ИК-спектроскопия в режиме пропускания против спектроскопии с нарушенным полным внутренним отражением: выбор оптимального лабораторного оборудования.

Медленная подготовка образцов создает узкое место в вашем графике тестирования? Основная проблема часто заключается в вашем выборе между ATR и трансмиссионной FTIR. 

В то время как современные методы ATR исключают прессование гранул для быстрого скрининга твердых веществ, классическая пропускающая оптика обеспечивает базовый стандарт для количественных анализов и анализа газов. Ниже мы подробно рассмотрели оптическую механику, эксплуатационные расходы и области применения, чтобы помочь вам настроить подходящую конфигурацию для вашего рабочего места.

Основные выводы

• Подготовка образцов и скорость: Метод ATR позволяет оценивать твердые вещества, жидкости и целые детали непосредственно за считанные секунды, обрабатывая от 40 до 60 образцов в час по сравнению с 5-10 образцами при использовании трансмиссионного метода.
• Глубина измерения: Метод пропускания измеряет всю толщину внутреннего слоя, тогда как метод ATR оценивает неглубокий поверхностный слой (от 0.5 до 5.0 мкм) с помощью эванесцентного поля.
• Количественная точность: Метод пропускания обеспечивает прямую линейность Бера-Ламберта для анализа следовых количеств веществ; метод ATR требует использования программных алгоритмов коррекции для согласования с эталонными библиотеками, полученными методом пропускания.
• Приложение подходит: Метод ATR подходит для полимеров, каучуков и водных растворов; метод пропускания остается необходимым для экстракционных газов из дымовых труб и количественных анализов, в то время как USP принимает ATR (<197A>) в качестве качественной альтернативы традиционным гранулам KBr (<197K>).
• Оптическое оборудование: Модульные системы, такие как ИК-спектрометр ToronFTIR™ 7800 Обеспечивает возможность установки как пластин ATR, так и креплений трансмиссии на одной настольной платформе.
   

Принципы ИК-спектроскопии пропускания

Трансмиссионная ИК-спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) — это классический подход к инфракрасной спектроскопии. Оптическая система направляет инфракрасный луч прямо через подготовленную матрицу образца, а детектор измеряет свет, выходящий с противоположной стороны.

Аналитическая физика подчиняется соотношению Бера-Ламберта:

A = ε · b · c

(Где A — поглощение, ε — молярный коэффициент поглощения, b — длина внутреннего пути, а c — концентрация аналита).

Методы подготовки образцов

Поскольку инфракрасный луч должен пройти через образец, не будучи полностью поглощен или рассеян, протоколы пропускания требуют тщательной подготовки образца.

Для твердых матриц операторы прессуют материал в таблетку из бромида калия (KBr), измельчая небольшое количество сухого аналита с солью спектроскопического качества и применяя гидравлическое давление. Широкодиапазонные спектрометры, такие как ToronFTIR™ 7800 (охватывающий диапазон от 7,800 до 350 см⁻¹), часто используют пропускающие держатели для анализа этих дисков в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне. В качестве альтернативы, нерастворимые твердые вещества измельчают с минеральным маслом в суспензии в нуйоле и распределяют между полированными солевыми пластинами.

Для жидких и парообразных матриц требуются специальные корпуса. Съемные или герметичные ячейки для пропускания жидкости (с использованием оптических окон из CaF₂, BaF₂ или ZnSe, разделенных прокладками из ПТФЭ) удерживают неводные жидкости на фиксированной длине пути. 

Для водных растворов пропускание ограничено приблизительно 6 мкм длиной оптического пути, чтобы предотвратить насыщение растворителя. Газофазный анализ основан на использовании герметичных стеклянных или металлических ячеек (от десятисантиметровых цилиндров для однократного прохождения до многопроходных зеркальных камер длиной в несколько метров) для оценки разбавленных паров.

Преимущества и ограничения

Метод пропускания измеряет весь внутренний объем образца по всей его толщине (обычно от 3 до 10 мкм для тонких срезов), игнорируя вариации поверхностного слоя. Он остается эталонным методом для количественной калибровки, требующей строгой линейности Бера-Ламберта, и соответствует историческим общедоступным спектральным библиотекам без математических корректировок.

