش بزرگتر می شود. معمولا از زاویه تابش بین 75 تا 85 درجه استفاده می شود. اما باید توجه داشت این تغییرات به نوع بستر فلزی و لایه نازک آلی بستگی دارند. از آنجاییکه اندازه گیری با حساسیت بالا برای ورقه های نازک فلزی با افزایش زاویه تابش نور برخوردی امکان پذیر می باشد این روش، روش انعکاسی با حساسیت بالا نامیده می شود.

شایان ذکر است همان طور که در قبل هم اشاره شد فقط نور پلاریزه موازی بر جذب نمونه تاثیر می گذارد، بنابراین استفاده از یک پلاریزه کننده برای اندازه گیری، می تواند اندازه پیک ظاهری را افزایش دهد. در روش انعکاسی با حساسیت بالا از سطح فلزی می توان اطلاعاتی در مورد جهت نمونه هم به دست آورد، زیرا گروه های عاملی با گشتاور دو قطبی عمود بر سطح فلزی اندازه گیری می شوند. باید به این نکته توجه کنید چنین انعکاسی با حساسیت بالا تنها از یک بستر فلزی در دسترس است زیرا چنین انعکاسی با حساسیت بالا از یک سطح شیشه ایی یا پلاستیکی ایجاد نمی شود.

اندازه گیری روش بازتاب اسپکولار

نوری که در همان زاویه ای که به سطح نمونه تابیده شده است، منعکس می شود را نور اسپکولار می نامند. روشی که در دستگاه طیف سنج فروسرخ فوریه FTIR از نور اسپکولار استفاده می شود، روش بازتاب اسپکولار نامیده می شود. در این روش می توان نور مادون قرمز را به صورت افقی یا عمودی از سطح نمونه به آن تاباند.

برای اندازه گیری طیف های مادون قرمز پوشش های فلزی نسبتا ضخیم، در حد میکرومتر یا برای اندازه گیری ضخامت لایه روی ویفرهای هم پایه epitaxial wafers با استفاده از حاشیه های تداخلی، از یک وسیله جانبی بازتابی که نمونه را با نور مادون قرمز که از زاویه تقریبا عمودی تابش می کند، استفاده می شود (ویفر از مواد نیمه رسانا است که توسط همپایی یا اپیتاکسی برای استفاده در فوتونیک، میکرو الکترونیک، اسپینترونیک یا فتوولتائیک ساخته شده است).

با این حال، تحلیل طیف های بازتابی اسپکولار برای نمونه های براقی مانند شیشه، کریستال و پلاستیک بسیار دشوار است زیرا قله ها به علت پراکندگی غیر عادی ضریب شکست در شکل دیفرانسیل مرتبه اول تغییر شکل می دهند، محدوده ایی که دقیقا در آن جذب اتفاق می افتد.

لوازم جانبی روش بازتاب اسپکولار

یکی از پرکاربردترین لوازم جانبی در این روش، دوربین SRM-8000 می باشد.

در این دوربین از یک سیستم نوری استفاده می شود. نور منعکس شده از آینه های صفحه M1 و M2 از آینه کروی M3 منعکس شده و تصویری را روی سطح نمونه تشکیل می دهد. پرتو نور نسبت به نمونه دارای زاویه تابش متوسط 10 درجه است. نور منعکس شده از نمونه از آینه کروی M4 و آینه های صفحه M5 و M6 به آشکارساز در دستگاه FTIR منعکس می شود.

طیف سنجی فتوآکوستیک

طیف سنجی فتوآکوستیک شامل تاباندن نور متناوب به نمونه و سپس تشخیص نوسانات دوره ایی دما در نمونه به عنوان نوسانات فشار است. به عبارتی در این روش از امواج صوتی برای تشخیص گرمای تولید شده توسط جذب نور در نمونه استفاده می شود. طیف سنجی فتوآکوستیک یک روش نوین می باشد که اخیرا در ناحیه مادون قرمز استفاده می شود و امروزه با فراگیر شدن استفاده از دستگاه طیف سنج مادون قرمز فوریه FTIR در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. این طیف سنجی دارای چندین ویژگی مهم می باشد که عبارتند از:

1. عدم نیاز به آماده سازی نمونه با توجه به شکل نمونه قبل از اندازه گیری.
2. امکان اندازه گیری نمونه های نوری خنثی ( نمونه هایی که در آنها هیچ نوری جذب، انعکاس و انتقال نمی یابد. این نمونه ها معمولا سیاه، کدر یا ورقه های بسیار نازکی هستند که هیچ گونه واکنشی با پرتوهای الکترومغناطیسی نشان نمی دهند. بعضی از نمونه های نوری خنثی عبارتند از: کربن سیاه، گرافیت، زغال سنگ، دوده و فیلم های نازک فلزی).
3. افزایش حساسیت اندازه گیری با افزایش شدت نور
4. اندازه گیری اطلاعات در اعماق مختلف از سطح نمونه با تغییر فرکانس مدولاسیون نور با استفاده از تغییر سرعت آینه متحرک در تداخل سنج.

