آماده سازی نمونه های FTIR چگونه انجام می شود

آماده سازی نمونه های FTIR

نمونه‌هایی که از آن‌ها می‌توان آنالیز FTIR گرفت، حالت فیزیکی مایع، جامد و گاز می‌تواند داشته باشند. بخشی از فرایند مشخصه‌یابی مواد، مربوط به تهیه نمونه مناسب و آماده‌سازی نمونه است. بنابراین به کمک آزمون FTIR می‌توان انواع مواد مانند پودرها، جامدات، ژل‌ها، امولسیون‌ها، مایعات، محلول‌ها، پلیمرها و همچنین گازهای خاص را شناسایی کرد. هر یک از انواع نمونه‌ها، مراحل آماده‌سازی خاصی دارد. اما به طور کلی مراحل آماده‌سازی برای انجام آنالیز FTIR خیلی پیچیده نیست و گاهی حتی نیاز به آماده‌سازی وجود ندارد.

آماده‌سازی نمونه‌های جامد

درمورد نمونه‌های جامد و پودری، بهتر است مقدار ماده بین ۵ mg تا ۲۰۰ mg باشد، اما برای انجام آنالیز کیفی هم وجودِ حداقل ۱۰ µg نمونه پودری در یک ماتریس شفاف (مثلا پتاسیم برمید) لازم است. در طیف‌سنجی FTIR، سِل‌های نگهداری مواد باید از جنس موادی باشد که  نسبت به تابش پرتو IR شفاف است.

معمولا جنس این مواد از پتاسیم برمید (KBr) یا سدیم کلرید خالص (NaCl) است. KBr گران‌تر از NaCl است و البته مزیتی هم که دارد این است که از KBr می‌توان در محدوده ۴۰۰ cm^-۱ تا ۴۰۰۰ cm^-۱ استفاده کرد. از  NaCl  به دلیل ارزان‌تر بودن، به طور گسترده استفاده می‌شود؛ از NaCl می‌توان در محدوده ۶۵۰ cm^-۱ تا ۴۰۰۰ cm^-۱ استفاده کرد. NaCl در ۶۵۰ cm^-۱ شروع به جذب می‌کند، و هر نوار با بسامد کمتر از این میزان قابل اندازه‌گیری نخواهد بود. به طور کلی نوارهای با اهمیت کمتر در نواحی زیر ۶۵۰ cm^-۱ ظاهر می‌شوند، بنابراین از NaCl برای طیف‌سنجی به طور معمول استفاده می‌شود.

نمونه‌های مورد استفاده برای آنالیز FTIR با روش عبوری، می‌توانند دو صورت باشند: ورقه نازک یا پودر. نمونه‌های ورقه‌ای بیشتر مواد پلیمری یا پلاستیکی هستند. قرار دادن ورقه در محلول پلیمری متداول‌ترین روش است. فیلم‌های پلیمری همچنین می‌توانند از طریق فشار دادن مکانیکی آن‌ها در درجه حرارت‌های بالا، تهیه شوند. چیزی که درمورد این نمونه‌ها اهمیت دارد این است که باید تا جایی که ممکن است، آب نمونه را خارج کرد تا در طیف، رطوبت موجود در نمونه باعث تشکیل پیک‌های جذب نشود.

نمونه‌های پودری هم از طریق خرد کردن ماده جامد و تبدیل آن به پودر و ترکیب پودر نمونه با پودر مواد بی اثر در برابر تابش پرتو IR تهیه می‌شوند. برای تهیه نمونه‌های پودری، به طور معمول دو روش وجود دارد: تهیه قرص‌های نمونه به همراه پتاسیم برمید و تهیه پارچه نازک از آن‌ها. فرایند آماده‌سازی قرص‌های نمونه و پتاسیم برمید به این صورت است که حدودا ۰.۵ mg تا ۱ mg از نمونه جامد را همراه با ۱۰۰ mg ماتریس پتاسیم برمید (KBr) پودر می‌کنند تا اندازه ذرات پودری به کمتر از ۲ µm برسد، سپس مخلوط پودری را تحت فشار ۱۰۰۰۰ PSi تا ۱۵۰۰۰ PSi فشرده می‌کنند و آن را در محیط خلاء به صورت قرصی شفاف به قطر ۱.۲ cm در می‌آورند. قرص‌های تهیه شده را برای تابش طیف IR در محل نمونه دستگاه قرار می‌دهند. در حال حاضر معمول‌ترین و پرکاربردترین روش، تهیه قرص‌های نمونه به همراه پتاسیم برمید است.