Однако, по нашей оценке, эксплуатационные издержки ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье значительны. Подготовка однородного диска из KBr занимает от десяти до пятнадцати минут работы техника. Твердые образцы толщиной более 20 микрон часто насыщают детектор, вызывая появление полос поглощения с плоской вершиной, которые маскируют соотношение пиков. 

Кроме того, гигроскопичные солевые пластины (KBr, NaCl) быстро разрушаются при воздействии влажности окружающей среды, что требует хранения в контролируемых условиях.

Принципы ATR FTIR

Метод ослабленного полного внутреннего отражения (ATR) стал основным стандартом в лабораториях контроля качества и идентификации материалов. На наш взгляд, ATR представляет собой значительное улучшение в работе, поскольку исключает затраты на подготовку образцов, позволяя проводить прямой анализ сухих порошков, жидкостей и твердых веществ.

Метод ATR работает за счет полного внутреннего отражения. Оператор помещает образец непосредственно на элемент внутреннего отражения (IRE), оптический кристалл с высоким показателем преломления (n1).

Когда падающий луч попадает на внутреннюю границу кристалла под углом, превышающим критический угол (θc), он подвергается полному внутреннему отражению. Это создает эванесцентную волну, которая распространяется на долю микрона за пределы поверхности кристалла в образец, где химические функциональные группы поглощают характерные частоты.

Глубина проникновения (дп)

Эффективная глубина проникновения (dp) описывает расстояние от границы кристалла, на котором электрическое поле уменьшается до 1/e (примерно 37%) от своего начального значения:

dp = λ / [2π · √(n1² · sin²θ - n2²)]

• λ = Длина волны среднеинфракрасного излучения
• θ = Угол падения (обычно 45°)
• n1 = Показатель преломления кристаллической пластины ATR
• n2 = Показатель преломления матрицы образца

Поскольку глубина проникновения прямо пропорциональна длине волны (λ), полосы поглощения в диапазоне от 600 до 1000 см⁻¹ кажутся значительно интенсивнее, чем в диапазоне от 3000 до 4000 см⁻¹. Так как эванесцентное поле проникает в материал лишь на глубину от 0.5 до 5.0 мкм, метод ATR оценивает внешний поверхностный слой, а не всю сердцевину образца. 

Небольшая длина оптического пути предотвращает насыщение детектора полосами поглощения воды, что делает метод ATR хорошо подходящим для водных растворов, биологических жидкостей и живых клеток.

Выбор кристаллов ATR

Правильный выбор оптического кристалла предотвращает физические царапины и химическое травление:

Спектральные вариации и коррекция

Распространенная проблема при сравнении ATR и ИК-спектроскопии в режиме пропускания заключается в том, что ATR вносит относительные сдвиги в интенсивность полос и абсолютные сдвиги в частоту пиков по сравнению со спектрами в режиме пропускания. 

Поскольку метод ATR основан на частотно-зависимом ослаблении отражения, а не на прямом пропускании света, пиковые максимумы могут смещаться на несколько волновых чисел. Это смещение может снизить оценки совпадений при автоматическом поиске в библиотеках, поскольку большинство коммерческих баз данных были собраны в режиме пропускания.

Основной вывод из области оптики: пропускание дает несмещенный базовый спектр, подходящий для прямого сопоставления с базой данных. Для ATR требуются математические алгоритмы коррекции для компенсации зависящей от длины волны глубины проникновения (dp пропорциональна λ) и эффектов аномальной дисперсии перед сопоставлением с существующими библиотеками пропускания.

Эти искажения становятся особенно заметными в определенных спектральных областях и матрицах образцов. В дальнем инфракрасном диапазоне спектры ATR неорганических пигментов демонстрируют изменения интенсивности и сдвиги полос в сторону более низких частот по сравнению с данными пропускания. 

Кроме того, когда угол падения приближается к критическому углу, аномальная дисперсия изменяет эффективный показатель преломления, вызывая искажения пиков в форме производных в материалах с высоким показателем преломления.

Несмотря на эти физические искажения, опубликованные исследования подтверждают, что спектры ATR в целом сопоставимы со спектрами пропускания после применения математических поправок. Современные алгоритмы коррекции учитывают зависящую от длины волны глубину проникновения и аномальную дисперсию, выравнивая результаты ATR с эталонными данными пропускания для надежного количественного анализа.

