黑色橡胶中红外光谱的特征检测方案(红外光谱仪)

LAAN-A-FT-C005 ApplicationnNo.A485News 用户服务热线电话： 800-810-0439第一版发行行：2015年3月 光吸收分析 . Spectrophotometric Analysis 不同晶体 ATR附件测得红外光谱的特征-不同样品(形状、硬度和折折率) ATR谱图的区别- Spectral Characteristics Dependent on ATR Crystal Selection -Differences in Properties (Shape， Hardness， Refractive Index) According to Sample- 衰减全反射法(Attenuated Total Reflectance，以下称为“ATR法”)是验证分析和异物分析中广泛使用的方法。峰强度和峰位置会根据样品性质和晶体材质而不同。本次分析使用金刚石、硒化锌和锗等3种晶体，对各种样品进行了测定。本文向您介绍对晶体与样品的接触程度和不同样品性状得到的 ATR 光谱进行分析的示例。 IATR晶体ATR Crystal ATR晶体有金刚石、硒化锌、KRS-5(碘化铊与溴化铊的混晶)和锗等各种材质。根据所用晶体不同，得到的峰强度和峰位置也不同。 峰强度与 ATR 法原理有关。在 ATR 法中，红光光对样品的穿透深度可用以下公式①计算： 式中， dp为穿透深度；入为波长；0为红外光的入射角；ni为晶体的折射率；n2为样品的折射率。 由公式①可知，红外光的穿透深度与波长入成正比，并且与晶体折射率n相关(假设样品折射射固定)。晶体折射率越高，红外光的穿透深度就越浅，由此得到的峰强度就越弱。 图1为将样品折射率n2设为1.5，红外光入射角0设为45°时，对穿透深度进行计算的结果。 红线为晶体折射率约为2.4的金刚石、硒化锌和 KRS-5的穿透深度；蓝线为折射率约为4.0的锗晶体的穿透深度。由图1可知，红外光的穿透深度因晶体不同而有很大差异。使用锗晶体时，因为穿透深度没有金刚石的高，所以可获得样品表层的信息，但得到的 ATR光谱峰强度将变弱。 图1红外光穿透深度的理论计算结果 Theoretical Calculation of Infrared Beam Penetration Depth ATR光谱的峰形和位置变化可参考公式②。 式中，A为吸光度； Eo为隐失波；a为每个样品的膜厚吸光系数。 根据式②可知，Eo和dp 均为n2的函数。nz 在吸收较强的地方变化剧烈(异常分散)。因此会引起 ATR 光谱形状和峰位置的变化。如果晶体的折射率小，则容易受到异常分散的影响，导致峰位置产生偏移。如果晶体的折射率ni大，则难以受到异常分散的影响1)，2)。 综上所述， ATR 光谱的峰强度和峰位置根据晶体的折射率而发生变化。使用高级 ATR校正功能，不仅可以使 ATR 光谱和透射光谱相似，还能够对不同晶体得到的 ATR 光谱进行比较。有关校正功能的详细信息果请参考应用报告No.A476。 各种样品的 ATR测定 ATR Measurement of Various Samples 此处对根据不同样品性状(形状、硬度和折射率)和晶体材质得到的 ATR 光谱进行说明。使用金刚石(配置硒化锌辅助元件)、硒化锌和锗等3种晶体进行了单次 ATR测定。表1为测定条件。 液体样品的 ATR测定 因为液体样品与晶体紧密接触，所以无需施加压力。图2为硅油的测定结果。 图2硅油的ATR光谱ATR Spectra of Silicon Oil 由图可知，金刚石和硒化锌得到了相同的峰强度，而锗晶体得到的峰强度却仅为1/4左右。 在1，000cm²附近出现硅油 Si-O伸缩振动峰，图3为其放大图。此处将1，000 cm²1附近的峰设置为相同峰强度。 图31，300~900cm²处的放大冬 Enlarged Spectra in Vicinity of 1，300-900 cm 由图3可知，金刚石和硒化锌与折射率较大的锗晶体相比，低波数峰发生约6cm²的偏移。综上所述，折射率低的晶体会明显发生波数峰偏移。 薄膜样品的ATR 测定 图4为尼龙6薄膜样品的测定结果。 为确保样品与晶体紧密接触，需要向样品施加压力。由图可知，对于薄膜等表面光滑且接触程度高的样品，金刚石和硒化锌的峰强度不存在很大差别。 Abs 粉末样品的 ATR测定 图5为无水咖啡因粉末的测定结果。由图可知，与薄膜样品的测定结果相同，因为与金刚石和硒化锌的紧密程度不存在很大差异，所以峰强度的差别也不明显。