شکل 1: قرص‌آماده سازی شده از نمونه و پتاسیم برمید 

فرایند آماده‌سازی در روش پارچه نازک اینگونه است که نمونه جامد را به صورت پودری در می‌آورند، سپس آن را با ماده نرم‌کننده که عموما یک روغن معدنی است، مخلوط می‌کنند. با یک لایه از مخلوط پودر و روغن را روی ورقه پتاسیم برمید را پوشش می‌دهیم، بعد ورقه پتاسیم برمید دیگری را از بالا روی آن قرار می‌دهیم تا لایه مخلوط پودر و روغن را ساندویچ کند. روش پارچه نازک روشی ساده و به صرفه از نظر اقتصادی است، اما عامل نرم‌کننده شامل زنجیره‌های هیدروکربنی دراز است، که پرتوهای IR با عدد موجی تا حدود ۳۰۰۰ cm^-۱ و  ۱۴۰۰ cm^-۱ را جذب می‌کند و در نتیجه ممکن است طیف نمونه را پیچیده کند و تحلیل را هم دشوارتر کند.

به علاوه برای نمونه‌های جامد، بسته به اینکه نمونه چه باشد، می‌توان آن‌ها را در حلال‌هایی با خلوص بالا مانند تتراکلرومتان (CCl_۴)، کربن دی سولفید (CS_۲) و اتیلن تتراکرید که در فواصل معینی از طیف IR جذب ندارند، حل کرد و محلول‌هایی با غلظت ۵% – ۲۰% W/W تهیه کرد و سپس از آن محلول طیف IR گرفت.

آماده‌سازی نمونه‌های مایع

درمورد مایعات، حداقل مقدار لازم برای انجام آنالیز، ۰.۵ µL است. البته اگر مایع خلوص بالایی داشته باشد، با مقادیر کمتر هم امکان انجام آنالیز وجود دارد. درمورد مایعات آماده‌سازی خاصی وجود ندارد، ولی معمولا از سِل‌های خاصی برای نگهداری نمونه مایع لازم است. به طور معمول نمونه‌های مایع را به کمک یک سرنگ در سِل‌های مخصوص می‌ریزند. ضخامت بخشی از سِل که نمونه در آن قرار می‌گیرد، بین ۰.۰۱ mm تا ۱ mm است و جنس جداره‌های آن از پتاسیم برمید است. در این حالت اگر نمونه‌ی مورد بررسی، محلول باشد، باید یک سلول دیگر حاوی حلال نیز به عنوان مرجع به کار برده شود تا بعد از ایجاد طیف، بتوان جذب حلال را از روی طیف نمونه حذف کرد. در مواقعی هم ترکیبی از چند حلال استفاده می‌شود. درمورد این روش باید دقت کرد که برای نمونه‌هایی که حلال آن‌ها آب است، نمی‌توان از سِل‌های پتاسیم برمید استفاده کرد؛ زیرا آب حلال پتاسیم برمید است. بنابراین برای آنالیز نمونه‌هایی که حلال آن‌ها آب باشد، باید از سِل‌هایی با جنس ZnSe یا AgCl استفاده کرد؛ زیرا این مواد با وجود اینکه در مقابل پرتوی IR شفاف هستند در آب هم حل نمی‌شوند.

همچنین برای تهیه نمونه‌های مایع می‌توان یک ورقه نازک رشته مانند از آن تهیه کرد و بین دو ورقه پتاسیم برمید آن را ساندویچ کرد. برای این کار یک قطره از مایع مورد نظر را روی یک ورقه پتاسیم برمید قرار داد و ورقه دیگر پتاسیم برمید را روی آن قرار داد (شکل ۲). البته این روش برای مایعات فرار روش مناسبی نیست. برای مایعات فرار و مایعات سمّی بهتر از روش قبلی که توضیح داده شد، استفاده شود.

شکل 2: نحوه آماده سازی نمونه مایع

آماده‌سازی نمونه‌های گازی

درمورد گازها هم غلظتی در حدود ۵۰ ppb برای انجام آنالیز لازم است. نمونه‌های گازی که در مقایسه با نمونه‌های مایع و جامد، تعداد مولکول‌های موجود در واحد حجم کمتری دارند.

نمونه‌های گازی را معمولا در سِل‌هایی از جنس پیرکس به ضخامت ۱۰ cm وارد می‌کنند؛ به طوری که فشار گاز در سلول بین ۴ mmHg تا ۴۰ mmHg باشد. سِل‌هایی که برای نمونه‌های گازی استفاده می‌شود، از نظر ساختاری شبیه سِل‌هایی است که برای مایعات استفاده می‌شود، با این تفاوت که ابعاد سِل‌هایی که برای نمونه‌های گازی استفاده می‌شود، خیلی بزرگتر است. طیف‌سنجی FTIR برای اندازه‌گیری گازهایی که در ناحیه IR جذب دارند، مانند کربن منوکسید، کربن دی اکسید، اکسیدهای نیتروژن، هیدروکربن‌های گازی و بخار آب و … به کار می‌رود.