Сравнение технических характеристик

Ниже приведено прямое сравнение ключевых аналитических характеристик в режимах ИК-спектроскопии с пропусканием и ИК-спектроскопии с нарушенным полным внутренним отражением:

Примеры применения

Анализ опубликованных исследований показывает, почему глубина отбора проб и структура матрицы определяют результаты анализа при выборе между методами.

Полимерная и поверхностная неоднородность

Поверхностная чувствительность метода ATR может привести к ошибочным выводам, если образец физически неоднороден. В случае асфальта, модифицированного стирол-бутадиен-стиролом (SBS), метод ATR показал аномальный рост интенсивности пиков, поскольку полимерный модификатор мигрировал и концентрировался вдоль внешней поверхности. 

Поскольку измерение пропускания охватывает всю толщину, это позволяет избежать артефакта локализации на поверхности. Напротив, для сверхтонких синтетических покрытий метод ATR позволяет различать продольные оптические (LO) моды, которые остаются невидимыми в стандартных геометриях пропускания, при условии учета эффектов отражения от подложки в процессе обработки.

Биологические, минеральные и археологические образцы

В биологических классификациях метод ATR-FTIR превзошел метод пропускания при различении мутантов Escherichia coli с одним порином, обеспечив разрешение классификации на уровне штамма, которое не удалось воспроизвести в режиме пропускания. При оценке археологических костей метод ATR обеспечил более стабильные данные, чем метод диффузного отражения (DRIFT), и был сопоставим с методом пропускания, хотя специфические индексы кристалличности (IR-SF, C/P) не были напрямую взаимозаменяемы между методами. 

При исследовании силикатных почв метод ATR-FTIR обеспечивает превосходное разрешение для колебаний неорганической матрицы (от 2000 до 400 см⁻¹), демонстрируя при этом более низкую чувствительность к органическим фракциям, и служит эффективным дополнением к методам DRIFT и фотоакустической (FTIR-PAS) спектроскопии.

Руководство по выбору приложений

Мы рассматриваем эти две конфигурации отбора проб как взаимодополняющие методы, отвечающие различным требованиям к лабораторным исследованиям в промышленных и регулирующих органах Северной Америки.

Справочник быстрого выбора:

• Выберите ATR, когда: Выполнение операций по контролю качества в больших объемах, проверка целых твердых каучуков и пластмасс, анализ водных растворов или живых клеток, а также скрининг вязких смол и паст без предварительной обработки растворителями.
• Выберите режим работы трансмиссии, когда: Количественная оценка выбросов из дымовых труб и летучих органических соединений, разработка высокоточных количественных методов анализа, оценка оптических срезов, полученных с помощью микротома, или следование устаревшим монографиям, которые предусматривают прямое сравнение пропускания.
• Выберите коэффициент отражения (дрифт или зеркальное отражение) в следующих случаях: Оценка рыхлых каталитических порошков, которые не выдерживают гидравлического прессования гранул, или проверка тонких покрытий на отражающих металлических подложках без приложения механического давления зажима.
   

Полимеры и эластомеры

Сшитые каучуки и конструкционные термопласты трудно измельчить или растворить для приготовления таблеток KBr. На наш взгляд, попытки пропускания на плотных полимерных блоках создают ненужные трудозатраты. При использовании алмазного или германиевого модуля ATR операторы помещают уплотнительное кольцо, пластиковую таблетку или многослойную упаковочную пленку непосредственно на поверхность кристалла для немедленного сканирования.

Вдоль производственного коридора Великих озер (охватывающего промышленные центры в Онтарио, Мичигане и Огайо) ведущие поставщики компонентов для автомобильной и аэрокосмической промышленности регулярно используют системы ATR для проверки поступающего сырья. 

Специализированные приборы, такие как ToronFTIR™ R4000 (работающий в диапазоне от 4,000 до 400 см⁻¹), оснащены встроенными спектральными библиотеками, позволяющими идентифицировать основные составы эластомеров (таких как EPDM, фторэластомеры и нитрилы) и обнаруживать пластификаторы или добавки за считанные секунды.