به منظور تجزیه و تحلیل نمونه های با شکل نامنظم، انجام اندازه گیری سطوح روی پارچه، فیلم ها و پودرها و برای انداره گیری در جهت عمق می توان از آخرین ویژگی  که در بالا گفته شده است استفاده نمود. به بیان ساده تر منبع نور معمولا یک تداخل سنج است. دستگاهی که یک پرتو نور را برای ایجاد الگوهای تداخل شکافته و دوباره ترکیب می کند. با تغییر سرعت آینه متحرک در تداخل سنج می توان فرکانس مدولاسیون نور را تغییر داد. این امر بر عمق نفوذ نور در نمونه و در نتیجه عمق اطلاعاتی که می توان به دست آورد تاثیر می گذارد. به عنوان مثال، اگر فرکانس مدولاسیون نور زیاد باشد، نور فقط به لایه کم عمق نفوذ می کند. اگر فرکانش مدولاسیون نور کم باشد، نور عمیق تر به نمونه نفوذ می کند و سیگنال فوتوآکوستیک ویژگی های حجیم را منعکس می کند. با تغییر سرعت آینه متحرک در تداخل سنج می توان اعماق متفاوتی از اطلاعات را از یک نمونه بدست آورد.

اصول طیف سنجی فوتو آکوستیک

انداره گیری طیف سنجی فوتوآکوستیک بر اساس اثر فوتوآکوستیک است. این پدیده در سال 1880 توسط الکساندر گراهام بل کشف شد.  پدیده ایی که به موجب آن، هنگامی که نور متناوب به نمونه تابیده می شود، ماده امواج صوتی با فرکانس مشابه فرکانس پالس نور ساطع می کند. با گذشت چندین دهه از آن زمان با توسعه میکروفون های بسیار حساس و پیشرفت های دیگر در علم الکترونیک و توسعه ابزارهایی همچون دستگاه طیف سنج فروسرخ فوریه FTIR بسیار حساس، استفاده از تکنیک طیف سنجی فوتوآکوستیک در محدوده فروسرخ به یکی از تکنیک های بسیار کارآمد تبدیل شده و به طور گسترده امکان تجزیه و تحلیل نمونه های جامد را امکان پذیر ساخته است.

اصول طیف سنجی فوتوآکوستیک در FTIR

نمونه جامدی که باید مورد اندازه گیری قرار گیرد در یک ظرف مهر و موم شده قرار می گیرد که میکروفون کوچکی به آن متصل است. هنگامی که یک پرتو نور مادون قرمز مدوله شده توسط نمونه جذب می شود، به دلیل نور فرودی گرما تولید می کند. این گرما باعث تغییرات فشار در لایه گازی اطراف می شود که توسط میکروفون با حساسیت بالا قابل تشخیص است. سیگنال های میکروفون امواج تداخل صوتی هستند. اعمال تبدیل فوریه به این سیگنال ها طیفی شبیه به طیف جذبی تولید می کند.

سل فوتوآکوستیک

سل فوتوآکوستیک شامل یک ظرف کوچک خوب مهر و موم شده است، که به یک میکروفون حساس مجهز شده است. کوچک کردن حجم سل تا حد امکان حساسیت را افزایش میدهد. سل بر روی پایه ایزوله ارتعاش نصب شده است تا لرزش کف را که میتواند صدا تولید کند از بین ببرد.

در این مقاله ما کوشیدیم تا شما را با متدهای رایج و نوین اندازه گیری با توجه به نوع ماده در یکی از پرکاربردترین و مدرن ترین دستگاه های طیف سنجی در طیف مادون قرمز FTIR در مدل های مختلف این دستگاه پیشرفته از قبیل دستگاه IRSpirit, دستگاه طیف سنج IRXross و دستگاه IRTracer-100 آشنا کنیم. دستگاهی که به منظور آنالیر طیف وسیعی از نمونه ها در فاز گازی، جامد و مایع کاربرد دارد. شرکت ری نور آزما آماده است در زمینه خرید انواع مدل های دستگاه طیف سنج مادون قرمز فوریه شامل دستگاه تعمیر این دستگاه و هر گونه سوالی در این زمینه شما را یاری نماید.