紅外光譜制樣技術(shù)
發(fā)布日期：2018-04-24 瀏覽次數(shù)：1874
每年各地紅外光譜的實(shí)驗(yàn)室制備和利用紅外光譜儀分析成千上萬(wàn)個(gè)樣品。 這些樣品范圍從商業(yè)產(chǎn)品像高聚物顆粒和液體表面活性劑，一直到高純度有機(jī)化合物。為了從這些不同的材料中得到高質(zhì)量的紅外譜圖，我們必須采用多種多樣的制樣技術(shù)。這篇文章的旨在與您交流紅外制樣技術(shù)。在這篇文章中，將對(duì)基于樣品的物理特性進(jìn)行的技術(shù)選擇作討論。
液體
液樣的制備是將少量樣品涂于兩片紅外透明的窗片(KBr、NaCl等)之間。窗片的互相擠壓形成一個(gè)樣品薄層，樣品的成分決定了選擇哪種窗片。對(duì)于無(wú)水的樣品，窗片材料是KBr。對(duì)于含水樣品, KRS-5 較為適合。
固體
固體樣品對(duì)光譜學(xué)家提出挑戰(zhàn)。樣品的熔點(diǎn)為我們指出首先該考慮哪種技術(shù)。
對(duì)于熔點(diǎn)低于72。C的樣品，用適當(dāng)?shù)娜軇悠啡芙?，成膜于KBr窗片上是zui先考慮的。如果因?yàn)榛€不好或是溶解性差而不成功，可以考慮在兩片KBr窗片內(nèi)熔化成膜。如果這也不行，樣品可進(jìn)行KBr壓片。
對(duì)于熔點(diǎn)高于72。C的樣品，的技術(shù)是KBr壓片。對(duì)于聚合物樣品，成膜法是，接著是熱熔法和壓片法。
對(duì)于熔點(diǎn)未知的樣品，結(jié)晶度的檢測(cè)將會(huì)指明哪種技術(shù)將會(huì)成功。高結(jié)晶度的樣品用KBr壓片法較好，對(duì)于低結(jié)晶度的樣品，成膜和熱熔會(huì)得到更好的譜圖。
紅外光譜的樣品制備 – 第二部分
液體樣品
液體樣品的分析有多種方法。在本文中，我們主要探討所使用的制樣方法及一些有關(guān)的潛在問(wèn)題。
純樣品技術(shù)
分析液體樣品的zui常用方法就是將一滴液體夾在兩片鹽片中間，過(guò)程如下：將一滴樣品滴于合適的鹽片上，幾秒鐘后，將另外一塊鹽片合上，這樣液體被夾在兩塊鹽片之間，變成薄膜狀。當(dāng)然，選用的鹽片要與分析的液體樣品兼容。不含水的樣品可采用KBr(32×5mm)鹽片，含水樣品則采用KRS-5鹽片，這幾種晶體材料的選用主要是根據(jù)它們?cè)诩t外段的透光范圍(優(yōu)于4000-450cm-1)和穩(wěn)定性。每次一個(gè)樣品做好后，用帶合適的溶劑的棉花清洗，然后在倒有甲醇的鹿皮或雞皮上拋光。
KBr鹽片需要經(jīng)常進(jìn)行拋光，以維持其表面的光潔。由于KRS-5晶體有毒，所有只有當(dāng)其表面被劃傷或污染時(shí)才需要拋光，而且要求專(zhuān)業(yè)人員來(lái)完成。
ATR技術(shù)
水平的單反射ATR主要是由一個(gè)ZnSe晶體的凹槽組成，盡管ZnSe晶體的截止頻率為650-700CM-1，但它比其它寬頻帶的材料要更加耐用。
在樣品分析好后，要用適當(dāng)?shù)娜軇悠窙_掉，再用棉花球擦洗干凈，這種材料不需要經(jīng)常拋光。
潛在問(wèn)題：
但它zui大的問(wèn)題就是樣品譜圖的非線性，主要指峰位的位置和強(qiáng)度不滿足Beer-Lambert法則：
A = abc 這里, A =吸收值
a =摩爾吸收系數(shù)
b = 光程
c =濃度