Количественные и стандартные анализы

При построении высокоточных калибровочных кривых для активных фармацевтических ингредиентов или отслеживании химических примесей низкой концентрации в растворителях, пропускание остается нашей основной рекомендацией. Поскольку глубина проникновения ATR изменяется в зависимости от частоты, прямые количественные измерения концентрации требуют строгих калибровочных моделей. Жидкостные ячейки с фиксированной длиной оптического пути, оснащенные прокладками из ПТФЭ, обеспечивают повторяемость оптического пути, необходимую для точных расчетов по закону Бера-Ламберта.

В крупных североамериканских центрах фармацевтического производства (таких как Нью-Джерси, Массачусетс и Большой Торонто) этот выбор регулируется нормативными монографиями. Например, Фармакопея США (USP) <197> (Спектроскопические идентификационные тесты) исторически указывала на пропускание таблеток KBr (USP <197K>). 

Сегодня предприятия переходят на использование ATR (USP <197A>) в соответствии с требованиями GMP Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) и Министерства здравоохранения Канады (Health Canada) для ускорения проверки качества выпускаемых партий продукции. Согласно правилам USP, <197A> принимается для качественной идентификации при условии, что официальный эталонный стандарт тестируется с использованием той же самой методики ATR, поскольку спектр образца ATR не может быть напрямую сопоставлен с эталонным стандартом трансмиссии.

Анализ смазочных материалов и топлива

Система ATR обеспечивает быструю проверку состояния отработанных промышленных масел, выявляя накопление сажи, окисление и свободную воду в течение 30 секунд. В свою очередь, системы проточных ячеек остаются стандартными в централизованных системах мониторинга состояния, работающих по стандартизированным методам, таким как ASTM E2412 для анализа тенденций изменения смазочных материалов в процессе эксплуатации или EN 14078 для количественного определения содержания метиловых эфиров жирных кислот (FAME) в смесях биодизельного топлива.

Для парков тяжелой техники в энергетическом и горнодобывающем секторах Западной Канады (например, на нефтеносных песках Альберты и в Северном Онтарио) регулярный мониторинг состояния по стандарту ASTM E2412 позволяет выявлять накопление сажи и загрязнение гликолем на ранней стадии, предотвращая дорогостоящие поломки оборудования в условиях низких температур.

Анализ газов и выбросов

Поскольку молекулы в газовой фазе имеют низкую физическую плотность, неглубокая эванесцентная волна не может взаимодействовать с достаточным объемом образца для создания достаточного оптического поглощения. Для оценки летучих органических соединений (ЛОС) и промышленных выбросов требуются газовые ячейки с длинной длиной оптического пути и многопроходной передачей.

Для выполнения требований по предоставлению отчетности, установленных Агентством по охране окружающей среды США (в соответствии с методом EPA 320), Министерством окружающей среды и изменения климата Канады (ECCC) и стандартом ASTM D6348 (стандартный метод испытаний для экстракционного газового анализа методом ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье), необходимы специализированные анализаторы пропускания. 

Портативные системы экстракционного анализа, такие как ToronFTIR™ G12000 (с диапазоном длин волн от 600 до 4,500 см⁻¹), используют эти оптические пути передачи для одновременного измерения более 50 газовых компонентов в горячих, коррозионных потоках дымовых газов.

Экономика и техническое обслуживание

При сравнении методов трансмиссионной и ATR FTIR-спектроскопии мы часто наблюдаем, как команды по закупкам сосредотачиваются исключительно на первоначальных капитальных затратах на оборудование, упуская из виду накладные расходы на оплату труда технических специалистов, объем невыполненных заказов на образцы и текущие расходы на расходные материалы.

Производительность и трудовые затраты

Разница в производительности тестирования между различными методами огромна. Взвешивание спектроскопических солей, измельчение соединений, работа с гидравлическими прессами и очистка разборных жидкостных ячеек ограничивают производительность испытаний на пропускание примерно до 5-10 готовых образцов в час.

Напротив, размещение неповрежденного образца непосредственно на кристалле ATR с последующей быстрой протиркой растворителем позволяет выполнять от 40 до 60 полных циклов анализа в час. Для высокопроизводительных лабораторий контроля качества, обрабатывающих десятки партий за смену, экономия трудозатрат при использовании ATR оправдывает первоначальные инвестиции в оборудование в течение нескольких месяцев.

