ATR-FT-IR spektroskoopia

ATR ehk nõrgendatud täielik sisepeegeldus on proovikäsitluse viis, mida kasutatakse Fourier' teisendusega (FT) infrapunaspektroskoopias (IR). Meetod sobib nii vedelike, tahkiste kui ka pastade analüüsimiseks.

ATR tööpõhimõte

Proov asetatakse sisemisele peegeldavale elemendile ning vajadusel avaldatakse efektiivse kontakti saavutamiseks rõhku. Kristallile suunatakse nurga θ all kiir, mis läbib kristalli ning tungib paari mikromeetri sügavusele proovi. Proovist spektri saamikeks peab θ olema suurem kriitilisest nurgast, mis on avaldub järgmise valemi kaudu: 

$sin\theta _{kr}=n_{2}/n_{1}$

Sümbolid valemis: θ_kr – kriitiline nurk, n₁ – kristalli murdumisnäitaja, n₂ – proovi murdumisnäitaja.

Kui nurk θ on suurem kriitilisest nurgast toimub kiire täielik sisepeegeldus, siiski näib kiir vähesel määral tungivat ka proovi. Nimelt toimub saabuva ning eemalduva IR-kiire vahel konstruktiivne interferents, mille tulemusel kiire amplituud suureneb kristalli pinnalt välja proovi pinnakihti. Efektiivse proovi sisenemise sügavuse ehk teepikkuse, mille läbides kiirgus väheneb väärtuseni 1/e saab välja arvutada järgneva valemi abil:

$d_{p}=\lambda /(2*\pi *n_{1}*\surd (sin^{2}\theta -\eta ^{2}))$

sümbolid valemis: d_p – kiirguse proovi sisenemise sügavus (samades ühikutes nagu lainepikkus), λ – IR-kiirguse lainepikkus, η=n₂/n₁ – proovi murdumisnäitaja suhe kristalli murdumisnäitajasse.

Spektrid

Kui võrrelda ATR-iga salvestatud spektreid difuusses režiimis salvestatutega, tuleb silmas pidada, et kiire efektiivne proovi sisenemise sügavus on ATR-meetodi puhul võrdelises seoses lainepikkusega. Järelikult mida suurem on lainepikkus, seda sügavamale tungib kiirgus ja seda rohkem see proovis neeldub. Difuusse meetodi puhul aga lainepikkus intensiivsust ei mõjuta. Piikide relatiivsete intensiivsuste erinevusest tingituna tuleks võimalusel interpreteerida ATR-spektreid teiste samal meetodil saadud spektrite abil. Kui sobivaid spektreid leida ei õnnestu, on võimalik kasutada ka FTIR programmides leiduvat ATR-korrektsiooni funktsiooni. See funktsioon muudab ATR-meetodil mõõdetud spektri difuusse meetodi omaga võrreldavaks.

Kasutades erinevate kristallidega ATR-e, mõjutab kristalli murdumisnäitaja efektiivset proovi sisenemise sügavust ja seega ka spektreid. Mida suurem on kristalli murdumisnäitaja, seda rohkem kiirgust proovis neeldub. Kuna piikide intensiivsus on kõigil lainepikkustel võrdselt mõjutatud, on eri kristallidega registreeritud spektrite võrdlemine visuaalselt kergem ning neid saab hõlpsasti spektritöötlusprogrammi abil üksteiseks muundada.

Kristallid

Teades eri kristallide murdumisnäitajaid, on võimalik hinnata ja välja arvutada IR-kiire efektiivne proovi sisenemise sügavus ning tänu sellele uurida mittedestruktiivselt proovi eri kihtide koostist. Näiteks oleks võimalik mõõta germaanium kristalliga ATR-iga, mille murdumisnäitaja on suurem ning seega efektiivne proovi sisenemise sügavus väiksem, proovi pealmist kihti. Teemantkristalliga ATR-i, mille murdumisnäitaja on germaaniumist väiksem, saaks kasutada nii pealmise kui ka selle all asetsevat kihi mõõtmiseks. Teisest kihist spektri saamiseks tuleks siis teemandiga mõõdetud spektrist lahutada germaaniumiga mõõdetu.

ATR-i kristalli valimisel tuleks peale murdumisnäitaja kaaluda ka teisi olulisi aspekte, näiteks lainearvude vahemikku, kõvadust ja vastupidavust.

KRS-5 ehk segu talliumbromiidist ja talliumjodiidist oli esimene ATR-i kristalli jaoks kasutatav materjal. Tegemist on laia lainearvude vahemikuga, kuid samas pehme ja mürgise ainega.

Tsinkseleniid võeti kasutusele hiljem. Selle kristalliga on võimalik uurida ka lähiinfrapunast ala ning see on võrreldes KRS-5-ga tunduvalt kõvem. Siiski paljud proovid kriimustavad ka tsinkseleniidi, mistõttu sobib see kristall paremini vedelike, polümeeride ja pastade või pehmete tahkiste jaoks.