Beer-Lambert定理主要是針對(duì)定量分析的，譜圖檢索是定量分析的一種類(lèi)型，因?yàn)樽V圖檢索是以吸收強(qiáng)度為基礎(chǔ)的，透射實(shí)驗(yàn)一般是線性關(guān)系，可以用于定量分析;由于ATR的技術(shù)特點(diǎn)導(dǎo)致的，ATR實(shí)驗(yàn)一般不能用于定量分析。
zui常見(jiàn)的導(dǎo)致非線性的原因是透過(guò)樣品的光程不確定性。分辨率為2時(shí)，樣品區(qū)紅外光的聚焦點(diǎn)直徑有6MM，如果此時(shí)樣品區(qū)樣品厚度薄厚不均或碰巧有氣泡或，就會(huì)引起此處光程不同。
這些因素將導(dǎo)致譜圖在各個(gè)波段的吸收強(qiáng)度的不準(zhǔn)確，換句話說(shuō)，譜峰的強(qiáng)度比實(shí)際強(qiáng)度或者高或者低，從而降低譜圖檢索的質(zhì)量，圖1是純3,4-二氯甲苯的紅外吸收?qǐng)D，在808 cm-1波段處的吸收強(qiáng)度為0.39，而鄰近870 cm-1處是0.24 (A808 cm-1/A870 cm-1 = 1.6)
圖2是同一個(gè)樣品但是通過(guò)在晶體上做成一層薄厚不均的膜而得到的譜圖，它的吸收率與上圖已經(jīng)有差別了，808 cm-1處的吸收率是0.76，而870 cm-1處卻為0.62(A808 cm-1/A870 cm-1 = 1.2)，與圖1相比，已有25%的差距，這必然會(huì)導(dǎo)致譜圖檢索結(jié)果正確率的下降。將樣品聚焦點(diǎn)直徑為6mm時(shí)得到的圖與聚焦點(diǎn)直徑為3mm時(shí)得到的圖相減，用差譜的結(jié)果來(lái)進(jìn)行分析：
由薄厚不均導(dǎo)致的非線性將會(huì)使差譜減不干凈，有很大的殘余峰，我們可以通過(guò)定期對(duì)晶體進(jìn)行拋光來(lái)降低這種誤差。
經(jīng)常引起液體樣品譜圖的非線性的另一個(gè)原因是樣品的厚度。液樣太濃將會(huì)導(dǎo)致譜圖的吸收太強(qiáng)，而多數(shù)紅外儀器的檢測(cè)器的線性響應(yīng)范圍是0到1.2個(gè)吸收單元，大于1.2時(shí)就會(huì)引起線性問(wèn)題。有時(shí)非線性會(huì)使譜圖中吸收峰的頭部成平頭狀，在我們的實(shí)驗(yàn)室中只接受吸收單元1.2的譜圖，圖3也是上面提到的樣品的譜圖，但樣品的厚度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者。
譜圖中zui強(qiáng)的吸收單元已經(jīng)超過(guò)了30個(gè)吸收單元，808 cm-1處的吸收度為1.66，870 cm-1處為0.94(A808 cm-1/A870 cm-1 = 1.76)，相比而言，產(chǎn)生了10%的誤差，這種不同波段的吸收值的相對(duì)性的差異將會(huì)給譜圖檢索帶來(lái)負(fù)面影響。
紅外樣品的制備 – 第三部分III
成膜技術(shù)
涂膜技術(shù)是用在熔點(diǎn)低于72。C的樣品和低結(jié)晶度的樣品，比如象高聚物，涂膜法也可在其他方法失敗后試用。
涂膜的一般過(guò)程
先將樣品溶于適當(dāng)?shù)娜軇┲小Ｈ缓髮?shù)滴溶液滴于惰性的基質(zhì)上，溶液揮發(fā)后在基質(zhì)上留下一層薄膜。如果惰性基質(zhì)是紅外透明的，可直接檢測(cè)或?qū)⒈∧兿聶z測(cè)。
選擇合適的溶液