Расходные материалы

Предприятия, использующие исключительно протоколы передачи данных, ежегодно тратят от 1,500 до 4,000 долларов на расходные материалы, включая порошок KBr спектроскопического качества, сменные гидравлические матрицы для таблеток, запасные оптические окна из NaCl и KBr, прокладки для ячеек и полировальные суспензии.

Модуль ATR с цельным алмазным покрытием практически не требует замены деталей. Помимо стандартных лабораторных чистящих растворителей и неабразивных салфеток, текущие эксплуатационные расходы на один тест остаются незначительными.

Техническое обслуживание и уход за зрением

Требования к ежедневному техническому обслуживанию также значительно различаются в зависимости от используемой технологии:

• Обслуживание кристаллов ATR: После каждого сканирования очищайте кристалл с помощью неабразивной оптической салфетки, смоченной соответствующим растворителем (изопропанол для обычных пленок, гексан для густых смазок или деионизированная вода для солей), после чего быстро проверяйте фоновый спектр.
• Техническое обслуживание трансмиссионной пластины: Окна, изготовленные из KBr и NaCl, гигроскопичны и поглощают влагу из окружающего воздуха, что приводит к оптической мутности. Их необходимо хранить в обогреваемых эксикаторах, а запотевшие окна требуют ручной полировки с использованием специальных притирочных пластин для восстановления базового уровня светопропускания.
   

Конфигурации оборудования

Поскольку требования к аналитическому контролю со временем меняются, мы советуем предприятиям не ограничиваться одним форматом отбора проб. Испытательный центр может проводить десятки стандартных проверок сырья методом ATR в утренние смены, но при этом требовать использования трансмиссионных приспособлений во второй половине дня для соблюдения специализированных требований фармакопеи.

Настольные системы

Спектрометры, такие как ToronFTIR™ 7800, оснащены просторными отсеками для образцов, поддерживающими сменные алмазные модули ATR с одиночным отражением, приспособления для зеркального отражения и стандартные держатели таблеток для анализа пропускания в широком диапазоне от 7,800 до 350 см⁻¹. Это позволяет аналитическим группам переключаться с исследований пропускания KBr на высокоскоростное тестирование полимеров методом ATR на одной платформе.

Портативные системы

Для групп, занимающихся тестированием и перемещающих аналитические приборы между опытными установками, складскими площадками и контрольными стендами, ToronFTIR™ P7800 представляет собой портативную настольную оптическую платформу с диапазоном измерений от 7,800 до 350 см⁻¹. Она обеспечивает аналитические характеристики лабораторного уровня непосредственно в производственном цехе без ущерба для оптического разрешения.

Портативные анализаторы

Когда тестирование не может ждать доставки образцов в центральную лабораторию, специализированные портативные устройства, такие как ToronFTIR™ H7800A (7,800–650 см⁻¹), позволяют проводить прямую ATR-верификацию материалов на месте.

Для служб контроля на пунктах въезда (таких как Таможенно-пограничная служба США или Канадское агентство пограничной службы) и аварийно-спасательных групп по работе с опасными материалами двухсенсорные платформы, такие как ToronFTIR™ H7800M , сочетают инфракрасную спектроскопию ATR (7,800–550 см⁻¹) со спектроскопией Рамана (4,000–170 см⁻¹) для идентификации неизвестных наркотиков, синтетических опиоидов и опасных химических веществ непосредственно через прозрачную упаковку.

Выбор инструмента

Баланс между ATR и ИК-спектроскопией с преобразованием Фурье сводится к согласованию оптических свойств с объемом проводимых исследований: ATR обеспечивает быструю обработку данных для твердых материалов и анализа водных растворов, в то время как ИК-спектроскопия с преобразованием Фурье остается важной для газовых потоков и строгих количественных калибровок.

В компании Torontech мы предлагаем экономически эффективные решения и инновационные технологии для учреждений контроля качества и исследовательских центров по всему миру. Наш полный портфель ИК-спектрометров включает в себя высокоточные настольные системы, специализированные анализаторы полимеров, портативные полевые устройства и анализаторы экстракционных газов.

Готовы настроить идеальную ИК-спектрометрическую систему для вашего предприятия? Ознакомьтесь с нашими ИК-спектрометрами Torontech или свяжитесь с нашей командой технических специалистов сегодня, чтобы получить экспертную консультацию по матрицам образцов, суточному объему и целевым показателям соответствия.