Veel kasutatakse kristallidena räni ja germaaniumi, mille eelisteks on kõvadus ning parem vastupidavus hapetele ja alustele. Lisaks on germaanium suure murdumisnäitajaga, mis tuleb eriti kasuks täidetud polümeeride uurimisel.

Teemant on ATR-i kristallina muutunud oma kallidusest hoolimata väga populaarseks tänu oma suurtele eelistele eelnevalt mainitud materjalide ees. Teemant on keemiliselt inertne ning vastupidav enamikule hapetele ja alustele. Tegemist on ka erakordselt kõva materjaliga, mis tähendab, et proovidele saab avaldada suurt rõhku ning ka tugevad proovid ei kriimusta kristalli. Eeliseks on ka teemandi ja tsinkseleniidi murdumisnäitajate sarnasus, mis lihtsustab spektrite võrdlemist. Puudusena tuleb peale tunduvalt kõrgema hinna arvestada ka teemandi omaneelamisega lainearvude vahemikus 2200–2000 cm⁻¹. See neeldumine on küll teoorias võimalik mõõtes tausta spektri maha lahutada, kuid teemandi absorptsiooni piigid on neil lainearvudel küllalt intensiivsed, mistõttu võib neeldumist proovis olla raske tuvastada.

Tabel. Levinumad ATR-kristallid

Kristalli materjal	Murdumisnäitaja	Lainearvude vahemik	Eelised/puudused
KRS-5	2,4	20 000 – 250	suhteliselt pehme, mürgine, ei kannata tugevaid happeid ega aluseid, vees lahustumatu, reageerib kompleksi moodustajatega
ZnSe	2,4	15 000 – 600	rabe, ei kannata tugevaid happeid ega aluseid, vees lahustumatu, kõva
Si	3,4	8900–660	kitsas lainearvude vahemik, rabe, inertne, kõva
Ge	4,0	5500–600	kitsas lainearvude vahemik, vastupidav, temperatuuritundlik, kõva, rabe
Teemant	2,4	30 000 – 2200, 2000–400	kõva, vastupidav, kallis, neelab keskinfrapuna alas
AgCl	2,0	25 000 – 400	väga pehme, vees lahustumatu, kardab valgus

Tabel

Kiire nurk proovi sisenemisel

Kiire nurk proovi sisenemisel on sõltuvuses efektiivsest proovi sisenemise sügavusest. Sellest järeldub, et proovi eri kihtidest spektrite saamiseks ei ole tingimata vaja omada erinevaid kristalle, piisab ka peeglite ümbersätestamisest, et kiirgus langeks kristallile teise nurga alt. Seejuures, mida suurem on kiire pealelangemisnurk, seda väiksem on proovi sisenemise sügavus. Enamiku aparaatide puhul pole võimalik kasutada vabalt valitud nurka, vaid tuleb valida sobivaim kolme hulgast, milleks on enamasti 30^o, 45^o ja 60^o.

Ühe- ja mitmepõrkelisus

Eristatakse ühe- ja mitmepõrkelisi ATR-e. Mitmepõrkelisus suurendab katse tundlikkust, kuid tähendab ühtlasi vajadust suurema kristalli järele. Teemandi kui ATR-kristalli kasutuseletuleku ja levikuga on muutunud eriti oluliseks minimaalne võimalik kristalli suurus ja ühepõrkelised ATR-id. Ühepõrkelised ATR-id võimaldavad analüüsida tunduvalt väiksemaid proove, mis ei pea olema lamedapinnalised. Prooviala varieerub ühepõrkeliste mikro-ATR-ide puhul 250 μm kuni 2 mm. Vähendades proovi ja kristalli kokkupuutepinda, on võimalik vähem tööd tehes avaldada proovile suuremat rõhku, mis on eriti oluline kõvade proovide korral.

Eelised ja puudused

ATR-il on proovikäsitlusmeetodina palju eeliseid. Proovi ettevalmistus on enamasti minimaalne ja sageli on spektrit võimalik mõõta isegi otse objekti pinnalt. Meetod on rakendatav vedelike, pastade, polümeeride, pulbrite ja tahkiste analüüsiks. ATR on lihtsasti kvantiseeritav ning võib olla mittedestruktiivne.

ATR puuduseks on, et paljud kristallid neelavad IR-kiirgust analüüsiks olulistel lainearvudel. Usaldusväärsete spektrite saamiseks on väga olulised kristalli puhtus enne analüüsi ja kindlasti ei tohiks kristall olla kriimustatud. ATR ei ole kuigi tundlik meetod ega sobi jälgede analüüsiks. Tegemist on kõige kallima FTIR-analüüsi meetodiga.