该样品细致而柔软，因此紧密程度高。如果粉末颗粒粗大坚硬，可能出现差异。此时需将粉末磨碎以提高紧密程度。 图5无水咖啡因粉末的 ATR光谱 ATR Spectra of Anhydrous Caffeine Powder ●树脂颗粒的 ATR 定 通常树脂颗粒为圆筒形，所以样品的放置方法会影响紧密程度。图6为丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚合物(ABS)树脂颗粒的测定结果。 图6 ABS树脂的 ATR 光谱ATR Spectra of ABS Resin 由图可知，金刚石晶体得到的峰强度较大。说明金刚石与样品的紧密程度高。 易拉罐内壁涂料的 ATR测定 通常易拉罐的内壁和外表面均使用涂料。特别是内壁涂料，由于直接接触饮料，因此日本法律规定其必须符合食品卫生法。图7为水基改性环氧树脂的测定结果。切取部分易拉罐，将其展平进行测定。 图7易拉罐内壁涂料的ATR光谱 ATR Spectra of Internal Coating of Aluminium Can 由图7可知金刚石和硒化锌晶体得到的峰强度不同。而锗晶体得到的峰强度则超出穿透深度的理论数值。由此推测可能是易拉罐未充分展平，从而影响了晶体与样品的紧密程度。 综上所述，对紧密程度低的样品进行测定时，峰强度会根据所选晶体而存在很大的差别，因此实际分析中需要注意。 ●D黑色橡胶的 ATR测定 通常将碳黑作为橡胶的增强剂。碳含量增加，样品折射率也会增加。碳在整个红外区域有吸收，根据ATR法的原里(穿透深度的波长依赖性)，基线而逐渐升高，低波数峰会发生偏移。图8为使用3种晶体对含碳 10 wt%的丙烯腈丁二烯橡胶 (NBR)进行测定的结果。 将金刚石和硒化锌晶体的测定结果与锗进行比较可知，金刚石和硒化锌的基线明显升高。另外将金刚石与硒化锌进行比较可知，金刚石在2，400~2，000 cm²附近出现凹陷。这是晶体本身的吸收(金刚石产生的吸收残余)，在使用金刚石对橡胶等具有弹性的样品进行测定时常见，因此实际分析中需要注意。 另外为验证碳含量多的样品的 ATR光谱，使用3种晶体对碳含量30 wt%的NBR橡胶进行了测定。图9~11为测定结果。 图9含30wt%碳 NBR橡胶的ATR光谱(晶体：锗)ATR Spectrum of NBR Rubber Containing 30 wt% Carbon(ATR Crystal：Ge) 图10含30 wt%炭NBR橡胶的ATR光谱(晶体：硒化锌)ATR Spectrum of NBR Rubber Containing 30 wt% Carbon(ATR Crystal：ZnSe) 图11含30 wt%碳 NBR橡胶的ATR光谱(晶体：金刚石和硒化锌)ATR Spectrum of NBR Rubber Containing 30 wt% Carbon(ATR Crystal： Diamond/ZnSe) 将图8与图9~11进行比较可知，随着碳含量的增加，基线明显升高。并且，在折射率低的金刚石和硒化锌得到的峰中还存在变形(图中画圆圈的部分)。这是因为样品折射率随着碳含量增加而上升，从而无法满足公式①中全反射法条件的缘故。因此，导致低波数峰发生偏移。并且，如果样品折射率高，还会出现倒峰，从而无法根据理想的光谱进行定性。考虑上述因素，在分析折射率高的样品时，最好使用折射率高的锗晶体。 ■总结 Conclusion 本次分析使用3种晶体对各种样品进行了测定。由此可知，因为晶体的材质不同，得到的峰强度和峰位置也不同。为了能够对各种样品选择最佳晶体进行分析，请参考本应用报告。 ( 参考文献： ) ( 1)利用红外法的材料分析基础与应用 ) ( 锦田晃一、岩本令吉著 (株)讲谈社(1986) ) ( 2)新化学图书馆/分光分析化学泽田嗣郎等大日本图书(株) ( 1988) ) ( 免责声明： ) ( *本资料未经许可不得擅自修改、转载、销售； ) ( *本资料中的所有信息仅供参考，不予任何保证。 ) ( 如有变动，恕不另行通知。 ) 衰减全反射ATR法是验证分析和异物分析中广泛使用方法，峰强度和位置会根据样品性质和晶体材质而不同。本次使用金刚石、硒化锌好锗等3种晶体，对样品进行测定。本文介绍对晶体与样品的接触程度和不同样品性状得到的ATR光谱进行分析示例。ATR光谱的峰强度和峰位置根据晶体的折射率而发生变化。使用高级ATR校正功能，不仅可以是ATR光谱和透射光谱相似，还能对不同晶体得到的ATR光谱进行比较。