選擇溶液zui主要的標(biāo)準(zhǔn)是容易揮發(fā)(除了zui明顯的一點(diǎn)，可溶解樣品)。這意味著必須采用低沸點(diǎn)溶劑。蒸發(fā)溶劑所需的熱量越少，樣品所受的影響就越小。另外，溶劑越容易去除，殘留的溶劑越少。以下列出的溶劑將首先考慮：氯仿(BP. 61.2° C)，丙酮(BP. 56.2° C)，三氯乙醇(BP. 151° C)，鄰二氯苯(BP. 180.5° C)和水(BP. 100° C)。在選擇成膜技術(shù)時(shí)這五種溶劑適用于85%的樣品。
純?nèi)芤旱墓庾V也應(yīng)準(zhǔn)備著作為參照。將溶劑的譜圖與成膜樣品的譜圖作比較是判斷是否有溶劑殘留的一個(gè)好方法。每取用一次溶劑便將其參比譜圖更新一下也是一個(gè)好習(xí)慣。
選擇基質(zhì)
一般不將薄膜從基質(zhì)上取下，基質(zhì)和薄膜是一起放入光譜儀的。所以需要的是對(duì)紅外透明的基質(zhì)。除了溶劑是水采用KRS-5晶體外，一般zui常用的基質(zhì)是KBr晶體。如果決定將薄膜取下，玻璃將是不錯(cuò)的選擇。
成膜
經(jīng)驗(yàn)告訴我們使用少量的稀溶液(3-5滴)，多次在基質(zhì)上形成薄膜，這將比用濃溶液形成的厚膜和大量的溶液一次成膜要好的多.這將使薄膜中的溶劑殘留zui少。
有時(shí)，當(dāng)你成膜的是晶體樣品，譜圖上會(huì)顯示非常嚴(yán)重的散射和基線傾斜。這在單層成膜時(shí)經(jīng)常發(fā)生，在多層成膜時(shí)也會(huì)出現(xiàn)。我們認(rèn)為這是因?yàn)閦ui先沉淀的晶體成為了形成大晶體的“晶核”，正是這些大晶體造成光的散射，使基線傾斜。在我們實(shí)驗(yàn)室為了防止這種問(wèn)題的發(fā)生，我們經(jīng)常在晶體的兩面都涂上一層薄膜，有時(shí)在兩塊晶體的兩面都涂上一層薄膜，一共形成四層膜。這個(gè)能解決絕大部分的散射問(wèn)題。
在蒸發(fā)溶劑時(shí)，使晶體上的溶液保持流動(dòng)。這將幫助您得到厚度均勻的膜。我們經(jīng)常將晶體放在一小片可反復(fù)使用的紙卡上(大約2”×3”)，后不停的敲擊紙卡的背面，使溶液保持流動(dòng)，或者用移液管末端不停的攪拌攪拌，如果去除溶劑需要加熱，而晶體又是水溶性物質(zhì)，比如KBr，那你應(yīng)該先加熱卡片，去除其中含有的水汽。如果你不這樣作，晶體的底部會(huì)吸水霧化，這將使你的譜圖的基線傾斜。在我們的實(shí)驗(yàn)室，我們使用加熱燈來(lái)慢慢清除水汽，如果是在一個(gè)較為潮濕的環(huán)境中，應(yīng)該一直用燈加熱 以去除環(huán)境中水汽的影響。注意采取預(yù)防措施，尤其是在使用易燃溶劑時(shí)。
潛在問(wèn)題
在成膜技術(shù)中zui嚴(yán)重的兩個(gè)問(wèn)題是薄膜厚度不均勻和溶劑殘留。薄膜的厚度不均將導(dǎo)致譜圖的非線性。而在薄膜技術(shù)中應(yīng)該時(shí)刻注意溶劑殘留的問(wèn)題?？偸菍⒌玫降淖V圖與溶劑譜圖的主峰作比較。如果結(jié)果顯示有溶劑殘留，有時(shí)可通過(guò)繼續(xù)加熱來(lái)去除溶劑。
如果你不能確定某個(gè)特征峰是溶劑還是樣品產(chǎn)生，那樣品必須用另一種方法檢測(cè)或使用另一種不會(huì)產(chǎn)生該特征峰的溶劑。
另一個(gè)可能產(chǎn)生的問(wèn)題是，某些樣品在加熱和有氧氣的情況下易發(fā)生氧化。這將導(dǎo)致在1740 cm-1上有一個(gè)C=O 的小峰。
有幾種方法可以防止或減小這種氧化。在惰性氣氛中蒸發(fā)溶劑，比如在氮?dú)庵?，這樣可以減少氧氣的存在。或是減少加熱量來(lái)化小這個(gè)問(wèn)題。可能的話，你可以使用更低沸點(diǎn)的溶劑，或用真空泵來(lái)抽取溶劑。
